Aplicação de coletores solares em edifícios existentes

A

PLICAÇÃO DE COLETORES SOLARES

EM EDIFÍCIOS EXISTENTES

G

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F

S

A

Dissertação submetida para satisfação parcial dos requisitos do grau de MESTRE EM ENGENHARIA CIVIL —ESPECIALIZAÇÃO EM CONSTRUÇÕES

Orientador: Professor Doutor Vasco Manuel Araújo Peixoto de Freitas

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Editado por

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2009/2010 - Departamento de Engenharia Civil, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Porto, Portugal, 2009.

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Este documento foi produzido a partir de versão electrónica fornecida pelo respectivo Autor.

A meus Pais

Conhecimento é Poder Francis Bacon

AGRADECIMENTOS

Após realização deste trabalho surge a necessidade de agradecer às pessoas que contribuíram de alguma forma para o seu desenvolvimento.

Em primeiro lugar, destaca-se a importância da orientação do Professor Douto Vasco Manuel Araújo Peixoto de Freitas, cuja intervenção foi fundamental para o sucesso deste trabalho. A sua ajuda foi realmente muito importante na definição de metas a cumprir, dos passos a executar e na gestão do tempo disponível.

Também o Professor José Luís Coelho Alexandre (Departamento de Engenharia Mecânica; Secção de Fluidos e Calor), teve alguma importância na fase inicial do caso prático de estudo. Apenas com uma curta reunião forneceu algumas ideias muito importantes sobre a forma mais adequada para a conceção do sistema de coletores solares mais adequado, ideias essas que foram exploradas neste trabalho.

RESUMO

Neste trabalho aborda-se a temática da utilização de energia solar térmica, com especial atenção para o seu contributo na produção de água quente sanitária, de elevada importância para uma melhor eficiência energética.

Em primeiro lugar faz-se uma análise dos fatores que motivam a aplicação de sistemas de coletores solares térmicos nos edifícios. De facto verificam-se que são bastantes, com especial destaque para a redução da poluição ambiental e da fatura energética, sendo este último, geralmente, o de maior importância. De seguida apresentam-se algumas das barreiras mais frequentes a este tipo de sistemas, das quais se destacam os motivos culturais e económicos (valor elevado do investimento inicial). Segue-se uma descrição do mercado do solar térmico: primeiro a nível europeu e de seguida numa escala mais detalhada os casos concretos de Portugal e Espanha. Verifica-se que não é um mercado uniforme, existem grandes diferenças entre os países, quer a nível de políticas de incentivos, quer a nível de evolução. Em determinado país não tem uma evolução constante, isto é, há fases em que aumenta, diminui e mantém.

No capítulo 3 analisa-se o funcionamento dos coletores solares, onde se salienta a importância dos gradientes de temperatura. Em Portugal só são aceites coletores solares certificados, os quais são listados neste capítulo e que só podem ser aplicados por técnicos devidamente habilitados para isso. Segue-se uma breve descrição de como se pode fazer uma quantificação de energia recorrendo ao software Solterm. Explica-se quais os parâmetros que é necessário introduzir e as opções que se podem tomar.

Para estudar a aplicação de coletores solares térmicos num edifício em utilização nada melhor que recorrer ao estudo de um caso real. Neste trabalho procede-se à conceção e dimensionamento de um sistema desse tipo. Dá-se particular importância para a escolha do coletor mais adequado, em termos de produtividade e à análise técnico-económica desse sistema. Tendo em conta o elevado período de retorno, verifica-se que não é uma opção economicamente viável.

De seguida faz-se um estudo de sensibilidade, onde se analisa a influência da localização e do padrão de consumo. Verifica-se que a importância da localização é muito maior e sugerem-se valores mínimos realistas a considerar para a fração solar para cada zona do país.

PALAVRAS-CHAVE: energia solar térmica, água quente sanitária, coletor solar, técnico-económico, produtividade.

ABSTRACT

This work adresses the issue of using solar termal energy, with special attention to its contribution in the production of sanitary hot water, very importante for better energy efficiency.

Firstly it is analyzed the factors that motivate the application of solar thermal collectors systems in buildings. In fact there are plenty, with particular emphasis on the reduction of environmental pollution and energy bills, the last being usually the most important. Then we present some of the most common barriers to this type of systems, including most importantly the cultural and economic reasons (high value of the initial investment).

The following is a description of the solar thermal market: the first European and then finer-scale concrete cases of Portugal and Spain. There is a market that is not uniform, there are large differences between countries, both in terms of incentive policies, both in terms of evolution. No one country has a constantly changing, that is, there are phases in which increases, decreases and maintains.

Chapter 3 analyzes the operation of solar collectors, which stresses the importance of temperature gradients. In Portugal only accept certified solar collectors, which are listed in this chapter and that can only be applied by officers duly authorized to do so.

The following is a brief description of how to make a energy quantification using the software Solterm. It explains which parameters need to be introduced and the options that can be taken.

To study the application of solar thermal collectors in a building in use no better than refer to a real case study. In this work proceeds to the design and sizing of such a system. Occurs particularly important to choose the most suitable collector, in terms of productivity and the technical and economic analysis of this system. Having regard to the high period of return, it is found that is not a viable option.

Then it is a sensitivity study, which analyzed the influence of location and consumption pattern. It appears that the importance of location is much larger and are suggested to consider realistic minimum values for the solar fraction for each part of the country.

ÍNDICE GERAL

AGRADECIMENTOS ... i

RESUMO ... iii

ABSTRACT ... v

1. INTRODUÇÃO

1.1.RAZÕES PARA IMPLEMENTAR SISTEMAS DE COLETORES SOLARES ... 1

1.2.ENTRAVES/DIFICULDADES NA OPÇÃO POR SISTEMAS DE COLETORES SOLARES ... 4

1.3.OBJETIVOS DO TRABALHO ... 6

1.4.ESTRUTURA DO TRABALHO ... 6

2. MERCADO DO SOLAR TÉRMICO

2.1.MERCADO EUROPEU ... 9

2.2.MERCADO PORTUGUÊS ... 12

2.3.MERCADO ESPANHOL ... 15

2.3.SÍNTESE DA INFORMAÇÃO OBTIDA ... 18

3. COLETORES SOLARES

3.1.FUNCIONAMENTO DOS SISTEMAS DE COLETORES SOLARES ... 19

3.2. LISTAGEM DE COLETORES SOLARES CERTIFICADOS ... 22

3.3.INÍCIO DE OPERAÇÃO DO SISTEMA ... 23

4. QUANTIFICAÇÃO DE ENERGIA UTILIZANDO O

SOFTWARE SOLTERM

4.1.CLIMA E LOCAL ... 25

4.2.SISTEMAS TÉRMICOS ... 27

4.3.ANÁLISE ENERGÉTICA ... 29

5. APLICAÇÃO DE COLETORES SOLARES EM EDIFÍCIOS

EXISTENTES: CONCEÇÃO E DIMENSIONAMENTO

5.1.DESCRIÇÃO DO CASO DE ESTUDO ... 31

5.2.DESCRIÇÃO DO SISTEMA ADOTADO ... 31

5.3.ESCOLHA DO COLETOR SOLAR ... 38

5.4.TRABALHOS A EXECUTAR ... 48

5.5.ANÁLISE TÉCNICO-ECONÓMICA ... 49

5.5.1. MEDIÇÃO/ORÇAMENTAÇÃO ... 49

5.5.2. PERÍODO DE RETORNO ... 50

5.5.3. BENEFÍCIOS AMBIENTAIS... 53

5.6.OPÇÃO POR APLICAR OU NÃO ESTE SISTEMA ... 53

6. ESTUDO DE SENSIBILIDADE

7. CONCLUSÕES

ÍNDICE DE FIGURAS

Fig.1 – Radiação solar horizontal diária em Portugal e na Europa... 2

Fig.2 - Quota de alguns países no mercado de solar térmico da União Europeia ... 11

