55
David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen för biologi och miljövetenskap Göteborgs universitet June 2014 Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle (3E cost-C2C method) evaluation of rock wool, polystyrene and cellulose fibre insulations

Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

  • Upload
    others

  • View
    2

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

David Hill

Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap30 hp

Institutionen för biologi och miljövetenskapGöteborgs universitet

June 2014

Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle (3E cost-C2C method) evaluation of rock wool, polystyrene and cellulose fibre insulations

Page 2: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

   

1

Master  Thesis  Report: Environmental,  Energy  and  Economical  life  cycle  cost  from  Cradle  to  Cradle  (3E  cost-­‐C2C  method)  evaluation  of  rock  

wool,  polystyrene  and  cellulose  fibre  insulations      By  David  Hill  Torpvägen  18  46694  Sollebrunn  Phone:  +46739267289  E-­‐mail:  [email protected]    Date:  26  May  2015  Credits:  30  ECTS  Study:  Environmental  Science,  University  of  Gothenburg        Supervisor,  Chalmers    Birgit  Brunklaus  Assistant  Professor,  Energy  and  Environment  Phone:  +46  31  772  86  13  E-­‐mail:  [email protected]      Supervisor,  COWI    Lina  Hammarstrand  Master  of  Environmental  Engineering    Phone:  010-­‐850  20  87  E-­‐mail:  [email protected]      

Supervisor,  COWI    Johanna  Millander  Environmental  Consultant    Phone:  010-­‐850  13  73  E-­‐mail:  [email protected]      Course  leader,  University  of  Gothenburg  Lennart  Bornmalm    University  lecturer    Phone:  +46  (0)31  786  28  44  E-­‐mail:  [email protected]  

 

Page 3: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

   

2

Abstract  In  2013  Silvestre  et  al.  wrote  an  article  presenting  a  new  method  to  evaluate  building  materials  and/or  wall  constellations  that  affect  the  thermal  performance  of  a  building.  The  method  takes  the  environmental,  economical  and  energy  (3E)  performance  into  account  throughout  the  life  cycle,  from  cradle  to  cradle  (C2C).  The  3E’s  are  converted  to  costs  so  different  wall  constellations  can  be  compared,  even  if  they  are  not  functionally  equivalent.  The  3E  cost-­‐C2C  method  has  been  evaluated  with  regards  to  relevance,  ease  of  use  and  usefulness  for  the  housing  industry,  consultants  and  entrepreneurs.  To  study  this  the  3E  cost-­‐C2C  method  has  been  used  to  assess  three  of  the  most  common  insulations  used  in  Sweden:  rock  wool,  expanded  polystyrene  (EPS)  and  cellulose  fibre.  They  are  examined  primarily  as  if  used  in  a  passive  house  but  also  compared  to  a  new  built  regular  minimum  standard  house  and  an  average  existing  house  in  Sweden.  Cellulose  fibre  was  the  best  option  according  to  the  3E  cost-­‐C2C  method  with  a  total  cost  of  49  €/m2  of  wall  insulation  with  passive  house  thickness  over  a  50  year  life  span.  The  corresponding  cost  for  rock  wool  and  EPS  were  80  €/m2.  For  a  new  built  regular  house  that  just  meets  the  minimum  standards  the  total  costs  over  50  years  are  88  €/m2  for  rock  wool  and  EPS  and  80  €/m2  for  cellulose  fibre.  This  can  be  compared  to  the  energy  cost  for  an  average  existing  house  in  Sweden,  which  over  50  years  is  193  €/m2  of  external  wall.  The  3E  cost-­‐C2C  method  gave  good,  clear  results  with  regards  to  the  3E’s  and  was  a  logical  tool  to  work  with.  It  follows  the  relevant  standards  and  covers  all  steps  of  the  examined  products  life  cycle.  The  method  is  broad  and  encompasses  all  types  of  walls;  different  wall  types  and  insulation  thicknesses  can  be  compared.  

Key  words:  3E  cost-­‐C2C  method,  thermal  performance  of  buildings,  environment,  eco-­‐cost,  energy,  economics,  LCC,  cradle  to  cradle,  insulation,  rock  wool,  expanded  polystyrene,  cellulose  fibre  

Page 4: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

   

3

Sammanfattning  2013  skrev  Silvestre  et  al.  en  artikel  som  presenterade  en  ny  metod  för  att  utvärdera  byggnadsmaterial  och/eller  väggkonstellationer  som  påverkar  den  termiska  prestandan  av  en  byggnad.  Metoden  tar  hänsyn  till  miljö  (environment),  ekonomi  och  energianvändning  (3E)  under  hela  livscykeln,  från  vagga  (cradle)  till  vagga  (C2C).  De  3Ena  omvandlas  till  kostnader  så  olika  väggkonstellationer  kan  jämföras,  även  om  de  inte  är  funktionellt  likvärdiga.  Metoden,  som  kallas  3E  cost-­‐C2C  metoden,  har  utvärderats  med  avseende  på  relevans,  användarvänlighet  och  användbarhet  för  byggnadsindustrin,  konsulter  och  entreprenörer.  För  att  kunna  utvärderas  har  metoden  använts  för  att  bedöma  tre  av  de  vanligaste  isoleringar  som  brukas  i  Sverige:  stenull,  expanderad  polystyren  (EPS/cellplast)  och  cellulosafiber.  De  har  i  första  hand  undersökts  som  om  de  använts  i  ett  passivhus  men  har  också  jämförts  med  som  de  skulle  ha  använts  i  ett  nybyggt  vanligt  minimistandard  hus  och  ett  genomsnittlig  befintligt  hus  i  Sverige.  Cellulosafiber  var  det  bästa  alternativet  enligt  3E  cost-­‐C2C  metoden,  med  en  total  kostnad  på  453  kr/m2  väggisolering  med  passivhus  tjocklek  över  50  års  livslängd.  Motsvarande  kostnad  för  stenull  och  EPS  var  ca  739  kr/m2.  För  ett  nybyggt  vanligt  hus  som  endast  uppfyller  minimistandarden  från  Boverket  är  de  totala  kostnaderna  över  50  år  ca  815  kr/m2  för  stenull  och  EPS  och  745  kr/m2  för  cellulosafiber.  Detta  kan  jämföras  med  energikostnaden  för  ett  genomsnittligt  befintligt  hus  i  Sverige,  som  under  50  år  är  1784  kr/m2  yttervägg.  3E  cost-­‐C2C  metoden  gav  goda,  tydliga  resultat  med  avseende  på  de  3Ena  och  var  ett  logiskt  verktyg  att  arbeta  med.  Metoden  följer  relevanta  standarder  och  omfattar  alla  steg  i  de  undersökta  produkternas  livscykel.  Metoden  är  mycket  allmän  och  kan  appliceras  på  alla  typer  av  väggar  där  olika  typer  av  väggar  och  isoleringstjocklekar  kan  jämföras.  

Nyckelord:  3E  cost-­‐C2C  metoden,  byggnaders  termiska  prestanda,  miljö,  eco-­‐cost,  energi,  ekonomi,  LCC,  vagga  till  vagga,  isolering,  stenull,  expanderad  polystyren,  cellulosa  fiber  

 

 

Page 5: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

   

4

Preface  This  thesis  could  not  have  been  written  without  the  help  and  knowledge  of  the  following  people,  so  thanks  to:  

Lina  Hammarstrand,  Master  of  Environmental  Engineering  and  supervisor  at  COWI  

Johanna  Millander,  Environmental  Consultant  and  supervisor  at  COWI  

Birgit  Brunklaus,  Research  assistant  in  life  cycle  analysis  and  supervisor  from  Chalmers  

Lennart  Bornmalm,  Lecturer  at  the  University  of  Gothenburg  and  master  thesis  course  leader  

Yvonne  Andersson-­‐Sköld,  Research  and  Development  Manager  at  COWI  

José  Dinis  Silvestre,  Assistant  Professor  at  the  University  of  Lisbon,  Architecture  and  Georesources  Department  

Joost  G.  Vogtländer,  Associate  Professor  at  the  Delft  University  of  Technology  

Anders  Linde,  Architect  SAR/MSA  and  certified  Passive  House  Designer  at  Passivhuscentrum  i  Västra  Götaland  

Mikael  Olofsson,  Technical  Adviser  at  Paroc  AB  

Emma  Hansson,  Environmental  Manager  at  Paroc  AB  

Emil  Syrèn,  Product  &  Marketing  Manager  at  Sundolitt    

Andreas  Östlund,  VD/CEO  at  Miljöbyggsystem  MBS  AB  

 

Also  a  special  thanks  to  COWI  and  everyone  at  the  MRS  department,  who  let  me  write  my  thesis  in  their  beautiful  building  and  shared  many  lunches  and  coffee  breaks  with  me.    

Page 6: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

   

5

List  of  abbreviations  C2C  –  Cradle  to  Cradle  

EIAM  –  Environmental  Impact  Assessment  Method    

EPD  –  Environmental  Product  Declarations    

EPS  –  Expanded  Polystyrene  

EUMEPS  –  The  European  Association  of  EPS    

EVR  –  Eco-­‐costs  /  Value  Ratio  

LCA  –  Life  Cycle  Assessment    

LCC  –  Life  Cycle  Costing  (another  name  for  WLC)  

LCIA  –  Life  Cycle  Impact  Assessment  

NPV  –  Net  Present  Value    

VAT  –  Value  Added  Tax  

WLC  –  Whole  Life  Costing    

3E  –  Environment,  Energy  and  Economic  

 

GWP  –  Global  Warming  Potential  

ODP  –  Ozone  Depletion  Potential  of  the  stratospheric  ozone  layer  

POCP  –  Formation  potential  of  tropospheric  photochemical  oxidants  

AP  –  Acidification  Potential  of  land  and  water  

EP  –  Eutrophication  Potential  

 

Page 7: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

   

6

Table  of  Contents  

Abstract ............................................................................................................................. 2  

Sammanfattning ................................................................................................................ 3  

Preface............................................................................................................................... 4  

List  of  abbreviations........................................................................................................... 5  

1   Introduction ................................................................................................................. 8  1.1   Background ........................................................................................................................8  1.2   Aim  and  Goal......................................................................................................................8  1.3   Research  questions ............................................................................................................9  1.4   Methods.............................................................................................................................9  1.5   Structure  of  report ...........................................................................................................10  

2   3E  cost-­‐C2C  methodology ........................................................................................... 11  2.1   Life  cycle  assessment  (LCA)...............................................................................................11  

2.1.1   Goal  and  scope .................................................................................................................12  2.1.2   Inventory  analysis .............................................................................................................13  2.1.3   Life  cycle  impact  assessment  (LCIA)..................................................................................14  2.1.4   Interpretation  -­‐  weighting  and  single  indicator ................................................................14  

2.2   Eco-­‐costs  method .............................................................................................................15  2.2.1   Using  EPD  data..................................................................................................................16  

2.3   Whole-­‐life  costing  (WLC)  method .....................................................................................17  2.4   Energy  cost  calculation .....................................................................................................17  2.5   Summing  up  with  the  Net  Present  Value  (NPV)  method ...................................................18  

3   Thermal  insulation  materials...................................................................................... 20  3.1   Thermal  conductivity........................................................................................................21  

3.1.1   Insulating  air .....................................................................................................................21  3.1.2   Density ..............................................................................................................................21  

3.2   Fire  class...........................................................................................................................22  3.3   Water  vapour  diffusion  factor ..........................................................................................22  3.4   Rock  wool ........................................................................................................................22  

3.4.1   Thermal  conductivity  and  density ....................................................................................23  3.4.2   Fire  class ...........................................................................................................................23  3.4.3   Other  aspects....................................................................................................................23  

3.5   Expanded  polystyrene ......................................................................................................24  3.5.1   Thermal  conductivity  and  density ....................................................................................25  3.5.2   Fire  class ...........................................................................................................................25  3.5.3   Other  aspects....................................................................................................................25  

3.6   Cellulose  fibre ..................................................................................................................25  3.6.1   Thermal  conductivity  and  density ....................................................................................26  3.6.2   Fire  class ...........................................................................................................................26  3.6.3   Other  aspects....................................................................................................................26  

Page 8: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

   

7

4   Scope  of  the  3E  cost-­‐C2C  analysis  of  insulations ......................................................... 27  4.1   Functional  unit .................................................................................................................27  4.2   Lifecycle ...........................................................................................................................27  4.3   Time  frame.......................................................................................................................28  4.4   Geographic  boundaries ....................................................................................................28  4.5   Environmental  impact  categories .....................................................................................28  4.6   Example  house .................................................................................................................28  4.7   Value  Added  Tax ..............................................................................................................29  4.8   Manufacturers .................................................................................................................29  

5   Results  of  the  insulation  evaluation............................................................................ 30  5.1   Environmental  impact  cost ...............................................................................................30  

5.1.1   EPD  data ...........................................................................................................................30  5.1.2   Eco-­‐costs  method .............................................................................................................33  

5.2   Economical  cost................................................................................................................34  5.2.1   Acquisition  cost.................................................................................................................34  5.2.2   Disposal  cost .....................................................................................................................36  5.2.3   Total  economical  cost .......................................................................................................37  

5.3   Energy  cost.......................................................................................................................37  5.4   Summing  up  costs ............................................................................................................39  

5.4.1   Regular  new  built  minimum  requirement  standard  house ..............................................40  5.4.2   Average  existing  house .....................................................................................................41  

6   Results  of  method  evaluation..................................................................................... 43  6.1   LCA...................................................................................................................................43  6.2   WLC..................................................................................................................................43  6.3   Energy  cost  calculation .....................................................................................................43  6.4   Project  ‘Butterfly’ .............................................................................................................44  6.5   Variations  of  the  3E  cost-­‐C2C  method...............................................................................44  6.6   3  E  factor ..........................................................................................................................45  

7   Discussion .................................................................................................................. 46  

8   Conclusion.................................................................................................................. 47  

9   Future  development................................................................................................... 51  

10   References ............................................................................................................... 52  

 

Page 9: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

   

8

1 Introduction  In  this  chapter  an  introduction  of  the  thesis  is  presented.  A  background  is  given  followed  by  an  aim  and  goal.  The  research  questions  are  stated,  methods  presented  and  an  overview  of  the  structure  of  the  report  offered.  

1.1 Background  

As  passive  houses  become  more  energy  efficient  the  environmental  impact  of  the  production  and  disposal  of  materials  become  a  proportionally  larger  part  of  the  total  environmental  impact  of  the  building.  One  of  the  major  materials  used  in  passive  houses  is  the  insulation.  It  would  be  interesting  to  know  which  type  of  insulation  on  the  Swedish  market  has  the  smallest  environmental  impact,  although  the  environmental  impact  is  not  the  only  aspect  to  consider  when  choosing  insulation.  The  housing  industry  also  considers  for  example  the  economics  and  how  efficient  the  insulation  is.  In  an  article  by  Silvestre  et  al.  2013  they  propose  a  method  to  aid  in  comparisons  of  assemblies  related  to  buildings  thermal  performance,  with  regard  to  the  environmental,  energy  and  economical  (3E)  life  cycle  from  cradle  to  cradle  (C2C)  (Laszlo  2013,  McDonough  and  Braungart  2002),  following  the  new  European  Standards  for  the  environmental  and  economic  assessment  of  construction  work.  Life  cycle  assessment  (LCA)  gives  the  environmental  performance  and  through  prevention-­‐based  environmental  impact  assessment  all  impact  categories  can  be  converted  to  a  cost  unit.  Heating  and  cooling  gives  the  energy  performance  and  the  whole-­‐life  costing  (WLC),  also  called  life  cycle  costing  (LCC),  method  give  the  economic  performance  (Gluch  2014).  The  3E  cost-­‐C2C  approach  uses  weights  so  that  the  3E’s  can  be  summarized  in  one  unit,  cost  (Silvestre  et  al.  2013).  Since  the  housing  industry  should  be  able  to  take  all  3E  aspects  into  account  when  choosing  insulation,  a  summary  of  them  seems  to  be  an  appealing  option  and  the  3E  cost-­‐C2C  method  will  therefore  be  evaluated.  To  evaluate  the  method  three  insulations  used  on  the  Swedish  market  were  chosen  to  be  analysed,  so  a  secondary  goal  of  the  thesis  is  to  determine  which  insulation  performs  best  with  regards  to  the  3Es.    

The  thesis  is  written  in  cooperation  with  COWI.    

1.2 Aim  and  Goal  

The  aim  of  the  thesis  is  to  give  the  target  groups  (housing  industry,  consultants  and  entrepreneurs)  further  understanding  of  the  3E  cost-­‐C2C  method  and  an  evaluation  of  the  method.  A  sub-­‐aim  is  also  to  give  the  target  groups  an  assessment  of  the  environmental  impacts  and  costs  of  some  of  the  most  commonly  used  insulations  in  passive  houses,  so  they  can  make  informed  decisions  when  choosing  insulation.  For  example,  there  are  situations  where  different  types  of  insulation  are  approximately  as  expensive  in  price  for  the  same  efficiency,  so  then  the  one  with  the  smallest  total  environmental  impact  should  be  chosen.  Currently  knowledge  of  insulations  environmental  impact  is  not  great  within  the  target  group,  so  the  thesis  aim  is  to  clarify  this.    

The  goal  is  to  evaluate  the  3E  cost-­‐C2C  method  to  se  if  it  is  a  useful  method  when  comparing  between  assemblies  related  to  buildings  thermal  performance.  The  goal  is  also  to  determine  which  insulation  performs  best  with  the  3E  cost-­‐C2C  method.    

Page 10: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

   

9

1.3 Research  questions  

The  passive  house  market  is  growing  and  one  of  the  major  materials  used  in  passive  houses  is  the  insulation.    

A.  Which  one  of  rock  wool,  polystyrene  and  cellulose  fibre  insulation  is  the  most  suitable  to  use  to  reach  the  energy  efficiency  of  a  passive  house,  with  regards  to  the  environmental,  energy  and  economical  life  cycle  from  cradle  to  cradle?    

B.  Is  the  3E  cost-­‐C2C  method  a  suitable  method  to  compare  building  assemblies  related  to  thermal  performance?    

To  answer  these  two  major  research  questions  above  the  following  questions  need  to  be  answered:  

A1.  What  are  the  major  environmental  impacts  of  rock  wool,  polystyrene  and  cellulose  insulation  though  out  their  life  cycles  from  C2C?  The  environmental  performance  of  the  3E  cost-­‐C2C  method  follows  the  LCA  method.    

A2.  What  is  the  cost  of  the  environmental  impacts  of  rock  wool,  polystyrene  and  cellulose  insulation  though  out  their  life  cycles  from  C2C?  The  3E  cost-­‐C2C  method  uses  the  Eco-­‐costs  method  to  put  weights  on  the  environmental  impact  assessment  method  (EIAM)  to  convert  the  results  from  the  LCA  impact  categories  to  an  economic  unit.  

A3.  What  is  the  energy  cost  of  rock  wool,  polystyrene  and  cellulose  insulation  during  the  use  stage?  The  energy  performance  of  the  3E  cost-­‐C2C  method  is  calculated  with  a  formula.  

A4.  What  are  the  economical  costs  of  rock  wool,  polystyrene  and  cellulose  insulation  though  out  their  life  cycles  from  C2C?  The  economic  performance  of  the  3E  cost-­‐C2C  method  follows  the  WLC  method  using  the  net  present  value  (NPV)  method.  

B1.  Does  the  3E  cost-­‐C2C  method  give  a  good  indication  of  which  insulation  that  performs  best  with  regards  to  the  environmental,  energy  and  economical  performance?  

B2.  Should  the  environmental  impacts  be  summarized  into  one  value  for  easier  comparisons  or  can  this  be  problematic?    

