NESS®, una alternativa al doble ramal de retorno que ahorra agua y energía

Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 698 35. NESS®, una alternativa al doble ramal de retorno que ahorra agua y energía Ladrón de Guevara Muñoz, M. Carmen(1,*), Dueñas Ladrón de Guevara, Eduardo J.(1), Ortega Rodríguez, Marcos(1) and Martín Martínez, Luis(2) (*) Métrica6 Ingeniería y Desarrollos S.L., [email protected], (0034) 665 016 613 (1) Métrica6 Ingeniería y Desarrollos S.L. (2) Hidrología Sostenible Resumen El objetivo de este trabajo es establecer las principales diferencias entre dos sistemas de ahorro de agua: el doble ramal de agua caliente y una solución alternativa capaz de recircular toda el agua que normalmente se desperdicia hasta que sale caliente, pero empleando la instalación convencional de cualquier edificio. Este sistema alternativo consigue ahorrar la misma cantidad de agua que el doble ramal o ramal de retorno, es decir, toda el agua fría que queda almacenada en la tubería de agua caliente después de un tiempo sin utilizar el agua caliente. Este ahorro suma aproximadamente un 27% del uso de agua doméstico. La principal diferencia con respecto al doble ramal es el consumo energético derivado de cada sistema: mientras NESS® funciona a demanda del usuario, el doble ramal funciona continua o periódicamente para mantener el agua por encima de una temperatura alrededor de 50ºC, sin considerar si existe demanda o no. NESS® genera un ahorro energético significativo con respecto al doble ramal o red de retorno, empleando un 35% de la energía que usa el doble ramal. Además, NESS presenta otras ventajas tanto para profesionales como para personas interesadas en la sostenibilidad, como un coste de implementación de la mitad del doble ramal o un tercio del tiempo de instalación. Palabras clave Ahorro de agua, Sostenibilidad, Medio ambiente, Edificios energéticamente eficientes, Dispositivo innovador 1 Introducción El aumento de consumo en las sociedades modernas es uno de los mayores retos enfrentados por distintas regiones en todo el mundo (World Assessment Programme, WWAP;, 2012). Se estima un aumento de la demanda global de agua de un 55% para 2050 (United Nations World Water Assessment Programme, 2015). En 2020, se espera un incremento en el precio del agua de consumo como una de las medidas usadas para controlar y reducir la demanda de agua. Al mismo Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 699 tiempo, los problemas relativos al agua por el cambio climático (UN-Water, 2010) (sequías, inundaciones, tormentas y deslizamientos de tierra) pondrán una presión adicional en la gestión de los recursos hídricos en el futuro. En la extracción de agua total, el suministro de agua público cuenta con aproximadamente un quinto del uso de agua en toda Europa e incluye suministro de agua a viviendas, edificios públicos, pequeñas empresas e industrias (European Environment Agency, 2009). Analizando la información sobre el uso del agua de suministro público por sector económico en 2013, se obtiene que los principales usuarios de agua en la UE son los hogares, esto es, 2/3 del consumo total; seguidos por las oficinas y otros edificios de diversos usos (European Commission, s.f.). Así, los principales usos de agua se realizan en el interior de edificios: 70- 80% del agua suministrada por el sistema público se usa para satisfacer necesidades domésticas o relacionados con áreas exteriores de los edificios en cuestión. (Bio Intelligence Service, 2009). Fig. 1 Uso del agua por sector económico El Agua Caliente Sanitaria (ACS) definida como las necesidades humanas de agua, es el uso predominante de agua en los edificios que se presenta tanto en instalaciones residenciales como no residenciales (comerciales, públicas e industriales). El uso de agua residencial representa el 72% del uso de agua total en edificios (AISBL, 2012). Las tres mayores fuentes de uso de agua en casa son las duchas y baños, la cisterna y la lavadora, donde