Fig.3 – Evolução da área anual de coletores aplicados em Portugal (entre 2003 e 2011) ... 14

Fig.4 - Evolução do solar térmico em Espanha entre 2005 e 2011 ... 17

Fig.5 – Esboço da constituição (esquerda) e do funcionamento (direita) de um coletor solar térmico . 20 Fig.6 - Esquema do funcionamento de um sistema de coletores solares num edifício ... 21

Fig.7 – Radiação direta e difusa na cidade do Porto ... 25

Fig.8 – Temperaturas diárias mensais mínima, média e máxima na cidade do Porto ... 26

Fig.9 - Definição dos ângulos de sombreamento ... 27

Fig.10 – Esquema de um sistema térmico com depósito ... 27

Fig.11 – Fotografia do depósito e caldeira existentes no local ... 33

Fig.12 - Esquema de funcionamento do sistema proposto ... 34

Fig.13 – Imagem do alçado Sul com a representação do coletor solar, respetiva tubagem e peça para esconder a tubagem.………...35

Fig.14 - Pormenor da ligação entre a platibanda e a peça que tapa a tubagem (cinzento) ... 36

Fig.15 – Pormenor da ligação da fixação à parede ... 36

Fig.16 - Tubo isolado Duosolar ... 37

Fig.17 – kit hidráulico escolhido ... 37

Fig.18 – Módulo Digisolar ... 38

Fig.19 - Distribuição probabilística das áreas totais dos coletores ... 46

Fig.20 – Distribuição probabilística da produtividade dos coletores ... 47

Fig.21 –Suporte de telhado para os dois coletores solares ... 48

Fig.22 -Passagem da tubagem junto à platibanda ... 48

Fig.23 - Distribuição probabilística da energia fornecida ... 61

Fig.24 - Distribuição probabilística da fração solar ... 62

Fig.25 -Distribuição probabilística da produtividade ... 63

Fig.26 – Valores de fração solar mínimo (E2000), médio e máximo (Euro L20 AR) ... 78

Fig.27 – Distribuição geográfica dos valores médios de fração solar... 79

ÍNDICE DE QUADROS

Quadro 1 – Evolução percentual dos cinco principais mercados a nível europeu em 2008 face ao ano

anterior ... 10

Quadro 2 - Quota de alguns países no mercado de solar térmico da União Europeia ... 10

Quadro 3 – Distribuição de sistemas de coletores solares instalados em 2009 ... 13

Quadro 4 – Distribuição do consumo energético nos sectores dos edifícios e equipamentos e doméstico ... 15

Quadro 5 – Motivos para implantação de sistemas solares térmicos entre 2005 e 2010 ... 17

Quadro 6 – Perfil de consumo de água quente utilizado ... 39

Quadro 7a - Resultados das simulações com os coletores do mercado ... 41

Quadro 7b - Resultados das simulações com os coletores do mercado ... 42

Quadro 7c - Resultados das simulações com os coletores do mercado ... 43

Quadro 7d - Resultados das simulações com os coletores do mercado ... 44

Quadro 7e - Resultados das simulações com os coletores do mercado ... 45

Quadro 8 – Valor dos quantis 10%, 50% (mediana) e 90% (áreas dos coletores) ... 46

Quadro 9 - Valor dos quantis 10%, 50% (mediana) e 90% (produtividade) ... 47

Quadro 10a – Mapa de trabalhos e quantidades ... 49

Quadro 10b – Mapa de trabalhos e quantidades ... 50

Quadro 11 - Cálculo do período de retorno ... 52

Quadro 12 – Período de retorno para investimentos de 2000€, 2500€, 3000€, 3500€, 4000€, 4500€ 53 Quadro 13a - Resultados das simulações com os coletores fictícios ... 56

Quadro 13b - Resultados das simulações com os coletores fictícios ... 57

Quadro 13c - Resultados das simulações com os coletores fictícios ... 58

Quadro 13d - Resultados das simulações com os coletores fictícios ... 59

Quadro 13e - Resultados das simulações com os coletores fictícios ... 60

Quadro 14 – Valor dos quantis 10%, 50% (mediana) e 90% (fornecido) ... 61

Quadro 15 - Valor dos quantis 10%, 50% (mediana) e 90% (fração solar) ... 62

Quadro 16 – Valor dos quantis 10%, 50% (mediana) e 90% (produtividade) ... 63

Quadro 17 - Dados de cada capital de distrito ... 64

Quadro 18 – Padrão de consumo B ... 65

Quadro 19 – Padrão de consumo C... 66

Quadro 20a - Resultados para o padrão de consumo A ... 68

Quadro 20c - Resultados para o padrão de consumo A ... 70

Quadro 21a – Resultados para o padrão de consumo B ... 71

Quadro 21b – Resultados para o padrão de consumo B ... 72

Quadro 21c – Resultados para o padrão de consumo B ... 73

Quadro 22a - Resultados para o padrão de consumo C ... 74

Quadro 22b - Resultados para o padrão de consumo C ... 75

Quadro 22c - Resultados para o padrão de consumo C ... 76

Quadro 23a – Valores de fração solar mínimo (E2000), médio e máximo (Euro L20 AR) ... 77

Quadro 23b – Valores de fração solar mínimo (E2000), médio e máximo (Euro L20 AR) ... 78

ÍNDICE DE ANEXOS

Anexo 1 – Listagem de coletores solares certificados ... 87 Anexo 2 – Simulação no Solterm para coletor TopSon F3-1 ... 105 Anexo 3 – Ficha Técnica do coletor TopSon F3-1 ... 113

SÍMBOLOS E ABREVIATURAS

PIB - Produto Interno Bruto UE – União Europeia

AQS – Água Quente Sanitária CO2 – Dióxido de Carbono

PME – Pequenas e Médias Empresas SCE – Sistema de Certificação Energética SGaQ – Sistema de Garantia de Qualidade

INETI – Instituto Nacional de Engenharia, Tecnologia e Inovação

RCCTE – Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos Edifícios EUA – Estados Unidos da América

MST – Medida Solar Térmico

MEI – Ministério da Economia e da Inovação

IPSS – Instituições Particulares de Solidariedade Social ADUP – Associações Desportivas com Utilidade Pública IVA – Imposto sobre o Valor Acrescentado

IRS – Imposto sobre o Rendimento das Pessoas Singulares APISOLAR – Associação Portuguesa da Indústria Solar PAEE – Plano de Acção para a Eficiência Energética CTE – Código Técnico de la Edificación

IDAE – Instituto para la Diversificatión e Ahorro de la Energía ASIT – Associación Solar de la Industria Térmica

RITE – Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios PER – Plan de Energías Renovables

ICAREN – Incentivo ao Calor Renovável ESCO – Empresas de Serviços Energéticos DGEG – Direção Geral da Energia e Geologia CAP – Certificado de Aptidão Profissional

ESTIF – European Solar Thermal Industry Federation CPC – Concentrador Parabólico Composto

PCI – Poder Calorífico Inferior VAL – Valor Atualizado Líquido TAEG – Taxa Anual Efetiva Global

1

INTRODUÇÃO

1.1.RAZÕES PARA IMPLEMENTAR SISTEMAS DE COLETORES SOLARES

O carácter evolutivo dos conceitos de bem-estar e conforto apontam para uma tendência crescente de exigências, o que em geral tem como consequência um maior consumo de energia. Isto remete-nos para a eficiência energética, que é uma temática bastante atual e tem sido debatido cada vez mais nos últimos anos.

O sector da construção corresponde a cerca de 9,7% do PIB (Produto Interno Bruto) na União Europeia (UE), o que tem consequências económicas, sociais e ambientais (consumo de água, energia, produção em larga escala de resíduos e efluentes, alteração de ecossistemas naturais, etc) [12]. Estima-se que os edifícios são responsáveis pela utilização de mais de 40% da energia primária, o que faz com que seja importante atuar no sector da construção para melhorar a eficiência energética [9] e [13]. A maioria das medidas de poupança de energia neste sector tem grande viabilidade económica.

