a engenharia mecânica em casa relatório projeto...

A engenharia Mecânica em casa-‐ Sistemas de aquecimento

2

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

A Engenharia Mecânica em casa

Relatório Projeto FEUP

Sistemas de aquecimento

Projeto FEUP 2015/2016 - Engenharia Mecânica:

Coordenador geral: Coordenadora de curso:

Luciano Moreira Teresa Duarte

Equipa 1M03_3:

Supervisor: José Duarte Monitor: Tiago Abreu e Bruno Sousa

Estudantes:

Simão Martins Pinheiro

[email protected]

Regina Teixeira Pinto

[email protected]

Inês Silva Aleixo Cardoso

[email protected] João Filipe Correia Oliveira

[email protected]

A engenharia Mecânica em casa- Sistemas de aquecimento

3

Resumo

A Engenharia Mecânica tem um papel fundamental nas casas, pois está entre outras

coisas, relacionada com a criação e o desenvolvimento de sistemas de aquecimento, que

se trata de algo fundamental para o conforto e bem-estar do ser humano.

Neste relatório são então abordado os diferentes sistemas e tipos de aquecimento

existentes nas casas desde os tempos mais remotos até aos mais atuais.

Esta abordagem é realizada no intuito de elucidar a constituição, as aplicações e o

modo de funcionamento dos mesmos.

Para além do referido anteriormente são também introduzidos num contexto histórico e

tecnológico que possibilitará aos leitores uma perceção da evolução destes sistemas ao

longo do tempo.

Ao longo de todo o relatório é tido em conta a importância do isolamento térmico e o

impacto que poderá causar na relação da eficiência/preço destes equipamentos térmicos.

Por fim, é abordado um exemplo de uma casa termicamente eficiente, a casa

“Termicamente Otimizada” localizada no Porto.

Palavras-Chave

Sistemas de Aquecimento; Biomassa lenhosa; Aquecimento central; Ar condicionado;

Coletor Solar; Eficiência energética; Isolamento térmico.


4

Índice

Lista de tabelas………………………………………………………………………………...6

Lista de figuras…………………………………………………………………………………7

Notação e Glossário…………………………………………….…………………………....9

1.

Introdução………………………………………………………………………………………10

2. Sistemas de Aquecimento…………………………………………………..………........11

2.1. Combustão Doméstica……………………………………………………………...11

2.1.1. Processo de combustão……………………………………………………..13

2.1.2. Sistemas de combustão doméstica………………………………………...14

2.1.3. Caraterísticas dos equipamentos…………………………………………..15

2.1.4. Composição química da biomassa lenhosa………………………………15

2.1.5. Processo de recuperação de calor………………………………………...15

2.1.6. Poluentes atmosféricos emitidos durante a combustão residencial.......16 2.1.7. Impactos associados á queima de Biomassa Lenhosa………………....17

2.1.8. Fontes energéticas utilizadas no aquecimento do ar ambiente.............18 2.2. Coletores Solares………………………………………………………………......19

2.2.1. Breve história dos coletores solares…………………………………….....20

2.2.2. Constituição dos coletores solares………………………………………...20

2.2.2.1. Caixa Isoladora………………………………………………………...21

2.2.2.2. Placa de vidro………………………………...………………………..21

2.2.2.3. Tubos……………………………………………………………………22

2.2.2.4. Fluido Térmico………………………………….………………………23

2.2.2.5. O Absorvedor…………………………………………………………..25

2.2.3 As diferenças entre os dois tipos de sistemas de circulação do fluído do

coletor para o tanque e vice-versa………………………………………………...25

2.2.4 Eficiência dos coletores solares e os seus custos………………………...27

2.2.5 A eficiência dos coletores solares nas suas diferentes aplicações……….29

2.3. Aquecimento Central………………………………………………………………….30

2.3.1. O que é?.............................................................………………...………...30

2.3.2. Componentes do Aquecimento Central……………………………………..30

2.3.3. Princípios de funcionamento……………………………………………......31

2.3.3.1. Recuperador de calor ……………………………………………….....31

2.3.3.2. Depósito de Inércia……………………………………………………..…..33

2.3.3.3. Piso radiante…………………………………………………..…………….34


5

2.3.3.3.1. Piso radiante vs. Radiadores…………………………………….…35

2.3.3.3.2. Vantagens do Piso Radiante…………………………………………36

2.3.3.3.3. Desvantagens do Piso Radiante………………………...................37

2.4. Ar condicionado………………………………………….…………………………...38

2.4.1. Breve história sobre a criação de ar condicionado.......………..………...38

2.4.2. Funcionamento……………………………………........…………………....39

2.4.3. Tipos de Ar Condicionado……………………………………………………41

3. Casa Termicamente Otimizada………………………………………………….……......44

3.1. O que é?.....……………………………………..…………………………………....44

3.2. Medidas Adotadas…...……………………………………………………………...44

Conclusão …………………………………………………………………………………..….47

Referências bibliográficas…………………………………………………………………....48


6

Índice de Tabelas

Tabela 1 - Caraterísticas dos equipamentos………………………………………………15

Tabela 2 - Relação da fonte energetica com o tipo de habitação.................................18

Tabela 3 - Materiais com maior condutividade térmica………………………………....23

Tabela 4 - Capacidade térmica mássica de alguns materiais…………………………24

Tabela 5: Detalhes Energéticos sobre a casa termicamente otimizada……………...46


7

Índice de Figuras

Figura 1 – Consumos energéticos no setor residencial em Portugal, 1990 e 2010........12

Figura 2 – Equipamentos utilizados para aquecimento em função do ano de construção

da residência....................................................................................................................14

Figura 3 – Sistema de recuperação de calor……………………………….……………….16

Figura 4 – Queima de lenha numa estufa convencional a baixa

temperatura.....................................................................................................................17

Figura 5 – Constituintes do coletor solar…………………………………………………..21

Figura 6 – Comportamento dos raios luminosos dentro do coletor, que provocam o efeito

de estufa…………………………………………………………………………………………22

Figura 7 – Circulação da água no tanque nos dois sistemas de

circulação………………...................................................................................................26

Figura 8 – Tubos de cobre no interior do tanque de armazenamento de

água…………...............................................................................................................…26

Figura 9 – a) Circulação natural; b) Circulação forçada……………………..……………27

Figura 10 – Eficiências globais e potências úteis obtidas para diferentes potências de

radiação solar em função da hora do dia…………………………………………………….28

Figura 11 – Rendimento dos diferentes tipos de coletores solares para as suas

diferentes aplicações……………………………………………….……………………...…29

Figura 12 – Representação esquemática de um sistema de aquecimento central numa

habitação………………………………………………………………………….……………..31

Figura 13 – Exemplo de um recuperador de calor…………………………………………32

Figura 14 - Interior de um depósito de inércia…………………………………….…….....33

Figura 15 - Constituição do piso radiante hidráulico ………………………………….….34

Figura 16 - Perfil de temperaturas para diferentes tipos de aquecimento………….…35

Figura 17 - Perfil de temperaturas: Piso Radiante Vs Radiadores……………………..35

Figura 18: Willis Carrier, e o primeiro protótipo de ar condicionado funcional……....…38

Figura 19: Elementos que constituem o ar condicionado (do tipo

janela)…………..……....................................................................................................39

Figura 20: Esquema da operação de refrigeração no ar condicionado……….…………40

Figura 21: Esquema da operação de aquecimento no ar condicionado……………..….41

Figura 22: Ar Condicionado do tipo Janela e o problema de instalação

…………….……..............................................................................................................42

Figura 23: Ar Condicionado Split……………………………………………………....……42


8

Figura 24- Ar Condicionado do tipo Chiller…………………………………………….…..43

Figura 25- Fachada principal da CTO………………………………………….................44

Figura 26- Histogramas de Temperatura da CTO no inverno e no Verão

respetivamente...........................................................................................................45


9

Notação e Glossário Símbolo Descrição Unidade S.I.

