Energias Renováveis e Desenvolvimento Sustentável

Como contribuir para o desenvolvimento sustentável através da utilização de equipamentos e estruturas mais eficientes nas

nossas casas

Equipa MMM523

Bárbara Rodrigues Paulo Correia

Ricardo Carvalho Rui Barros

Rui Ormonde Tiago Ramos

Relatório submetido como componente da avaliação da unidade curricular de Projecto FEUP

Supervisora: Sra. Eng.ª Ana Reis

Monitor: Sílvio Neves

Setembro de 2009

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Resumo

Existem diversas tentativas de resposta aos problemas ambientias e aos problemas inerentes à

eficiência energética das habitações. Com este trabalho conseguiu-se demonstrar que o gás

natural é uma alternativa eficiente à electricidade assim como as lâmpadas fluorescentes

compactas face às tradicionais lâmpadas incandescentes. Existem também estruturas

arquitectónicas como as colunas de água, as paredes de Trombe, as palas de ensombramento

e os green roof que apesar de necessitarem de um investimento inicial aumentam a eficiência

energética da habitação nela instalados.

Agradecimentos

Aos coordenadores e monitores do projecto Sílvio Neves e Eng. Ana Reis, ao Eng. Francisco Pacheco Craveiro por facilitar e auxliar o contacto com a AdEPorto e à Agência Portuguesa do Ambiente pelo fornecimento dos dados relativos às emissões de CO2 por kWh.

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ÍNDICE

Resumo 2

Agradecimentos 2

Introdução 4

Objectivos 4

Metodologia 5

1.Gás natural como alternativa à electricidade nos sistemas de aquecimento 6

2.Arquitectura bio-climática e equipamentos eco-eficientes. 6

2.1.Equipamentos mais eficientes 6

2.1.1.Iluminação artificial 6

2.1.2.Colectores solares para o aquecimento de água 7

2.1.3.Bombas de calor para transferência de energia 7

2.2.Arquitectura solar passiva 7

2.3.Green roofs 8

Resultados e análise 9

1.Gás natural como alternativa à electricidade nos sistemas de aquecimento 9

2.Arquitectura bio-climática e equipamentos eco-eficientes. 10

2.1.Equipamentos mais eficientes 10

2.1.1.Iluminação artificial 10

2.1.2.Colectores solares para o aquecimento de água 11

2.1.3.Bombas de calor para transferência de energia 11

2.2.Arquitectura solar passiva 12

2.3.Green roofs 14

Conclusão 17

Anexos 18

Anexo 1 - Preço do gás em vigor para o ano 2008-209 18

Anexo 2 - Preços e Características dos sitemas de termosifão acopolados a colectores solares 19

Anexo 3 - Comparação entre a necessidade de energia utilizada em ar condicionado em quatro edifícios em Central Park, New York. 19

Anexo 4 – Fotografia térmica onde se vê as perdas de calor num telhado com green roof e num telhado sem green roof. 20

Anexo 5 - Constituição por camadas de um green roof 20

Referências Bibliográficas 21

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INTRODUÇÃO

No âmbito do tema Energias Renováveis e Desenvolvimento Sustentável, atribuído ao

conjunto das equipas MMM521- MMM524 (Engenharia Mecânica, Metalúrgica e de Materiais

e Minas e Geo-Ambiente) do Projecto FEUP, sob orientação da supervisora Sra. Eng.ª Ana Reis

e do monitor Sílvio Neves, foi proposto à equipa MMM523, que abordasse o seguinte

problema:

Como contribuir para o desenvolvimento sustentável através da utilização de

equipamentos mais eficientes nas nossas casas.

Numa tentativa de responder ao problema e tendo em conta a qualidade de vida dos

residentes efectuou-se uma pesquisa sobre as questões do rendimento energético, da

comparação entre as características dos diferentes tipos de lâmpadas, da utilização de

colectores solares para aquecimento de águas sanitárias, do conforto térmico e das soluções

de design para a habitação, nomeadamente a Arquitectura Bio-climática, tendo em conta

conceitos como Arquitectura Solar Passiva, Conforto Térmico e Eficiência Energética e a

implementação de Green Roofs. O trabalho foi organizado segundo esses tópicos para os quais

estabelecemos os seguintes objectivos:

OBJECTIVOS

Identificar os principais sumidouros/consumidores de energia numa habitação familiar

Relacionar o consumo de energia eléctrica ou proveniente de gás natural com as

emissões de CO2 e com custos a que estão associados

Identificar as diversas estruturas/estratégias arquitectónicas que permitam uma

diminuição do consumo energético e consequentemente uma redução na emissão de

gases de efeito de estufa (GEE), assegurando, ao mesmo tempo a qualidade de vida

para os habitantes da casa.

