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A engenharia Mecânica em casa-‐ Sistemas de aquecimento
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Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
A Engenharia Mecânica em casa
Relatório Projeto FEUP
Sistemas de aquecimento
Projeto FEUP 2015/2016 - Engenharia Mecânica:
Coordenador geral: Coordenadora de curso:
Luciano Moreira Teresa Duarte
Equipa 1M03_3:
Supervisor: José Duarte Monitor: Tiago Abreu e Bruno Sousa
Estudantes:
Simão Martins Pinheiro
Regina Teixeira Pinto
Inês Silva Aleixo Cardoso
[email protected] João Filipe Correia Oliveira
A engenharia Mecânica em casa- Sistemas de aquecimento
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Resumo
A Engenharia Mecânica tem um papel fundamental nas casas, pois está entre outras
coisas, relacionada com a criação e o desenvolvimento de sistemas de aquecimento, que
se trata de algo fundamental para o conforto e bem-estar do ser humano.
Neste relatório são então abordado os diferentes sistemas e tipos de aquecimento
existentes nas casas desde os tempos mais remotos até aos mais atuais.
Esta abordagem é realizada no intuito de elucidar a constituição, as aplicações e o
modo de funcionamento dos mesmos.
Para além do referido anteriormente são também introduzidos num contexto histórico e
tecnológico que possibilitará aos leitores uma perceção da evolução destes sistemas ao
longo do tempo.
Ao longo de todo o relatório é tido em conta a importância do isolamento térmico e o
impacto que poderá causar na relação da eficiência/preço destes equipamentos térmicos.
Por fim, é abordado um exemplo de uma casa termicamente eficiente, a casa
“Termicamente Otimizada” localizada no Porto.
Palavras-Chave
Sistemas de Aquecimento; Biomassa lenhosa; Aquecimento central; Ar condicionado;
Coletor Solar; Eficiência energética; Isolamento térmico.
A engenharia Mecânica em casa-‐ Sistemas de aquecimento
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Índice
Lista de tabelas………………………………………………………………………………...6
Lista de figuras…………………………………………………………………………………7
Notação e Glossário…………………………………………….…………………………....9
1.
Introdução………………………………………………………………………………………10
2. Sistemas de Aquecimento…………………………………………………..………........11
2.1. Combustão Doméstica……………………………………………………………...11
2.1.1. Processo de combustão……………………………………………………..13
2.1.2. Sistemas de combustão doméstica………………………………………...14
2.1.3. Caraterísticas dos equipamentos…………………………………………..15
2.1.4. Composição química da biomassa lenhosa………………………………15
2.1.5. Processo de recuperação de calor………………………………………...15
2.1.6. Poluentes atmosféricos emitidos durante a combustão residencial.......16 2.1.7. Impactos associados á queima de Biomassa Lenhosa………………....17
2.1.8. Fontes energéticas utilizadas no aquecimento do ar ambiente.............18 2.2. Coletores Solares………………………………………………………………......19
2.2.1. Breve história dos coletores solares…………………………………….....20
2.2.2. Constituição dos coletores solares………………………………………...20
2.2.2.1. Caixa Isoladora………………………………………………………...21
2.2.2.2. Placa de vidro………………………………...………………………..21
2.2.2.3. Tubos……………………………………………………………………22
2.2.2.4. Fluido Térmico………………………………….………………………23
2.2.2.5. O Absorvedor…………………………………………………………..25
2.2.3 As diferenças entre os dois tipos de sistemas de circulação do fluído do
coletor para o tanque e vice-versa………………………………………………...25
2.2.4 Eficiência dos coletores solares e os seus custos………………………...27
2.2.5 A eficiência dos coletores solares nas suas diferentes aplicações……….29
2.3. Aquecimento Central………………………………………………………………….30
2.3.1. O que é?.............................................................………………...………...30
2.3.2. Componentes do Aquecimento Central……………………………………..30
2.3.3. Princípios de funcionamento……………………………………………......31
2.3.3.1. Recuperador de calor ……………………………………………….....31
2.3.3.2. Depósito de Inércia……………………………………………………..…..33
2.3.3.3. Piso radiante…………………………………………………..…………….34
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2.3.3.3.1. Piso radiante vs. Radiadores…………………………………….…35
2.3.3.3.2. Vantagens do Piso Radiante…………………………………………36
2.3.3.3.3. Desvantagens do Piso Radiante………………………...................37
2.4. Ar condicionado………………………………………….…………………………...38
2.4.1. Breve história sobre a criação de ar condicionado.......………..………...38
2.4.2. Funcionamento……………………………………........…………………....39
2.4.3. Tipos de Ar Condicionado……………………………………………………41
3. Casa Termicamente Otimizada………………………………………………….……......44
3.1. O que é?.....……………………………………..…………………………………....44
3.2. Medidas Adotadas…...……………………………………………………………...44
Conclusão …………………………………………………………………………………..….47
Referências bibliográficas…………………………………………………………………....48
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Índice de Tabelas
Tabela 1 - Caraterísticas dos equipamentos………………………………………………15
Tabela 2 - Relação da fonte energetica com o tipo de habitação.................................18
Tabela 3 - Materiais com maior condutividade térmica………………………………....23
Tabela 4 - Capacidade térmica mássica de alguns materiais…………………………24
Tabela 5: Detalhes Energéticos sobre a casa termicamente otimizada……………...46
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Índice de Figuras
Figura 1 – Consumos energéticos no setor residencial em Portugal, 1990 e 2010........12
Figura 2 – Equipamentos utilizados para aquecimento em função do ano de construção
da residência....................................................................................................................14
Figura 3 – Sistema de recuperação de calor……………………………….……………….16
Figura 4 – Queima de lenha numa estufa convencional a baixa
temperatura.....................................................................................................................17
Figura 5 – Constituintes do coletor solar…………………………………………………..21
Figura 6 – Comportamento dos raios luminosos dentro do coletor, que provocam o efeito
de estufa…………………………………………………………………………………………22
Figura 7 – Circulação da água no tanque nos dois sistemas de
circulação………………...................................................................................................26
Figura 8 – Tubos de cobre no interior do tanque de armazenamento de
água…………...............................................................................................................…26
Figura 9 – a) Circulação natural; b) Circulação forçada……………………..……………27
Figura 10 – Eficiências globais e potências úteis obtidas para diferentes potências de
radiação solar em função da hora do dia…………………………………………………….28
Figura 11 – Rendimento dos diferentes tipos de coletores solares para as suas
diferentes aplicações……………………………………………….……………………...…29
Figura 12 – Representação esquemática de um sistema de aquecimento central numa
habitação………………………………………………………………………….……………..31
Figura 13 – Exemplo de um recuperador de calor…………………………………………32
Figura 14 - Interior de um depósito de inércia…………………………………….…….....33
Figura 15 - Constituição do piso radiante hidráulico ………………………………….….34
Figura 16 - Perfil de temperaturas para diferentes tipos de aquecimento………….…35
Figura 17 - Perfil de temperaturas: Piso Radiante Vs Radiadores……………………..35
Figura 18: Willis Carrier, e o primeiro protótipo de ar condicionado funcional……....…38
Figura 19: Elementos que constituem o ar condicionado (do tipo
janela)…………..……....................................................................................................39
Figura 20: Esquema da operação de refrigeração no ar condicionado……….…………40
Figura 21: Esquema da operação de aquecimento no ar condicionado……………..….41
Figura 22: Ar Condicionado do tipo Janela e o problema de instalação
…………….……..............................................................................................................42
Figura 23: Ar Condicionado Split……………………………………………………....……42
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Figura 24- Ar Condicionado do tipo Chiller…………………………………………….…..43
Figura 25- Fachada principal da CTO………………………………………….................44
Figura 26- Histogramas de Temperatura da CTO no inverno e no Verão
respetivamente...........................................................................................................45
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Notação e Glossário Símbolo Descrição Unidade S.I.