B3.  Are  there  other  more  suitable  methods  to  compare  building  assemblies  related  to  thermal  performance?  

1.4  Methods  

The  method  for  the  master  thesis  will  be  the  3E  cost-­‐C2C  method,  which  includes:  a  comparative  accounting  LCA  that  includes  an  Environmental  Impact  Assessment,  the  Eco-­‐cost  method,  the  Whole-­‐Life  Costing  method  and  the  Net  Present  Value  method.    

There  is  no  method  to  evaluate  a  method,  except  to  compare  methods.  So  the  3E  cost-­‐C2C  method  will  be  compared  to  other  methods  with  regards  to  applicability  in  comparing  building  components,  how  many  areas  of  comparison  they  cover,  usefulness  for  the  designers  needs  and  ease  of  use.  

Page 11: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

   

10

1.5 Structure  of  report    

The  report  is  composed  of  nine  parts.    

The  first  chapter  is  an  introduction  and  includes  a  background  for  the  thesis,  aim  and  goal,  research  questions  and  summarises  the  methods  to  be  used.    

The  second  chapter  describes  the  3E  cost-­‐C2C  methodology,  and  the  methods  it  is  built  upon.  Benefits  and  limitations  with  the  method  will  be  examined,  although  a  more  comprehensive  analyse  will  be  made  after  the  method  has  been  applied  on  the  insulations.  

The  third  chapter  describes  the  thermal  insulation  materials  to  be  analysed,  and  why  they  were  chosen.  Their  role  and  importance  to  sustainable  construction  is  described.  Pros  and  cons  not  covered  in  the  3E  cost-­‐C2C  method  are  described.    

In  the  fourth  chapter  the  scope  of  the  3E  cost-­‐C2C  analysis  of  the  three  insulations  is  defined.  

In  chapter  five  the  3E  cost-­‐C2C  method  is  applied  to  the  three  insulations  and  the  results  of  the  evaluation  are  presented.    

Chapter  six  gives  a  description  of  other  methods  with  the  same  goal  as  the  3E  cost-­‐C2C  method,  which  is  to  aid  in  choosing  building  construction  components.  The  different  methods  will  be  discussed  and  compared  to  the  3E  cost-­‐C2C  method.  

In  chapter  7  some  benefits  and  drawbacks  of  the  3E  cost-­‐C2C  method  will  be  discussed  

The  research  questions  will  be  answered  and  conclusions  will  be  drawn  in  chapter  8.    

In  the  last  chapter  future  development  possibilities  will  be  discussed.    

Page 12: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

   

11

2 3E  cost-­‐C2C  methodology    This  chapter  presents  the  3E  cost-­‐C2C  methodology.  

What  the  3E  cost-­‐C2C  method  does  is  to  analyse  building  components  that  affect  the  thermal  performance  of  a  building.  It  does  this  by  summarizing  the  environmental,  economical  and  energy  performance  from  throughout  their  life  cycle,  after  the  performance  values  have  been  converted  to  costs,  so  one  value  is  obtained.  This  value  can  be  compared  to  the  values  of  other  building  components  with  the  same  function,  though  not  necessarily  functionally  equivalent,  to  determine  which  one  is  cheapest  with  regards  to  the  3E’s.  Whole  wall  constellations  can  be  compared.  For  example,  walls  with  different  insulations  and  insulation  thicknesses  can  be  compared.  They  are  not  functionally  equivalent  with  regards  to  thermal  performance,  however  this  is  taken  into  account  in  the  energy  part  of  the  3E  cost-­‐C2C  method.    

For  all  assessments  of  one  wall  constellation  the  functional  unit  and  system  boundaries  should  be  the  same,  or  at  least  consistent.  Each  assessment  should  be  life  cycle  based  and  include  the  whole  lifecycle  to  avoid  trade-­‐offs  between  life  cycle  stages,  from  cradle  to  cradle.  C2C  means  from  where  the  first  raw  materials  are  extracted  to  the  end  of  life  where  the  disposed  product  can  either  be  reused,  remade  to  a  new  product  and  is  therefore  the  cradle  for  a  new  product,  or  disposed  (Laszlo  2013,  McDonough  and  Braungart  2002).  This  chapter  will  describe  the  3E  cost-­‐C2C  method  further,  starting  with  the  environmental  part  and  the  conversion  to  cost  with  the  Eco-­‐cost  method.  Then  the  economical  part  will  be  explained  followed  by  the  energy  cost  calculation  and  then  the  summing  up  of  all  the  values.  

2.1 Life  cycle  assessment  (LCA)  

The  environmental  part  of  the  3E  cost-­‐C2C  method  is  obtained  with  the  LCA  method  and  the  Eco-­‐costs  method.  The  LCA  method  is  a  technique  used  to  examine  the  environmental  impacts  associated  with  a  product  or  service  during  every  step  of  its  life,  from  cradle  to  grave.  These  steps  include  general  mining  and  production  of  raw  materials,  materials  processing,  manufacturing  processes,  distribution,  use,  maintenance,  and  finally  disposal  or  recycling.  Sometimes  only  a  sample  of  life  phases  are  studied,  like  cradle  to  gate  (Baumann  and  Tillman  2004).  LCA’s  used  for  the  3E  cost-­‐C2C  method  should  follow  the  ISO  14040:2006  and  ISO  14044:2006  international  standards  (Silvestre  et  al.  2013).    

LCA  can  be  used  for  many  purposes,  among  others  (Baumann  and  Tillman  2004):  

• To  learn  about  the  product  life  cycle  and  the  environmental  impact  it  generates.  

• Identify  within  which  life  stage  product  gives  rise  to  the  greatest  environmental  impact  (often  it  is  not  intuitive).  

• Be  able  to  make  more  informed  decisions  (for  example  when  purchasing  materials  or  products  or  in  the  context  of  product  development).  

• Promote  their  environmental  commitment  to  customers.  

Within  LCA  there  are  two  types  of  studies:  Accounting  and  change-­‐oriented/consequential.  In  the  first  type  existing  systems  and  products  are  studied,  data  representing  averages  are  used  and  as  complete  life  cycles  as  possible  are  studied.  The  aim  is  to  identify  the  environmental  impact  of  the  product  in  today's  production  and  user  system.  The  change-­‐

Page 13: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

   

12

oriented/consequential  type  of  LCA  models  the  consequences  of  different  choices,  the  study  is  forward-­‐looking  and  often  marginal  data  is  used.  The  entire  life  cycle  does  not  need  to  be  included,  but  only  those  parts  affected  by  the  change  (Baumann  and  Tillman  2004).  The  3E  cost-­‐C2C  method  uses  the  accounting  type  of  LCA  (Silvestre  et  al.  2013).    

For  some  environmental  impact  categories  such  as  global  warming,  it  is  relatively  easy  to  relate  data  on  emissions  to  the  environment.  For  other  environmental  impact  categories  such  as  toxicity  and  resource  use  it  is  not  as  easy  due  to  the  influence  of  a  more  complex  nature.  For  example  it  is  debated  whether  resource  use  should  be  considered  an  environmental  problem  or  an  economic  problem.  Within  these  environmental  impact  categories,  there  are  many  proposals  for  methods  on  how  influence  can  be  calculated  or  estimated,  but  no  consensus  (Baumann  and  Tillman  2004).    

LCA  looks  at  the  environmental  impacts  of  a  product  during  a  predetermined  period  of  its  life  cycle,  like  from  cradle  to  gate  or  cradle  to  grave.  When  the  life  cycle  starts  at  “cradle”  it  means  starting  from  the  raw  material  extraction  at  the  absolute  start  of  production  of  a  product.  When  the  life  cycle  is  to  “gate”  impacts  up  to  the  point  where  the  product  is  finished  and  ready  to  be  sold  are  included,  at  the  gate  of  the  factory.  If  the  life  cycle  is  to  “grave”  it  includes  the  whole  life  cycle,  including  also  the  user  phase  and  disposal  phase  (Baumann  and  Tillman  2004).  

The  four  main  phases  of  an  LCA  are  (Baumann  and  Tillman  2004):  

• Goal  and  scope  

• Life  cycle  inventory  

• Life  cycle  impact  assessment  

• Interpretation  

2.1.1 Goal  and  scope  

The  first  step  in  an  LCA  is  to  define  the  goal  and  scope  of  the  assessment  (goal  and  scope  definition)  and  functional  unit,  the  unit  that  all  environmental  impacts  are  going  to  be  related  to.  The  functional  unit  should  describe  the  function  of  the  assessed  product  (Baumann  and  Tillman  2004).  The  goal  and  scope  are  important  parts  of  the  LCA  because  they  help  narrowing  down  the  often  large  amount  of  data  that  needs  to  be  gathered  to  the  essential  data.  For  example,  if  the  goal  is  to  see  which  of  two  options  has  the  smallest  environmental  impact,  only  data  where  the  options  differ  needs  to  be  collected.  And  the  scope  sets  the  system  boundaries;  data  outside  of  the  scope  does  not  need  to  be  included.  

2.1.1.1 Goal  

The  goal  of  the  LCA  conducted  for  the  3E  cost-­‐C2C  method  is  to  obtain  the  life  cycle  impact  assessment  values  so  that  the  eco-­‐cost  of  the  product  can  be  calculated.    

2.1.1.2 Scope  

The  scope  consists  of  the  options  to  model,  functional  unit,  choice  of  impact  categories,  method  for  impact  assessment,  system  boundaries  and  allocation  methods.    

The  functional  unit  for  the  3E  cost-­‐C2C  method  can  be  defined  as  a  square  meter  of  external  wall  for  50  years.  For  a  normal  comparative  LCA  a  functional  equivalent  must  be  established  so  that  different  alternatives  can  be  compared,  such  as  a  square  meter  of  external  wall  with  a  given  heat  transfer  coefficient  for  50  years.  But  with  the  3E  cost-­‐C2C  

Page 14: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

   

13

method  there  is  no  need  for  this,  because  the  differences  in  function  of  the  wall,  the  heat  transfer  coefficient,  is  taken  in  to  account  in  the  other  parts  of  the  3E  cost-­‐C2C  method.  If  a  wall  uses  less  insulation  compared  to  another  wall,  thus  different  functional  units,  the  energy  cost  will  be  higher  throughout  the  user  phase  for  that  wall  (Silvestre  et  al.  2013).    

The  impact  categories  and  method  for  impact  assessment  of  the  LCA  for  the  3E  cost-­‐C2C  method  depend  on  the  Eco-­‐cost  method  and  will  be  explained  in  chapter  2.2.    

The  system  boundaries  used  in  the  3E  cost-­‐C2C  method  is  cradle  to  cradle,  which  is  a  concept  for  sustainable  waste  management  that  aims  to  utilize  100  %  of  the  waste  produced.  This  means  looking  into  the  possibility  of,  in  first  hand,  reusing  the  product  at  the  end  of  its  life.  If  reusing  the  products  is  not  an  option  then  reusing  the  materials,  or  the  last  C2C  option  of  getting  energy  out  of  the  materials  from  combustion  (Laszlo  2013).    

 

In  the  EN  15804:2012  Core  Rules  for  the  Product  Category  of  Construction  Products  for  Environmental  Product  Declarations  (EPD),  the  life  cycles  stages  for  construction  products  are  standardized,  se  figure  1.  These  stages  should  be  followed  when  using  the  3E  cost-­‐C2C  method  (EN  15804:2012).    

No  allocation  methods  were  discussed  in  the  3E  cost-­‐C2C  method  article  by  Silvestre  et  al.  (2013).  

2.1.2 Inventory  analysis  

The  goal  and  scope  definition  is  followed  by  an  inventory  analysis  that  involves  the  construction  of  a  life  cycle  model  and  the  gathering  of  data  of  all  inputs  and  outputs  that  are  associated  with  all  stages  of  the  life  cycle.  Inputs  can  be  energy,  raw  materials  and  process  chemicals.  Outputs  are  waste,  emissions  to  air  and  water,  and  products.  Data  collection  is  often  one  of  the  hardest  and  most  time-­‐consuming  parts  of  an  LCA.  If  multiple  products  are  manufactured  in  the  same  process  allocation  problem  will  occur,  which  is  how  the  inputs  and  outputs  associated  with  the  process  shall  be  shared  between  the  different  products.  In  this  thesis  no  such  allocation  problems  occurred.  This  can  be  solved  through  either  the  basis  of  economic  value,  quantities  or  volumes  produced  (Baumann  and  Tillman  2004).    

2.1.2.1 EPD  data  

If  one  is  designing  a  house  and  wants  to  make  a  more  informed  decision  when  choosing  materials  and  decides  to  use  the  3E  cost-­‐C2C  method,  you  need  a  lot  of  data  to  make  a  proper  LCA.  This  data  can  often  be  hard  to  obtain,  companies  seldom  want  to  give  out  such  information  without  good  cause.  What  a  lot  of  companies  have  though  is  Environmental  Product  Declarations  (EPD)  for  their  products.  These  are  public  and  often  published  on  their  websites,  or  on  the  International  EPD®  Systems  website  (http://www.environdec.com/).  An  EPD  is  a  certified  and  registered  document  with  transparent  and  comparative  data  about  the  products  environmental  performance  over  its  whole  life  cycle.  EPDs  are  regulated  

Figure  1.  Standardized  product  stages  (EN  15804:2012).  

Page 15: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

   

14

under  ISO  standard  14025:2006  international  standards  and  the  Europeans  standard  EN  15804:2012  (The  International  EPD®  System  2015).    

 Figure  2.  Calculation  structure  of  an  EPD  according  to  En  15804  (Vogtländer  2014).  

An  EPD  is  a  type  of  LCA  presented  in  a  special  format  based  on  common  rules,  known  as  Product  Category  Rules  (PE  International  Sustainability  Performance  2015).  The  results  are  presented  for  the  different  parts  of  the  life  cycle  following  standardized  life  cycle  stages,  as  in  figure  2,  but  can  also  be  grouped  together.  Often  A1-­‐A3  are  grouped  together,  probably  so  the  company  reveals  less  information  about  the  manufacturing  process  or  for  simplicity.  Unfortunately  the  EPD  data  is  already  organised  in  the  EPD  impact  categories,  so  the  data  cannot  be  used  to  make  your  own  LCA.  But  since  the  EPDs  build  upon  the  LCA  method  the  data  can  be  used,  by  using  the  EPD  data  to  calculate  the  eco-­‐costs  straight  away.  This  saves  a  lot  of  time  and  will  be  explained  under  the  Eco-­‐costs  part,  chapter  2.2.1.    

2.1.3 Life  cycle  impact  assessment  (LCIA)  

After  the  inventory  analysis  a  Life  Cycle  Impact  Assessment  (LCIA)  is  carried  out  where  emissions  and  resource  use  are  categorised  to  different  environmental  impact  categories.  Often  special  LCA  software’s  with  built-­‐in  databases  are  used.  Examples  of  environmental  impact  categories  are  Energy  and  Materials,  Global  Warming,  Ecotoxicological  effects  and  Land  Use.  The  number  of  impact  categories  vary  with  what  LCIA  method  you  are  using.  They  differ  with  respect  to  the  end-­‐points,  i.e.  how  far  you  look  in  the  impact  chain,  as  a  type  of  environmental  impact  often  gives  rise  to  several  others,  which  in  turn  can  give  rise  to  additional  environmental  impacts  (Baumann  and  Tillman  2004).  The  impact  categories  for  the  Eco-­‐cost  method  will  be  described  in  the  Eco-­‐costs  part,  chapter  2.2.  

2.1.4 Interpretation  -­‐  weighting  and  single  indicator  

An  LCA  results  in  a  long  list  of  emissions  from  through  out  the  life  cycle  which  are  then  categorised  in  a  impact  categories,  which  is  in  turn  a  relatively  long  list  of  numbers  that  can  be  hard  to  interpret.  It  makes  sense  to  try  and  compress  these  values  to  one  single  

Page 16: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

   

15

indicator,  preferably  an  intuitive  indicator  that  is  easy  to  understand.  So  one  last  optional  step  in  LCA  is  weighting,  where  the  different  environmental  impact  categories  of  relevance  are  judged  against  each  other  and  weighted,  and  thus  can  be  on  the  same  scale.  The  result  is  a  one-­‐dimensional  index,  a  single  indicator.  Since  weighting  is  subjective  (which  impacts  are  most  important)  it  is  widely  debated  within  the  LCA  literature  (Baumann  and  Tillman  2004).  The  Eco-­‐costs  method  is  such  an  indicator.    

There  are  many  single  indicators  for  LCA,  and  they  can  generally  be  divided  into  three  categories:    

• Single  issue  

• Damage  based  

• Prevention  based  

Carbon  Footprint  is  the  best  known  single  issue  indicator,  where  the  total  emission  of  CO2  and  CO2  equivalents  are  added  up.  Single  issue  indicator  calculations  are  simple  and  transparent,  with  no  complex  assumptions,  and  the  results  are  easy  to  communicate  to  the  public.  But  single  issue  indicators  do  not  take  other  pollutants  and  resource  depletion  into  account  (The  Model  of  the  Eco-­‐costs  /  Value  Ratio  (EVR)  2015).    

Damage  based  indicators  are  the  most  common  type  of  single  indicators.  Advantages  are  that  they  make  companies  and  consumers  aware  of  the  environmental  impact  their  production  and  consumption  has.  Disadvantages  are  that  the  systems  are  very  complex,  not  transparent,  need  many  assumptions  and  the  weighting  is  subjective.  Also,  the  results  are  not  easy  to  communicate,  since  the  results  are  expressed  in  points  (The  Model  of  the  Eco-­‐costs  /  Value  Ratio  (EVR)  2015).    

Prevention  based  indicators,  such  as  the  Eco-­‐costs  method,  are  relatively  new.  The  calculations  are  fairly  simple  and  transparent  and  the  result  can  be  presented  in  economical  terms  or  measures  to  be  taken,  which  are  easy  to  understand.  The  Eco-­‐costs  method  focuses  on  the  decision  making  process  of  architects,  designers,  engineers  and  business  people  (The  Model  of  the  Eco-­‐costs  /  Value  Ratio  (EVR)  2015).    

To  calculate  a  single  indicator  in  the  classic  way  the  pollutants  are  grouped  in  classes.  The  pollutants  are  multiplied  by  a  characterisation  factor,  which  represents  the  relative  importance  of  the  pollutants  within  the  class.  For  example,  CH4  (methane)  is  multiplied  by  34  because  it  is  34  times  more  efficient  as  a  greenhouse  gas  per  kg  compared  to  CO2,  which  is  the  baseline  unit,  with  a  time  horizon  of  100  years  (Myhre  et  al.  2013).  The  emissions  are  then  totalized  in  the  groups  to  their  midpoint  effect.  Midpoints  are  links  in  the  middle  of  the  cause-­‐effect  chain  of  an  impact  category  of  the  environmental  mechanisms  (Bare  et  al.  2000).  

2.2 Eco-­‐costs  method  

The  Eco-­‐costs  method  weights  the  environmental  impact  categories  obtained  from  the  LCA  with  what  it  would  cost  to  prevent  such  an  impact.  Or  rather,  what  it  would  cost  to  prevent  the  pollution  or  material  depletion  to  a  level  that  is  in  line  with  the  carrying  capacity  of  earth.  For  example,  if  1000  kg  of  CO2  is  emitted,  135  €  should  be  invested  in  offshore  wind  power  (or  other  CO2  reduction  systems  at  the  same  price  or  less).  If  everybody  consequentially  invested  135  €  on  reduction  systems  for  every  1  ton  of  CO2  emission,  the  total  CO2  emissions  in  the  world  would  decline  by  65  %  compared  to  the  2008  emissions,  

Page 17: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

   

16

thus  stabilizing  global  warming.  Therefore  the  eco-­‐cost  of  1  kg  CO2  or  CO2  equivalent  emission  is  0,135  €  (The  Model  of  the  Eco-­‐costs  /  Value  Ratio  (EVR)  2015).    

