Industrial ecology as a discipline for the analysis and design of sustainable urban settlements

Malgrat representar només el 2,7% de la superfície del planeta, les ciutats del món són responsables del 75% del consum d'energia, i el 80% de les emissions de gasos d'efecte hivernacle. Encara que el focus d'atenció per mitigar el canvi climàtic s'ha centrat en els combustibles alternatius, vehicles, i la generació d'electricitat; la millora del disseny urbà, representa una oportunitat important que sovint no es valora prou. Aquesta tesi estén l'anàlisi de l'Ecologia Industrial a l'avaluació ambiental de les obres civils en l'entorn urbà, incloent parcs de serveis en zones urbanes. Pel que fa al sector serveis, el capítol II avalua, des de la perspectiva de l'Ecologia Industrial, l'eficiència energètica dels serveis dins del Parc urbà de Montjuïc i determina el seu impacte ambiental global. A més, aquest estudi determina quins són els serveis més intensius energèticament i analitza la seva eficiència per visitant o unitat de superfície.El consum d'electricitat representa gairebé el 70% de l'energia total consumida pels serveis en el Parc de Montjuïc, i la superfície forestal necessària per absorbir les emissions de CO2 equivalent produïdes pel cicle de vida de l'energia consumida representa 12,2 vegades la superfície del Parc. El capítol III analitza l'optimització ambiental de les voreres a les zones urbanes. Encara que una àmplia gamma de materials i solucions constructives estan disponibles per a la pavimentació de les voreres, aquest estudi es centra en tres solucions constructives de formigó molt comunes. Cada solució constructiva té característiques diferents que afecten la seva funcionalitat en: trànsit, característiques de la superfície, i manteniment.Pel que fa a principals aportacions, aquest estudi fa una descripció general i proveeix l'inventari dels sistemes de vorera estudiats. Segons l'Anàlisi de Cicle de Vida (ACV), el sistema de panot és el que presenta valors més elevats d'impacte ambiental, tanmateix és el tipus de paviment de vorera més utilitzat en l'àrea d'estudi, degut principalment a les preocupacions estètiques i els imperatius del manteniment dels serveis urbans subterranis.Restringir l'ús dels paviments de formigó per a vianants amb una major capacitat estructural a aquelles seccions de carrer que en realitat els exigeixen podria reduir els impactes ambientals fins un 73,8% a les àrees exclusives per vianants.Els capítols IV i V utilitzen la metodologia de l'ACV per analitzar el tipus i origen dels impactes ambientals relacionats amb les xarxes de distribució de gas natural i calor.Per a la xarxa de gas natural, els resultats mostren que l'impacte per habitatge en les categories ambientals estudiades és d'entre 1,9 i 4,8 vegades més gran en un barri de baixa densitat, en funció de la categoria d'impacte. A més, a les zones d'alta densitat el principal impacte s'origina a partir de components i materials relacionats amb els edificis i habitatges, mentre que en zones de baixa densitat el principal impacte s'origina a la xarxa de barri. Tenint en compte aquest últim resultat, s'avalua la conveniència de substituir la xarxa de barri per un sistema discontinu basat en tancs de propà. El resultat indica que quan es necessita una canonada de barri de més d'1 km per arribar a un usuari, és ambientalment preferible per a totes les categories d'impacte utilitzar el sistema de tancs de propà.Per a la xarxa de distribució de calor, els resultats mostren que les fonts d'impacte no ubiquen especialment a la xarxa principal (menys del 7,1% de contribució a totes les categories d'impacte), que és el subsistema que ha centrat l'atenció en la literatura; sinó que aquest es troba a les plantes de generació energètica i als components dels habitatges. Aquests dos subsistemes contribueixen conjuntament entre un 40% i un 92% a l'impacte ambiental en funció de les categories d'impacte. Pel que fa als components, només un nombre reduït són responsables de la majoria dels impactes ambientals. Com a conclusió general, l'enfocament de l'Ecologia Industrial aplicat als sistemes urbans, estudiant el metabolisme de les ciutats, barris, sectors econòmics o les infraestructures, proveeix de dades sobre el metabolisme dels sistemes urbans, assenyala els punts febles des d'una perspectiva ambiental i assenyala les oportunitats de millora dels nostres sistemes urbans. Per tant, l'Ecologia Industrial es