Q Calor J
△ 𝑡 Intervalo de tempo s
𝑄△ 𝑡
Energia transferida por
unidade de tempo W
𝐾 Condutividade térmica W/(mK)
A Área 𝑚!
Tsuperior Temperatura superior K
Tinferior Temperatura inferior K
L Espessura m
𝑚 Massa Kg
𝒄 Capacidade térmica mássica J/(kgk)
△ 𝑇 Variação de temperatura K
ε Emissividade -----
σ Constante Stefan–Boltzmann W/(𝑚!𝐾!)
T Temperatura absoluta K
q Energia Térmica J
h Coeficiente de transferência térmica W/(𝑚!𝐾)
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1. Introdução
Este relatório surge no âmbito da unidade curricular Projeto FEUP do curso Mestrado
Integrado em Engenharia Mecânica, sobre iniciativa do engenheiro José Ferreira Duarte. O
tema proposto foi “O papel da Engenharia Mecânica em casa” e foi decidido, dentro deste,
especificar os sistemas de aquecimento numa casa, já que, a equipa reconheceu a
importância destes aparelhos frutos do trabalho da Engenharia Mecânica.
A engenharia mecânica envolve tudo o que tem movimento desde as coisas mais
simples e discretas até aquelas que abrangem grandes e complexas produções. Desta
forma, a engenharia mecânica tem um papel determinante em tudo aquilo que nos rodeia e
é a principal responsável pelo avanço tecnológico no mundo, no que diz respeito à criação
de aparelhos úteis capazes de proporcionar conforto e auxiliar o quotidiano das pessoas.
Ao longo do relatório será analisada a história dos equipamentos térmicos,
relacionando-a com o avanço tecnológico e eficácia/custo dos mesmos. Também serão
analisadas os principais tipos de sistemas de aquecimento, nomeadamente, as
salamandras, o aquecimento a gás, o aquecimento central, os coletores solares e o ar
condicionado e questões como o isolamento térmico. Na parte final do relatório será dado
um exemplo de uma casa termicamente otimizada do Porto.
Atualmente, existem várias opções a nível de aquecimento fazendo com que seja um
mercado de grande concorrência. Para além da popularidade dos equipamentos ou da sua
relação eficiência/custo a preferência de utilização pode também ser baseada em outras
vertentes tais como a componente estética e prática dos sistemas.
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2. Sistemas de aquecimento Nesta parte do trabalho, são abordadas diferentes tipos de aquecimento. O objetivo é
conduzir o leitor de forma a conhecer os tipos de aquecimento organizados de forma
cronológica, isto é, desde os mais primordiais como as salamandras, o aquecimento a gás,
passando pelos coletores solares, pelo ar condicionado e , finalmente, o aquecimento
central.
Inicialmente, a abordagem das salamandras e aquecimento a gás é focada no tipo de
recurso energético utilizado, a biomassa lenhosa, dada a sua importância e extensão até
aos outros tipos de aquecimento.
Para além disso, há também uma pequena abordagem sobre a energia solar referente
aos coletores.
Por fim, faz-se uma referência ao aquecimento central e ao ar-condicionado.
2.1. Combustão Doméstica
A biomassa lenhosa é o recurso energético mais utilizado no mundo. É uma fonte
primária de energia com elevada tradição no setor doméstico sendo utilizada para
aquecimento das habitações e aquecimento de águas sanitárias. É um recurso energético
bastante procurado uma vez que a combustão direta de biomassa é o processo mais prático
e económico para obter energia.
Aproximadamente metade da população do planeta, e mais de 90% das casas na região
rural dos países em desenvolvimento, permanecem a utilizar energia proveniente da queima
de biomassa, na forma de madeira, carvão, esterco de animais ou resíduos agrícolas, o que
produz altos índices de poluição do ar em ambientes internos. Essa situação provoca um
aumento do risco de infeção respiratória, a maior causa de mortalidade infantil nos países
em desenvolvimento.
Em Portugal, segundo o Inquérito ao Consumo de Energia no Setor Doméstico (DGEG,
2011), o consumo energético tem vindo a sofrer alterações consideráveis nos últimos anos.
Embora a biomassa lenhosa se apresente como o recurso com maior disponibilidade e o
mais barato comparativamente a outras fontes energéticas (eletricidade, gás natural,gás
garrafa e gasóleo) tem vindo a perder relevância nos últimos anos. Se em 1989 é a fonte
mais consumida nos alojamentos portugueses, com um peso de 60,3%, em 1996 regista-se
uma diminuição do consumo para 41,9% (DGEG, 2011). Em 2010 a eletricidade surge
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como a principal fonte energética nos alojamentos, com uma taxa de utilização de 42,6%,
seguindo-se a lenha com um peso de 24,2% (DGEG, 2011).
O relatório apresentado pela Agência Portuguesa do Ambiente (APA, 2012) salienta as
variações nos últimos vinte anos dos consumos domésticos de 10 fontes energéticas:
Biodiesel, carvão, lenha, gás natural, gás de cidade, gás de garrafa, gasolina de motor,
querosene, gasóleo e petróleo residencial.
Verifica-se uma redução acentuada do consumo de lenha, o desaparecimento de fontes
energéticas como o petróleo residencial e o gás de cidade e o aumento do consumo de gás
natural.
Dados de 2010 mostram que a lenha se mantém como o principal recurso energético
para o aquecimento de ar ambiente, representando cerca de 52% do consumo total de
energia usada para esse fim (DGEG, 2011).
A combustão residencial de biomassa lenhosa ocorre essencialmente nos meses mais
frios, e apresenta vantagens significativas relativamente a outras fontes uma vez que as
emissões de CO2 têm efeito neutro para o forçamento radiativo, devido ao facto do CO2
libertado no decorrer da combustão ser recapturado no crescimento da nova floresta. A
biomassa lenhosa é um recurso disponível e renovável, se gerido de forma sustentável.
Aresenta benefícios económicos locais e permite a redução de dependência de
energias fósseis.
Figura 1: Consumos energéticos no setor residencial em Portugal, 1990 e 2010 (Fonte: APA, 2012) https://bibliotecadigital.ipb.pt/handle/10198/7893
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2.1.1. Processo de combustão
A combustão é um processo físico-químico caracterizado por reações de oxidação onde
um combustível (biomassa lenhosa) reage com um agente oxidante (oxigénio proveniente
do ar atmosférico), libertando-se grandes quantidades de energia sob a forma de calor.