Similar  calculations  can  be  made  for  acidification,  eutropication,  ecotoxicity,  human  toxicity,  summer  smog  and  fine  dust.  Also  for  the  use  of  metals,  rare  earth,  fossil  fuels,  water  and  land  (nature).  The  eco-­‐costs  are  virtual  costs  since  they  are  not  yet  incorporated  in  the  real  life  production  cost  (Life  Cycle  Costs)  and  should  therefore  be  regarded  as  hidden  obligations,  so  called  “external  costs”.  The  impact  categories  needed  for  the  Eco-­‐cost  method  are  listed  in  table  1.  

Table  1.  The  eco-­‐costs  for  different  impact  categories  from  the  Eco-­‐cost  2012  system  (The  Model  of  the  Eco-­‐costs  /  Value  Ratio  (EVR)  2015).  

Impact  category   Eco-­‐cost  (marginal  prevention  cost)   Midpoint  table  

Acidification   8,25  €/kg  SOx  equivalent     ILCD  

Eutrophication   3,90  €/kg  phosphate  equivalent   Recipe  

Ecotoxicity   55,0  €/kg  Zn  equivalent   UseTox  

Human  toxicity   36,0  €/kg  Benzo(a)pyrene  equivalent   UseTox  

Summer  smog  (respiratory  diseases)  

9,70  €/kg  C2H4  equivalent   Recipe  

Fine  dust   34,0  €/kg  fine  dust  PM2.5     RiskPol  

Global  warming   0,135  €/kg  CO2  equivalent  (GWP  100)   IPPC  2007,  100  years  

Beyond  the  eco-­‐costs  of  the  insulation  the  eco-­‐costs  of  the  energy  used  to  heat  and  cool  the  building  needs  to  be  added.  This  can  be  calculated  with  the  same  formula  as  for  the  energy  cost  calculation,  see  equation  1,  but  instead  of  T  (electricity  cost)  the  eco  cost  of  electricity  is  used.  The  eco-­‐costs  of  energy  can  be  found  in  the  Idemat2015  Excel  data  sheet  on  the  Eco-­‐costs  website  (The  Model  of  the  Eco-­‐costs  /  Value  Ratio  (EVR)  2015).  The  Ecocosts2012_V3.3_LCA_data_on_products_and_services_EI_V3_Idemat2015  version  was  used  in  this  thesis.  There  is  Ecoinvent  V3  data  for  eco-­‐costs  of  electricity  by  country  mix  for  high,  medium  and  low  voltage.  Medium  voltage  for  the  Swedish  electricity  mix  was  used.    

2.2.1 Using  EPD  data  

If  you  have  an  EPD  of  the  product  you  are  examining  it  is  quite  simple  to  calculate  the  eco-­‐costs.  There  are  two  methods  for  this  described  in  the  Appendix  VI  in  Vogtländers  book,  method  A  and  method  B  (Vogtländer  2014).  They  follow  the  model  of  the  Eco-­‐costs  /  Value  Ratio  (EVR),  but  use  EPD  data  for  the  calculation  (The  Model  of  the  Eco-­‐costs  /  Value  Ratio  (EVR)  2015).  The  method  used  in  this  thesis  is  method  B,  because  the  three  insulations  fulill  the  requirements  for  this  method  and  the  data  for  the  method  is  supplied  in  the  EPDs.  Method  A  will  not  be  discussed  because  the  data  needed  for  this  method  was  not  supplied  in  the  acquired  EPDs,  and  thus  this  method  could  not  be  used.  

Page 18: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

   

17

The  EPD  data  is  grouped  in  the  impact  categories  shown  in  table  2.    

Table  2.  The  relationship  between  the  impact  categories  in  EN  15804  and  Eco-­‐costs  (Vogtländer  2014).  

Impact  Category  in  EN  15804   Eco-­‐costs   Quantity  and  Unit  

Acidification  for  soil  and  water   8,25  €   1  kg  SO2  equiv.  

Ozone  Depletion   0,000  €   1  kg  CFC  11  equiv.  

Global  Warming   0,135  €   1  kg  CO2  equiv.  

Eutrophication   3,90  €   1  kg  (PO4)3-­‐  equiv.  

Photochemical  ozone  creation   9,70  €   1  kg  Ethane  equiv.  

To  acquire  the  eco-­‐cost  with  EPD  data  you  multiply  the  emission  stated  in  the  EPD  data  with  the  eco-­‐cost  of  that  impact  category,  do  the  same  thing  for  the  other  impact  categories,  and  then  add  the  eco-­‐costs  of  resource  depletion  for  the  materials  used  in  the  product  (Vogtländer  2014).  The  eco-­‐costs  of  resource  depletion  can  be  found  in  the  Idemat2015  Excel  data  sheet  on  the  Eco-­‐costs  website  (The  Model  of  the  Eco-­‐costs  2015).    

To  use  Eco-­‐costs  calculation  method  B  the  products  need  to  be  made  from  only  renewable  or  non-­‐scarce  materials,  where  the  eco-­‐cost  of  metals  depletion  is  negligible  (Vogtländer  2014).  Rock  wool,  EPS  and  cellulose  fibre  all  fulfill  this,  being  made  primarily  of  stone,  oil  and  recycled  newspapers,  oil  being  relatively  non  scarce.      

2.3 Whole-­‐life  costing  (WLC)  method  

The  economical  part  of  the  3E  cost-­‐C2C  method  is  based  on  the  Whole-­‐life  Costing  method  and  follows  most  principles  of  the  EN  15643-­‐4:2012.  The  major  part  of  the  economical  cost  is  the  market  acquisition  cost  in  year  0,  which  is  the  sum  of  manufacturing,  transportation  of  the  products  to  the  site  and  the  installation  cost  of  the  product.  The  costs  should  be  presented  without  the  value  added  tax  (VAT)  (Silvestre  et  al.  2013).  During  the  use  stage,  year  n,  there  are  cost  of  maintenance,  repair  and  replacement  of  the  wall.  For  just  the  insulation  there  are  no  costs  during  the  use  stage.  The  economic  cost  in  the  end-­‐of-­‐life  stage,  year  50,  only  includes  the  transport  and  disposal  costs  of  the  examined  building  assembly  waste  and  expenses  and/or  revenues  from  reuse,  recycling  or  energy  recovery.    

2.4 Energy  cost  calculation  

The  energy  cost  is  calculated  with  equation  1  (Silvestre  et  al.  2013).  The  size  of  the  building,  heating  and  cooling  needs,  efficiency  of  heating/cooling  system,  electricity  cost  and  the  rate  of  use  of  heating/cooling  need  to  be  known.  For  the  calculation  electricity  should  be  assumed  to  be  the  heating  method  for  the  building.  

Equation  1.  

Cegn = K ⋅ T⋅ Nicηi

+Nvcηv

⎝ ⎜

⎠ ⎟ ⋅AapAew

 

Page 19: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

   

18

Cegn  =  Energy  usage  cost.  Cost  for  energy  in  year  n  per  m2  of  external  wall,  depends  on  

house.  [€/(m2•year)]  

K  =  Represents  the  rate  of  use  of  heating  and  cooling  systems  in  the  residential  building  as  a  percentage  of  the  year.  

T  =  Cost  of  1  kWh  of  electricity  for  a  Swedish  household,  without  Value  Added  Tax  (VAT)  or  standing  charges.  [€/kWh]  

Nic  =  Nominal  annual  heating  needs  per  square  metre  of  net  floor  area  of  the  flat  or  house.  [kWh/(m2•year)]  

ηi  =  Nominal  efficiency  of  the  heating  equipment.  

Nvc  =  Nominal  annual  cooling  needs  per  square  metre  of  net  floor  area  of  the  flat  or  house.  [kWh/(m2•year)]  

ηi  =  Nominal  efficiency  of  the  cooling  equipment.  

Aap  =  Net  floor  area  of  the  flat  or  house  under  assessment.  [m2]  

Aew  =  Total  area  of  the  external  wall  being  assessed.  [m2]  

Only  energy  costs  during  the  use  stage  are  included,  the  energy  needed  to  heat  the  building.  The  energy  used  in  production  and  construction  stage  is  assumed  to  be  covered  in  the  price  of  the  product  so  covered  in  the  WLC.  The  energy  consumed  or  recovered  in  the  end-­‐of-­‐life  stage  is  also  covered  in  the  WLC.  Therefore  these  costs/benefits  are  not  added  to  the  energy  cost  because  this  would  result  in  double  counting.    

2.5 Summing  up  with  the  Net  Present  Value  (NPV)  method    

Costs  occur  during  different  times  of  the  life  cycle.  To  account  for  this  and  get  a  total  cost  for  today,  the  design  phase  at  year  0,  the  Net  Present  Value  method  is  used,  se  equation  2.  The  NPV  is  a  sum  of  all  the  costs  in  different  years  of  the  study  period  after  they  have  been  discounted,  assuming  constant  prices  (Silvestre  et  al.  2013).  

Equation  2  

NPV =Cn

(1+ d)nn=0

50

∑  

NPV  =  Net  Present  Value  per  m2  of  external  wall  over  50  years.  [€/m2]    

n  =  Year.  

Cn  =  Cost  in  year  n.  [€/m2]  

d  =  Real  discount  rate  applied  (without  considering  risk),  3  %.    

The  cost  Cn  is  the  sum  of  the  3E  costs,  se  equation  3.    

Equation  3  

Cn = Cevn +Cecn +Cegn  

Cevn  =  Environmental  damage  cost  in  year  n  per  m2  of  external  wall,  based  on  LCA.  [€/(m2•year)].    

Page 20: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

   

19

Cecn  =  The  economical  cost  in  year  n  per  m2  of  external  wall,  acquisition  and  disposal  cost,  based  on  WLC.  [€/(m2•year)].    

So  all  the  3E’s  are  discounted.  When  making  the  calculations  in  this  thesis  the  NPV  of  each  year  n  were  not  calculated,  as  in  equation  3.  Instead  the  total  NPV  of  each  of  the  three  E’s  was  calculated.  This  made  more  sense  when  calculating  and  resulted  in  nice  graphs  where  for  example  the  environmental  costs  of  the  three  insulations  could  be  compared.  Calculating  in  this  way  yields  the  same  correct  result.    

Page 21: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

   

20

3 Thermal  insulation  materials  This  chapter  presents  the  three  insulations  that  are  examined  with  the  3E  cost-­‐C2C  method  and  why  they  were  chosen.  Two  aspects  that  are  not  considered  in  the  3E  cost-­‐C2C  method  are  also  explained,  the  fire  class  and  the  vapour  water  diffusion  factor.  

The  insulations  to  model  are  rock  wool,  polystyrene  and  cellulose  fibre.  The  products  selected  fulfil  the  same  function  yet  have  different  life  cycles.  Rock  wool  and  polystyrene  foam  panels  are  two  of  the  most  commonly  used  conventional  insulations  in  the  passive  house  industry,  but  they  represent  two  relatively  different  types  of  insulations.  Cellulose  fibre  is  considered  an  environmentally  friendly  option  on  the  rise.  These  insulation  options  have  been  chosen  through  consultation  with  Anders  Linde  at  Passivhuscenter,  who  is  an  Architect  and  Certified  Passive  House  Designer.  Also  in  Duijves  (2012)  report  the  author  concluded  that  out  of  the  insulations  he  studied  (glass  wool,  rock  wool,  EPS,  Flax,  Hemp,  PF-­‐foam,  PUR,  PIR)  after  disregarding  the  rest  (VIP,  aerogel,  coconut,  foam  glass,  cork,  perlite,  wood  wool,  cellulose  fibre,  recycled  cotton,  sheep  wool,  XPS)  the  three  best  options  with  regards  to  technical,  environmental  and  health  aspects  for  application  in  building  renovation  to  passive  house  standards  where  glass-­‐  and  rock  wool  together  with  EPS  (Duijve  2012).  See  figure  3  for  a  plot  of  material  thickness  against  prices  from  the  Netherlands  from  2012.    

 Figure  3.  Price  and  thickness  in  order  to  reach  RC  =  3,5  m

2K/W  (Duijves  2012).  

The  reason  Duijves  disregarded  cellulose  fibre  was  “Since  cellulose  insulation  is  hard  to  use  in  a  cavity  wall  (needs  good  support  and  rain  shelter)”  (Duijves  2012).  But  this  would  not  be  a  problem  if  it  were  used  in  the  construction  of  a  new  building.    

Page 22: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

   

21

3.1 Thermal  conductivity  

Houses  are  mainly  insulated  to  reduce  the  heat  flow  from  inside  to  the  outside  of  the  house  when  it  is  cold  outside,  and  reduce  the  flow  in  the  opposite  direction  when  it  is  warm  outside.  The  building  envelope,  the  barrier  that  stands  between  the  inside  and  outside  air,  must  have  a  high  thermal  resistance  (R)  to  reduce  heat  loss.  R  has  the  unit  Km2/W.  Insulating  materials  are  materials  with  high  thermal  resistance,  and  how  efficient  they  are  is  determined  by  the  thermal  conductivity  (λ)  in  W/m·∙K.  Thermal  conductivity  can  be  seen  as  a  measure  of  how  efficient  a  material  is  at  conducting  heat,  the  lower  the  conductivity  the  better  it  insulates.  The  thermal  conductivity  is  needed  to  calculate  the  heat  flow  through  a  wall  with  equation  4  (ElectronicsTeacher.com  2015):  

Equation  4.  

Q = λ⋅ΔTd⋅ A = k⋅ ΔT⋅ A  

In  which:  

Q  =  Heat  flow  [W]  

ΔT  =  Temperature  difference  across  the  material  [K]  

d  =  Thickness  of  the  material  [m]  

A  =  Surface  area  of  the  material  [m2]  

λ  =  Thermal  conductivity  of  the  material  [W/m·∙K]  

k  =  Heat  transmission  coefficient  (λ/d)  [W/m2·∙K]  

From  equation  4  we  can  see  that  a  lower  λ  will  reduce  the  heat  flow.  We  can  also  see  that  k  =  λ/d,  which  when  inverted  gives  the  thermal  resistance  for  a  certain  material  thickness.  The  thermal  conductivities  of  the  three  insulations  are  relatively  similar:  rock  wool  and  EPS  has  a  λ  =  0,035  W/m·∙K  and  cellulose  fibre  has  a  λ  =  0,039  W/m·∙K  (Paroc  AB  EPD  2014,  EUMEPS  region  Scandinavia  EPD  2013,  ISOCELL  GmbH  EPD  2014).    

3.1.1 Insulating  air  

The  material  of  the  insulation  is  not  what  insulates.  It  is  the  microscopically  small  air  or  gas  pockets  that  the  insulation  creates  that  give  the  low  thermal  conductivity.  The  cell  pockets  keep  the  air  stable  so  no  mixing  can  occur  and  therefore  the  convective  heat  transfer  is  suppressed.  So  the  thermal  conductivity  of  the  air  or  gas  within  the  insulation  sets  the  theoretical  thermal  resistance  limit  of  insulation.  This  means  that  the  gas  within  the  insulation  is  an  important  aspect  of  the  material.  Another  option  is  to  not  use  gas  at  all,  but  work  with  near  vacuum,  as  with  vacuum  insulation  panels,  although  this  will  not  be  discussed  in  this  thesis  (Duijve  2012).    

3.1.2 Density  

A  higher  density  results  in  a  higher  thermal  conductivity  because  there  is  more  material  to  conduct  the  heat  and  less  air  to  resist  the  heat,  at  least  beyond  a  certain  point.  But  for  some  areas  the  insulation  needs  to  be  self-­‐supported  or  have  higher  compressive  strength,  such  as  flat  roofs  and  cavity  walls  (Duijve  2012).  A  denser  structure  means  higher  compressive  strength,  but  also  higher  thermal  conductivity.    

Page 23: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

   

22

3.2 Fire  class  

All  building  materials  must  have  a  fire  class;  it  is  part  of  the  CE-­‐marking  that  is  obligatory  for  building  materials  and  is  described  in  the  European  norm  EN-­‐13501-­‐1.  The  fire  class  can  be  of  relevance  when  choosing  insulation  for  certain  projects.  There  are  seven  main  classes,  A1  which  is  the  highest  class,  non-­‐flammable,  to  A2,  B,  C,  D,  E  which  is  highly  flammable  and  F  which  is  either  extremely  flammable  or  not  yet  specified.  There  are  also  two  other  classes  besides  the  main  class,  smoke  growth  rate  (s1,  s2  or  s3)  and  flaming  droplets  or  particles  (d0,  d1  or  d2),  but  these  will  not  be  discussed  in  this  thesis  (Paroc.se  2015).    

Even  if  a  material  is  fire  class  E  or  F  it  can  still  be  used,  as  long  as  the  whole  construction  reaches  the  requirements,  because  it  is  the  entire  construction  that  is  assessed  for  its  fire  class.  The  requirements  may  differ  for  different  residential  functions  and  construction  types,  but  the  minimum  requirement  for  the  whole  building  is  classification  D-­‐s2,  d2  for  homes  and  assembly  halls  in  Sweden  (BBR  21).  

3.3 Water  vapour  diffusion  factor  

It  is  important  to  consider  the  moisture  when  constructing  the  buildings  envelope,  or  water  damage  could  become  a  problem.  Water  vapour  can  condense  inside  the  wall  when  going  from  the  warm  inside  to  the  cold  outside  and  can  lead  to  structural  damage  with  rotting  wood  or  mould  issues.  Showering,  plants,  cooking  and  the  humans  are  contributors  to  the  high  humidity  inside  the  buildings.  The  vapour  pressure  becomes  higher  inside  the  house  than  outside,  this  leads  to  the  diffusion  though  the  walls  since  the  diffusion  cancels  out  the  unbalance  (Vapour  resistances  and  μ-­‐values  BuildDesk  2015).    

To  determine  how  god  a  material  is  at  resisting  the  vapour  the  Water  vapour  diffusion  resistance  factor  (μ)  is  used.  The  μ  value  of  a  material  is  calculated  with  equation  5:    

Equation  5.  How  to  calculate  the  water  vapour  diffusion  resistance  factor  (Vapour  resistances  and  μ-­‐values  BuildDesk  2015).  

µ=  vapour  diffusion  resistance  of  a  material  with  thickness  d  ,                                                                                                                      ,        vapour  diffusion  resistance  of  an  air  layer  with  thickness  d  

This  factor  gives  a  good  first  impression  of  an  insulation’s  vapour  diffusion  resistance,  which  can  have  practical  applications.  The  μ  is  equal  to  or  greater  than  1,  the  higher  the  better  vapour  resistance,  so  when  building  a  vapour-­‐closed  construction  materials  with  a  high  μ  are  required.  Some  insulations  have  a  low  μ,  close  to  1,  but  these  insulations  are  often  used  in  combination  with  a  vapour  barrier  so  the  water  does  not  reach  the  insulation,  for  example  PE-­‐foil  which  has  a  μ  of  50  000  (Duijve  2012).    

3.4 Rock  wool  

Mineral  wools  are  fibre  materials  that  are  formed  by  spinning  or  drawing  molten  minerals,  like  rock  wool,  glass  wool  and  slag  wool.  The  combined  European  insulation  market  share  of  glass-­‐  and  rock  wool  is  around  60  %  (Pappadopoulus  2005).  Rock  wool  (or  stone  wool,  same  thing),  se  figure  4,  is  made  from  volcanic  rock,  typically  basalt  or  dolomite  and  an  increasing  proportion  of  recycled  material  (Paroc  AB  EPD  2014).  Also  slug  residues  from  the  metal  industry  can  be  added.  It  is  available  with  different  thermal  conductivities  and  densities  and  can  be  used  in  diverse  parts  of  the  building  and  industrial  process.    