Q Calor J

△ 𝑡 Intervalo de tempo s

𝑄△ 𝑡

Energia transferida por

unidade de tempo W

𝐾 Condutividade térmica W/(mK)

A Área 𝑚!

Tsuperior Temperatura superior K

Tinferior Temperatura inferior K

L Espessura m

𝑚 Massa Kg

𝒄 Capacidade térmica mássica J/(kgk)

△ 𝑇 Variação de temperatura K

ε Emissividade -----

σ Constante Stefan–Boltzmann W/(𝑚!𝐾!)

T Temperatura absoluta K

q Energia Térmica J

h Coeficiente de transferência térmica W/(𝑚!𝐾)


10

1. Introdução

Este relatório surge no âmbito da unidade curricular Projeto FEUP do curso Mestrado

Integrado em Engenharia Mecânica, sobre iniciativa do engenheiro José Ferreira Duarte. O

tema proposto foi “O papel da Engenharia Mecânica em casa” e foi decidido, dentro deste,

especificar os sistemas de aquecimento numa casa, já que, a equipa reconheceu a

importância destes aparelhos frutos do trabalho da Engenharia Mecânica.

A engenharia mecânica envolve tudo o que tem movimento desde as coisas mais

simples e discretas até aquelas que abrangem grandes e complexas produções. Desta

forma, a engenharia mecânica tem um papel determinante em tudo aquilo que nos rodeia e

é a principal responsável pelo avanço tecnológico no mundo, no que diz respeito à criação

de aparelhos úteis capazes de proporcionar conforto e auxiliar o quotidiano das pessoas.

Ao longo do relatório será analisada a história dos equipamentos térmicos,

relacionando-a com o avanço tecnológico e eficácia/custo dos mesmos. Também serão

analisadas os principais tipos de sistemas de aquecimento, nomeadamente, as

salamandras, o aquecimento a gás, o aquecimento central, os coletores solares e o ar

condicionado e questões como o isolamento térmico. Na parte final do relatório será dado

um exemplo de uma casa termicamente otimizada do Porto.

Atualmente, existem várias opções a nível de aquecimento fazendo com que seja um

mercado de grande concorrência. Para além da popularidade dos equipamentos ou da sua

relação eficiência/custo a preferência de utilização pode também ser baseada em outras

vertentes tais como a componente estética e prática dos sistemas.


11

2. Sistemas de aquecimento Nesta parte do trabalho, são abordadas diferentes tipos de aquecimento. O objetivo é

conduzir o leitor de forma a conhecer os tipos de aquecimento organizados de forma

cronológica, isto é, desde os mais primordiais como as salamandras, o aquecimento a gás,

passando pelos coletores solares, pelo ar condicionado e , finalmente, o aquecimento

central.

Inicialmente, a abordagem das salamandras e aquecimento a gás é focada no tipo de

recurso energético utilizado, a biomassa lenhosa, dada a sua importância e extensão até

aos outros tipos de aquecimento.

Para além disso, há também uma pequena abordagem sobre a energia solar referente

aos coletores.

Por fim, faz-se uma referência ao aquecimento central e ao ar-condicionado.

2.1. Combustão Doméstica

A biomassa lenhosa é o recurso energético mais utilizado no mundo. É uma fonte

primária de energia com elevada tradição no setor doméstico sendo utilizada para

aquecimento das habitações e aquecimento de águas sanitárias. É um recurso energético

bastante procurado uma vez que a combustão direta de biomassa é o processo mais prático

e económico para obter energia.

Aproximadamente metade da população do planeta, e mais de 90% das casas na região

rural dos países em desenvolvimento, permanecem a utilizar energia proveniente da queima

de biomassa, na forma de madeira, carvão, esterco de animais ou resíduos agrícolas, o que

produz altos índices de poluição do ar em ambientes internos. Essa situação provoca um

aumento do risco de infeção respiratória, a maior causa de mortalidade infantil nos países

em desenvolvimento.

Em Portugal, segundo o Inquérito ao Consumo de Energia no Setor Doméstico (DGEG,

2011), o consumo energético tem vindo a sofrer alterações consideráveis nos últimos anos.

Embora a biomassa lenhosa se apresente como o recurso com maior disponibilidade e o

mais barato comparativamente a outras fontes energéticas (eletricidade, gás natural,gás

garrafa e gasóleo) tem vindo a perder relevância nos últimos anos. Se em 1989 é a fonte

mais consumida nos alojamentos portugueses, com um peso de 60,3%, em 1996 regista-se

uma diminuição do consumo para 41,9% (DGEG, 2011). Em 2010 a eletricidade surge


12

como a principal fonte energética nos alojamentos, com uma taxa de utilização de 42,6%,

seguindo-se a lenha com um peso de 24,2% (DGEG, 2011).

O relatório apresentado pela Agência Portuguesa do Ambiente (APA, 2012) salienta as

variações nos últimos vinte anos dos consumos domésticos de 10 fontes energéticas:

Biodiesel, carvão, lenha, gás natural, gás de cidade, gás de garrafa, gasolina de motor,

querosene, gasóleo e petróleo residencial.

Verifica-se uma redução acentuada do consumo de lenha, o desaparecimento de fontes

energéticas como o petróleo residencial e o gás de cidade e o aumento do consumo de gás

natural.

Dados de 2010 mostram que a lenha se mantém como o principal recurso energético

para o aquecimento de ar ambiente, representando cerca de 52% do consumo total de

energia usada para esse fim (DGEG, 2011).

A combustão residencial de biomassa lenhosa ocorre essencialmente nos meses mais

frios, e apresenta vantagens significativas relativamente a outras fontes uma vez que as

emissões de CO2 têm efeito neutro para o forçamento radiativo, devido ao facto do CO2

libertado no decorrer da combustão ser recapturado no crescimento da nova floresta. A

biomassa lenhosa é um recurso disponível e renovável, se gerido de forma sustentável.

Aresenta benefícios económicos locais e permite a redução de dependência de

energias fósseis.

Figura 1: Consumos energéticos no setor residencial em Portugal, 1990 e 2010 (Fonte: APA, 2012) https://bibliotecadigital.ipb.pt/handle/10198/7893


13

2.1.1. Processo de combustão

A combustão é um processo físico-químico caracterizado por reações de oxidação onde

um combustível (biomassa lenhosa) reage com um agente oxidante (oxigénio proveniente

do ar atmosférico), libertando-se grandes quantidades de energia sob a forma de calor.

O processo de combustão de biomassa decorre em três fases:

- Ignição,

- Combustão com chama

- Combustão com ausência de chama

Durante a ignição a altas temperaturas formam-se compostos voláteis inflamáveis como

substâncias de alcatrão, carbonáceos carbonizados e simultaneamente libertação de vapor

de água. A combustão com chama surge após a carbonização, onde o fluxo do combustível

volátil desce abaixo do nível mínimo necessário, permitindo de seguida que ocorra a

combustão com ausência de chama, libertando-se os produtos voláteis provenientes da

decomposição do combustível.