O processo de combustão de biomassa decorre em três fases:
- Ignição,
- Combustão com chama
- Combustão com ausência de chama
Durante a ignição a altas temperaturas formam-se compostos voláteis inflamáveis como
substâncias de alcatrão, carbonáceos carbonizados e simultaneamente libertação de vapor
de água. A combustão com chama surge após a carbonização, onde o fluxo do combustível
volátil desce abaixo do nível mínimo necessário, permitindo de seguida que ocorra a
combustão com ausência de chama, libertando-se os produtos voláteis provenientes da
decomposição do combustível.
Existem diversos fatores que afetam o processo de combustão, influenciando direta e
indiretamente a produção de energia e a formação de poluentes atmosféricos e GEE (gases
efeito de estufa), nomeadamente as características do combustível (biomassa lenhosa),
características do equipamento de combustão e as condições em que se realiza a
combustão.
Para uma combustão completa de biomassa lenhosa é necessário altas temperaturas e
abundância de oxigénio. A abundância de oxigénio permite aumentar a rapidez da reação,
convertendo todos os poluentes em CO2 e H2O, evitando assim a formação de poluentes
nocivos. Numa combustão rápida e com uma chama intensa há igualmente menor
libertação de poluentes atmosféricos, contudo na prática, estas condições não se verificam,
resultando numa combustão incompleta e efeitos no ambiente e saúde pública.
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2.1.2. Sistemas de combustão doméstica A obtenção de energia térmica a partir da energia química da biomassa no setor
residencial é conseguida através da utilização de sistemas de combustão distintos na forma,
no processo de queima, na eficiência de combustão, na quantidade e qualidade das
emissões atmosféricas, entre outros fatores. Apesar dos progressos a que se têm assistido
a nível do desenvolvimento de sistemas de queima mais limpa para a saúde do Homem,
verifica-se ainda uma grande predominância na utilização de lareiras e fogões antigos com
reduzida eficiência e com elevadas emissões de poluentes nocivos para a qualidade do ar
interior e exterior. Os equipamentos utilizados para combustão são normalmente Lareiras,
Salamandras, Caldeiras e Fogões.
Figura 2: Equipamentos utilizados para aquecimento em função do ano de construção da residência.
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2.1.3. Caraterísticas dos equipamento
2.1.4. Composição química da biomsassa lenhosa A composição físico-química de cada espécie florestal é um fator importante para a
otimização do processo de combustão, pois tem influência direta e indireta na queima e
nas emissões de poluentes atmosféricos.
A biomassa lenhosa apresenta na sua composição química elementar carbono (49 –
50%), hidrogénio (6%), oxigénio (44 – 45%), nitrogénio (0,1 – 1 %) e ainda cálcio, potássio,
magnésio, cloro, arsénio, cadmio, zinco, mercúrio, chumbo, cromio e cobre, em quantidades
muito reduzidas. Contudo, a composição química da biomassa lenhosa varia de acordo com
as diferentes constituintes da árvore (raízes, caule, ramos e casca), com o tipo de lenho:
normal ou de reação (formado pela compressão ou tensão em resultado de forças que
atuam no tronco, e.g. ventos fortes) ou com as condições ambientais de crescimento
(localização geográfica, clima e tipo de solo).
2.1.5. Processo de recuperação de calor
Os equipamentos de combustão doméstica: salamandra, lareira, caldeira e fogão,
permitem a recuperação de calor através da implementação de recuperador de ar ou
recuperador de água nos queimadores.
Tabela 1: Caraterísticas dos equipamentos.
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O recuperador de ar utiliza um processo de circulação e aquecimento de ar, onde o
sistema aproveita grande parte do calor produzido pelo fogo, de modo a que o ar ambiente
seja aquecido pelo calor irradiado e o calor do ar aquecido. A recuperação primária
acontece através da emissão de ar quente pela saída frontal do recuperador. A recuperação
secundária resulta da emissão de ar quente pelas saídas secundárias situadas no cimo do
recuperador, conduzido geralmente para outros compartimentos. A recuperação terciária de
calor decorre da emissão de ar quente que se acumula entre o exterior do recuperador e o
pano de chaminé uma vez que colocando uma entrada de ar frio na base da lareira e uma
saída de ar quente no topo, consegue-se a convecção natural através do equipamento.
Se todo o interior da chaminé for isolado com material isolante, poder-se-á aproveitar
todo o ar quente nele acumulado para aquecer outras divisões da residência.
2.1.6. Poluentes atmosféricos emitidos durante a combustão residencial
No decorrer do processo de combustão doméstica de biomassa lenhosa são emitidos
vários poluentes atmosféricos, conhecidos como uma relevante fonte de poluição,
especialmente em bairros residenciais durante os meses mais frios. As emissões
Figura 3: Sistema de recuperação de calor.
https://bibliotecadigital.ipb.pt/handle/10198/7893
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resultantes da combustão dependem da composição química do combustível e das
condições de combustão, incluindo a disponibilidade de ar, temperatura da combustão e do
tempo de permanência dos produtos da combustão na zona de reação.
Os principais poluentes emitidos durante a combustão são as partículas em suspensão,
o monóxido de carbono (CO), os óxidos de enxofre (SOx) e os óxidos de azoto (NOx),
contaminantes que contribuem para a má qualidade do ar. As emissões domésticas
também contêm compostos cancerígenos, incluindo PAH, benzeno, dioxinas/furanos,
metais pesados (As, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, Se, e Zn) e gases quimicamente ativos como
os compostos orgânicos voláteis (COV) e ainda gases de efeito de estufa, nomeadamente
CO2, N2O e CH4.
2.1.7. Impactos associados à queima de biomassa lenhosa Os impactos associados à queima doméstica de biomassa lenhosa são vários e alguns
atingem proporções elevadas, danificando a qualidade do ar interior e exterior. No ambiente
os efeitos verificam-se ao nível da diminuição da visibilidade, influenciar o crescimento das
plantas e acidificação de solos e água. Há sempre prejuízos ao nível do património
Figura 4: Queima de lenha numa estufa convencional a baixa temperatura. https://bibliotecadigital.ipb.pt/handle/10198/7893
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construído como a degradação de materiais e pinturas. Na saúde humana os problemas
mais notórios são ao nível do sistema respiratório e cardiovascular, sendo sempre mais
nocivos para os grupos sociais de risco (mulheres grávidas, fetos, bebés, crianças e
idosos).
Têm sido desenvolvidos inumeros trabalhos para avaliar os riscos da saúde humana à
exposição de poluentes atmosféricos, resultantes dos processos de combustão residencial.