Page 24: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

   

23

Stone  wool  is  made  in  a  furnace  at  about  1600  °C,  coke  is  used  to  fuel  the  oven.  Steam  or  air  is  blown  through  to  create  the  wool  structure  (Kowatsch  2010).  A  more  advanced  method  is  to  spin  the  molten  rock  at  high  speeds,  basically  like  you  make  cotton  candy.  The  molten  minerals  are  poured  on  to  a  spinning  disk  through  which  air  is  blown.  The  result  is  fine  intertwined  fibres  with  a  diameter  typically  between  6  and  10  micrometers.  The  fibres  are  bonded  with  a  bounding  agent,  phenol-­‐formaldehyde-­‐urea  resins  and  abatement  oil,  to  create  panels,  flocks  or  rolls  (Kowatsh,  2010).  It  consists  to  96-­‐98  %  of  natural  stone,  the  rest  is  the  organic  binder  (Parocs.se  2015).    

 

 Figure  4.  Rock  wool  insulation  from  Paroc  (Paroc  AB  EPD  2014).  

3.4.1 Thermal  conductivity  and  density  

The  thermal  conductivity  for  rock  wool  is  typically  between  0,03  and  0,04  W/mK  according  to  Jelle  (2011).  The  two  biggest  producers  of  rock  wool  in  Sweden  are  Paroc  AB  and  Rockwool.  Their  products  have  a  thermal  conductivity  of  0,035  and  0,037  W/mK  respectively  (Paroc  AB  EPD  2014,  Rockwool  EPD  2009).    

The  density  of  rock  wool  is  usually  in  between  25  and  200  kg/m3,  for  the  Paroc  and  Rockwool  products  mentioned  above  the  densities  are  35  and  32  kg/m3  respectively  (Paroc  AB  EPD  2014,  Rockwool  EPD  2009).  The  higher  densities  occur  when  the  rock  wool  is  compressed  into  panels  for  when  there  is  a  need  for  higher  compressive  strength.    

3.4.2 Fire  class  

Rock  wool  meets  the  highest  European  fire  class  standard  of  Euroclass  A1  (Paroc.se  2015).  The  primary  products  are  usually  a  good  indicator  of  the  fire  class,  and  since  rock  wool  is  made  from  inorganic  materials  it  does  not  burn  easily.  It  does  not  smoke  or  produce  flaming  droplets.  But,  rock  wool  panels  or  rolls  can  be  layered  with  materials  for  moisture  control  or  extra  insulation  that  can  lower  the  fire  class.    

3.4.3 Other  aspects  

• Water  vapour  resistance  factor:  

µ  =  1  (Papadopoulos  et  al.  2005)  

• Rock  wool  also  has  good  sound  absorbing  properties  and  thus  reduces  both  sounds  coming  in  and  going  out  through  the  wall.    

• Can  be  used  for  insulation  in  basically  all  types  of  building  envelope.    

Page 25: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

   

24

• When  installing  it  must  be  kept  dry.  An  increase  of  moisture  content  from  0  to  10  %  will  result  in  an  increase  of  the  thermal  conductivity  from  0,037  to  0,055  W/mK,  which  is  an  increase  by  almost  50  %  (Jelle  2011).  

• Not  renewable.  

3.5 Expanded  polystyrene  

EPS  is  made  from  the  petroleum  products  benzene  and  ethylene.  Benzene  and  ethylene  are  used  to  produce  the  monomer  ‘monostyrene’.  Monostyrene  is  polymerized  with  the  blowing  agent  pentane  and  possibly  a  flame  retardant  like  hexabromocyclododecane  to  polystyrene  beads.  The  beads,  also  called  polystyrene  granulates,  are  expanded  in  an  expansion  chamber  and  then  cast  in  a  mould  under  steam  pressure  to  a  block.  The  heat  and  pressure  makes  the  granulates  melt  together.  The  used  pentane  is  replaced  by  air  during  and  after  the  process.  After  storage  the  block  can  be  cut  with  filaments  to  the  desired  dimensions.  The  expanded  and  moulded  product  is  form-­‐stiff  and  has  a  micro  pours  structure  (Sundolitt  Produktguide  2010).    

 Figure  5.  The  closed  cell  structure  of  EPS  (Sundolitt.se  2015).  

The  closed  cell  system  has  a  low  internal  convection,  low  permeability  for  air  and  low  water  absorption,  se  figure  5  (Sundolitt.se  2015).  Large  panels  can  be  constructed  due  to  the  dens  cell  structure,  se  figure  6.    

 Figure  6.  EPS  boards  by  Sundolitt  (Bygghemma.se  2015).  

Page 26: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

   

25

3.5.1 Thermal  conductivity  and  density  

The  lowest  thermal  conductivity  for  EPS  is  achieved  at  densities  between  30  and  50  kg/m3,  se  figure  7  (Sundolitt  Produktguide  2010).    

 Figure  7.  How  thermal  conductivity,  Y-­‐axis,  depends  on  density,  X-­‐axis,  for  EPS  (Sundolitt  

Produktguide  2010).  

With  lower  densities  the  material  is  more  permeable  to  heat  radiation.  The  thermal  conductivity  of  EPS  ranges  from  0,033  to  0,041  W/mK  (Sundolitt  Produktguide  2010).  The  EPS  studied  in  this  thesis  has  a  density  of  20  kg/m3  and  a  thermal  conductivity  of  0,035  W/mK  (EUMEPS  region  Scandinavia  2013).  

3.5.2 Fire  class  

The  Swedish  EPS  producer  Paroc  AB  does  not  use  flame-­‐retardants  because  the  chemicals  are  a  health  hazard  and  not  environmentally  friendly  (Sundolitt  Produktguide  2010).  When  not  treated  the  fire  class  is  F,  when  treated  the  fire  class  is  E.  When  shielded  in  a  wall  the  construction  can  reach  fire  class  B  (Sundolitt.se  2015).    

3.5.3 Other  aspects  

• Water  vapour  resistance  factor:  

µ  =  30-­‐70  (EUMEPS  region  Scandinavia  2013).  

• Can  be  used  to  insulate  walls,  roofs  and  concrete  floor.  

• Since  EPS  is  form-­‐stiff  it  can  support  itself  and  also  be  used  as  a  moulding  cast  for  concrete  foundations.  Compressive  strength  of  EPS  examined  in  thesis  was  100  kPa  (EUMEPS  region  Scandinavia  2013).  

• Loose  pearls  that  are  not  moulded  can  be  used  to  fill  existing  cavity  walls  (Sundolitt  Produktguide  2010).  

• Not  renewable.  

3.6 Cellulose  fibre  

Cellulose  fibre  insulation  is  made  from  recycled  paper,  usually  newspapers  (Miljöbyggsystem.se  2015).  The  main  material  is  therefore  wood,  which  has  been  used  in  buildings  for  thousands  of  years.  The  paper  material  is  sorted,  shredded  and  then  grinded  together  with  mineral  salts  in  a  mill.  The  obtained  flakes  are  resistant  to  fire,  mold  and  vermin  due  to  the  mineral  salt  and  does  not  rot  (Isocell.at  2015).  Cellulose  fibre  can  be  produced  either  as  panels  or  as  loose  fibres  that  are  blown  in,  se  figure  8.  In  this  thesis  the  data  collected  was  for  the  “blown  in”  version  because  that  is  the  main  product  of  Isocell  and  their  EPD  was  for  blown  in  insulation.  The  benefit  of  blown  in  insulation  is  that  the  

Page 27: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

   

26

insulation  forms  into  a  tailor-­‐made  insulation  for  the  construction  (Miljöbyggsystem.se  2015).  

 Figure  8.  Blown  in  cellulose  fibre  (ISOCELL  GmbH  (2014).  

3.6.1 Thermal  conductivity  and  density  

The  thermal  conductivity  of  cellulose  fibre  insulation  is  around  0,039  W/mK  (ISOCELL  GmbH  2014).  The  density  can  vary  depending  on  for  example  where  it  is  installed.  If  in  a  wall  it  will  be  more  compressed  and  the  density  will  be  higher  and  on  a  roof  it  will  have  loose  layers  and  a  lower  density.  The  density  can  range  from  28  to  65  kg/m3  (ISOCELL  GmbH  2014).  

3.6.2 Fire  class  

The  fire  classification  is  Euroclass  E  if  the  insulation  thickness  is  40  –  100  mm  and  Euroclass  B  if  thicker  than  100  mm  (ISOCELL  GmbH  2014).    

3.6.3 Other  aspects  

• Water  vapour  resistance  factor:

µ  =  1  (ISOCELL  GmbH  2014).  

• Cellulose  fibre  can  be  used  for  most  types  of  insulation  applications  and  soundproofing.    

• Is  marketed  as  an  environmentally  friendly  option  (Miljöbyggsystem.se  2015).  

• Renewable.  

Page 28: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

   

27

4 Scope  of  the  3E  cost-­‐C2C  analysis  of  insulations  The  scope  of  the  analysis  is  defined  and  explained  here.  First  the  functional  unit  is  defined,  then  the  lifecycles  including  what  manner  of  disposal  to  calculate,  the  timeframe,  what  geographic  areas  to  focus  on  and  what  environmental  impacts  to  include.  Lastly  an  example  house  is  defined,  the  VAT  is  discussed  and  the  manufacturers  chosen  to  represent  the  insulations  are  presented  in  short.    

4.1 Functional  unit  

For  the  3E  cost-­‐C2C  the  functional  unit  is  ‘a  square  meter  of  external  wall  for  50  years’.  Since  the  method  takes  the  whole  C2C  life  cycle  into  account  different  types  of  walls  and  wall  thicknesses  can  be  compared.  But  if  the  three  insulations  are  to  be  compared  fairly,  they  should  also  be  functionally  equivalent.  So  the  functional  unit  for  the  first  comparison  is  the  heat  transfer  coefficient  U  measured  in  W/m2K  for  1  m2  of  wall  insulation  to  achieve  passive  house  standard  in  Sweden,  which  is  approximately  0,1  W/m2K  for  wall  insulation.  It  varies  depending  on  the  rest  of  the  structure  of  the  house,  but  the  general  rule  is  that  the  insulation  should  achieve  0,1-­‐0,15  W/m2K  in  a  passive  house,  with  0,15  W/m2K  as  a  minimum  requirement  in  cool  temperature  climates  (International  Passive  House  Association  2015).  This  means  that  no  more  than  0,15  watts  of  heat  energy  should  be  lost  though  the  external  envelope  of  the  house  per  square  meter  and  degree  Kelvin.  For  single-­‐family  homes,  which  are  freestanding  buildings,  the  U-­‐value  is  often  under  0,1  W/m2K,  and  therefore  ‘a  square  meter  of  external  wall  for  50  years  with  U  =  0,1  W/m2K’  was  chosen  as  the  functional  unit  for  the  passive  house  (International  Passive  House  Association  2015).    

Once  all  the  data  was  collected  in  Excel  for  the  passive  house  standard  comparison  it  was  simple  to  also  make  a  comparison  with  the  costs  for  a  regular  Swedish  house.    

4.2 Lifecycle  

Preferably  the  whole  life  cycle  from  C2C  would  be  included  for  all  insulations,  but  depending  on  what  data  can  be  obtained  this  may  vary.  The  EPDs  for  the  three  insulations  cover  the  areas  shown  in  figure  9  (Paroc  AB  2014,  EUMEPS  region  Scandinavia  2013,  ISOCELL  GmbH  2014).    

These  data  follow  the  calculation  structure  of  an  EPD  according  to  EN  15804.  

Figure  9.  Areas  covered  in  the  EPDs  (Paroc  AB  2014,  EUMEPS  region  Scandinavia  2013,  ISOCELL  GmbH  2014).  

Page 29: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

   

28

Often  the  Use  stage  is  excluded  when  making  an  EPD  for  insulation  (Paroc  AB  2014,  EUMEPS  region  Scandinavia  2013,  ISOCELL  GmbH  2014).  This  is  probably  because  there  are  no  environmental  impacts  from  the  insulation  when  it  operates  in  the  wall,  which  was  confirmed  by  all  the  manufacturers123.  If  there  are  no  environmental  impacts  there  probably  are  no  economical  costs  either.  The  assumption  is  that  basically  anything  that  would  yield  a  cost  would  also  yield  an  environmental  impact.  Therefore  the  cost  contribution  of  insulation  of  the  whole  Use  stage  was  set  to  zero.    

4.3 Time  frame  

The  time  frame  of  the  insulations  life  cycles  is  from  C2C,  so  from  the  raw  material  extraction  to  end  of  life  with  recycling  or  some  kind  of  disposal.  The  time  horizon  for  the  house,  and  therefore  the  insulation,  is  sett  to  50  years,  as  this  is  often  the  practice  when  calculating  on  the  life  cycle  of  buildings  and  building  materials  (EN  15804:2012).  Also  the  reference  service  life  for  the  insulations  is  50  years  in  the  EPDs.  

4.4 Geographic  boundaries  

The  geographical  focus  of  the  study  will  be  on  insulations  sold  on  the  Swedish  market,  so  preferably  the  data  will  be  from  Swedish  manufacturing  facilities  using  Swedish  raw  materials.  If  data  for  Swedish  manufacturing  cannot  be  obtained  for  one  of  the  insulations  the  data  that  was  obtained  should  be  applicable  for  the  Swedish  market.  

4.5 Environmental  impact  categories  

The  environmental  impact  categories  that  are  going  to  be  used  in  this  thesis  are  the  ones  used  in  the  EPDs.  The  impact  categories  are:    

GWP  =  Global  warming  potential  [1  kg  CO2  equiv.]  

ODP  =  Depletion  potential  of  stratospheric  ozone  layer  [1  kg  CFC  11  equiv.]  

POCP  =  Formation  potential  of  tropospheric  photochemical  oxidants  [1  kg  Ethane          .                          equiv.]  

AP  =  Acidification  potential  of  land  and  water  [1  kg  SO2  equiv.]  

EP  =  Eutrophication  potential  [1  kg  (PO4)3-­‐  equiv.]  

This  is  convenient  as  there  are  conversion  factors  to  convert  the  EPD  impact  categories  to  eco-­‐costs,  se  table  2.    

4.6 Example  house  

For  some  of  the  calculations  in  the  energy  and  economical  parts  the  size  of  the  house  needs  to  be  defined.  For  example  when  calculating  the  energy  cost  using  equation  1,  the  total  floor  area  and  the  total  external  wall  area  needs  to  be  defined.  Also  the  total  amount  of  wall  insulation  is  needed  to  calculate  transportation  and  disposal  costs.  The  Swedish  Energy  Authority  supplied  data  for  the  Swedish  average  house  for  year  2013  (Energimyndigheten  

1 Mikael Olofsson, Technical Adviser at Paroc AB, mail conversation 2015-03-31. 2  Emil  Syrèn,  Product  &  Marketing  Manager  at  Sundolitt,  mail  conversation  2015-­‐04-­‐13.    

3  Andreas  Östlund,  VD/CEO  at  Miljöbyggsystem  MBS  AB,  phone  conversation  2015-­‐03-­‐11    

Page 30: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

   

29

2015).  The  average  house  living  area  was  152  m2,  but  there  were  no  dimensions  specified.  So  the  dimensions  7,6  meters  wide,  10  meters  long,  2  floors  and  a  outer  wall  height  of  5  meters  were  defined  for  the  house,  as  this  seems  like  reasonable  dimensions  and  

7,6⋅ 10⋅ 2 =152 .  This  results  in  a  wall  area  of

(7,6 +10)⋅ 2⋅ 5 =176  m2.  The  total  wall  area  multiplied  with  the  insulation  thickness  gives  the  total  amount  of  insulation  needed  for  the  walls  of  the  house.    

An  arbitrary  location  for  the  building  also  needs  to  be  defined  to  be  able  to  calculate  the  different  transportation  costs.  Lerum  was  chosen  as  a  location,  21  km  outside  of  Gothenburg.    

4.7 Value  Added  Tax  

Even  though  the  economical  cost  should  be  calculated  without  the  VAT  according  to  Silvestre  et  al.  (2013),  for  this  thesis  the  calculations  have  been  made  including  the  VAT.  There  are  four  reasons  for  this:    

• The  tax  will  be  a  cost  for  the  owner  of  the  building  one  way  or  another,  for  both  the  economical  and  energy  part,  but  there  is  no  tax  for  the  environmental  cost.  So  if  the  relative  cost  between  the  3E’s  is  going  to  be  correct,  the  tax  needs  to  be  included.    

• As  long  as  the  VAT  is  included  in  all  the  compared  insulations  the  relative  results  between  the  economical  and  energy  parts  should  be  the  same  as  without  VAT.    

• The  imagined  house  being  built  is  a  regular  sized  stand  alone  family  house,  so  it  is  plausible  that  the  insulation  was  not  bought  through  a  contractor,  and  then  the  VAT  should  be  included.    

• In  Sweden  the  VAT  is  often  already  included  in  the  price.  

4.8 Manufacturers  

The  rock  wool  insulation  is  represented  by  Paroc  AB  stone  wool  insulation  with  a  density  of  <70kg/m3.  Paroc  AB  is  on  of  the  largest  producers  of  rock  wool  in  Sweden  with  approximately  2/3  of  the  rock  wool  market4.  Rock  wool  has  approximately  1/3  of  the  total  market  for  insulation1.    

The  EPS  foam  insulation  is  represented  by  Sundolitt,  one  of  the  leading  producers  of  EPS  in  Sweden5.    

The  Swedish  manufacturer  ISOCELL  who  is  represented  by  Miljöbyggsystem  MBS  AB  on  the  Scandinavian  market  represents  cellulose  fibre.  ISOCELL  is  the  largest  producer  of  cellulose  insulation  in  Europe  (Miljöbyggsystem.se  2015).  

4  Mikael  Olofsson,  Technical  Adviser  at  Paroc  AB,  mail  conversation  2015-­‐02-­‐13.    

5  Anders  Linde,  Arkitekt  SAR/MSA  and  certified  Passive  House  Designer  at  Passivhuscentrum  i  Västra  Götaland,  mail  conversation  2015-­‐

02-­‐04  

Page 31: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

   

30

5 Results  of  the  insulation  evaluation  In  this  chapter  the  insulations  will  be  analysed  with  the  3E  cost-­‐C2C  method.  Every  step  of  the  process  will  be  explained  to  deepen  the  understanding.  

5.1 Environmental  impact  cost  

The  environmental  costs  were  obtained  through  the  Eco-­‐Costs  method  using  EPD  data  together  with  the  recourse  depletion  cost  and  the  eco-­‐cost  of  the  energy  used  for  heating  the  building  in  the  Use  stage  of  the  product.    

5.1.1 EPD  data  

The  EPDs  were  obtained  through  the  manufacturers  websites  and  the  EPD  data  was  transferred  to  Excel  for  further  calculation.  All  the  EPDs  comply  with  the  ISO  14025  and  EN  15804  standards  and  had  50  years  as  reference  service  life.  All  three  insulations  can  be  reused  at  the  end-­‐of-­‐life,  if  not  damaged,  but  in  the  EPDs  landfill  and/or  incineration  was  used,  and  therefore  the  EPD  option  was  chosen  as  end-­‐of-­‐life  scenario  for  this  thesis  (Paroc  AB  2014,  EUMEPS  region  Scandinavia  EPD  2013,  ISOCELL  GmbH  2014).  Since  the  end-­‐of-­‐life  scenario  is  discounted  for  50  years  the  cost  impact  of  the  disposal  option  is  a  relatively  small  part  of  the  total  cost,  so  the  cost  difference  between  the  disposal  option  used  in  this  thesis  and  a  reuse  or  recycling  scenario  would  probably  not  be  big.    