Existem diversos fatores que afetam o processo de combustão, influenciando direta e

indiretamente a produção de energia e a formação de poluentes atmosféricos e GEE (gases

efeito de estufa), nomeadamente as características do combustível (biomassa lenhosa),

características do equipamento de combustão e as condições em que se realiza a

combustão.

Para uma combustão completa de biomassa lenhosa é necessário altas temperaturas e

abundância de oxigénio. A abundância de oxigénio permite aumentar a rapidez da reação,

convertendo todos os poluentes em CO2 e H2O, evitando assim a formação de poluentes

nocivos. Numa combustão rápida e com uma chama intensa há igualmente menor

libertação de poluentes atmosféricos, contudo na prática, estas condições não se verificam,

resultando numa combustão incompleta e efeitos no ambiente e saúde pública.


14

2.1.2. Sistemas de combustão doméstica A obtenção de energia térmica a partir da energia química da biomassa no setor

residencial é conseguida através da utilização de sistemas de combustão distintos na forma,

no processo de queima, na eficiência de combustão, na quantidade e qualidade das

emissões atmosféricas, entre outros fatores. Apesar dos progressos a que se têm assistido

a nível do desenvolvimento de sistemas de queima mais limpa para a saúde do Homem,

verifica-se ainda uma grande predominância na utilização de lareiras e fogões antigos com

reduzida eficiência e com elevadas emissões de poluentes nocivos para a qualidade do ar

interior e exterior. Os equipamentos utilizados para combustão são normalmente Lareiras,

Salamandras, Caldeiras e Fogões.

Figura 2: Equipamentos utilizados para aquecimento em função do ano de construção da residência.

https://bibliotecadigital.ipb.pt/handle/10198/7893


15

2.1.3. Caraterísticas dos equipamento

2.1.4. Composição química da biomsassa lenhosa A composição físico-química de cada espécie florestal é um fator importante para a

otimização do processo de combustão, pois tem influência direta e indireta na queima e

nas emissões de poluentes atmosféricos.

A biomassa lenhosa apresenta na sua composição química elementar carbono (49 –

50%), hidrogénio (6%), oxigénio (44 – 45%), nitrogénio (0,1 – 1 %) e ainda cálcio, potássio,

magnésio, cloro, arsénio, cadmio, zinco, mercúrio, chumbo, cromio e cobre, em quantidades

muito reduzidas. Contudo, a composição química da biomassa lenhosa varia de acordo com

as diferentes constituintes da árvore (raízes, caule, ramos e casca), com o tipo de lenho:

normal ou de reação (formado pela compressão ou tensão em resultado de forças que

atuam no tronco, e.g. ventos fortes) ou com as condições ambientais de crescimento

(localização geográfica, clima e tipo de solo).

2.1.5. Processo de recuperação de calor

Os equipamentos de combustão doméstica: salamandra, lareira, caldeira e fogão,

permitem a recuperação de calor através da implementação de recuperador de ar ou

recuperador de água nos queimadores.

Tabela 1: Caraterísticas dos equipamentos.



16

O recuperador de ar utiliza um processo de circulação e aquecimento de ar, onde o

sistema aproveita grande parte do calor produzido pelo fogo, de modo a que o ar ambiente

seja aquecido pelo calor irradiado e o calor do ar aquecido. A recuperação primária

acontece através da emissão de ar quente pela saída frontal do recuperador. A recuperação

secundária resulta da emissão de ar quente pelas saídas secundárias situadas no cimo do

recuperador, conduzido geralmente para outros compartimentos. A recuperação terciária de

calor decorre da emissão de ar quente que se acumula entre o exterior do recuperador e o

pano de chaminé uma vez que colocando uma entrada de ar frio na base da lareira e uma

saída de ar quente no topo, consegue-se a convecção natural através do equipamento.

Se todo o interior da chaminé for isolado com material isolante, poder-se-á aproveitar

todo o ar quente nele acumulado para aquecer outras divisões da residência.

2.1.6. Poluentes atmosféricos emitidos durante a combustão residencial

No decorrer do processo de combustão doméstica de biomassa lenhosa são emitidos

vários poluentes atmosféricos, conhecidos como uma relevante fonte de poluição,

especialmente em bairros residenciais durante os meses mais frios. As emissões

Figura 3: Sistema de recuperação de calor.



17

resultantes da combustão dependem da composição química do combustível e das

condições de combustão, incluindo a disponibilidade de ar, temperatura da combustão e do

tempo de permanência dos produtos da combustão na zona de reação.

Os principais poluentes emitidos durante a combustão são as partículas em suspensão,

o monóxido de carbono (CO), os óxidos de enxofre (SOx) e os óxidos de azoto (NOx),

contaminantes que contribuem para a má qualidade do ar. As emissões domésticas

também contêm compostos cancerígenos, incluindo PAH, benzeno, dioxinas/furanos,

metais pesados (As, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, Se, e Zn) e gases quimicamente ativos como

os compostos orgânicos voláteis (COV) e ainda gases de efeito de estufa, nomeadamente

CO2, N2O e CH4.

2.1.7. Impactos associados à queima de biomassa lenhosa Os impactos associados à queima doméstica de biomassa lenhosa são vários e alguns

atingem proporções elevadas, danificando a qualidade do ar interior e exterior. No ambiente

os efeitos verificam-se ao nível da diminuição da visibilidade, influenciar o crescimento das

plantas e acidificação de solos e água. Há sempre prejuízos ao nível do património

Figura 4: Queima de lenha numa estufa convencional a baixa temperatura. https://bibliotecadigital.ipb.pt/handle/10198/7893


18

construído como a degradação de materiais e pinturas. Na saúde humana os problemas

mais notórios são ao nível do sistema respiratório e cardiovascular, sendo sempre mais

nocivos para os grupos sociais de risco (mulheres grávidas, fetos, bebés, crianças e

idosos).

Têm sido desenvolvidos inumeros trabalhos para avaliar os riscos da saúde humana à

exposição de poluentes atmosféricos, resultantes dos processos de combustão residencial.

Um trabalho de Honicky e Osborne (1991) realizado no Estado de Michigan, EUA,

concluiu que crianças que vivem em residências aquecidas por queimadores a lenha,

tinham maior probabilidade de apresentar sintomas respiratórios crónicos do que crianças

da mesma idade e sexo que vivem em residências aquecidas por outras fontes energéticas

A União Europeia implementou políticas ambientais como instrumentos de base para a

correta gestão da qualidade do ar. A UE apresenta uma sólida legislação, que estabelece

para o mesmo nível de exigência, normas e práticas ambientais em todos os estados

membros.

2.1.8. Fontes energéticas utilizadas no aquecimento do ar

ambiente

Há claras diferenças no consumo de fontes energéticas para aquecimento do ar

ambiente

consoante o tipo de habitação. O gasóleo de aquecimento é tipicamente utilizado em

moradias (94%), enquanto o gás natural é uma fonte energética essencialmente utilizada

em apartamentos (87%). A biomassa lenhosa apresenta-se como uma fonte energética

procurada por ambos os tipos de residências.

.

Tabela 2: Relação da fonte energetica com o tipo de habitação. https://bibliotecadigital.ipb.pt/handle/10198/7893


19

Verifica-se ainda que o ano de construção da habitação é relevante para o tipo de

equipamento utilizado. Enquanto, a lareira aberta e a estufa/salamandra são

equipamentos comuns em residências construídas antes de 1990.

O aquecimento do ar ambiente influencia diretamente os consumos anuais de todas

as fontes energéticas, devido ao aumento do consumo num determinado período do ano.