Descobrir alternativas mais eficientes aos equipamentos eléctricos que contribuam

para a sutentabilidade da casa.

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METODOLOGIA

A fim de estudar o consumo eléctrico de um edifício residencial, começou-se por dividir as

áreas de consumo de acordo com os dados fornecidos pela Agência de Energias do Porto

(AdEPorto). Assim, organizaram-se os sectores da seguinte forma:

Águas Quentes Sanitárias (AQS)

Iluminação

Aquecimento Ambiente

Preparação de refeições

Frio doméstico

Outros – restantes equipamentos eléctricos.

Depois de consultar a Matriz energética do Porto, organizou-se os dados relativos ao consumo

energético, de acordo com o seguinte gráfico:

Identificados os sectores de consumo energético, procurou-se descobrir técnicas de

isolamento da habitação, (visto que 51% da energia gasta é utilizada para aquecimento de

água ou ambiente) e alternativas mais eficientes que promovam a sustentabilidade da casa.

Figura 1- Consumo energético nos vários sectores da habitação

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1. GÁS NATURAL COMO ALTERNATIVA À ELECTRICIDADE NOS SISTEMAS DE

AQUECIMENTO

Como alternativa à energia eléctrica, decidiu-se comparar os custos e as emissões de

CO2 para ambos os sistemas. Nestes cálculos, teve-se apenas em conta o preço médio

da energia eléctrica e o preço do gás natural EDP consoante a sua ordem de consumo

anual. Não se considerou portanto os custos de manutenção ou de instalação dos

sistemas nem o rendimento a que os diversos equipamentos podem estar associados.

1.1. Preço médio da energia eléctrica final – 0,1345€/kWh (fonte: A Entidade

Reguladora dos Serviços Energéticos ("ERSE"))

1.2. Factor de emissão de CO2 relativo à produção de energia eléctrica para o

ano de 2007 – 0,369 kg/kWh (fonte: Inventário Nacional de Emissões

Antropogénicas por Fontes e Remoção por Sumidouros de Poluentes

Atmosféricos (INERPA),APA,2009)

1.3. Factor de emissão de CO2 para o gás natural – 0,201 kgCO2/kWh (fonte:

AdePorto)

1.4. Preço do gás para cada escalão de consumo – Anexo1 (fonte: EDP Gás)

Com base nestes dados calculou-se as emissões de CO2, em kg, efectuando o produto

entre os factores de emissão e o gasto de energia em kWh. O custo foi calculado pelo

produto entre o preço médio da energia por kWh e o gasto de energia em kWh.

2. ARQUITECTURA BIO-CLIMÁTICA E EQUIPAMENTOS ECO-EFICIENTES

Na tentativa de aumentar a eficiência da habitação realizou-se uma pesquisa na área

da arquitectura bio-climática que engloba as especificações de estruturas que

promovam esse aumento de eficiência assim como a utilização de equipamentos e

materiais mais eficientes.

2.1. EQUIPAMENTOS MAIS EFICIENTES

2.1.1. ILUMINAÇÃO ARTIFICIAL.

Na tentativa de aumentar a eficiência dos sistemas de iluminação

comparamos os custos, as emissões de CO2 e o tempo de vida entre as

lâmpadas incandescentes e as lâmpadas fluorescentes compactas. Sabendo à

partida que apenas 5% da energia consumida por uma lâmpada

7

incandescente é util sendo a restande dissipada como forma de calor (fonte:

Agência de Energia do Entre o Douro e o Vouga (EDV)) para verificar as

diferenças a nível de eficiência dos dois tipos de lâmpadas realizou-se um

estudo que engloba um período de 5 anos, com a utilização diária de 4 horas

por dia em que para o mesmo fluxo luminoso (415lm – 480lm) as lâmpadas

apresentam consumos e emissões de CO2 diferentes (fonte: Radium ).