The  calculations  made  to  transform  the  EPD  data  with  different  declared  units  to  the  functional  unit  of  1  m2  of  wall  insulation  with  thickness  to  reach  the  Swedish  passive  house  standard  are  shown  in  table  3.  

Table  3.  Calculations  to  transform  EPD  data  to  functional  unit  (Paroc  AB  EPD  2014,  EUMEPS  region  Scandinavia  EPD  2013,  ISOCELL  GmbH  EPD  2014).  

  Thermal  conduct-­‐ivity  (

λ )  

Thickness  for  passive  house  standard,  U  =  0,1  W/m2K  

Declared  unit  in  EPD  

Thickness  of  declared  unit  

Transformation  of  EPD  data  to  U  =  0,1  W/m2K  

Rock  wool  

0,035  W/mK  

λ /U  =  0,035/0,1  =  0,35  m  =  35  cm  

1  m2  with  R  =  1  Km2/m  

R⋅ λ  =  0,035  m  

Data•10  =  Functional  unit  

EPD   0,035  W/mK  

35  cm   1  m2  with  R  =  1  Km2/m  

0,035  m   Data•10  =  Functional  unit  

Cellulose  fibre  

0,039  W/mK  

39  cm   1  m3   1  m   Data•0,39  =  Functional  unit  

5.1.1.1 Rock  wool  

Parocs  EPD  represents  Paroc  insulation  with  densities  lower  than  70  kg/m3,  with  the  average  density  of  35,1  kg/m3.  The  rock  mineral  wool  production  was  modelled  based  on  site  specific  data  from  production  plants  in  Hällekis  and  Hässlehom,  Sweden,  and  Pargas,  Oulu  and  Lappeenranta,  Finland.  The  Gabi  6  Software  System  for  Life  Cycle  Assessment  was  used  for  the  calculation  and  all  the  relevant  background  data  were  taken  from  the  Gabi  6  software,  referring  to  the  years  2009-­‐2012.  The  stone  wool  is  made  primarily  by  volcanic  rock,  normally  basalt  or  dolomite,  but  an  increasing  proportion  consists  of  recycled  material  (Paroc  AB  EPD  2014).    

Page 32: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

   

31

The  EPD  covers  the  following  steps  in  the  production  stage,  module  A1-­‐A3  (Paroc  AB  EPD  2014):  

• Production  of  raw  material  

• Binder  components  production  

• Transport  of  raw  material  and  pre-­‐products  to  manufacturing  plant  

• Product  manufacturing  (power,  thermal  energy,  manpower,  emissions)  

• Packaging  materials  production    

• Water  treatment,  waste  management,  end-­‐of-­‐life  of  residues    

The  other  modules  are  calculated  on  the  basis  of  scenarios  or  assumptions  (Paroc  AB  EPD  2014):  

• Module  A4:  transport  to  the  building  site,  500  km  

• Module  A5:  waste  generated  during  the  installation  is  assumed  to  be  0  %  

• Module  C2:  transport  to  the  End  of  life,  50  km  

• Module  C4:  landfill  

Module  D  includes  reuse,  recovery  and/or  recycling  potentials.  According  to  EN  15804  any  declared  benefits  or  loads  from  net  flows  leaving  the  product  system  that  are  not  allocated  as  co-­‐products  and  have  reached  and  passed  the  waste  state  shall  be  included  in  module  D.  The  cut-­‐off  criteria  is  1  %,  so  production  processes  and  energy  flows  smaller  than  this  are  not  included,  except  for  hazardous  materials  and  substances.  All  major  raw  materials  and  energy  is  included  (Paroc  AB  EPD  2014).    

Parocs  EPD  had  1  m2  stone  wool  with  a  thermal  resistance  (R)  of  1  Km2/W  without  any  lamination  as  declared  unit  (Paroc  AB  EPD  2014).  The  thermal  conductivity  of  rock  wool  is  

λ  =  0,035  W/mK.  See  table  3  for  the  transformation  of  EPD  data  to  the  functional  unit  of  1  m2  of  wall  insulation  with  passive  house  thickness  for  Sweden  of  U  =  0,1  W/m2K  for  1  m2.  

5.1.1.2 EPS  

The  European  Association  of  EPS  (EUMEPS)  of  which  Sundolitt  is  a  member  made  the  EPD  for  EPS.  The  data  for  the  EPD  was  provided  by  a  representative  mix  of  three  manufacturers  of  EUMEPS  members  in  Scandinavia,  based  on  production  during  2011  (EUMEPS  region  Scandinavia  EPD  2013).  The  foam  structure  consists  of  98  %  air  and  2  %  polystyrene  and  is  available  in  various  dimensions  and  shapes.  EPS  foams  are  made  of  polystyrene,  which  makes  up  95  %  of  the  weight,  and  blown  in  pentane,  which  represents  the  rest.  The  pentane  is  released  during  the  production  or  shortly  after.  Normally  no  other  substances  are  added.  Polystyrene  and  pentane  are  made  from  oil  and  fossil  gas.  The  EPD  is  valid  for  homogeneous  EPS  products  (EUMEPS  region  Scandinavia  EPD  2013).    

Module  A1-­‐A3  covers  the  production  and  transport  of  the  basic  materials,  manufacture  of  the  product  and  the  packaging  materials.  A4  covers  transport  of  the  products  and  A5  the  packaging  materials.  Gained  energy  from  packaging  incineration  is  declared  in  module  D  (EUMEPS  region  Scandinavia  EPD  2013).  

There  are  two  end-­‐of-­‐life  scenarios  in  the  EPS  EPD,  “Incineration”  and  “Landfill”.  Both  scenarios  include  transport  to  the  end-­‐of-­‐life  stage,  C2.  In  the  incineration  scenario  100  %  

Page 33: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

   

32

of  the  waste  EPS  is  incinerated  and  the  effort  and  emissions  of  the  process  is  declared  in  module  C3.  Resulting  energy  is  declared  in  module  D.  In  the  landfill  scenario  100  %  of  the  waste  EPS  is  put  on  landfill  and  the  effort  and  emissions  of  the  process  is  declared  in  module  C4  (EUMEPS  region  Scandinavia  EPD  2013).  In  some  graphs  in  this  report  the  different  end-­‐of-­‐life  scenarios  are  presented  separately.  Where  they  are  not  and  there  is  only  one  EPS  declared,  50  %  of  the  waste  EPS  has  gone  to  incineration  and  50  %  has  gone  to  landfill.  We  cannot  be  sure  today  of  how  the  waste  will  be  handled  50  years  from  now.  As  can  be  seen  in  figure  10,  the  difference  in  eco-­‐cost  between  incineration  and  landfill  is  not  great.    

The  declared  unit  is  Expanded  Polystyrene  rigid  foam  without  flame  retardant,  with  density  of  20  kg/m3  per  1  m3  and  per  1  m2  with  R-­‐value  1  (EUMEPS  region  Scandinavia  EPD  2013).  The  data  for  1  m2  with  R-­‐value  1  was  used,  the  same  as  for  rock  wool.  The  thermal  conductivity  of  EPD  is  

λ  =  0,035  W/mK,  also  the  same  as  for  rock  wool,  so  the  same  scaling  of  EPD  data  is  made  as  for  rock  wool,  see  table  3.    

5.1.1.3 Cellulose  fibre  

Cellulose  insulation  by  ISOCELL  Gmbh  from  two  production  sites  in  Hartberg  (Austria)  and  Amel  (Belgium)  supplied  the  data  for  the  EPD  representing  cellulose.  There  was  no  EPD  for  production  of  cellulose  fibre  in  Sweden,  but  Andreas  Östlund3  explained  that  the  production  process  is  the  same  for  the  ISOCELLs  factory  in  Tibro  (Sweden)  as  for  the  Hartberg  and  Amel,  although  the  Swedish  factory  is  newer  and  electricity  used  in  Sweden  is  probably  cleaner.  The  data  is  from  production  between  July  2012  to  July  2013  and  the  average  from  the  two  production  sites  was  used.  The  average  variance  of  the  results  between  the  two  sites  is  5,8  %.  SimaPro  8  software  was  used  for  the  calculation  and  the  database  Ecoinvent  v.  2.2  was  used  for  background  data.  The  cellulose  insulation  consists  of  reused  grinded  newspapers,  >90  %,  mixed  with  mineral  salts,  <7  %,  and  boric  acid,  <3  %.  The  mineral  salts  and  boric  acid  work  as  fire  protection  agents  (ISOCELL  GmbH  EPD  2014).  

Data  for  all  energy  consumptions,  waste  amounts  and  packaging  materials  were  collected.  Data  for  infrastructure  was  not  collected.  No  other  data  was  known  to  be  missing.  Using  waste  paper  leads  to  a  reduction  of  primary  raw  material  consumption  and  to  energy  savings,  as  no  new  cellulose  fibre  needs  to  be  produced.  Since  waste  paper  is  a  secondary  material  the  collection  and  sorting  is  attributed  to  the  previous  product  system.  The  raw  material  for  boric  acid  is  mined  in  Turkey,  and  for  the  transport  it  is  assumed  that  50  %  is  delivered  by  truck  and  50  %  by  ship.  The  insulation  is  packed  in  polyethylene  bags  of  approximately  12,5  kg  and  stacked  on  reusable  pallets  of  21  bags  per  pallet.  There  was  no  data  for  the  transport  to  site  and  the  installation  so  the  A4  and  A5  modules  are  not  declared.  The  scenario  Thermal  waste  treatment  was  chosen  to  represent  the  end-­‐of-­‐life  stage  in  the  EPD  (ISOCELL  GmbH  EPD  2014).    

The  ISOCELL  Gmbh  EPD  gives  two  sets  of  results:  for  the  minimum  nominal  density  of  28  kg/m3  and  the  maximum  nominal  density  of  65  kg/m3.  After  consulting  Andreas  Östlund3  an  average  between  the  two  densities  of  (28+65)/2  =  46,5  kg/m3  was  chosen  to  represent  cellulose  fibre.  Östlund  explained  that  the  density  of  cellulose  insulation  in  walls  is  higher  than  if  on  the  ceiling,  so  he  recommended  calculating  with  an  average  of  about  45  kg/m3  (ISOCELL  GmbH  EPD  2014).  If  the  density  of  cellulose  fibre  insulation  is  not  defined  it  is  46,5  kg/m3.    

Page 34: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

   

33

One  cubic  metre  of  insulation  material  (m3)  was  defined  as  declared  unit.  The  thermal  conductivity  of  cellulose  insulation  is  

λ  =  0,039  W/mK  (ISOCELL  GmbH  EPD  2014).  The  calculation  of  EPD  data  to  the  functional  unit  is  shown  in  table  3.  The  data  from  the  EPD  was  first  adjusted  to  averages  of  the  28  kg/m3  and  65  kg/m3  densities  and  then  multiplied  by  0,39  to  attain  the  data  in  the  functional  unit.    

5.1.2 Eco-­‐costs  method  

After  the  EPD  data  has  been  scaled  to  1  m2  of  insulation  with  U  =  0,1  W/m2K  the  emissions  are  summed  up,  within  the  different  impact  categories,  in  two  groups  of  when  the  emission  takes  place.  Emissions  in  the  production  and  construction  stages  take  place  in  the  beginning  of  the  life  cycle,  before  use,  and  emissions  in  the  end-­‐of-­‐life  and  benefits  and  loads  stages  take  place  after  use,  50  years  later.  Some  benefits  and  loads  in  module  D  may  occur  in  the  beginning  of  the  life  cycle,  but  for  simplicity  they  are  assumed  to  take  place  at  the  end  of  the  life  cycle  since  the  majority  of  the  benefits  and  loads  probably  occure  then.  The  reason  for  deviding  up  the  data  in  this  way  is  because  the  cost  of  emissions  at  the  end  of  the  life  cycle  need  to  be  discounted.    

The  emissions  are  then  multiplied  with  the  eco-­‐cost  of  that  impact  category,  see  table  2.  The  eco-­‐costs  of  the  C  and  D  modules  are  discounted  for  50  years,  so  the  NPVev(C+D)  =  Cev50/(1+0,03)

50.  The  environmental  cost  are  then  added  up  together  with  the  recource  depletion  cost  and  the  eco-­‐costs  of  energy  used  to  heat  up  the  building.  The  result  can  be  seen  in  figure  10.    

 

EPS  has  the  largest  environmental  damage  cost,  regardles  of  disposal  method.  The  recource  deplition  cost  is  a  larg  part  of  the  environmental  cost  for  EPS,  wheras  for  rock  wool  and  cellulose  fibre  it  is  relatively  small.  Rock  wool  has  the  second  largest  enveronmental  cost,  

   2    €        3    €        3    €    

 -­‐  1    €    

 -­‐  3    €    

   0    €    

   1    €        1    €    

   0    €        0    €    

   1    €    

   0    €        0    €    

   0    €        0    €    

   0    €    

   5    €        5    €    

   0    €        0    €    

   0    €    

   0    €        0    €    

   0    €        0    €    

-­‐4€  

-­‐2€  

0€  

2€  

4€  

6€  

8€  

10€  

Rock  Wool      EPS  Incineradon    EPS  Landfill      Cellulose  28kg/m3    Cellulose  65kg/m3  

Total  discounted  environmental  cost  

Energy  to  heat  building  Recource  Depli�on  EP    

AP    

POCP    

GWP  

Figure  10.  This  graph  shows  the  total  eco-­‐costs  of  the  insulations  for  1  m2  with  passive  house  thickness.  

Page 35: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

   

34

global  warming  being  the  largest  contributor.  Cellulose  fibre  has  a  net  benefit  for  the  environment  because  of  the  larg  negative  cost  from  the  GWP,  probably  due  to  being  made  primarily  from  recycled  material.  The  recycled  newspapers  would  probably  have  been  disposed  in  some  other  maner  if  not  used,  maybe  incineration,  and  now  this  disposal  gets  prosponed.  For  all  thre  insulations  the  envirnmental  impact  categories  not  metiond  have  small  cost  contibutions.    

The  recourc  deplition  is  obtained  from  the  Idemat2015  Excel  data  sheet  found  on  the  Eco-­‐costs  website  (The  Model  of  the  Eco-­‐costs  2015).  For  rock  wool  the  recourse  depletion  value  of  Idemat  2015  Rockwool  was  used.  For  EPS  the  recourse  depletion  of  Idemat  2015  PS  (EPS,  expandable  polystyrene)  was  used.  For  cellulose  fibre  there  were  no  Idemat  values,  but  included  in  the  Excel  data  sheet  were  also  values  from  Ecoinvent  V3,  another  database  with  life  cycle  inventory  data.  So  the  Ecoinvent  V3  recourse  depletion  value  of  Cellulose  fibre,  inclusive  blowing  in  {GLO}|  market  for  |  Alloc  Rec,  S  was  used.    

The  eco-­‐costs  for  energy  use  to  heat  the  building  per  1  m2  of  insulation  with  passive  house  thickness  is  calculated  in  the  same  way  as  the  cost  for  heating  the  building,  but  in  stead  of  using  the  cost  of  electricity,  T,  the  eco-­‐cost  of  electricity  is  used.  The  eco-­‐cost  of  electricity  can  be  obtained  from  the  Ecoinvent  V3  database  and  the  medium  voltage  of  the  Swedish  electric  grid  mix  was  used.  This  contribution  turned  out  to  be  very  small,  approximately  0,2  €  in  total  over  the  50  years,  due  to  that  the  eco-­‐cost  of  electricity  in  Sweden  was  very  low,  only  approximately  0,001  €/kWh.  The  average  eco-­‐cost  of  electricity  in  the  world  is  approximately  0,012  €/kWh,  which  would  resulting  in  a  corresponding  eco-­‐cost  of  2,4  €,  12  times  more  eco-­‐costly  than  the  Swedish  electricity.  This  is  probably  due  to  a  large  proportion  of  the  Swedish  electricity  production  is  produced  by  hydropower  and  nuclear  power,  which  presumably  give  low  eco-­‐costs.    

5.2 Economical  cost  

The  economical  cost  of  the  three  insulations  consists  of  acquisition  cost  in  year  0  and  the  transport  and  disposal  in  year  50.  The  currency  exchange  rate  from  SEK  to  €  for  all  the  calculations  was  taken  the  2015-­‐04-­‐29  and  was  9,25859879  SEK/€  (Google.se  2015).    

5.2.1 Acquisition  cost  

The  acquisition  cost  consists  of  the  purchase  price  of  the  insulation,  transport  to  the  building  site  and  cost  of  installation.  The  method  of  acquisition  for  rock  wool  and  EPS  are  the  same,  but  for  cellulose  fibre  it  differs.  Rock  wool  and  EPS  are  much  more  common  on  the  insulation  market,  with  big  companies  whose  products  can  be  found  at  building  material  retailers.  For  cellulose  fibre  it  is  different,  it  only  takes  up  a  small  part  of  the  market  and  could  not  be  found  at  building  material  retailers.  Instead  you  could  order  from  the  company  directly  and  they  would  come  to  the  building  site  and  blow  in  the  insulation,  a  kind  of  package  deal3.  When  building  a  house  you  most  likely  do  it  through  a  contractor.  They  probably  have  agreements  with  material  producers  and  could  get  similar  package  deals  for  rock  wool  and  EPS  also.  But  for  this  thesis  the  data  that  was  available  was  used,  see  below.    

5.2.1.1 Purchasing  price  

The  purchasing  prices  of  the  insulations  were  obtained  through  market  surveys  on  websites  of  building  material  retailers  and  through  mail  and/or  phone  conversations  with  the  manufacturers.    

Page 36: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

   

35

The  Paroc  rock  wool  insulation  price  was  obtained  from  Beijer  Byggmaterials  website.  They  had  several  thickness  options  of  the  insulation  boards,  so  the  cheapest  option  to  obtain  35  cm  thickness  was  calculated,  which  were  three  insulation  boards  of  120  mm,  see  table  4  for  calculations.  They  were  ≈11  €/m2  (including  VAT)  so  ≈33  €/m2  for  36  cm  thickness  (Beijer  Byggmaterial  2015).  For  simplicity  36  cm  was  used  and  not  adjusted  to  35  cm.    

The  Sundolitt  EPS  insulation  price  was  obtained  from  bygghemma.se.  The  combination  of  three  insulation  boards  with  100  mm  thickness  and  one  board  with  50  mm  thickness  was  the  cheapest  way  to  attain  35  cm  thickness  (Bygghemma.se  2015).  The  calculation  can  be  seen  in  table  4.  In  the  mail  conversation  with  Emil  Syrén  at  Sundolitt  he  stated  that  a  price  of  about  64,8  €  (600  SEK)  per  m3  would  be  reasonable,  which  would  give  22,7  €/m2  for  35  cm  thickness,  a  difference  of  4,1  €/m2,  but  he  suggested  that  the  price  found  on  Bygghemma.se  should  be  used2.    Table  4.  Purchasing  price  for  rock  wool  and  EPS  for  1  m2  of  36  and  35  cm  thickness  respectively  (Beijer  

Byggmaterial  2015,  Bygghemma.se  2015).    

  Board  thickness  

Board  price  (incl.  VAT)  

Calculation   Price  for  passive  house  thickness  

Rock  wool   120  mm   11  €/m2  

3⋅ 11   33  €/m2  

EPS   100  /  50  mm   7,5  /  4,4  €/m2  

3⋅ 7,5 + 4,4   26,8  €/m2  

The  cost  of  Isocell  cellulose  fibre  insulation  was  obtained  through  a  phone  interview  with  Andreas  Östlund,  VD/CEO  at  MBS  AB3.  Since  the  installation  of  cellulose  fibre  works  differently  than  installation  of  rock  wool  and  EPS,  blown  in  versus  boards,  the  price  is  in  a  package  deal.  The  price  for  material,  transport  to  building  site  and  installation  combined  was  54  €/m3  (without  VAT)  for  blown  in  cellulose  fibre,  resulting  in  

54⋅ 0,39⋅ 1,25 ≈ 27,4€/m2  (VAT  included)  for  39  cm  thickness.  This  price  was  an  estimate  for  a  house  when  a  private  person  bought  cellulose  fibre  to  be  blown  in.  Divided  up  the  cost  breakdown  is  approximately  0,86  €/kg  for  the  material  and  0,38  €/kg  for  the  blown  in  installation,  transport  included.    