Os

meses do ano com maior consumo são novembro, dezembro, janeiro e fevereiro, devido às

temperaturas mais baixas que se fazem sentir. Semanalmente, todas as fontes energéticas

apresentam consumos durante os sete dias, à exceção da biomassa lenhosa, onde há

residências que optam pela utilização apenas ao fim de semana. O consumo acontece,

normalmente, entre quatro a oito horas diárias.

2.2. Coletores Solares Uma pequena introdução sobre a energia solar…

É de conhecimento geral que a energia solar é das energias mais abundantes do

planeta Terra. Para além disto é uma fonte de energia renovável, isto é, é inesgotável e não

acarreta problemas ambientais como no caso de outras energias, como por exemplo os

combustíveis fósseis.

“A radiação solar atinge a atmosfera terrestre com uma intensidade de

cerca de 1373 w/m². Uma vez que parte desta energia é refletida e/ou

absorvida pela atmosfera, é possível, medir junto à superfície terrestre

num plano perpendicular, cerca de 1000 w/m², num dia de céu limpo.

Portugal é um dos países da Europa com maior disponibilidade de

radiação solar. Em termos quantitativos, Portugal tem em média entre

2200 e 3000 horas anuais de Sol enquanto que a Alemanha, por exemplo,

apresenta uma média entre 1200 e 1700 horas de Sol por ano.”

(Ferreira, Catarina Isabel Almeida (2010). “Implementação e Estudo de um Colector

Solar do Tipo Termossifão e de um Sistema de Painéis Fotovoltaicos”. Porto: Faculdade de

Engenharia da Universidade do Porto. Tese de mestrado de Engenharia Química. Acedido a

5 Outubro de 2015)


20

Percebe-se assim, que em relação ao panorama europeu, Portugal pode explorar

bastante este tipo de energia renovável.

Os coletores solares são um dos meios para exploração deste tipo de energia, existindo

vários tipos de coletores:

- Coletores planos;

- Coletores parabólicos;

- Coletores de tubo de vácuo.

Neste trabalho irão ser explorados apenas os coletores planos, abordando diferentes

configurações deste, como os coletores não envidraçados e coletores que funcionem em

sistemas de termossifão ou em circulação forçada.

2.2.1. Breve história dos coletores solares O aproveitamento da energia solar remonta à antiguidade, sensivelmente a épocas

entre 800 A.C a 600 D.C, quando espelhos côncavos eram usados para focar raios de luz e

aquecer a zona focada pelos raios. Por exemplo, a tocha olímpica, em tempos antigos era

acesa através da focalização destes espelhos.

A energia solar era aproveitada de forma passiva no Egipto, Mesopotâmia e nas

primeiras civilizações Sul-africanas, onde as construções de edifícios tinham em conta as

horas de maior pique de exposição solar (meio-dia). Consoante as caraterísticas climáticas

da região (quente ou fria) construíam as suas casas com as portas voltadas ou não para o

sol durante o período de maior exposição solar.

No século XVIII, o cientista Horace-Bénédict de Saussure inventou o percursor dos

atuais coletores solares motivado pela crise petrolífera dos anos 70, onde as aplicações

práticas para o uso da energia solar eram cada vez mais desenvolvidas.

A primeira patente mundial para um sistema que aproveitava energia solar apareceu em

1891, fabricada por Clarence M. Kemp de Baltimore. Este sistema consistia num simples

coletor de aquecimento de água.

Hoje em dia existem vários tipos de coletores, como os referenciados acima, que têm

inúmeras aplicações nos dias de hoje.

2.2.2. Constituição dos coletores solares

Os coletores planos são constituídos por diversos elementos:


21

- Uma caixa isoladora;

- Uma placa de vidro;

-Tubos;

- Fluído térmico;

- O absorvedor.

2.2.2.1 Caixa isoladora É a estrutura do coletor solar, sendo constituída por materiais isoladores por baixo e

lateralmente, acomodando os restantes elementos do sistema. Evita assim perdas de calor,

dá rigidez e protege o interior do coletor de agentes externos, devendo resistir às

solicitações mecânicas, químicas (corrosão), térmicas e de radiação.

2.2.2.2 Placa de vidro O material da cobertura mais usual é o vidro temperado, com baixo teor em ferro.

Devido ao facto de o vidro ser um material que funciona como filtro da radiação,

caraterizando-se por ser transparente à radiação com elevado comprimento de onda e

opaco à radiação de baixo comprimento de onda.

Placa de vidro

O absorvedor

Tubos

Elementos isoladores

pertencentes à caixa.

Figura 5: Constituintes do coletor solar http://www.decorsol.com.br/conteudo.asp?page=coletorsolar.shtm


22

Uma vez que:

Elevada temperatura do sol => emissão de radiação em alto comprimento de onda; ·

Temperatura normal da superfície da terra => emissão de radiação em baixos comprimentos

de onda;

Percebe-se então que a placa de vidro no coletor solar é transparente à radiação solar e

é opaco à radiação emitida pelos tubos absorvedores (radiação infravermelha).

Com estas caraterísticas, a placa de vidro, provoca dentro do coletor um efeito de

estufa, que consistem num fenómeno que acontece quando a radiação solar entra para um

determinado espaço e depois já nem toda consegue sair, provocando um aquecimento

adicional.

Além de tudo isto, o vidro é um material com boa estabilidade mecânica e boa

capacidade de proteção contra o frio, vento, etc.

2.2.2.3. Tubos Dentro da caixa isoladora estão alojados tubos, onde passa o fluído térmico.

Estes tubos devem ser compostos por um material de elevada condutividade térmica

(k), que se define como a quantidade de energia transferida (Q) por unidade tempo (△ 𝑡)

através de uma superfície com 1 𝑚! de área (A) e 1m de espessura (L), quando a diferença

das temperaturas entre as duas faces dessa superfície é 1 K (Tsuperior – Tinferior).

𝑄△ 𝑡

= 𝐾𝐴(𝑇𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 − 𝑇𝑖𝑛𝑓𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟)

𝐿

(1) Relaciona todas estas grandezas.

Figura 6: Comportamento dos raios luminosos dentro do coletor, que provocam o efeito de estufa.

http://www.fisicajp.unir.br/downloads/1994_tccmarta.pdf

(1)


23

Material Condutividade térmica [Κ] = W·m-1·K-1 (J·s-1·m-1·K-1)

Alumínio 237 Cobre 401 Ferro 80,2 Ouro 317 Prata 429

Pela tabela chega-se à conclusão que estes tubos devem ser feitos de cobre pois, este

material, carateriza-se por ter boa condutividade térmica para facilitar a transferência de

calor para o coletor.

2.2.2.4. Fluido térmico

Dentro dos tubos

O fluido térmico deverá ter baixa viscosidade e elevada capacidade de transferência de

calor e capacidade térmica mássica, além disso, deve minimizar problemas de corrosão

associados à sua passagem por tubos metálicos.

Esse fluido pode ser a própria água que se pretende aquecer, havendo neste caso o

problema de congelamento quando as temperaturas atingem os 0 ºC.

Uma alternativa à água é o fluido anticongelante, com uma mistura de água e

propilenoglicol ((C3H8O2), que irá permutar calor com a água, torna-se assim a melhor

opção, uma vez que não é tóxico, é inodoro, e contém inibidores de corrosão.

É importante determinar a concentração minimia de glicol onde a solução já é

considerada eficiente. Poder-se-ia usar etilenoglicol (C2H6O2) no entanto, o propilenoglicol

é menos toxico e portanto o mais usado.

