Universidade do Minho - Escola de Engenharia MESTRADO INTEGRADO EM ENGENHARIA CIVIL Plano de Trabalhos para Dissertação de Mestrado 2015/16

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1 Universidade do Minho - Escola de Engenharia MESTRADO INTEGRADO EM ENGENHARIA CIVIL Plano de Trabalhos para Dissertação de Mestrado 2015/16 Tema: Estudo de tecnologias e materiais de mudança de fase para armazenamento de energia térmica na envolvente de edifícios Aluno(a): José André Gomes Pinheiro Número do Aluno(a): Orientador(a): Luís Manuel Bragança Miranda Lopes Co-orientador(a): Catarina Brandão Araújo 1. Introdução A energia é uma fonte fundamental para o desenvolvimento das sociedades, pela qual o ser humano se tornou dependente. Caso não existissem recursos energéticos seria impossível para o ser humano desfrutar o estilo de vida que tem vindo a desenvolver ao longo do tempo (Rodrigues, 2011). Portugal é um dos países mais dependentes da utilização de energias fósseis importadas, pelo facto de produzir apenas 15 % da energia que consome. Os edifícios habitacionais e de serviços representam 22% do consumo global da energia, tendo este valor um aumento de 4% por ano. Em termos sociais 80% das pessoas passam o seu tempo em edifícios. Dadas estas circunstâncias há consequências diretas na economia, uma vez que o custo dos combustíveis fósseis importados encarece a produção de bens e serviços em território nacional (EDP, 2006). Cada vez mais há que ter em conta o aumento da escassez de fontes de energia em Portugal, sendo grande parte da energia em falta importada. Em 2010, segundo a DGEG (Direção Geral de Energia e Geologia), a dependência de Portuga em termos de importação de energia foi de 77% (ADENE, 2012). A eficiência energética é definida como a otimização do consumo de energia e baseia-se na implementação de medidas e estratégias de forma a combater os desperdícios de energia ao longo de todo o processo de transformação, acompanhando todo o seu processo de produção e distribuição de energia. Para inverter as tendências dos consumos energéticos excessivos e inconscientes, existe um grande caminho a percorrer pela humanidade, sendo cada atitude individual, um passo importante para a mudança global (Rodrigues, 2011). Os consumos de energia nas habitações está maioritariamente associado ao aquecimento e arrefecimento das mesmas, de forma a obter o maior conforto térmico dos ocupantes. Uma solução para reduzir estes consumos é a implementação de tecnologias e materiais de mudança de fase para armazenamento de energia térmica de forma a obter o maior rendimento económico e conforto térmico. O armazenamento de energia térmica é um método de conservação temporária de energia para utilização futura. Em edifícios habitacionais esta energia pode ser utilizada para climatização de espaços de forma passiva ou em sistemas ativos. Pode atender assim a muitos setores como o comercial, o industrial e o habitacional. O armazenamento de energia térmica pode ser efetuado através de aquecimento ou arrefecimento de uma substância (armazenamento de calor sensível) ou através do processo de mudança de fase (armazenamento de calor latente) (Costa, 2014). No armazenamento de energia por calor latente, utiliza-se o material de mudança de fase que absorve e armazena energia calorifica ambiente, quando este transita do estado sólido para o estado líquido, o que só acontece quando a temperatura que o rodeia é superior ao ponto de fusão do material. Em seguida, este liberta a energia anteriormente armazenada quando transita do estado líquido para o estado sólido, ou seja, quando a temperatura que o rodeia é inferior ao ponto de solidificação do PCM (Phase Change Material) (Cunha, Aguiar, Martins, Ferreira, & Tadeu, 2012). O armazenamento de energia por calor latente tem sido visto como uma técnica promissora, do ponto de vista económico e da eficiência energética. Esta técnica utiliza materiais de mudança de fase, demonstrando vantagens como um comportamento de temperatura constante durante a mudança de fase que se deve à sua elevada densidade de armazenamento. Dessa forma, em comparação com a transferência de calor sensível, o calor latente permite uma taxa de transferência de calor mais elevado (Merlin, Delaunay, Soto, & Traonvouez, 2016). 1