2.1.2. COLECTORES SOLARES PARA O AQUECIMENTO DE ÁGUA.

Tendo em conta que aproximadamente 23% da energia consumida nas

habitações é utilizada para o aquecimento das águas quentes sanitárias

(Matriz energética do Porto), estudou-se as vantagens na instalação de

painéis solares térmicos nas habitações utilizando apenas os sistemas

convencionais de produção de água quente como esquentadores e caldeiras

sanitárias é têve-se em conta os custos da instalação, o tempo necessário

para o retorno do dinheiro investido, o desempenho do sistema que se

reflecte na incidência de radiação solar no país em conta e por fim a redução

de emissões C02.

2.1.3. BOMBAS DE CALOR PARA TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA.

Na tentativa de encontrar soluções ou alternativas ao aquecimento da

casa efectuou-se uma pesquisa acerca das bombas de calor. As bombas de

calor são equipamentos que permitem a transferência de enegia do ar, da

terra ou da água do exterior para o interior ou vice-versa. São equipamentos

com um princípio análogo ao dos frigoríficos mas que permitem o

aquecimento ou refrigeração da habitação.

2.2. ARQUITECTURA SOLAR PASSIVA

Existem diversas técnicas e estruturas que implementadas nas casas

podem diminuir o consumo de energia ao torná-la mais eficiente. Entre elas

fazem parte as colunas de água, as paredes de Trombe, as palas de

ensombramento e as clarabóias. Para cada uma delas procurou-se explicar o

seu funcionamento e área da utilização. É de notar que algumas destas

recentes técnicas eram já usadas nas casas Algarvias, casas térreas com

paredes espessas e brancas no terraço para melhor reflectriem o sol onde

normalmente se secava a fruta e o peixe.

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2.3. GREEN ROOFS

Um green roof, também chamado de living roof, é um tipo de telhado coberto de

vegetação e solo, colocados sobre uma membrana impermeável, podendo

também conter uma barreira contra a penetração das raizes bem como sistemas

de drenagem e irrigação; É uma componente chave de uma construção

autónoma a nível energético. Pode ser instalado em inúmeros tipos de edifícios:

infraestruturas industriais e governamentais, escolas, escritórios, entre outros.

9

RESULTADOS e ANÁLISE

1. Após calcular o consumo e as emissões de CO2 para ambos os sistemas (eléctrico ou a

gás), verificou-se que o gás natural era uma alternativa mais eficiente, uma vez que

admitia um rendimento económico superior e uma taxa de emissões de CO2 inferior à

da electricidade. Os dados foram calculados e organizados nos seguintes gráficos:

Figura 2- Emissões de CO2 associadas à energia eléctrica e ao gás natural

Figura 3- Emissões de CO2 associadas à energia eléctrica e ao gás natural

10

2. EQUIPAMENTOS MAIS EFICIENTES

2.1.1. No sistema de iluminação, as lâmpadas fluorescentes compactas também se

mostraram mais eficientes e baratas a longo prazo.

Os resultados do estudo podem ser observados na tabela abaixo que mostra que para duas

lâmpadas de intensidade luminosa aproximada a lâmpada fluorescente compacta, ao fim do

período de estudo, apresenta um consumo e uma emissão de CO2 2,5 e 4,4 vezes menor

respectivamente.

Figura 5- Lâmpada incandescente Figura 4- Lâmpada fluorescente compacta

(Fonte: Botega)

(Fonte: Portalms)

Figura 6- Comparação entre uma lâmpada incandescente e uma lâmpada fluorescente compacta

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2.1.2. Numa família de quatro elementos em Portugal equipadas com um sistema de

2 paineis solares com 2m2 cada e um termoacumulador de 300L para

aquiecimento de águas sanitárias observou-se que o sistema produz 79,53%

da água quente nesta habitação durante um ano inteiro. Para a produção do

resto da água quente é necessário um sistemas convencional, um

esquentador e/ou caldeira. Como já foi calculado anteriormente o gás

natural é uma melhor alternattiva como fonte energética para estes sistema

uma vez que demonstra ser mais ecológico a um preço mais baixo

comparativamente à electricidade.