Um trabalho de Honicky e Osborne (1991) realizado no Estado de Michigan, EUA,
concluiu que crianças que vivem em residências aquecidas por queimadores a lenha,
tinham maior probabilidade de apresentar sintomas respiratórios crónicos do que crianças
da mesma idade e sexo que vivem em residências aquecidas por outras fontes energéticas
A União Europeia implementou políticas ambientais como instrumentos de base para a
correta gestão da qualidade do ar. A UE apresenta uma sólida legislação, que estabelece
para o mesmo nível de exigência, normas e práticas ambientais em todos os estados
membros.
2.1.8. Fontes energéticas utilizadas no aquecimento do ar
ambiente
Há claras diferenças no consumo de fontes energéticas para aquecimento do ar
ambiente
consoante o tipo de habitação. O gasóleo de aquecimento é tipicamente utilizado em
moradias (94%), enquanto o gás natural é uma fonte energética essencialmente utilizada
em apartamentos (87%). A biomassa lenhosa apresenta-se como uma fonte energética
procurada por ambos os tipos de residências.
.
Tabela 2: Relação da fonte energetica com o tipo de habitação. https://bibliotecadigital.ipb.pt/handle/10198/7893
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Verifica-se ainda que o ano de construção da habitação é relevante para o tipo de
equipamento utilizado. Enquanto, a lareira aberta e a estufa/salamandra são
equipamentos comuns em residências construídas antes de 1990.
O aquecimento do ar ambiente influencia diretamente os consumos anuais de todas
as fontes energéticas, devido ao aumento do consumo num determinado período do ano.
Os
meses do ano com maior consumo são novembro, dezembro, janeiro e fevereiro, devido às
temperaturas mais baixas que se fazem sentir. Semanalmente, todas as fontes energéticas
apresentam consumos durante os sete dias, à exceção da biomassa lenhosa, onde há
residências que optam pela utilização apenas ao fim de semana. O consumo acontece,
normalmente, entre quatro a oito horas diárias.
2.2. Coletores Solares Uma pequena introdução sobre a energia solar…
É de conhecimento geral que a energia solar é das energias mais abundantes do
planeta Terra. Para além disto é uma fonte de energia renovável, isto é, é inesgotável e não
acarreta problemas ambientais como no caso de outras energias, como por exemplo os
combustíveis fósseis.
“A radiação solar atinge a atmosfera terrestre com uma intensidade de
cerca de 1373 w/m². Uma vez que parte desta energia é refletida e/ou
absorvida pela atmosfera, é possível, medir junto à superfície terrestre
num plano perpendicular, cerca de 1000 w/m², num dia de céu limpo.
Portugal é um dos países da Europa com maior disponibilidade de
radiação solar. Em termos quantitativos, Portugal tem em média entre
2200 e 3000 horas anuais de Sol enquanto que a Alemanha, por exemplo,
apresenta uma média entre 1200 e 1700 horas de Sol por ano.”
(Ferreira, Catarina Isabel Almeida (2010). “Implementação e Estudo de um Colector
Solar do Tipo Termossifão e de um Sistema de Painéis Fotovoltaicos”. Porto: Faculdade de
Engenharia da Universidade do Porto. Tese de mestrado de Engenharia Química. Acedido a
5 Outubro de 2015)
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Percebe-se assim, que em relação ao panorama europeu, Portugal pode explorar
bastante este tipo de energia renovável.
Os coletores solares são um dos meios para exploração deste tipo de energia, existindo
vários tipos de coletores:
- Coletores planos;
- Coletores parabólicos;
- Coletores de tubo de vácuo.
Neste trabalho irão ser explorados apenas os coletores planos, abordando diferentes
configurações deste, como os coletores não envidraçados e coletores que funcionem em
sistemas de termossifão ou em circulação forçada.
2.2.1. Breve história dos coletores solares O aproveitamento da energia solar remonta à antiguidade, sensivelmente a épocas
entre 800 A.C a 600 D.C, quando espelhos côncavos eram usados para focar raios de luz e
aquecer a zona focada pelos raios. Por exemplo, a tocha olímpica, em tempos antigos era
acesa através da focalização destes espelhos.
A energia solar era aproveitada de forma passiva no Egipto, Mesopotâmia e nas
primeiras civilizações Sul-africanas, onde as construções de edifícios tinham em conta as
horas de maior pique de exposição solar (meio-dia). Consoante as caraterísticas climáticas
da região (quente ou fria) construíam as suas casas com as portas voltadas ou não para o
sol durante o período de maior exposição solar.
No século XVIII, o cientista Horace-Bénédict de Saussure inventou o percursor dos
atuais coletores solares motivado pela crise petrolífera dos anos 70, onde as aplicações
práticas para o uso da energia solar eram cada vez mais desenvolvidas.
A primeira patente mundial para um sistema que aproveitava energia solar apareceu em
1891, fabricada por Clarence M. Kemp de Baltimore. Este sistema consistia num simples
coletor de aquecimento de água.
Hoje em dia existem vários tipos de coletores, como os referenciados acima, que têm
inúmeras aplicações nos dias de hoje.
2.2.2. Constituição dos coletores solares
Os coletores planos são constituídos por diversos elementos:
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- Uma caixa isoladora;
- Uma placa de vidro;
-Tubos;
- Fluído térmico;
- O absorvedor.
2.2.2.1 Caixa isoladora É a estrutura do coletor solar, sendo constituída por materiais isoladores por baixo e
lateralmente, acomodando os restantes elementos do sistema. Evita assim perdas de calor,
dá rigidez e protege o interior do coletor de agentes externos, devendo resistir às
solicitações mecânicas, químicas (corrosão), térmicas e de radiação.
2.2.2.2 Placa de vidro O material da cobertura mais usual é o vidro temperado, com baixo teor em ferro.
Devido ao facto de o vidro ser um material que funciona como filtro da radiação,
caraterizando-se por ser transparente à radiação com elevado comprimento de onda e
opaco à radiação de baixo comprimento de onda.
Placa de vidro
O absorvedor
Tubos
Elementos isoladores
pertencentes à caixa.
Figura 5: Constituintes do coletor solar http://www.decorsol.com.br/conteudo.asp?page=coletorsolar.shtm
A engenharia Mecânica em casa-‐ Sistemas de aquecimento
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Uma vez que:
Elevada temperatura do sol => emissão de radiação em alto comprimento de onda; ·
Temperatura normal da superfície da terra => emissão de radiação em baixos comprimentos
de onda;
Percebe-se então que a placa de vidro no coletor solar é transparente à radiação solar e
é opaco à radiação emitida pelos tubos absorvedores (radiação infravermelha).
Com estas caraterísticas, a placa de vidro, provoca dentro do coletor um efeito de
estufa, que consistem num fenómeno que acontece quando a radiação solar entra para um
determinado espaço e depois já nem toda consegue sair, provocando um aquecimento
adicional.
Além de tudo isto, o vidro é um material com boa estabilidade mecânica e boa
capacidade de proteção contra o frio, vento, etc.
2.2.2.3. Tubos Dentro da caixa isoladora estão alojados tubos, onde passa o fluído térmico.
Estes tubos devem ser compostos por um material de elevada condutividade térmica
(k), que se define como a quantidade de energia transferida (Q) por unidade tempo (△ 𝑡)
através de uma superfície com 1 𝑚! de área (A) e 1m de espessura (L), quando a diferença
das temperaturas entre as duas faces dessa superfície é 1 K (Tsuperior – Tinferior).
