Energias Renováveis e Desenvolvimento Sustentável
Como contribuir para o desenvolvimento sustentável através da utilização de equipamentos e estruturas mais eficientes nas
nossas casas
Equipa MMM523
Bárbara Rodrigues Paulo Correia
Ricardo Carvalho Rui Barros
Rui Ormonde Tiago Ramos
Relatório submetido como componente da avaliação da unidade curricular de Projecto FEUP
Supervisora: Sra. Eng.ª Ana Reis
Monitor: Sílvio Neves
Setembro de 2009
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Resumo
Existem diversas tentativas de resposta aos problemas ambientias e aos problemas inerentes à
eficiência energética das habitações. Com este trabalho conseguiu-se demonstrar que o gás
natural é uma alternativa eficiente à electricidade assim como as lâmpadas fluorescentes
compactas face às tradicionais lâmpadas incandescentes. Existem também estruturas
arquitectónicas como as colunas de água, as paredes de Trombe, as palas de ensombramento
e os green roof que apesar de necessitarem de um investimento inicial aumentam a eficiência
energética da habitação nela instalados.
Agradecimentos
Aos coordenadores e monitores do projecto Sílvio Neves e Eng. Ana Reis, ao Eng. Francisco Pacheco Craveiro por facilitar e auxliar o contacto com a AdEPorto e à Agência Portuguesa do Ambiente pelo fornecimento dos dados relativos às emissões de CO2 por kWh.
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ÍNDICE
Resumo 2
Agradecimentos 2
Introdução 4
Objectivos 4
Metodologia 5
1.Gás natural como alternativa à electricidade nos sistemas de aquecimento 6
2.Arquitectura bio-climática e equipamentos eco-eficientes. 6
2.1.Equipamentos mais eficientes 6
2.1.1.Iluminação artificial 6
2.1.2.Colectores solares para o aquecimento de água 7
2.1.3.Bombas de calor para transferência de energia 7
2.2.Arquitectura solar passiva 7
2.3.Green roofs 8
Resultados e análise 9
1.Gás natural como alternativa à electricidade nos sistemas de aquecimento 9
2.Arquitectura bio-climática e equipamentos eco-eficientes. 10
2.1.Equipamentos mais eficientes 10
2.1.1.Iluminação artificial 10
2.1.2.Colectores solares para o aquecimento de água 11
2.1.3.Bombas de calor para transferência de energia 11
2.2.Arquitectura solar passiva 12
2.3.Green roofs 14
Conclusão 17
Anexos 18
Anexo 1 - Preço do gás em vigor para o ano 2008-209 18
Anexo 2 - Preços e Características dos sitemas de termosifão acopolados a colectores solares 19
Anexo 3 - Comparação entre a necessidade de energia utilizada em ar condicionado em quatro edifícios em Central Park, New York. 19
Anexo 4 – Fotografia térmica onde se vê as perdas de calor num telhado com green roof e num telhado sem green roof. 20
Anexo 5 - Constituição por camadas de um green roof 20
Referências Bibliográficas 21
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INTRODUÇÃO
No âmbito do tema Energias Renováveis e Desenvolvimento Sustentável, atribuído ao
conjunto das equipas MMM521- MMM524 (Engenharia Mecânica, Metalúrgica e de Materiais
e Minas e Geo-Ambiente) do Projecto FEUP, sob orientação da supervisora Sra. Eng.ª Ana Reis
e do monitor Sílvio Neves, foi proposto à equipa MMM523, que abordasse o seguinte
problema:
Como contribuir para o desenvolvimento sustentável através da utilização de
equipamentos mais eficientes nas nossas casas.
Numa tentativa de responder ao problema e tendo em conta a qualidade de vida dos
residentes efectuou-se uma pesquisa sobre as questões do rendimento energético, da
comparação entre as características dos diferentes tipos de lâmpadas, da utilização de
colectores solares para aquecimento de águas sanitárias, do conforto térmico e das soluções
de design para a habitação, nomeadamente a Arquitectura Bio-climática, tendo em conta
conceitos como Arquitectura Solar Passiva, Conforto Térmico e Eficiência Energética e a
implementação de Green Roofs. O trabalho foi organizado segundo esses tópicos para os quais
estabelecemos os seguintes objectivos:
OBJECTIVOS
Identificar os principais sumidouros/consumidores de energia numa habitação familiar
Relacionar o consumo de energia eléctrica ou proveniente de gás natural com as
emissões de CO2 e com custos a que estão associados
Identificar as diversas estruturas/estratégias arquitectónicas que permitam uma
diminuição do consumo energético e consequentemente uma redução na emissão de
gases de efeito de estufa (GEE), assegurando, ao mesmo tempo a qualidade de vida
para os habitantes da casa.