2.1.3. Como já se referiu, o processo de transferência de energia numa bomba de

calor é feito de forma análoga à de um frigorífico. O sistema é consituído por

dois elementos principais: o compressor e o condensador. O compressor é

responsável por fazer circular um fluído frigorífico a alta pressão e o

condensador por transferir o calor para o sistema de auecimento central. Em

contacto com uma superfície quente o fluído evapora absorvendo energia

que vai transmitir à fonte fria quando se liquefaz. O processo inverso, para

refrigeração, também é possível uma vez que é realizado trabalho eléctrico

sobre o sistema.

Figura 7- Necessidade energética e contributo dos paineis solares com termoacumulador nos diferentes meses do ano.

12

2.2. As colunas de água são colunas que fazem parte da componente estrutural

da casa mas que contêm no seu interior um reservatório de água. A função

da massa de água existente dentro da coluna é a de aumentar a inércia

térmica da componente, o que permite absorver energia durante o dia que

posteriormente irá ser libertada durante a noite contribuíndo para uma

homogeneidade da temperatura interior.

As Paredes de Trombe podem satisfazer até 15% das necessidades de

auecimento da casa, são constituídas por um vão em vidro duplo seguido de

uma caixa de ar e de uma parede de betão com dois orifícios, um em cima e

outro em baixo. Quando os raios do sol atingem a parede de betão

aumentam a sua temperatura. Esta por sua vez aquece o ar dentro da

câmara, limitada pelo vão de vidro, que é transportado por correntes de

convecção transportando energia para o interior da casa. No esquema abaixo

podemos observar a orientação dos raios solares a amarelo e as correntes de

ar geradas pela diferença de temperatura do ar dentro da câmara e dentro

da casa.

Figura 7- Esquema de funcionamento de uma bomba de calor. Fonte: Modernunes

13

As Palas ou lâminas de ensombramento são estruturas instaladas acima das

janelas na face sul da casa que impedem a entrada dos raios solares durante

o verão, quando a sua inclinação é maior, em comparação com o período de

Inverno. A Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto (FEUP) já

possui estas estruturas em algumas das suas janelas e o seu funcionamento

pode ser visualizado através da seguinte imagem:

Figura 8- Esquema de funcionamento de uma parede de Trombe

Figura 9- Esquema de funcionamento de uma pala de ensombramento

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2.3.GREEN ROOFS

CONCEITO:

Um green roof, também chamado de living roof, é um tipo de telhado coberto de vegetação e

solo, colocados sobre uma membrana impermeável, podendo também conter uma barreira

contra a penetração das raizes bem como sistemas de drenagem e irrigação. Pode ser

instalado em imensos tipos de edifícios: infraestruturas industriais e governamentais, escolas,

escritórios, etc, sendo uma componente chave das construções autónomas a nível energético.

FUNCIONAMENTO:

O efeito do green roof produz-se basicamente através de dois processos: o sombreamento e a

evapotranspiração:

SOMBREAMENTO: As plantas impedem a penetração dos raios solares, mantendo o ar

à superfície do telhado mais fresco. Por sua vez, a superfíce, estando mais fresca,

transmite menos calor ao interior da habitação ou deixa de reemitir tanto daquele que

recebe. No Verão somente cerca de 10 a 30% da energia solar atinge a área coberta

por uma árvore. Já no Inverno, dependendo da foliagem, as percentagens ficam entre

10% e 80%. Com efeito, estudos comprovam a redução da temperatura à superfície do

telhado na ordem dos 10ºC-25ºC (por comparação a um telhado convencional). Por

seu turno, o solo que que suporta as plantas já oferece protecção contra o vento e a

radiação ultra-violeta.

EVAPOTRANSPIRAÇÃO: É um processo composto por duas actividades biológicas: a

transpiração, que consiste na absorção de água pelas raízes e sua emissão para a

atmosfera através das folhas e a evaporação, que é a passagem da água do estado

líquido para o gasoso. A evaporação também pode ocorrer no próprio solo.

TIPOS DE GREEN ROOFS:

Existem dois tipos de green roofs, os chamados extensivos e os do tipo intensivo:

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Extensivos: fina camada de solo, pouca ou nenhuma irrigação, ambiente mais inóspito

para as plantas, pouca diversidade na flora

Intensivos: solo mais profundo, condições mais favoráveis para o crescimento de

plantas, muitas vezes acessíveis

CONTEXTUALIZAÇÃO:

O conceito de haver uma cobertura vegetal sobre um telhado não é uma invenção recente.

