Bewertung der Ressourceneffizienz von Baukonstruktionen : Entwicklung und Anwendung eines Bewertungssystems

Struck, Franziska; Walther, Grit; Flamme, Sabine; Greiff, Kathrin

doi:10.18154/RWTH-2023-03037

Bewertung der Ressourceneffizienz von Baukonstruktionen : Entwicklung und Anwendung eines Bewertungssystems

Struck, Franziska^RWTH*

2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Franziska Struck M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Flamme, Sabine (Thesis advisor) ; Walther, Grit (Thesis advisor)^RWTH* ; Greiff, Kathrin (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-02-06

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-03037
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/954234/files/954234.pdf

Einrichtungen

Projekte

080053 - Forschungskolleg Verbund.NRW (080053) (080053)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Bauwesen (frei) ; Bewertung (frei) ; Recyclingfähigkeit (frei) ; Ressourceneffizenz (frei) ; construction sector (frei) ; evaluation (frei) ; recyclability (frei) ; resource efficiency (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Der Bausektor ist verantwortlich für 63% des Rohstoffverbrauchs, 40% des Energieverbrauchsund 35% der CO2-Emissionen Deutschlands. Diese hohen Ressourcenverbräuche entstehen durchden Bau und die Nutzung von Gebäuden und Infrastrukturanlagen über ihren gesamten Lebenszyklus.Hinzu kommen große Abfallmengen am Ende des Lebenszyklus, 55% aller deutschenAbfälle sind Bau- und Abbruchabfälle. Folglich muss der Ressourcenverbrauch reduziert undüber den gesamten Lebenszyklus optimiert werden. Hierzu sind Baukonstruktionen nötig, dieüber den gesamten Lebenszyklus ressourceneffizient sind. Ressourceneffizienz ist dabei definiertals der Quotient aus dem Nutzen der Konstruktion (z. B. ihre Schall- und BrandschutzoderWärmedämmeigenschaften) und dem Ressourcenaufwand, der über den gesamten Lebenszyklusfür die Konstruktion benötigt wird. Als Ressource gelten dabei Energie, Rohstoffeund die resultierenden Belastungen für die Ökosysteme. Bestehende Gesetze konnten bereitsFortschritte im Bereich Energie erreichen. In den Bereichen Rohstoffe und Ökosysteme herrschtVerbesserungsbedarf, da die inzwischen gesetzlich verbindlichen internationalen Emissionszieleals unzureichend kritisiert und Rohstoffe ausschließlich über das Abfallrecht reguliert werden.Um eine Steigerung der Ressourceneffizienz zu erreichen, müssten Architekt*innen und Bauingenieur*innen gezielt ressourceneffiziente Baukonstruktionen bei der Planung von Gebäuden oderdem Design von Bauprodukten einsetzen können. Hierzu muss die Ressourceneffizienz möglichstobjektiv bewertbar sein. Die Bewertung sollte zudem über den gesamten Lebenszyklusund auf Konstruktionsebene stattfinden. Die Konstruktionsebene ist entscheidend, da inder Detailplanung Entscheidungen auf dieser Ebene getroffen werden, System-Hersteller aufKonstruktionsebene ihre Produkte entwerfen und Gebäudesanierungen den Austausch einzelnerKonstruktionen erfordern. Der gesamte Lebenszyklus ist entscheidend, da Effekte verschiedenerLebenszyklusphasen einander beeinflussen können, z. B. ein geringer Materialbedarf beider Herstellung vs. mangelnde Recyclingfähigkeit am Lebensende. Außerdem sollten die Besonderheitendes Bauens gegenüber anderen Produkten beachtet werden. Gebäude werdenals Prozess durch die Zusammenwirkung verschiedener Akteur*innen errichtet und viele Bauprodukteweisen eine lange Lebensdauer auf, sodass Entwicklungen z. B. von Herstellungs- oderRecyclingverfahren, während der Lebensdauer wahrscheinlich sind.Bislang bestehen drei Methoden zur Bewertung der Ressourceneffizienz (ESSENZ, VDIRichtlinie4800 und Fritz). Diese wurden jedoch nicht für den Bausektor entwickelt bzw. könnennicht für die Bewertung der Konstruktionsebene verwendet werden. Folglich muss ein neuesBewertungssystem für die Ressourceneffizienz von Baukonstruktionen über den gesamtenLebenszyklus entwickelt werden. Dieses Bewertungsmodell sollte auf bestehende Ansätze aufbauen. Es wurden somit bereits bestehendeModelle analysiert und Bewertungskriterien aus diesen abgeleitet. Neben den genanntenModellen zur Bewertung von Ressourceneffizienz, wurden auch Modelle zur Bewertungder Nachhaltigkeit, einzelner Ressourcenaspekte, einzelner Lebensphasen (wie z. B. die Recyclingfähigkeit)oder anderer Betrachtungsebenen untersucht. 