2 A presente dissertação irá se focar no armazenamento de energia térmica por calor latente, sendo este utilizado por materiais de mudança de fase. O número de estudos sobre esta temática tem aumentando ao longo dos anos devido aos seus benefícios em sistemas de energia. Cunha et al. (2012) desenvolveu um estudo de argamassas com integração de microcápsulas de PCM. Pretendia-se que estas exibissem um compromisso entre a sua aparência estética, caraterísticas físicas e mecânicas. Através de ensaios realizados, concluiu com os resultados obtidos que a utilização de microcápsulas de PCM em argamassas de revestimento para interiores, pode ser encarada para aplicações na construção como uma solução viável. Monteiro et al. (2005) desenvolveu um estudo de uma nova tecnologia para ser utilizada nos espaços interiores das construções na construção, no domínio da técnica de aplicação de argamassas. Foi concluído que a aplicação de uma percentagem de 25 % de PCM na camada de acabamento final (massa de acabamento) utilizando a tecnologia de sistema de reboco multicamada, mantém as propriedades mecânicas das argamassas em níveis admissíveis e de um ponto de vista térmico é um fator benéfico, apresentando uma boa viabilidade económica. Sendo os materiais de mudança de fase uma excelente solução para armazenamento de energia, visto que eficazmente reduzem os consumos de energia, Barreneche et al. (2015) desenvolveu uma base de dados com o objetivo de facilitar a seleção do PCM mais adequado, para uma determinada aplicação considerando ao mesmo tempo várias propriedades dos materiais. Em suma, tendo em conta o potencial deste tipo de soluções e o seu possível contributo para um desenvolvimento sustentável, é de extrema importância verificar a viabilidade económica da sua implementação em contexto real. Desta forma, com o presente estudo pretende-se efetuar esta análise para o contexto português. Para o efeito serão tidos em consideração os custos iniciais da instalação de tecnologias construtivas com materiais de mudança de fase, assim como os futuros custos operacionais. 2. Objetivos A presente dissertação poderá ser vista como um auxilio para os engenheiros civis e arquitetos de forma a que possam abordar medidas na fase preliminar dos projetos ou numa fase de reabilitação dos edifícios, reduzindo o consumo de energia. O objetivo geral da dissertação passa pelo estudo de materiais de mudança de fase e análise da sua viabilidade económica quando aplicados em Portugal. Para atingir o principal objetivo da dissertação ao longo da sua realização será necessário alcançar certos objetivos específicos, tais como: Desenvolvimento de uma base de dados constituída com diversos estudos focados em materiais de mudança de fase. Com esta base de dados será fácil compreender o estado atual do conhecimento, bem como ter acesso às principais características deste tipo de tecnologias. Determinação do desempenho energético de um edifício unifamiliar, representativo dos edifícios deste tipo existentes no Norte do país. Determinação do desempenho energético e económico do caso de estudo com a implementação de tecnologias com incorporação de materiais de mudança de fase. Determinação dos custos associados à aplicação de tecnologias construtivas com materiais de mudança de fase em Portugal. Verificação da viabilidade económica da implementação de materiais de mudança de fase em edifícios unifamiliares localizados no Norte de Portugal. 3. Metodologia Para atingir os objetivos pretendidos serão utilizados vários métodos de investigação seguidamente apresentados. O estudo será dividido em duas fases principais de acordo com a estrutura metodológica aplicada. Na fase inicial da dissertação será aplicada uma metodologia descritiva uma vez que se pretende identificar, registrar e analisar as principais caraterísticas de tecnologias com materiais de mudança de fase desenvolvidas no âmbito de diversos estudos científicos. Nesta fase os resultados pretendidos serão alcançados através da realização de uma pesquisa bibliográfica focada na análise de artigos científicos, dissertações, teses e livros. 2

3 Na segunda fase do estudo, tendo em conta o objetivo de analisar a viabilidade económica da implementação de tecnologias com materiais de mudança de fase em Portugal serão aplicados métodos quantitativos com recurso à análise de um caso de estudo. A utilização de um caso de estudo justifica-se pela necessidade de analisar a viabilidade económica de implementar tecnologias com materiais de mudança de fase em contexto real. A análise de viabilidade económica será efetuada através da determinação e comparação do desempenho energético e dos custos de ciclo de vida do edifício selecionado como caso de estudo com e sem a implementação de materiais de mudança de fase. O desempenho energético será determinado através da implementação da metodologia descrita no Decretolei n.º 118/2013 de 20 de Agosto, na vertente do Regulamento de Desempenho Energético dos Edifícios de Habitação (REH) (Portugal, 2013). No que respeita ao desempenho económico este será determinado através de uma abordagem de ciclo de vida, recorrendo-se sempre que necessário a uma pesquisa de mercado para determinação dos custos. 4. Resultados Esperados Tendo em conta os objetivos apresentados na secção 2 deste documento, os resultados esperados no final do trabalho são os seguintes: Uma base de dados com diversos estudos no âmbito de tecnologias e materiais de mudança de fase para armazenamento de energia térmica na envolvente dos edifícios. Com esta base de dados pretende-se por um lado aprofundar o conhecimento na área dos materiais de mudança de fase e por outro dar um contributo para que futuramente seja possível aceder-se a informação relevante sobre este tipo de tecnologias de forma fácil e sucinta. Caraterização do desempenho energético de um edifício de referência localizado no Norte de Portugal com a implementação de tecnologias para armazenamento de energia térmica. Determinação dos custos associados à implementação de tecnologias com materiais de mudança de fase num edifício unifamiliar localizado no Norte de Portugal. Determinação da viabilidade económica da aplicação deste tipo de soluções em edifícios localizados no Norte de Portugal. 5. Faseamento e Calendarização Esta secção é dividida em duas partes. Na primeira são detalhadas as atividades que serão desenvolvidas e na segunda será apresentada a calendarização das mesmas. 5.1 Faseamento Fase I Revisão bibliográfica A primeira fase consiste numa extensa pesquisa bibliográfica, através de artigos científicos, dissertações de mestrado, teses de doutoramento e outros documentos relevantes sobre estudos de tecnologias e materiais de mudança de fase para armazenamento de energia térmica na envolvente dos edifícios. Fase II Seleção de uma tecnologia com materiais de mudança de fase para futura análise Tendo em conta a base de dados desenvolvida anteriormente, na Fase II pretende-se selecionar uma tecnologia caraterizada num dos estudos analisados para posteriormente ser analisada no estudo da viabilidade económica. Esta tecnologia deverá ter sido analisada em condições semelhantes às Portuguesas de forma a permitir caraterizar tecnicamente a solução a testar na análise da viabilidade económica. Fase III Seleção e caraterização do desempenho energético de um caso de estudo Nesta fase será determinado o desempenho energético de um caso de estudo que deverá ser representativo dos edifícios unifamiliares existentes no Norte do país. O desempenho energético será determinado através da aplicação da metodologia apresentada no regulamento do desempenho energético dos edifícios de habitação (REH). Fase IV Caraterização do desempenho energético e económico do caso de estudo com implementação da tecnologia ou material de mudança de fase Nesta fase será determinado o desempenho energético e económico do estudo selecionado na Fase II, com a implementação da tecnologia ou material de mudança de fase. 3

