Aprovechamiento del calor perdido de las aguas residuales generadas in situ - Informe práctico utilizando el ejemplo de la residencia de ancianos Hofmatt/Suiza

El agua residual como fuente térmica para sistema de bomba térmica representa una fuente energética y un receptor de energía altamente eficientes. Sin embargo, su uso está limitado con frecuencia a alcantarillados con un gran diámetro y a grandes caudales. El siguiente artículo pretende ofrecer una alternativa a la utilización del calor del agua residual procedente del alcantarillado tomando el ejemplo de la residencia para ancianos Hofmatt en Münchenstein, Suiza: el uso del calor perdido de las aguas residuales generadas in situ como fuente de energía regenerativa y sostenible para la producción de agua de servicio y calefacción del edificio.

Figura 1: Residencia para ancianos Hofmatt en Münchenstein después de la primera fase de renovación. Vista de la entrada al pozo de aguas residuales en el jardín.
Figura 2: Cálculo de ejemplo para la producción de energía de agua residual per cápita.

Introducción

Debido a la calidad cada vez mayor de las envolventes de edificio, la demanda de calor de los edificios modernos está disminuyendo continuamente. Esto impide, en la medida de lo posible, que el aire ambiente escape del edificio o que sea liberado al exterior a través de intercambiadores de calor, de manera que se pierde la menor energía posible. Esta energía también se esconde en nuestras aguas residuales que se escapan por el alcantarillado sin ser utilizada.

Aquí es donde la utilización del calor de las aguas residuales entra en juego. El objetivo es dar un uso mayor a la energía contenida en las aguas residuales. Para lograr esto se requieren intercambiadores de calor que separen el flujo de las aguas residuales sucias del flujo de agua de refrigeración limpia. Estos intercambiadores de calor están disponibles para su instalación en una alcantarilla o como versión externa, situada sobre el suelo. Ya se ha probado su aplicación y se ha demostrado su eficacia.

La mayoría de proyectos realizados hasta la fecha utilizan el flujo de las aguas residuales que ya ha llegado al alcantarillado. En la residencia de ancianos Hofmatt en Münchenstein, Suiza, nos propusimos tomar un nuevo camino y mucho más prometedor: el uso de las aguas residuales de la casa para recuperar el calor y para calentar el agua de servicio.

El uso de las aguas residuales en el lugar de origen presenta un elevado potencial. La producción de agua residual por persona es de 130 l al día de media con una temperatura de 23-25 °C. Cuando se enfría a 15 K, se pueden recuperar por tanto aprox. 2,26 kWh de energía al día y por persona. Con una demanda energética anual admisible de 55 kWh/m², según KfW85 y suponiendo 170 días de calefacción, esta cantidad de energía es suficiente para calentar aprox. 7 m² de espacio al 100%. De esta manera se puede cerrar una de las mayores fugas de energía de los edificios modernos (cfr. Figura 2).

Figura 3: Pozo con cribado integrado de la entrada por un transportador de tornillo sin fin de cribado completamente automático.
Figura 4: Intercambiador de calor integrado en el almacén al lado del sótano.

Proyecto

Historia

Situado cerca de la ciudad-jardín Münchenstein, no lejos de Basilea, la residencia para ancianos Hofmatt es una fundación de la familia Zaelin en memoria de sus dos hijos fallecidos en un accidente de tren en 1981. En aquel momento, Hofmat era un lugar de recreo que acogía a convalecientes del hospital de Basilea. En 1940 se utilizó como hogar de protección y en 1960 se convirtió en una residencia para ancianos debido a la nueva situación de la demanda. Por esta razón, entre 1966 y 1968 se produjo la construcción del primer edificio con aprox. 60 camas y en el año 1977 se construyó el ala oeste. Se realizó una primera reforma en 1984 y en 1995 se realizó una extensión adicional que sentó las bases para el cuidado con 124 camas.

En 2010 tuvo lugar la planificación para la renovación completa y una ampliación adicional de la residencia de personas mayores. En la IFAT 2010, la empresa Huber Technology presentó por primera vez un intercambiador de calor diseñado especialmente para aplicaciones con aguas residuales. Los ingenieros de ETA Group se enteraron de ello y presentaron la idea del aprovechamiento del calor de aguas residuales a puerta cerrada a la empresa Huber Technology. Pronto quedó claro que con el intercambiador de calor de aguas residuales RoWin se había encontrado el intercambiador de calor óptimo para la idea de la utilización de calor de aguas residuales para Hofmatt.

La residencia de personas mayores Hofmatt ha sido renovada desde 2012 y se ha ampliado en dos bloques. La modernización del edificio trajo consigo una revisión del concepto energético del edificio. La utilización del calor residual de las aguas residuales del edificio y de la cantina desempeñó un papel importante.  Toda el agua residual del complejo es acumulada en un pozo en frente del edificio (cfr. Figura 1) y es dirigido, a continuación, a través del intercambiador de aguas residuales Huber RoWin. En este proceso, la energía térmica se extrae de las aguas residuales cálidas de 23 °C y se suministra a una bomba térmica.

Comparación con soluciones alternativas

Al principio de la fase de planificación, se pensó en un intercambiador de calor que se limpiara manualmente para su montaje en un pozo de aguas residuales. Las aguas residuales pasan por una unidad de filtrado cuando entran en el intercambiador de calor para garantizar que el intercambiador de calor está protegido contra materias gruesas. Debido a la formación de biopelículas y la falta de limpieza preventiva de las superficies del intercambiador de calor es necesario limpiar manualmente este sistema, lo que provoca altos costos de mantenimiento. Además, se necesita un pozo bastante grande para instalar el intercambiador de calor.