Uma grande parte do consumo energético doméstico deve-se à produção de água quente sanitária (AQS), com temperaturas da ordem dos 40-60ºC [1]. Estas temperaturas são facilmente conseguidas aproveitando a radiação solar (que tem disponibilidade imediata e é inesgotável) através de sistemas de coletores solares [11].

Portugal é um país com elevado potencial solar que pode ser explorado neste contexto, possuindo em média 2200 a 3000 horas de sol por ano [1]. A este facto acresce que a variação da radiação solar útil entre o Norte e o Sul do país não é muito acentuada (cerca de 18% entre Porto e Faro), o que faz com que seja possível aproveitar esta energia em todo o território [1]. É possível ter uma perceção aproximada da variação desta radiação em Portugal e na Europa através da figura 1.

Fig.1 – Radiação solar horizontal diária em Portugal e na Europa [19]

Comparativamente com as outras energias renováveis tem ainda a vantagem de a distribuição horária da sua produção ser relativamente alinhada com a distribuição de consumos [11]. Para além disso, nestes sistemas a previsão de produção, construção, operação e manutenção são relativamente fáceis. O princípio de funcionamento dos sistemas solares térmicos é bastante simples e conhecido há vários séculos, o que faz com que as técnicas existentes atualmente no mercado para a sua exploração sejam já bastante eficientes e fiáveis, proporcionando soluções de energia solar para um vasto leque de aplicações [11]. No caso concreto da produção de AQS, as tecnologias existentes são maduras e competitivas e mesmo os sistemas mais simples são capazes de satisfazer grande parte das necessidades domésticas, sendo apenas necessário algumas medidas de apoio à sua introdução e dinamização no mercado [11]. A energia solar constitui, portanto uma fonte renovável de confiança. Estes sistemas têm também vantagens a nível ambiental, pois provoca uma redução significativa, a baixo custo, das emissões de dióxido de carbono (CO2) comparativamente aos sistemas que utilizam

energias fósseis, estes últimos bastantes mais poluentes e nocivos para o meio ambiente [11].

Apesar de tudo, o aspeto económico continua a ser aquele a que as pessoas dão mais importância. E, de facto, recorrendo a sistemas de coletores solares para produção de AQS verifica-se uma diminuição da fatura da energia convencional (eletricidade ou gás), uma vez que a energia solar é gratuita [13]. Um sistema deste tipo, bem dimensionado permite poupar ate 70% da energia convencional necessária. Estes sistemas não são dimensionados para condições de utilização extremas, mas para valores médios anuais pelo que não irão dar cobertura a 100% das necessidades. Para satisfazer essas necessidades extremas recorre-se a um sistema de apoio movido com energias convencionais, que será usado, portanto, como recurso e não como sistema prioritário. O sistema prioritário é aquele que utiliza a energia solar, uma vez que esta é obtida gratuitamente, entrando o outro em funcionamento automaticamente quando este não for suficiente. É extremamente vantajoso se houver sinergias operacionais entre a energia solar e o gás natural para produção de AQS [8]. Para isso, o ideal seria a criação de parcerias entre comercializadores de gás natural e produtores/distribuidores de equipamentos solares, o que só será possível se houver uma mudança cultural e uma mobilização de todos estes agentes no mesmo sentido [8].

Recorrendo à energia solar reduz-se a dependência dos combustíveis fósseis importados [10]. A União Europeia importa cerca de 51% do gás que consome e, ao longo dos últimos anos o preço da energia

tem aumentado: 15% na eletricidade; 21% na gasolina; 28% no gás natural [9]. Também em Portugal e, apesar de ser um país sem grandes problemas quanto á segurança do seu abastecimento, a situação é semelhante e o futuro deste mercado depende muito do preço dos combustíveis fósseis (em particular o gás natural), estando portanto muito vulnerável quanto à oscilação dos valores dos recursos que tem necessidade de importar [15]. Por exemplo, no ano de 2008, cerca 43,3% da eletricidade já era proveniente de fontes renováveis (que representa um aumento de 8,3% desde 2004), no entanto o défice energético nacional representou ainda cerca de 4,5% do PIB, correspondendo ao volume de energia importada [11]. Tem então grande importância na economia. Portanto, para resolver o problema do défice externo, é importante atuar na estratégia energética, de forma a aumentar a autonomia energética do país [11]. Estes aumentos, em simultâneo com a redução de custos da tecnologia, fazem com que os sistemas de coletores solares térmicos sejam cada vez mais competitivos no preço [10].

Para além disso, o investimento em sistemas de energia solar térmica cria empregos qualificados e estimula a economia local [11]. Estima-se que existem mais de 40.000 postos de trabalho a tempo inteiro na Europa neste sector, principalmente em PME (Pequenas e Médias Empresas), sendo que cerca de metade destes dizem respeito à distribuição, instalação e manutenção dos sistemas [11]. Outro aspeto também importante tem a ver com a certificação energética dos edifícios, integrado no SCE (Sistema de Certificação Energética), um dos mais completos a nível Europeu [14]. De acordo com a situação atual, o facto de um edifício possuir um sistema de coletores solares para produção de AQS faz com que este tenha uma melhor classificação energética. Portanto, o SCE valoriza muito a existência deste tipo de sistemas. Desta maneira consegue-se uma certa valorização dos edifícios com melhores desempenhos energéticos e, portanto, este mecanismo premeia quem melhora e penaliza quem não o faz [10]. Os requisitos mínimos de rentabilidade energética, conjuntamente com inspeções mais apertadas, têm vindo a melhorar a qualidade destes certificados [14]. É importante fazer frequentemente um balanço para perceber os pontos fortes, pontos fracos e falhas do SCE, aperfeiçoando-os cada vez mais e incutindo uma maior responsabilidade energética através do seu rigor [14]. Com isto, será possível efetuar recomendações de aperfeiçoamento e especificar medidas de otimização [13].

Pretende-se que com este tipo de sistemas todos os intervenientes fiquem a ganhar: o investidor porque consegue um preço ou renda mais elevado no mercado para um edifício em conformidade com os requisitos energéticos e que por isso implique custos de manutenção mais baixos; os ocupantes porque os valores de rendas mais altos para os edifícios de rentabilidade ótima serão compensados por custos de operação mais baixos e faturas energéticas menores [13]. É importante obter um feedback dos utilizadores para perceber onde houve falhas. Só assim será possível melhorar no futuro, tornando estes sistemas cada vez mais fiáveis e adaptados às necessidades da população. Isto provocará um incremento de confiança nestes sistemas e consequentemente atrairá um maior número de utilizadores. Entre 15 de Outubro e 2 de Novembro de 2007 foi feito um inquérito a cerca de 1000 portugueses [8]. Desses, um quarto admitiu estar disposto a pagar em média 3500 euros para adquirir equipamentos para produção de energia renovável nos 12 meses seguintes [8]. De entre as razões apontadas destacam-se as seguintes: preservação do ambiente (40%); redução da despesa mensal (37%); rentabilização do investimento através da venda da energia excedentária (14%) [8]. Daqui salienta-se uma evolução no sentido de uma maior consciência ambiental e poupança energética, não só na utilização de energias renováveis para produção de AQS, mas também para produção de energia (por exemplo recorrendo ao fotovoltaico). No entanto, não estamos a mudar ao ritmo necessário [10].

Estas são as principais razões geralmente aceites/utilizadas. Este trabalho vai ser desenvolvido de forma a chegar a uma conclusão acerca veracidade destes aspetos.

1.2.ENTRAVES /DIFICULDADES NA OPÇÃO POR SISTEMAS DE COLETORES SOLARES

Os custos de instalação e de manutenção destes sistemas de coletores solares poderão ser um obstáculo à sua aplicação [11]. O estado poderá ter um papel muito importante neste aspeto, através da criação de incentivos/ajudas monetárias, situação que atualmente é muito difícil de acontecer dada a situação económica difícil do país. É sempre indispensável fazer uma análise do período de retorno do investimento, com o intuito de verificar a razoabilidade do investimento, isto é, quanto tempo é necessário para que o dinheiro poupado iguale o valor do investimento inicial, perceber até que ponto compensa a adesão a estes sistemas e escolher o sistema ideal. No entanto, o preço não deve ser o único aspeto a considerar.