5.2.1.2 Transport  to  building  site  

For  cellulose  fibre  the  transport  to  the  building  site  was  included  in  the  price.  For  rock  wool  and  EPS  it  was  calculated  with  the  website  budguiden.se,  a  site  which  gathers  many  logistics  companies  so  you  can  search  for  the  best  price  to  transport  your  specified  amount  of  cargo  from  A  to  B.  The  amount  of  rock  wool  or  EPS  needed  for  the  walls  of  the  house  for  passive  house  standard  is  

176⋅ 0,35 = 61,6  m3.  Pallet  dimensions  were  2,4  x  1,2  x  1  m  so  21,4≈22  pallets  were  needed.  The  weight  was  100,8  kg/pallet  for  rock  wool,  and  for  simplicity  it  was  assumed  the  price  would  be  the  same  for  EPS.  The  transport  distance  was  set  from  Gothenburg  to  Lerum,  approximately  21  km.  The  resulting  15  offers  from  different  logistics  companies  were  in  the  range  of  67  €  to  628  €,  without  VAT  (Budguiden.se  2015).  The  cheapest  ones  did  not  have  good  reviews,  the  most  expensive  ones  were  to  expensive  to  consider,  so  the  cheapest  option  with  good  reviews  was  chosen  to  represent  the  transportation  cost,  which  was  177  €,  221  €  with  VAT.  Per  cubic  meter  of  insulation  this  would  cost  3,6  €/m3,  which  can  be  compared  to  the  transportation  cost  Emil  Syrén2  at  Sundolitt  recommended  for  transportation  of  EPS  which  was  3,8  €/m3.  So  3,6  €/m3  for  

Page 37: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

   

36

transportation  is  probably  a  good  estimate.  This  gives  a  transportation  cost  to  the  building  site  of  1,26  €/m2  of  for  passive  house  thickness  for  rock  wool  and  EPS.    

5.2.1.3 Installation  

For  cellulose  fibre  the  installation  of  the  insulation  was  included  in  the  price.  For  rock  wool  and  EPS  the  cost  of  installation  was  calculated  with  Wikells  Section  Facts  (Sectionsfacka)  for  new  buildings  from  2014-­‐2015.  Section  Facts  are  data  sets  of  the  technical  and  economical  aspects  of  the  construction  process  from  the  building  industry.  Only  the  installation  cost  of  rock  wool  was  calculated.  The  installation  cost  of  EPS  is  assumed  to  be  the  same  as  for  rock  wool  since  the  installation  process  is  similar.  According  to  Section  Facts  it  takes  0,09  hours  to  install  1  m2  of  120  mm  rock  wool  insulation  board.  The  salary  is  20,3  €/hour  with  an  additional  overhead  expense  of  252  %  of  the  salary.  So  the  installation  cost  of  rock  wool/EPS  is  

0,09⋅ 20,3⋅ (1+ 2,52)⋅ 3 ≈19,3  €/m2  of  36  cm  insulation  thickness  (Wikells  byggberäkningar  AB  2014).    

Now  the  cheapest  combination  to  reach  35  cm  insulation  was  used  without  regards  to  the  installation  cost.  It  might  be  cheaper  to  use  thicker  but  more  expensive  boards  because  the  installation  cost  would  compensate,  but  for  simplicity  this  set  up  was  used.  Also,  since  the  chosen  combination  of  EPS  boards  to  reach  35  cm  was  four  boards,  and  for  rock  wool  three,  this  calculation  is  not  completely  accurate  for  EPS,  although  probably  a  good  estimate.    

5.2.2 Disposal  cost  

The  disposal  cost  was  obtained  from  Renova  Miljö  AB,  one  of  the  leading  companies  in  the  disposal  and  recycling  business  in  western  Sweden  (Renova.se  2015).  The  information  was  collected  though  a  phone  interview  with  the  Renova  costumer  service6.  Renova  sets  out  a  container  at  the  building  site  and  then  collects  it  when  full.  It  costs  65,2  €  to  set  out  a  16  m3  container  at  the  building  site.  Every  transport  back  and  emptying  cost  97,5  €.  The  cost  per  ton  for  handling  is  136,4  €  of  combustible  waste  which  goes  to  incineration  and  147,9  €  for  incombustible  waste  which  presumably  goes  to  landfill.    

So  for  the  example  passive  house  61,6  m3  of  rock  wool  or  EPS  is  needed,  which  means  the  container  will  be  filled  up  4  times.  So  for  rock  wool,  which  only  goes  to  landfill,  the  disposal  cost  in  year  50  will  be:    

(4⋅ (65,2 + 97,5) +147,9⋅ 61,6⋅ 0,035)⋅ 0,3561,6⋅ (1+ 0,03)50

=1,26€/m2  

The  disposal  cost  for  EPS  is  calculated  in  the  same  way,  but  now  half  goes  to  incineration  and  the  density  is  0,02  ton/m3  in  stead  of  0,035  ton/m3,  so  the  cost  amounts  to  1,07  €/m2.    

For  cellulose  fibre  insulation,  which  needs  

176⋅ 0,39 = 68,6  m3  of  insulation  for  the  example  house,  5  containers  are  needed,  although  the  fifth  one  is  only  one  third  full.  All  cellulose  fibre  goes  to  incineration  and  the  calculation  looks  like  this:    

(5⋅ (65,2 + 97,5) +136,4⋅ 68,6⋅ 0,0465)⋅ 0,3968,6⋅ (1+ 0,03)50

=1,62€/m2  

6 Renova Miljö AB costumer service, telephone interview 2015-04-28

Page 38: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

   

37

5.2.3 Total  economical  cost  

Summing  up  of  the  whole  life  costs  in  figure  11.  The  installation  cost,  which  is  the  labour  cost  for  installation,  is  a  quite  large  part  of  the  economical  cost  for  rock  wool  and  EPS,  which  cellulose  fibre  seems  not  to  have  because  it  is  included  in  the  package  price.  The  package  price  for  cellulose  fibre  includes  purchasing  price,  transport  to  building  site  and  labour  cost  for  installation.    

 Figure  11.  Proportions  of  the  discounted  economical  costs  for  1  m2  of  insulation  over  50  years  with  

passive  house  thickness.    

5.3 Energy  cost    

The  method  used  to  calculate  the  energy  cost  in  the  3E  cost-­‐C2C  method  assumes  the  building  is  heated  with  electricity,  so  this  assumption  is  followed.  Equation  1  is  used:  

Equation  1.  

Cegn = K ⋅ T⋅ Nicηi

+Nvcηv

⎝ ⎜

⎠ ⎟ ⋅AapAew

 

There  was  no  explanation  for  the  K  in  the  Silvestre  et  al.  (2013)  article.  Instead  0,1  was  just  given.  When  calculating  with  this  the  results  were  not  good,  the  energy  cost  became  unrealistically  small.  After  a  mail  conversation  with  José  Dinis  Silvestre7  he  explained  that  

7  José  Dinis  Silvestre,  Assistant  Professor  at  the  University  of  Lisbon,  head  author  of  the  3E  cost-­‐C2C  article,  mail  conversation  2015-­‐04-­‐23    

   27    €    

   1    €        1    €    

   2    €    

   19    €        19    €    

   1    €        1    €    

   33    €        27    €    

0  

10  

20  

30  

40  

50  

60  

Rock  Wool   EPS     Cellulose  Fibre  

Economical  cost  troughout  the  life  cycle  

Purchasing  Prics  (A1-­‐A3)  

Transport  to  Building  Site  (A4)  

Installa�on  (A5)  

Disposal  Cost  (C  and  D)  

Package  Price  (A1-­‐A5)  

Page 39: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

   

38

the  K  represents  the  percentage  of  time  of  the  year  when  the  heating  or  cooling  system  is  on  in  the  building.  0,1  is  the  default  value  defined  in  the  Portuguese  Regulation  of  the  Characteristics  of  Thermal  Behaviour  of  Buildings  (in  Portuguese),  2006.  He  explained  that  this  percentage  varies  depending  on  where  you  live  and  suggested  that  0,6  might  be  a  better  estimate  for  Sweden.  In  a  colder  country  the  heating  system  needs  to  be  on  longer  periods  of  the  year  than  warmer  countries.  A  K  of  0,6  would  mean  that  the  heating  system  is  on  around  the  clock  7,2  months  of  the  year.  In  June,  Julie  and  August  it  is  reasonable  to  assume  that  the  heating  does  not  need  to  be  on,  maybe  September  also.  So  that  leaves  0,8  months  of  time  which  we  can  consider  wiggle  room,  where  it  can  be  warm  enough  to  not  need  heating  before  or  after  June  to  September.  So  K  =  0,6  was  used  for  the  calculations.  The  K  value  will  be  discussed  in  short  in  chapter  9,  future  development.  

The  cost  of  1  kWh  of  electricity  for  a  Swedish  household,  T,  may  of  course  vary  between  suppliers  and  over  time.  But  in  general  the  cost  for  electricity  with  VAT  and  network  charges  included  has  been  close  to  1  SEK/kWh  for  a  long  time,  so  T  was  chosen  to  be  1  SEK/kWh,  or  0,108  €/kWh.  A  calculation  was  made  with  data  from  Vattenfall,  one  of  the  major  electricity  suppliers  on  the  Swedish  market  (Vattenfall.se  2015).  There  was  data  for  the  variable  monthly  electricity  cost  in  kr/kWh  for  the  years  2010  to  April  2015,  without  energy  tax,  sales  tax  and  distribution  charges.  The  average  electricity  cost  for  2014  to  April  2015  was  calculated,  which  was  0,35  kr/kWh.  The  energy  tax  for  most  households  and  companies  is  0,294  kr/kWh  and  the  sales  tax  on  the  energy  tax  is  25  %,  resulting  in  a  total  tax  of  0,3675  kr/kWh  (Ekonomifakta  2015).  The  distribution  charge  in  Gothenburg  is  0,27  kr/kWh  (Göteborg  Energi  2015).  Summing  up  these  costs  we  see  they  add  up  to  0,35+0,3675+0,27  ≈  0.988  kr/kWh,  which  is  very  close  to  1  kr/kWh,  confirming  this  choice.  If  we  do  the  same  for  the  years  2010  to  April  2015  the  average  cost  is  1,077  kr/kWh.    

The  nominal  annual  heating  needs  per  square  metre  of  net  floor  area  of  the  house,  Nic,  was  defined  by  the  passive  house  certification  criteria,  which  states  that  the  space  heating  demand  may  not  exceed  15  kWh/(m2•year)  (International  Passive  House  Association  2015).  The  nominal  efficiency  of  the  heating  equipment,  

ηi ,  is  assumed  to  be  1  both  for  simplicity  and  because  it  is  1  in  the  Silvestre  et  al.  (2013)  article.  The  nominal  efficiency  of  the  cooling  equipment,  

ηv,  is  assumed  to  be  3  for  the  same  reasons,  although  the  nominal  annual  cooling  needs,  Nvc,  is  assumed  to  be  0  kWh/(m2•year),  because  this  is  Sweden…  The  net  floor  area  of  the  house  under  assessment,  Aap,  is  152  m2  and  the  total  area  of  the  external  wall  being  assessed,  Aew,  is  176  m2.  

The  energy  cost  from  the  use  stage  was  then  calculated  for  the  next  50  years  with  the  NPV  formula,  equation  2,  and  summed  up,  resulting  in  a  cost  of  21,6  €.  This  is  the  energy  cost  for  all  three  insulations  since  their  thicknesses  make  them  thermally  equivalent.  

It  is  important  to  note  that  the  calculated  energy  cost  for  the  passive  house  is  the  maximum  allowable  energy  used  for  heating  according  to  the  passive  house  standards.  The  point  of  a  passive  house  is  that  it  does  not  need  to  be  heated  except  though  body  heat,  sunlight  and  the  electrical  equipment  in  the  building,  such  as  computers,  household  appliances  and  ventilation  (Passivhuscentrum.se  2015).  These  sources  should  contribute  the  15  kWh/(m2•year).  So  basically  the  true  cost  for  heating  a  passive  house  should  be  zero,  and  the  calculated  scenario  above  would  be  as  if  no  electrical  equipment  was  used  except  the  heating  system  and  no  one  lived  in  a  the  house,  but  the  house  still  needed  to  maintain  a  comfortable  temperature  inside.  Since  all  three  insulations  have  the  same  energy  cost  the  proportional  result  between  the  three  would  be  the  same.    

Page 40: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

   

39

5.4 Summing  up  costs  

Summing  up  all  the  3E  cost  for  1  m2  of  insulation  for  passive  house  standard  with  an  energy  consumption  of  15  kWh/(m2wall•year)  we  get  the  final  result  seen  in  figure  12.    

 Figure  12.  Total  3E  C2C  costs  for  1  m2  of  insulation  with  the  thermal  resistance  needed  for  passive  

house  standard  in  Sweden  and  a  life  span  of  50  years  and  an  energy  consumption  of  15  kWh/(m2wall•year).    

As  can  be  seen  in  figure  12  rock  wool  and  EPS  are  exactly  as  costly,  after  being  rounded  of  to  the  closest  euro.  Rock  wools  economical  cost  is  a  little  larger  but  EPS  environmental  cost  is  three  times  as  big  as  rock  wools.  Cellulose  fibre  is  the  cheapest  by  far,  outperforming  the  other  two  by  31  €.  This  is  due  to  being  basically  environmentally  neutral  since  the  fibre  is  made  primarily  from  reused  renewable  materials  and  because  the  acquisition  cost  is  much  smaller  then  the  other  two  insulations.  The  acquisition  cost  is  cheaper  and  since  it  is  a  package  deal  with  the  transport  and  installation  included  the  price.  Although,  there  might  be  additional  costs  in  the  building  process  if  there  needs  to  be  special  adjustments  to  accommodate  blown  in  installation,  this  has  not  been  investigated.  Also,  since  the  cellulose  fibre  needs  39  cm  thickness  while  the  other  two  insulations  need  35  cm  thickness,  there  probably  will  be  some  extra  costs  for  the  materials  and  building  process  in  the  rest  of  the  house.  This  has  not  been  investigated  either.  If  these  additional  costs  are  relatively  small,  and  the  supplied  data  is  correct,  the  cellulose  fibre  seems  like  the  preferred  choice  according  to  the  3E  cost-­‐C2C  method.    

A  passive  house  should  not  use  any  energy  for  heating,  so  if  the  energy  cost  is  considered  zero,  the  total  costs  would  instead  be  58,2  €  for  rock  wool  and  EPS  and  27,3  €  for  cellulose  

 3  €    10  €  

-­‐  2  €  

 55  €    48  €  

 29  €  

 22  €    22  €  

 22  €  

-­‐10.0€  

.0€  

10.0€  

20.0€  

30.0€  

40.0€  

50.0€  

60.0€  

70.0€  

80.0€  

90.0€  

Rock  Wool   EPS     Cellulose  Fibre  

Total  3E  C2C  cost  for  1m2  of  insuladon  for  passive  house  standard  

Energy  Costs  

Economical  Costs  

Environmental  Costs  

Page 41: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

   

40

fibre.  So  these  numbers  would  be  a  more  correct  comparison  to  a  regular  house,  but  for  simplicity  the  numbers  in  figure  7  will  be  the  ones  representing  the  passive  house.  So  keep  in  mind  that  the  passive  house  values  would  realistically  probably  be  21,6  €  less.  But,  on  the  other  hand,  the  labour  costs  of  building  a  passive  house  compared  to  a  regular  house  are  much  higher.  The  house  needs  to  be  airtight,  every  joint  must  be  sealed,  so  the  level  of  detail,  expertise,  precision  needed  to  build  a  passive  house  is  much  higher  (Passivhuscentrum.se  2015).    

5.4.1 Regular  new  built  minimum  requirement  standard  house  

With  all  this  collected  data  already  in  Excel,  only  some  additional  data  was  needed  to  make  the  same  calculation  for  a  regular  new  built  house,  a  house  that  follows  the  Swedish  minimum  standards.  The  minimum  requirements  for  a  new  house  are  regulated  in  the  Swedish  National  Board  of  Housings  building  regulations.  In  the  Code  of  Statutes  of  the  Swedish  National  Board  of  Housing,  Building  and  Planning  the  maximum  average  heat  transfer  coefficient  allowed  is  0,4  W/m2K  for  all  four  climate  zones  in  Sweden  for  a  average  house  using  electricity  for  heating  (BBR  22,  2015).  To  adjust  most  of  the  data  the  heat  transfer  coefficient  of  0,1  W/m2K  for  passive  houses  need  to  be  changed  to  0,4  W/m2K,  so  

for  example,  the  insulation  thickness  of  rock  wool  and  EPS  would  be  

35⋅ 0,10,4  

=  8,75  cm.  

This  may  sound  thin,  but  the  regulations  are  weak.  Another  example  is  the  Dutch  regulation  which  was  updated  in  2012  to  an  R-­‐value  of  3,5  m2K/W  which  would  result  in  a  thickness  of  

3,5⋅ 0,035 = 0,1225 =12,25cm  for  rock  wool  and  EPS  (Concept  Bouwbesluit  2012).  On  the  Swedish  Energy  Authority’s  website  there  are  recommendations  for  the  U-­‐value  of  the  external  wall  for  a  renovated  or  new  house  from  the  Swedish  National  Board  of  Housings  network  BeBo  (Byggherrarnas  Beställarorganisation)  (Energimyndigheten  2015).  They  recommend  a  U-­‐value  of  0,13  W/m2K,  which  would  need  27  cm  of  rock  wool  or  EPS.  But  for  this  calculation  the  regulations  are  used.  

The  environmental  cost  and  acquisition  cost  can  be  adjusted  the  same  way  as  the  thickness.  The  disposal  cost  also,  except  that  now  only  on  container  is  needed.  The  energy  cost  is  adjusted  according  to  the  Swedish  National  Board  of  Housings  building  regulations.  The  buildings  specific  energy  consumption  in  climate  zone  IV,  where  the  example  house  is  located,  is  50  kWh/m2  per  year  distributed  over  the  liveable  floor  area,  so  Nic  =  50  kWh/m2  

(BBR  22,  2015).  The  results  can  be  seen  in  figure  13.    

Page 42: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

   

41

 Figure  13.  Total  3E  C2C  costs  for  1  m2  of  insulation  with  the  thermal  resistance  needed  for  a  new  

minimum  requirement  regular  house  in  Sweden  and  a  life  span  of  50  years  and  an  energy  consumption  of  50  kWh/(m2wall•year).  

Basically  the  environmental  and  economical  cost  is  reduced  to  a  third  compared  with  the  passive  house  and  the  energy  cost  becomes  the  largest  expense  by  far.  The  energy  cost  alone  becomes  almost  the  same  size  as  the  total  cost  for  passive  house  standard  for  rock  wool  and  EPS.  For  cellulose  fibre  there  is  a  much  larger  difference  as  the  total  cost  is  49  €  for  passive  house  standard  and  80  €  with  minimum  standard  house.  For  rock  wool  and  EPS  the  total  cost  for  50  years  is  higher  by  approximately  8  €  and  for  cellulose  fibre  by  31,5  €.  For  rock  wool  and  EPS  passive  house  standard  pays  of  after  36  years  and  for  cellulose  fibre  after  only  12  years  compared  to  the  minimum  standard  new  built  house.    

