A Contribuição de um Sistema Solar Térmico no Desempenho Energético do Edifício Solar XXI

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1 A Contribuição de um Sistema Solar Térmico no Desempenho Energético do Edifício Solar XXI Dissertação apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção de Grau de Mestre em Energia e Bioenergia Orientador: Doutor Daniel Aelenei Co orientador: Doutora Laura Aelenei 3 de Maio de 2011

2 Introdução 2

3 Introdução Os edifícios são um dos sectores mais importantes na economia mundial; milhões de pessoas em todo o mundo irão viver em áreas urbanas; Na Europa este cenário representa cerca de 75% da população. aumento do consumo energético dos edifícios aumento dos preços da energia alterações climáticas em termos locais e globais 3

4 Introdução Estratégia Energética Nacional Diversos diplomas; RCM 29/2010 Estratégia Nacional para a Energia Decreto-Lei 80/ RCCTE (Transpõe parcialmente Directiva 2002/91/CE) Directiva 2010/31/EU - NZEB 4

5 Introdução Portugal Escassos recursos energéticos convencionais; Elevada dependência energética; Elevada disponibilidade Solar 5

6 Introdução Elevada disponibilidade Solar Figura 1. Mapa do número de horas de sol e da radiação incidente no plano horizontal para Portugal,(Gonçalves et al, 2002). 6

7 Introdução Aproveitamento do Recurso Figura 2. Percentagens por pais da União Europeia da capacidade instalada em 2009 ( 2011). 7

8 Introdução Medida de promoção Energia Solar Térmica Figura 3. Evolução de área de colectores solares instalados em Portugal entre 2003 e 2009, sendo o valor de 2009 o total adjudicado (apenas no sector doméstico) através da medida do governo (Salgueiro e Farinha Mendes, 2010). 8

9 Objectivo 9

10 Objectivo Avaliar a quantidade de energia produzida anualmente para aquecimento através de um Sistema Solar Térmico existente no Edifício Solar XXI. 10

11 Conceito NZEB 11

12 Conceito NZEB Produção de Energia Redução das necessidades energéticas Figura 4. Forma de verificação do alcance do estatuto NZEB 12

13 Edifício Solar XXI Clima Local e Descrição Geral 13

14 Edifício Solar XXI: Clima Local e Descrição Geral Edifício Solar XXI Laboratório Nacional de Energia e Geologia Autor e Coordenados do Projecto de Investigação Projecto Geral de Arquitectura Coordenação de Engenharia Construção Fiscalização Projecto de Estabilidade Projecto de Instalações Eléctricas Projecto de Climatização Projecto de Águas e Esgotos Doutor Helder Gonçalves Arquitectos Pedro Cabrito e Isabel Diniz Engenheiro Luís Alves Pereira Obrecol, S.A. Souza Medeiros, Lda. Gapres, S.A. Lomarisco, Lda. Engenheiro Manuel Mendes Nogueira Aquadomus, Lda. Equipa do LNEG Estudos de modelação Sistema Fotovoltaico Experimentação Helder Gonçalves, Susana Camelo, Cristina Hora, Mariz Graça António Joyce e Carlos Rodrigues Álvaro Ramalho e Rocha e Silva 14

15 Edifício Solar XXI: Clima Local e Descrição Geral Estação de Aquecimento 5,3 Meses Estação de Arrefecimento 4 Meses Valores máximos de Irradiância Global Junho e Julho Valores temperatura máxima Agosto 15

16 Edifício Solar XXI: Clima Local e Descrição Geral 1500m 2 3 pisos 1 semi-enterrado 3 tipos de utilização: Salas reunião/formação Gabinetes Laboratório Figura 5. Fachada sul o Edifício Solar XXI (INETI, 2005). Fachada Sul Ocupação permanente Fachada Norte Sem ocupação permanente Circulação por zona central com uma clarabóia ampla com dupla função: Iluminar zenitalmente e permitir ventilação. 16

17 Edifício Solar XXI: Clima Local e Descrição Geral Figura 6. Aspectos construtivos do Edifício Solar XXI (LNEG, 2010). Paredes Simples de alvenaria (tijolo 22); Isoladas pelo exterior (6cm de poliestireno expandido). Laje cobertura maciça Isoladas pelo exterior (5cm de poliestireno expandido) (5cm de poliestireno extrudido). Pavimento solo Isolado pelo exterior (10cm de poliestireno expandido). 17

18 Edifício Solar XXI Estratégia de Aquecimento 18

19 Edifício Solar XXI: Estratégia de Aquecimento Optimização da qualidade térmica da envolvente; Potenciação da captação de ganhos solares; Recuperação de calor dos módulos PV; Sistema de aquecimento central (radiadores de parede); Utilização de SST como apoio para climatização. 19

20 Edifício Solar XXI Estratégia de Arrefecimento 20

21 Edifício Solar XXI: Estratégia de Arrefecimento Optimização da qualidade térmica da envolvente; Sistema de arrefecimento passivo (tubos enterrados); Extração de calor dos módulos PV; Dispositivos de proteção promover o sombreamento. 21

22 Edifício Solar XXI Iluminação Natural 22

23 Edifício Solar XXI: Iluminação Natural Amplos vãos envidraçados a Sul; Portas de comunicação com bandeiras translúcidas; Poço de luz com clarabóia; Salas norte e nascente têm uma parede cega exterior ao edifício. Figura 7. Aspectos iluminação natural Solar XXI (INETI, 2005). 23

