eficiência energética em edifícios escolares · sectores de maior consumo no edifício,...

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Eficiência Energética em Edifícios Escolares Mauro Gonçalo Guerreiro Custódio Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica Júri Presidente: Professor Doutor Mário Manuel Gonçalves da Costa Orientador: Professor Doutor Carlos Augusto Santos Silva Vogal: Professor Doutor João Luís Toste Azevedo Outubro 2011

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Page 1: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

Eficiência Energética em Edifícios Escolares

Mauro Gonçalo Guerreiro Custódio

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Júri

Presidente: Professor Doutor Mário Manuel Gonçalves da Costa

Orientador: Professor Doutor Carlos Augusto Santos Silva

Vogal: Professor Doutor João Luís Toste Azevedo

Outubro 2011

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Agradecimentos

Quero agradecer em primeiro lugar ao Professor Doutor Carlos Silva pelo acompanhamento,

orientação e apoio imprescindível na realização deste trabalho. E ao Engenheiro Nuno Miguel

Garcia dos Santos pelos conselhos e ajuda prestada aquando da realização das visitas às

escolas secundárias.

Gostaria também de agradecer à Parque Escolar, em particular à Engenheira Marta Marques

Costa pela pronta disponibilidade na cedência de informações das escolas secundárias.

À Galp Energia, pela oportunidade que me foi dada em realizar um estudo desta natureza, no

âmbito do programa Galp Energia 20-20-20.

À direcção da Escola Secundária Vergílio Ferreira, pelo à vontade e disponibilidade

demonstrado durante a visita à escola.

Aos meus pais pelos valores e princípios transmitidos ao longo da minha vida que fazem de

mim a pessoa que sou hoje. E à minha irmã pela relação de amizade e carinho que possuímos

um pelo outro.

Por fim quero agradecer aos meus amigos por toda força e amizade que sempre me deram,

em especial ao Ricardo e ao Zé pelo total apoio transmitido ao longo da minha vida

universitária.

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Resumo

Nos últimos anos tem-se assistido a uma preocupação crescente por parte dos líderes

internacionais em promover uma maior sustentabilidade energética através de um maior

investimento em energias renováveis e de uma utilização mais racional da energia.

Na presente dissertação aborda-se este tema com base na análise de alguns edifícios

escolares intervencionados pela empresa Parque Escolar. Por terem sofrido um aumento

bastante significativo nos seus consumos após intervenção de forma a cumprirem com os

regulamentos vigentes, há agora a necessidade de analisar a adopção de medidas a nível

técnico e a nível comportamental, por forma a minimizar os custos associados ao consumo de

electricidade das escolas.

Neste sentido foram elaboradas duas ferramentas em EXCEL©Microsoft. A primeira ferramenta

permite efectuar a desagregação dos perfis de consumos da escola secundária identificando os

sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar

medidas de eficiência energética de natureza comportamental e de gestão de processos. A

segunda ferramenta avalia a potencialidade de aplicação de miniprodução fotovoltaica através

diferentes tipos de estratégias de gestão da energia produzida e integração com os consumos

da escola.

Assim verificou-se que o sistema de AVAC é o principal responsável pelo aumento dos

consumos , apresentando na maioria dos casos um sistema centralizado que pode potenciar os

consumos de electricidade. Por outro lado verificou-se que a miniprodução é uma solução

bastante promissora, mesmo quando não subsidiada, apresentando indicadores económicos

favoráveis. Por fim, através da alteração de comportamentos e processos, é possível induzir

poupanças adicionais no consumo eléctrico da escola até 7%.

PALAVRAS-CHAVE: Eficiência energética, edifícios escolares, solar fotovoltaico

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Abstract

Over the last few years, international leaders have shown an increasing concern in the

promotion of more sustainable energy systems through increasing investments in renewable

energy technologies and more rational use of energy.

The present work addresses this issue by analyzing some scholar buildings that were

intervened by the company Parque Escolar. Because they suffered a very significant increase in

their electricity consumption after the interventions in order to comply with the existing

regulations, it is necessary to study the adoption of some measures, both at the technical and

behavioral level, to minimize the schools’ electricity consumption.

In this way, two programs in Microsoft©EXCEL were developed. One allows the break-down of

the consumption profiles from a high school, identifying the most inefficient sections, recognize

deviations and test the measures of energy efficiency related both with behavior and procedure

management. The other program assesses the potential for use photovoltaic production through

different management strategies for the energy produced and integration with the expenditure of

the school.

It was found that HVAC system is the primarily responsible for the increase in consumption, in

most cases using a centralized system that may increase the electricity use. On the other hand,

it was found that photovoltaic production systems maybe a very promising solution, even when

it is not subsidized, as it presents favorable economic indicators. Finally, by changing some

behaviors and processes, it is possible to provide savings on the school consumption up to 7%.

KEYWORDS: Energy efficiency, scholar buildings, solar photovoltaic

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Índice

Agradecimentos.............................................................................................................................. i

Resumo .......................................................................................................................................... ii

Abstract ......................................................................................................................................... iii

Índice ............................................................................................................................................. iv

Índice de Figuras .......................................................................................................................... vii

Índice de Tabelas .......................................................................................................................... xi

Abreviaturas e Simbologia ........................................................................................................... xii

1. Introdução .............................................................................................................................. 1

1.1 Motivação e Enquadramento ........................................................................................ 1

1.2 Caso de estudo ............................................................................................................. 3

1.3 Contributos da tese ....................................................................................................... 4

1.4 Estrutura da tese ........................................................................................................... 5

2. Revisão Bibliográfica .............................................................................................................. 5

2.1 Legislação nacional de energia em edifícios ................................................................ 5

2.1.1 SCE ........................................................................................................................... 5

2.1.2 RCCTE ...................................................................................................................... 5

2.1.3 RSECE ...................................................................................................................... 6

2.1.4 ECO.AP ..................................................................................................................... 6

2.1.5 Miniprodução ............................................................................................................. 6

2.2 Consumo de energia em edifícios escolares ................................................................ 6

3. Descrição das Escolas ........................................................................................................... 9

3.1 Liceu Histórico ............................................................................................................... 9

3.2 Escola MOP ................................................................................................................. 13

3.2.1 Escola Secundária Gil Vicente ................................................................................ 14

3.3 Escola Pavilhonar ........................................................................................................ 17

3.3.1 Escola Secundária Vergílio Ferreira ........................................................................ 17

3.3.2 Escola Secundária D. Dinis ..................................................................................... 21

3.3.3 Escola Secundária Pedro Alexandrino .................................................................... 25

3.4 Identificação do problema ........................................................................................... 28

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4. Modelação das ferramentas de eficiência energética ......................................................... 31

4.1 Ferramenta de cálculo para caracterizar o consumo de energia ................................ 31

4.1.1 Conceitos teóricos ................................................................................................... 31

4.1.2 Análise dos consumos energéticos ......................................................................... 33

4.1.3 Medições e Factores de utilização .......................................................................... 34

4.1.4 Taxa de ocupação das Salas de Aula ..................................................................... 37

4.1.5 Estrutura da ferramenta........................................................................................... 38

4.2 Estudo da implementação de painéis fotovoltaicos .................................................... 45

4.2.1 Posição Relativa do Sol........................................................................................... 45

4.2.2 Energia Solar ........................................................................................................... 49

4.2.3 Sistema fotovoltaico ................................................................................................ 51

4.2.4 Análise de Investimento .......................................................................................... 54

4.2.5 Estrutura da ferramenta........................................................................................... 55

5. Resultados ........................................................................................................................... 57

5.1 Validação ..................................................................................................................... 57

5.1.1 Previsão de consumos ............................................................................................ 57

5.1.2 Solar ........................................................................................................................ 61

5.2 Caracterização do consumo de energia...................................................................... 64

5.3 Miniprodução ............................................................................................................... 67

5.3.1 Potência de 100 kW ................................................................................................ 67

5.4 Eficiência Energética ................................................................................................... 70

5.4.1 Mudança de horário Aulas ...................................................................................... 70

5.4.2 Mudança de horário Refeitório ................................................................................ 72

5.4.3 Consumos residuais (Standby) ............................................................................... 73

5.4.4 AVAC ....................................................................................................................... 74

5.5 Poupanças Totais ........................................................................................................ 75

5.6 Medidas Complementares .......................................................................................... 76

6. Conclusões........................................................................................................................... 77

7. Referências Bibliográficas .................................................................................................... 79

A. Anexos ............................................................................................................................. 81

A.1 Dados das escolas ............................................................................................................ 81

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A.2 Preços da electricidade ..................................................................................................... 82

A.3 Potências Instaladas ......................................................................................................... 82

A.3.1 ESVF........................................................................................................................... 82

A.3.2 ESPA .......................................................................................................................... 84

A.3.3 ESPM .......................................................................................................................... 84

A.4 Perfis de consumo de vários blocos da ESVF .................................................................. 85

A.5 Previsão do perfil de consumo .......................................................................................... 89

A.5.1 Facturas de electricidade Dom Dinis Jan-11 .............................................................. 89

A.5.2 Facturas de electricidade Dom Dinis Mai-11 .............................................................. 90

A.5.3 Facturas de electricidade Pedro Alexandrino Fev-10 ................................................ 91

A.5.4 Facturas de electricidade Pedro Alexandrino Mai-11 ................................................. 92

A.5.5 Facturas de electricidade da Escola Secundária Gil Vicente Jan-11 ......................... 93

A.5.6 Facturas de electricidade da Escola Secundária Gil Vicente Mai-10 ......................... 94

A.6 Características das Cidades ............................................................................................. 95

A.6.1 Localização das cidades............................................................................................. 95

A.6.2 Curvas de factor céu limpo ......................................................................................... 95

A.6.3 Curvas da temperatura média do ar ........................................................................... 96

A.7 Características dos Painéis ............................................................................................... 97

A.8 Ferramenta de Análise de Consumos ............................................................................... 98

A.9 Ferramenta Solar ............................................................................................................ 102

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Índice de Figuras

Figura 1 – Evolução e distribuição do consumo mundial de energia [1]....................................... 1

Figura 2- Desagregação de medidas que irão proporcionar a diminuição de CO2 [3] ................ 2

Figura 3 - Distribuição por sectores do consumo energético mundial e respectivo potencial de

poupança [6] .................................................................................................................................. 3

Figura 4 - Localização da ESPM (ponto A) ................................................................................. 10

Figura 5 - Planta da ESPM e indicação das novas construções ................................................ 11

Figura 6 - Pátio da ESPM ............................................................................................................ 11

Figura 7 - Piso -1 da Escola Secundária Passos Manuel ........................................................... 12

Figura 8 - Piso 0 da Escola Secundária Passos Manuel ............................................................ 12

Figura 9 - Piso 1 da Escola Secundária Passos Manuel ............................................................ 12

Figura 10 - Localização da ESGV (ponto A) ............................................................................... 14

Figura 11 - Planta da ESGV e indicação das novas construções .............................................. 15

Figura 12 – Novo espaço da ESGV (exterior) ............................................................................. 15

Figura 13 - Novo espaço da ESGV (interior) .............................................................................. 15

Figura 14 - Piso 1 da Escola Secundária Gil Vicente ................................................................. 16

Figura 15 - Piso 2 da Escola Secundária Gil Vicente ................................................................. 16

Figura 16 - Piso 3 da Escola Secundária Gil Vicente ................................................................. 16

Figura 17 - Localização da ESVF (ponto A) ................................................................................ 18

Figura 18 - ESVF antes da renovação da Parque Escolar (2009) .............................................. 18

Figura 19 - Comparação da estrutura antes e depois da requalificação ESVF ......................... 19

Figura 20 - Localização da ESDD (ponto A) ............................................................................... 21

Figura 21- Planta da ESDD e indicação das novas construções ............................................... 22

Figura 22 - Bloco central ESDD (exterior) ................................................................................... 22

Figura 23 - Bloco central ESDD (interior) .................................................................................... 22

Figura 24 – Biblioteca ESDD ....................................................................................................... 23

Figura 25 – Auditório ESDD ........................................................................................................ 23

Figura 26 - Painéis Solares e Fotovoltaicos da ESDD................................................................ 23

Figura 27 - Mini-eólica da ESDD ................................................................................................. 23

Figura 28 – Tipologia Escola Secundária D. Dinis Piso 0 ........................................................... 24

Figura 29 - Tipologia Escola Secundária D. Dinis Piso 1............................................................ 24

Figura 30 - Localização da ESPA (ponto A) ............................................................................... 25

Figura 31 - Planta da escola ESPA e indicação das novas construções ................................... 26

Figura 32 - Nova cobertura da ESPA a) ..................................................................................... 26

Figura 33 - Nova cobertura da ESPA b) ..................................................................................... 26

Figura 34 - Piso 0 da Escola Secundária Pedro Alexandrino ..................................................... 27

Figura 35 - Piso 1 da Escola Secundária Pedro Alexandrino ..................................................... 27

Figura 36 - Piso 2 da Escola Secundária Pedro Alexandrino ..................................................... 27

Figura 37 - Evolução dos consumos de energia no Inverno ....................................................... 28

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Figura 38 - Evolução dos consumos de energia no Verão ......................................................... 28

Figura 39 - Consumos da ESPM com e sem AVAC ................................................................... 29

Figura 40 – Horários dos períodos de facturação no ciclo diário ................................................ 32

Figura 41 - Quadro eléctrico de um bloco de sala de aulas ....................................................... 34

Figura 42 - Analisador a partir do qual se fazia a ligação do quadro ao computador ................ 34

Figura 43 – Indicação de possíveis aproximações ..................................................................... 41

Figura 44 - Processo de aproximação do modelo de previsão ................................................... 41

Figura 45 - Trajecto do Sol no hemisfério Norte nas diferentes estações do ano ...................... 45

Figura 46 - Representação das coordenadas geográficas Latitude e Longitude ....................... 46

Figura 47 - Declinação Solar ....................................................................................................... 47

Figura 48 - Evolução da equação hora ao longo do ano ............................................................ 48

Figura 49 - Definição de ângulos para a incidência da radiação solar sobre um painel

inclinado[24] ................................................................................................................................ 49

Figura 50 - Comparação entre a previsão e o consumo real para ESDD em Jan-11 ................ 57

Figura 51 - Comparação entre a previsão e o consumo real para ESDD em Maio-11 .............. 58

Figura 52 - Comparação entre a previsão e o consumo real para ESPA em Fev-10 ................ 58

Figura 53 - Comparação entre a previsão e o consumo real para ESPA em Mai-11 ................. 59

Figura 54 - Comparação entre a previsão e o consumo real para ESGV em Jan-11 ................ 59

Figura 55 - Comparação entre a previsão e o consumo real para ESGV em Maio-10 .............. 60

Figura 56 - Comparação entre a previsão e o consumo real para ESPM emJan-11 ................. 60

Figura 57 - Comparação entre a previsão e o consumo real para ESPM em Maio-11 .............. 61

Figura 58 - Perfil de consumo fim-de-semana ESPM ................................................................. 62

Figura 59 - Dados da instalação fotovoltaica ESDD ................................................................... 63

Figura 60 - Desagregação do consumo da ESVF ...................................................................... 64

Figura 61 - Desagregação do consumo da ESDD ...................................................................... 64

Figura 62 - Desagregação do consumo da ESPA ...................................................................... 65

Figura 63 - Desagregação do consumo da ESGV ...................................................................... 65

Figura 64 - Desagregação do consumo da ESPM ...................................................................... 66

Figura 65 - Evolução da produção de energia ao longo do ano ................................................. 68

Figura 66 - Evolução das poupanças ao longo do 1º ano .......................................................... 68

Figura 67 - Desagregação consumo ESVF Março-2010 ............................................................ 71

Figura 68 - Alteração da ocupação das Salas de Aula ESVF .................................................... 71

Figura 69 - Disposição dos conjuntos de lâmpadas actual e o correcto ..................................... 76

Figura A. 1- Perfil de consumo no fim-de-semana Bloco B ESVF .............................................. 85

Figura A. 2 - Perfil consumo médio do bloco B ESVF ................................................................ 85

Figura A. 3 - Perfil de consumo fim-de-semana do bloco C ESVF ............................................. 86

Figura A. 4 - Perfil consumo médio do bloco C ESVF ................................................................ 86

Figura A. 5 - Perfil de consumo fim-de-semana do bloco H ESVF ............................................. 87

Figura A. 6 - Perfil de consumo médio bloco H ESVF ................................................................ 87

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Figura A. 7 - Perfil de consumo no fim-de-semana Refeitório ESVF.......................................... 88

Figura A. 8 - Perfil de consumo médio dia útil Refeitório ESVF ................................................. 88

Figura A. 9 - Factura Papel da ESDD Jan-11 ............................................................................. 89

Figura A. 10 - Factura Online da ESDD em Jan-11 .................................................................... 89

Figura A. 11 - Factura Papel ESDD em Mai-11 .......................................................................... 90

Figura A. 12 - Factura Online da ESDD em Mai-11 .................................................................... 90

Figura A. 13 - Factura papel ESPA em Fev-10 ........................................................................... 91

Figura A. 14 – Factura Online da ESPA em Fev-10 ................................................................... 91

Figura A. 15 - Factura Papel ESPA em Mai-11 .......................................................................... 92

Figura A. 16 - Factura Online da ESPA em Mai-11 .................................................................... 92

Figura A. 17 - Factura Papel ESGV em Jan-11 .......................................................................... 93

Figura A. 18 - Factura online ESGV Jan-11 ................................................................................ 93

Figura A. 19 - Factura papel ESGV em Mai-10 .......................................................................... 94

Figura A. 20- Factura Online da ESGV em Mai-10 ..................................................................... 94

Figura A. 21 - Evolução do factor de céu limpo obtida através dos valores tabelados .............. 96

Figura A. 22 - Evolução da temperatura média obtida através dos valores tabelados .............. 97

Figura A. 23 – Página inicial da ferramenta consumos............................................................... 98

Figura A. 24 - Introdução dos dados da factura (ESPA Fev-10) ................................................ 98

Figura A. 25 - Potências Instaladas da escola secundária ......................................................... 98

Figura A. 26 - Taxas de ocupação .............................................................................................. 99

Figura A. 27 - Características da escola ..................................................................................... 99

Figura A. 28 - Características do mês ......................................................................................... 99

Figura A. 29 - Tarifário e Potência Contratada ......................................................................... 100

Figura A. 30 - Coluna onde se deve colocar os valores da factura online ............................... 100

Figura A. 31 - Previsão do perfil de consumo ........................................................................... 100

Figura A. 32 - Desagregação do perfil de consumo.................................................................. 101

Figura A. 33 - Horários de cada secção .................................................................................... 101

Figura A. 34 - Factores de utilização de cada tipologia ............................................................ 101

Figura A. 35 - Resultados .......................................................................................................... 102

Figura A. 36 - Página inicial da ferramenta solar ...................................................................... 102

Figura A. 37 - Localização do sistema fototovoltaico ................................................................ 102

Figura A. 38 - Características do local onde se pretende instalar o sistema fotovoltaico ........ 103

Figura A. 39 - Ângulos do painel ............................................................................................... 103

Figura A. 40 - Selecção do painel instalado .............................................................................. 103

Figura A. 41 - Características do painel instalado .................................................................... 103

Figura A. 42 - Características da instalação ............................................................................. 103

Figura A. 43 - Tipos de poupança ............................................................................................. 104

Figura A. 44 - Tarifa Venda ....................................................................................................... 104

Figura A. 45 - Valor médio diário Energia Ponta ....................................................................... 104

Figura A. 46 - Valor de poupança calculado ............................................................................. 104