5.4.2 Average  existing  house  

On  the  Swedish  Energy  Authority’s  website  where  the  data  for  the  average  existing  Swedish  house  for  the  year  2013  was,  there  was  also  data  for  the  heating  energy  consumption  for  the  average  house  (Energimyndigheten  2015).  The  average  Swedish  house  needs  12  200  kWh/year  for  heating.  This  can  be  used  to  calculate  Nic,  12200/152  =  80,3  kWh/m2.    

The  K  value  in  equation  1  is  hard  to  understand  even  after  an  explanation  from  Silvestre.  The  problem  with  the  K  is  that  it  supposedly  is  the  proportion  of  time  that  the  heating  or  cooling  equipment  is  on.  But  the  Nic  =  nominal  annual  heating  needs  per  square  metre  of  net  floor  area  of  the  building  (kWh/m2*year).  So  the  total  amount  of  energy  used  for  heating  is  already  in  the  formula.  So  if  the  total  annual  amount  of  energy  used  for  heating  is  used  for  Nic,  the  constant  should  be  1  instead  of  0,1  or  0,6.  In  the  calculations  made  for  the  

   1    €        3    €        0    €    

   15    €        13    €        8    €    

   72    €        72    €    

   72    €    

.0€  

10.0€  

20.0€  

30.0€  

40.0€  

50.0€  

60.0€  

70.0€  

80.0€  

90.0€  

Rock  Wool   EPS   Cellulose  Fibre  

Total  3E  C2C  cost  for  1m2  of  insuladon  for  a  new  minimum  requirement  house  

Energy  Costs  

Economical  Costs  

Environmental  Costs  

Page 43: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

   

42

passive  house  and  the  new  built  minimum  standard  house  the  maximum  amount  of  energy  for  heating  allowed  was  used,  so  here  K  =  0,6  would  probably  be  a  good  estimate  since  the  heating  is  not  on  all  year  round.  But  for  the  Swedish  average  existing  house  the  Nic  used  is  the  total  energy  consumption,  therefore  the  time  when  the  heating  is  of  is  already  accounted  for,  so  the  K  should  equal  1.    

If  we  use  this  in  equation  1  and  calculate  for  50  years  the  cost  for  energy  would  be  192,6  €/m2  of  external  wall,  which  is  more  than  twice  as  much  as  the  total  cost  for  1  m2  of  the  minimum  standard  wall.  If  the  house  would  be  renovated  to  passive  house  standard  with  rock  wool  or  EPS  and  we  assume  it  would  cost  the  same  as  the  installation  in  a  new  built  house  and  we  don’t  use  any  of  the  old  insulation,  it  would  start  paying  back  in  less  than  11  years.  For  cellulose  fibre  in  less  than  5  years.  Of  course  there  would  be  additional  cost  to  rebuild  the  house  to  accommodate  the  extra  insulation,  but  still,  the  payback  time  would  probably  not  be  long.    

Page 44: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

   

43

6 Results  of  method  evaluation  One  of  the  goals  with  this  thesis  was  to  evaluate  the  3E  cost-­‐C2C  method,  but  a  method  to  evaluate  methods  could  not  be  found.  Therefore  the  3E  cost-­‐C2C  method  is  compared  to  other  methods  used  to  evaluate  and  aid  in  the  choosing  of  building  materials.  Also,  personal  reflections  will  be  given  of  how  it  was  to  work  with  the  3E  cost-­‐C2C  method  in  the  discussion  in  chapter  7.    

The  first  most  obvious  methods  to  compare  the  3E  cost-­‐C2C  method  with  are  the  individual  parts  of  the  3E  cost-­‐C2C  method.  Using  just  the  LCA  or  WLC  methods  or  just  using  the  energy  cost  calculation  to  decide  which  materials  to  use.  Then  other  methods  and  variations  will  be  discussed.    

6.1 LCA  

Just  making  an  LCA  of  the  optional  materials  would  result  in  the  most  environmentally  friendly  option  being  the  best  choice,  which  in  theory  sounds  good.  If  the  functional  unit  is  set  to  achieve  a  certain  thermal  performance,  as  it  was  in  this  thesis,  then  the  energy  consumption  during  the  user  phase  is  equal  for  all  the  options.  But  there  are  two  major  problems  with  using  just  the  environmental  performance  to  decide  which  material  to  use.  The  first  obvious  one  is  that  the  price  of  the  product  is  almost  always  relevant.  Usually  the  price  is  probably  even  one  of  the  most  important  aspects,  so  using  just  LCA  as  basis  for  the  decision  is  in  most  cases  not  realistic.  What  if  one  option  performs  slightly  better  environmentally,  but  it  is  twice  the  price?  But  of  course,  the  environmental  aspects  could  be  considered  together  with  the  price  of  the  product,  but  this  leads  to  the  second  problem.  The  LCA  (or  EPD)  results  are  presented  in  amounts  of  emissions  and/or  impact  categories  that  can  be  hard  to  interpret.  One  option  can  be  performing  well  in  some  of  the  impact  categories  but  worse  in  others,  whereas  another  option  performs  the  opposite.  Which  on  is  then  the  most  environmentally  friendly  one?  That  is  why  it  can  be  beneficial  to  have  a  single  indicator,  such  as  the  Eco-­‐costs  method,  and  suddenly  something  resembling  the  3E  cost-­‐C2C  method  is  being  discussed.    

6.2 WLC  

If  just  the  WLC  method  is  used  this  would  basically  result  in  that  the  option  with  the  cheapest  purchasing  price  would  be  chosen.  The  transportation,  installation  and  disposal  cost  seems  to  be  similar  between  options,  unless  there  is  some  kind  of  package  deal  as  there  was  for  cellulose  fibre.  Using  just  the  WLC  method  would  result  in  that  a  lot  of  other  important  aspects  would  be  overlooked,  like  the  environmental  performance  and  energy  usage  during  the  user  phase.  As  can  be  seen  from  the  total  3E  C2C  cost  for  insulation  for  a  minimum  standard  house  over  50  years  this  option  is  more  expensive  in  the  long  rung  than  for  a  passive  house  option,  even  if  the  purchasing  price  of  the  insulation  is  cheaper.    

6.3 Energy  cost  calculation  

Using  just  the  energy  cost  calculation  would  not  be  relevant  as  it  does  not  compare  materials  used,  just  the  performance  or  thickness  of  them.  Often  houses  are  built  and  then  sold,  so  the  builder  may  not  be  so  concerned  with  how  much  energy  the  house  uses  for  heating.    

Page 45: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

   

44

6.4 Project  ‘Butterfly’  

Project  ‘Butterfly’  is  a  software  tool  created  to  calculate  life  cycle  costs  and  the  environmental  impact  of  the  components  and  design  of  both  new  building  projects  and  before  refurbishment  of  residential  buildings  (BLP  Insurance  2015).  Consultants  companies  and  universities  in  the  United  Kingdom  (UK)  created  it.  ‘Butterfly’  is  aligned  with  existing  building  industry  processes  and  standards  in  the  UK  and  it  utilises  the  Life  Cycle  Costing  tool.  You  can  import  information  from  CAD  software  or  input  into  ‘Butterfly’  directly.  It  will  enable  users  to  compare  components  of  every  aspect  of  the  home  and  capital  costs  can  be  compared  with  costs  in  use  (BLP  Insurance  2015).  Environmentally  speaking  the  focus  is  mainly  on  embodied  carbon  cost.    

This  method  seems  good,  although  it  has  not  been  tested  for  this  thesis  so  a  comparison  of  how  it  is  to  use  cannot  be  made.  The  ‘Butterfly’  project  is  not  yet  completed  but  a  work  in  progress.  It  did  not  say  on  their  website,  but  you  would  probably  have  to  pay  for  the  software,  whereas  using  the  3E  cost-­‐C2C  method  is  free  except  for  the  time  used.  Also  the  software  is  made  for  the  UK,  so  it  would  probably  be  complicated  or  impossible  to  apply  for  buildings  outside  of  the  UK.  The  idea  seems  good  though;  to  have  a  software  tool  with  a  database  to  use  for  the  calculations  would  simplify  and  speed  up  the  calculation.  Also,  with  the  3E  cost-­‐C2C  method  you  have  to  assume  how  energy  efficient  the  building  will  be.  With  the  ‘Butterfly’  software  and  database,  presumably  you  can  get  an  indication  of  how  energy  efficient  the  building  will  be  with  certain  material  choices.    

6.5 Variations  of  the  3E  cost-­‐C2C  method  

Variations  of  the  3E  cost-­‐C2C  method  are  also  conceivable,  like  not  taking  the  whole  life  cycle  into  account.  For  example  ignoring  the  end-­‐of-­‐life  phase  which  is  a  relatively  small  part  of  the  total  cost,  in  part  due  to  that  discounting  for  50  years  result  in  the  cost  of  the  end-­‐of-­‐life  phase  being  divided  by  

(1+ 0,03)50 ≈ 4,4 .  But  ignoring  parts  of  the  life  cycle  can  lead  to  less  reliable  results,  because  before  the  whole  life  cycle  has  been  examined  we  cannot  know  where  there  will  be  large  costs.    

Another  variation  could  be  discarding  the  environmental  part  and  just  focus  on  the  energy  and  economical  parts.  As  can  be  seen  in  the  total  cost  diagrams,  figure  12  and  13,  the  environmental  cost  is  a  relatively  small  part  of  the  total  cost,  at  least  when  it  comes  to  insulation.  But  ignoring  the  environmental  aspects  seems  both  immoral  and  wrong  because  the  environmental  cost  does  have  an  affect,  even  if  it  might  be  small.  The  EPS  would  have  been  6  €  cheaper  than  rock  wool  in  the  passive  house  option  if  it  had  not  been  for  the  environmental  cost,  now  EPS  and  rock  wool  are  as  expensive.  Also,  in  the  study  of  five  wall  constellations  for  apartments  made  in  the  Silvestre  et  al.  (2013)  article,  the  environmental  cost  was  23,2  %  on  average  of  the  total  cost  (Silvestre  et  al.  2013).  For  the  insulations  in  the  passive  house,  figure  12,  the  average  environmental  cost  is  5,5  %  of  the  total  cost.  So  it  seems  that  insulations  are  quite  environmentally  friendly  in  proportion  to  other  parts  of  walls,  which  sounds  reasonable  because  insulations  are  not  very  material  intensive,  they  have  a  low  density  compared  to  the  other  parts  of  a  normal  wall.  So  do  not  let  the  insulation  results  be  an  indicator  of  the  proportion  of  the  environmental  cost,  when  making  a  calculation  for  a  complete  wall  it  is  important  to  include  all  the  costs.  

Page 46: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

   

45

6.6 3  E  factor  

The  3  E  factor  method  was  developed  in  Lithuania  (Rogoža  et  al.  2006).  It  is  an  optimisation  method  developed  to  minimize  energy  cost,  environmental  pollution  and  expenses  during  the  life  cycle  of  a  single-­‐family  house.  The  environmental  part  consists  of  the  CO2  emissions  from  the  production  of  the  insulation  materials  and  from  heating  the  building.  The  cost  and  energy  used  in  the  production  of  insulation,  transport  to  building  site,  the  cost  of  construction,  renovation  and  heating  of  the  building  are  taken  into  account.  All  three  E  aspects  are  weighted  the  same  and  then  used  to  optimize  the  thermal  insulation  (Rogoža  et  al.  2006).  This  method  is  almost  like  a  light  version  of  the  3E  cost-­‐C2C  method.  It  does  not  cover  the  whole  C2C  life  cycle  and  it  only  looks  at  the  carbon  emissions  and  ignores  other  environmental  factors.    

Page 47: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

   

46

7 Discussion  The  fact  that  EPD  data  could  be  used  to  obtain  the  eco-­‐cost  was  a  great  benefit  and  time  saver  for  someone  who  wants  to  evaluate  walls  with  the  3E  cost-­‐C2C  method.  Making  a  full  LCA  is  time  consuming  and  often  hard  if  the  companies  producing  the  components  are  not  very  cooperative,  which  they  often  are  not  because  it  takes  time  for  them  to  get  the  data  and  they  do  not  want  to  reveal  their  trade  secrets.  Alternatively  data  from  databases  such  as  Ecoinvent  could  be  used,  but  then  it  might  not  be  representative  of  the  materials  under  consideration.  So  using  EPD  data,  which  is  a  type  of  LCA  that  represents  the  products,  is  an  appealing  option.    

One  thing  the  3E  cost-­‐C2C  method  does  not  cover  is  social  accountability,  such  as  workplace  values,  health  and  safety,  freedom  of  association,  discrimination,  working  hours  and  child  labour.  For  the  insulation  examined  in  this  thesis,  which  are  produced  in  Europe,  both  EU  and  the  individual  countries  should  regulate  this.  But  if  building  materials  were  produced  in  countries  where  the  social  accountability  is  more  dubious  this  could  be  an  important  aspect  not  covered  by  the  3E  cost-­‐C2C  method.    

Also  the  method  does  not  take  the  individual  characteristics  of  the  materials  into  account,  like  the  fire  class,  resistance  to  moisture  and  compressive  strength.  These  aspects  would  have  to  be  considered  together  with  the  results  of  the  3E  cost-­‐C2C  method.  

Equation  1  is  a  bit  confusing.  It  seems  the  energy  cost  for  heating  is  only  distributed  over  the  external  walls,  which  would  mean  the  there  is  no  energy  loss  through  the  roof  or  floor.  It  could  be  that  the  equation  is  only  applicable  to  apartments,  where  the  roofs  and  floors  are  adjacent  to  other  apartments.  This  is  not  discussed  in  the  Silvestre  et  al.  (2013)  article.  Another  problem  with  the  energy  cost  calculation  is  that  the  formula  does  not  take  the  insulating  capabilities  of  the  wall  being  analysed  into  consideration,  but  rather  the  whole  building.  The  3E  cost-­‐C2C  method  would  be  easier  to  apply  to  the  design  stage  of  a  building  if  all  the  equipment  affecting  the  thermal  performance  did  not  need  to  have  been  decided.    

There  is  no  monitoring  of  the  results  of  the  3E  cost-­‐C2C  method.  On  the  other  hand  the  method  is  mainly  meant  as  a  support  tool  when  choosing  what  wall  constellation  to  use.  Probably  no  comparative  walls  can  be  monitored.  

Although  the  3E  cost-­‐C2C  method  is  meant  for  walls,  it  might  also  work  for  other  parts  of  the  building  that  affect  the  thermal  performance.  For  example  the  heating  system,  windows,  doors  or  the  roof.  A  different  functional  unit  would  probably  be  needed  for  the  heating  system,  but  the  main  principals  of  the  method  could  probably  still  be  applied.  This  has  not  been  examined  closer  in  this  thesis.  

Page 48: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

   

47

8 Conclusion  In  this  chapter  the  research  questions  are  answered  and  conclusions  drawn.    

A1.  What  are  the  major  environmental  impacts  of  rock  wool,  polystyrene  and  cellulose  insulation  though  out  their  life  cycles  from  C2C?    

The  environmental  impacts  of  rock  wool  are  relatively  small,  except  the  GWP,  which  is  almost  the  same  size  as  the  GWP  of  EPS.  EPS  also  has  a  large  recourse  depletion  and  relative  the  other  two  insulations  also  a  large  POCP.  Cellulose  fibre  has  a  small  environmental  impact  all  together  except  for  the  GWP  where  there  even  is  a  positive  environmental  impact,  a  reduction  of  greenhouse  gases  in  the  atmosphere.    

A2.  What  is  the  cost  of  the  environmental  impacts  of  rock  wool,  polystyrene  and  cellulose  insulation  though  out  their  life  cycles  from  C2C?    

The  environmental  impact  costs  follow  the  proportions  of  the  environmental  impacts.  EPS  has  almost  three  times  the  environmental  cost  of  rock  wool,  see  table  5.  Cellulose  fibre  has  a  positive  environmental  impact.  Generally  the  environmental  cost  is  low  compared  to  the  total  cost,  and  therefore  do  not  affect  the  end  result  by  much.  For  the  regular  minimum  standard  house  the  environmental  cost  is  even  lower,  approximately  2,5  times  lower  than  the  environmental  cost  for  passive  house  standard.  

Table  5.  Environmental  costs  and  benefits  and  proportion  of  total  cost  for  passive  house  and  minimum  standard  house.  

  Rock  Wool   EPS   Cellulose  Fibre  

Environmental  Cost/Benefit,  Passive  House  

3,5  €   9,8  €   1,7  €  benefit  

Percentage  of  total,  Passive   4,4  %   12,2  %   -­‐3,4  %  

Environmental  Cost,  minimum  standard  

1,5  €   3,0  €   0,2  €  

Percentage  of  total,  minimum   1,7  %   3,4  %   0,2  %  

A3.  What  is  the  energy  cost  of  rock  wool,  polystyrene  and  cellulose  insulation  during  the  use  stage?    

The  energy  cost  over  50  years  for  all  three  insulations  is  21,6  €  per  m2  with  passive  house  standard  thickness,  since  they  are  functionally  equivalent,  see  table  6.  Realistically  though,  the  aim  of  a  passive  house  is  to  have  zero  expenses  for  heating.  For  the  new  built  Swedish  minimum  requirement  house  the  energy  cost  is  72  €  for  all  three  insulations.  The  energy  cost  for  an  average  existing  house  in  Sweden  over  50  years  is  192,6  €  per  m2  of  external  wall.    

Page 49: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

   

48

 

Table  6.  Energy  costs  and  proportions  of  total  costs  for  passive  house  and  minimum  standard  house.  

  Rock  Wool   EPS   Cellulose  Fibre  

Energy  Cost,  Passive  House   21,6  €   21,6  €   21,6  €  

Percentage  of  total,  Passive   27  %   27  %   44  %  

Energy  Cost,  Minimum  Standard  

72  €   72  €   72  €  

Percentage  of  total,  Minimum   82  %   82  %   90  %  

A4.  What  are  the  economical  costs  of  rock  wool,  polystyrene  and  cellulose  insulation  though  out  their  life  cycles  from  C2C?  

Summing  up  the  economical  costs  for  passive  house  standard  reveals  that  this  is  the  largest  part  of  the  total  cost,  see  table  7.  For  a  new  built  regular  house  that  just  meets  the  minimum  standards  the  economical  costs  are  approximately  a  forth  of  the  economical  costs  for  passive  house  standard,  and  a  much  smaller  part  of  the  total  cost.  

Table  7.  Economical  costs  and  proportions  of  total  for  passive  house  and  minimum  standard  house.  

  Rock  Wool   EPS   Cellulose  Fibre  

Economical  Cost,  Passive  House  

54,8  €   48,4  €   29,0  €  

Percentage  of  total,  Passive   68,6  %   60,7  %   59,2  %  

Economical  Cost,  Minimum  Standard  

14,6  €   12,9  €   8,3  €  

Percentage  of  total,  Minimum   16,6  %   14,7  %   10,3  %  

B1.  Does  the  3E  cost-­‐C2C  method  give  a  good  indication  of  which  insulation  that  performs  best  with  regards  to  the  environmental,  energy  and  economical  performance?  

The  results  of  which  insulation  performs  best  according  the  3E  cost-­‐C2C  are  quite  clear.  The  cellulose  fibre  is  both  more  environmentally  friendly  and  has  a  cheaper  acquisition  price,  and  thus  has  the  cheapest  total  cost.  Rock  wool  and  EPS  have  an  equal  total  cost.    

B2.  Should  the  environmental  impacts  be  summarized  into  one  value  for  easier  comparisons  or  can  this  be  problematic?    