Há também uma componente tradicional que funciona como entrave à aquisição destes sistemas. Por exemplo, no Porto a penetração do gás natural é inferior a 6% e em Lisboa é superior a 50% [8]. Durante cerca de 50 anos, o Porto serviu de cobaia em projetos de hidroeletricidade nas bacias do Entre Douro e Minho [8]. Por outro lado, Lisboa tem a tradição do gás de cidade proveniente das refinarias de Cabo Ruivo [8]. Trata-se, portanto de dois casos que utilizam tipos de energia diferentes mas ambas muito consolidadas e com provas dadas, o que cria na população alguma inércia na mudança para a energia solar. É necessário aumentar a consciencialização dos consumidores finais e informá-los das novas tecnologias/equipamentos e respetivos benefícios, que muitas vezes desconhecem [12]. Se as pessoas perceberem que ao aplicarem sistemas de coletores solares térmicos nas suas habitações estão a reduzir a sua fatura energética no final do mês numa percentagem significativa, promove-se automaticamente uma nova cultura energética com base financeira, que pode ser um primeiro passo [16]. Os profissionais do ramo (arquitetos e outros projetistas; instaladores) servem de ligação entre os utilizadores e a indústria, pelo que desempenham um papel fundamental neste aspeto [11]. Outra forma de o fazer é promovendo campanhas que incentivem a escolha da energia solar para produção de AQS, que nestes casos terá sempre um longo período até ter uma expressão massificada. Essa consciencialização deve ser efetuada não só nos adultos mas também nas crianças, com vista a melhorar os resultados futuros. Em Portugal predomina uma falta de cultura de manutenção preventiva, isto é, dão-se muitas avarias nos sistemas devido à falta de manutenção, quer originam uma necessidade de substituição rápida dos equipamentos [18]. Nestes casos muitas vezes opta-se pela compra dos equipamentos em stock, que nem sempre são os mais eficientes nem os mais adequados [18].

Para além das barreiras ligadas diretamente ao consumidor há que ter em conta também a posição dos profissionais do ramo. Muitas das vezes há um desconhecimento sobre estas tecnologias que, aliado à falta de formação e experiência fazem com que estes não se sintam motivados para recomendar a aplicação destes sistemas [11]. É necessário fornecer ferramentas aos profissionais que lhes permitam recomendar medidas de melhoria energética de uma forma rápida, tendo em conta a especificidade de cada imóvel [15]. A inclusão dos conhecimentos básicos sobre o solar térmico na formação normal de profissionais de toda a Europa terá como consequência imediata a eliminação de algumas barreiras que hoje dificultam a sua expansão [11].

No caso concreto dos técnicos instaladores, as Normas ISO 9000 estabelecem uma solução que permite às empresas manterem o seu SGaQ (Sistema de Garantia de Qualidade), que na prática significa apenas que os serviços prestados cumprem os procedimentos de trabalho que a própria empresa fixou, o que por si só não garante qualidade das instalações [12]. A realidade é que muitos

instaladores raramente propõem soluções inovadoras e muitas vezes não são suficientemente competentes para prestar assistência técnica pós-venda qualificada [12].

Relativamente aos fabricantes dos componentes destes sistemas, por vezes há falta de informação sobre o desempenho energético e ambiental dos equipamentos e soluções que estes fabricam [18]. Existem ainda caso em que os resultados são manipulados em beneficiação própria, para que os seus produtos sejam mais atrativos [18]. Devem-se usar tecnologias com melhor relação preço/eficiência disponíveis no mercado, para conseguir uma poupança significativa a recuperar o investimento em poucos anos. É necessário apoiar a investigação para o desenvolvimento de sistemas e equipamentos que sejam energeticamente mais eficientes, que tenham custos inferiores ou que proporcionem um menor tempo de recuperação do investimento inicial (exemplo: coletores que funcionem nas gamas média e alta de temperaturas, isto é acima do 90ºC; tecnologia para armazenamento de energia [10]). No caso dos projetistas, os seus honorários não têm acompanhado o grau de pormenorização, exigência e responsabilidade que são cada vez maiores [9] e [14]. Os sistemas de coletores solares, à semelhança de muitas áreas da engenharia, são projetados recorrendo a simulações, com base em suposições e na atribuição de valores numéricos médios a alguns parâmetros fundamentais. Só há certeza que essas simulações são realistas depois dos primeiros testes e monitorizações com os edifícios em funcionamento [9]. Também o cálculo do período de retorno acarreta algumas dificuldades: por um lado é necessário fazer uma previsão dos consumos, recorrendo-se a padrões de consumo standardizados que muitas vezes não refletem o padrão real; por outro lado há também as oscilações dos tarifários elétricos [9]. Estes dois aspetos podem induzir em erro quando se pretende calcular quanto se vai gastar, pondo em causa a veracidade do cálculo do período de retorno. Portanto, deve-se sempre confrontar os dados medidos no edifício em utilização com as previsões e utilizar os resultados para melhorar as metodologias de cálculo e previsão [10]. Tudo isto pode levar a que sejam cometidos alguns erros na fase de dimensionamento e conceção, o que poderá levar a um mau funcionamento destes sistemas. Além disso, a tendência geral dos projetistas é de se encostarem aos valores mínimos da legislação [15]. Esta atitude não é a mais correta, uma vez que os edifícios licenciados hoje só serão construídos amanhã e quando se iniciar a sua utilização poderão ter já desempenhos abaixo dos mínimos legais dessa data, apesar de continuarem legais, visto que cumpriam os padrões do momento em que foi licenciado [15]. Portanto a regulamentação varia ao longo do tempo, o que exige especial atenção por parte dos projetistas, de forme a manterem-se sempre atualizados. Acresce ainda que, muitas vezes, a falta de tempo para a execução leva a que não tenham oportunidade de estudar e tentar técnico-economicamente outras soluções [14]. É importante que os projetistas olhem para os procedimentos/ regras de eficiência energética, aproveitando ao máximo as fontes de energia renováveis disponíveis localmente.

Na Europa, cerca de 12% do património edificado são edifícios públicos [15] e [16]. Portanto, também o Estado deve dar o exemplo e, no âmbito energético, investir na energia solar, reduzindo a sua fatura energética, à semelhança dos particulares. No entanto, isso nem sempre tem acontecido e o Estado, por vezes, não tem cumprido com as suas obrigações.

As exigências são cada vez mais e a nossa capacidade de resposta não consegue acompanhar esse ritmo [18].Passámos de uma situação de ausência de regras para um rigor considerado por muitos como excessivo [18]. É necessário ponderar as decisões, ouvir os diversos intervenientes e corrigir o que for necessário [18]. É também importante monitorizar o desempenho dos sistemas para avaliar o impacto após execução do projeto e criar um observatório de desempenho energético-ambiental (à semelhança do que aconteceu na Expo 98 e que teve ótimos resultados [8]) para ajudar a analisar se estamos ou não no bom caminho.

É importante entrar em contacto direto com a população para perceber quais as razões que as levam a não adotar estes sistemas e eventualmente encontrar soluções para resolver essas questões. No mesmo inquérito referido em 1.1, foram também referidas alguns entraves à aquisição de equipamentos para produção de energia renovável. Os três principais são os seguintes: elevado preço de venda (35%); falta de condições financeiras (20%); falta de condições na habitação (20%) [8]. Destaca-se a vertente económica que, direta ou indiretamente, está inerente a todas as razões referidas. No entanto, 28% dos inquiridos admitem a possibilidade de recorrer a créditos para aquisição destes sistemas [8].

Á semelhança de 1.1, estas são as barreiras mais vezes referidas. No final deste trabalho será possível atestar ou, pelo contrário, negar a validade destes aspetos.

