Metodologia

Para o desenvolvimento deste calculador foi utilizada uma metodologia de investigação que teve como objetivo a definição de um algoritmo capaz de executar todos os calculos necessários à simulação, tendo como bases as variáveis definidas pelo utilizador no preenchimento do formulário, e um conjunto de fatores previamente definidos, de acordo com o estado da arte na literatura científica e publicações oficiais das instituições responsáveis. Aqui vamos descrever de forma sistemática o algoritmo utilizado, as referências bibliográficas que fundamentam os valores assumidos para os diversos fatores utilizados, bem como as premissas base, como é exemplo a consideração de lenha de pinho.

O Calculador começa por estimar a potência necessária para o aquecimento da divisão do utilizador, tendo em conta os seguintes parâmetros:

Volume da divisão

Tipo de isolamento

Temperatura pretendida

Concelho

Uma vez calculada a potência necessária, o sistema consegue estimar os consumos de lenha necessários e respetivo impacto em termos de Co2 e abate de árvores. Por outro lado, apresenta dentro das soluções de queimadores a bioetanol inseridas em base de dados, o queimador mais indicado para a potência necessária. De acordo com a potência desse queimador recomendado, o calculador estima os consumos de bioetanol e respetivo impacto. Por comparação consegue por fim estimar as diferenças no impacto face à solução a lenha.

O Calculador exige ao utilizador a submissão de nome e email, permitindo guardar as informações da simulação em base de dados. Desta forma, a simulação guardada é atualizada sempre que acedida de acordo com os queimadores a bioetanol disponíveis em base de dados. Se houver uma atualização dos queimadores, a simulação é também atualizada. O Calculador disponibiliza ao utilizador o link da simulação via email, permitindo ao mesmo o seu acesso sempre que necessitar.

Fluxograma

Cálculo da Potência Necessária

O primeiro passo é fazer o cálculo da Potência Térmica Necessária, para determinar as necessidades de aquecimento da divisão, com base nos dados fornecidos pelo utilizador. Esses dados determinar as variáveis na equação. Á fórmula para determinação da Potência Térmica necessária é a seguinte:

Fórmula Simplificada

$P=\frac{\mathrm{\Delta T}\times V\times K}{R}$

Fórmula Completa

$P=\frac{(T_p-T_r)\times (h\times w\times l)\times \frac{Q\times L}{A\times \mathrm{\Delta T}\times t}}{R}$

Componente	Símbolo Matemático	Descrição
Potência Necessária	P	Potência térmica necessária (W)
Temperatura Pretendida	Tp	Temperatura desejada (°C)
Temperatura de Referência	Tr	Temperatura exterior de referência (°C)
Salto Térmico	ΔT	Diferença entre Tp e Tr
Volume da Sala	V	Volume do espaço (m³)
Altura da Sala	h	Altura da sala (m)
Largura da Sala	w	Largura da sala (m)
Comprimento da Sala	l	Comprimento da sala (m)
Valor K	K	Coeficiente de transmissão térmica W/(m²·ºC)
Referência kW/h	R	Eficiência energética (kW/h)

Valor K

Foram determinados 4 valores de referência tipo atribuídos a 4 níveis tipo de isolamento, tendo como princípios os materiais utilizados nas construções.

• Muito fraco (2,5 W/m·K): Baseado em habitações antigas sem isolamento: paredes simples de tijolo ou betão, telhados sem isolamento e janelas simples.
• Fraco (1,3 W/m·K): Baseado em edifícios com isolamento parcial: paredes com câmara de ar e algumas janelas duplas.
• Médio (0,8 W/m·K): Baseado em construções modernas com bom isolamento térmico: paredes com isolamento térmico adequado e janelas duplas com corte térmico.
• Excelente (0,4 W/m·K): Baseado em habitações com alto desempenho térmico (passive house): isolamento exterior espesso, janelas triplas e corte térmico total.

Nível de Isolamento	Origem do Valor Médio	K (W·m⁻¹·K⁻¹)
Muito fraco (Sem isolamento)	Baseado em construções antigas sem isolamento.	2,5
Fraco (Pouco isolado)	Baseado em edifícios com câmara de ar parcial.	1,3
Médio (Bom isolamento)	Baseado em edifícios modernos com isolamento adequado.	0,8
Excelente (Alto desempenho)	Baseado em padrões Passive House (UE, DIN 4108).	0,4

Referências

ADENE – Agência para a Energia. (2020). Guia SCE – Parâmetros de Cálculo. Sistema de Certificação Energética dos Edifícios (SCE). Disponível em: https://www.sce.pt

AREAM – Agência Regional da Energia e Ambiente da Região Autónoma da Madeira. (2019). Manual Técnico de Isolamento Térmico. Disponível em: https://www.aream.pt

European Committee for Standardization (CEN). (2017). EN 12831-1: Energy performance of buildings – Calculation of heating and cooling loads. Brussels: CEN.