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Figura A. 47 - Dados que permitem calcular os indicadores económicos ................................ 104

Figura A. 48 - Indicadores económicos ..................................................................................... 105

Figura A. 49 - Cálculo do dia absoluto ...................................................................................... 105

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Índice de Tabelas

Tabela 1 - Factores de Utilização Salas de Aula ........................................................................ 37

Tabela 2 - Taxas de ocupação .................................................................................................... 37

Tabela 3 – Horário de cada parcela de potência ........................................................................ 40

Tabela 4 - Erro ESDD Jan-11 ..................................................................................................... 57

Tabela 5 - Erro ESDD Mai-11 ..................................................................................................... 58

Tabela 6 - Erro ESPA Fev-10 ...................................................................................................... 58

Tabela 7 - Erro ESPA Mai-11 ...................................................................................................... 59

Tabela 8 - Erro ESGV Jan-11 ..................................................................................................... 59

Tabela 9 - Erro ESGV Mai-10 ..................................................................................................... 60

Tabela 10 - Erro ESPM Jan-11 ................................................................................................... 60

Tabela 11 - Erro ESPM Mai-11 ................................................................................................... 61

Tabela 12 - Validação Solar valores referência .......................................................................... 61

Tabela 13- Erro ESPM solar ....................................................................................................... 62

Tabela 14 - Erro ESDD solar ....................................................................................................... 63

Tabela 15 - Relações Energia/alunos e Energia/área das escolas secundárias analisadas

C/AVAC ....................................................................................................................................... 66

Tabela 16 - Relações Energia/alunos e Energia/área das escolas secundárias analisadas

S/AVAC ....................................................................................................................................... 66

Tabela 17 - Poupança miniprodução segundo diferentes tipos de poupança ............................ 69

Tabela 18 - Indicadores económicos para cada tipo de poupança ............................................ 69

Tabela 19 - Poupança diária devido à mudança de horários das salas de aula ........................ 72

Tabela 20 - Taxas de ocupação .................................................................................................. 72

Tabela 21 - Poupança devido à alteração dos horários para todas escolas analisadas ............ 72

Tabela 22 - Poupanças de standby para as escolas analisadas ................................................ 74

Tabela 23 - Variação de Potência AVAC .................................................................................... 75

Tabela 24- Poupança AVAC ....................................................................................................... 75

Tabela 25 - Poupança Total ........................................................................................................ 75

Tabela A. 1 - Áreas e número de alunos das escolas visitadas ................................................. 81

Tabela A. 2 - Áreas das escolas analisadas ............................................................................... 81

Tabela A. 3 - Tarifário em Média Tensão .................................................................................... 82

Tabela A. 4 – Potência Instalada da ESVF ................................................................................. 84

Tabela A. 5 – Potência Instalada da ESPA ................................................................................. 84

Tabela A. 6 - Latitude e longitude das cidades ........................................................................... 95

Tabela A. 7 - Valores tabelados de factor de céu limpo ............................................................. 95

Tabela A. 8 – Valores tabelados da temperatura média do ar ................................................... 96

Tabela A. 9 - Características dos painéis ................................................................................... 97

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Abreviaturas e Simbologia

AM: Massa de ar

as: Ângulo de azimute solar

AVAC: Aquecimento Ventilação e Ar condicionado

aw: Ângulo de azimute do painel

En.Aulas.Est: Energia Estimada de Aulas

En.AulasManhã.Est: Energia estimada das aulas da manhã

En.AulasTarde.Est: Energia estimada das aulas da tarde

En.Bloco24h: Energia dos Equipamentos 24 horas de um bloco

ENE: Estratégia Nacional para a Energia

ESDD: Escola Secundária Dom Dinis

ESGV: Escola Secundária Gil Vicente

ESPA: Escola Secundária Pedro Alexandrino

ESPM: Escola Secundária Passos Manuel

ESVF: Escola Secundária Vergílio Ferreira

ET: Correcção da hora solar

FCT: Faculdade de Ciências e Tecnologia

FU.24H: Factor de utilização dos Equipamentos 24horas

FU.IluExt: Factor de Utilização da Iluminação Exterior

G: Constante solar efectiva

Gb: Irradiância directa

Gd: Irradiância difusa

GEE: Gases de Efeito de Estufa

Gr: Irradiância reflectida

hs: Ângulo horário

ICS: Instituto Ciências Socias

Isc: Corrente curto-circuito

IST: Instituto Superior Técnico

Kt: Factor céu limpo

L: Latitude

l: Longitude

LNEC: Laboratório Nacional de Engenharia Civil

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MOP: Ministério das Obras Públicas

NOCT: Temperatura da célula nas condições padrão

Pcm: Potência média Cheia manhã

Pcn: Potência média Cheia noite

Pct: Potência média Cheia tarde

Pot.24h.Est: Potência Estimada dos Equipamentos 24horas

Pot.Aulas.Est: Potência Estimada de Aulas

Pot.IluExt.Est: Potência Estimada de Iluminação Exterior

PotB.24h: Potência Equipamentos 24 horas do bloco B

PotC.24h: Potência Equipamentos 24 horas do bloco C

PotE.24h: Potência Equipamentos 24 horas do bloco E

PotH.24h: Potência Equipamentos 24 horas do bloco H

Ppm: Potência média Ponta manhã

Ppt: Potência média Ponta tarde

Pv: Potência média Vazio

RCCTE: Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos Edifícios

RSECE: Regulamento dos Sistemas Energéticos de Climatização em Edifícios

SCE: Sistema Nacional de Certificação Energética e da Qualidade do Ar Interior

TaxaManhã: Taxa de ocupação das salas de aula no período de manhã

TaxaTarde: Taxa de ocupação das salas de aula no período de tarde

TIR: Taxa interna de rentabilidade

ts: Hora solar

VAL: Valor actual líquido

Voc: Tensão circuito aberto

α: Ângulo de altitude solar

β: Ângulo de inclinação do painel

δ: Declinação solar

θ: Ângulo de zénite

ρ: índice de reflectância do terreno

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1

1. Introdução

1.1 Motivação e Enquadramento

Nas últimas décadas, os países industrializados adoptaram políticas de desenvolvimento

económico para aumentar o bem de estar das populações, assentes em grandes consumos

energéticos e com repercussões resultantes no impacto ambiental e na escassez dos recursos

energéticos mundiais.

Em 2010 o consumo mundial de energia atingiu o valor de 12 mil milhões de toneladas

equivalentes de petróleo sendo que 87% da parcela correspondeu a combustíveis fósseis[1].

Figura 1 – Evolução e distribuição do consumo mundial de energia [1]

Com uma matriz energética mundial tão dependente dos combustíveis fósseis, existe uma

grande emissão de gases com efeito de estufa (GEE) com impacto directo no aumento da

temperatura do planeta e potenciando alterações climáticas. Estas alterações reflectem-se no

aumento do nível médio dos oceanos por liquefacção dos pólos, na desertificação e diminuição

da periodicidade de catástrofes naturais.

Devido aos efeitos nefastos que iriam resultar no futuro das novas gerações, tem existido uma

progressiva consciencialização relativamente ao problema e adopção de soluções para o

mitigar por parte da comunidade internacional. Em Dezembro de 1997 foi estabelecido um

protocolo internacional entre 100 países onde foram definidas metas para a redução de

emissões de CO2. Este acordo internacional chamado Protocolo de Kyoto fixou o compromisso

de redução de pelo menos 5% de redução das emissões de CO2 equivalente em 2008-2012

em relação às emissões de 1990[2]. Contudo, a matriz energética mundial continuou

extremamente dependente da queima de combustíveis fósseis pelo que o aumento das

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2

emissões de GEE tem continuado, frustrando as pretensões deste protocolo. Dada a expiração

do protocolo de Kyoto em 2012 já foram iniciadas as conversações para um novo acordo

internacional, que parece ser difícil de alcançar, tendo em conta os acordos modestos

alcançados em Copenhaga em 2009 e Cancun 2010.

Portugal é um país com poucos recursos fósseis endógenos pelo que a sua uma matriz

energética é bastante dependente dos combustíveis fósseis do exterior. Esta dependência é

bastante prejudicial à economia nacional devido à grande vulnerabilidade a que o país fica

sujeito em relação às flutuações dos preços internacionais. Isto acontece porque a matriz

energética mundial é composta maioritariamente por combustíveis fosseis, existindo por isso

uma grande pressão nos mercados sempre que existem flutuações significativas na produção -

decorrente por exemplo de guerras ou desastres naturais - ou no consumo - decorrente por

exemplo de estados climáticos severos ou alterações dos ciclos económicos.

Dada esta situação, Portugal tem vindo a repensar a sua matriz energética, em particular pela

maior utilização dos recursos renováveis endógenos para geração de energia. No entanto este

tipo de energia tem a desvantagem de requerer elevados investimentos que só são viáveis

muitas vezes através de incentivos económicos.

Outra forma de diminuir a dependência dos mercados internacionais é utilizar a energia de

forma mais racional e eficiente. Segundo a Agência Internacional de energia é possível realizar

uma diminuição de pelo menos 50% na emissão de GEE até 2050, sendo que a eficiência

energética deverá ser responsável por 58 % dessa diminuição[3].

Figura 2- Desagregação de medidas que irão proporcionar a diminuição de CO2 [3]

Em Março de 2007 os líderes europeus decidiram encetar esforços para tornar a Europa numa

economia eficiente com baixas emissões de carbono combatendo ao mesmo tempo as

alterações climáticas. Consequentemente, criou-se uma estratégia denominada de Iniciativa

20-20-20 onde foram estabelecidas várias metas para o ano 2020[4]

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3

Redução de pelo menos 20% na emissão de GEE em relação às emissões de 1990;

20% da energia consumida na União Europeia deverá provir de energias renováveis;

Redução de 20% na utilização de energia primária através do aumento de eficiência

energética.

Assim o Estado Português definiu uma nova Estratégia Nacional para a Energia, a ENE 2020,

de forma a corresponder aos objectivos que se propôs em conjunto com os outros estados

membros e que procura não só promover a utilização de energias renováveis, diminuir as

emissões de GEE e aumentar a eficiência energética[5].

Ao nível da eficiência energética, existe um enorme potencial no sector dos edifícios, sendo

que de acordo com a EEB caso não sejam adoptadas medidas, a energia utilizada em edifícios

poderá ser maior que a utilizada nos transportes ou indústria. No entanto, estima-se que este

aumento poderá ser contrariado em mais de 60% através de uma maior utilização de energias

renováveis e através da adopção de medidas de eficiência energética [6].

Figura 3 - Distribuição por sectores do consumo energético mundial e respectivo potencial de poupança [6]

Por estes motivos, o desenvolvimento de estratégias de eficiência energética no sector dos

edifícios é um tópico de investigação e desenvolvimento muito relevante no contexto actual.

1.2 Caso de estudo

A Parque Escolar, EPE, fundada em 2007 e sediada na Avenida Infante Santo, Lisboa, é uma

empresa pública que tem o objectivo de requalificar várias escolas secundárias do país

melhorando a qualidade das mesmas. O Estado, ao criar esta empresa, viu assim uma

oportunidade para relançar economicamente o sector da construção, contribuindo ao mesmo

tempo para a melhoria da qualidade de ensino dos seus cidadãos[7].

A intervenção das escolas secundárias tem como objecto principal a requalificação do espaço

de ensino com a adequação das infra-estruturas às novas tecnologias de informação e

comunicação, ao desenvolvimento dos espaços laboratoriais, modernização de espaços

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4

comuns como bibliotecas, cantinas, pavilhões, auditórios, etc. Para além disso, foram

melhoradas as condições de conforto e habitabilidade, garantindo-se a melhoria em aspectos

como a qualidade do ar, isolamento térmico, isolamento acústico e acessibilidade de forma a

cumprirem com a legislação em vigor. Espera-se ainda que as escolas requalificadas sejam

abertas à comunidade, e que sejam promovidas várias actividades extra-curriculares como

eventos sociais, culturais e desportivos.

Ao todo, foram já intervencionadas perto de 100 escolas por todo o país de um total de mais de

três centenas de intervenções preconizadas pelo programa de Modernização Escolar.

As escolas secundárias, por serem infra-estruturas com grandes áreas de implantação e por

albergarem um elevado número de pessoas, tendem a apresentar necessidades energéticas

elevadas. Estas necessidades aumentaram significativamente após a intervenção da Parque

Escolar, de forma a cumprirem os requisitos legais de conforto térmico e qualidade de ar

interior, tornando os custos operacionais de funcionamento significativamente superiores aos

anteriormente observados. Este aumento fomentou o interesse pela análise de medidas de

eficiência energética que visassem a diminuição do consumo de energia e consequentes

gastos, sobretudo no actual contexto de restrições económico-financeiras que o país atravessa.

1.3 Contributos da tese

Assim, o objectivo deste trabalho é identificar o potencial de medidas que promovam a

utilização da energia de uma forma mais racional, bem como o potencial de investimento de

miniprodução solar nos edifícios escolares intervencionados pela Parque Escolar. Esta análise

deverá permitir quantificar o impacto económico e energético gerado pelas medidas de

eficiência energética. Para avaliar o potencial destas medidas elaborou-se uma ferramenta de

cálculo que permitisse efectuar a análise em qualquer escola secundária remodelada pela

Parque Escolar.

Para analisar a forma como a energia é utilizada é necessário:

1) Processar a informação das facturas das escolas secundárias para perceber qual o

peso das necessidades energéticas (electricidade, gás) e o seu contributo para os

custos de funcionamento. Sempre que possível, é fundamental ter acesso aos perfis

diários de consumo de electricidade.

2) Posteriormente, devem ser recolhidas informações relativamente à caracterização dos

equipamentos (salas de aula, cantina, etc.) na escola e a respectiva utilização de forma

a caracterizar os factores de utilização dos mesmos.

3) A ferramenta detecta desvios ao padrão de funcionamento expectável e sugere

algumas acções para tornar o consumo mais eficiente.

Para analisar o potencial de utilização da miniprodução é necessário:

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5

1. Indicar as características da instalação (área disponível de instalação, potência

pretendida, região de implantação, etc.

2. O programa calcula a quantidade de energia anual produzida com resolução horária

para aquela instalação.

3. A ferramenta analisa diferentes opções de regimes de utilização da miniprodução

calculando diferentes indicadores económicos que permitem análise o potencial do

investimento.

1.4 Estrutura da tese

O relatório está dividido em 7 capítulos. Após este capítulo 1 de introdução, é efectuada a

revisão bibliográfica no capítulo 2. No capítulo 3 faz-se a descrição das escolas analisadas

enumerando-se as principais intervenções nas suas instalações e efectuada a identificação do

problema. No capítulo 4 descrevem-se os conceitos teóricos utilizados na ferramenta, bem

como a metodologia utilizada para análise. No capítulo 5 são demonstrados os resultados

enquanto no capítulo 6 são feitas as conclusões. Por fim no capítulo 7 são descritas as

referências bibliográficas.

2. Revisão Bibliográfica

Em Portugal, na sequência das políticas europeias, têm vindo a ser implementadas vários

instrumentos políticos para promoção da eficiência energética em edifícios.

2.1 Legislação nacional de energia em edifícios

2.1.1 SCE

O Decreto-Lei n.º 78/2006, tem como principais objectivos certificar o desempenho energético

e qualidade do ar interior nos edifícios, assegurar as exigências impostas pelo RCCTE e do

RSECE e identificar medidas de correcção ou melhoria dos sistemas energéticos existentes no

edifício relativamente a problemas construtivos que prejudicam a habitabilidade do edifício [8].

2.1.2 RCCTE

O Decreto-Lei 80/2006, de 4 de Abril, o Regulamento das Características de Comportamento

Térmico dos Edifícios (RCCTE), tem como objectivo salvaguardar a satisfação das condições

de conforto térmico dos edifícios sem necessidades excessivas de energia quer no Inverno

quer no Verão.

Este regulamento abrange os edifícios de habitação e os pequenos edifícios de serviços, desde

que a potência de climatização seja inferior a 25kW. O edifício de serviços tem de possuir uma

área útil menor que 1000m². Caso seja um centro comercial, hipermercado, supermercado ou

piscina coberta deverá ser menor que 500m²[9].

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6

2.1.3 RSECE

O Decreto-Lei 79/2006,de 4 de Abril, o Regulamento dos Sistemas Energéticos de

Climatização em Edifícios (RSECE), tem como principal objectivo assegurar a eficiência

energética dos edifícios de serviços impondo limites máximos ao consumo de energia em todo

o edifício. Esta eficiência energética é assegurada fundamentalmente através da introdução de

limites de potência de climatização tentando assim evitar sobredimensionamentos que estavam

a começar a ser prática comum. Para além necessidades térmicas máximas impostas pelo

RCCTE, o RSECE obriga a existir valores mínimos de renovação do ar e estabelece limites

para a concentração de algumas substâncias poluentes[10].

2.1.4 ECO.AP

No âmbito deste ENE2020, definiu-se então o Programa de Eficiência Energética na

Administração Pública, Eco.AP, pela Resolução do Conselho de Ministros nº2 de 2011 de 12

de Janeiro de 2011, com o propósito de aumentar em 20% a eficiência energética dos serviços

públicos, equipamentos e organismos da Administração Pública. Este programa possui

também a responsabilidade de gerir e averiguar as medidas de eficiência energética aplicadas

na Administração Pública, divulgar os consumos energéticos de todos edifícios e serviços; e

ainda adoptar medidas para o ministério que apresenta maiores consumos e por fim tem a

responsabilidade de iniciar todos os processos de intervenção até 2013[11].

2.1.5 Miniprodução

Como foi referido anteriormente uma das metas da União Europeia para 2020 é que as

Renováveis deverão ter um peso de 20% na produção de energia eléctrica. Assim, no

desenvolvimento da Estratégia Nacional para a Energia (ENE 2020) determinou-se o acesso à

actividade de miniprodução de energia eléctrica, tendo sido esta regulamentada pelo

Decreto-Lei 34/2011,de 8 de Março. A miniprodução de energia é uma pequena actividade de

produção de energia eléctrica que para além de permitir o auto-consumo, permite ao produtor

vender a totalidade dessa electricidade à rede eléctrica com uma tarifa bonificada. No entanto,

estabelece várias regras como a miniprodução não poder exceder 50% da potência contratada

para consumo com o comercializador.[12]

2.2 Consumo de energia em edifícios escolares

Os edifícios escolares são edifícios de serviços com um ambiente de trabalho particular[13].

Geralmente, o horário de funcionamento inicia-se de manhã cedo e termina no final da tarde

(para escolas com cursos nocturnos, este horário estende-se durante a noite). No entanto, não

existe uma utilização regular de muitas das divisões ocupadas (e.g., instalações sanitárias,

salas de aula, laboratórios, salas de exercício ou pavilhão gimnodesportivo). O uso eficiente da

energia nestes edifícios está dependente de uma gestão correcta das instalações e de uma

manutenção qualificada. Além disso, os factores nos quais esta eficiência se deve basear são a

estrutura do edifício, a iluminação, o uso tecnológico, os sistemas de aquecimento e a

densidade ocupacional das divisões da escola.

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7

De acordo com o Sistema de Certificação de Edifícios (SCE), todos os novos edifícios são

obrigados a uma certificação energética, bem como qualquer reconstrução que ultrapasse 30%

do valor do mesmo. Tal medida implica estudos meticulosos do desempenho energético e a

uma preocupação por parte dos gestores dos edifícios, visto que são aplicadas sanções às

baixas classificações energéticas.

Medidas de eficiência energética estão a ser implementadas em escolas de todo o mundo.