If  the  Eco-­‐costs  method  is  considered  to  be  relatively  accurate  then  there  should  be  no  major  reason  for  concern  about  converting  the  environmental  impact  to  a  single  indicator.  For  the  3E  cost-­‐C2C  method  it  is  imperative  to  be  able  to  get  a  cost  value  from  the  environmental  impacts  so  they  can  be  compared  with  the  other  costs.  But  the  Eco-­‐costs  method  itself  can  be  discussed.  For  example,  there  is  no  actual  cost  for  the  environmental  

Page 50: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

   

49

impact;  it  is  an  external  cost.  You,  as  a  buyer,  are  not  forced  to  pay  anything  for  the  environmental  cost  whereas  the  economical  and  energy  parts  are  actual  costs.  Had  there  been  an  enforced  tax  system  based  on  the  eco-­‐cost  it  could  be  incorporated,  but  now  the  environmental  part  of  the  3E  cost-­‐C2C  method  is  basically  based  on  good  will.  But  on  the  other  hand,  you  would  not  use  the  3E  cost-­‐C2C  method  if  you  planed  to  ignore  the  environmental  cost.  Converting  the  environmental  impacts  to  costs  gives  a  good  indication  of  how  important  the  impacts  are  in  proportion  to  the  total  cost.    

B3.  Are  there  other  more  suitable  methods  to  compare  building  assemblies  related  to  thermal  performance?  

The  only  other  option  that  seems  to  cover  almost  as  much  of  a  building  assembly’s  life  cycle  and  important  aspects  is  Project  ‘Butterfly’.  But  Project  ‘Butterfly’  has  not  been  examined  properly  for  this  thesis  because  the  software  tool  is  currently  a  work  in  progress,  and  when  it  is  finished  will  probably  cost  money.  Also  it  is  made  for  the  UK  market,  so  how  applicable  it  is  worldwide  is  dubious.  The  3E  cost-­‐C2C  method  covers  almost  all  important  aspects  of  a  building  assembly  and  gives  a  comprehensive  overview  of  the  costs  that  occur  throughout  the  life  cycle.  The  method  has  a  good,  easy  to  understand  structure  and  feels  logical.  There  are  some  drawbacks;  the  method  does  not  cover  social  aspects,  the  amount  of  energy  needed  to  heat  the  building  per  square  meter  of  floor  area  is  hard  to  know  before  the  building  is  finished  and  quite  a  lot  of  data  needs  to  be  gathered  and  calculated.  Using  the  3E  cost-­‐C2C  method  is  quite  straightforward  and  easy  once  you  understand  it;  it’s  a  logical  method  that  feels  mostly  intuitive.  It  follows  the  relevant  standards  and  covers  all  parts  of  the  examined  products  life  cycle  steps.    

A.  Which  one  of  rock  wool,  polystyrene  and  cellulose  fibre  insulation  is  the  most  suitable  to  use  to  reach  the  energy  efficiency  of  a  passive  house,  with  regards  to  the  environmental,  energy  and  economical  life  cycle  from  cradle  to  cradle?    

In  conclusion  we  can  see  that  cellulose  fibre  is  the  best  option  with  regards  to  economics  and  the  environment  and  that  passive  house  standard  pays  of  in  the  long  run.  Summing  up  the  3E  costs  for  passive  house  standard  we  see  that  rock  wool  and  EPS  are  equally  expensive  for  1  m2  of  insulation,  and  that  cellulose  fibre  is  quite  a  lot  cheaper,  see  table  8.  For  a  new  built  regular  house  that  just  meets  the  minimum  standards  the  total  costs  are  higher  due  to  the  high  energy  cost.  

Table  8.  The  total  3E  C2C  costs  for  1  m2  of  insulation  and  for  the  whole  house  of  176  m2  of  outer  wall  with  passive  house  thickness  and  minimum  standard  house  thickness  over  50  years.  

  Rock  Wool   EPS   Cellulose  Fibre  

Passive  House,  1  m2   79,9  €   79,8  €   48,9  €    

Minimum  Standard,  1  m2   88,1  €   87,9  €   80,4  €  

Whole  Passive  House,  176  m2    14  058    €      14  042    €      8  614    €    

Whole  Minimum  Standard  House,  176  m2  

15  505    €    15  476    €      14  155    €    

Page 51: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

   

50

B.  Is  the  3E  cost-­‐C2C  a  suitable  method  to  compare  building  assemblies  related  to  thermal  performance?    

Yes,  the  3E  cost-­‐C2C  method  gave  good,  clear  results  with  regards  to  the  3E’s  and  was  a  logical  tool  to  work  with.  As  long  there  are  EPDs  for  the  materials  the  calculations  should  be  relatively  quick,  but  not  all  materials  have  an  EPD.  Then  the  calculation  will  be  more  complicated  since  an  LCA  is  needed.  The  method  is  very  general  and  encompasses  all  types  of  walls;  different  wall  types  and  insulation  thicknesses  can  be  compared.    

Page 52: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

   

51

9 Future  development  It  would  have  been  interesting  to  compare  the  eco-­‐cost  of  a  product  obtained  with  EPD  data  with  what  the  eco-­‐cost  would  have  been  if  an  LCA  was  made  specifically  for  the  purpose.  If  the  eco-­‐costs  were  similar,  using  EPD  data  as  a  shortcut  would  be  a  good  option,  and  if  they  differ  a  lot  maybe  not.  This  could  be  examined  in  a  future  study.  

Project  ‘Butterfly’  sounds  like  an  interesting  idea,  and  a  combination  of  that  kind  of  software,  a  database  of  construction  materials  and  building  techniques  and  the  3E  cost-­‐C2C  method  seems  like  an  appealing  option.  Such  a  program  would  reduce  the  calculation  time  to  a  fraction  of  the  time  currently  needed.    

Another  probably  cheaper  option  could  be  to  make  a  well-­‐structured  Excel  sheet  for  the  3E  cost-­‐C2C  method,  where  the  input  data  (in  the  right  format/functional  unit)  could  be  entered  and  all  calculations  made  automatically.  Then  all  you  needed  to  do  to  make  a  calculation  with  the  3E  cost-­‐C2C  method  would  be  to  gather  the  relevant  data,  adjust  it  to  the  functional  unit  and  enter  it  into  the  Excel  sheet.  Depending  on  what  is  being  examined  the  input  data  needed  may  vary.  For  comparing  insulations,  as  in  this  thesis,  the  relevant  data  would  be  the  EPD  data  (which  includes  density  and  thermal  resistance  of  the  insulation),  purchasing  price,  transport  to  building  cost,  installation  cost  (or  use  the  Wikells  Section  Facts  as  nominal  values  in  the  data  sheet)  and  disposal  cost.  Also  the  values  in  the  energy  cost  calculation  formula  need  to  be  estimated.  If  an  example  house  is  already  assumed  and  entered  in  the  data  sheet,  like  the  one  used  in  this  thesis,  the  values  needed  would  be  the  K-­‐value,  electricity  cost  and  the  nominal  annual  heating  needs  per  square  meter,  the  rest  could  be  assumed  values.  When  for  example  an  entrepreneur  is  deciding  what  materials  to  use  in  a  building  some  of  this  data  is  most  likely  already  gathered,  like  the  acquisition  costs,  and  there  is  probably  an  annual  heating  needs  target.  So  if  there  are  EPD’s  for  the  optional  materials,  a  3E  cost-­‐C2C  calculation  could  probably  be  made  quite  fast  with  a  prepared  Excel  sheet.    

The  K-­‐value  in  the  energy  cost  calculation  could  be  explained  better,  so  it  would  be  easier  to  understand  and  estimate.  Or  standard  values  could  be  defined  for  different  parts  of  the  country,  or  the  world.  Experts  on  the  subject  could  look  at  statistics  over  how  large  percentage  of  the  year  the  heating  system  is  on.  Maybe  there  could  be  values  defined  for  each  of  the  climate  zones  used  by  the  Swedish  National  Board  of  Housings.  Or  the  actual  value  of  the  energy  for  heating  could  be  used,  as  it  was  in  the  calculation  for  the  average  existing  house  in  Sweden.  This  value  has  a  rather  large  impact  on  the  end  result,  especially  if  the  building  is  not  so  well  insulated.  In  conclusion,  a  better  definition  is  needed.  

Currently  cellulose  fibre  is  relatively  small  on  the  insulation  market,  rock  wool  and  EPS  together  holds  a  majority.  If  the  calculations  made  for  this  thesis  are  correct  and  represent  the  costs  of  the  insulation,  cellulose  fibre  should  start  taking  larger  proportions  of  the  market.  But  there  might  be  supply  problems  if  to  many  people  start  using  cellulose  fibre,  since  it  currently  depends  on  recycled  newspapers,  which  is  a  limited  resource.  But  if  this  were  to  occur,  cellulose  fibre  could  be  made  of  other  organic  fibres  or  new  fibres,  although  then  the  3E  cost-­‐C2C  calculations  would  needed  to  be  recalculated.    

Page 53: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

   

52

10 References  Scientific  articles  

Bare,  J.C.,  Hofstetter,  P.,  Pennington,  D.W.,  Haes,  H.A.U.  de  (2000)  Midpoints  versus  endpoints:  The  sacrifices  and  benefits.  Int.  J.  LCA  5,  319–326.  doi:10.1007/BF02978665  

Jelle,  B.P.  (2011)  Traditional,  State-of-the-art  and  future  thermal  building  insulation  materials  and  solutions  –  Properties,  requirements  and  possibilities.  Energy  and  buildings,  Volume  43,  Issue  10,  2549  –  2563.  

Kowatsch,  S.  (2010)  Mineral  wool  insulation  binders.  Phenolic  Resins:  A  Century  of  Progress,  209-­‐242  

Myhre,  G.,  D.  Shindell,  F.-­‐M.  Bréon,  W.  Collins,  J.  Fuglestvedt,  J.  Huang,  D.  Koch,  J.-­‐F.  Lamarque,  D.  Lee,  B.  Mendoza,  T.  Nakajima,  A.  Robock,  G.  Stephens,  T.  Takemura  and  H.  Zhang  (2013)  Anthropogenic  and  Natural  Radiative  Forcing.  Climate  Change  2013:  The  Physical  Science  Basis.  Contribution  of  Working  Group  I  to  the  Fifth  Assessment  Report  of  the  Intergovernmental  Panel  on  Climate  Change.  [Stocker,  T.F.,  D.  Qin,  G.-­‐K.  Plattner,  M.  Tignor,  S.K.  Allen,  J.  Boschung,  A.  Nauels,  Y.  Xia,  V.  Bex  and  P.M.  Midgley  (eds.)].  Cambridge  University  Press,  Cambridge,  United  Kingdom  and  New  York,  NY,  USA    

Papadopoulos,  A.M.  (2005)  State  of  the  art  in  thermal  insulation  materials  and  aims  for  future  developments.  Energy  and  Buildings,  Volume  37,  Issue  1,  pp.  77-­‐86.  

Rogoža,  A.,  Čiuprinskasb,  K.,  Šiupšinskasb,  G.  (2006)  The  optimisation  of  energy  systems  by  using  3e  factor:  the  case  studies.  Journal  of  Civil  Engineering  andManagement  12  (1)  63–68.  

Silvestre,  J.D,  Brito,  J.d.,  Pinheiro,  M.D.  (2013)  From  the  new  European  Standards  to  an  environmental,  energy  and  economic  assessment  of  building  assemblies  from  cradle-­‐to-­‐cradle  (3E-­‐C2C).  Energy  and  Buildings  (64)  199–208  

Books  

Baumann,  H.,  Tillman,  A-­‐M.  (2004)  The  Hitch  Hiker’s  Guide  to  LCA.  Studentlitteratur,  First  edition,  ISBN  91-­‐44-­‐02364-­‐2  

Laszlo,  C.  (2013)  Business  Strategies  and  Management  for  Sustainability,  Berkshire  Essentials,  ISBN-­‐13:  978-­‐1614729648  

Gluch  P.  (2014)  Perspektiv  på  LCC  (in  Swedish)  Report  /  Department  of  Civil  and  Environmental  Engineering,  Chalmers  University  of  Technology  

Vogtländer,  J.G.  (2014)  A  practical  guide  to  LCA  for  students  designers  and  business  managers,  Cradle-­‐to-­‐Grave  and  Cradle-­‐to-­‐Cradle.  VSSD  Third  edition  2014,  version  2015,  ISBN  978-­‐90-­‐6562-­‐253-­‐2  

Wikells  byggberäkningar  AB  (2014)  sektionsfakta  NYB  14/15  

McDonough,  W.  and  Braungart,  M.  (2002)  Cradle  to  Cradle:  Remaking  the  Way  We  Make  Things,  ISBN  0-­‐86547-­‐587-­‐3  

Environmental  Product  Declarations  (EPD)  

EUMEPS  (region  Scandinavia)  (2013)  Expanded  Polystyrene  (EPS)  Foam  Insulation  (without  flame  retardant,  density  20  kg/m³)  EPS  100,  Institut  Bauen  und  Umwelt  e.V.  (IBU),  Declaration  number:  EPD-­‐EPS-­‐20130077-­‐CBG1-­‐EN  

Page 54: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

   

53

ISOCELL  GmbH  (2014)  Blown  insulation  made  of  cellulose  fibre,  Bau  EPD  GmbH,  Declaration  number:  EPD-­‐ISOCELL-­‐2014-­‐1-­‐ECOINVEN  

Paroc  AB  (2014)  Paroc  Insulation,  product  group  with  density  <70  kg/m³,  The  Norwegian  EPD  Foundation,  Declaration  number:  NEPD00265E  

Rockwool  Products  (2009)  Environmental  Declaration  ISO  14025,  The  Norwegian  EPD  Foundation,  Declaration  number:  NEPD  131E  

Master  thesis  reports:  

Duijve,  M.  (2012)  Comparative  assessment  of  insulating  materials  on  technical,  environmental  and  health  aspects  for  application  in  building  renovation  to  the  Passive  house  level.    

Regulations  

BBR  21,  Boverkets  författningssamling,  BFS  2014:3  (chrome-­‐extension://ecnphlgnajanjnkcmbpancdjoidceilk/https://rinfo.boverket.se/BBR/PDF/BFS2014-­‐3-­‐BBR-­‐21.pdf)  

BBR  22,  Boverkets  författningssamling,  BFS  2015:3  (chrome-­‐extension://ecnphlgnajanjnkcmbpancdjoidceilk/https://rinfo.boverket.se/BBR/PDF/BFS2015-­‐3-­‐BBR-­‐22.pdf)  

Concept  Bouwbesluit  2012.  (chrome-­‐extension://ecnphlgnajanjnkcmbpancdjoidceilk/http://www.rijksoverheid.nl/bestanden/documenten-­‐en-­‐publicaties/besluiten/2014/12/19/concept-­‐wijziging-­‐bouwbesluit-­‐2012/concept-­‐wijziging-­‐bouwbesluit-­‐2012.pdf)  

EN  15804  (2012)  CEN,  Sustainability  of  Construction  Works  –  Environmental  Product  Declarations  –  Core  Rules  for  the  Product  Category  of  Construction  Products,  Comité  Européen  de  Normalisation,  Brussels,  Belgium.  

Websites  

Beijer  Byggmaterial  (purchase  price  of  Paroc  rock  wool)  http://www.beijerbygg.se/store/privat/byggmaterial/isolering/stenull/v%C3%A4ggskiva-­‐tr%C3%A4-­‐c450  Visited  2015-­‐04-­‐27  

BLP  Insurance,  Project  ‘Butterfly’  http://www.blpinsurance.com/added-­‐services/butterfly/  Visited  2015-­‐05-­‐12  

Budguiden.se  http://www.budguiden.se/?gclid=CIvKsfWS88QCFYT2cgodJkQAOA  2015-­‐04-­‐27  

Bygghemma.se  (purchase  price  of  Sundolitt  EPS)  http://www.bygghemma.se/utomhus/bygg/isolering/cellplast/cellplast-­‐sundolitt-­‐s80/p-­‐216939-­‐216944  Visited  2015-­‐04-­‐27  

Ekonomifakta  (taxes  on  electricity)  http://www.ekonomifakta.se/sv/Fakta/Energi/Styrmedel/Konsumtionsskatter-­‐pa-­‐el/  2015-­‐05-­‐07  

ElectronicsTeacher.com:  http://www.electronicsteacher.com/succeed-­‐in-­‐physical-­‐science/heat-­‐and-­‐thermodynamics/thermal-­‐insulation.php  Visited  2015-­‐03-­‐31  

Page 55: Environmental, Energy and Economical life cycle cost from Cradle to Cradle … · 2015-06-26 · David Hill Uppsats för avläggande av masterexamen i naturvetenskap 30 hp Institutionen

   

54

Energimyndigheten:  http://www.energimyndigheten.se/Hushall/Din-­‐uppvarmning/  Visited  2015-­‐03-­‐18  

Google  search  for  “euro  to  sek”:  https://www.google.se/webhp?sourceid=chrome-­‐instant&rlz=1C5ACMJ_enSE521SE522&ion=1&espv=2&ie=UTF-­‐8#q=euro+to+sek  Visited  2015-­‐04-­‐29  

Göteborg  Energi  (distribution  charge)  http://www.goteborgenergi.se/Privat/Produkter_och_priser/Elnat/Elnatspriser/Elnatspriser_i_Goteborg_  Visited  2015-­‐05-­‐07  

International  Passive  House  Association:  http://www.passivehouse-­‐international.org/index.php?page_id=80  Visited  2015-­‐03-­‐05  

Isocell  website:    http://www.isocell.at/de/produkte/products/d%C3%A4mmstoffe/cat_201/zellulosedaemmung/prod_202  Visited  2015-­‐05-­‐23  

Miljöbyggsystems  website:  http://www.miljobyggsystem.se/produkter/isocell/isolering/cellulosaisolering/  Visited  2015-­‐05-­‐23  

Parocs  website  (information  about  the  rock  wool  and  fire  class):  http://www.paroc.se/losningar-­‐och-­‐produkter/produkter/pages/universell-­‐byggisolering/paroc-­‐extra-­‐  Visited  2015-­‐04-­‐27  

Passivhuscentrums  website:  http://www.passivhuscentrum.se/om-­‐passivhus/detta-­‐ar-­‐ett-­‐passivhus  Visited  2015-­‐04-­‐25  

PE  International  Sustainability  Performance:  http://www.pe-­‐international.com/topics/what-­‐are-­‐environmental-­‐product-­‐declarations/  Visited  2015-­‐03-­‐12  

Renovas  website:  http://www.renova.se/  Visited  2015-­‐04-­‐28    

Sundolitt  Produktguide  (2010)  chrome-­‐extension://ecnphlgnajanjnkcmbpancdjoidceilk/http://st.bygghemma.se/files/0086eb51-­‐9e65-­‐4e74-­‐8e31-­‐4807ee51dee2/produktguide%20sundolitt%20cellplast.pdf    

Sundolitt  website:  http://www.sundolitt.se/sundolitt/om-­‐eps  Visited  2015-­‐05-­‐17  

The  International  EPD®  System:  http://www.environdec.com/  Visited  2015-­‐03-­‐12  

The  Model  of  the  Eco-­‐costs  /  Value  Ratio  (EVR),  Delft  University  of  Technology:  www.ecocostsvalue.com  Visited  2015-­‐03-­‐18  

Vapour  resistances  and  μ-­‐values,  Build  Desk:  chrome-­‐extension://ecnphlgnajanjnkcmbpancdjoidceilk/http://builddesk.co.uk/wp-­‐content/uploads/2013/01/vapourResistances.pdf  Visited  2015-­‐05-­‐25  

Vattenfall  website  (electricity  price)  http://www.vattenfall.se/sv/rorligt-­‐elpris-­‐historik.htm  Visited  2015-­‐05-­‐07