Tabela 3: materiais com maior condutividade térmica. https://pt.wikipedia.org/wiki/Condutividade_t%C3%A9rmica


24

Capacidade Térmica Mássica

𝑄 = 𝑚 𝒄 △ 𝑇

A determinação da capacidade térmica mássica é de grande importância, uma vez que

possibilita a previsão da quantidade de energia (Q) que é transferida por cada unidade de

massa (m), quando a temperatura varia de um grau (K ou ºC).

Material Capacidade Térmica Mássica J/kg/k

Água 4186 Ar 993

Ambos materiais são de utilização fácil, no entanto, devido à elevada capacidade

térmica mássica da água, utiliza-se uma solução aquosa de propilenoglicol.

Entre os tubos e a placa de vidro

Normalmente entre a placa de vidro e os tubos utilizam-se gases, ou uma mistura de

gases com caraterísticas isolantes, como por exemplo:

- Ar seco ou sintético

- Árgon

- Kripton

- Xénon

Esta seleção tem em conta o custo dos gases no mercado, a sua condutibilidade

térmica, a densidade entre outros parâmetros.

(2)

Tabela 4: Capacidade térmica mássica de alguns fluídos. http://webprof.no.sapo.pt/ficheiros/capactermmass.htm


25

2.2.2.5. O Absorvedor

Deve ser constituído por um material bom condutor de calor (por exemplo, uma folha

metálica de cobre ou alumínio) com um revestimento seletivo, geralmente escuro.

Porque deve ser escuro?

Utilizando-se um corpo escuro, a percentagem de radiação refletida é menor, pelo que a

absorvida aumenta. Desta forma, a emissividade (ε) do corpo aumenta. Através de (3),

percebe-se que, para uma mesma área de superfície (A) e para uma mesma temperatura

absoluta (T) a potência de radiação emitida por este corpo aumenta proporcionalmente,

sendo σ uma constante de valor igual a5,6697 x 10-8 W/m2K4 .

Este facto possibilita um aumento de temperatura no interior do coletor solar.

𝑄△ 𝑡

= 𝐴 ε σ 𝑇!

2.2.3. As diferenças entre os dois tipos de sistemas de circulação do fluído do coletor para o tanque e vice-versa

Ligado ao coletor solar, existe um tanque de armazenamento de água. É através da

água deste tanque, quando aquecida, que a energia proveniente do sol é utilizada no

aquecimento das casas nos mais variados setores, através da transferência de calor da

água dos tubos provenientes do tanque, para determinados sistemas, como piscinas, água

canalizada, etc.

(3)


26

Existem então dois tipos de sistemas de circulação de fluído

Figura 8: Tubos de cobre no interior do tanque de

armazenamento de água. http://www.profelectro.info/tag/painel-solar-termico/

Termossifão

(Circulação natural) Circulação forçada

Neste sistema, a circulação da água do tanque

baseia-se nas diferenças de densidade da água fria e

quente (correntes de convecção)

O coletor é colocado numa posição mais elevada

que o tanque. Assim, quando o fluido que se encontra

no coletor, aquece e fica menos denso, sobe para o

tanque, transferindo a energia nele contida para a água.

Na parte superior do tanque, existe um tubo que

liberta a água quente e na inferior um tubo que recebe

água fria.

A água quente que sai do tanque através do tubo

servirá para aquecer alguns compartimentos da casa em

que se insere, através da passagem destes tubos por

esses locais.

Este sistema só deve ser usado quando é

impossível colocar o coletor solar abaixo do

tanque ou depósito.

Neste tipo de circulação é necessário a

utilização de uma bomba para fazer circular o

fluido para o tanque.

A circulação da água no interior do tanque

dá-se da mesma forma que na circulação

natural.

Figura 7: Circulação da água no tanque nos dois sistemas de

circulação.

http://www.profelectro.info/tag/painel-solar-termico/


27

2.2.4. Eficiência dos coletores solares e os seus custos

Os coletores apresentam uma baixa eficiência e um elevado custo e exigem pouca

manutenção, no entanto, a eficiência pode ser otimizada através de uma determinada

inclinação do painel solar, consoante a altura do ano.

Normalmente são colocados nas coberturas dos edifícios no intuito de evitar sombras

provocadas por outros edifícios ou vegetação e para otimizar o ângulo de incidência dos

raios solares nos coletores solares.

Figura 9:

a) Circulação natural b) Circulação forçada

http://digitool.fe.up.pt:1801/view/action/singleViewer.do?dvs=1444055157650~979&locale=pt_PT&metadata_object_ratio=25&side_b

y_side=false&VIEWER_URL=/view/action/singleViewer.do?&preferred_extension=pdf&DELIVERY_RULE_ID=5&frameId=1&usePid1=tru

e&usePid2=true


28

Através da interpretação da figura 10 conclui-se que, apesar da potência de radiação

solar ser máxima às 12:00h, a eficiência máxima atinge-se por volta das 18:00h.

Figura 10: Eficiências globais e potências úteis obtidas para diferentes potências de radiação solar em função da hora do dia.

http://digitool.fe.up.pt:1801/view/action/singleViewer.do?dvs=1444055157650~979&locale=pt_PT&metadata_object_ratio=25&side_by_side=false&VIEWER_URL=/view/action/singleViewer.do?&preferred_extension=pdf&DELIVERY_RUL

E_ID=5&frameId=1&usePid1=true&usePid2=true


29

2.2.5. A eficiência dos coletores solares nas suas diferentes aplicações

Os coletores solares podem ser utilizados para o aquecimento:

- Piscinas

- Águas domésticas

- Ambiente

- Industrial

De acordo com o gráfico, para os coletores planos com cobertura, o rendimento por

ordem decrescente é o seguinte:

Aquecimento de Piscinas > Aquecimento de águas domésticas > Aquecimento do

ambiente > Aquecimento Industrial

Figura 11: Rendimento dos diferentes tipos de coletores solares para as suas diferentes aplicações.

http://eos.fe.up.pt:1801/view/action/nmets.do?DOCCHOICE=50953.xml&dvs=1444055879297~411&locale=pt_PT&search_terms=&adj

acency=&VIEWER_URL=/view/action/nmets.do?&DELIVERY_RULE_ID=2&divType=&usePid1=true&usePid2=true


30

2.3. Aquecimento Central

2.3.1. O que é?

O aquecimento central é um sistema composto por vários equipamentos térmicos, que

tem como objetivo fazer aumentar a temperatura, e consequentemente diminuir a humidade

relativa do ar, de um dado espaço isolado, possibilitando assim maior conforto às pessoas e

evita a formação de humidades e bolores nesses mesmos espaços.

2.3.2. Componentes do Aquecimento Central

Num sistema de aquecimento central são necessários essencialmente 5 tipos de

componentes:

- Equipamentos para aquecer o fluido circulante (geralmente óleo ou água), como por

exemplo: caldeiras a gás/gasóleo/pellets, recuperador de calor, coletores solares, entre

outros;

- Uma rede de tubagens para fazer a distribuição do fluido circulante;

- Depósitos de inércia para armazenar fluidos quentes;

- Elementos emissores de calor, como por exemplo: radiadores, pisos radiantes,

toalheiros, entre outros;

- Sistemas automáticos de controlo, como por exemplo: sistemas reguladores

programáveis, sondas exteriores, termostatos, entre outros.