Encontram-se na literatura vários exemplos de intervenções realizadas em infra-estruturas

escolares. Preocupações relacionadas com o consumo de energia, qualidade do ar e conforto

térmico são as principais questões abordadas ([14] e [15]). No Canadá, o consumo médio

nacional nas escolas é de 472 kWh/m2, enquanto o edifício modelo de acordo com o Model

National Energy Code for Buildings do Canadá deverá ter um consumo de ca. 357 kWh/m2. Na

Grã-Bretanha, o Energy Efficiency Office tem desenvolvido estudos e orientações práticas para

optimizar o uso da energia nos edifícios escolares, nos quais as emissões de CO2 ascendem

aos ca. 6 milhões de toneladas, representando ca. 1% do total das emissões na Grã-

Bretanha[16]

Infelizmente, existem alguns exemplos da negligência relativamente a esta questão,

principalmente em países subdesenvolvidos. Como exemplo, na Argentina existem algumas

cidades mais recentes, de crescimento rápido, nas quais a percentagem de população jovem

está a crescer e, como tal, o consumo de energia também está a aumentar (e.g., em Santa

Rosa). Ainda assim, medidas para promover a preocupação com a eficiência energética nas

escolas não foram implementadas, o que pode vir a tornar-se um problema para o futuro [17].

Estudos relacionados com a Análise de Ciclo de Vida (LCA) dos edifícios estão também a ser

realizados, sendo esta também uma importante abordagem ao problema. A fase de construção

pode corresponder aos seguintes valores relativamente ao restante tempo de vida do edifício.

A referência [18] indica que esta fase pode corresponder a 32% da energia consumida, 30%

das emissões de CO2, 24% do consumo de materiais, de 30 a 40% da gestão de resíduos

sólidos e 17% do consumo de água potável. Números desta dimensão são uma chamada de

atenção, uma vez que a eficiência energética depende não só do comportamento dos

habitantes ou do estado do edifício, mas também da forma como é construído. De facto, esta

mesma fonte defende que a mudança na tecnologia de construção de uma escola para um tipo

pré-fabricado, permite alcançar uma redução na geração de desperdício acima dos 50%.

As medidas a serem implementadas pela administração das escolas para melhorar o

desempenho ambiental devem almejar bons níveis de rentabilidade. Entre aquelas com melhor

aspecto económico encontra-se a melhoria dos sistemas de climatização e iluminação. Por

outro lado, uma das menos atractivas é a instalação de sistemas solares para compensar as

necessidades eléctricas [14], o que é justificado pelos valores elevados do investimento inicial

que esta tecnologia acarreta. Ainda assim, tais medidas devem ser encorajadas, não só porque

podem ser associadas a medidas de poupança de custos, que diminui o período de

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8

recuperação de investimento, mas também porque tecnologias sustentáveis podem inspirar os

mais jovens a ter interesse na preservação do ambiente ([19] e [20]).

Em Portugal, e para compensar o aumento do consumo de energia que tem vindo a ocorrer

depois das renovação das escolas, o Projecto Parque Escolar tem estabelecido um

compromisso, a Connected Urban Development Protocol, em parceria com a Cisco, EDP e a

Câmara Municipal de Lisboa, com um objectivo de redução do impacto ambiental das novas

tecnologias de comunicação e informação. Para isso, foram implementadas as seguintes

medidas em três escolas piloto:

Informar acerca dos custos energéticos e as emissões de gases de efeito estufa

(GEE);

Monitorizar o consumo energético dos equipamentos de forma a avaliar os hábitos de

consumo;

Optimizar o consumo global de energia, através da promoção de políticas de poupança

entre os utilizadores (professores, estudantes e empregados);

Regularizar o consumo de energia através das tecnologias de informação e infra-

estruturas de redes.

Com isto, espera-se que a utilização de tecnologias adequadas promova uma melhoria do

panorama ambiental nos edifícios escolares.

Page 24: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

9

3. Descrição das Escolas

A requalificação promovida pela empresa Parque Escolar realizou-se um pouco por todo país,

afectando um conjunto de escolas secundárias com diferenças significativas, tanto em

condições tipo-morfológicas, como em qualidade arquitectónica e construtiva. Logo, tornou-se

necessário efectuar uma análise a escolas com diferentes tipologias com o objectivo de

averiguar a influência da tipologia nos custos de funcionamento da escola. Embora exista uma

grande heterogeneidade, o parque escolar destinado ao ensino secundário apresenta

fundamentalmente 3 tipos de tipologias, estando estas associadas à data de construção da

escola secundária:

1) Liceus Históricos;

2) Liceus MOP (Ministério das Obras Públicas);

3) Pavilhonar.

As escolas secundárias visitadas localizam-se na cidade de Lisboa, tendo havido a

preocupação de visitar pelo menos uma escola de cada tipologia para permitir estabelecer um

termo de comparação. Para além disso, foram analisadas mais escolas pavilhonares, por ser

este o tipo de tipologia mais representativo do parque escolar actual.

3.1 Liceu Histórico

As escolas históricas são as escolas construídas antes de 1935 e representam os primeiros

liceus planeados de raiz em Portugal a partir da reforma de Passos Manuel. Constituem

apenas 2 % do parque escolar (12 escolas) encontrando-se em zonas de forte centralidade e

densidade populacional.

Este tipo de escola apresenta uma estrutura assente num edifício único com pátios encerrados

apresentando uma estrutura semelhante a um convento. Na organização funcional é de realçar

a centralidade dos serviços administrativos e biblioteca conferindo-lhes um estatuto de

respeitabilidade enquanto em termos construtivos este tipo de escolas destaca-se por

apresentar paredes, divisões e portas com dimensões bastante elevadas.

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10

3.1.1.1 Escola Secundária Passos Manuel

A escola secundária Passos Manuel está localizada na Travessa Convento de Jesus próximo

da Assembleia da Republica albergando em geral mais de 1200 pessoas. Destas 200 são

funcionários da escola sendo que os restantes são alunos do ensino básico e secundário. De

realçar que nesta escola apenas existem aulas no regime diurno.

Figura 4 - Localização da ESPM (ponto A)

O projecto de intervenção nesta escola foi bastante distinto das restantes escolas dada

simbologia e história da mesma. As intervenções realizadas nas infra-estruturas existentes

foram pontuais evitando a remoção e substituição das tecnologias empregadas, efectuando-se

apenas o restauro e reabilitação dos elementos danificados. Por outro lado as novas infra-

estruturas destacam-se por uma construção inovadora e criteriosa onde se destaca a

construção do refeitório sob o pátio escolar e a construção de dois ginásios sob o

polidesportivo exterior. Estas soluções inovadoras foram aplicadas porque o espaço existente

era diminuto e devido à necessidade das novas instalações estarem em harmonia com o

restante edifício.

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Figura 5 - Planta da ESPM e indicação das novas construções

Figura 6 - Pátio da ESPM

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12

Depois da intervenção da Parque Escolar a escola ficou com a seguinte estrutura:

Figura 7 - Piso -1 da Escola Secundária Passos Manuel

Figura 8 - Piso 0 da Escola Secundária Passos Manuel

Figura 9 - Piso 1 da Escola Secundária Passos Manuel

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Legenda:

Área de docentes

Área desportiva

Biblioteca/Polivalente

Artes

Salas de aula

Ciências e Tecnologia

Área social/restauração

3.2 Escola MOP

As escolas MOP são as escolas construídas entre 1936 até 1968, no âmbito do vasto

programa de obras públicas concebido por Duarte Pacheco e representam 21% da totalidade

do parque escolar (94 escolas secundárias). Estas escolas localizam-se principalmente em

capitais de distrito em locais de boa acessibilidade, sendo que este conjunto de escolas

apresenta uma grande uniformidade tanto a nível formal como construtivo, isto devido à

adopção de estratégias de normalização existentes nessa época.

Em termos formais este tipo de escola apresenta uma configuração linear, possuindo vários

corpos que se agregam em dois ou três pisos.

Quanto aos termos funcionais, este tipo de escola apresenta uma estrutura em “U” em que a

base é a secção onde se encontram os serviços administrativos, biblioteca, salas de apoio e a

entrada principal com acesso directo ao exterior. Por sua vez nas alas do edifício localizam-se

os espaços lectivos, ficando numa ala as salas de desenho e aulas referentes ao 1º ciclo e na

ala contrária localizam-se os laboratórios e as aulas referentes ao 2º e 3º ciclo. Para além

deste grande edifício em forma de “U” existe outro edifício com dois pisos associado a este

onde se encontra o refeitório ginásio e respectivas áreas de apoio.

Por fim estas escolas destacam-se pelos revestimentos em madeira nos pisos das salas de

aulas e mosaico nos corredores, sendo que nas paredes era normalmente aplicado massa de

areia ou estuque.

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14

3.2.1 Escola Secundária Gil Vicente

A escola Gil Vicente está localizada na rua da Verónica perto do Panteão Nacional.

Actualmente possui 1510 alunos sendo que 514 pertencem ao regime nocturno. Os alunos do

regime diurno são maioritariamente do ensino básico estando estes repartidos entre o 2º e 3º

ciclo. No ensino secundário a escola possui nos seus quadros mais 200 professores nas áreas

de Ciência e Humanidades. Fazem ainda parte do agregado escolar mais de 180 funcionários

administrativos.

Figura 10 - Localização da ESGV (ponto A)

O projecto de intervenção visou melhorar as condições de habitabilidade e conforto dos

utilizadores da escola secundária. Assim, reorganizou-se o edifício existente construindo-se

uma estrutura junto à entrada principal que ficasse responsável por acolher os espaços com

maior intensidade de utilização: a biblioteca, refeitório e áreas de apoio. Este núcleo também

funciona como ligação entre os blocos lectivos existentes, aumentando a versatilidade deste

estabelecimento de ensino. A requalificação visou a construção de uma nova ala para albergar

salas de TIC, construção de um edifício destinado a acolher uma sala de música e um espaço

polivalente, sendo ainda construído um polidesportivo exterior.

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15

Figura 11 - Planta da ESGV e indicação das novas construções

Figura 12 – Novo espaço da ESGV (exterior)

Figura 13 - Novo espaço da ESGV (interior)

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16

Depois de reformulada a escola secundária ficou com a seguinte disposição:

Figura 14 - Piso 1 da Escola Secundária Gil Vicente

Figura 15 - Piso 2 da Escola Secundária Gil Vicente

Figura 16 - Piso 3 da Escola Secundária Gil Vicente

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Legenda:

Área de docentes

Área desportiva

Biblioteca/Polivalente

Artes

Salas de aula

Ciências e Tecnologia

Área social/restauração

3.3 Escola Pavilhonar

As escolas com tipologia pavilhonar são as escolas em que o seu período de construção se

iniciou a partir de 1968, representando 77% do parque escolar existente (356 escolas). Estas

escolas são estruturadas através de um conjunto de blocos autónomos, facilitando a adaptação

das escolas tanto a nível geográfico/topográfico como em relação ao número de alunos,

apresentando assim uma maior flexibilidade em relação às anteriores tipologias. Os blocos de

aulas são ligados por galerias exteriores cobertas, sendo que o traçado depende da morfologia

do terreno.

Neste tipo de tipologia é comum existir um bloco de um piso com a direcção, secretaria,

refeitório, biblioteca e sala de convívio, outro bloco com planta irregular com salas normais e de

desenho (2pisos) e por fim, outro bloco com planta rectangular com pátio central onde

normalmente se encontram os laboratórios.

Em termos construtivos os edifícios deste tipo de tipologia são construídos com betão armado

e possuem coberturas planas não visitáveis ou coberturas inclinadas revestidas a placas de

fibrocimento.

3.3.1 Escola Secundária Vergílio Ferreira

A escola secundária Vergílio Ferreira está localizada na zona de Carnide/Luz e tem capacidade

para alojar nas suas instalações 1200 alunos e mais de 180 docentes. Os alunos desta escola

pertencem ao 2º e 3º ciclo de escolaridade.

A descrição desta escola será mais detalhada, pois foi com base em medições no terreno mais

detalhadas que a construção da ferramenta de análise de eficiência energética foi elaborada.

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18

Figura 17 - Localização da ESVF (ponto A)

Esta escola foi construída na década de 70. Quando foi inaugurada possuía um bloco de

serviços, 6 blocos de aula diversos, um bloco para aulas de construção civil e um campo

desportivo ao ar livre. Em 2009, data em que se iniciou a reforma da Parque Escolar, a ESVF

apresentava 7 blocos convencionais (A a G), bloco H, I e J (pavilhão gimnodesportivo).

Figura 18 - ESVF antes da renovação da Parque Escolar (2009)

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A requalificação da Parque Escolar iniciada em 2009 teve como objectivo de remodelar os

blocos existentes como criar novas instalações por forma a melhorar as condições de conforto

e habitabilidade dos utentes. As alterações mais significativas foram a substituição dos antigos

blocos H e I por um novo bloco H, constituído por laboratórios, a construção do bloco I

destinado a oficinas de arte e a criação de um bloco de entrada com 3 pisos, destinado a alojar

vários serviços administrativos.

Figura 19 - Comparação da estrutura antes e depois da requalificação ESVF

Depois da requalificação a ESVF ficou com a seguinte estrutura:

Bloco de Entrada - edifício construído sendo constituído por 3 pisos. Destinado a serviços

administrativos, Salas de apoio a docentes, Reprografia, Laboratório multimédia e átrio

principal.

Bloco A - edifício remodelado constituído por 2 pisos. No piso 0 encontram-se os Acessores

de Direcção, Direcção, Sala dos Directores de Turma, Gabinete de Apoio Psicológico, Gabinete

da Associação de Pais, Sala de Reuniões, Gabinete de Atendimento, Sala dos primeiros

socorros. Por sua vez no primeiro piso encontram-se as Salas de Trabalhadores dos Docentes.

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Bloco B - edifício remodelado constituído por 2 pisos. No piso 0 estão localizados espaços de

leitura informal, consulta de documentação, multimédia, enquanto que no piso 1 encontram-se

salas de TIC (informática).

Bloco C - edifício remodelado constituído por 1 piso, destinado a Salas de Aulas.

Bloco D - edifício remodelado constituído por 2 pisos. No piso 0 existe o Bar e uma Sala

polivalente, enquanto no piso 1 estão localizadas várias Salas de Aula.

Bloco E - edifício remodelado constituído por 1 piso responsável pelo Refeitório Escolar e os

serviços de apoio.

Bloco F - edifício remodelado constituído por 1 piso, destinado a Salas de Aulas.

Bloco G - edifício remodelado constituído por 2 pisos, destinado a Salas de Aulas.

Bloco H - edifício construído sob os antigos blocos H e I. Constituído por 2 pisos sendo

destinado a Laboratórios e Salas de Aulas.

Bloco I - edifício construído de raiz. Constituído por 2 pisos sendo destinado a Salas de

Educação Tecnológica, Salas de Desenho e Oficinas de Arte.

Bloco J - edifício constituído pelo pavilhão gimnodesportivo, Salas de Aula, Balneários, Salas

de docentes e vestiários.

Bloco L - edifício construído destinado à recolha de lixos.

Bloco P - edifício destinado a ser a portaria da escola.

Page 36: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

21

3.3.2 Escola Secundária D. Dinis

A escola secundária de D. Dinis está localizada na freguesia de Marvila tendo sido inaugurada

em 1972. O número de alunos é de aproximadamente 1000, pertencendo ao agregado escolar

mais de 180 docentes.

Figura 20 - Localização da ESDD (ponto A)

Ao ser construída com uma tipologia pavilhonar a escola ficou disposta da seguinte forma: um

pavilhão de piso único com todo o tipo de serviços, ou seja, serviços administrativos, direcção,

sala de docentes, biblioteca, cantina e bar. Para além deste edifício, existiam mais três

pavilhões de 2 pisos destinados a Salas de Aulas, um pavilhão de dois pisos destinado a

laboratórios, um pavilhão de dois pisos destinado às oficinas de arte e por fim um pavilhão

gimnodesportivo.

A escola Dom Dinis foi umas das 4 escolas piloto que foram requalificadas na fase 0 do

programa de modernização das escolas secundárias. A requalificação desta escola foi iniciada

em 2007, tendo como principal intervenção a construção de um pavilhão central que efectua a

ligação entre os diversos pavilhões. Este novo pavilhão tem como principal função de melhorar

e centralizar os serviços melhorando também a habitabilidade deste estabelecimento de

ensino. Assim a biblioteca, sala dos directores, salas de trabalho dos docentes passaram para

o novo bloco. Foram ainda criadas novas salas de estudo e um auditório equipado com uma

bancada telescópica com mais de duzentos lugares.

Page 37: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

22

Figura 21- Planta da ESDD e indicação das novas construções

Figura 22 - Bloco central ESDD (exterior)

Figura 23 - Bloco central ESDD (interior)

Page 38: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

23

Figura 24 – Biblioteca ESDD

Figura 25 – Auditório ESDD

As outras alterações provocadas por esta requalificação foram a melhoria das condições

conforto e habitabilidade dos restantes pavilhões, tendo-se construído uma nova portaria.

Instalou-se ainda um sistema de AVAC com dois chillers Carrier 30RA120 (120 kWr), um

pequeno sistema fotovoltaico de 16 kW, vários painéis solares para aquecimento das águas

sanitárias do pavilhão gimnodesportivo e por fim instalou-se ainda um sistema eólico de 6 kW

tornando esta escola pioneira na utilização deste tipo de energias em edifícios escolares.

Figura 26 - Painéis Solares e Fotovoltaicos da ESDD

Figura 27 - Mini-eólica da ESDD

Page 39: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

24

Após a requalificação a escola Dom Dinis ficou com a seguinte estrutura:

Figura 28 – Tipologia Escola Secundária D. Dinis Piso 0

Figura 29 - Tipologia Escola Secundária D. Dinis Piso 1

Legenda:

Área de docentes

Área social/restaurantes

Exteriores/zonas desportivas

Auditório

Salas de aula

Zonas de circulação

Instalações Sanitárias

A1

A4

A2

A3

A5

Page 40: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

25

Como está demonstrado na figura anterior, o pavilhão A1 manteve a secretaria, reprografia,

associação de alunos, bar e cantina. Os pavilhões A3 e A2 continuam a apresentar a mesma

tipologia, ou seja, possuem dois pisos com salas de aula e instalações sanitárias. O pavilhão

A4 também é constituído por dois pisos mas possui a particularidade de alojar as oficinas de

artes (piso térreo) e os laboratórios (piso superior). Por fim o pavilhão A5 é o pavilhão que

integra as oficinas multimédia e as salas de TIC.

3.3.3 Escola Secundária Pedro Alexandrino

A escola secundária Pedro Alexandrino foi outra das escolas analisadas que apresenta

tipologia pavilhonar. Localiza-se em Póvoa de Santo Adrião na rua de Aquilino Ribeiro e possui

actualmente 1910 alunos. Destes, 920 pertencem ao regime diurno enquanto os restantes

pertencem ao regime nocturno (990alunos).

Figura 30 - Localização da ESPA (ponto A)

Como nas restantes intervenções, a escola viu as suas condições de utilização e gestão

melhoradas. A par disso, reorganizou-se e ampliou-se o espaço global da escola através da

colocação de um espaço coberto que para além de criar um espaço coberto para convívio

efectua a articulação entre os pavilhões. Por fim construiu-se um novo pavilhão no topo

sudoeste destinado aos cursos oficinais.