𝑄△ 𝑡
= 𝐾𝐴(𝑇𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 − 𝑇𝑖𝑛𝑓𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟)
𝐿
(1) Relaciona todas estas grandezas.
Figura 6: Comportamento dos raios luminosos dentro do coletor, que provocam o efeito de estufa.
http://www.fisicajp.unir.br/downloads/1994_tccmarta.pdf
(1)
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Material Condutividade térmica [Κ] = W·m-1·K-1 (J·s-1·m-1·K-1)
Alumínio 237 Cobre 401 Ferro 80,2 Ouro 317 Prata 429
Pela tabela chega-se à conclusão que estes tubos devem ser feitos de cobre pois, este
material, carateriza-se por ter boa condutividade térmica para facilitar a transferência de
calor para o coletor.
2.2.2.4. Fluido térmico
Dentro dos tubos
O fluido térmico deverá ter baixa viscosidade e elevada capacidade de transferência de
calor e capacidade térmica mássica, além disso, deve minimizar problemas de corrosão
associados à sua passagem por tubos metálicos.
Esse fluido pode ser a própria água que se pretende aquecer, havendo neste caso o
problema de congelamento quando as temperaturas atingem os 0 ºC.
Uma alternativa à água é o fluido anticongelante, com uma mistura de água e
propilenoglicol ((C3H8O2), que irá permutar calor com a água, torna-se assim a melhor
opção, uma vez que não é tóxico, é inodoro, e contém inibidores de corrosão.
É importante determinar a concentração minimia de glicol onde a solução já é
considerada eficiente. Poder-se-ia usar etilenoglicol (C2H6O2) no entanto, o propilenoglicol
é menos toxico e portanto o mais usado.
Tabela 3: materiais com maior condutividade térmica. https://pt.wikipedia.org/wiki/Condutividade_t%C3%A9rmica
A engenharia Mecânica em casa-‐ Sistemas de aquecimento
24
Capacidade Térmica Mássica
𝑄 = 𝑚 𝒄 △ 𝑇
A determinação da capacidade térmica mássica é de grande importância, uma vez que
possibilita a previsão da quantidade de energia (Q) que é transferida por cada unidade de
massa (m), quando a temperatura varia de um grau (K ou ºC).
Material Capacidade Térmica Mássica J/kg/k
Água 4186 Ar 993
Ambos materiais são de utilização fácil, no entanto, devido à elevada capacidade
térmica mássica da água, utiliza-se uma solução aquosa de propilenoglicol.
Entre os tubos e a placa de vidro
Normalmente entre a placa de vidro e os tubos utilizam-se gases, ou uma mistura de
gases com caraterísticas isolantes, como por exemplo:
- Ar seco ou sintético
- Árgon
- Kripton
- Xénon
Esta seleção tem em conta o custo dos gases no mercado, a sua condutibilidade
térmica, a densidade entre outros parâmetros.
(2)
Tabela 4: Capacidade térmica mássica de alguns fluídos. http://webprof.no.sapo.pt/ficheiros/capactermmass.htm
A engenharia Mecânica em casa- Sistemas de aquecimento
25
2.2.2.5. O Absorvedor
Deve ser constituído por um material bom condutor de calor (por exemplo, uma folha
metálica de cobre ou alumínio) com um revestimento seletivo, geralmente escuro.
Porque deve ser escuro?
Utilizando-se um corpo escuro, a percentagem de radiação refletida é menor, pelo que a
absorvida aumenta. Desta forma, a emissividade (ε) do corpo aumenta. Através de (3),
percebe-se que, para uma mesma área de superfície (A) e para uma mesma temperatura
absoluta (T) a potência de radiação emitida por este corpo aumenta proporcionalmente,
sendo σ uma constante de valor igual a5,6697 x 10-8 W/m2K4 .
Este facto possibilita um aumento de temperatura no interior do coletor solar.
𝑄△ 𝑡
= 𝐴 ε σ 𝑇!
2.2.3. As diferenças entre os dois tipos de sistemas de circulação do fluído do coletor para o tanque e vice-versa
Ligado ao coletor solar, existe um tanque de armazenamento de água. É através da
água deste tanque, quando aquecida, que a energia proveniente do sol é utilizada no
aquecimento das casas nos mais variados setores, através da transferência de calor da
água dos tubos provenientes do tanque, para determinados sistemas, como piscinas, água
canalizada, etc.
(3)
A engenharia Mecânica em casa-‐ Sistemas de aquecimento
26
Existem então dois tipos de sistemas de circulação de fluído
Figura 8: Tubos de cobre no interior do tanque de
armazenamento de água. http://www.profelectro.info/tag/painel-solar-termico/
Termossifão
(Circulação natural) Circulação forçada
Neste sistema, a circulação da água do tanque
baseia-se nas diferenças de densidade da água fria e
quente (correntes de convecção)
O coletor é colocado numa posição mais elevada
que o tanque. Assim, quando o fluido que se encontra
no coletor, aquece e fica menos denso, sobe para o
tanque, transferindo a energia nele contida para a água.
Na parte superior do tanque, existe um tubo que
liberta a água quente e na inferior um tubo que recebe
água fria.
A água quente que sai do tanque através do tubo
servirá para aquecer alguns compartimentos da casa em
que se insere, através da passagem destes tubos por
esses locais.
Este sistema só deve ser usado quando é
impossível colocar o coletor solar abaixo do
tanque ou depósito.
Neste tipo de circulação é necessário a
utilização de uma bomba para fazer circular o
fluido para o tanque.
A circulação da água no interior do tanque
dá-se da mesma forma que na circulação
natural.
Figura 7: Circulação da água no tanque nos dois sistemas de
circulação.
http://www.profelectro.info/tag/painel-solar-termico/
A engenharia Mecânica em casa- Sistemas de aquecimento
27
2.2.4. Eficiência dos coletores solares e os seus custos
Os coletores apresentam uma baixa eficiência e um elevado custo e exigem pouca
manutenção, no entanto, a eficiência pode ser otimizada através de uma determinada
inclinação do painel solar, consoante a altura do ano.
Normalmente são colocados nas coberturas dos edifícios no intuito de evitar sombras
provocadas por outros edifícios ou vegetação e para otimizar o ângulo de incidência dos
raios solares nos coletores solares.
Figura 9:
a) Circulação natural b) Circulação forçada
http://digitool.fe.up.pt:1801/view/action/singleViewer.do?dvs=1444055157650~979&locale=pt_PT&metadata_object_ratio=25&side_b
y_side=false&VIEWER_URL=/view/action/singleViewer.do?&preferred_extension=pdf&DELIVERY_RULE_ID=5&frameId=1&usePid1=tru
e&usePid2=true
A engenharia Mecânica em casa-‐ Sistemas de aquecimento
28
Através da interpretação da figura 10 conclui-se que, apesar da potência de radiação
solar ser máxima às 12:00h, a eficiência máxima atinge-se por volta das 18:00h.