31

Figura 12: Representação esquemática de um sistema de aquecimento central numa habitação

Estes últimos equipamentos assumem uma elevada importância, já que são

responsáveis por controlar de forma eficaz todo o sistema de aquecimento central, o que por

sua vez resulta numa maior poupança de recursos e consequentemente numa melhor

eficiência energética.

2.3.3. Princípios de funcionamento Apesar do sistema de aquecimento central ser um tema bastante amplo que engloba

várias áreas e vários equipamentos, o grupo decidiu dar destaques aqueles que consideram

que a Engenharia Mecânica tem mais destaque e poder de atuação.

2.3.3.1.Recuperador de calor Os recuperadores de calor são equipamentos que permitem através da queima da

biomassa, aquecer o ambiente envolvente de forma eficiente e rápida através de correntes

de convecção e ainda aquecer um fluido envolvente ao recuperador de calor por fenómenos

de condução.

O fluido depois de aquecido, ou é enviado para um depósito de inercia, onde este

fluido através de serpentinas existentes no seu interior transfere a sua energia sob a forma

de calor para a água armazenada nesse deposito onde este novo volume de agua irá ser


32

usado como águas quentes sanitárias (AQS) ou pisos radiante, ou é enviado diretamente

para emissores de calor como toalheiros e radiadores.

Segundo dados estatísticos, o rendimento de uma lareira aberta é de apenas 20% da

potência calorífica da lenha, ao invés de um recuperador de calor que consegue atingir um

rendimento cerca de 80%.

O fabrico destes equipamentos é feito a pensar na sua durabilidade e como tal estes

são produzidos em ferro fundido, com porta em vidro vitrocerâmico e o seu interior é feito

em material cerâmico refratário. A saída dos fumos e gases queimados resultantes é feita

por um tubo em aço inox, que une a saída do recuperador de calor com a chaminé.

Figura 13: Exemplo de um recuperador de calor

Para garantir a segurança das pessoas e dos edifícios, os recuperadores são

obrigatoriamente testados e certificados segundo a norma europeias EN 13229.


33

2.3.3.2 Depósitos de Inércia/ permutadores Este tipo de equipamento serve para armazenar água para posteriormente ser

utilizada no piso radiante ou como águas quentes sanitárias (AQS).

Todavia, podemos chamar as estes dispositivos um sistema de aquecimento

secundário ou indireto uma vez que não é este que gera calor, mas sim que o guarda na

água até ser utilizada. Isto deve-se ao facto da existência no seu interior de uma serpentina

onde circula água a alta temperatura, proveniente das fontes de calor (circuito primário), e

que transfere parte do seu calor para a água com temperatura mais baixa e que envolve

esta serpentina no interior do depósito.

Como a temperatura ambiente é muito mais baixa que a temperatura da água dentro

destes depósitos, estes equipamentos possuem um elevado isolamento térmico composto

por espuma rígida de poliuretano de modo a reduzir as perdas de calor e aumentar a

eficiência energética.

A constituição destes equipamentos varia de fabricante para fabricante, mas de um

modo geral pode ser representada pela figura 14.

Figura 14: Interior de um depósito de inércia

A agua fria é fornecida pela parte superior, enquanto a água quente é extraída pela

parte superior do deposito. Cada vez que é extraída água quente do depósito, entra água da

rede para manter o depósito sempre cheio e sob pressão.

As serpentinas existentes dentro do depósito devem ser constituídas por materiais

bons condutores como por exemplo o cobre, para facilitar as trocas de energia sob a forma

de calor e ainda devem ser revestidas por um material anticorrosivo de modo a aumentar a

durabilidade do equipamento e a evitar a contaminação da água.


34

2.3.3.3. Piso radiante O piso radiante é um sistema através do qual ocorre a impulsão de água para uma

rede de tubagens instalada por baixo do pavimento da habitação, a uma temperatura

moderada, no mínimo 20ºC e no máximo 40ºC limitada pela Norma UNE-EN 1264,

proveniente de um depósito de inercia.

Este tipo de sistema de aquecimento pode ser instalado em qualquer pavimento ou

infraestrutura, porém é preferível quando o espaço está em fase de construção, pois esta

rede de tubagem encontra-se envolvida por uma camada de argamassa aditivada, situada

sob o pavimento, que absorve a energia térmica dissipada pelos tubos, armazenando-a e

dissipando-a lentamente para o pavimento. Este por sua vez, emite energia sob a forma de

calor através de radiação que, pela convecção natural do ar uniformiza a temperatura da

habitação.

De modo a minimizar as perdas de calor durante o seu funcionamento para a laje,

para outras divisões da habitação ou para fora do perímetro de piso desejado, o conjunto

formado pelos tubos e pela argamassa é isolado por um material designado “floormate”.

Figura 15: Constituição do piso radiante hidráulico (Manual Giacomini - Como projectar e realizar instalações de

climatização por pavimento radiante para aquecimento e arrefecimento)


35

2.3.3.3.1 Piso Radiante vs Radiadores Comparando este tipo de sistema de aquecimento com todos os outros existentes,

este é o que proporciona maior conforto ao utilizador, uma vez que vai de acordo com o

perfil de temperaturas do corpo humano, já que a temperatura do ar deve ser superior na

parte inferior do corpo e deve diminuir gradualmente até à cabeça.

Figura 16: Perfil de temperaturas para diferentes tipos de aquecimento (Aplicações de Aquecimento Radiante e

Climatlzação - Manual Técnico, Uponor)

Podemos assim constatar em comparação com o sistema convencional de

radiadores, que o piso radiante distribui o calor de forma uniforme e consequentemente

mais comoda, uma vez que deixa de existir “zonas quentes” e “zonas frias”.

Figura 17: Perfil de temperaturas: Piso Radiante Vs Radiadores (Catálogo de aquecimento por piso radiante, Cirelius,

Março de 2008)


36

2.3.3.3.2 Vantagens do piso radiante Porém estas não são as únicas vantagens que podemos obter da utilização destes

tipos de aquecimento, podemos ainda salientar as seguintes:

- Elevada área de permuta, onde podemos obter elevadas potências térmicas com

baixas variações de temperatura;

Lei de Newton (Convecção): 𝑞 = ℎ ∗ 𝐴 ∗ ∆𝑇

- Aquecimento com baixa movimentação de ar, uma vez que o ar quente que se

encontra junto ao pavimento é facilmente distribuído por todo o ar, devido às correntes de

convecção natural, para além de que como a diferença de temperaturas entre zonas frias e

zonas quentes é baixa, a velocidade de propagação do ar é impercetível, resultando maior

conforto;

- Poupança energética, devido a este sistema de aquecimento se enquadrar melhor

no perfil de temperaturas do corpo humano, a temperatura necessária para obter um igual

nível de conforto comparado com outros sistemas de aquecimento é menor, pelo que

também há menos perdas de calor, uma vez que estas são proporcionais à diferença de

temperaturas entre o ambiente interior e o exterior.

Como as temperaturas de funcionamento deste sistema são baixas, não são

necessários grandes quantidades de energia para aquecer a água a circular na rede de

tubos, podendo a energia solar ser uma solução ecológica para alimentar este circuito.

- Aquecimento invisível, o que daqui resulta uma maior área útil no compartimento e

consequentemente uma maior área habitável, porque não existem equipamentos a ocupar

espaço;

- Opção segura e compatível com vários tipos de pavimentos, ao contrário dos

radiadores e outros equipamentos, não existe risco de queimadura e instala-se em qualquer

pavimento que não seja bom isolante térmico;

- Processo lento de arrefecimento, o que faz com que a emissão de calor pelo

pavimento se prolongue durante muito mais tempo.