Page 41: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

26

Figura 31 - Planta da escola ESPA e indicação das novas construções

Figura 32 - Nova cobertura da ESPA a)

Figura 33 - Nova cobertura da ESPA b)

Page 42: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

27

Após a intervenção a escola ficou com a seguinte disposição:

Figura 34 - Piso 0 da Escola Secundária Pedro Alexandrino

Figura 35 - Piso 1 da Escola Secundária Pedro Alexandrino

Figura 36 - Piso 2 da Escola Secundária Pedro Alexandrino

Page 43: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

28

Legenda:

Área de docentes

Área desportiva

Biblioteca/Polivalente

Artes

Salas de aula

Ciências e Tecnologia

Área social/restauração

A escola é constituída por um pavilhão central e por vários pavilhões auxiliares. O pavilhão

principal possui 3 pisos estando alojados todos os serviços necessários para o correcto

funcionamento da escola, enquanto nos restantes pavilhões encontram-se as salas de aula,

laboratórios e oficinas.

3.4 Identificação do problema

As intervenções realizadas pela Parque Escolar, apesar de terem proporcionado condições de

bem estar bastante favoráveis, provocaram um aumento das necessidades energéticas, em

particular, no consumo de energia eléctrica como se pode observar nas Figuras 37 e 38, onde

são comparados os consumos eléctricos das escolas analisadas ao longo dos diversos anos.

Figura 37 - Evolução dos consumos de energia no Inverno

Figura 38 - Evolução dos consumos de energia no Verão

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

90000

Jan-07 Jan-08 Jan-09 Jan-10 Jan-11

Ene

rgia

(kW

h) ESGV

ESDD

ESPA

ESVF

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

90000

Mai-07 Mai-08 Mai-09 Mai-10 Mai-11

Ene

rgia

(kW

h)

ESGV

ESDD

ESPA

ESVF

Page 44: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

29

Nessa figura pode-se observar que após as intervenções terminarem (DD em 2009, GV e PA

em 2010) os consumos aumentaram significativamente (em geral entre 40 a 50%). Sendo que

a Vergílio Ferreira a única excepção. Com a intervenção terminada em Abril de 2011, nota-se

um ligeiro aumento, mas não muito significativo.

Em geral, os consumos são superiores aos anteriormente observáveis não só pelo aumento

das áreas de utilização, mas sobretudo pela disponibilização de novos serviços: climatização,

infra-estrutura de TI, centrais de segurança e detecção de incêndios, elevadores. Isto teve

como consequência que na maior parte das escolas tivesse sido aumentada a potência

instalada em mais de 5 vezes.

Mas o maior aumento dos consumos deve-se à utilização de sistemas de AVAC. Na Figura 38

estão representados dois perfis de consumo na mesma época do ano na ESPM,

demonstrando-se não só o aumento dos consumos aquando da utilização do sistema de

AVAC, mas também o facto de durante a noite serem por vezes deixadas a funcionar algumas

infra-estruturas eléctricas desnecessariamente.

Figura 39 - Consumos da ESPM com e sem AVAC

Logo, surgiu a necessidade de analisar os consumos das escolas para detectar desvios que

estejam a aumentar os consumos de electricidade e consequentemente a prejudicar o

orçamento das escolas.

A diminuição dos custos de electricidade poderá ser efectuada através da diminuição do

consumo de electricidade ou através de utilização alternativa da energia em diferentes

períodos de facturação existentes ao longo do dia. Segundo este raciocínio criaram-se duas

ferramentas que sugerem medidas que permitem reduzir as facturas energéticas.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

00

:00

01

:30

03

:00

04

:30

06

:00

07

:30

09

:00

10

:30

12

:00

13

:30

15

:00

16

:30

18

:00

19

:30

21

:00

22

:30

Po

tên

cia

(kW

)

Horas

Com AVAC

Sem AVAC

Page 45: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

30

A primeira ferramenta de cálculo tem as seguintes funções:

Capacidade de prever o perfil de consumo de electricidade de uma

determinada escola secundária a partir das facturas mensais de electricidade;

Indicação de consumos irregulares no período de repouso (standby);

Desagregação do consumo de electricidade entre as várias componentes da

escola;

Caracterização do consumo de electricidade em função da área e número de

alunos;

Cálculo da poupança caso se adopte algumas alterações nos horários do

estabelecimento de ensino.

A segunda ferramenta irá efectuar o estudo para a implementação de um sistema fotovoltaico

nas escolas secundárias, efectuando a respectiva análise de investimento. Para efectuar esta

análise utilizaram-se os seguintes indicadores económicos:

VAL

TIR

Período de recuperação de Investimento (payback) actualizado

Estudaram-se ainda três possibilidades de utilização de miniprodução:

1) Regime previsto no decreto de Lei 34/2011, que prevê o pagamento de uma tarifa

subsidiada pré-definida;

2) Regime de auto-consumo;

3) Regime de auto-consumo com utilização de um sistema de baterias com posterior

venda da energia remanescente.

Page 46: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

31

4. Modelação das ferramentas de eficiência energética

Neste capítulo são descritas as ferramentas desenvolvidas para ajuda à decisão relativamente

à implementação de medidas de eficiência energética para as escolas secundárias em

Portugal. Estas ferramentas foram desenvolvidas em EXCEL©Microsoft.

4.1 Ferramenta de cálculo para caracterizar o consumo

de energia

O desenvolvimento desta ferramenta foi feito com base em medições detalhadas que

ocorreram na ESVF ao abrigo de um projecto de investigação da FCT no âmbito do Programa

MIT-Portugal designado por NETZEROENERGYSCHOOL, desenvolvido pelo IST, LNEC e

ICS. Nesta secção são então descritos os conceitos teóricos relativamente aos termos de

energia presentes numa factura de electricidade, seguido de um pequeno resumo

relativamente à análise dos dados. Na terceira subsecção são descritas as medições

efectuadas e em seguida, são então descritos os cálculos relativamente às taxas de utilização

dos diferentes espaços na escola. Na quinta subsecção é feita uma descrição do modelo. A

apresentação da ferramenta e a sua utilização são descritas no Anexo.

4.1.1 Conceitos teóricos

Uma factura de consumo de electricidade é composta por várias parcelas relacionadas com o

tipo de consumo de uma determinada local/identidade sendo que estas dependem de vários

factores, como por exemplo potência contratada ou o tarifário. Para média, alta e muito alta

tensão o sistema tarifário apresenta as seguintes parcelas:

Termo tarifário

Energia Activa

Potência

Energia Reactiva

Termo tarifário

O termo tarifário fixo é o valor a pagar por ter activo o fornecimento de electricidade. Este termo

depende do nível de tensão sendo o seu valor definido por €/dia ou €/mês. No caso em estudo

será um termo com pouco peso, dada a sua ordem de grandeza relativamente aos valores das

restantes parcelas[21].

Energia Activa

A energia activa corresponde à energia que produz trabalho. O custo devido ao consumo deste

tipo de energia é calculado através da desagregação do consumo eléctrico por horas de Ponta,

Cheia, Vazio e Super-Vazio. Estes períodos possuem horários definidos consoante o ciclo

escolhido pelo consumidor existindo o ciclo diário, semanal e semanal opcional. Através destes

Page 47: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

32

períodos, as empresas comercializadores como a EDP Comercial, pretende incentivar a

uniformização do consumo de electricidade colocando tarifas elevadas nos períodos onde

existe uma maior propensão por parte dos utilizadores em consumir energia de forma a

desincentivar o consumo nesses períodos. Como a maior parte do consumo decorre fora do

período de Vazio, as tarifas de Cheia e Ponta apresentam as tarifas mais elevados[21].

Potência

A parcela de potência utilizada é constituída por potência contratada e potência média nas

horas de Ponta.

A potência contratada é o valor máximo da potência tomada nos últimos 12 meses sendo que o

seu valor nunca poderá ser menor que 50 % da potência instalada. A potência tomada é o

maior valor de potência em intervalos de 15 minutos registado ao longo do mês[22].

A potência média em horas de ponta corresponde à reserva de potência que o país deve ter

para suprir todos os consumos eléctricos no período mais congestionado. Esta é obtida pela

divisão do consumo de energia em horário de Ponta num mês pelo número de horas de Ponta

do mês.

Energia Reactiva

A energia reactiva é outro tipo de energia que apesar de não produzir trabalho é importante

para criar fluxo magnético nas bobinas dos motores, transformadores e noutros equipamentos.

O consumo desta energia é facturado apenas quando a energia reactiva atinge um

determinado valor em comparação com o consumo de energia activa. Esta situação ocorre

quando existe um atraso significativo da corrente em relação à tensão. Para além disso é de

evitar o consumo deste tipo de energias pois provoca um maior número de perdas por

aquecimento, pois para a mesma potência existe uma maior intensidade de corrente. Em geral,

para reduzir o seu consumo, é apenas necessário a instalação de uma bateria de

condensadores[21].

Tarifário

Figura 40 – Horários dos períodos de facturação no ciclo diário

Page 48: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

33

O preço da energia irá depender também da opção tarifária escolhida pelo consumidor

existindo no caso da média tensão as opções de curtas, média e longa utilização. Esta opção

deverá ser escolhida consoante o perfil de consumo do consumidor, isto porque ao escolher-se

um curta utilização, o preço da potência será menor mas o preço da energia será mais elevada.

No caso de longas utilizações acontece o contrário ou seja o preço da potência será mais caro

mas em contrapartida o preço da energia será consideravelmente mais baixo.

Fundamentalmente a curta utilização abrange empresas com fortes picos de potência, a média

utilização abrange empresas cujo seu funcionamento é de 1 turno (8 horas) enquanto que a

longas utilizações é uma opção rentável para empresas com funcionamentos de 2 turnos ou

contínuo.

4.1.2 Análise dos consumos energéticos

A análise dos consumos tem por base duas fontes de informação:

As facturas energéticas dos últimos anos anteriores

Análise dos dados de consumo em média tensão disponíveis de 15 em 15 minutos

para algumas escolas.

Apesar de a factura só apresentar valores agregados, é possível obter mais informação, como

por exemplo consumos médios durante a semana e fim-de-semana, ou potências médias às

horas de Ponta, pelo facto de haver 4 períodos diferentes de tarifa ao longo do dia. Por isso,

assumindo algumas hipóteses de análise, é possível extrair dos consumos agregados

informações relevantes sobre a evolução diária e semanal do consumo da escola, que à

partida só estaria disponível quando existem dados de consumo com periodicidade de 15

minutos. Essas hipóteses são:

Ao longo de um mês, em geral existem 4 fins-de-semana (8 dias não úteis) e 22 dias

úteis;

Durante a noite (Super-Vazio), só estão a funcionar as infra-estruturas de suporte

básicas e a iluminação nocturna

Ao fim de semana durante os períodos de Cheia e Ponta, os consumos deveriam ser

semelhantes aos do Super-Vazio menos a iluminação nocturna

Caso a escola não tenha aulas nocturnas nem alugue o pavilhão, o consumo de vazio

deverá ser semelhante ao Super-Vazio. As escolas têm três períodos de

funcionamento (manhã tarde e noite), sendo que o período da manhã é em geral mais

utilizado.

A cozinha funciona essencialmente no período da manhã.

Durante as férias escolares, o consumo da escola consiste basicamente nas infra-

estruturas de apoio.

Page 49: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

34

4.1.3 Medições e Factores de utilização

Após a análise dos perfis de consumo e com a lista das potências instaladas da ESVF

efectuaram-se medições em alguns blocos da ESVF por forma a obter os factores de utilização

dos diversos sectores da escola e taxas de ocupação das salas de aula. Dada a

indisponibilidade em efectuar medições em todos os pavilhões optou-se por medir os

consumos dos blocos B C , H, E por se considerar que estes eram representativos de todos os

sectores existentes na escola.

Figura 41 - Quadro eléctrico de um bloco de sala de aulas

Figura 42 - Analisador a partir do qual se fazia a ligação do quadro ao computador

Page 50: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

35

Estas medições foram realizadas durante uma semana, permitindo analisar ao pormenor o

comportamento de um determinado bloco. De realçar que apesar de não haver actividade

escolar no fim-de-semana, é bastante importante ter acesso aos perfis de consumo, pois

consegue-se ter uma melhor percepção da potência dos equipamentos que estão ligados

24horas (equipamentos de frio, servidores).

4.1.3.1 Factor de utilização dos Equipamentos 24 horas

Consoante o pavilhão em estudo, poderá estar associado parte da iluminação exterior ao

consumo dos pavilhões. Caso isso aconteça e fora alguma excepcionalidade, nos dias de fim-

de-semana os perfis de consumo devem apresentar dois níveis de potência, ou seja, durante o

dia apenas existe a potência dos equip24h enquanto durante a noite existe também a

contribuição da iluminação nocturna.

Através da visualização dos perfis de consumo dos dias de fim-de-semana do bloco B

identifica-se uma a potência dos equipamentos 24 horas de 1,96kW (figura A.1).

No bloco C verifica-se que existem dias em que o consumo permanece constante, ou seja, a

iluminação exterior não foi ligada. Nos 4 dias do fim-de-semana analisados o bloco C

apresenta uma potência de equipamentos de 24 horas de 0,8kW.

No bloco H é mais complicado obter a potência pois o comportamento do perfil de consumo

não está tão bem delineado. Mesmo assim consegue-se verificar que em ambos os dias existe

um limite inferior no qual se considera representar a potência dos equipamentos 24 horas do

bloco H (figura A3). Como o dia 27 de Março não apresenta um comportamento tão oscilatório,

decidiu-se obter a potência média referente à quantidade de energia consumida até às 19

horas. Obteve-se assim uma potência média de 0,75kW.

Por sua vez ao se analisar os perfis de consumo do refeitório (bloco E) referentes a alguns dias

de fim-de-semana verifica-se que não existe iluminação exterior associada a este bloco. Os

dois perfis obtidos possuem um comportamento semelhante, apresentando um consumo de

energia praticamente constante, exceptuando-se um aumento significativo no dia 14 de 9kW.

Logo calculou-se a potência média referente ao dia 15 de Maio obtendo-se 4,75kW.

Faltando a potência dos restantes pavilhões é necessário assumir a potência a sua potência.

Dado que o bloco B e o refeitório têm características diferentes - o bloco B tem salas de TIC e

o refeitório possui vários equipamentos de refrigeração, estes apresentam potências

superiores. Por outro lado verificou-se que a potência do bloco H e do bloco C são

praticamente semelhantes. Assim, para os restantes pavilhões assumiu-se que a potência de

equipamentos 24 horas é 0,8kW. Como existem mais 7 pavilhões logo:

(4.1)

Page 51: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

36

Efectuando uma estimativa de a potência instalada para Equipamentos 24 horas de 30kW

obtém-se o seguinte factor de utilização:

(4.2)

4.1.3.2 Factor de utilização Iluminação Exterior

Analisando-se as facturas online da Vergílio Ferreira verifica-se que a potência média do

período de Vazio varia entre 20/30 kW. Assumindo que durante o período de Vazio e Super

Vazio apenas existe consumo por parte da Iluminação Exterior e dos equipamentos 24 horas

obtém-se:

(4.3)

Com uma potência instalada de 40kW de iluminação exterior (tabA.4) obtém-se o seguinte

factor de utilização:

(4.4)

4.1.3.3 Factor de utilização Refeitório

Pela observação dos diagramas de consumo do bloco E, verifica-se que o consumo de energia

é maioritariamente efectuado entre 8:00h e as 14:00h.

(4.5)

Com uma potência instalada de 71kW obtém-se o seguinte factor de utilização:

(4.6)

Este factor de utilização deverá ser utilizado para qualquer tipologia pois as cozinhas

inspeccionadas nas diversas escolas apresentavam todas a mesma estrutura.

4.1.3.4 Factor de utilização Salas de Aula

Inicialmente calcula-se a potência média das salas de aula durante o período de aulas, nos

blocos que são ocupados exclusivamente por salas de aula. Para tal obtém-se a energia

consumida nos blocos entre as 8:00h e as 18:00h e retira-se a energia consumida pelos

equipamentos 24horas. De seguida relaciona-se a potência obtida com a potência instalada do

respectivo bloco sem considerar o AVAC (Tabela A.4):

(4.7)

Page 52: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

37

(4.8)

(4.9)

Energia Aulas

Estimada (kWh)

Potência Média Aulas Estimada

(kW)

Potência Instalada Bloco S/AVAC (kW)

Factor de Utilização.

Bloco C 36,18 3,62 16,6 0,22

Bloco H 86,81 8,68 52 0,17

Tabela 1 - Factores de Utilização Salas de Aula

Através dos valores obtidos considera-se um factor de utilização para as salas de aula de 0,19.

4.1.4 Taxa de ocupação das Salas de Aula

Finalmente a taxa de ocupação é obtida relacionando-se a energia consumida no período da

manhã (8:00h até 13:00h) e da tarde (13:00h até 18:00h) com a energia diária consumida

(4.10)

(4.11)

Assim obtém-se os seguintes resultados:

Energia Aulas Estimada

(kWh)

Energia Aulas Estimada

Manhã1 (kWh)

Energia Aulas Estimada

Tarde2 (kWh)

Taxa de ocupação

Manhã

Taxa de ocupação

Tarde

Bloco C 36,18 21,91 14,27 0,61 0,39

Bloco H 86,81 48,97 37,84 0,56 0,44

Tabela 2 - Taxas de ocupação

Com o resultado obtido toma-se a opção de se considerar as taxas de ocupação de 0,58 para o

período da manhã e 0,42 para o período da tarde.

1Considera-se que período da manhã é das 8:00h até às 13:00h

2 Considera-se que período da manhã é das 13:00h até às 18:00h

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38

4.1.5 Estrutura da ferramenta

4.1.5.1.1 Modelo de previsão

A estrutura do modelo de previsão é a seguinte:

1. Escolhida a tipologia, o modelo define o conjunto de factores de utilização a serem

utilizados.

2. Efectua o cálculo da potência estimada de iluminação exterior e das salas de aula

multiplicando as potências instaladas pelos respectivos factores de utilização

Posteriormente efectua-se:

3. Através das facturas retira-se o valor da energia consumida no período de Vazio e

Super Vazio. Considerando que a potência média é a mesma para ambos os períodos,

efectua-se a soma de ambas as parcelas de energia e divide-se pelo número de horas

existente no mês. Com a potência média no vazio calculada considera-se que a

potência consumida durante o dia é a potência média do Vazio menos a potência

média de Iluminação exterior. Com o perfil de consumo definido para o dia de fim-de-

semana efectua-se o integral para obter-se a energia consumida durante um dia.

Nº. de feriados

Facturas 3

Potência Iluminação

Exterior

Energia fim-de-semana (1 dia)

4

Energia fim-de-semana +

feriados (1 mês)

7

Energia 1 dia útil

5

Energia férias (1 dia)

6 Potência média dia

Energia férias (1 mês)

Nº. dias férias

Potência Aulas

Potência Iluminação Exterior

Potências instaladas

Tipologia 1 Factores de utilização 2

Facturas

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39

4. Calcula a quantidade de energia consumida nos dias de fim-de-semana e feriados,

considerando que nestes dias o consumo energético do edifício escolar é semelhante.

Caso não exista feriados, o modelo define que existem 8 dias no mês com este tipo de

comportamento.

5. Esta opção é apenas utilizada caso o mês em estudo possua dias de férias, como por

exemplo 15 dias de férias de Natal em Dezembro. São considerados dias de férias os

dias em que não existem aulas mas a escola tem os serviços em funcionamento. È

então pedido ao utilizador que insira um valor de potência correspondente à actividade

escolar existente.

6. Calcula a energia consumida nos dias de férias.

7. Calcula a energia consumida num dia útil de funcionamento da escola. O valor de

energia é desagregado nos períodos de facturação Vazio, cheia e Ponta.