Descobrir alternativas mais eficientes aos equipamentos eléctricos que contribuam
para a sutentabilidade da casa.
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METODOLOGIA
A fim de estudar o consumo eléctrico de um edifício residencial, começou-se por dividir as
áreas de consumo de acordo com os dados fornecidos pela Agência de Energias do Porto
(AdEPorto). Assim, organizaram-se os sectores da seguinte forma:
Águas Quentes Sanitárias (AQS)
Iluminação
Aquecimento Ambiente
Preparação de refeições
Frio doméstico
Outros – restantes equipamentos eléctricos.
Depois de consultar a Matriz energética do Porto, organizou-se os dados relativos ao consumo
energético, de acordo com o seguinte gráfico:
Identificados os sectores de consumo energético, procurou-se descobrir técnicas de
isolamento da habitação, (visto que 51% da energia gasta é utilizada para aquecimento de
água ou ambiente) e alternativas mais eficientes que promovam a sustentabilidade da casa.
Figura 1- Consumo energético nos vários sectores da habitação
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1. GÁS NATURAL COMO ALTERNATIVA À ELECTRICIDADE NOS SISTEMAS DE
AQUECIMENTO
Como alternativa à energia eléctrica, decidiu-se comparar os custos e as emissões de
CO2 para ambos os sistemas. Nestes cálculos, teve-se apenas em conta o preço médio
da energia eléctrica e o preço do gás natural EDP consoante a sua ordem de consumo
anual. Não se considerou portanto os custos de manutenção ou de instalação dos
sistemas nem o rendimento a que os diversos equipamentos podem estar associados.
1.1. Preço médio da energia eléctrica final – 0,1345€/kWh (fonte: A Entidade
Reguladora dos Serviços Energéticos ("ERSE"))
1.2. Factor de emissão de CO2 relativo à produção de energia eléctrica para o
ano de 2007 – 0,369 kg/kWh (fonte: Inventário Nacional de Emissões
Antropogénicas por Fontes e Remoção por Sumidouros de Poluentes
Atmosféricos (INERPA),APA,2009)
1.3. Factor de emissão de CO2 para o gás natural – 0,201 kgCO2/kWh (fonte:
AdePorto)
1.4. Preço do gás para cada escalão de consumo – Anexo1 (fonte: EDP Gás)
Com base nestes dados calculou-se as emissões de CO2, em kg, efectuando o produto
entre os factores de emissão e o gasto de energia em kWh. O custo foi calculado pelo
produto entre o preço médio da energia por kWh e o gasto de energia em kWh.
2. ARQUITECTURA BIO-CLIMÁTICA E EQUIPAMENTOS ECO-EFICIENTES
Na tentativa de aumentar a eficiência da habitação realizou-se uma pesquisa na área
da arquitectura bio-climática que engloba as especificações de estruturas que
promovam esse aumento de eficiência assim como a utilização de equipamentos e
materiais mais eficientes.
2.1. EQUIPAMENTOS MAIS EFICIENTES
2.1.1. ILUMINAÇÃO ARTIFICIAL.
Na tentativa de aumentar a eficiência dos sistemas de iluminação
comparamos os custos, as emissões de CO2 e o tempo de vida entre as
lâmpadas incandescentes e as lâmpadas fluorescentes compactas. Sabendo à
partida que apenas 5% da energia consumida por uma lâmpada
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incandescente é util sendo a restande dissipada como forma de calor (fonte:
Agência de Energia do Entre o Douro e o Vouga (EDV)) para verificar as
diferenças a nível de eficiência dos dois tipos de lâmpadas realizou-se um
estudo que engloba um período de 5 anos, com a utilização diária de 4 horas
por dia em que para o mesmo fluxo luminoso (415lm – 480lm) as lâmpadas
apresentam consumos e emissões de CO2 diferentes (fonte: Radium ).