37

2.3.3.3.3 Desvantagens do piso radiante Porém este sistema também apresenta algumas desvantagens, nomeadamente: - Investimento inicial elevado, em comparação com os outros equipamentos

térmicos;

- Difícil implementação, uma vez que foi pensado para ser implementado aquando da

fase de construção da casa, pois caso contrário é necessário levantar todo o pavimento da

habitação;

- Processo lento de aquecimento, ao contrário dos outros sistemas térmicos a

sensação de calor não é imediato já que o sistema funciona a baixas temperaturas

comparando com os restantes sistemas convencionais.


38

2.4. Ar condicionado

2.4.1. Breve história sobre a criação e evolução do ar condicionado

O conceito básico de ar condicionado diz-se ter surgido no Antigo Egito. Nessa

época, eram colocadas varas nas janelas que arrefeciam com a água que escorria. A

evaporação dessa água arrefecia o ar que se infiltrava pela janela. Este processo, para além

de tornar o ar mais fresco , tornava-o também mais húmido o que favorecia bastante as

condições no deserto quente e seco.

Mais tarde, na Roma antiga, as águas do aquedutos circulavam pelas paredes das

casas, com o objetivo de as arrefecer.

Outras técnicas às quais se recorriam na Persia Medieval passavam pelo uso de

reservatórios e torres eólicas para arrefecer os edifícios durante a época de calor.

Futuramente, o desenvolvimento do ar condicionado moderno deveu-se em grande

parte aos avanços da química durante o século 19, sendo que o primeiro ar condicionado foi

inventado e utilizado no dia 17 de Julho de 1902 em Buffalo, Nova Iorque por Willis Carrier,

um engenheiro nascido em Angola em 1876.

Figura 18: Willis Carrier, e o primeiro protótipo de ar condicionado funcional


39

2.4.2. Funcionamento

Os Sistemas de condicionamento de ar possuem quatro componentes básicos:

- Compressor

- Condensador

- Evaporador

- Motor dos ventiladores

Figura 19: Elementos que constituem o ar condicionado (do tipo janela)

A função principal do ar condicionado é deixar ambientes com temperaturas

agradáveis, criando não só conforto térmico, ao aumentar ou diminuir a temperatura, como

também em termos de humidade. A utilização de ar condicionados permite conforto numa

casa, mas o seu uso é essencial em laboratórios, hospitais, centros comerciais, entre

outros.

O funcionamento de um ar condicionado passa basicamente pela mudança de

temperatura, através da passagem de ar pela serpentina do evaporador, que por contacto,

provoca a diminuição ou o aumento da temperatura, baixando também a humidade do ar.

Uma vez alcançada a temperatura e humidade desejadas, estas são detetadas num

sensor localizado no evaporador e este faz com que o compressor se deligue. Desta forma,


40

o equipamento mantem a temperatura constante. No caso de haver alguma alteração no

ambiente estipulado, todo o sistema liga novamente, acionando o compressor.

Existem assim, duas operações fundamentais realizadas pelos ar condicionados:

• Operação de Refrigeração

Neste caso, o gás sai do compressor alta pressão e alta temperatura. No direção que

percorre perda calor no condensador, no tubo capilar e no filtro secador, como se pode

verificar na figura 20.

Quando o gás atinge o evaporador já se encontra frio , pronto para arrefecer o ambiente

interno, enviando o calor para o ambiente externo.

Figura 20: Esquema da operação de refrigeração no ar condicionado


41

• Operação de Aquecimento

No processo de aquecimento o fundamento é o mesmo. No entanto, existe uma válvula

de reversão que altera o caminho que o gás percorrer. Ao contrário do processo de

arrefecimento, o gás passa primeiro pelo evaporador, tal como se pode observar na figura

21.

Assim, o condensador e a evaporador funcionam de forma inversa, isto é, o evaporador

que se encontra no ambiente interno aquece e o condensador que está no lado externo.

Figura 21: Esquema da operação de aquecimento no ar condicionado

2.4.3. Tipos de Ar condiconado

O tipo de ar condicionado adequado depende das características do edifício. Os

acabamentos do edifício, se é muito soalheiro ou muito sombrio, os materiais de construção

e o tipo de isolamento são tudo condicionante para a instalação de cada tipo de ar

condicionado.

Janela

Os ar condicionados de tipo janela são os de menor porte pois possuem o

evaporador e o condensador no mesmo compartimento. No entanto, tem algumas restrições

relativamente à instalação do equipamento em determinados edifícios devido à alteração da

fachada, dado que estes são colocados parcialmente do lado exterior. São também pouco

eficientes energeticamente.


42

Figura 22: Ar Condicionado do tipo Janela e o problema de instalação

Split

Ao contrário do ar condicionado de janela, o split contém o condensador e o evaporador

separados no lado exterior e interior do edifício, e interligados através de tubos de cobre, o

que permite uma grande distância entre as duas unidades. Este é um dos tipos de ar

condicionado com mais vantagens. O nível de ruído diminui e é permitida uma melhor

distribuição do ar, o que torna o aparelho mais económico.

Figura 23: Ar Condicionado Split


43

Self Chiller

Este tipo de equipamento não é utilizado a nível doméstico. Devido à sua grande

capacidade de distribuição do ar e potência é preferencialmente utilizado em superfícies

comerciais e hospitais. Exige uma instalação de ar condicionado central aquando da

construção do edifício.

Figura 24: Ar Condicionado do tipo Chiller


44

3. Casa Termicamente Otimizada

3.1. O que é? A CTO (Casa Termicamente Otimizada) consistiu um projeto desenvolvido sobre

iniciativa conjunta INETI – FEUP, sob a responsabilidade técnica do Grupo de Fluidos e

Calor do Departamento de Engenharia Mecânica da Faculdade de Engenharia da

Universidade do Porto com o suporte da Direcção-Geral da Energia e inúmeras empresas.

Figura 25: Fachada principal da CTO

A CTO foi construída em 1984 e foi projetada a pensar no conceito de conforto aliado à

eficiência energética. Esta casa utiliza o máximo dos recursos fornecidos pelo meio

ambiente, nomeadamente: sol, temperatura do ar, proteção do terreno, entre outros. Esta

casa recorre também a energias renováveis como a biomassa lenhosa para satisfazer

necessidades de aquecimento desencadeadas devido a casos absolutamente necessários

de temperaturas extremas e por fim tem em conta a distribuição da construção para uma

melhor gestão energética.

3.2. Medidas Adotadas

De modo a tornar esta casa com um índice de elevada eficiência térmica, adotou-se

medidas como:

- Fachada com orientação a sul, o que permite ganhos solares de Inverno e por outro


45

lado facilita o sombreamento no Verão;

- Proteção da fachada a Norte, uma vez que não possui quase nenhumas aberturas, já

que é do Norte que provem os ventos frios dominantes;

- Forte isolamento exterior, que diminui as perdas e pontes térmicas, reduzindo as

infiltrações causadoras de perdas de calor, através por exemplo da aplicação de mantas

isolantes, estores exteriores, caixilharias especiais, etc;

- Existência de grandes áreas de captação solar, permite elevados ganhos solares

diurnos que aliada aos materiais de construção utilizados na casa permite o armazenamento

e difusão desfasada no tempo de calor (inércia térmica);

- Apoio às AQS (águas sanitárias aquecidas) através da utilização de coletores solares,

tendo já a arquitetura da casa sido pensada para integra-los da forma mais eficaz e não

simplesmente “pousa-los” no telhado;

- Apoio da lareira, que permite o aquecimento à distância por recuperador de calor que

alimenta um radiador instalado em divisões não adjacentes à coluna da chaminé da casa

que também funciona como um emissor térmico.