Após a obtenção da energia útil torna-se possível a obtenção do perfil de consumo:

8. Por forma a prever da melhor forma o perfil de consumo existente na escola criaram-se

quatro modelos de previsão. Como existem dois horários para os períodos de

facturação (Inverno e Verão), o modelo é escolhido consoante o mês a ser analisado.

Posteriormente o modelo final é seleccionado consoante a existência de aulas no

regime nocturno e consoante a utilização do pavilhão gimnodesportivo durante a noite.

9. Neste último passo é efectuado o cálculo do perfil de consumo. Inicialmente é

calculada a potência consumida no período da manhã (08:00h-13:00h), tarde (13:00h-

18:00h) e noite (18:00h-23:00h). De seguida, com estes valores mais a energia

correspondente de cada período de facturação, é definido um sistema de equações

que permite calcular vários patamares de potência existentes durante o dia:

Pavilhão 8

Estação do ano

9

Energia 1 dia útil

Modelo de previsão seleccionado

Potência aulas

Taxas de ocupação

ão

Perfil de consumo (1 dia útil)

Aulas Noite

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40

Inverno Verão

Potência média Vazio3 (Pv) 22:00h-08:00h 22:00h-08:00h

Potência Cheia manhã (Pcm) 10:30h-13:00h 08:00h-10:30h

Potência Cheia manhã2 (Pcm2) 08:00-09:00h -

Potência Ponta manhã (Ppm) 09:00h-10:30h 10:30h-13:00h

Potência Cheia tarde (Pct) 13:00h-18:00h 13:00h-18:00h

Potência Cheia tarde2 (Pct2) - 18:00h-19:30h

Potência Ponta tarde (Ppt) 18:00h-20:30h 19:30h-21:00h

Potência Cheia noite (Pcn) 20:30h-22:00h 21:00h-22:00h

Potência Outros1 08:00h-20:00h 08:00h-20:00h

Tabela 3 – Horário de cada parcela de potência

Em cada modelo são adoptadas hipóteses de forma a igualar o número de incógnitas ao

número de equações. Em todos os modelos admitiu-se que:

(4.12)

Assumiu-se esta hipótese para o modelo não necessitar de demasiadas informações para

definir o perfil de consumo diário.

Modelo de Inverno sem actividade nocturna

Neste modelo adoptaram-se as seguintes hipóteses:

(4.13)

(4.14)

Inicia-se o desenvolvimento do modelo na energia consumida no período de Vazio. Num caso

simplificado considera-se que a energia no período de Vazio era constante:

(4.15)

Contudo verificou-se que o consumo energético começa a aumentar antes do início das aulas,

observando-se em alguns casos no período nocturno:

3 Consoante o método adoptado a potência média Vazio e a potência outros poderão não

aparecer no horário inicialmente estabelecido

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41

Figura 43 – Indicação de possíveis aproximações

Através da figura 43 verifica-se que existe um consumo significativo de energia antes do início

das aulas pelo que se confirma a necessidade de simular as variações de forma gradual:

Figura 44 - Processo de aproximação do modelo de previsão

Neste modelo apenas é utilizado no período da manhã. Assim utilizando a fórmula do trapézio

obtém-se a seguinte equação:

(4.16)

Neste modelo esta aproximação é apenas efectuada no período da manhã:

(4.17)

Para a energia de Ponta e energia no período de Cheias têm-se as seguintes equações:

(4.18)

(4.19)

Com as hipóteses assumidas a equação (4.15) passa a:

(4.20)

As restantes equações englobam a energia das aulas e com as hipóteses propostas ficam:

(4.21)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

Po

tên

cia

(kW

)

Horas

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42

(4.22)

(4.23)

De seguida é efectuado o balanço de energia para o período da manhã:

(4.24)

Com as hipóteses assumidas fica:

(4.25)

No balanço de energia para o período da tarde (13:00h até 18:00h) tem-se a seguinte equação:

(4.26)

Por fim para a equação do período da noite tem-se:

(4.27)

Assumindo que A=2 e com as restantes hipóteses assumidas fica:

(4.28)

Estas equações podem ser organizadas e representadas numa forma matricial:

Pv Pcm Ppm Pct Ppt Poutros B

9 0 0,5 0 0,5 0 EVazio

0 0 1,5 0 2,5 0 EPonta

1,5 2,5 1 5 0 0 ECheia

0 2,5 2,5 0 0 -5 7,5PAulasM

0 0 0 5 0 -5 5PAulasTard

-2,5 0 0 0 2,5 -2 0

Nos restantes modelos procede-se o mesmo raciocínio assumindo-se no entanto outras

hipóteses.

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43

4.1.5.1.2 Modelo de Inverno com actividade nocturna

Hipóteses:

(4.29)

(4.30)

Assim obtém-se:

Pv Pcm Ppm Pct Ppt Poutros B

9 0 0,5 0 0,5 0 EVazio

0 0 1,5 0 2,5 0 EPonta

1,5 2,5 1 5 0 0 ECheia

0 2,5 2,5 0 0 -5 7,5PAulasM

0 0 0 5 0 -5 5PAulasTard

-4,5 0 0 0 4 -3 ENoite+Epav

4.1.5.1.3 Modelo de Verão sem actividade nocturna

Hipóteses:

(4.31)

(4.32)

(4.33)

Forma Matricial:

Pv Pcm Ppm Pct Ppt Poutros B

9 0,5 0 0 0,5 0 EVazio

0 0 2,5 0 1,5 0 EPonta

1,5 2,5 0 5 1 1,5 ECheia

0 2,5 2,5 0 0 -5 7,5PAulasM

0 0 0 5 0 -5 5PAulasTard

-3 0 0 0 3 -0,5 0

4.1.5.1.4 Modelo de Verão com actividade nocturna

Hipóteses:

(4.34)

(4.35)

(4.36)

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44

Forma Matricial:

Pv Pcm Ppm Pct Ppt Poutros B

9 0,5 0 0 0,5 0 EVazio

0 0 2,5 0 1,5 0 EPonta

0 2,5 0 5 2,5 1,5 ECheia

0 2,5 2,5 0 0 -5 7,5PAulasM

0 0 0 5 0 -5 5PAulasT

-4,5 0 0 0 4 -1,5 ENoite+Epav

4.1.5.1.5 Modelo de desagregação

No modelo de desagregação é utilizada a parte inicial do modelo de previsão mas neste caso

já é necessário ter tanto as potências instaladas como os factores de utilização de todos os

sectores da escola.

1. Escolhida a tipologia, o modelo define o conjunto de factores de utilização a serem

utilizados.

2. Efectua o cálculo da potência estimada de iluminação exterior e das salas de aula

multiplicando as potências instaladas pelos respectivos factores de utilização.

3. É pedido ao utilizador para inserir o início e o final da actividade obtendo-se o

respectivo horário.

4. Cálculo do perfil de consumo desagregado

Perfil de consumo

desagregado

Início da actividade

Fim da actividade

3

4 Potências

médias

Potência instalada

Tipologia 1 Factores de

utilização 2

Horários

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45

4.2 Estudo da implementação de painéis fotovoltaicos

Neste subcapítulo são descritos os conceitos necessários para o estudo da energia

fotovoltaica. É também abordado como foi efectuada a análise de investimento para a

implementação de um determinado sistema fotovoltaico. Assim, este subcapítulo é composto

por cinco secções. Na primeira secção são abordados os conceitos necessários para descrever

a posição relativa do Sol. Na segunda secção abordam-se os conceitos de energia solar

necessários para caracterizar a irradiância incidente numa superfície com direcção diferente

dos raios solares. A terceira secção descreve o procedimento de transformação de energia

solar para energia eléctrica via paneis fotovoltaicos e por fim na quarta secção é descrito como

foi efectuada a análise de investimento, ou seja, quais os indicadores económicos utilizados e o

seu significado. A descrição da ferramenta e da sua utilização é feita no Anexo.

4.2.1 Posição Relativa do Sol

Para calcular a energia obtida pelo um painel fotovoltaico num local específico da superfície

terrestre, é indispensável saber a localização exacta do Sol para um determinado instante.

Logo, é necessário perceber como funciona o movimento da Terra relativamente ao Sol.

A Terra demora 365,25 dias a executar uma revolução em torno do Sol. O movimento é

efectuado através de uma órbita elíptica com uma distância média ao Sol de 1,496 m 4.

Para além do movimento de translação, a Terra possui um movimento de rotação em torno do

seu próprio eixo. Este tem a particularidade de fazer um ângulo de 23,45° com a direcção

normal ao plano da eclíptica5. Esta inclinação é responsável pela sazonalidade existente na

superfície terrestre sendo que este efeito é mais acentuado nas regiões mais afastadas do

equador.

Figura 45 - Trajecto do Sol no hemisfério Norte nas diferentes estações do ano

Como Portugal está localizado no hemisfério Norte, o Sol descreve uma trajectória parabólica

de Este para Oeste com inclinação favorável a Sul. Dada a distância significativa ao equador a

duração dos dias ao longo do ano irá variar, sendo o dia mais longo a 21 de Junho e o mais

curto a 21 de Dezembro.

4 Distância definida como uma Unidade Astronómica (1 AU)

5 Plano que contem a órbita terrestre

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46

4.2.1.1 Latitude (L) e longitude (l)

A latitude e longitude são coordenadas geográficas que expressam qualquer posição horizontal

na superfície terrestre. São normalmente definidas em graus.

A latitude descreve a localização de um determinado ponto na superfície terrestre em relação

à linha do equador, sendo o ângulo definido pela normal desse ponto e o plano equatorial6. Os

valores da latitude oscilam entre -90° (Pólo Sul) e 90° (Pólo Norte) sendo zero no equador, ou

seja, a latitude tem valores positivos no hemisfério Norte e valores negativos no hemisfério Sul.

A longitude descreve a localização de um determinado local na superfície terrestre em relação

ao meridiano de Greenwich7. Os valores da longitude variam entre -180° e 180° sendo zero no

meridiano de Greenwich, ou seja, caso a local em estudo esteja a Oeste do meridiano a

longitude é negativa. Caso esteja a Este do meridiano, a longitude é positiva. Por vezes

substitui-se o sinal negativo pelas letras “E” e “W”.

Figura 46 - Representação das coordenadas geográficas Latitude e Longitude

4.2.1.2 Ângulo de declinação solar (δ)

A declinação solar é definida pelo ângulo formado entre o plano do equador e uma linha

imaginária que faça a ligação entre o centro do Sol e o centro da Terra. Este ângulo varia entre

23,45° no solstício de Verão (21 de Junho) e -23,45° no solstício de Inverno (Dezembro).

6 Plano que ao intersectar a superfície terrestre origina a linha do equador

7 Meridiano que passa pela localidade de Greenwich nos arredores de Londres

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47

Figura 47 - Declinação Solar

O cálculo da declinação solar para um determinado dia do ano é efectuado através da seguinte

expressão[23]:

(4.37)

4.2.1.3 Ângulo horário ( )

O ângulo horário solar é o ângulo necessário para posicionar o meridiano de um dado ponto da

superfície alinhado com o Sol. Como a Terra está a rodar logo este ângulo representa

tempo[23].

(4.38)

4.2.1.4 Hora solar ( )

A hora solar é a hora medida por um relógio solar, onde o meio-dia corresponde o momento

em que o sol atinge o ponto mais alto do dia ou seja, quando o Sol está alinhado com o

meridiano. Depende da longitude e normalmente difere da hora local definida pelo fuso horário.

Dada a existência de dois horários ao longo do ano (Inverno e Verão) é necessário efectuar a

compensação no cálculo da hora solar no Verão[23]:

(4.39)

(4.40)

4.2.1.4.1 Equação da Hora (ET)

Dado que a Terra não se movimenta a velocidade constante em torno do sol é necessário

introduzir a correcção ET. Esta correcção é obtida aproximadamente pela seguinte

expressão[23]:

(4.41)

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48

(4.42)

Em que n é o dia absoluto do ano.

Figura 48 - Evolução da equação hora ao longo do ano

4.2.1.5 Ângulo de altitude solar (α)

O ângulo de altitude solar é o ângulo entre os raios de incidência do Sol e o plano horizontal. É

obtido através da seguinte expressão[23]:

(4.43)

4.2.1.6 Ângulo de zénite (θ)

O ângulo de zénite é o ângulo entre os raios de incidência do Sol e a normal a um plano

horizontal ou seja, é simplesmente o ângulo complementar ao ângulo de altitude solar[23]:

(4.44)

4.2.1.7 Ângulo de azimute solar ( )

O ângulo de azimute solar é o ângulo formado entre a projecção horizontal dos raios solares e

o eixo Norte-Sul. Este ângulo é negativo se tiver a este do eixo Norte-Sul e positivo se estiver

no lado oeste. A expressão que permite calcular este ângulo é a seguinte[23]:

(4.45)

4.2.1.8 Incidência solar não normal

No caso em estudo assume-se que os painéis fotovoltaicos possuem uma posição fixa, ou

seja, a normal do painel não possui a mesma direcção que os raios de incidência solar. Logo

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49

torna-se necessário definir o ângulo de incidência como ângulo entre os raios solares e a

normal ao painel[23].

(4.46)

Este ângulo irá depender, para além dos ângulos descritos no subcapítulo anterior, das

características do painel que definem a sua orientação:

Ângulo de inclinação do painel (β)

Ângulo de azimute do painel ( )

O ângulo de inclinação do painel é formado entre a superfície e o painel. O valor deste ângulo

varia entre 0° (superfície horizontal) e 90° (superfície vertical). Por outro lado o ângulo de

azimute do painel é o ângulo formado entre projecção horizontal da normal do painel e o eixo

Norte-Sul. O ângulo é positivo ou negativo consoante a posição relativa ao eixo Norte-Sul,

sendo positivo a Oeste do eixo e negativo a Este do eixo. O seu valor varia entre -90° e 90°.

Figura 49 - Definição de ângulos para a incidência da radiação solar sobre um painel inclinado[24]

4.2.2 Energia Solar

A energia emitida pelo Sol é absorvida e reflectida pela atmosfera sofrendo uma redução

significativa até atingir a superfície terrestre. Quando os raios solares atingem a atmosfera, as

nuvens reflectem parte significativa da energia solar. Posteriormente outra parte da energia é

absorvida pelos gases existentes na atmosfera. O vapor de água, dióxido de carbono e o

ozono atmosférico destacam-se como os principais absorvedores de energia solar. Esta

absorção está na origem do efeito de estufa.

A energia que atinge a superfície terrestre possui as seguintes componentes:

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50

Radiação solar directa (W/m²),

Radiação solar difusa (W/m²)

Radiação solar reflectida ((W/m²).

Por fim a radiação solar reflectida, apenas contabilizada para superfícies inclinadas, é apenas

significativa para ambientes que possuem índices de albedo8 significativos. Nesta ferramenta

optou-se por um índice de 0,6 (cidade).

4.2.2.1 Irradiância directa

A radiação solar directa é a energia emitida pelo Sol que não sofreu acção da atmosfera. Esta

irradiância é dada pela seguinte expressão [25]

(4.47)

4.2.2.2 Factor céu limpo (Kt)

A radiação incidente, como foi referido anteriormente, é fortemente afectada pelas condições

atmosféricas pelo que é necessário aplicar um factor correctivo. Este factor é chamado de

factor céu limpo (clarity índex) e caracteriza a forma como céu obstrui a passagem de radiação

solar. Este factor é definido de 0 a 1 possuindo o valor unitário quando o céu está limpo.

4.2.2.3 Constante Solar Efectiva

A Terra ao apresentar uma órbita elíptica à volta do Sol faz com que a distância entre ambos

varie durante o ano. Assim a constante solar, que muitas vezes é abordada como um valor

constante, deve ser corrigida de forma a contabilizar esta variação[24]:

(4.48)

4.2.2.4 Massa de ar (AM)

A massa de ar representa o múltiplo da distância que o raio solar tem de percorrer para atingir

a superfície terrestre, quantificando assim a influência da atmosfera na radiação solar incidente

na superfície terrestre.

(4.49)

Quanto maior for o ângulo de zénite, maior será a distância que os raios solares terão de

percorrer na atmosfera, provocando o aumento da energia reflectida e absorvida. Na melhor

das hipóteses, segundo a expressão utilizada, pelo menos 30% da energia emitida pelo Sol

não chega à superfície terrestre sob a forma de radiação solar directa (θ=0).

8 Relação entre a energia reflectida e emitida

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51

4.2.2.5 Irradiância difusa

A atenuação da energia por parte da atmosfera provoca a existência de radiação solar difusa.

Esta radiação solar é parte da energia emitida pelo Sol que é dispersa pela influência das

substâncias existentes na atmosfera (gases e partículas). A expressão que permite calcular

esta fracção de energia que incide na superfície terrestre é a seguinte[26]

(4.50)

Apesar de ter uma menor contribuição na produção de energia eléctrica em relação à

irradiância directa, é uma fracção significativa da energia incidente na superfície terrestre.

Quanto maior for a atenuação da atmosfera na radiação emitida pelo Sol, maior será a

importância deste tipo de radiação.

4.2.2.6 Irradiância reflectida

Por fim existe a radiação solar reflectida. Esta fracção de energia é influenciada pelo índice de

albedo9 (ρ) do terreno envolvente sendo apenas contabilizada para superfícies inclinadas. Em

termos energéticos o peso deste tipo de irradiância é apenas significativo para ambientes com

índices de albedo elevados (neve). É dada pela seguinte expressão[24]:

(4.51)

4.2.2.7 Irradiância do painel

As expressões anteriores contabilizam a energia que incide numa superfície sem inclinação.

Como no caso em estudo os painéis fotovoltaicos deverão apresentar uma direcção e

inclinação, será necessário aplicar factores correctivos que tenham em conta as características

do painel. Assim a irradiância que incide num determinado painel é dada pela seguinte

expressão[24]:

(4.52)

4.2.3 Sistema fotovoltaico

Os sistemas fotovoltaicos são sistemas de produção de energia que aproveitam a radiação

emitida pelo Sol para produzir energia eléctrica. Ao apresentar um grande número de

configurações e por utilizar uma fonte de energia inesgotável e limpa como o Sol, tem sido uma

tecnologia com um grande desenvolvimento nos últimos anos.

Este sistema é constituído por:

Painel fotovoltaico

9 Relação entre a energia reflectida e emitida

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52

Inversor (depende da instalação)

Baterias (depende da instalação)

Controlador de carga

4.2.3.1 Painel Fotovoltaico

Os painéis fotovoltaicos são formados por células solares de silício que convertem a radiação

incidente no painel em electricidade através do efeito fotovoltaico.

O silício na forma pura é um elemento com fracas propriedades de condução de electricidade.

Logo precisa de sofrer processos de transformação de forma a melhorar as suas propriedades

condutoras. Este processo de transformação, denominado por processo de dopagem consiste

simplesmente em acrescentar percentagens de outros elementos. Mediante o elemento

adicionado as características do material irão variar. Caso seja acrescentado fósforo obtém-se

um material com electrões livres (silício tipo N). Caso seja acrescentado boro invés de fósforo,

obtém-se um material com características inversas ou seja, com défice de electrões (silício tipo

P).

A célula fotovoltaica possui uma camada fina do tipo N e uma mais grossa do tipo P. Ao juntar-

se duas camadas dos semicondutores n e p cria-se uma zona de transição na fronteira entre as

duas camadas. Nesta fronteira é criado um campo eléctrico devido à migração de átomos

positivos da camada p e de átomos negativos da camada.

Assim ao incidir-se luz na célula os electrões são estimulados e com a existência do campo

eléctrico gerado na fronteira entre as duas camadas, os electrões deslocam-se da camada P

para a camada N[27].