34 Kriterien konnten als relevantfür die Ressourceneffizienz von Baukonstruktionen identifiziert werden. Anschließend wurdenIndikatoren ausgewählt, die möglichst objektiv und transparent bewertet werden können undz. B. auf Normen basieren. Für 23 Kriterien konnten entsprechende Indikatoren identifiziert werden.Die übrigen Kriterien mussten aufgrund fehlender Indikatoren nachträglich ausgeschlossenwerden. Die Bewertung erfolgt über fünfstufige Tabellen, die bestimmten Schwellenwertenoder Bedingungen eine Punktzahl zuordnen. Um diese zu erhalten, wurden für zwei Anwendungsbeispiele (Innenwandkonstruktionen und Bodenkonstruktionen) je ein Katalog aus über100 Konstruktionen erstellt. Für diese wurden alle nötigen Indikatoren berechnet und mittelseiner auf Perzentilen basierenden Auswertung Schwellenwerte abgeleitet. Die Bewertung wurdebewusst so dimensioniert, dass heutige Konstruktionen bereits Punkte erhalten und Unterschiededeutlich erkennbar sind, jedoch ebenfalls ein Anreiz zur Verbesserung besteht. Zur anwendungsfreundlichenUmsetzung der Bewertung wurde ein Exceltool entwickelt.Anschließend wurde mit Hilfe des entwickelten Bewertungssystems die Ressourceneffizienz vonInnenwand- und Bodenkonstruktionen ermittelt. In sechs Anwendungsfällen, die jeweils Konstruktionen gleichen Nutzens miteinander vergleichen, wurde die Ressourceneffizienz berechnet und gegenübergestellt. Für konkrete Anwendungsfälle lässt sich so die ressourceneffizienteste Konstruktion auswählen und z. B. gezielt in einem Bauvorhaben einsetzen. Durch eine Auswertung der Bewertungsergebnisse konnten Einflussfaktoren auf die Ressourceneffizienzidentifiziert werden. Die wichtigsten Faktoren sind eine lange Nutzungsdauer und die Wiederverwendung der Konstruktionen. Die Bauweise und die Anforderungen an eine Baukonstruktion haben hingegen einen geringeren Einfluss. Tendenziell sind aktuelle Trockenbaukonstruktionen und Konstruktionen ohne Anforderungen ressourceneffizienter als Massivbau bzw. Konstruktionen mit hohen Schall- und Brandschutzanforderungen. Das individuelle Konstruktionsdesign ist jedoch entscheidend. Für einzelne Anwendungsfälle können auch Massivbauweisenressourcen effizienter sein und eine Konstruktion, die keine Anforderungen erfüllt, ist nicht immer ressourceneffizienter als eine Konstruktion, die hohe Anforderungen erfüllt. Insgesamt wurde vor allem deutlich, dass eine gezielte Betrachtung der Ressourceneffizienz zu einer Steigerung dieser führen kann, da für jeden Anwendungsfall Konstruktionen mit deutlich unterschiedlicher Ressourceneffizienzbewertung zur Auswahl standen. Eine Übertragung des Bewertungssystem auf Außenwände und Flachdächer zeigt, dass die Bewertungssystematik unabhängig von der Konstruktionsart (Außen-, Innen, horizontale und vertikale Konstruktionen) anwendbar ist. Das Bewertungssystem lässt sich zudem auch auf die Bewertung von Mehrfachnutzungen übertragen. Insgesamt ermöglicht das entwickelte Bewertungssystem die Quantifizierung der Ressourceneffizienz, sodass Konstruktionen verglichen und Ergebnisse kommuniziert werden können. Außerdem werden Defizite der Konstruktionen deutlich, sodass Produktentwickler*innen gezielt die Gestaltung ihrer Konstruktion anpassen können. Planende können bewusst ressourceneffiziente Konstruktionen bei Neubauten und Sanierungen einsetzen. Bauherr*innen können den Nachweis der Ressourceneffizienz für ihr Projekt, z. B. in Ausschreibungen, fordern. Auch der Bedarf nachressourceneffizienten Materialien und Entsorgungsverfahren kann mit Hilfe des Bewertungssystems deutlich und an Hersteller und Entsorger kommuniziert werden. Insgesamt können somit alle am Lebenszyklus beteiligten Akteur*innen die Ressourceneffizienz einer Baukonstruktion beeinflussen. Das entwickelte Bewertungssystem zeigt hierzu auf, welche Konstruktionen besonders ressourceneffizient sind oder an welcher Stelle Verbesserungsbedarf besteht. Es kann somit einen Beitrag zur Steigerung der Ressourceneffizienz von Baukonstruktionen über den gesamten Lebenszyklus leisten.