1.3.OBJETIVOS DO TRABALHO

Os principais objetivos deste trabalho são os seguintes: 1- Descrever o mercado do solar térmico;

2- Explicar, resumidamente, o funcionamento dos sistemas de coletores solares térmicos para produção de AQS;

3- Conceber e dimensionar um sistema de coletores solares para produção de AQS para um edifício atualmente em funcionamento;

4- Analisar a razoabilidade deste tipo de investimento para o caso de estudo (especial relevo para o cálculo do período de retorno do investimento);

5- Fazer um estudo de sensibilidade, fazendo variar os parâmetros localização e perfil de consumo.

Tem particular destaque os objetivos 3,4 e 5. Envolve todos os procedimentos necessários, desde a conceção, dimensionamento, medições e elaboração de desenhos (gerais e de pormenor). Será também importante uma avaliação técnico-económica, que engloba uma quantificação do período de retorno do investimento neste sistema, para se concluir se é rentável ou não.

1.4.ESTRUTURA DO TRABALHO

Este trabalho está dividido em sete capítulos.

A parte inicial consiste numa introdução, onde se apresentam, por um lado razões para aderir e por outro os entraves que muitas vezes motivam as pessoas para a não adesão a estes sistemas de coletores solares.

De seguida faz-se uma breve descrição do mercado dos coletores solares, inicialmente de uma forma mais global (a nível Europeu) e de seguida nos casos concretos de Portugal e Espanha. Para estes dois países será feita também uma descrição dos sistemas de incentivos adotados.

Segue-se o 3º capítulo onde é explicado o funcionamento destes sistemas de produção de AQS e se faz uma listagem dos coletores que podem ser utilizados em Portugal, isto é, que estão devidamente certificados.

No capítulo seguinte descreve-se detalhadamente a metodologia de quantificação de energia recorrendo ao software Solterm (INETI), que é o programa que a legislação (RCCTE) obriga.

O 5º Capítulo é integralmente dedicado a um caso de estudo prático, onde se realiza a conceção e dimensionamento de um sistema de coletores solares para produção de AQS para uma moradia

unifamiliar existente. É feita uma descrição do edifício, do sistema adotado e dos trabalhos a executar. É dado uma importância especial à escolha do coletor solar adequado e à análise técnico-económica do dito sistema.

Segue-se um estudo de sensibilidade. Partindo de coletores fictícios com 4 m2 de área de abertura (restantes características iguais às dos coletores planos existentes no mercado) e recorrendo novamente ao Solterm, analisam-se as diferenças de eficácia em todas as capitais de distrito para três padrões de consumo diferentes.

2

MERCADO DO SOLAR TÉRMICO

2.1.MERCADO EUROPEU

Segundo um estudo da The Pew Charitable Trusts, no ano de 2010 o investimento mundial em energias limpas foi de cerca de 171500 milhões de euros [16]. O país líder foi a China, com um total de cerca de 38000 milhões de euros, valor semelhante ao atingido em 2004 [16]. Isto correspondeu a uma evolução positiva de cerca de 39% relativamente ao ano anterior (2009) [16]. Outros países obtiveram também resultados bastante positivos, dos quais se destacam Alemanha, Itália, Índia e Estados Unidos da América. A Alemanha ocupou o segundo lugar da lista de países mais atrativos para investimentos em energias limpas, com um total de cerca de 29000 milhões de euros [16]. Os Estado Unidos da América (EUA) aparecem em terceiro lugar (caiu uma posição em relação ao ano anterior) com um volume de investimentos de cerca de 23900 milhões de euros [16]. A nível continental, foi a Europa que obteve melhores resultados, com mais de 66600 milhões de euros 16]. O mercado das energias limpas tem-se destacado desde 2004, com um crescimento de cerca de 630% em termos de investimento [16]. Para isso, muito têm contribuído as políticas nacionais de alguns países como a China, Alemanha e Índia que apoiam normas para as energias renováveis, metas para a redução das emissões de CO2, e/ou incentivos para investimentos e produção que crie uma certeza de longo prazo aos investidores.

No ano de 2011, houve algumas alterações. O volume de investimento mundial cresceu cerca de 6,5%, que corresponde a um valor recorde de cerca 199000milhões de euros. Neste ano, este domínio foi liderado pelos EUA (cerca de 36500milhões de euros), seguindo-se a China (cerca de 34600 milhões de euros) e a Alemanha (cerca de 23200milhões de euros). Também a Itália, Reino Unido e Índia se destacam com resultados bastante positivos. A capacidade instalada de energias renováveis atingiu os 83,5 GW, destacando-se a energia solar com 30GW e a eólica com 43GW. O maior investimento foi na energia solar, que corresponde a cerca de 44% do total. Um dos motivos que levou a este valor poderá ter sido a queda acentuado nos preços dos módulos solares fotovoltaicos.

Relativamente ao primeiro trimestre deste ano (2012), o investimento foi de cerca de 20500 milhões de euros, menos 28% comparativamente aos últimos meses de 2011 e menos 22% relativamente ao mesmo período do ano passado.

Analise-se agora o caso concreto do mercado solar térmico, dominado pela China. Em 2007 existiam 28,4 milhões de m2 em todo o mundo. Os fabricantes europeus, apesar da sua liderança tecnológica, têm dificuldade em competir com países como a China, Índia ou Turquia, devido aos custos que são bastante inferiores nestes países. Na Europa o mercado é bastante irregular, com um grande

desequilíbrio entre alguns países líderes com mercados muito desenvolvidos e uma grande maioria com um desenvolvimento muito lento.

O ano de 2008 foi muito importante para o solar térmico europeu, pois verificou-se um grande desenvolvimento deste mercado, onde as soluções de aquecimento e arrefecimento com energia solar térmica ganharam terreno em muitos países face às outras alternativas [11]. Registou-se um crescimento de cerca de 60%, atingindo-se um valor de 4750000 m2 de área de coletor nova aplicada [11]. O mercado alemão mais do que duplicou os seus valores e o austríaco cresceu cerca de 24% [11]. Para além destes dois mercados que pareciam estar em alta, também nos mercados mais pequenos se verificou um forte crescimento. No quadro 1, representa-se a evolução dos cinco principais mercados a nível europeu.

Quadro 1 – Evolução percentual dos cinco principais mercados a nível europeu em 2008 face ao ano anterior

Mercado Crescimento relativamente a 2007 (%)

Alemanha 120

Espanha 58

Itália 28

França 18

Áustria 24

Portanto todos os principais mercados tiveram uma evolução muito positiva no ano de 2008.

No quadro 2 podem observar-se os valores das quotas de mercado da União Europeia e no gráfico da figura 2 pode-se ter uma melhor perceção das diferenças entre elas.

Quadro 2 – Quota de alguns países no mercado de solar térmico da União Europeia [11]

Mercado Quota do mercado da UE (%)

Alemanha 44 Espanha 9 Itália 9 França 8 Áustria 7 Grécia 6 Polónia 2 Bélgica 2 Portugal 2 Suíça 2

Reino Unido 2

Chipre 2

Outros 5

Fig.2 – Quota de alguns países no mercado de solar térmico da União Europeia [11]

Portanto, conclui-se que os seis maiores mercados englobam cerca de 84% do mercado do solar térmico total da União Europeia. Estes países representam cerca de 54% da população e 61% do PIB europeu [11].

Nos anos seguintes a Europa, de uma maneira geral, sofreu uma quebra dos investimentos no solar térmico, com os mercados a retraírem-se e o volume total anual europeu de vendas a diminuir.