4.2.3.2 Inversor de corrente

O inversor é um equipamento que tem a função de converter a corrente contínua para corrente

alternada. Ao contrário da energia fornecida pela rede eléctrica, a energia produzida pelo painel

fotovoltaico é produzida em corrente contínua. Como a maioria dos equipamentos estão

dimensionados para funcionar em corrente alternada, as instalações fotovoltaicas são

normalmente constituídas por este tipo de equipamento. [28]. No entanto, caso a energia

produzida seja aplicada em iluminação ou noutro tipo de equipamento que funcione em

corrente contínua, torna-se dispensável a utilização deste equipamento.

4.2.3.3 Baterias

Consoante o sistema fotovoltaico implementado, poderá compensar a utilização de baterias.

Caso o sistema esteja implementado para auto-consumo, deve existir um conjunto de baterias

para que o excedente produzido seja utilizado em momento oportuno[28].

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53

4.2.3.4 Controlador de carga

O controlador de carga é um dispositivo que é instalado entre o painel fotovoltaico e as baterias

e tem a função de gerir a quantidade de carga existente na bateria. O controlador deverá

garantir o completo carregamento das baterias e deve evitar o descarregamento a partir de

certo valor[28].

4.2.3.5 Características do painel fotovoltaico

Para se efectuar o cálculo da potência produzida pelo painel solar é necessário que o

fabricante forneça várias características da célula fotovoltaica:

NOCT

Potência Máxima (Pmax)

Corrente curto-circuito (Isc) -

Tensão circuito aberto (Voc) –.

Como muita das vezes o painel não irá funcionar nas condições normais de operação, é

necessário efectuar o ajustamento dos dados para que se obtenha a potência real do painel.

4.2.3.5.1 NOCT

A NOCT é a temperatura da célula fotovoltaica quando está a funcionar nas condições normais

de operação. As condições padrão de operação são: Irradiância de 0,8kW/m², 1,5 de Massa de

ar, temperatura ambiente de 20°C e velocidade do vento menor que 1m/s[29].

4.2.3.5.2 dVoc/dT

A variação da tensão com a temperatura da célula é fundamental para proceder ao cálculo da

potência produzida, isto porque a tensão varia com a temperatura da célula[29].

4.2.3.5.3 Tensão

A tensão circuito aberto é o valor máximo de tensão eléctrica que existe entre os terminais da

célula e o obtido quando não existe carga através deles. Esta varia consoante a temperatura

da célula sendo obtida através da seguinte equação[29]:

(4.53)

A tensão no ponto máximo de potência pode ser estimada como 80% de da tensão de circuito

aberto para condições normais de operação.

4.2.3.5.4 Intensidade de Corrente

A intensidade de corrente curto-circuito é o valor máximo de corrente que a célula consegue

produzir ocorrendo quando esta está em curto-circuito. A intensidade de corrente curto-circuito

é directamente proporcional à irradiância pelo que pode ser calculado através da seguinte

equação[29]:

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54

(4.54)

4.2.3.5.5 Temperatura da célula

A temperatura da célula é um dos factores que mais influencia a produção de energia eléctrica

variando significativamente com as condições atmosféricas. Esta é possível de calcular

utilizando a (NOTC) através da seguinte equação[29]:

(4.55)

Apenas pare referir que é a temperatura do ar obtida à sombra.

4.2.3.5.6 Potência Máxima

A potência máxima é obtida através da seguinte expressão[29]:

(4.56)

Contudo, o fabricante normalmente apenas fornece Isc e Voc pelo que será necessário utilizar

um factor de escala. Este factor chama-se factor de preenchimento (fill factor) e admite-se

como hipótese que não varia com a temperatura e com a irradiância. É obtido através da

seguinte expressão[29]:

(4.57)

Notar que no cálculo do factor de preenchimento utiliza-se os dados nas condições padrão.

Depois de calculado o factor de escala torna-se simples o cálculo da potência máxima[29]:

4.2.4 Análise de Investimento

Para efectuar a análise financeira da implementação de um sistema fotovoltaico deverão ser

utilizados alguns indicadores financeiros.

4.2.4.1 VAL

O valor actual líquido é um indicador financeiro que avalia um determinado investimento

através do estudo dos cash flows gerados pelo projecto e o capital investido. Quando existe

apenas o investimento inicial, o VAL é dado pela seguinte expressão[30]:

(4.58)

Em que: = Investimento inicial

= Cash Flow

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55

= Número períodos de análise do projecto

= Ano em que se dá o Cash Flow Em suma, o investimento apenas é a rentável se o valor actual líquido apresentar um valor

positivo.

4.2.4.2 TIR

A taxa interna de rentabilidade é a taxa de actualização que o anula o valor actual líquido

podendo dizer-se que é a taxa mais elevada que o investidor pode contrair sem perder

dinheiro. É dado pela seguinte expressão[30]:

(4.59)

4.2.4.3 Período de retorno actualizado

O período de retorno actualizado permite calcular quantas unidades temporais são necessárias

para cobrir o investimento efectuado[30]:

(4.60)

4.2.5 Estrutura da ferramenta

A ferramenta solar está estrutura na seguinte forma:

1. Ao se seleccionar a cidade onde se pretende a instalar o sistema fotovoltaico são definidas

a latitude e longitude do local e seleccionadas as funções de factor céu limpo e

temperatura média do ar. Na ferramenta estão definidas 6 cidades de Portugal.

2. Todos os ângulos necessários para descrever o movimento do Sol são calculados

relativamente à localização definida.

3. Cálculo do factor de céu limpo e Temperatura média do ar consoante o determinado dia do

ano.

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56

4. Cálculo da irradiância incidente num painel com uma determinada inclinação em relação à

superfície e em relação ao eixo Norte-Sul(aw e β),

5. Cálculo da energia eléctrica produzida pelo sistema fotovoltaico. Esta irá depender

fundamentalmente da área instalada e do tipo de painel escolhido. Na ferramenta estão

disponíveis três tipos de painel

6. Cálculo da poupança obtida. Esta poupança irá resultar em diferentes valores consoante a

forma a energia é utilizada, ou seja, se irá ser utilizada para suprir as necessidades do

estabelecimento de ensino, ou se irá aproveitar as tarifas subsidiadas impostas pelo

decreto Lei 34/2011.

7. Análise de viabilidade da instalação do sistema fotovoltaico através do cálculo dos

indicadores económicos VAL, TIR e período de retorno actualizável.

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57

5. Resultados

5.1 Validação

5.1.1 Previsão de consumos

A previsão do perfil de consumo é uma função útil para as escolas que ainda não disponham

de serviço de visualização de consumos diários, com periodicidade de 15 em 15 minutos e

apenas possuem as facturas em papel. Para efectuar a validação obteve-se o perfil de

consumo médio para um dia útil do mês. De seguida calculou-se a energia correspondente a

cada período de facturação e os restantes valores necessários para efectuar a validação.

Efectuou-se a validação com informação da ESPA, ESGV e ESDD:

A validação foi feita nas 4 escolas analisadas que já aderiram ao EDP Online. Em cada escola

foi efectuada a validação para 2 meses distintos por forma a testar os modelos produzidos

(Verão e Inverno).

5.1.1.1 ESDD

Figura 50 - Comparação entre a previsão e o consumo real para ESDD em Jan-11

Energia Real (kWh) 1889 Erro

Energia Previsão (kWh) 1920 1,65% Tabela 4 - Erro ESDD Jan-11

0

20

40

60

80

100

120

140

Po

tên

cia

(kW

)

Horas

Real

Jan-11 Previsão Inverno

Page 73: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

58

Figura 51 - Comparação entre a previsão e o consumo real para ESDD em Maio-11

Energia Real (kWh) 1701 Erro

Energia Previsão (kWh) 1602 5,82% Tabela 5 - Erro ESDD Mai-11

5.1.1.2 ESPA

Figura 52 - Comparação entre a previsão e o consumo real para ESPA em Fev-10

Energia Real (kWh) 2964 Erro

Energia Previsão (kWh) 2782 6,2% Tabela 6 - Erro ESPA Fev-10

0

20

40

60

80

100

120

140

Po

tên

cia

(kW

)

Horas

Real

Previsão Verão

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

Po

tên

cia

(Kw

)

Horas

Fev-10

Previsão Inverno

Page 74: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

59

Figura 53 - Comparação entre a previsão e o consumo real para ESPA em Mai-11

Energia Real (kWh) 1546 Erro

Energia Previsão (kWh) 1622 4,9% Tabela 7 - Erro ESPA Mai-11

5.1.1.3 ESGV

Figura 54 - Comparação entre a previsão e o consumo real para ESGV em Jan-11

Energia Real (kWh) 1899 Erro

Energia Previsão (kWh) 1850 2,6 % Tabela 8 - Erro ESGV Jan-11

0

20

40

60

80

100

120

Po

tên

cia

(kW

)

Horas

Real

Mai-11 Previsão Verão

0

20

40

60

80

100

120

140

Po

tên

cia

(kW

)

Horas

Real

Jan-11 Previsão Inverno

Page 75: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

60

Figura 55 - Comparação entre a previsão e o consumo real para ESGV em Maio-10

Energia Real (kWh) 1429 Erro

Energia Previsão (kWh) 1501 5% Tabela 9 - Erro ESGV Mai-10

5.1.1.4 ESPM

Figura 56 - Comparação entre a previsão e o consumo real para ESPM emJan-11

Energia Real (kWh) 2486 Erro

Energia Previsão (kWh) 2475 0,5% Tabela 10 - Erro ESPM Jan-11

0

20

40

60

80

100

120

Po

tên

cia

(kW

)

Horas

Real

Previsão Verão

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

Po

tên

cia

(kW

)

Horas

Real

Jan11 Previsão Inverno

Page 76: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

61

Figura 57 - Comparação entre a previsão e o consumo real para ESPM em Maio-11

Energia Real (kWh) 1297 Erro

Energia Previsão (kWh) 1215 6,5% Tabela 11 - Erro ESPM Mai-11

Para os meses em causa obteve-se um erro máximo de 6,5% mostrando que esta função é

uma solução credível para se obter o perfil de consumo diário caso essa informação não esteja

disponível.

5.1.2 Solar

A validação da ferramenta solar é efectuada através de diversas comparações entre valores

reais/referência e os calculados pelo simulador. Inicialmente analisa-se os valores de produção

anual de um sistema fotovoltaico com uma potência de 100kW, procedendo-se à comparação

com valores de referência fornecidos pela Parque Escolar relativamente a experiências pilotos

em diferentes zonas do País. Posteriormente é efectuada a comparação com os valores de

produção de energia das escolas visitadas, quer por análise dos perfis de consumo ou por

visualização dos valores indicados pelo painel.

Na validação solar utilizou-se sempre um ângulo de inclinação de azimute do painel de 0° e o

painel STP185S-24/Ab-110

5.1.2.1 Valores de referência fornecidos pela Parque Escolar

Neste caso, como é efectuada a comparação com valores de referência é utilizado o valor de

inclinação habitual as instalações solares (β=35°)

Produção anual simulador (MWh)

Produção anual real (MWh)

Erro (%)

Lisboa 162 150 8%

Faro 165 160 3,1%

Tabela 12 - Validação Solar valores referência

10

Características do painel em anexo

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Po

tên

cia

(kW

)

Horas

Real

Mai-11 Previsão Verão

Page 77: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

62

Verifica-se um erro máximo de 8% mostrando neste caso uma ferramenta consistente.

5.1.2.2 Escola Secundária Passos Manuel

A ESPM possui um sistema de fotovoltaico com uma potência instalada de 6,48kWp. Quando

se efectuou a visita a esta escola não foi possível analisar em tempo real a energia produzida

por esta instalação. Contudo, com o auxílio do EDP online verificou-se a influência do sistema

fotovoltaico em dias de pouca actividade escolar (fim de semana de verão)

Figura 58 - Perfil de consumo fim-de-semana ESPM

Por volta das 06:45h da manha a iluminação exterior é desligada notando-se que durante

algum tempo o consumo permanece constante nos 25kW. A partir das 7:15h a instalação

fotovoltaica começa a produzir energia provocando uma diminuição no consumo de energia da

escola. Esta diminuição é visualizada até as 14 horas onde se atinge um mínimo de 20kW

iniciando-se a partir daí o processo contrário. Os painéis fotovoltaicos deixam de produzir

energia por volta das 19:30h. A iluminação nocturna só é activada às 21H00. Considerando

que a energia produzida é aproximadamente a área a verde do gráfico obtém-se:

(5.1)

Dado que não se possui a inclinação dos painéis, foi pedido ao simulador que calculasse a

energia para o dia 19 de Julho (dia 200) com uma inclinação de 30° para uma potência

instalada de 6.5kWp.

Energia Real (kWh) 30,6 Erro

Energia Simulador (kWh) 35,1 12,8% Tabela 13- Erro ESPM solar

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

40,0

45,0

Po

tên

cia

kW

Horas

09-Jul

19-Jul

Page 78: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

63

Diversas razões podem explicar o erro considerável: a inclinação do painel pode não ser 30º,

no dia em questão o índice de claridade poderá ter sido menor do que os valores de referência

para a época do ano. De facto, ao se analisar valores tão pequenos de potência de um só dia,

é natural que os erros observados sejam maiores do que no caso de haver um período de

análise superior.

5.1.2.3 Escola Secundária Dom Dinis

A ESDD possui actualmente um sistema fotovoltaico com uma potência instalada de 19,7kW.

Ao contrário da ESPM, foi possível analisar os valores produzidos permitido assim analisar a

energia produzida em vários períodos de tempo (dia, mês, ano). O sistema estava já em

operação à quase 6000 horas (sensivelmente 8 meses). Neste caso para efectuar a validação

optou-se por utilizar o valor anual estimado pelo aparelho de medição.

Figura 59 - Dados da instalação fotovoltaica ESDD

Nesta escola também foi permitido estar em contacto com a instalação situada no topo do

pavilhão gimnodesportivo. Com o auxílio de instrumento de medição, verificou-se que o ângulo

de inclinação era aproximadamente 9°. Logo foi pedido ao simulador para calcular a produção

anual de energia para uma potência instalada de 20kW com β= 9°.

Energia Real (kWh) 35886 Erro

Energia Simulador (kWh) 30408 15,2% Tabela 14 - Erro ESDD solar

O erro tem a mesma ordem de grandeza (13-15%) podendo justificar esta diferença pela

possibilidade do ano em estudo ter apresentado um índice de claridade mais favorável que o

habitual.

Page 79: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

64

5.2 Caracterização do consumo de energia

De forma a verificar qual o peso de cada secção da escola foi efectuada a desagregação do

perfil de consumo das várias escolas analisadas. Na ESVF conseguiu-se efectuar algumas

medições nos blocos B, H e no refeitório permitindo o cálculo de alguns factores de utilização.

Com a descrição das potências instaladas por bloco e com os factores de utilização calculados

obteve-se a seguinte figura:

Figura 60 - Desagregação do consumo da ESVF

Procedeu-se o mesmo raciocínio para as restantes escolas secundárias, assumindo os

factores de utilização da ESVF por falta de dados, obtendo-se assim os seguintes gráficos:

Figura 61 - Desagregação do consumo da ESDD

0

20

40

60

80

100

120

140

Po

tên

cia

(Kw

)

Horas

AVAC

Aulas Noite

Aulas Tarde

Aulas Manhã

Pav.Noite

Refeitório

Outros

Ilu. Ext

Equip. 24h

Mar-11

30-05-2011

0

20

40

60

80

100

120

140

Po

tên

cia

(Kw

)

Horas

AVAC

Aulas Noite

Aulas Tarde

Aulas Manhã

Pav.Noite

Refeitório

Outros

Ilu. Ext

Equip. 24h

Out-10

Jan-11

Page 80: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

65

Figura 62 - Desagregação do consumo da ESPA

Figura 63 - Desagregação do consumo da ESGV

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

Po

tên

cia

(Kw

)

Horas

AVAC

Aulas Noite

Aulas Tarde

Aulas Manhã

Pav.Noite

Refeitório

Outros

Ilu. Ext

Equip. 24h

Fev-10

Mai-11

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

140,00

Po

tên

cia

(Kw

)

Horas

AVAC

Aulas Noite

Aulas Tarde

Aulas Manhã

Pav.Noite

Refeitório

Outros

Ilu. Ext

Equip. 24h

Mai-11

Jan-11

Page 81: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

66

Figura 64 - Desagregação do consumo da ESPM

Com AVAC Energia (kWh) kWh/aluno.dia kWh/m².dia

ESDD 1893 1,333 0,178

ESVF 1602 1,120 0,098

ESPA 2957 1,542 0,237

ESGV 1965 1,163 0,153

ESPM 2145 1,664 0,129

Tabela 15 - Relações Energia/alunos e Energia/área das escolas secundárias analisadas C/AVAC

Sem AVAC Energia (kWh) kWh/aluno.dia kWh/m².dia

ESDD 1487 1,047 0,140

ESVF 1370 0,958 0,083

ESPA 1815 0,946 0,145

ESGV 1437 0,850 0,112

ESPM 1414 1,097 0,085

Tabela 16 - Relações Energia/alunos e Energia/área das escolas secundárias analisadas S/AVAC

Através da análise dos gráficos anteriores verifica-se que o sistema AVAC, quando ligado, é o

principal responsável pelo elevado consumo de energia. No entanto, nota-se uma grande

diferença no consumo de electricidade por parte do AVAC na ESVF. Ao contrário da maioria

das escolas visitadas que possuem 1 ou 2 chillers num sistema centralizado, na ESVF o

sistema de AVAC é composto por vários VRV (volume de refrigerante variável) permitindo aos

utilizadores da escola uma maior versatilidade, não sendo necessário ligar sistemas de

climatização de grande potência para apenas climatizar uma parte das instalações da escola.

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

140,00

160,00

180,00

200,00

Po

tên

cia

(Kw

)

Horas

AVAC

Aulas Noite

Aulas Tarde

Aulas Manhã

Pav.Noite

Refeitório

Outros

Ilu. Ext

Equip. 24h

Mai-11

Abr-11

Page 82: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

67

Ao se analisar os consumos em função do número de alunos verifica-se que as ESVF e ESGV

são as que consomem menos energia em função do número de alunos (Com AVAC). No

entanto há que realçar os valores obtidos da ESGV pois ao ter aulas à noite torna-se mais

difícil obter uma relação energia/alunos favorável. As outras escolas apresentam uma relação

energia/alunos bem mais elevada não se justificando o consumo energético existente. Neste

caso destaca-se pela negativa a ESPM pois apesar de não possuir aulas à noite, que

teoricamente seria uma grande vantagem, é a escola com pior relação kWh/aluno.dia. Por

outro lado é o edifício mais antigo e onde por isso a remodelação teve contornos especiais.

A ESPA apresenta os valores menos favoráveis tanto em função de área como de alunos

devido ao elevado consumo de energia existente no horário nocturno.

A ESPM tem a particularidade de apresentar um bom valor na relação energia/área e um valor

bastante mau na relação energia/alunos (Com AVAC). Isto poderá significar que a escola não

tem o número de alunos adequado ou que a escola tem uma área não útil bastante elevada.

A ESDD apresenta valores inferiores de desempenho em comparação com a ESVF superando

apenas a ESPA nas duas relações.

Caso seja efectuada a análise dos perfis de consumo sem AVAC, os consumos em função de

área e de alunos melhoram bastante, chegando ao ponto de algumas escolas superarem os

resultados da ESVF.