2.1.2. COLECTORES SOLARES PARA O AQUECIMENTO DE ÁGUA.
Tendo em conta que aproximadamente 23% da energia consumida nas
habitações é utilizada para o aquecimento das águas quentes sanitárias
(Matriz energética do Porto), estudou-se as vantagens na instalação de
painéis solares térmicos nas habitações utilizando apenas os sistemas
convencionais de produção de água quente como esquentadores e caldeiras
sanitárias é têve-se em conta os custos da instalação, o tempo necessário
para o retorno do dinheiro investido, o desempenho do sistema que se
reflecte na incidência de radiação solar no país em conta e por fim a redução
de emissões C02.
2.1.3. BOMBAS DE CALOR PARA TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA.
Na tentativa de encontrar soluções ou alternativas ao aquecimento da
casa efectuou-se uma pesquisa acerca das bombas de calor. As bombas de
calor são equipamentos que permitem a transferência de enegia do ar, da
terra ou da água do exterior para o interior ou vice-versa. São equipamentos
com um princípio análogo ao dos frigoríficos mas que permitem o
aquecimento ou refrigeração da habitação.
2.2. ARQUITECTURA SOLAR PASSIVA
Existem diversas técnicas e estruturas que implementadas nas casas
podem diminuir o consumo de energia ao torná-la mais eficiente. Entre elas
fazem parte as colunas de água, as paredes de Trombe, as palas de
ensombramento e as clarabóias. Para cada uma delas procurou-se explicar o
seu funcionamento e área da utilização. É de notar que algumas destas
recentes técnicas eram já usadas nas casas Algarvias, casas térreas com
paredes espessas e brancas no terraço para melhor reflectriem o sol onde
normalmente se secava a fruta e o peixe.
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2.3. GREEN ROOFS
Um green roof, também chamado de living roof, é um tipo de telhado coberto de
vegetação e solo, colocados sobre uma membrana impermeável, podendo
também conter uma barreira contra a penetração das raizes bem como sistemas
de drenagem e irrigação; É uma componente chave de uma construção
autónoma a nível energético. Pode ser instalado em inúmeros tipos de edifícios:
infraestruturas industriais e governamentais, escolas, escritórios, entre outros.
9
RESULTADOS e ANÁLISE
1. Após calcular o consumo e as emissões de CO2 para ambos os sistemas (eléctrico ou a
gás), verificou-se que o gás natural era uma alternativa mais eficiente, uma vez que
admitia um rendimento económico superior e uma taxa de emissões de CO2 inferior à
da electricidade. Os dados foram calculados e organizados nos seguintes gráficos:
Figura 2- Emissões de CO2 associadas à energia eléctrica e ao gás natural
Figura 3- Emissões de CO2 associadas à energia eléctrica e ao gás natural
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2. EQUIPAMENTOS MAIS EFICIENTES
2.1.1. No sistema de iluminação, as lâmpadas fluorescentes compactas também se
mostraram mais eficientes e baratas a longo prazo.
Os resultados do estudo podem ser observados na tabela abaixo que mostra que para duas
lâmpadas de intensidade luminosa aproximada a lâmpada fluorescente compacta, ao fim do
período de estudo, apresenta um consumo e uma emissão de CO2 2,5 e 4,4 vezes menor
respectivamente.
Figura 5- Lâmpada incandescente Figura 4- Lâmpada fluorescente compacta
(Fonte: Botega)
(Fonte: Portalms)
Figura 6- Comparação entre uma lâmpada incandescente e uma lâmpada fluorescente compacta
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2.1.2. Numa família de quatro elementos em Portugal equipadas com um sistema de
2 paineis solares com 2m2 cada e um termoacumulador de 300L para
aquiecimento de águas sanitárias observou-se que o sistema produz 79,53%
da água quente nesta habitação durante um ano inteiro. Para a produção do
resto da água quente é necessário um sistemas convencional, um
esquentador e/ou caldeira. Como já foi calculado anteriormente o gás
natural é uma melhor alternattiva como fonte energética para estes sistema
uma vez que demonstra ser mais ecológico a um preço mais baixo
comparativamente à electricidade.