No ano de 2011 verificou-se uma certa estabilização, deixando o mercado do solar térmico europeu de ter uma curva descendente, e conseguindo um volume de investimento de cerca de 2600 milhões de euros e empregando cerca de 32000 pessoas [24]. Destaca-se a Alemanha na vanguarda e o crescimento da Polónia que passou a fazer parte dos principais países europeus neste mercado, com um valor superior a 200000m2 de nova área instalada anual [24]. Apesar disso é necessário que as empresas desenvolvam novos segmentos de mercado e melhorem a competitividade de preços para que se verifique um crescimento progressivo. Os governos podem ter um papel fundamental se tomarem as medidas certas para aproveitar o máximo possível potencial de energia solar e tentar cumprir as metas propostas para 2020. Por outro lado, no sul da Europa têm-se registado algumas dificuldades em alguns mercados que, apesar promissores e com elevadas potencialidades (como o português, espanhol e italiano) não têm evoluído de acordo com o esperado, isto é, estagnaram e/ou tiveram mesmo algumas quebras [24]. Excetua-se o caso da Grécia, que registou uma subida ligeira [24].

2.2.MERCADO PORTUGUÊS

Em Portugal, a legislação obriga a instalação de painéis solares térmicos e valoriza a utilização de outras fontes de energia renovável, através do disposto no Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos Edifícios (RCCTE), aprovado pelo Decreto-Lei 80/2006 de 4 de Abril. Com este documento pretende-se melhorar o conforto térmico dos edifícios de habitação e de pequenos edifícios de serviços sem sistemas de climatização. A nível de consumo energético, impõe limites para climatização e produção de AQS, promovendo a utilização de sistemas eficientes e de fontes energéticas com menor impacte no que toca à energia primária, como é o caso dos sistemas de coletores solares.

A criação de incentivos económicos para a aplicação deste tipo de sistemas por parte do estado é uma grande ajuda e de certa forma uma boa forma de cativar a população para a sua aplicação nas habitações. Isto tem acontecido em Portugal.

O mais recente, no caso de habitações, é a Medida Solar Térmico 2009 (MST 2009), resultante de um trabalho conjunto do Ministério da Economia e da Inovação (MEI) e do Ministério das Finanças e da Administração Pública, que decorreu entre Março e Dezembro de 2009, sendo a data limite para instalação alargada até dia 30 de Junho de 2010. É uma solução “chave-na-mão” dirigida inicialmente apenas a consumidores particulares, tendo sido durante o período acima referido alargada a instituições particulares de solidariedade social (IPSS) e associações desportivas com utilidade pública (ADUP).

A adesão a este programa permite obter um desconto de 50% no ato de aquisição destes sistemas de coletores solares. Para além disso, os compradores tem direito a benefícios fiscais de 30% no IRS de 2009, com um limite máximo de 796€, cumulativo com outros benefícios anteriores que o comprador possua (ex. crédito habitação), se não forem considerados custos de categoria B (rendimentos empresariais e profissionais). É também importante salientar que, de acordo com a Lei nº 109-B/2001, de 27 de Dezembro, os equipamentos utilizados para captação e aproveitamento da energia solar estavam sujeitos a uma taxa de IVA de 13%.

Inclui também manutenção anual gratuita durante um período de 6 anos, realizada por técnicos credenciados, com o objetivo de manter um desempenho eficiente durante o período de vida útil dos equipamentos (cerca de 20 anos). A falta de manutenção provoca a redução da garantia para 2 anos. Cada operação de manutenção inclui as seguintes tarefas [28]:

- Limpeza dos coletores; - Verificação do circulador;

- Afinação do caudal e pressão do circuito solar; . - Verificação do vaso de expansão;

- Ajuste de pré-carga (se necessário);

- Verificação da concentração de fluido anti-gelo; - Verificação do Ph do fluido anti-gelo;

- Verificação do estado da estrutura;

- Verificação dos elementos de segurança dos coletores e grupo de circulação; - Verificação das sondas de temperatura da instalação e do coletor;

- Verificação visual do depósito instalado (AQS); - Verificação do ânodo de magnésio do depósito (AQS) - Verificação da válvula de segurança (AQS);

- Renovação, se necessário, do líquido solar no circuito ou reposição da pressão no circuito fechado;

- Purgar coletores e grupo de circulação;

- Verificação do bom funcionamento de relógios, termóstatos e programadores; - Mão-de-obra necessária à substituição de peças;

- Fornecimento de juntas, se for necessário devido às operações de manutenção; - Inspeção visual da instalação solar.

Prevê-se que, em média, o tempo de retorno do investimento inicial seja de 5 a 7 anos sem os incentivos acima descritos e de 4 a 6 anos com esses mesmos incentivos. No final deste trabalho será possível concluir se estes valores são ou não realistas. Analisando apenas os dados referentes a habitações, o balanço final deste programa é muito positivo. Foram aplicados 49580 sistemas de coletores solares em Portugal ao abrigo deste programa. No quadro 3 pode-se visualizar a sua distribuição por região em Portugal.

Quadro 3 – Distribuição de sistemas de coletores solares instalados em 2009 [27]

Localização Particulares IPSS/ADUP Total

Açores 285 2 287 Aveiro 447 43 490 Beja 1768 20 1788 Braga 2273 49 2322 Bragança 594 21 615 Castelo Branco 2149 30 2179 Coimbra 4294 57 4351 Évora 1913 19 1932 Faro 3135 19 3154 Guarda 904 18 922 Leiria 3071 49 3120 Lisboa 5376 76 5452 Madeira 3165 4 3169 Portalegre 966 17 983 Porto 4455 42 4497 Santarém 4025 40 4065 Setúbal 3846 18 3864 Viana do Castelo 942 7 949 Vila Real 388 27 415 Viseu 1584 20 1604 TOTAL 49580 578 50158

A que teve maior adesão foi Lisboa com 5452 sistemas e a menor foi nos Açores, com apenas 287. Destacam-se também pela positiva Coimbra, Porto e Santarém, com resultados acima dos 4000 e pela negativa Aveiro e Vila Real, com resultados abaixo dos 500. Importa salientar que esta análise foi feita tendo com base apenas em valores absolutos, não tendo em conta, portanto, outros fatores como a dimensão da região, o número de habitações existentes ou o número de sistemas já anteriormente aplicados.

No total foram então instalados 50158 sistemas de coletores solares, que se traduz por uma área de 197730 m2, valor superior aos 174392 m2 estimados pela APISOLAR (Agência Portuguesa da Indústria Solar) a 1 de Fevereiro de 2009. A evolução da área de coletores solares aplicados anualmente entre 2003 e 2011 é facilmente percetível através do gráfico da figura 3.

Fig.3 – Evolução da área anual de coletores solares aplicados em Portugal (entre 2003 e 2011) [26]; [29] e [30]

Da sua análise verifica-se que desde 2003 verificou-se progressivamente um aumento da aplicação de sistemas solares térmicos até 2009, ano em que se obteve um valor recorde (197730 m2). Salienta-se a grande evolução visível de 2008 para 2009, com um aumento de cerca de 128%. Estima-se que cerca de 52% da área total implantada em 2009 se deveu à Medida Solar Térmico 2009. Nos dois anos seguintes (2010 e 2011) verificou-se uma quebra neste mercado.

Em 2010 o único incentivo foi a Medida Solar Térmico 2010, que abrangia apenas as PME, IPSS e ADUP, sendo portanto excluído o tão importante sector habitacional.

Em 2011 não houve qualquer tipo de incentivos à aplicação de sistemas de coletores solares em habitações, nem estão disponibilizados dados relativamente ao número/áreas de coletores aplicados. Para 2012, à semelhança dos dois anos anteriores, não estão previstas ainda medida de apoio. Além disso, a taxa de IVA em vigor aumentou 10%, passando a ser de 23%. O país está a atravessar um mau momento económico, o que provoca uma diminuição do dinheiro disponível para este investimento. Portanto, poderá ser previsível uma diminuição dos números acima expostos para o ano em curso.