Por estas razonas, EBM como contratista, propietario y explotador decidió utilizar un sistema HUBER RoWin que hace su trabajo sin necesidad de mantenimiento gracias a la limpieza completamente automática de los módulos del intercambiador de calor.  Al mismo tiempo, un generador de turbulencias garantiza una capacidad de transferencia de calor constantemente alta, incluso con la carga por lotes (alimentación por lotes). Se utiliza una instalación de cribado completamente automática en el pozo de aguas residuales para proteger a la bomba y al intercambiador de calor de materias gruesas. Además, fue posible diseñar el pozo de aguas residuales con un tamaño considerablemente más pequeño y se instalaron tapas para el pozo estancas al gas y estancas a los olores (cfr. Figura 3). Esto permitió, por tanto, situar el pozo justo al lado del edificio sin molestar a los vecinos con las emisiones.

En el lado de la calefacción se utiliza una bomba de calor de compresor alternativo que puede calentar el agua sanitaria en los depósitos combinados hasta 70°C. La conexión¬ de calor a distancia de la EBM Münchenstein (que también actúa como contratista del sistema) está disponible como apoyo 100% y para cubrir picos de carga. La idea de la estación especial de calor a distancia con componentes completamente integrados provino de la empresa HLK Consulting GmbH de Dornach. Su concepto incluye el calentamiento de agua sanitaria y la calefacción adicional, en lugar de un simple calentamiento de agua. Durante 15 años, en diferentes plantas de Basilea se dieron cuenta de esta solución donde utilizaban el calor perdido de los procesos de refrigeración como fuente de calor, aquí descrita como agua residual. ETA Group asumió el suministro llave en mano de la instalación. El control de toda la instalación procede de ETA Group. El concepto general de la planta no costó más que la solución inicialmente prevista aunque ofrece, además, un mayor aprovechamiento del calor perdido a través de la calefacción complementaria.

Equipo mecánico

Además del intercambiador de calor de aguas residuales HUBER RoWin en su tamaño más reducido 4S, se entregó también la instalación de cribado RoK1 de HUBER SE. El intercambiador de calor se instaló en el sótano del edificio al lado de la bomba de calor (cfr. Figura 4).

ETA Group suministró una bomba de calor con compresor alternativo y condensación directa, capaz de calentar el agua sanitaria hasta 70°C. ETA Group integró acumuladores de la empresa Jenni, aptos para ser operados con la condensación directa. Como ya no se utiliza un intercambiador de calor adicional, se puede aumentar la eficiencia del sistema y, al mismo tiempo, aumenta también la temperatura. En el interior del acumulador de almacenamiento estratificado de agua sanitaria se mantiene una temperatura de 65°C en la parte superior, en el centro 30-40°C para calentar el edificio y 25°C en la parte inferior para la refrigeración adicional del agente refrigerante licuado. El compresor de velocidad controlada aumenta la eficiencia en el modo de carga parcial.

Experiencia operativa

La instalación está en funcionamiento desde 2012 y en los 2 años de experiencia operativa, tanto ETA Group y EBM Münchenstein han dado una opinión positiva.

Desde que se produjeron los problemas iniciales, el sistema produce agua sanitaria con 65°C y abastece gran parte de la calefacción con una JAZ de 3,2. Hasta ahora no se ha necesitado realizar un mantenimiento al intercambiador de calor, ni al pozo de acumulación.

Este proyecto ha permitido ofrecer experiencia a pequeña escala a todas las partes involucradas sobre el funcionamiento de una instalación de este tipo para poder integrarla en la planificación de proyectos más grandes.

Figura 5: Diagrama del principio de aprovechamiento de calor de la residencia para ancianos Hofmatt.

Conclusión

En los edificios modernos se requiere una gran parte de la energía de la calefacción para generar agua caliente. Este agua se descarga posteriormente al sistema de alcantarillado y desaparece en la depuradora sin aprovechar la energía del agua. Esta brecha energética se puede cerrar con la posibilidad de utilizar el calor de las aguas residuales. Y la energía liberada se puede recuperar. Esto reduce la demanda de energía primaria y reduce las emisiones de CO2.  Por lo tanto, la utilización del calor de las aguas residuales puede contribuir mucho a la optimización energética de un edificio. Además, la utilización del calor de las aguas residuales se conoce también como una medida alternativa de regeneración de acuerdo con la ley de energía renovable de calor.

Sin embargo, en los proyectos futuros no solo deberá tenerse en cuenta la recuperación de calor de las aguas residuales, sino también la posibilidad del enfriamiento con agua. A través de una simple inversión del circuito de la bomba de calor, el mismo sistema que en invierno se utiliza para calentar el edificio, puede utilizarse en el verano para la refrigeración. Este doble uso reduce el tiempo de amortización y no requiere equipos adicionales para la refrigeración.

Gracias a sus más de 130 años de historia, la empresa HUBER es un socio sólido y fiable para la planificación de proyectos y es capaz de satisfacer a los clientes con sus máquinas de alta calidad. Gracias a la red de distribución mundial es posible ofrecer la tecnología necesaria para la utilización del calor de las aguas residuales a los clientes de todos los continentes del mundo.

El buen acceso a las aguas residuales, las decisiones rápidas en la realización y la posibilidad de tener bajo un mismo techo la fuente de energía como la reducción energética son excelentes razones a favor de una instalación de este tipo. Dándose las condiciones adecuadas, sin duda es recomendable repetir el concepto.