Através dos gráficos anteriores verifica-se também que o pavilhão gimnodesportivo das escolas

é utilizado durante a noite para actividades extra-curriculares. Por possuir uma grande potência

de iluminação, mais de 20 kW, deve-se ter como precaução ao utilizar as instalações do

pavilhão, que este seja desligado no final da actividade, por forma a não haver um dispêndio

desnecessário de energia.

5.3 Miniprodução

5.3.1 Potência de 100 kW

A análise da introdução de miniprodução irá ser realizada através do estudo da colocação de

um sistema fotovoltaico em Lisboa com potência de instalação de 100 kW. Considera-se que

os painéis fotovoltaicos possuem uma inclinação de 30° e estão virados para sul ( =0).

São consideradas três possibilidades de utilização de miniprodução:

1) Regime previsto no decreto de Lei 34/2011, que prevê o pagamento de uma tarifa

subsidiada pré-definida, denominado Rede;

2) Regime de auto-consumo, denominado de Auto-Consumo;

Page 83: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

68

3) Regime misto, para auto-consumo nas horas de Ponta com utilização de um sistema

de baterias e possibilidade posterior venda da energia remanescente à tarifa normal de

aquisição (não subsidiada), denominado por Baterias.

Figura 65 - Evolução da produção de energia ao longo do ano

Através da análise da figura 89 verifica-se que a produção de energia é relativamente

constante entre Abril e Setembro. A energia produzida no Verão é sensivelmente o dobro da

energia produzida no Inverno. O valor mínimo de produção de energia eléctrica acontece nos

últimos dias do ano coincidindo com a data de solstício de Inverno. Através da energia

produzida conseguem-se 3 níveis de poupança em função das diferentes estratégias:

Figura 66 - Evolução das poupanças ao longo do 1º ano

0

100

200

300

400

500

600

0 50 100 150 200 250 300 350

Ene

rgia

(K

wh

/dia

)

Dias do ano

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 50 100 150 200 250 300 350

Euro

s (€

/dia

)

Dias do ano

Auto (€)

Rede (€)

Page 84: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

69

Estratégia Poupança

anual (kWh) Poupança 1ºano (€)

% Poupança energética11

% Gastos anuais12

Auto-consumo

162759

17.078 €

28,6%

27,9%

Rede 40.705 € 66,7%

Baterias 25.358 € 41,8%

Tabela 17 - Poupança miniprodução segundo diferentes tipos de poupança

Verifica-se que o Auto-Consumo é claramente a opção mais desvantajosa sendo a opção Rede

a que apresenta melhores resultados. Contudo estas opções deverão ser analisadas ao longo

do seu período de funcionamento e não em apenas num ano.

A melhor forma para seleccionar a solução mais vantajosa é através os indicadores

económicos. Considerando que a instalação tem um período de funcionamento de 15 anos,

que o Investimento da instalação solar é de 190mil euros13

e que a taxa de actualização é

10% obtêm-se os seguintes valores:

Auto Rede Baterias

VAL -60.101 € 119.608 € -27.121€

TIR 3,99% 20,04% 7,78%

PRI (Payback) Actualizado 21,94 9,210 17,11 Tabela 18 - Indicadores económicos para cada tipo de poupança

Aparentemente, para o investimento, taxa e o período de funcionamento em causa, não vale a

pena instalar uma instalação de 100kW caso a energia produzida esteja destinada a suprir as

necessidades da escola num modelo de auto-consumo.

No entanto, a opção com baterias apesar de ser também uma opção de auto-consumo, possui

a particularidade de armazenar a energia produzida pela instalação sendo a energia consumida

nos períodos com tarifas menos favoráveis, ou seja, no período de Ponta onde tanto a energia

como a potência são taxadas. Caso o sistema fotovoltaico produza uma quantidade de energia

superior, a energia será vendida a uma tarifa não subsidiada14

.Contudo esta opção apresenta a

particularidade de necessitar um investimento superior em comparação com as outras opções

devido ao custo acrescido na aquisição das baterias. Considerou-se que o Investimento nesta

opção será 20% superior em relação às outras opções.

11

Percentagem dos consumos energéticos da ESPA em 2010 (568.747 kWh) 12

Percentagem dos gastos anuais da ESPA em 2010 (61000€). 13

Na opção baterias considerou-se um Investimento de 220mil euros 14

Considerou-se a tarifa do período de Cheias

Page 85: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

70

A opção auto-consumo com baterias apesar de não apresentar um VAL positivo para os 15

anos em análise, apresenta um PRI de 17 anos que é inferior aos 25 anos estimados para a

duração deste tipo de instalação. Assim, esta solução no futuro poderá ser a melhor solução

pois:

Não está tão dependente da tarifa subsidiada.

As tarifas de electricidade têm tendência a aumentar com o tempo.

O período de retorno tem de ser inferior apenas ao período de duração do sistema

Pelo contrário, a opção de venda directa de energia para rede com tarifa subsidiada apresenta

indicadores económicos bastante favoráveis. No entanto é necessário referir que foi utilizada a

tarifa base (0,25€), que irá ser actualizada para 0,22€ já em 2012.

Em suma, se o produtor de electricidade conseguir uma tarifa, a opção injecção directa à rede

é a melhor solução. Caso contrário, será ainda viável a utilização da opção com baterias.

Deverá ter-se em conta que a análise foi efectuada para um período de 15 anos dado que o

período de duração a tarifa subsidiada. Contudo o período de vida da instalação de um sistema

fotovoltaico chega a 25 anos, sendo que neste caso as três opções apresentam indicadores

económicos favoráveis.

5.4 Eficiência Energética

5.4.1 Mudança de horário Aulas

Como foi referido anteriormente a ERSE pretende incentivar a uniformização do consumo de

electricidade através da colocação de tarifas elevadas nos períodos onde é mais provável um

grande consumo de energia. Logo a direcção das escolas ao gerir a taxa de ocupação das

instalações da escola poderá promover poupanças significativas.

Consideremos a título de exemplo passar a maior parte das aulas do período da manhã para o

período da tarde, evitando assim que o horário da tarifa de Ponta seja o horário com maior taxa

de utilização da escola, em particular das aulas. Em Março (tarifário de Inverno) os períodos de

facturação com a tarifa mais elevada são das 9:00h até 10:30h e das 18:00h até 20:30h.

Page 86: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

71

Figura 67 - Desagregação consumo ESVF Março-2010

Ao se analisar o gráfico anterior repara-se que é exactamente no período de Ponta de manhã

onde se registam as potências mais elevadas, advindo por isso custos mais elevados na

factura de electricidade.

Figura 68 - Alteração da ocupação das Salas de Aula ESVF

0

20

40

60

80

100

120

Po

tên

cia

(Kw

)

Horas

AVAC

Aulas Noite

Aulas Tarde

Aulas Manhã

Pav.Noite

Refeitório

Outros

Ilu. Ext

Equip. 24h

Real

0

20

40

60

80

100

120

Po

tên

cia

(Kw

)

Horas

AVAC

Aulas Noite

Aulas Tarde

Aulas Manhã

Pav.Noite

Refeitório

Outros

Ilu. Ext

Equip. 24h

Real

Page 87: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

72

Tarifário Energia

kWh Factura

Diária Act. € Factura

Diária Nov. € Poupança

Diária €

Inverno 1430 145,41€ 142,10€ 3,31€

Tabela 19 - Poupança diária devido à mudança de horários das salas de aula

Taxa de ocupação Actual Nova

Aulas manhã 58% 35%

Aulas tarde 42% 65%

Aulas noite 0% 0%

Pavilhão Noite 100% 100%

Tabela 20 - Taxas de ocupação

Procedendo da mesma forma para as restantes escolas obtém-se:

Poupança

ESDD 3%

ESVF 2,3%

ESPA 1,7%

ESGV 1,2%

ESPM 1,3%

Tabela 21 - Poupança devido à alteração dos horários para todas escolas analisadas

Ao se alterar a taxa de ocupação das salas de aulas consegue-se provocar uma diminuição

máxima de 3% (ESDD) nos custos de electricidade. Pelas poupanças calculadas em cada

escola verifica-se que a ESDD e a ESVF são as escolas com maior carga horária escolar no

período da manhã. No caso da ESVF consegue-se uma poupança mensal de 70 euros sem

efectuar qualquer investimento material.

5.4.2 Mudança de horário Refeitório

Nas visitas efectuadas às escolas secundárias verificou-se que os refeitórios apresentam a

mesma estrutura e equipamentos. Logo assume-se que a potência instalada e o factor de

utilização são iguais para todas as escolas. Segundo as medições efectuadas a potência média

estimada do refeitório é:

(5.2)

A poupança referente a esta parcela é efectuada através das diferentes tarifas existentes ao

longo do dia. Assim, considera-se que o novo horário de utilização das instalações do refeitório

é das 10:30h até 14:00h. Logo:

8:00h

10:30h 13:00h

14:00h

Potência Antiga

Nova Potência

Page 88: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

73

(5.3)

Utilizando as tarifas de Média Tensão em Longas utilizações para o primeiro e quarto

trimestre::

(5.4)

(5.5)

(5.6)

Neste caso resultará uma redução de 25% nos custos associados ao refeitório e 1% nos custos

totais15

.

5.4.3 Consumos residuais (Standby)

Ao se analisar os consumos das escolas secundárias e pelas visitas efectuadas às suas

instalações é injustificável haver uma discrepância tão grande nos consumos no período de

Vazio e Super-Vazio. Estas discrepâncias parecem dever-se ao facto de não haver um

procedimento sistemático ou sistema automática que garanta que todos os serviços

energéticos são desligados quando a escola é fechada (tipicamente iluminação).

Assim, considera-se que a potência de standby das escolas secundárias não deverá

ultrapassar os 25kW. Caso a escola ultrapasse esse valor deverá adoptar medidas por forma a

racionalizar o consumo de energia eléctrica.

Considera-se o período de standby das escolas é da 00:00h até 07:00h

Utilizando por exemplo o caso da ESPA:

Através de várias facturas online obteve-se o valor de potência meda de Standby:

(5.7)

Logo a quantidade de energia que é consumida a mais do que é suposto é:

(5.8)

15

Considera-se que o custo diário das escolas é180€

Page 89: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

74

Esta poupança de energia vai corresponder a uma poupança de16

:

(5.9)

Considerando uma factura diária de 170€ para um dia útil:

(5.10)

Potência

Standby (kW) Energia

Desperdiçada (kWh)

Poupança

ESDD 32,35 51,45 2,6%

ESVF 26,22 8,54 5,7%

ESPA 33,29 58,1 1,7%

ESGV 29,75 33,25 2,3%

ESPM 35,75 75,25 3,5%

Tabela 22 - Poupanças de standby para as escolas analisadas

5.4.4 AVAC

Através da caracterização de consumos verificou-se a grande diferença nos consumos

energéticos de AVAC da ESVF para as restantes escolas. Assim faz-se uma estimativa do

quanto as outras escolas poupariam caso utilizassem o mesmo tipo de sistema.

(5.11)

Como a área das escolas varia, é necessário adimensionalizar a potência AVAC da ESVF para

saber qual seria a potência necessária para as outras escolas com o mesmo sistema de AVAC

Assim utilizando o valor de área edificada da escola obtém-se:

(5.12)

16

Para calcular a poupança utilizou-se os valores médios das tarifas de média tensão de Longas utilizações

Page 90: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

75

Logo:

Energia AVAC (kWh)

Potência média AVAC (kW)

Potência média AVAC ESVF

17

(kW)

ΔPotência AVAC (kW)

ESDD 406 35,21 23,16 12,05

ESPA 1815 113,44 15,02 95,83

ESGV 528 40,62 17,61 22,55

ESPM 731 69,62 18,06 46,25

Tabela 23 - Variação de Potência AVAC

Factura diária (€)

Poupança (€/kW)

Poupança (€) %Poupança

ESDD 182 1,62 19,52 10,7

ESPA 325 1,7 163,3 50,2

ESGV 194 1,5 33,97 17,5

ESPM 245 0,96 44,44 18,1

Tabela 24- Poupança AVAC

Caso este tipo de medida pudesse ser adoptada poderia haver uma poupança máxima de 50%

(ESPA).

5.5 Poupanças Totais

ESDD ESVF ESPA ESGV ESPM

Mudança horário Aulas 3% 2,3% 1,7% 1,2% 1,3%

Mudança horário Refeit. 1% 1% 1% 1% 1%

Standby 2,6% 1,7% 1,7% 2,3% 3,5%

AVAC 10,7% - 50,2% 17,5% 18,1%

TOTAL S/AVAC (%) 6,6% 5% 4,4% 4,5% 5,8%

TOTAL (%) 17,3% 5% 54,6% 22% 23,9%

Tabela 25 - Poupança Total

O maior potencial de poupança verifica-se na ESDD (6,6%) devido à grande taxa de ocupação

das salas de aula que esta possui no período da manhã.

A ESPM apresenta um valor de standby bastante elevado demonstrando algum descuido na

utilização dos equipamentos.

Caso o sistema de AVAC da ESVF tivesse sido aplicado nas outras escolas secundárias, os

custos poderiam ter sido diminuídos até 54,6% (ESPA). No entanto é necessário referir que tal

raciocínio é um pouco injusto para as escolas com tipologia MOP e Histórica (ESPM e ESGV) ,

17

Valor obtido através da potência adimensionalizada e área da respectiva escola

Page 91: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

76

sendo provável que tais soluções apenas possam ser utilizadas em escolas com tipologia

pavilhonar.

5.6 Medidas Complementares

No estudo efectuado às escolas secundárias, identificaram-se medidas complementares às

introduzidas durante as intervenções nas escolas, embora não tenham sido possíveis de

quantificar a poupança resultante:

Identificar interruptores (quais as lâmpadas referentes a cada interruptor).

Colocar sensores de presença na iluminação de circulação.

Modificar a disposição dos conjuntos de lâmpadas associados a cada interruptor. Em

algumas salas de aulas verificou-se uma incorrecta disposição dos conjuntos de

lâmpadas estando as lâmpadas associadas consoante a distância ao quadro e não às

janelas:

Figura 69 - Disposição dos conjuntos de lâmpadas actual e o correcto

Lançar campanhas de consciencialização no uso irracional de energia e demonstrar as

consequências de tais actos.

Estimular a utilização do pavilhão nas horas com menor custo. Por exemplo o horário

do pavilhão é das 18 às 23. Quanto mais tarde for, menor é o preço do kWh (Ponta,

Cheia, Vazio), pelo que o preço para alugar o pavilhão deverá seguir a mesma

evolução.

Janelas

Quadro

Page 92: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

77

6. Conclusões

Através da elaboração deste trabalho, pretendeu-se minimizar os custos associados ao

consumo de electricidade das escolas secundárias intervencionadas pela Parque Escolar.

Estes custos poderão ser minimizados através da adopção de medidas a nível técnico como a

nível comportamental.

Para caracterizar o consumo energético de uma escola secundária que não tenha acesso aos

perfis de consumo diários, foi criado um modelo de previsão para caracterizar o perfil de

consumo da escola. Este perfil é obtido através da análise da quantidade de energia existente

em cada período de facturação (Ponta, Cheia, Vazio e Super-Vazio). Ao se comparar os

resultados com as facturas online mostrou ser uma boa alternativa possuindo apenas como

desvantagem a necessidade de saber as taxas de ocupação dos diversos espaços das

escolas, que pode no entanto ser inferido pelos padrões de utilização da escola (razão entre as

aulas de manhã e de tarde, ocupação nocturna do pavilhão, etc).

Através da análise das escolas secundárias identificaram-se algumas medidas de eficiência

energética que poderão proporcionar uma poupança significativa de energia. Assim caso sejam

alteradas algumas taxas de ocupação e caso exista um maior controlo nos consumos nos

períodos de Vazio e Super Vazio, existe um potencial de poupança de quase 10%.

Identificaram-se outras medidas de eficiência energética complementares às da Parque

Escolar – utilização de sensores de presença na iluminação dos corredores e a alteração dos

conjuntos de lâmpadas das salas de aula - não tendo sido neste caso possível quantificar o

potencial de poupança.

No entanto ao se caracterizar o consumo de electricidade das escolas secundárias verificou-se

que os sistemas de AVAC são os principais responsáveis pelo aumento significativo do

consumo de energia após as intervenções. À excepção da ESVF, o sistema AVAC é

responsável por quase 40% do consumo de energia nos dias em que é utilizado. A ESVF ao

possuir um sistema de AVAC constituído por um conjunto de VRVs independentes por

pavilhão, fica com uma instalação mais versátil capaz de suprir as necessidades das

instalações sem que ocorra desperdício de energia. O que se verifica nas outras escolas é por

exemplo a ligação do sistema de AVAC centralizado quando não há aulas e os professores e

funcionários necessitam de climatizar os espaços de trabalho.

Por outro lado quando se caracterizou o consumo de energia em função do número de alunos

e da área verificou-se que a ESVF é claramente a mais eficiente. Através da análise dos

resultados verificou-se que a existência de aulas no período nocturno aumenta

consideravelmente as necessidades energéticas das escolas secundárias, mesmo que o

número de alunos não seja muito significativo.

Page 93: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

78

Em suma, a Parque Escolar deverá no futuro efectuar um esforço redobrado no estudo da

selecção do sistema de AVAC das escolas secundárias, devendo ter a ESVF como referência.

Para analisar a implementação de painéis fotovoltaicos concebeu-se uma ferramenta de

cálculo que calcula a produção energética de um determinado parque fotovoltaico. A sua

instalação poderá ser analisada em qualquer ponto do país e com qualquer tipo de painel. Esta

energia poderá ser convertida em poupança através de diferentes regimes onde se destaca a

venda da energia com uma tarifa subsidiada. Dado o actual valor da tarifa, é claramente a

melhor solução a ser utilizada. O regime auto-consumo com baterias utiliza a energia produzida

pelo painel para satisfazer o consumo energético da escola, em períodos de facturação com

tarifas elevadas (Período de Ponta). Se a produção dos painéis fotovoltaicos ultrapassar a

energia necessária no período de Ponta, a energia remanescente deverá ser vendida a uma

tarifa pré-definida. Apesar de os indicadores económicos não serem tão favoráveis, é uma

solução a ter em conta no futuro pois, não está tão dependente da tarifa subsidiada e no futuro

as tarifas de electricidade têm tendência a aumentar. Por fim o auto-consumo perde bastante

para as restantes opções apenas justificando em pequenas instalações.

Page 94: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

79

7. Referências Bibliográficas

[1] BP, "Statistical Review June 2011,".

[2] United Nations Framework Convention on Climate Change. Kyoto Protocol. [Online].

http://unfccc.int/kyoto_protocol/items/2830.php

[3] International Energy Agency, "Energy Tecnhology Perspectives - Scenarios & Strategies to

2050," pp. 2-3, 2010.

[4] European Commission Climate Action. European Commission Climate Action. [Online].

http://ec.europa.eu/clima/policies/package/index_en.htm

[5] RE.NEW.ABLE. Plano Novas Energias (ENE). [Online].

http://www.h2ecocommunity.net/3edition/docs/3sem_h2_apt_plano_novas_energias.pdf

[6] World Business Council for Sustainable Development, "Transforming the Market," Energy

Effiency in Buildings, p. 51.

[7] Parque Escolar. Parque Escolar. [Online]. http://www.parque-escolar.pt/QS-missao-

objectivo.php

[8] Eficiência Energética. (2006, Abril) Decreto-Lei n.º 78/2006. [Online]. http://www.eficiencia-

energetica.com/html/eee/eee_sce.htm

[9] Decreto-Lei n.º 80/2006 de 4 de Abril, "Regulamento das Características de

Comportamento Térmico de Edifícios (RCCTE)," Diário da República, vol. 67, pp. 2468-

2513, Abril 2006.