Figura 10: Eficiências globais e potências úteis obtidas para diferentes potências de radiação solar em função da hora do dia.
http://digitool.fe.up.pt:1801/view/action/singleViewer.do?dvs=1444055157650~979&locale=pt_PT&metadata_object_ratio=25&side_by_side=false&VIEWER_URL=/view/action/singleViewer.do?&preferred_extension=pdf&DELIVERY_RUL
E_ID=5&frameId=1&usePid1=true&usePid2=true
A engenharia Mecânica em casa- Sistemas de aquecimento
29
2.2.5. A eficiência dos coletores solares nas suas diferentes aplicações
Os coletores solares podem ser utilizados para o aquecimento:
- Piscinas
- Águas domésticas
- Ambiente
- Industrial
De acordo com o gráfico, para os coletores planos com cobertura, o rendimento por
ordem decrescente é o seguinte:
Aquecimento de Piscinas > Aquecimento de águas domésticas > Aquecimento do
ambiente > Aquecimento Industrial
Figura 11: Rendimento dos diferentes tipos de coletores solares para as suas diferentes aplicações.
http://eos.fe.up.pt:1801/view/action/nmets.do?DOCCHOICE=50953.xml&dvs=1444055879297~411&locale=pt_PT&search_terms=&adj
acency=&VIEWER_URL=/view/action/nmets.do?&DELIVERY_RULE_ID=2&divType=&usePid1=true&usePid2=true
A engenharia Mecânica em casa-‐ Sistemas de aquecimento
30
2.3. Aquecimento Central
2.3.1. O que é?
O aquecimento central é um sistema composto por vários equipamentos térmicos, que
tem como objetivo fazer aumentar a temperatura, e consequentemente diminuir a humidade
relativa do ar, de um dado espaço isolado, possibilitando assim maior conforto às pessoas e
evita a formação de humidades e bolores nesses mesmos espaços.
2.3.2. Componentes do Aquecimento Central
Num sistema de aquecimento central são necessários essencialmente 5 tipos de
componentes:
- Equipamentos para aquecer o fluido circulante (geralmente óleo ou água), como por
exemplo: caldeiras a gás/gasóleo/pellets, recuperador de calor, coletores solares, entre
outros;
- Uma rede de tubagens para fazer a distribuição do fluido circulante;
- Depósitos de inércia para armazenar fluidos quentes;
- Elementos emissores de calor, como por exemplo: radiadores, pisos radiantes,
toalheiros, entre outros;
- Sistemas automáticos de controlo, como por exemplo: sistemas reguladores
programáveis, sondas exteriores, termostatos, entre outros.
A engenharia Mecânica em casa- Sistemas de aquecimento
31
Figura 12: Representação esquemática de um sistema de aquecimento central numa habitação
Estes últimos equipamentos assumem uma elevada importância, já que são
responsáveis por controlar de forma eficaz todo o sistema de aquecimento central, o que por
sua vez resulta numa maior poupança de recursos e consequentemente numa melhor
eficiência energética.
2.3.3. Princípios de funcionamento Apesar do sistema de aquecimento central ser um tema bastante amplo que engloba
várias áreas e vários equipamentos, o grupo decidiu dar destaques aqueles que consideram
que a Engenharia Mecânica tem mais destaque e poder de atuação.
2.3.3.1.Recuperador de calor Os recuperadores de calor são equipamentos que permitem através da queima da
biomassa, aquecer o ambiente envolvente de forma eficiente e rápida através de correntes
de convecção e ainda aquecer um fluido envolvente ao recuperador de calor por fenómenos
de condução.
O fluido depois de aquecido, ou é enviado para um depósito de inercia, onde este
fluido através de serpentinas existentes no seu interior transfere a sua energia sob a forma
de calor para a água armazenada nesse deposito onde este novo volume de agua irá ser
A engenharia Mecânica em casa-‐ Sistemas de aquecimento
32
usado como águas quentes sanitárias (AQS) ou pisos radiante, ou é enviado diretamente
para emissores de calor como toalheiros e radiadores.
Segundo dados estatísticos, o rendimento de uma lareira aberta é de apenas 20% da
potência calorífica da lenha, ao invés de um recuperador de calor que consegue atingir um
rendimento cerca de 80%.
O fabrico destes equipamentos é feito a pensar na sua durabilidade e como tal estes
são produzidos em ferro fundido, com porta em vidro vitrocerâmico e o seu interior é feito
em material cerâmico refratário. A saída dos fumos e gases queimados resultantes é feita
por um tubo em aço inox, que une a saída do recuperador de calor com a chaminé.
Figura 13: Exemplo de um recuperador de calor
Para garantir a segurança das pessoas e dos edifícios, os recuperadores são
obrigatoriamente testados e certificados segundo a norma europeias EN 13229.
A engenharia Mecânica em casa- Sistemas de aquecimento
33
2.3.3.2 Depósitos de Inércia/ permutadores Este tipo de equipamento serve para armazenar água para posteriormente ser
utilizada no piso radiante ou como águas quentes sanitárias (AQS).
Todavia, podemos chamar as estes dispositivos um sistema de aquecimento
secundário ou indireto uma vez que não é este que gera calor, mas sim que o guarda na
água até ser utilizada. Isto deve-se ao facto da existência no seu interior de uma serpentina
onde circula água a alta temperatura, proveniente das fontes de calor (circuito primário), e
que transfere parte do seu calor para a água com temperatura mais baixa e que envolve
esta serpentina no interior do depósito.
Como a temperatura ambiente é muito mais baixa que a temperatura da água dentro
destes depósitos, estes equipamentos possuem um elevado isolamento térmico composto
por espuma rígida de poliuretano de modo a reduzir as perdas de calor e aumentar a
eficiência energética.
A constituição destes equipamentos varia de fabricante para fabricante, mas de um
modo geral pode ser representada pela figura 14.
Figura 14: Interior de um depósito de inércia
A agua fria é fornecida pela parte superior, enquanto a água quente é extraída pela
parte superior do deposito. Cada vez que é extraída água quente do depósito, entra água da
rede para manter o depósito sempre cheio e sob pressão.
As serpentinas existentes dentro do depósito devem ser constituídas por materiais
bons condutores como por exemplo o cobre, para facilitar as trocas de energia sob a forma
de calor e ainda devem ser revestidas por um material anticorrosivo de modo a aumentar a
durabilidade do equipamento e a evitar a contaminação da água.
A engenharia Mecânica em casa-‐ Sistemas de aquecimento
34
2.3.3.3. Piso radiante O piso radiante é um sistema através do qual ocorre a impulsão de água para uma
rede de tubagens instalada por baixo do pavimento da habitação, a uma temperatura
moderada, no mínimo 20ºC e no máximo 40ºC limitada pela Norma UNE-EN 1264,
proveniente de um depósito de inercia.