4 Nesta fase pretende-se determinar qual o valor das necessidades energéticas que é possível suprir através da aplicação de materiais de mudança de fase e qual o custo desta aplicação. Serão determinados também os custos dos materiais e tecnologias dos estudos analisados através do gerador de preços online para materiais de construção Gerador de preços para construção civil. Portugal. CYPE Ingenieros, S.A., catálogos ou através de contacto com empresas fornecedoras. Fase V Análise da viabilidade económica da implementação da tecnologia ou materiais de mudança de fase no Norte de Portugal Na Fase V, será determinada a viabilidade económica da implementação de materiais de mudança de fase, através da comparação do desempenho energético e dos custos de ciclo de vida (incluindo os custos iniciais e operacionais) associados a um edifício com e sem a adoção deste tipo de tecnologias. Fase VI Redação da Dissertação A fase VI da dissertação é a fase onde serão redigidas todas as informações e conclusões obtidas ao longo do trabalho. De forma a obter o máximo rendimento possível, esta fase será elaborada ao longo do trabalho. 5.2 Calendarização Seguidamente é apresentado um quadro com a previsão do tempo (em semanas) da elaboração de cada uma das fases desde o início até ao final da dissertação. Tempo (semanas) Fase I X X X X X X X Fase II X X Fase III X X X X Fase IV X X X Fase V X X X Fase VI X X X X X X X X X X X X Referências Bibliográficas ADENE. (2012). Guia da eficiência energética. Barreneche, C., Navarro, H., Serrano, S., Cabeza, L. F., & Fernández, A. I. (2015). New database to select phase change materials : Chemical nature, properties, and applications. Energy Procedia, (February 2016), Costa, S. P. L. (2014). Armazenamento de Energia Térmica Através de Materiais de Mudança de Fase. Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. Cunha, S. R., Aguiar, J. B., Martins, V., Ferreira, V. M., & Tadeu, A. (2012). Influência da Adição de Microcápsulas de PCM em argamassas de cal aérea. Congresso Construção 2012, Coimbra Portugal. Cunha, S. R., Alves, V., Aguiar, J. B. de, & Ferreira, V. (2012). Argamassas Térmicas Sustentáveis : O Contributo dos Materiais de Mudança de Fase. 4 o Congresso Português de Argamassas e ETICS. EDP. (2006). Guia Prático da Eficiência Energética - o que saber & fazer para sustentar o futuro. Merlin, K., Delaunay, D., Soto, J., & Traonvouez, L. (2016). Heat transfer enhancement in latent heat thermal storage systems : Comparative study of different solutions and thermal contact investigation between the exchanger and the PCM. APPLIED ENERGY, 166, Monteiro, J. M., Aguiar, B. de, Bragança, L., Gomes, J. R., & Santos, P. (2005). Argamassas com Desempenho Térmico Melhorado Portugal Portugal Portugal Portugal Pedro Santos Micrópolis Portugal. Congresso Nacional de Argamassas de Construção. 4

5 Portugal. (2013). Decreto-Lei n. o 118/2013 de 20 de Agosto. Diário Da República, 1. a Série -N o de Agosto de Rodrigues, M. da C. B. P. (2011). Eficiência Energética no Setor Residencial. Faculdade de Ciências e Tecnologia Universidade de Coimbra. 5