2.1.3. Como já se referiu, o processo de transferência de energia numa bomba de
calor é feito de forma análoga à de um frigorífico. O sistema é consituído por
dois elementos principais: o compressor e o condensador. O compressor é
responsável por fazer circular um fluído frigorífico a alta pressão e o
condensador por transferir o calor para o sistema de auecimento central. Em
contacto com uma superfície quente o fluído evapora absorvendo energia
que vai transmitir à fonte fria quando se liquefaz. O processo inverso, para
refrigeração, também é possível uma vez que é realizado trabalho eléctrico
sobre o sistema.
Figura 7- Necessidade energética e contributo dos paineis solares com termoacumulador nos diferentes meses do ano.
12
2.2. As colunas de água são colunas que fazem parte da componente estrutural
da casa mas que contêm no seu interior um reservatório de água. A função
da massa de água existente dentro da coluna é a de aumentar a inércia
térmica da componente, o que permite absorver energia durante o dia que
posteriormente irá ser libertada durante a noite contribuíndo para uma
homogeneidade da temperatura interior.
As Paredes de Trombe podem satisfazer até 15% das necessidades de
auecimento da casa, são constituídas por um vão em vidro duplo seguido de
uma caixa de ar e de uma parede de betão com dois orifícios, um em cima e
outro em baixo. Quando os raios do sol atingem a parede de betão
aumentam a sua temperatura. Esta por sua vez aquece o ar dentro da
câmara, limitada pelo vão de vidro, que é transportado por correntes de
convecção transportando energia para o interior da casa. No esquema abaixo
podemos observar a orientação dos raios solares a amarelo e as correntes de
ar geradas pela diferença de temperatura do ar dentro da câmara e dentro
da casa.
Figura 7- Esquema de funcionamento de uma bomba de calor. Fonte: Modernunes
13
As Palas ou lâminas de ensombramento são estruturas instaladas acima das
janelas na face sul da casa que impedem a entrada dos raios solares durante
o verão, quando a sua inclinação é maior, em comparação com o período de
Inverno. A Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto (FEUP) já
possui estas estruturas em algumas das suas janelas e o seu funcionamento
pode ser visualizado através da seguinte imagem:
Figura 8- Esquema de funcionamento de uma parede de Trombe
Figura 9- Esquema de funcionamento de uma pala de ensombramento
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2.3.GREEN ROOFS
CONCEITO:
Um green roof, também chamado de living roof, é um tipo de telhado coberto de vegetação e
solo, colocados sobre uma membrana impermeável, podendo também conter uma barreira
contra a penetração das raizes bem como sistemas de drenagem e irrigação. Pode ser
instalado em imensos tipos de edifícios: infraestruturas industriais e governamentais, escolas,
escritórios, etc, sendo uma componente chave das construções autónomas a nível energético.
FUNCIONAMENTO:
O efeito do green roof produz-se basicamente através de dois processos: o sombreamento e a
evapotranspiração:
SOMBREAMENTO: As plantas impedem a penetração dos raios solares, mantendo o ar
à superfície do telhado mais fresco. Por sua vez, a superfíce, estando mais fresca,
transmite menos calor ao interior da habitação ou deixa de reemitir tanto daquele que
recebe. No Verão somente cerca de 10 a 30% da energia solar atinge a área coberta
por uma árvore. Já no Inverno, dependendo da foliagem, as percentagens ficam entre
10% e 80%. Com efeito, estudos comprovam a redução da temperatura à superfície do
telhado na ordem dos 10ºC-25ºC (por comparação a um telhado convencional). Por
seu turno, o solo que que suporta as plantas já oferece protecção contra o vento e a
radiação ultra-violeta.
EVAPOTRANSPIRAÇÃO: É um processo composto por duas actividades biológicas: a
transpiração, que consiste na absorção de água pelas raízes e sua emissão para a
atmosfera através das folhas e a evaporação, que é a passagem da água do estado
líquido para o gasoso. A evaporação também pode ocorrer no próprio solo.
TIPOS DE GREEN ROOFS:
Existem dois tipos de green roofs, os chamados extensivos e os do tipo intensivo:
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Extensivos: fina camada de solo, pouca ou nenhuma irrigação, ambiente mais inóspito
para as plantas, pouca diversidade na flora
Intensivos: solo mais profundo, condições mais favoráveis para o crescimento de
plantas, muitas vezes acessíveis
CONTEXTUALIZAÇÃO:
O conceito de haver uma cobertura vegetal sobre um telhado não é uma invenção recente.