Passive House Institute. (2021). Passive House Planning Package (PHPP) 10: Criteria for Energy Efficiency and Comfort. Darmstadt, Germany.

Instituto Alemão de Normas Técnicas (DIN). (2018). DIN 4108: Thermal insulation and energy economy in buildings. Berlin: Deutsches Institut für Normung.

Cálculo do Combustível Necessário

Posteriormente procede-se ao cálculo do combustivel necessário para ambas as soluções a lenha e a bioetanol.

Caso 1. Lenha

As espécies florestais utilizadas para biomassa variam de país para país e de região para região, em função da distribuição geográfica, da disponibilidade e dos custos. Segundo o inquérito ao consumo de energia no sector doméstico (DGEG/INE, 2011) a biomassa lenhosa consumida a nível nacional é constituída por: pinho (37%) maioritariamente, eucalipto (21%), azinho (7%), sobreiro (5%) e resíduos florestais (4%). Tendo como base estes dados, assumiu-se a utilização de lenha de pinho em pinhal com gestão a 40 anos, para efeitos de cálculo.

Referências:

Direção-Geral de Energia e Geologia (DGEG) & Instituto Nacional de Estatística (INE). (2011). Inquérito ao consumo de energia no sector doméstico (Edição 2011). DGEG/INE. ISSN 2182-0139.

1. Consumo de kg de lenha necessários por hora.

Fórmula:

$\mathrm{Kgl/h}=\frac{\mathrm{PN}}{\mathrm{PCL}}$

Componente	Símbolo Matemático	Descrição
Kg lenha hora	Kgl/h	quantidade de kg de lenha (
Potência Necessária	PN	Potência necessária da divisão definida
Poder Calorífero	PCL	Poder Carorífero da lenha 4,07 kWh/kg)

Referências: (Poder calorífico 1 kg de lenha)

Comissão de Coordenação e Desenvolvimento Regional do Norte (CCDR-N). (2008).Inventário regional de emissões – Região Norte. Diário da República.www.ccdr-n.pt

2. Cálculo da perda

Uma vez que as lareiras abertas a lenha têm uma perda na eficiência, é necessário acrescentar um fator de Perda de Eficiência. Para este efeito, foi considerada uma perda de 40% equivalente à perda de eficiência de uma lareira a lenha de classe 1. Para o Calculo, o Poder Calorífero Final (PCF) é o produto do Poder Calorifero de 1 Kg de lenha com o fator de eficiência.

Fórmula:

$\mathrm{PCF}=4.07-((4.07\times \mathrm{40)}/100)$

3. Consumo de Kg de lenha por ano.

Fórmula:

$\mathrm{Kgl/a}=\mathrm{Kgl/h}\times \mathrm{h/a}$

Componente	Símbolo Matemático	Descrição
Kg lenha ano	Kgl/a	quantidade de kg de lenha necessários por ano
Kg lenha hora	Kgl/h	quantidade de kg de lenha necessários por hora
Horas Estação de Aquecimento	h/a	Número de horas da estação de aquecimento do concelho selecionado pelo utilizador

Referências: (Estação de Aquecimento por Concelho)

Direção-Geral de Energia e Geologia. (2021). Manual Técnico para a Avaliação do Desempenho Energético dos Edifícios (Despacho n.º 6476-H/2021, de 1 de julho). Ministério do Ambiente e da Ação Climática.

Caso 2. Bioetanol

Para o Cálculo do combustível necessário para o Caso bioetanol, tendo em conta a formatação do calculador, é utilizada a Potência do queimador selecionado com base na Potência necessária, e não a Potencia necessária em si, como no Caso a lenha. Isto porque o calculador aconcelha ao utilizador um queimador a bioetanol equivalente à potência necessária para a sua habitação.

Neste caso foi utilizada a referência do Bioetanol produzido a partir de cana de acúcar.

Referências:

Direção-Geral de Energia e Geologia (DGEG) & Instituto Nacional de Estatística (INE). (2011). Inquérito ao consumo de energia no sector doméstico (Edição 2011). DGEG/INE. ISSN 2182-0139.