2.3.MERCADO ESPANHOL

A Espanha tem também metas que se propôs a cumprir na União Europeia. Um delas é a redução em 20% do seu consumo energético [18]. Para isso está a atuar em sete frentes: indústria, transportes, edifícios e equipamentos, serviços públicos, agricultura e pesca e cogeração [18]. É fulcral uma melhoria da eficiência energética dos edifícios, tanto na nova construção como na reabilitação. Para isso é muito importante o Plano de Acção para a Eficiência Energética (PAEE), em vigor até 2020, ano em que se espera que as medidas tomadas no património edificado sejam responsáveis pela poupança de cerca de2772ktep de energia final e aproximadamente 11648ktCO2 [18]. No total prevê-se que prevê-se vai evitar a importação de 965 milhões de barris de petróleo (cerca de 78687 milhões de euros), contribuindo para reduzir as emissões de CO2 em cerca de 400 milhões de toneladas [18]. Em 2010, antes da entrada em vigor do PAEE, o sector dos edifícios e equipamentos era responsável por cerca 26,1% do consumo total nacional de energia, sendo que 17,5% dizem respeito a edifícios de uso doméstico e os restantes 8,6% a edifícios de serviços [18]. No quadro 4, observa-se a distribuição percentual dos consumos energéticos pelas principais atividades no caso do sector dos edifícios e equipamentos e no sector doméstico.

Quadro 4 – Distribuição do consumo energético nos sectores dos edifícios e equipamentos e doméstico [18]

Atividade Edifícios e equipamentos (%) Doméstico (%)

Aquecimento 42,5 47,0

AQS 19,6 27,4

Equipamentos 19,4 20,6

Iluminação 9,6 3,9

Arrefecimento 8,9 1,1

Portanto verifica-se que o maior consumo energético diz respeito ao aquecimento e o menor ao arrefecimento. É importante salientar também que a produção de AQS é causadora também de uma percentagem significativa de consumo e, portanto, uma área de atuação a considerar para a aplicação de energias renováveis.

Em Espanha, tal como em Portugal, também é obrigatória a aplicação sistemas de coletores solares térmicos para produção de AQS nos edifícios novos e reabilitados, de acordo com o disposto no Código Técnico de la Edificación (CTE), aprovado em 2006 (Real Decreto 314/2006). As exigências de energia solar para aquecimento de água estão descritas na secção “HE4 – Contribución solar mínima de agua caliente sanitária”, que pode variar entre os 30% e os 70%, em função do volume diário da procura e da zona climática em questão [13]. Do trabalho conjunto entre IDAE (Instituto para la Diversificatión e Ahorro de la Energía) e ASIT ( Associación Solar de la Industria Térmica) resultou o CHEQ4, um programa informático disponibilizado gratuitamente, que permite verificar o cumprimento do disposto no HE4.

É importante também o procedimento básico para a certificação energética de novos edifícios (2007) e o Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios (RITE) aprovado em 2007 [18]. Todos estes regulamentos sofrem revisões/alterações para acompanharem a evolução da necessidades, atualizando-se assim os requisitos mínimos, cada vez mais exigentes.

Os edifícios construídos antes da aplicação do CTE, têm maioritariamente classificações entre as classes E e F [18]. Só a partir de 2007 se começou e evoluir, embora que lentamente para melhores classificações [18]. Para isso são importantes as medidas para a redução das necessidades energéticas em termos de aquecimento e arrefecimento [18]. Para a nova construção prevê-se a promoção de edifícios com elevada classificação energética.

A instalação de sistemas que utilizem a energia solar para produção de AQS é um importante passo neste sentido. Para isso é necessário a aplicação de mecanismos de atuação regulamentares, incentivos económicos, formação para profissionais e de divulgação de informação.

Numa tentativa de incrementar a instalação destes sistemas têm sido criados vários programas com metas a atingir e incentivos para que isso seja possível. Dois exemplos disso são o Plan de Energías Renovables (PER) 2005-2010 e o Plan de Energías Renovables 2011-2020. Este último foi aprovado em 11 de Novembro de 2011 e encontra-se atualmente em vigor, substituindo o anterior. Pretende-se com isto a criação de um sistema de retribuição da energia produzida, com base em incentivos ao calor renovável (chamado ICAREN), o favorecimento da penetração da energia solar térmica nos modelos de venda de energia através das ESCO (Empresas de serviços energéticos) e o fortalecimento da investigação e desenvolvimento no sector [17] e [18]. Um dos objetivos deste mecanismo é o de incentivar o investimento privado, fazendo com que seja mais importante que as ajudas públicas, aumentando assim a independência em relação às ajudas públicas nas principais vertentes do solar térmico: produção de AQS, climatização e processos industriais [17] e [18]. Desta forma estimula-se simultaneamente a eficiência e a rentabilização energética do investimento, gerando a confiança no investidor, criando um quadro estável e a longo prazo para grandes utilizadores, produtores e promotores de energia térmica, instaladores e fabricantes de solar térmico e entidades bancárias [17] e [18].

Esta política de incentivos rege-se segundo moldes bastante diferentes do caso português. Consiste num sistema de apoio ao kwh gerado pelo solar térmico durante um intervalo de tempo limitado até se tornar competitivo no mix energético [17]. Comparativamente ao sistema habitual de apoio ao m2 de coletor instalado, implicará uma maior eficiência das instalações [17]. Trata-se portanto de um sistema de apoio direto à produção que implica a existência de um produtor que fornece/transmite energia a um consumidor, realizando uma atividade económica [17]. Esse produtor é uma ESCO que fatura maioritariamente em função da produção/consumo da instalação e terá direito a receber um incentivo que se determine pelo fornecimento de energia aos utilizadores, conforme o disposto na norma correspondente e nos regulamentos térmicos que se estabeleçam [17]. Portanto esse incentivo tem em consideração e varia de acordo com a energia fornecida/faturada pelas ESCO aos utilizadores [17]. Essa ESCO é escolhido no âmbito do ICAREN, e deve receber de forma a que se torne economicamente viável a sua atividade e possibilite uma certa poupança aos utentes[17]. Os incentivos serão calculados considerando que esse incentivo adicionado de um preço energético de referência serão suficientes para desenvolver uma atividade fazendo frente aos custos de amortização e financiamento, operação e manutenção, gastos gerais e benefícios industriais e, se for o caso, combustível [17]. Tanto o valor do incentivo como do preço energético de referência serão atualizados quando adequado, sendo que o primeiro foi pensado para ter uma duração máxima de 10 anos [17]. Antes da entrada em vigor do PER 2011-2020 e portanto antes também da utilização do sistema de incentivos acima descrito, a situação para a indústria do solar térmico era preocupante. Após um período com um crescimento médio anual exponencial de cerca de 63% entre 2005 e 2008 ano em que se aplicaram 465.000m2 (valor recorde em Espanha), surge um período com um declíneo anual de cerca de 14% em dois anos consecutivos (2009 e 2010) e de 21% em 2011, conforme se pode observar no gráfico da figura 4 [13] ; [16] e [25].

Fig.4 – Evolução do solar térmico em Espanha entre 2005 e 2011 [13]; [16] e [25]

Portanto, em 2010 o valor total de área de coletores solares térmicos instalada era de cerca de 2.460.500m2 (menos de 50% do objetivo defino no PER 2005-2010, que era de 4.900.000m [18])e em 2011 era 2.736.090 m2, valor ligeiramente superior. Daqui resultam previsões negativas, e consequentemente conclui-se que há uma necessidade de mudança. Com as medidas contempladas no PER 2011-2020 espera-se contrariar esta tendência. Para isso será importantíssimo o sucesso do sistema de incentivos acima descrito e das imposições do CTE.

No quadro 5 apresentam-se razões que motivaram à implantação de sistemas de coletores solares em Espanha entre 2005 e 2010.