Com efeito, a utilização mais antiga dos green roofs remonta a vários séculos atrás no norte da

Escandinávia, sendo hoje ainda lá bastante populares. Na década de 60, começaram a ser

utilizados na Alemanha (estima-se que hoje 10% dos telhados das casas alemãs sejam verdes),

tendo a tendência alargado a outros países europeus, aos EUA e ao Canadá.

UTILIDADE/BENEFÍCIO:

Isolamento térmico da casa

Menor consumo energético para refrigeração/aquecimento[1];

Quando molhados, funcionam como armazenadores de calor proveniente do

exterior, o que reduz as flutuações de temperatura no interior; quando secos,

funcionam como isoladores, o que diminui o fluxo de calor pelo telhado;

No Inverno, a capacidade de isolamento permite a retenção de calor no

interior do edifício; no Verão, a evapotranspiração arrefece o ar circundante.

Combate ao efeito de ilha de calor urbana via evapotranspiração (diminuição da

temperatura do ar em redor do green-roof)

Absorção de água das chuvas com possível reutilização, reduzindo o caudal de água

escorrente, o que evita a sobrecarga dos esgotos durante períodos de maior

precipitação:

cerca de 75% da precipitação pode ser retida pela camada vegetativa;

gradualmente, a água regressa à atmosfera através da condensação e

transpiração efectuada pelas plantas[2]

Retenção dos poluentes da chuva no solo;

Contribuição para a melhoria da qualidade do ar[3];

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Possível integração de painéis fotovoltaicos e colectores solares;

Melhor isolamento sonoro;

Criação de habitats nos centros urbanos;

Aumento do período de vida útil do telhado, evitando os gastos de substituições mais

frequentes;

Maior apelo estético

CUSTOS DE INSTALAÇÃO:

Cerca de $ 0,90/m2 para green roofs extensivos e $ 2,25/m2 para os intensivos

Na Alemanha, onde a indústria dos green roofs está mais desenvolvida, os custos

variam de $ 0,72 a $ 1,35/m2

MANUTENÇÃO:

Está comprovado que o tempo de vida útil de um green roof é superior ao de um telhado

convencional. Após o tempo de vida útil de um green roof extensivo, a sua substituição custa

cerca de $ 0,09-$ 0,15/m2, o que é semelhante ao custo de substituição de telhados

convencionais.

[1] "A Canadian study modeled the heating and cooling energy savings of a roughly 32,000-

square foot (2,980 m2) green roof on a one-story commercial building in Toronto. The analysis

estimated that the green roof could save about 6 percent of total cooling and 10 percent of

heating energy usage, respectively, or about 21,000 kWh total. The study noted that the

cooling energy savings would be greater in lower latitudes. For instance, when the authors ran

the same simulation for Santa Barbara, California, the cooling savings increased to 10 percent."

(United States Environmental Protection Agency. 2008)

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[2] "A North Carolina study of actual green roof performance found that test green roofs

reduced runoff from peak rainfall events by more than 75 percent and that the roofs

temporarily stored and then released, through evapotranspiration, more than 60 percent of all

rainfall." (United States Environmental Protection Agency. 2008)

[3] "1 m2 (10.76 ft2) of grass roof can remove up to 2 kg (4.4 lbs) of airborne particulates from

the air every year, depending on foliage type." "Researchers estimate that a 1,000-square foot

(93 m2) green roof can remove about 40 pounds (18 kg) of PM from the air in a year, while

also producing oxygen and removing carbon dioxide (CO2) from the atmosphere. Forty pounds

of PM is roughly how much 15 passenger cars will emit in a year of typical driving." (United

States Environmental Protection Agency. 2008)

CONCLUSÃO

De momento existem diversas técnicas de arquitectura, equipamentos mais eficientes,

conselhos e procedimentos de utilização que optimizam a eficiência da habitação familiar,

tornando-a mais económica a longo prazo e/ou menos poluente

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ANEXOS

Preços gás

Escalão Consumo anual

(m3)

Consumo anual

(kWh)

Energia

(€/kWh)