1. Consumo de kg de bioetanol por hora.

Fórmula:

$\mathrm{Kgb/h}=\frac{\mathrm{PQ}}{\mathrm{PCB}}$

Componente	Símbolo Matemático	Descrição
Kg bioetanol hora	Kgb/h	quantidade de kg de bioetanol necessários
Potência Queimador	PQ	Potência do queimador selecionado na base de dados
Poder Calorífero	PCB	Poder Carorífero do Bioetanol hidratado (7,73 kWh/kg)

Referências: (Poder calorífico 1 kg etanol hidratado)

Ministério de Minas e Energia. (2017). Balanço Energético Nacional 2017: Ano base 2016 (p. 226, Tabela VIII.9). Brasília: MME

2. Consumo de Kg de bioetanol por ano.

Fórmula:

$\mathrm{Kgb/a}=\mathrm{Kgb/h}\times \mathrm{h/a}$

Componente	Símbolo Matemático	Descrição
Kg bioetanol ano	Kgb/a	quantidade de kg de bioetanol necessários por ano
Kg bioetanol hora	Kgb/h	quantidade de kg de bioetanol necessários por hora
Horas Estação de Aquecimento	h/a	Número de horas da estação de aquecimento do concelho selecionado pelo utilizador

Referências: (Estação de Aquecimento por Concelho)

Direção-Geral de Energia e Geologia. (2021). Manual Técnico para a Avaliação do Desempenho Energético dos Edifícios (Despacho n.º 6476-H/2021, de 1 de julho). Ministério do Ambiente e da Ação Climática.

Cálculo das emissões

O Passo seguinte consiste no cálculo das emissões de ambos os casos, lenha e bioetanol, para efeitos comparativos.

Caso 1. Lenha

1. Emissões CO₂/ANO/ para Lareira a Lenha

Fórmula:

${\mathrm{KgCO₂/a}}_{}={\mathrm{Kgl/a}}_{}\times {\mathrm{KgCO₂/Kgl}}_{}$

Componente	Símbolo Matemático	Descrição
Total das emissões	KgCO₂/a	quantidade total de emissões de CO₂ em kg da lareira a lenha
Kg lenha ano	Kgl/ano	quantidade de kg de lenha necessários por ano
Emissões por kg de lenha	KgCO₂/Kgl	Emissões de CO₂ em kg, por kg de lenha queimada (1,34 kgCO₂)

Referências: (kg de CO₂ por kg de lenha queimada)

Comissão de Coordenação e Desenvolvimento Regional do Norte (CCDR-N). (2008).Inventário regional de emissões – Região Norte. Diário da República.www.ccdr-n.pt

Caso 2. Bioetanol

2. Conversão de etanol. Kg para Litros

O Cálculo de emissões de queima de bioetanol é realizado em Litros, mas os dados utilizados para o poder calorífero é em Kg. Desta forna é necessário converter os Kg de Bioetanol para Litros.
Densidade do etanol hidratado (95% v/v): 0,807 g/cm³ (ou 807 kg/m³) Massa: 1 kg (1000 g) 1 kg de etanol hidratado equivale a aproximadamente 1,24 litros

Fórmula:

${\mathrm{Lb/a}}_{}={\mathrm{Kgb/a}}_{}\times \mathrm{f}$

Componente	Símbolo Matemático	Descrição
Litros Bioetanol Ano	Lb/a	quantidade de litos de bioetanol necessários por ano
Kg bioetanol ano	Kgb/h	quantidade de kg de bioetanol necessários por ano
Fator de conversão	f	fator de conversão de kg para litros (1.24)

Referências: (conversão kg/l)

Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis. (2020).Fatores de conversão, densidades e poderes caloríficos.www.gov.br/anp/pt-br

NovaCana. (n.d.).Controle de qualidade: especificações do etanol. www.novacana.com

Sindicato do Comércio Varejista de Derivados de Petróleo de Campinas e Região. (n.d.)Tabela de conversão - etanol.recap.org.br

3. Emissões CO₂/ANO/ para Queimador a Bioetanol

Fórmula:

${\mathrm{KgCO₂/a}}_{}={\mathrm{Lb/a}}_{}\times {\mathrm{KgCO₂/Lb}}_{}$

Componente	Símbolo Matemático	Descrição
Total das emissões	KgCO₂/a	quantidade total de emissões de CO₂ em kg da lareira a bioetanol
Litros bioetanol ano	Lb/a	quantidade de litros de bioetanol necessários por ano
Emissões por Litro de bioetanol	KgCO₂/Lb	Emissões de CO₂ em kg, por Litro de Bioetanol queimado (0,5 kgCO₂)

Referências: (kg de CO₂ por Litro de Etanol hidratado queimado)

Macedo, I. C., & Seabra, J. E. A. (2008). Mitigation of GHG emissions using sugarcane bioethanol. In P. Zuurbier & J. van de Vooren (Eds.), Sugar cane ethanol: Contributions to climate change mitigation and the environment (p. 36).Wageningen Academic Publishers.