converteix en el primer pas per orientar els processos de disseny ecològic a escala de barri o d'infraestructura.A pesar de representar sólo el 2,7% de la superficie del planeta, las ciudades del mundo son responsables del 75% del consumo de energía, y el 80% de las emisiones de gases de efecto invernadero.Aunque el foco de atención para mitigar el cambio climático se ha centrado en los combustibles alternativos, vehículos, y la generación de electricidad; la mejora del diseño urbano, representa una oportunidad importante que a menudo no se valora suficientemente. Esta tesis extiende el análisis de la Ecología Industrial en la evaluación ambiental de las obras civiles en el entorno urbano, incluyendo parques de servicios en zonas urbanas. En cuanto al sector servicios, el capítulo II evalúa, desde la perspectiva de la Ecología Industrial, la eficiencia energética de los servicios dentro del Parque urbano de Montjuïc y determina su impacto ambiental global. Además, este estudio determina cuáles son los servicios más intensivos energéticamente y analiza su eficiencia por visitante o unidad de superficie. El consumo de electricidad representa casi el 70% de la energía total consumida por los servicios en el Parque de Montjuïc, y la superficie forestal necesaria para absorber las emisiones de CO2 equivalente producidas por el ciclo de vida de la energía consumida representa 12,2 veces la superficie del Parque. El capítulo III analiza la optimización ambiental de las aceras en las zonas urbanas. Aunque una amplia gama de materiales y soluciones constructivas están disponibles para la pavimentación de las aceras, este estudio se centra en tres soluciones constructivas de hormigón muy comunes. Cada solución constructiva tiene características diferentes que afectan a su funcionalidad en: tráfico, características de la superficie, y mantenimiento. En cuanto a principales aportaciones, este estudio hace una descripción general y provee el inventario de los sistemas de acera estudiados. Según el Análisis de Ciclo de Vida (ACV), el sistema de pavimento hidráulico es el que presenta valores más elevados de impacto ambiental, sin embargo es el tipo de pavimento de acera más utilizado en el área de estudio, debido principalmente a las preocupaciones estéticas y los imperativos del mantenimiento de los servicios urbanos subterráneos. Restringir el uso de los pavimentos de hormigón para peatones con una mayor capacidad estructural a aquellas secciones de calle que en realidad los exigen podría reducir los impactos ambientales hasta un 73,8% en las áreas exclusivas para peatones. Los capítulos IV y V utilizan la metodología del ACV para analizar el tipo y origen de los impactos ambientales relacionados con las redes de distribución de gas natural y calor. Para la red de gas natural, los resultados muestran que el impacto por vivienda en las categorías ambientales estudiadas es de entre 1,9 y 4,8 veces mayor en un barrio de baja densidad, en función de la categoría de impacto. Además, en las zonas de alta densidad el principal impacto se origina a partir de componentes y materiales relacionados con los edificios y viviendas, mientras que en zonas de baja densidad el principal impacto se origina en la red de barrio. Teniendo en cuenta este último resultado, se evalúa la conveniencia de sustituir la red de barrio por un sistema discontinuo basado en tanques de propano. El resultado indica que cuando se necesita una tubería de barrio de más de 1 km para llegar a un usuario, es ambientalmente preferible para todas las categorías de impacto utilizar el sistema de tanques de propano.Para la red de distribución de calor, los resultados muestran que las fuentes de impacto no se ubican especialmente en la red principal (menos del 7,1% de contribución en todas las categorías de impacto), que es el subsistema que ha centrado la atención en la literatura, sino que éste se encuentra en las plantas de generación energética y los componentes de las viviendas. Estos dos subsistemas contribuyen conjuntamente entre un 40% y un 92% al impacto ambiental en función de las categorías de impacto. En cuanto a los componentes, sólo un número reducido son responsables de la mayoría de los impactos ambientales. Como conclusión general, el enfoque de la Ecología Industrial aplicado a los sistemas urbanos, estudiando el metabolismo de las ciudades, barrios, sectores económicos o las infraestructuras, provee de datos sobre el metabolismo de los sistemas