Escalão 1 0 - 220 0 - 2.420 0,067071

Escalão 2 221 - 500 2.421 - 5.500 0,055984

Escalão 3 501 - 1.000 5.501 - 11.000 0,051147

Escalão 4 1.001 - 10.000 11.001 - 110.000 0,042334

Anexo 1 – Preço do gás em vigor para o ano 2008-209

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Termosifão 200l Termosifão 300l Circulação forçada 300l

Preço equipamento €2.814 €3.648 €4.966

Comparticipação do Estado

€1.641,70

Investimento (IVA incluído)

€1.172,30 €2.006,30 €3.324,30

Prestação mensal €18,99 €31,53 €51,35

TAEG 5,3% 4,2% 3,6%

Destinatários 1/3 pessoas: Instalação

exterior 4/6 pessoas: Instalação

Exterior 4/6 pessoas: Instalação

interior e exterior

Características técnicas

TS 200 – 1 colector com capacidade total de 200l

Módulo Solar Universal – Interligação com sistema

de apoio existente

TS 300 – 2 colectores solares com capacidade

total de 300l

Módulo Solar Universal – Interligação com sistema de apoio

existente

Sistema forçado – 2 colectores com capacidade

total de 300l

Módulo Solar Universal – Integração com sitema de

apoio existente

Anexo 2 – Preços e Características dos sitemas de termosifão acopolados a colectores solares.

Anexo 3 – Comparação entre a necessidade de energia utilizada em ar condicionado em quatro edifícios em Central

Park, New York.

20

Anexo 4 – Fotografia térmica onde se vê as perdas de calor num telhado com green roof e num telhado sem green

roof.

Anexo 5 - Constituição por camadas de um green roof

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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

AdEPorto, agência de energia do porto, Edificios Saudáveis Consultores, Lda,TRENMO.

2008 Matriz Energética do Porto. Câmara Municipal do Porto Edições

Peck, Steven. Khun, Monica. 2003. Design guidelines for green roofs. Sem local:

Canada Mortage and Housing Company. Disponível da Internet via:

http://www.cmhc.ca/en/inpr/bude/himu/coedar/loader.cfm?url=/commonspot/secur

ity/getfile.cfm&PageID=70146. (Accessed October 23, 2009);

United States Environmental Protection Agency. 2008. Climate Protection Partnership

Division. Reducing Urban Heat Islands: Compendium of Strategies. Sem local: US EPA.

Disponível da Internet via:

http://www.epa.gov/heatisland/resources/pdf/GreenRoofsCompendium.pdf.

(Accessed October 23, 2009);

Wikipedia. 2009. Green roof. http://en.wikipedia.org/wiki/Green_roof.

US Department of Energy – Energy Efficiency & Renewable Energy. 2009; Disponível da

Internet via: http://www.energysavers.gov. (Accessed October 23, 2009);

Heartland Builders. 2009. Green Building Methods.

http://www.heartlandbuildersllc.com/green_building.htm. (Accessed October 23,

2009);

Empresa Habitarmonia – bioarquitectura, projectos e consultoria – Pela Natureza.

2009.Disponível da Internet via: http://pelanatureza.pt/empresas/habitarmonia-bio-

arquitectura-projectos-e-consultoria/. (Accessed October 9, 2009.)

Eficiência energética. 2009. Eficiência Energética em Edifícios – RCCTE. Disponível da

Internet via: http://www.eficiencia-energetica.com/html/eee/eee_rccte.htm.

(Acessed October 13, 2009).

EDP, Energias De Portugal. ERSE Divulga Parâmetros, Tarifas e Preços para a Energia

Eléctrica e Outros Serviços em 2006-2008. 2009.[online]Disponível da Internet via

http://www.edp.pt/EDPI/Internet/PT/Group/Investors/News/2005/Com0563.htm

(Accessed Octover 6, 2009)

Banco Espírito Santo. 2009. Campanha de Painéis Solares Térmicos. [online]Disponível

da Internet via http://www.bes.pt/sitebes/cms.aspx?srv=1100&stp=1&miid=8956

(Acessed October 14, 2009).

Modernunes. Climatização e energias renováveis. [online] Disponível da Internet via

http://www.modernunes.pt/Energiasrenováveis/Bombasdecalor/Arrefecimentocoma

quecimentodeágua/tabid/77/Default.aspx

22