Figura 26: Histogramas de Temperaturas da CTO no Inverno e no Verão respetivamente


46

A CTO em números Data de Construção 1984

Área 140 m2 Volume 326 m3

Envidraçados 43 m2 Comprimentos cabos de medição 30 km

Pontos medição 600 Temperatura mínima no Inverno 15ºC Temperatura máxima no Verão 25ºC

Renovações de ar 0,5 rph Coeficiente de perdas térmicas 6,5 kWh/grau-dia

27,5 Wh/m2.grau-dia U paredes exteriores 0,6 W/m2ºC

Máxima oscilação térmica 5ºC Consumo de energia para o ambiente 4600 kWh/ano

Contribuição solar 3200 kWh/ano Energia auxiliar (lenha) 1400 kWh/ano

Graus-dia Porto (base 18ºC) 1615 Colectores solares planos para AQS 4 m2

Depósito acumulador de AQS 300 litros Circuitos eléctricos independentes 12

Interruptores horários 12

Tabela 5: Detalhes Energéticos sobre a casa termicamente otimizada


47

Conclusões O objetivo deste trabalho no âmbito do projeto Feup foi alcançado. Este trabalho

permitiu-nos ter um conhecimento mais alargado dos sistemas de aquecimento que podem

fazer parte das nossas casas e aos quais não revelamos a devida importância.

Para além disso, ficamos capazes de avaliar qual dos equipamentos é mais adequado

para um local ou outro, dependendo das condições do edifício e de questões de instalação.

Os sistemas de aquecimento trazem o conforto para dentro das nossas casas e, tal

como outros equipamentos, não é dada a devida importância.

Sendo assim, com este trabalho, percebemos que a engenharia mecânica tem um

enorme impacto, não só a nível industrial, mas também bem perto de nós, nas nossas

casas.


48

Referências bibliográficas

- Ferreira, Marta Catarina Couto (2012). “Consumo doméstico de biomassa lenhosa e emissões atmosféricas na cidade de Bragança”. Bragança: Escola Superior Agrária. Dissertação de Mestrado em Tecnologia Ambiental. Acedido a 9 de Outubro de 2015. https://bibliotecadigital.ipb.pt/handle/10198/7893

- Pinto, Anabela Martins Correia (2006). “A Utilização da Madeira no Aquecimento

Escolar na Região de Viseu”. Lisboa: Universidade Técnica de Lisboa Instituto Superior de Agronomia. Dissertação Mestrado em Engenharia de Materiais Lenhocelulósicos. Acedido a 9 de Outubro de 2015. https://www.repository.utl.pt/bitstream/10400.5/1890/1/tese_definitiva.pdf

- Mendes, Carlos Manuel Miranda (2011). “Ensaio de equipamento de aquecimento ambiente a pellets para marcação CE”. Minho: Universidade do Minho Escola de Engenharia. Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica. Acedido a 9 Outubro de 2015. http://repositorium.sdum.uminho.pt/bitstream/1822/21725/1/TESE_Carlos%20Mendes_2011.pdf

- Ferreira, Catarina Isabel Almeida (2010). “Implementação e Estudo de um

Colector Solar do Tipo Termossifão e de um Sistema de Painéis Fotovoltaicos”. Porto: Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. Tese de mestrado de Engenharia Química. Acedido a 5 Outubro de 2015. http://digitool.fe.up.pt:1801/view/action/singleViewer.do?dvs=1444055157650~979&locale=pt_PT&metadata_object_ratio=25&side_by_side=false&VIEWER_URL=/view/action/singleViewer.do?&preferred_extension=pdf&DELIVERY_RULE_ID=5&frameId=1&usePid1=true&usePid2=true

- Alves, Nuno Eugénio (2008). “Desenvolvimento para a certificação de um colector solar térmico plano de elevada eficiência”. Porto: Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica - Energia Térmica. Acedido a 5 de Outubro de 2015. http://eos.fe.up.pt:1801/view/action/nmets.do?DOCCHOICE=50953.xml&dvs=1444055879297~411&locale=pt_PT&search_terms=&adjacency=&VIEWER_URL=/view/action/nmets.do?&DELIVERY_RULE_ID=2&divType=&usePid1=true&usePid2=true

- J. Luis (atualizado). “Energia Solar – Aquecimento de Água: Ficha de Trabalho”.

Disponível em: http://www.profelectro.info/tag/painel-solar-termico/

- Várias referencias. “Ar Condicionado”. Acedido em 6 de Outubro de 2015.

Disponível em: https://en.wikipedia.org/wiki/Air_conditioning

- A.Dias Ar condicionado. “Qual é o princípio do funcionamento do ar


49

condicionado?”. Acedido em 6 de Outubro de 2015. Disponível em:

http://www.adias.com.br/funcionamento_do_ar

- Marshall Brain. “Como tudo funciona” . Acedido em 8 de Outubro de 2015 .

Disponível em: http://casa.hsw.uol.com.br/ar-condicionado.htm

- Desconhecido. “Aquecimento, Ventilação, Ar Condicionado” Acedido a 8 de

Outubro de 2015. Disponível em: www.prof2000.pt/users/lpa/avac.ppt

- Carrier United Technologies. Acedido a 8 de Outubro de 2015. Disponível em:

http://www.carrier.pt/faq

- Michelle Miley, “Most Common Problems in Installing a Window Air Conditioner”. Acedido a 8 de Outubro de 2015. Disponível em: http://homeguides.sfgate.com/common-problems-installing-window-air-conditioner-61184.html

- “Capacidade Térmica Mássica”. Disponível em:

https://www.infopedia.pt/login?ru=apoio/artigos/$capacidade-termica-massica

- “Condutividade Térmica”. Disponível em:

http://www.infopedia.pt/$condutividade-termica

- Desconhecido (sem data). “Glycol Heat-Transfer Fluids Ethylene Glycol versus

Propylene Glycol”. Disponível em:

http://www.veoliawaterstna.com/crownsolutions/ressources/documents/2/21823,

Glycol.pdf

- Rocha Peixoto, Gonçalo Manuel Barros Magalhães (2010). “Sistema integrado de energias renováveis numa moradia unifamiliar”. Lisboa: Faculdade de Ciências e Tecnologias da Universidade Nova de Lisboa. Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica – área de energia. Acedido a 9 de Outubro de 2015.

- ENAT - Energias Naturais (2015) Disponível em:

http://pt.enat.pt/pt/produtos/energia-solar-termodin%C3%A2mica Acedido em 29 de Setembro de 2015.

- Desconhecido (14 de abril de 2015). Disponível em: https://pt.wikipedia.org/wiki/Recuperador_de_calor Acedido a 25 de Setembro de 2015.


50

- AdEPorto (2013) Disponível em: http://www.adeporto.eu/cto.php Acedido 12 de Outubro de 2015

- Silva Marques, António Sérgio da (2010). “Análise económica dos sistemas de climatização e preparação de AQS utilizados nos edifícios residenciais”. Coimbra: Faculdade de Ciências e Tecnologias da Universidade Nova de Lisboa. Mestrado em Engenharia Mecânica – especialidade de energia e ambiente. Acedido a 5 de Outubro de 2015. https://estudogeral.sib.uc.pt/bitstream/10316/20389/1/Tese%20de%20Mestrado.pdf

a engenharia mecânica em casa relatório projeto...

Documents