Estimativa de Hectares de Floresta Necessários

A utilização de uma lareira a lenha exige o consumo de lenha como combustível. Isso tem implicações no abate de árvores. O passo seguinte pretende estimar o número de árvores em hectares de floresta necessários para alimentar a lareira com a potencia necessária para aquecimento da habitação do utilizador. Para este cálculo foi considerada a tabela TABELA DE PRODUÇÃO DE MOREIRA E FONSECA (2002) Para um índice de Qualidade SI35= 16 M E FW=0,21, e como indicador de produção o acréscimo médio anual aos 40 anos (ciclo de exploração) de 9,8 m3/ha/ano, e uma conversão de m3 para tonelada na relação de 1:1. Foi também considerado um número de 1450 árvores por hectare.

Fórmula:

${\mathrm{kg}}_{l/n/\mathrm{Ano}}\times \mathrm{AMA}\times 9800 \mathrm{kg}/\mathrm{ha}/\mathrm{Ano}$

Referências:

Fonseca, T. e Carneiro, S. (coord.).Ferramentas de apoio à gestão de pinhal-bravo: Tabelas de ProduçãoCentro PINUS, 2019

Estimativa de CO₂ não fixado

Com base no cálculo de hectares de floresta abatida necessários para alimentação da lareira a lenha, é possível estimar a quantidade de CO₂ que deixa de ser fixada pela floresta após abate.O percentual de carbono na matéria vegetal arbórea é mais ou menos constante e anda na casa 50% da biomassa. Para este calculador foi utilizado o valor de 45,7% para pinhal, de com base em tabelas de referência (Lopes & Aranha, 2006).

1. Cálculo da fixação de CO2 por hectar de pinheiro

Fórmula:

$9.8 \mathrm{t/ha/ano}\times 45.7\%=4.48 \mathrm{t de C/ha/ano}$

Referências:

Lopes, D., & Aranha, J. (2006)Avaliação do conteúdo de carbono na matéria seca de diferentes componentes de árvores de Eucalyptus globulus e de Pinus pinaster. Silva Lusitana,14(1), 149–154

2. Cálculo do total de CO₂ não fixado uma vez queimada a biomassa na lareira.

Fórmula:

${\mathrm{CO\_2}}_{\mathrm{Ano}/\mathrm{Não} \mathrm{Fixado}}={\mathrm{ha}}_{\mathrm{Pinheiro}/n/\mathrm{Ano}}\times {\mathrm{CO\_2}}_{\mathrm{Fix}/\mathrm{ha}/\mathrm{Pinheiro}/\mathrm{Ano}}$

Tecnologia

Tecnologias Utilizadas

Para este projeto foram utilizadas as tecnologias ASP.NET, juntamente com a biblioteca de JavaScitpt jQuery, HTML5 e CSS3. A Plataforma tem um layout responsive, estando assim adaptado a qualquer tipo de dispositivo (PC, smartphone, tablet). Relativamente ao sistema de base de dados, o sistema assenta numa base de dados MS-SQL. Para a arquitetura da plataforma foi implementado um sistema multi-camada (MVC). Cada camada assume responsabilidades diferentes dentro do próprio sistema. Uma para apresentação de dados, uma para a definição de estrutura de dados, e a última camada fica responsável pela ligação à base de dados. O sistema garante a integração e integridade de dados, automatizando assim como dos processos, evitando a duplicação de informação na base de dados. O sistema integra gestão de permissões em grupos de utilizadores, e regista alterações efetuada nos dados e de toda a atividade quer no back-office, quer no front-office.

Plataformas Tecnológicas

Linguagem de Programação: ASP.NET, HTML5, CSS3 e jQuery

Base de dados: MS-SQL

Suporte aos browsers mais comuns

Sistema Operativo Alojamento: Windows Server

editor Visual Studio 2015

Integração

Tendo em vista futuras necessidades de desenvolvimento, foram implementados uma série de serviços que permitem a disponibilização de informação a aplicações exteriores. Estes serviços são implementados sob a forma de web-services, com suporte a protocolos SOAP, REST, AJAX Request’s, HTTP Request. Os dados retornados são maioritariamente no formato JSON, objetos serializados. Com isto, pretende-se a criação de uma API, documentada, para disponibilização de informação

Administração e Segurança

O sistema permite a criação de vários grupos de utilizadores, administradores, e respetivas permissões. Toda a informação é administrada via browser. Para os dados de utilizador, nomeadamente passwords, todas as passwords são armazenadas na base de dados codificadas.