The construction sector is responsible for a large consumption of energy and raw materials,which results in large amounts of waste and emissions. Consequently, construction elements(walls, roofs etc.) that are resource-efficient during their entire life cycle are needed. Resourceefficiency is defined as the quotient of the benefit of a construction element (e. g., its propertieslike sound and fire protection or thermal insulation) and the resource input required fora construction element over its life cycle. Three resources are taken into acount: energy, rawmaterials and the resulting impact on ecosystems. Existing legislation has already achievedprogress in the area of energy. However, there is a need for improvement in the areas of rawmaterials and ecosystems, as political goals fixed in legislation are insufficient and raw materialsare regulated exclusively through waste legislation.The construction sector is responsible for 63% of raw material consumption, 40% of energyconsumption and 35% of CO2-emissions in Germany. This high resource consumption resultsfrom the construction and use of buildings and infrastructure facilities over their whole life cycle.In addition, large amounts of waste are generated at the end of the life cycle: 55% of all Germanwaste is construction and demolition waste. Consequently, resource consumption must be reducedand optimized over the entire life cycle. This requires construction elements (walls, roofs,etc.) that are resource-efficient over the entire life cycle. Resource efficiency is defined as thequotient of the benefit of the construction (e. g., its properties like sound and fire protection orthermal insulation) and the resource input required for a construction element over its entirelife cycle. Resources in this context are energy, raw materials and the resulting impact onecosystems. Existing legislation has already achieved progress in the area of energy. However,there is a need for improvement in the areas of raw materials and ecosystems, as political goalsfixed in legislation are insufficient and raw materials are regulated exclusively through wastelegislation.To increase resource efficiency, architects and civil engineers must be able to use resource-efficientconstruction elements when planning buildings or designing construction products. To this end,resource efficiency must be assessable as objectively as possible. Evaluation should, furthermore,consider the entire life cycle and the level of construction elements. An approach at thislevel is crucial because at this stage planning decisions are made and system manufacturersdesign their products. Moreover, refurbishments require the replacement of individuel elements.The whole life cycle is important, as effects of different life cycle phases can influence eachother, e. g., low material requirements in manufacturing vs. lack of recyclability at end of life.In addition, the particular conditions of construction compared to other products shouldbe considered: Buildings are created through a process of interaction of different actors andmany construction products have long lifetimes so that developments in e. g. manufacturing orrecycling processes are likely to occur during their life cycle.Currently, there are three methods for assessing resource efficiency (ESSENZ, VDI 4800and Fritz). However, these have not been developed for the construction sector or cannot beused for the assessment of the element level. Consequently, a new evaluation system for theresource efficiency of construction elements throughout their full life cycle must be developed.This evaluation system should build on existing approaches. Thus, already existing models wereanalyzed and evaluation criteria were derived. In addition to the aforementioned models assessingresource efficiency, models rating sustainability, individual resource aspects, individual life phases (e. g., recyclability) or other levels of observation (e. g., building level) were included.34 criteria were considered relevant for the resource efficiency of construction elements. Subsequently,indicators were selected that can be evaluated as objectively and transparently aspossible, as they are, for example based on norms. Such indicators were identified for 23 criteria.The other criteria had to be excluded due to a lack of indicators. The evaluation is based onfive-level tables containing specific threshold values or conditions to reach a certain score.Two construction element catalogs (for inner walls and floors), containing over 100 elementseach were created. All necessary indicators were calculated for these elements and thresholdvalues were derived using a percentile-based calculation method. Today’s construction elementsachieve points and differences in resource efficiency are visible, but there is also an incentive toimprove. An Excel tool was developed to assure user-friendlyness.Afterwards, the resource efficiency of interior wall and floor elements were determined, using the developed evaluation system. In six use cases, each comparing construction element shaving the same benefit, the resource efficiency was calculated. In this manner, the most resource efficient construction element can be selected for a specific application, e g., in a construction project. By analysing the evaluation results, factors influencing resource efficiency were identified. The most important factors are a long service life and the reuse of the constructions. The construction method and the requirements for a building structure, on the other hand, have a lesser influence. Current drywall elements and construction elements without requirements are more resource-efficient than solid construction elements or construction elements with high sound and fire protection requirements. The individual construction design is, however, crucial. For individual applications, solid construction elements can be more resource-efficient, and a construction that does not meet any requirements is not always more resource-efficient than a construction that meets high requirements. In sum, taking resource efficiency into consideration leads to an increase of resource efficiency, as for each application construction elements with very different scorings could be chosen. A transfer of the evaluation system to exterior walls and flat roofs shows that it is applicable regardless of the type of construction (exterior, interior, horizontal and vertical construction elements. The evaluation system can also be transferred to the assessment of multiple uses. Overall, the evaluation system developed enables a quantification of resource efficiency so that designs can be compared and results communicated. In addition, deficits of the designs can be identified enabeling product developers to improve their construction element. Planners can consciously use resource-efficient construction elements in new buildings and renovations. Building owners can demand resource efficiency for their project, e. g., in tenders. The need fore source-efficient materials and disposal methods can be made clear using the rating system and communicated to manufacturers and disposal companies. In this way, all agents involved in the life cycle can influence the resource efficiency of a construction element. The developed evaluation system shows which constructions are particularly resource-efficient or have a need for improvement. It can contribute to increasing the resource efficiency of construction elements throughout their entire life cycle.

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