Este tipo de sistema de aquecimento pode ser instalado em qualquer pavimento ou
infraestrutura, porém é preferível quando o espaço está em fase de construção, pois esta
rede de tubagem encontra-se envolvida por uma camada de argamassa aditivada, situada
sob o pavimento, que absorve a energia térmica dissipada pelos tubos, armazenando-a e
dissipando-a lentamente para o pavimento. Este por sua vez, emite energia sob a forma de
calor através de radiação que, pela convecção natural do ar uniformiza a temperatura da
habitação.
De modo a minimizar as perdas de calor durante o seu funcionamento para a laje,
para outras divisões da habitação ou para fora do perímetro de piso desejado, o conjunto
formado pelos tubos e pela argamassa é isolado por um material designado “floormate”.
Figura 15: Constituição do piso radiante hidráulico (Manual Giacomini - Como projectar e realizar instalações de
climatização por pavimento radiante para aquecimento e arrefecimento)
A engenharia Mecânica em casa- Sistemas de aquecimento
35
2.3.3.3.1 Piso Radiante vs Radiadores Comparando este tipo de sistema de aquecimento com todos os outros existentes,
este é o que proporciona maior conforto ao utilizador, uma vez que vai de acordo com o
perfil de temperaturas do corpo humano, já que a temperatura do ar deve ser superior na
parte inferior do corpo e deve diminuir gradualmente até à cabeça.
Figura 16: Perfil de temperaturas para diferentes tipos de aquecimento (Aplicações de Aquecimento Radiante e
Climatlzação - Manual Técnico, Uponor)
Podemos assim constatar em comparação com o sistema convencional de
radiadores, que o piso radiante distribui o calor de forma uniforme e consequentemente
mais comoda, uma vez que deixa de existir “zonas quentes” e “zonas frias”.
Figura 17: Perfil de temperaturas: Piso Radiante Vs Radiadores (Catálogo de aquecimento por piso radiante, Cirelius,
Março de 2008)
A engenharia Mecânica em casa-‐ Sistemas de aquecimento
36
2.3.3.3.2 Vantagens do piso radiante Porém estas não são as únicas vantagens que podemos obter da utilização destes
tipos de aquecimento, podemos ainda salientar as seguintes:
- Elevada área de permuta, onde podemos obter elevadas potências térmicas com
baixas variações de temperatura;
Lei de Newton (Convecção): 𝑞 = ℎ ∗ 𝐴 ∗ ∆𝑇
- Aquecimento com baixa movimentação de ar, uma vez que o ar quente que se
encontra junto ao pavimento é facilmente distribuído por todo o ar, devido às correntes de
convecção natural, para além de que como a diferença de temperaturas entre zonas frias e
zonas quentes é baixa, a velocidade de propagação do ar é impercetível, resultando maior
conforto;
- Poupança energética, devido a este sistema de aquecimento se enquadrar melhor
no perfil de temperaturas do corpo humano, a temperatura necessária para obter um igual
nível de conforto comparado com outros sistemas de aquecimento é menor, pelo que
também há menos perdas de calor, uma vez que estas são proporcionais à diferença de
temperaturas entre o ambiente interior e o exterior.
Como as temperaturas de funcionamento deste sistema são baixas, não são
necessários grandes quantidades de energia para aquecer a água a circular na rede de
tubos, podendo a energia solar ser uma solução ecológica para alimentar este circuito.
- Aquecimento invisível, o que daqui resulta uma maior área útil no compartimento e
consequentemente uma maior área habitável, porque não existem equipamentos a ocupar
espaço;
- Opção segura e compatível com vários tipos de pavimentos, ao contrário dos
radiadores e outros equipamentos, não existe risco de queimadura e instala-se em qualquer
pavimento que não seja bom isolante térmico;
- Processo lento de arrefecimento, o que faz com que a emissão de calor pelo
pavimento se prolongue durante muito mais tempo.
A engenharia Mecânica em casa- Sistemas de aquecimento
37
2.3.3.3.3 Desvantagens do piso radiante Porém este sistema também apresenta algumas desvantagens, nomeadamente: - Investimento inicial elevado, em comparação com os outros equipamentos
térmicos;
- Difícil implementação, uma vez que foi pensado para ser implementado aquando da
fase de construção da casa, pois caso contrário é necessário levantar todo o pavimento da
habitação;
- Processo lento de aquecimento, ao contrário dos outros sistemas térmicos a
sensação de calor não é imediato já que o sistema funciona a baixas temperaturas
comparando com os restantes sistemas convencionais.
A engenharia Mecânica em casa-‐ Sistemas de aquecimento
38
2.4. Ar condicionado
2.4.1. Breve história sobre a criação e evolução do ar condicionado
O conceito básico de ar condicionado diz-se ter surgido no Antigo Egito. Nessa
época, eram colocadas varas nas janelas que arrefeciam com a água que escorria. A
evaporação dessa água arrefecia o ar que se infiltrava pela janela. Este processo, para além
de tornar o ar mais fresco , tornava-o também mais húmido o que favorecia bastante as
condições no deserto quente e seco.
Mais tarde, na Roma antiga, as águas do aquedutos circulavam pelas paredes das
casas, com o objetivo de as arrefecer.
Outras técnicas às quais se recorriam na Persia Medieval passavam pelo uso de
reservatórios e torres eólicas para arrefecer os edifícios durante a época de calor.
Futuramente, o desenvolvimento do ar condicionado moderno deveu-se em grande
parte aos avanços da química durante o século 19, sendo que o primeiro ar condicionado foi
inventado e utilizado no dia 17 de Julho de 1902 em Buffalo, Nova Iorque por Willis Carrier,
um engenheiro nascido em Angola em 1876.
Figura 18: Willis Carrier, e o primeiro protótipo de ar condicionado funcional
A engenharia Mecânica em casa- Sistemas de aquecimento
39
2.4.2. Funcionamento
Os Sistemas de condicionamento de ar possuem quatro componentes básicos:
- Compressor
- Condensador
- Evaporador
- Motor dos ventiladores
Figura 19: Elementos que constituem o ar condicionado (do tipo janela)
A função principal do ar condicionado é deixar ambientes com temperaturas
agradáveis, criando não só conforto térmico, ao aumentar ou diminuir a temperatura, como
também em termos de humidade. A utilização de ar condicionados permite conforto numa
casa, mas o seu uso é essencial em laboratórios, hospitais, centros comerciais, entre
outros.
O funcionamento de um ar condicionado passa basicamente pela mudança de
temperatura, através da passagem de ar pela serpentina do evaporador, que por contacto,
provoca a diminuição ou o aumento da temperatura, baixando também a humidade do ar.
Uma vez alcançada a temperatura e humidade desejadas, estas são detetadas num
sensor localizado no evaporador e este faz com que o compressor se deligue. Desta forma,
A engenharia Mecânica em casa-‐ Sistemas de aquecimento
40
o equipamento mantem a temperatura constante. No caso de haver alguma alteração no
ambiente estipulado, todo o sistema liga novamente, acionando o compressor.
Existem assim, duas operações fundamentais realizadas pelos ar condicionados:
• Operação de Refrigeração
Neste caso, o gás sai do compressor alta pressão e alta temperatura. No direção que
percorre perda calor no condensador, no tubo capilar e no filtro secador, como se pode
verificar na figura 20.