Com efeito, a utilização mais antiga dos green roofs remonta a vários séculos atrás no norte da
Escandinávia, sendo hoje ainda lá bastante populares. Na década de 60, começaram a ser
utilizados na Alemanha (estima-se que hoje 10% dos telhados das casas alemãs sejam verdes),
tendo a tendência alargado a outros países europeus, aos EUA e ao Canadá.
UTILIDADE/BENEFÍCIO:
Isolamento térmico da casa
Menor consumo energético para refrigeração/aquecimento[1];
Quando molhados, funcionam como armazenadores de calor proveniente do
exterior, o que reduz as flutuações de temperatura no interior; quando secos,
funcionam como isoladores, o que diminui o fluxo de calor pelo telhado;
No Inverno, a capacidade de isolamento permite a retenção de calor no
interior do edifício; no Verão, a evapotranspiração arrefece o ar circundante.
Combate ao efeito de ilha de calor urbana via evapotranspiração (diminuição da
temperatura do ar em redor do green-roof)
Absorção de água das chuvas com possível reutilização, reduzindo o caudal de água
escorrente, o que evita a sobrecarga dos esgotos durante períodos de maior
precipitação:
cerca de 75% da precipitação pode ser retida pela camada vegetativa;
gradualmente, a água regressa à atmosfera através da condensação e
transpiração efectuada pelas plantas[2]
Retenção dos poluentes da chuva no solo;
Contribuição para a melhoria da qualidade do ar[3];
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Possível integração de painéis fotovoltaicos e colectores solares;
Melhor isolamento sonoro;
Criação de habitats nos centros urbanos;
Aumento do período de vida útil do telhado, evitando os gastos de substituições mais
frequentes;
Maior apelo estético
CUSTOS DE INSTALAÇÃO:
Cerca de $ 0,90/m2 para green roofs extensivos e $ 2,25/m2 para os intensivos
Na Alemanha, onde a indústria dos green roofs está mais desenvolvida, os custos
variam de $ 0,72 a $ 1,35/m2
MANUTENÇÃO:
Está comprovado que o tempo de vida útil de um green roof é superior ao de um telhado
convencional. Após o tempo de vida útil de um green roof extensivo, a sua substituição custa
cerca de $ 0,09-$ 0,15/m2, o que é semelhante ao custo de substituição de telhados
convencionais.
[1] "A Canadian study modeled the heating and cooling energy savings of a roughly 32,000-
square foot (2,980 m2) green roof on a one-story commercial building in Toronto. The analysis
estimated that the green roof could save about 6 percent of total cooling and 10 percent of
heating energy usage, respectively, or about 21,000 kWh total. The study noted that the
cooling energy savings would be greater in lower latitudes. For instance, when the authors ran
the same simulation for Santa Barbara, California, the cooling savings increased to 10 percent."