urbanos, señala los puntos débiles desde una perspectiva ambiental y señala las oportunidades de mejora de nuestros sistemas urbanos. Por tanto, la Ecología Industrial se convierte en el primer paso para orientar los procesos de diseño ecológico a escala de barrio o de infraestructura.Despite representing only 2.7% of the world's surface area, the world's cities are responsible for 75% of the world's energy consumption, and 80% of greenhouse gas emissions.Although much attention on mitigating climate change has focused on alternative fuels, vehicles, and electricity generation, better urban design represents an important yet undervalued opportunity. This thesis extends the analysis of Industrial Ecology to the environmental assessment of civil works in the urban environment, including service estates in urban areas.Concerning the service sector, chapter II evaluates, from an Industrial Ecology perspective, the energy performance of the services inside the Montjuïc urban park and determines their global environmental impact. Additionally, this study determines which are the most energy demanding services and the efficiency of their energy use per visitor and per surface area unit.Electricity consumption represents nearly 70% of the total energy consumed by the services at Montjuïc Park. The forest surface area required to absorb the CO2-equivalent emissions produced by the life cycle of the energy consumed at Montjuïc Park represents 12.2 times the Park's surface area. Chapter III analyzes the environmental optimization of concrete sidewalks in urban areas. Although a wide range of materials and constructive solutions are available for sidewalk paving, this study focuses on three very common concrete-based systems with different functionalities in terms of traffic, surface characteristics, and maintenance.In terms of main findings, this study provides a comprehensive description and inventory of the sidewalk systems under study. According to the Life Cycle Assessment (LCA), the slab system has the highest environmental impacts; this happens to be the most widely used sidewalk type in the area studied, mainly due to aesthetic concerns and the imperatives of maintaining underground urban services. Regardless of the thickness of the concrete base, the slab system has the highest impact in all categories compared with the other two sidewalk types. Restricting the use of concrete sidewalks with high structural capacity to street sections that actually require them could reduce environmental impacts by up to 73.8% in pedestrian-only areas.Chapters IV and V use the LCA methodology to analyze the type and origin of environmental impacts related to natural gas and district heating distribution networks.For the natural gas network the results show that the impact per dwelling in the environmental categories studied is between 1.9 and 4.8 times higher in a low density neighborhood, depending on the impact category. Besides, in high density areas the main impact originates from components and materials related to the buildings and dwellings, whereas in low density areas the main impact originates on the neighborhood network. Given this last result, the advisability of substituting the neighborhood network by a discontinuous system based on propane tanks has been evaluated, obtaining as a result that when a single neighborhood pipe, longer than 1 km, is required to reach one user, it is environmentally preferable for all the studied environmental categories to use the propane tank system.For the district heating network, the results show that the sources of impact are not particularly located in the main grid (less than 7.1% contribution in all impact categories), which is the focus of attention in the literature, but in the power plants and dwelling components. These two subsystems together contribute from 40% to 92% to the overall impact depending on the impact categories. Concerning the components, only a reduced number are responsible for the majority of the environmental impact.As a very general conclusion, the Industrial Ecology approach applied to urban systems, studying the metabolism of the cities, neighborhoods, economic sectors or infrastructures, provides clarifying data about the metabolism of urban systems; identifies the environmental flaws and improvement opportunities of our urban systems and becomes the first step for guiding ecodesign processes on an infrastructural or neighborhood scale