24 Edifício Solar XXI Produção de Energia 24

25 Edifício Solar XXI: Produção de Energia Figura 8. Aspecto dos módulos PV integrados na fachada sul e do parque de estacionamento do Edifício Solar XXI (Gonçalves, 2009). 96m 2 módulos PV - silício policristalino (potência de pico 12kW) 95m 2 módulos PV silício amorfo (potência de pico 6kW) 25

26 Sistema Solar Térmico Caracterização 26

27 Sistema Solar Térmico: Caracterização Figura 9. Esquema Unifilar Geral de Aquecimento do Solar XXI 27

28 Sistema Solar Térmico: Caracterização Figura 12. Esquema unifilar de ligação dos colectores solares do Solar XXI 28

29 Sistema Solar Térmico: Caracterização CARACTERÍSTICA Área de absorção 2,211m 2 Rendimento óptico 0,770 Coeficiente a1 3,494W/m 2.K Coeficiente a2 0,017W/m 2.K2 Modificador de ângulo a 50º 0,95 Temperatura de estagnação 218ºC Quadro 1. Algumas características técnicas do colector SK500N [33] Figura 13. Colectores solares instalados no Edifício Solar XXI para aquecimento ambiente e água quente sanitária CARACTERÍSTICA Capacidade do depósito Capacidade do depósito interior Diâmetro com isolamento Diâmetro sem isolamento 540l 150l 825mm 650mm Quadro 2. Algumas características técnicas do depósito PSK550 Figura 14. Depósito de armazenamento de água quente do Edifício Solar XXI 29

30 Sistema Solar Térmico Simulações Energéticas 30

31 Sistema Solar Térmico: Simulações Energéticas Pressupostos de Simulação: Localização: Lisboa Sombreamento: 3º (por defeito) Colectores: 8 x SK 500 N 2 Cenários de necessidades energéticas Inclinação colectores: 50º Tubo Cobre: Ø 22mm Tubagem total: 110m Isolamento: 33mm 72m percurso no exterior Percurso restante interior Depósito: 540l 31

32 Sistema Solar Térmico: Simulações Energéticas Cenário A Necessidades de aquecimento 7:00h às 20:00h 2ª a 6ª feira Todos os radiadores em funcionamento Potência Aquecimento (W)

33 Sistema Solar Térmico: Simulações Energéticas Cenário B Necessidades de aquecimento 7:00h às 20:00h 2ª a 6ª feira Alguns radiadores 100% Alguns radiadores 50% Alguns radiadores 0% Potência Aquecimento (W)

34 Sistema Solar Térmico Discussão de Resultados 34

35 Sistema Solar Térmico: Discussão de Resultados Figura 15. Valores Anuais da carga de aquecimento, energia produzida e apoio obtidos a partir de Simulação através do programa Solterm. 35

36 Sistema Solar Térmico: Simulações Energéticas Cenário A Contribuição SST 2,5MWh/ano 2,1% Redução emissão de gases de estufa 676kg de CO 2 equivalentes 36

37 Sistema Solar Térmico: Simulações Energéticas Cenário B Contribuição SST 4,8MWh/ano 8,1% Redução emissão de gases de estufa 1,29t de CO 2 equivalentes 37

38 Sistema Solar Térmico: Simulações Energéticas Consumo Energético Solar XXI (+) 36kWh/m 2.ano 31% Energia eléctrica utilizada é proveniente de fontes de energia renováveis 38

39 Sistema Solar Térmico: Simulações Energéticas Consumo Energético Solar XXI (+) 36kWh/m 2.ano 31% Energia eléctrica utilizada é proveniente de fontes de energia renováveis (+) 29kWh/m 2.ano 39

40 Sistema Solar Térmico: Simulações Energéticas Consumo Energético Solar XXI (-) 17,5kWh/m 2.ano (+) 29kWh/m 2.ano 40

41 Sistema Solar Térmico: Simulações Energéticas Consumo Energético Solar XXI (-) 17,5kWh/m 2.ano (+) 29kWh/m 2.ano (+) 11,5kWh/m 2.ano 41

42 Sistema Solar Térmico: Simulações Energéticas Área útil do Solar XXI 1200m 2 Cenário A 2.510kWh 2,1kWh/m 2.ano continua a necessitar de 9,4kWh/m 2.ano Cenário B 4.799kWh 4,0kWh/m 2.ano continua a necessitar de 7,5kWh/m 2.ano 42

43 Considerações Finais 43

44 Considerações Finais O edifício Solar XXI necessita de 11,5kWh/m 2.ano ; SST no cenário A contribui com 2,1kWh/m 2.ano; SST no cenário B contribui com 4,0kWh/m 2.ano; A contribuição do SST em qualquer dos cenários não é suficiente para alcançar o estatuto NZEB; Prevê-se que os novos módulos PV produzam 35kWh/m 2.ano; O edifício solar XXI nessa perspectiva passará de edifício com bom desempenho energético a edifício de balanço energético positivo. 44

45 Trabalhos Futuros 45

46 Trabalhos Futuros Confrontar os valores previstos com valores reais obtidos da monitorização do SST; Efetuar análise económica do SST para verificar a sua viabilidade económica. 46

47 Agradecimentos 47

48 Agradecimentos Laboratório Nacional de Energia e Geologia; Doutor Daniel Aelenei; Doutora Laura Aelenei; Engenheiro Farinha Mendes; Engenheiro Silvino Spencer; Mestrado Energia e Bioenergia; Doutora Benilde Mendes; Doutor Nuno Lapa; Doutora Maria João Carvalho. 48

49 A Contribuição de um Sistema Solar Térmico no Desempenho Energético do Edifício Solar XXI Dissertação apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção de Grau de Mestre em Energia e Bioenergia Orientador: Doutor Daniel Aelenei Co orientador: Doutora Laura Aelenei 3 de Maio de 2011