Quadro 5 – Motivos para implantação de sistemas solares térmicos entre 2005 e 2010 [18] e [13]

Ano Ajudas (%) CTE (%) Outros (%)

2005 90 - 10 2006 60 - 40 2007 30 25 45 2008 23 72 5 2009 17 83 0 2010 15 83 2

Verifica-se uma diminuição progressiva da influência das ajudas na opção por sistemas de coletores solares. De facto, tem havido uma diminuição dos fundos dos programas de incentivo promovidas pela administração espanhola e, como tal, esta passa a ser uma razão com um peso cada vez menor na

tomada de decisão dos utilizadores. Relativamente ao CTE, só foi aplicado em 2007 pelo que este foi o primeiro ano em que este teve influência (25%) e o seu peso aumentou nos anos seguintes, estagnando em 83% em 2009 e 2010. Portanto, desde 2008 que a grande fatia das instalações de solar térmico acontece devido à imposição do CTE, o que faz com que haja uma relação direta entre o sector da construção e o crescimento do mercado do solar térmico. A Espanha foi um dos países europeus onde a crise económica teve maiores consequências (retracção dos mercados, encerramento de empresas, aumento da taxa de desemprego, etc) e o sector da construção foi dos mais afetados, com uma enorme quebra de vendas, arrastando consigo outros mercados como é o caso do solar térmico [13]. Por exemplo, em 2008 foram construídos cerca de 560.000 novos edifícios e em 2009 apenas 150.000, facto que se repercutiu na área de coletores solares instalada nestes dois anos cujos valores são de 465.00 e 402.000 respetivamente, conforme de pode ver na figura 4 [13]. Portanto, se por um lado a obrigação de utilizar coletores solares em edifícios novos definida no CTE é positiva porque faz com que sejam aplicados em edifícios que doutra forma não seriam, por outro lado causa uma certa dependência do volume de edifícios construídos.

Segundo a ASIT, seria importante a criação de um Marco Regulatório para o sector da construção que promova o investimento privado, fazendo com que seja mais importante que as ajudas públicas[13]. Para aumentar os números de energia solar térmica utilizada seria importante incentivar novas construções e reabilitações e o aumento da eficiência energética dos edifícios existentes, recorrendo ao solar térmico. Além disso, salienta-se a necessidade da criação de sistemas de inspeção e controlo do cumprimento do CTE relativamente às instalações solares térmicas (dimensionamento, execução, exceções previstas). Seria também importante a obrigação de instalar sistemas de monitorização e gestão.

2.4.SÍNTESE DA INFORMAÇÃO OBTIDA

Neste capítulo foi realizado um estudo do mercado do solar térmico. Segue-se uma síntese das principais informações/conclusões obtidas:

- Mercado europeu bastante heterogéneo: países com elevada quota e outros, pelo contrário, muito pouco desenvolvidos;

- Crescimento irregular do mercado: fases de grande crescimento, seguido de um declínio e com tendência a estagnar;

- Alemanha é o país europeu com maior peso no mercado;

- Em Portugal e Espanha evolução muito dependente do sector da construção que está em crise; - Filosofia de incentivos do Estado variáveis de país para país

3

COLETORES SOLARES

3.1.FUNCIONAMENTO DOS SISTEMAS DE COLETORES SOLARES

Numa análise muito global, estes sistemas de coletores solares em estudo, recebem a luz solar e aproveitam-na para o aquecimento da água utilizada na habitação (AQS). Essa luz é essencialmente de dois tipos: radiação direta e difusa. Este tipo de sistemas são designados por sistemas solares ativos. Existem também sistemas de arquitetura solar passiva, que diz respeito a elementos construtivos (paredes de alvenaria, janelas devidamente orientadas, etc).

Este processo apenas é possível através de um sistema que engloba os seguintes componentes:

- Captador: um ou mais painéis solares, que transformam a radiação solar incidente em energia térmica;

- Permutador (opcional): efetua a transferência da energia térmica captada pelos coletores solares (circuito primário) para a água de consumo.

- Acumulador Solar: Depósito que acumula a água quente até que seja necessária para consumo;

- Circuito hidráulico: tubagens, bombas circuladoras e válvulas;

- Grupo de circulação: incorporado no circuito hidráulico, faz circular o líquido térmico pelos tubos que ligam o painel solar ao depósito acumulador;

- Central de Controlo: Elementos de controlo e regulação que asseguram o correto funcionamento do sistema;

- Apoio Energético: sistemas complementares de aquecimento que apenas são acionados quando as radiações recebidas pelo painel não são suficientes para o nível de aquecimento desejado (exemplo: caldeiras e esquentadores). Geralmente utilizam gás ou eletricidade como fonte calorífera.

Destes destaca-se os painéis solares e o acumulador (ou depósito) pela sua importância para o bom funcionamento do sistema, sendo o primeiro o elemento que geralmente tem maior peso custo de implantação destes sistemas.

O coletor capta a radiação solar e transmite a sua energia a um fluido de transferência. Para isso, possui uma placa absorsora, placa metálica que funciona como um corpo negro e, portanto absorve os raios solares. Esta incorpora um sistema de tubagens que transferem a energia térmica criada para o dito fluído de transferência, que é uma mistura de água com um anticongelante designado por glicol. Na figura 5 é possível visualizar um corte transversal esquemático de um coletor solar e do fluxo de mistura (água + glicol) no seu interior.

Fig.5 – Esboço da constituição (esquerda) e do funcionamento (direita) de um coletor solar térmico [21]

Este líquido é encaminhado em direção ao depósito de acumulação e o calor por si transportado é transferido para água potável existente no dito depósito através de um permutador de calor.

Após este processo, a temperatura do fluido de transferência baixa significativamente e é transportada novamente até ao coletor através de outra conduta para ser novamente aquecida.

Por sua vez, dentro do depósito, a água quente sobe ficando então junto da tomada de água quente e a água fria fica no fundo, junto do local onde se dá o abastecimento de água potável para aquecimento. Portanto, cria-se uma estratificação no interior do depósito e o funcionamento do sistema baseia-se na diferença de temperaturas entre o ponto mais frio do depósito (na base) e a saída dos coletores.

Este ciclo repete-se sempre que essa diferença de temperaturas atinge determinado valor. Num sistema de circulação forçada, este ciclo é acionado por um centro de controlo, que quando se atinge determinada diferença temperatura aciona automaticamente a bomba.

Quando a energia solar captada não é suficiente para elevar a temperatura da água até ao valor pretendido, esse sistema funciona como pré-aquecimento, e água que sai do depósito é aquecida novamente através de meios de apoio até à temperatura pretendida, sendo de seguida encaminhada para os locais de consumo.

Deste modo produz-se água quente sanitária (AQS), pronta a ser utilizada pelos consumidores. Este processo está esquematizado na figura 6.

Fig.6 – Esquema do funcionamento de um sistema de coletores solares num edifício [21]

A quantidade de energia útil absorvida depende da radiação solar incidente nos coletores e da proporção que pode ser utilizada, que por sua vez varia em função da área útil de cada coletor e, portanto, da sua eficiência. Dois fatores que influenciam a insolação são a nebulosidade e a orientação dos painéis solares. Em Portugal, normalmente, obtém-se melhores resultados orientando os coletores para Sul e utilizando uma inclinação próxima da latitude do lugar (em Portugal varia entre cerca de 42º a Norte e 36º a Sul). No hemisfério Sul esta situação é inversa, ou seja, obtém-se melhor aproveitamento se estiverem orientados a Norte.

No entanto, conseguem-se resultados bastante próximos destes orientando os coletores entre Sudeste e Noroeste e inclinando-os cerca de 30º do ângulo ótimo, o que permite alguma flexibilidade.

No caso concreto da produção de AQS, podem-se obter melhores resultados com inclinações próximas da horizontal, uma vez que a radiação disponível no Verão é maior, estação em que o sol está mais alto. No caso concreto da utilização da energia solar para aquecimento do ambiente interior de edifícios, pode ser vantajoso utilizar inclinações próximas da vertical, uma vez que o sol está mais baixo no Inverno.

É economicamente pouco viável fazer um dimensionamento de sistemas de coletores solares para dar resposta a todas as necessidades energéticas anuais, portanto opta-se por um sistema quer cubra parte do consumo e a restante é fornecida por um sistema de apoio que utilize energias convencionais (gás ou eletricidade).