Quando o gás atinge o evaporador já se encontra frio , pronto para arrefecer o ambiente
interno, enviando o calor para o ambiente externo.
Figura 20: Esquema da operação de refrigeração no ar condicionado
A engenharia Mecânica em casa- Sistemas de aquecimento
41
• Operação de Aquecimento
No processo de aquecimento o fundamento é o mesmo. No entanto, existe uma válvula
de reversão que altera o caminho que o gás percorrer. Ao contrário do processo de
arrefecimento, o gás passa primeiro pelo evaporador, tal como se pode observar na figura
21.
Assim, o condensador e a evaporador funcionam de forma inversa, isto é, o evaporador
que se encontra no ambiente interno aquece e o condensador que está no lado externo.
Figura 21: Esquema da operação de aquecimento no ar condicionado
2.4.3. Tipos de Ar condiconado
O tipo de ar condicionado adequado depende das características do edifício. Os
acabamentos do edifício, se é muito soalheiro ou muito sombrio, os materiais de construção
e o tipo de isolamento são tudo condicionante para a instalação de cada tipo de ar
condicionado.
Janela
Os ar condicionados de tipo janela são os de menor porte pois possuem o
evaporador e o condensador no mesmo compartimento. No entanto, tem algumas restrições
relativamente à instalação do equipamento em determinados edifícios devido à alteração da
fachada, dado que estes são colocados parcialmente do lado exterior. São também pouco
eficientes energeticamente.
A engenharia Mecânica em casa-‐ Sistemas de aquecimento
42
Figura 22: Ar Condicionado do tipo Janela e o problema de instalação
Split
Ao contrário do ar condicionado de janela, o split contém o condensador e o evaporador
separados no lado exterior e interior do edifício, e interligados através de tubos de cobre, o
que permite uma grande distância entre as duas unidades. Este é um dos tipos de ar
condicionado com mais vantagens. O nível de ruído diminui e é permitida uma melhor
distribuição do ar, o que torna o aparelho mais económico.
Figura 23: Ar Condicionado Split
A engenharia Mecânica em casa- Sistemas de aquecimento
43
Self Chiller
Este tipo de equipamento não é utilizado a nível doméstico. Devido à sua grande
capacidade de distribuição do ar e potência é preferencialmente utilizado em superfícies
comerciais e hospitais. Exige uma instalação de ar condicionado central aquando da
construção do edifício.
Figura 24: Ar Condicionado do tipo Chiller
A engenharia Mecânica em casa-‐ Sistemas de aquecimento
44
3. Casa Termicamente Otimizada
3.1. O que é? A CTO (Casa Termicamente Otimizada) consistiu um projeto desenvolvido sobre
iniciativa conjunta INETI – FEUP, sob a responsabilidade técnica do Grupo de Fluidos e
Calor do Departamento de Engenharia Mecânica da Faculdade de Engenharia da
Universidade do Porto com o suporte da Direcção-Geral da Energia e inúmeras empresas.
Figura 25: Fachada principal da CTO
A CTO foi construída em 1984 e foi projetada a pensar no conceito de conforto aliado à
eficiência energética. Esta casa utiliza o máximo dos recursos fornecidos pelo meio
ambiente, nomeadamente: sol, temperatura do ar, proteção do terreno, entre outros. Esta
casa recorre também a energias renováveis como a biomassa lenhosa para satisfazer
necessidades de aquecimento desencadeadas devido a casos absolutamente necessários
de temperaturas extremas e por fim tem em conta a distribuição da construção para uma
melhor gestão energética.
3.2. Medidas Adotadas
De modo a tornar esta casa com um índice de elevada eficiência térmica, adotou-se
medidas como:
- Fachada com orientação a sul, o que permite ganhos solares de Inverno e por outro
A engenharia Mecânica em casa- Sistemas de aquecimento
45
lado facilita o sombreamento no Verão;
- Proteção da fachada a Norte, uma vez que não possui quase nenhumas aberturas, já
que é do Norte que provem os ventos frios dominantes;
- Forte isolamento exterior, que diminui as perdas e pontes térmicas, reduzindo as
infiltrações causadoras de perdas de calor, através por exemplo da aplicação de mantas
isolantes, estores exteriores, caixilharias especiais, etc;
- Existência de grandes áreas de captação solar, permite elevados ganhos solares
diurnos que aliada aos materiais de construção utilizados na casa permite o armazenamento
e difusão desfasada no tempo de calor (inércia térmica);
- Apoio às AQS (águas sanitárias aquecidas) através da utilização de coletores solares,
tendo já a arquitetura da casa sido pensada para integra-los da forma mais eficaz e não
simplesmente “pousa-los” no telhado;
- Apoio da lareira, que permite o aquecimento à distância por recuperador de calor que
alimenta um radiador instalado em divisões não adjacentes à coluna da chaminé da casa
que também funciona como um emissor térmico.
Figura 26: Histogramas de Temperaturas da CTO no Inverno e no Verão respetivamente
A engenharia Mecânica em casa-‐ Sistemas de aquecimento
46
A CTO em números Data de Construção 1984
Área 140 m2 Volume 326 m3
Envidraçados 43 m2 Comprimentos cabos de medição 30 km
Pontos medição 600 Temperatura mínima no Inverno 15ºC Temperatura máxima no Verão 25ºC
Renovações de ar 0,5 rph Coeficiente de perdas térmicas 6,5 kWh/grau-dia
27,5 Wh/m2.grau-dia U paredes exteriores 0,6 W/m2ºC
Máxima oscilação térmica 5ºC Consumo de energia para o ambiente 4600 kWh/ano
Contribuição solar 3200 kWh/ano Energia auxiliar (lenha) 1400 kWh/ano
Graus-dia Porto (base 18ºC) 1615 Colectores solares planos para AQS 4 m2
Depósito acumulador de AQS 300 litros Circuitos eléctricos independentes 12
Interruptores horários 12
Tabela 5: Detalhes Energéticos sobre a casa termicamente otimizada
A engenharia Mecânica em casa- Sistemas de aquecimento
47
Conclusões O objetivo deste trabalho no âmbito do projeto Feup foi alcançado. Este trabalho
permitiu-nos ter um conhecimento mais alargado dos sistemas de aquecimento que podem
fazer parte das nossas casas e aos quais não revelamos a devida importância.
Para além disso, ficamos capazes de avaliar qual dos equipamentos é mais adequado
para um local ou outro, dependendo das condições do edifício e de questões de instalação.
Os sistemas de aquecimento trazem o conforto para dentro das nossas casas e, tal
como outros equipamentos, não é dada a devida importância.
Sendo assim, com este trabalho, percebemos que a engenharia mecânica tem um
enorme impacto, não só a nível industrial, mas também bem perto de nós, nas nossas
casas.
A engenharia Mecânica em casa-‐ Sistemas de aquecimento
48
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A engenharia Mecânica em casa- Sistemas de aquecimento
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A engenharia Mecânica em casa-‐ Sistemas de aquecimento
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