(United States Environmental Protection Agency. 2008)
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[2] "A North Carolina study of actual green roof performance found that test green roofs
reduced runoff from peak rainfall events by more than 75 percent and that the roofs
temporarily stored and then released, through evapotranspiration, more than 60 percent of all
rainfall." (United States Environmental Protection Agency. 2008)
[3] "1 m2 (10.76 ft2) of grass roof can remove up to 2 kg (4.4 lbs) of airborne particulates from
the air every year, depending on foliage type." "Researchers estimate that a 1,000-square foot
(93 m2) green roof can remove about 40 pounds (18 kg) of PM from the air in a year, while
also producing oxygen and removing carbon dioxide (CO2) from the atmosphere. Forty pounds
of PM is roughly how much 15 passenger cars will emit in a year of typical driving." (United
States Environmental Protection Agency. 2008)
CONCLUSÃO
De momento existem diversas técnicas de arquitectura, equipamentos mais eficientes,
conselhos e procedimentos de utilização que optimizam a eficiência da habitação familiar,
tornando-a mais económica a longo prazo e/ou menos poluente
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ANEXOS
Preços gás
Escalão Consumo anual
(m3)
Consumo anual
(kWh)
Energia
(€/kWh)
Escalão 1 0 - 220 0 - 2.420 0,067071
Escalão 2 221 - 500 2.421 - 5.500 0,055984
Escalão 3 501 - 1.000 5.501 - 11.000 0,051147
Escalão 4 1.001 - 10.000 11.001 - 110.000 0,042334
Anexo 1 – Preço do gás em vigor para o ano 2008-209
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Termosifão 200l Termosifão 300l Circulação forçada 300l
Preço equipamento €2.814 €3.648 €4.966
Comparticipação do Estado
€1.641,70
Investimento (IVA incluído)
€1.172,30 €2.006,30 €3.324,30
Prestação mensal €18,99 €31,53 €51,35
TAEG 5,3% 4,2% 3,6%
Destinatários 1/3 pessoas: Instalação
exterior 4/6 pessoas: Instalação
Exterior 4/6 pessoas: Instalação
interior e exterior
Características técnicas
TS 200 – 1 colector com capacidade total de 200l
Módulo Solar Universal – Interligação com sistema
de apoio existente
TS 300 – 2 colectores solares com capacidade
total de 300l
Módulo Solar Universal – Interligação com sistema de apoio
existente
Sistema forçado – 2 colectores com capacidade
total de 300l
Módulo Solar Universal – Integração com sitema de
apoio existente
Anexo 2 – Preços e Características dos sitemas de termosifão acopolados a colectores solares.
Anexo 3 – Comparação entre a necessidade de energia utilizada em ar condicionado em quatro edifícios em Central
Park, New York.
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Anexo 4 – Fotografia térmica onde se vê as perdas de calor num telhado com green roof e num telhado sem green
roof.
Anexo 5 - Constituição por camadas de um green roof
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
AdEPorto, agência de energia do porto, Edificios Saudáveis Consultores, Lda,TRENMO.
2008 Matriz Energética do Porto. Câmara Municipal do Porto Edições
Peck, Steven. Khun, Monica. 2003. Design guidelines for green roofs. Sem local:
Canada Mortage and Housing Company. Disponível da Internet via:
http://www.cmhc.ca/en/inpr/bude/himu/coedar/loader.cfm?url=/commonspot/secur
ity/getfile.cfm&PageID=70146. (Accessed October 23, 2009);
United States Environmental Protection Agency. 2008. Climate Protection Partnership
Division. Reducing Urban Heat Islands: Compendium of Strategies. Sem local: US EPA.
Disponível da Internet via:
http://www.epa.gov/heatisland/resources/pdf/GreenRoofsCompendium.pdf.
(Accessed October 23, 2009);
Wikipedia. 2009. Green roof. http://en.wikipedia.org/wiki/Green_roof.
US Department of Energy – Energy Efficiency & Renewable Energy. 2009; Disponível da
Internet via: http://www.energysavers.gov. (Accessed October 23, 2009);
Heartland Builders. 2009. Green Building Methods.
http://www.heartlandbuildersllc.com/green_building.htm. (Accessed October 23,
2009);
Empresa Habitarmonia – bioarquitectura, projectos e consultoria – Pela Natureza.
2009.Disponível da Internet via: http://pelanatureza.pt/empresas/habitarmonia-bio-
arquitectura-projectos-e-consultoria/. (Accessed October 9, 2009.)
Eficiência energética. 2009. Eficiência Energética em Edifícios – RCCTE. Disponível da
Internet via: http://www.eficiencia-energetica.com/html/eee/eee_rccte.htm.
(Acessed October 13, 2009).
EDP, Energias De Portugal. ERSE Divulga Parâmetros, Tarifas e Preços para a Energia
Eléctrica e Outros Serviços em 2006-2008. 2009.[online]Disponível da Internet via
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Banco Espírito Santo. 2009. Campanha de Painéis Solares Térmicos. [online]Disponível
da Internet via http://www.bes.pt/sitebes/cms.aspx?srv=1100&stp=1&miid=8956
(Acessed October 14, 2009).
Modernunes. Climatização e energias renováveis. [online] Disponível da Internet via
http://www.modernunes.pt/Energiasrenováveis/Bombasdecalor/Arrefecimentocoma
quecimentodeágua/tabid/77/Default.aspx