[10] Decreto-Lei n.o 79/2006 de 4 de Abril, "Regulamento dos Sistemas Energéticos de

Climatização em Edifícios (RSECE)," Diário da República, vol. 67, pp. 2416-2468, Abril

2006.

[11] RE.NEW.ABLE. ECO.AP. [Online]. http://www.renewable.pt/pt/Able/Paginas/ECOAP.aspx

[12] Decreto-Lei n.º 34/2011 de 8 de Março, "Miniprodução," Diário da República, vol. 47, pp.

1316-1325, Março 2011.

[13] U. Desideri and S. Proietti, "Analysis of energy consumption in the high schools of a

province in central Italy," Fuel and energy abstracts, vol. 44, 2003.

[14] E. Dascalaki and V. Sermpetzoglou, "Energy performance and indoor environmental quality

Page 95: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

80

in Hellenic schools," Energy and buildings, vol. 43, no. 2-3, 2011.

[15] A. Dimoudi and P. Kostarela, "Energy monitoring and conservation potential in school

buildings in the C′ climatic zone of Greece," Renewable energy, vol. 34, no. 1, 2009.

[16] The Economist, "Pocket world in figures," 1995.

[17] C. Filippín, "Benchmarking the energy efficiency and greenhouse gases emissions of

school buildings in central Argentina," Building and environment, vol. 35, no. 5, 2000.

[18] Oriol Pons and Gerardo Wadel, "Environmental impacts of prefabricated school buildings in

Catalonia," Habit international, vol. 35, no. 4, 2011.

[19] N. Amoroso, "Introduction of solar energy devices to secondary schools as teaching aids,"

vol. 64, no. 1-3, 1998.

[20] Lana El Chaar and Lisa A. Lamont, "Nourishing green minds in the land of oil," Renewable

energy, vol. 35, no. 3, 2009.

[21] Miguel Águas, Gestão de Energia., 2009.

[22] Miguel Águas, Energy Management, 2010/2011.

[23] António F. O. Falcão, Recursos Energéticos Renováveis - Energia Solar., 2008.

[24] João Luís Toste de Azevedo, Solar Radiation - Climatização de Edifícios, 2010.

[25] R.A. Messenger and J. Ventre, Photovoltaic System Engineering, Second Edition ed.: CRC

Press, 2003.

[26] José Carlos Pereira, "Avaliação do Potencial Energético Solar na Região Autónoma da

Madeira," LASEF, Madeira, 2005.

[27] FEUP. Efeito fotovoltaico. [Online].

http://paginas.fe.up.pt/~ee97234/efeito_fotovoltaico1.htm

[28] Minha Casa Solar. [Online]. http://www.minhacasasolar.com.br/index.php

[29] John Wiley and Sons, Solar Electricity, Tomas Makvart, Ed., 2000.

[30] André Zunido and Germano Magalhães, "Análise Financeira de Projectos de Software,"

Faculdade de Ciências e Tecnologia, 2006.

Page 96: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

81

A. Anexos

A.1 Dados das escolas

Número de alunos Outros

Dia Noite Total

Dom Dinis 1005 235 180 1420

Gil Vicente 996 514 180 1690

Passos Manuel 1094 0 195 1289

Pedro Alexandrino 918 790 210 1918

Vergílio Ferreira 1260 0 170 1430 Tabela A. 1 - Áreas e número de alunos das escolas visitadas

Área Edificada (m²)

Dom Dinis 10650

Gil Vicente 12812

Passos Manuel 16576

Pedro Alexandrino 12490

Vergílio Ferreira 16425 Tabela A. 2 - Áreas das escolas analisadas

Page 97: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

82

A.2 Preços da electricidade

Tabela A. 3 - Tarifário em Média Tensão

A.3 Potências Instaladas

A.3.1 ESVF

Page 98: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

83

Edifício de Entrada kW

Iluminação de segurança 0,5

Iluminação de circulação 3,0

Iluminação Salas 4,0

Tomadas e equipamentos 10,0

Elevador 15,0

Ar condicionado 40,0

Reserva 10,0

Total 82,5

Bloco A

Iluminação de segurança 0,5

Iluminação de circulação 1,0

Iluminação Salas 4,0

Tomadas e equipamentos 6,0

Ar condicionado 40,0

Reserva 5,0

Total 56,5

Bloco B

Iluminação de segurança 0,5

Iluminação de circulação 1,0

Iluminação Salas de Aula 6,0

Tomadas e equipamentos 20,0

Elevador 12,5

Ar condicionado 40,0

Reserva 3,5

Total 83,5

Bloco C

Iluminação de segurança 0,5

Iluminação de circulação 0,5

Iluminação Salas de Aula 3,0

Tomadas e equipamentos 10,0

Ar condicionado 10,0

Reserva 2,6

Total 26,6

Bloco D

Iluminação de segurança 1,0

Iluminação de circulações 1,0

Iluminação Salas Aula 3,0

Tomadas e equipamentos 10,0

Bar/cafetaria 15,0

Ar condicionado 32,0

Reserva 3,0

Total 65,0

Bloco E

Iluminação de segurança 0,5

Iluminação refeitório 2,5

Tomadas e equipamentos 10,0

Cozinha 25,0

Ventilação 12,0

Reserva 21,0

Total 71,0

Bloco F

Iluminação de segurança 0,5

Iluminação de circulação 1,0

Iluminação Salas de Aula 6,5

Tomadas e equipamentos 10,0

Ventilação 11,0

Reserva 21,0

Total 50,0

Bloco G

Iluminação de segurança 1,0

Iluminação de circulação 1,0

Iluminação Salas de Aula 6,0

Tomadas e equipamentos 10,0

Ventilação 10,0

Reserva 22,0

Total 50,0

Bloco H

Iluminação de segurança 0,5

Iluminação de circulação 2,0

Iluminação Salas de Aula 12,0

Tomadas e equipamentos 15,0

Elevador 12,5

Ar condicionado 30,0

Reserva 10,0

Total 82,0

Bloco I

Iluminação de segurança 0,5

Iluminação de circulação 0,5

Iluminação Salas de Aula 7,0

Tomadas e equipamentos 10,0

Ventilação 16,0

Reserva 10,0

Total 44,0

Bloco J

Iluminação de segurança 1,0

Iluminação de circulação 3,0

Iluminação desportiva 21,0

Tomadas e equipamentos 5,0

Ventilação 51,0

Reserva 4,0

Page 99: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

84

Total 85,0

Bloco L

Iluminação de segurança 0,5

Iluminação da Sala 0,5

Tomadas e equipamentos 1,0

Total 2,0

Bloco centro de recursos

Total 20,0

Portaria

Iluminação 0,5

Tomadas e equipamentos 3,0

Reserva 6,5

Total 10,0

Iluminação Exterior

Total 40,0

Tabela A. 4 – Potência Instalada da ESVF

A.3.2 ESPA

kW

Iluminação 112

Tomadas 190

Equipamentos 180

UPS 1 - Socorro 40

UPS 2 - Segurança 25

AVAC 252

Elevador 5

Pavilhão Gimnod. 30 Tabela A. 5 – Potência Instalada da ESPA

A.3.3 ESPM

Potência Instalada de 800kVA

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85

A.4 Perfis de consumo de vários blocos da ESVF

Figura A. 1- Perfil de consumo no fim-de-semana Bloco B ESVF

Figura A. 2 - Perfil consumo médio do bloco B ESVF

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0 P

otê

nci

a (k

W)

Horas

09-Abr

10-Abr

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

9,0

Po

tên

cia

kW

Horas

Dia útil Abril-11

Page 101: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

86

Figura A. 3 - Perfil de consumo fim-de-semana do bloco C ESVF

Figura A. 4 - Perfil consumo médio do bloco C ESVF

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

Po

tên

cia

(Kw

)

Horas

28-Mai

29-Mai

04-Jun

05-Jun

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

Po

tên

cia

(Kw

)

Horas

Dia útil Jun-11

Page 102: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

87

Figura A. 5 - Perfil de consumo fim-de-semana do bloco H ESVF

Figura A. 6 - Perfil de consumo médio bloco H ESVF

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

Po

tên

cia

kW

Horas

26-Mar

27-Mar

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

14,0

Po

tên

cia

(kW

)

Horas

Dia útil Mar-11

Page 103: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

88

Figura A. 7 - Perfil de consumo no fim-de-semana Refeitório ESVF

Figura A. 8 - Perfil de consumo médio dia útil Refeitório ESVF

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

Po

tên

cia

(kW

)

Horas

15-05

16-05

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

14,0

16,0

18,0

Po

tên

cia

(kW

)

Horas

Dia útil

14-05

15-05

Mai-11

Page 104: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

89

A.5 Previsão do perfil de consumo

A.5.1 Facturas de electricidade Dom Dinis Jan-11

Figura A. 9 - Factura Papel da ESDD Jan-11

Figura A. 10 - Factura Online da ESDD em Jan-11

0

20

40

60

80

100

120

140

Po

tên

cia

(kW

)

Horas

Jan-11

Page 105: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

90

A.5.2 Facturas de electricidade Dom Dinis Mai-11

Figura A. 11 - Factura Papel ESDD em Mai-11

Figura A. 12 - Factura Online da ESDD em Mai-11

0

20

40

60

80

100

120

140

Po

tên

cia

(kW

)

Horas

Mai-11

Page 106: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

91

A.5.3 Facturas de electricidade Pedro Alexandrino Fev-10

Figura A. 13 - Factura papel ESPA em Fev-10

Figura A. 14 – Factura Online da ESPA em Fev-10

0

50

100

150

200

250

Po

tên

cia

(kW

)

Horas

Fev-10

Page 107: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

92

A.5.4 Facturas de electricidade Pedro Alexandrino Mai-11

Figura A. 15 - Factura Papel ESPA em Mai-11

Figura A. 16 - Factura Online da ESPA em Mai-11

0

20

40

60

80

100

120

Po

tên

cia

(kW

)

Horas

Mai-11

Page 108: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

93

A.5.5 Facturas de electricidade da Escola Secundária Gil Vicente Jan-11

Figura A. 17 - Factura Papel ESGV em Jan-11

Figura A. 18 - Factura online ESGV Jan-11

0

20

40

60

80

100

120

140

Po

tên

cia

(kW

)

Horas

Jan-11

Page 109: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

94

A.5.6 Facturas de electricidade da Escola Secundária Gil Vicente Mai-10

Figura A. 19 - Factura papel ESGV em Mai-10

Figura A. 20- Factura Online da ESGV em Mai-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Po

tên

cia

(kW

)

Horas

Page 110: Eficiência Energética em Edifícios Escolares · sectores de maior consumo no edifício, identificar desvios em relação a valores padrão e testar medidas de eficiência energética

95

A.6 Características das Cidades

A.6.1 Localização das cidades

Latitude Longitude

Cidade Horas Minutos Horas Minutos

Bragança 41 49 -6 45

Coimbra 40 12 -8 25

Évora 38 34 -7 54

Faro 37 1 -7 56

Lisboa 38 43 -9 10

Porto 41 11 -8 36 Tabela A. 6 - Latitude e longitude das cidades

A.6.2 Curvas de factor céu limpo

Kt (Tabelado) Dia Bragança Coimbra Évora Faro Lisboa Porto

Janeiro 21 0,416 0,48 0,443 0,505 0,49 0,445

Fevereiro 52 0,492 0,526 0,5 0,547 0,54 0,498

Março 80 0,515 0,534 0,511 0,566 0,553 0,526

Abril 111 0,578 0,574 0,58 0,634 0,611 0,609

Maio 141 0,61 0,569 0,607 0,667 0,626 0,611

Junho 172 0,632 0,569 0,638 0,689 0,66 0,638

Julho 202 0,703 0,615 0,699 0,714 0,709 0,675

Agosto 233 0,68 0,623 0,679 0,697 0,7 0,663

Setembro 264 0,607 0,581 0,602 0,662 0,639 0,603

Outubro 294 0,531 0,567 0,546 0,6 0,584 0,551

Novembro 325 0,484 0,531 0,486 0,535 0,529 0,492

Dezembro 355 0,406 0,541 0,466 0,522 0,505 0,472 Tabela A. 7 - Valores tabelados de factor de céu limpo

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Figura A. 21 - Evolução do factor de céu limpo obtida através dos valores tabelados

A.6.3 Curvas da temperatura média do ar

Tg Dia Bragança Coimbra Évora Faro Lisboa Porto

Janeiro 21 2,5 9,0 9,0 12,5 9,0 8,0

Fevereiro 52 5,0 10,0 10,0 12,5 11,0 10,0

Março 80 7,5 12,5 12,5 13,0 13,0 12,5

Abril 111 10,0 15,0 14,0 15,5 15,0 14,0

Maio 141 12,5 15,0 17,5 17,5 17,0 15,0

Junho 172 15,0 18,0 20,0 21,0 20,0 18,0

Julho 202 20,0 20,0 24,0 23,0 22,5 20,0

Agosto 233 20,0 20,0 24,0 23,0 22,5 20,0

Setembro 264 15,0 20,0 21,0 22,5 20,0 17,5

Outubro 294 12,0 15,0 17,5 20,0 15,0 15,0

Novembro 325 5,0 12,5 12,5 15,0 15,0 12,5

Dezembro 355 4,0 10,0 9,0 12,5 10,0 10,0 Tabela A. 8 – Valores tabelados da temperatura média do ar

0,400

0,450

0,500

0,550

0,600

0,650

0,700

0,750

1 21 52 80 111 141 172 202 233 264 294 325 355 365

Kt(

Cla

rity

ind

ex)

Dias do ano

Bragança

Coimbra

Évora

Faro

Lisboa

Porto

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97

Figura A. 22 - Evolução da temperatura média obtida através dos valores tabelados

A.7 Características dos Painéis

Painel Voc (V) Isc (A) dV/dT NOCT (°C) Pmax (W) Área (m²)

STP185S-24/Ab-1 44,6 5,4

-0,34 45

185

1,125 STP180S-24/Ab-1 44,4 5,4 180

STP175S-24/Ab-1 44,2 5,2 175 Tabela A. 9 - Características dos painéis

-

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

1 21 52 80 111 141 172 202 233 264 294 325 355 365

Tem

p. m

éd

ia d

o a

r (°

C)

Dias do ano

Bragança

Coimbra

Évora

Faro

Lisboa

Porto

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A.8 Ferramenta de Análise de Consumos

A ferramenta desenvolvida para simular os perfis de consumo e respectiva desagregação foi a

seguinte:

Figura A. 23 – Página inicial da ferramenta consumos

1. Introduzir a energia de cada período de facturação:

Figura A. 24 - Introdução dos dados da factura (ESPA Fev-10)

Na folha “FacturasPapel” existem várias facturas do mês.

2. Introduzir as potências instaladas. Para efectuar a previsão basta colocar as potências

das Salas de Aula e de iluminação exterior.

Figura A. 25 - Potências Instaladas da escola secundária

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3. Introduzir as taxas de ocupação da escola

Figura A. 26 - Taxas de ocupação

Necessário ter em conta que a soma das três primeiras parcelas tem de ser igual a

100%. Na outra parcela é questionado ao utilizador se o pavilhão gimnodesportivo é

utilizado para actividades extracurriculares. Tomou-se a opção desta parcela apenas

poder variar de 0 a 100%

4. Introduzir características da escola.

Figura A. 27 - Características da escola

5. Introduzir características do mês de referência em análise:

Figura A. 28 - Características do mês

No mês em causa (Fevereiro) existe o feriado de Carnaval e existem dois dias de férias

(Segunda e Quarta). Caso o utilizador saiba, deve colocar o valor da potência média

nos dias de férias pois apesar de não haver aulas em dias de férias, a escola está em

funcionamento.

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6. Introduzir respectivo tarifário e a potência contratada da escola:

Figura A. 29 - Tarifário e Potência Contratada

O tarifário da ESPA neste momento é média tensão longas utilizações. Como foi escolhido o

mês de Fevereiro seleccionou-se a opção Inverno. De Abril até Setembro deve seleccionar a

opção Verão. Caso contrário seleccione a opção Inverno.

7. Se existir a factura online do mês em causa seleccionar a página factura online e

colocar os valores ao longo do dia. Neste caso colocou-se o valor médio dos dias úteis

de Fev-10 presentes na factura online:

Figura A. 30 - Coluna onde se deve colocar os valores da factura online

8. Mudar para folha “gráficos” e analisar os gráficos obtidos:

Figura A. 31 - Previsão do perfil de consumo

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Dado que o mês em análise é Fevereiro, o programa fez uma boa previsão.

Figura A. 32 - Desagregação do perfil de consumo

9. Existe a possibilidade de o gráfico de desagregação não estar devidamente alinhado

com a previsão ou com a factura online. Caso isso aconteça, mudar para a secção

hipóteses e faça os devidos ajustamentos nos horários de cada secção:

Figura A. 33 - Horários de cada secção

10. Se o gráfico de desagregação continuar a não corresponder à previsão ou factura

online alterar os valores da tabela factores de utilização:

Figura A. 34 - Factores de utilização de cada tipologia

Começar sempre pelo factor de utilização do sistema AVAC.

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11. Quando os gráficos estiverem sincronizados mudar para página “Dados” para verificar

os resultados obtidos. É indicado ao utilizador o consumo da escola em função da área

edificada e em função do número de alunos. Por fim é indicado se no período de

standby existe um consumo irregular.

Figura A. 35 - Resultados

A.9 Ferramenta Solar

Figura A. 36 - Página inicial da ferramenta solar

1. Introduzir a cidade onde se pretende instalar o sistema fotovoltaico:

Figura A. 37 - Localização do sistema fototovoltaico

2. Caso a localização pretendida não esteja disponível, mudar para a página “Info” e

introduzir na linha “Outra”:

Latitude

Longitude

Factor céu limpo

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Temperatura média do ar

Figura A. 38 - Características do local onde se pretende instalar o sistema fotovoltaico

3. Introduzir a inclinação e o ângulo de azimute do painel

Figura A. 39 - Ângulos do painel

4. Introduzir as características do painel

Figura A. 40 - Selecção do painel instalado

5. Se pretender utilizar outro painel, mudar para a folha “Info” e introduzir as

características do painel na linha “Outro”

Figura A. 41 - Características do painel instalado

6. Introduzir a potência instalada. Número de painéis e área total são automaticamente

calculados.

Figura A. 42 - Características da instalação

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7. Introduzir a opção de poupança.

Figura A. 43 - Tipos de poupança

8. Se não seleccionar a opção auto-consumo introduzir o valor da tarifa subsidiada.

Figura A. 44 - Tarifa Venda

9. Se seleccionar a opção baterias introduzir o valor médio diário de energia consumida

no período de Ponta.

Figura A. 45 - Valor médio diário Energia Ponta

10. Carregar no botão “Cálculo da Poupança Anual”. Valor da poupança aparecerá em

baixo.

Figura A. 46 - Valor de poupança calculado

11. Seleccionar os dados que permitem calcular os indicadores económicos:

Figura A. 47 - Dados que permitem calcular os indicadores económicos

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12. Carregar no botão Calcular Indicadores Económicos sendo disponibilizados os

indicadores na tabela seguinte:

Figura A. 48 - Indicadores económicos

13. Se pretender efectuar diferentes análises de investimento sem alterar as características

de instalação e sem alterar o valor médio de energia de Ponta, basta pressionar o

segundo botão

14. Se pretender analisar o comportamento num determinado dia inserir a data e

pressionar o botão cálculo do Dia Absoluto. Depois mudar para a página “Cálculos”.

Figura A. 49 - Cálculo do dia absoluto

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