la higiene personal representa el 35% del consume total (Eurostat, 2015), cf. Fig. 2 y Fig. 3. Además, el uso del agua caliente sanitaria se identifica como un tema clave en el sector de la construcción ya que influye en el consumo energético del edificio. El uso ineficiente del agua caliente conlleva un uso mayor de energía, con costes económicos y medioambientales adicionales; un 10-20% del consumo total de Fig. 2 Consumo energético según el uso final Fig. 3 Consumo de agua según usos finales Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 700 energía usada para calefacción se usa en el ACS (Association of the European Heating Industry, 2010). El consumo de agua actual en la UE ronda los 150 litros/persona/día (INE, Instituto Nacional de Estadística, 2013). Además, el consumo de ACS en edificios depende del número de ocupantes y de su comportamiento individual. Actualmente existe aún un importante problema con el agua caliente; el desperdicio de agua que se produce al acceder al agua caliente, teniendo que dejar correr una gran cantidad de agua fría antes. Hay actualmente dos sistemas de ahorro de agua en el mercado para evitar tal desperdicio de agua: por una parte, el doble ramal de agua caliente, y, por otra parte, la tecnología NESS®. 2 Metodología Con el propósito de comparar la eficiencia de ambos sistemas, se estudian los mismos parámetros para cada uno: ahorro de agua, energía consumida, y costes. Más tarde, se comparan los resultados y se consideran aspectos económicos con el objetivo de abrir un debate empleando las cifras de gastos energéticos y económicos como principal diferenciación entre ambos. 3 Instalaciones convencionales Las instalaciones convencionales normalmente disponen de un ramal de agua caliente y otro de agua fría, que parten de la acometida de agua fría y la caldera de agua caliente a todos los puntos de consumo distribuidos en la vivienda o el edificio. Según las estadísticas de consumo de agua actuales, cada vez que alguien desea consumir agua caliente en viviendas produce un desperdicio de a aproximadamente 800 litros al mes. Esto significa que 2.300 litros son desperdiciados por una familia media compuesta por 2,51 miembros (INE, Instituto Nacional de Estadística, 2013). 3.1 Desperdicio de Energía Térmica (relativa al consumo de ACS) Después de cada uso de agua caliente, la temperatura del agua alojada en las tuberías desciende a la temperatura de la habitación. Esto significa que el agua pierde una parte de esa energía en cada uso. Para estimar el valor de esta pérdida de energía se parte de una serie de premisas tales como la dimensión o el material de Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 701 las tuberías. El punto de partida para estos cálculos se recoge en la siguiente Tabla 1¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.. Tabla 1 Parámetros usados durante los cálculos Concepto Nomenclatura Valor Temperatura ambiente Tamb 25ºC Temperatura de salida (calentador) Tsal 60ºC Calor específico del agua Cp 4180 J/kgºC 1,163 Wh/kgºC Densidad del agua (a Tamb) Ρ 1000 kg/m3 Diámetro interior de la tubería di 20 mm Longitud de las tuberías de ACS L 15 m La pérdida de energía considerada en esta sección se refiere a energía térmica ya que es la cantidad de calor transferida a la atmósfera por radiación, quedando como: !!!!"## =!!"#! ∙!!∙!!"#−!!"# ∙!!"#" (1) donde Magua es la masa de agua alojada dentro de las tuberías y Nusos hace referencia al número de veces al día que se usa el agua caliente de media en la vivienda. Según (Métrica6 Ingeniería y Desarrollos S.L., 2015), el agua caliente se emplea unas 2,91 veces al día, con una media de 2,51 habitantes por vivienda (INE, Instituto Nacional de Estadística, 2013), lo que significa que el parámetro !!"#" en la ec. 1 es igual a 2,91 usos por persona y día x 2,51 habitantes por vivienda = 7,3041 usos por persona al día. Así, se obtiene la masa de agua que se muestra en la ecuación 2. !!"#! =!!"#! ∙!∙!·!! ! ! (2) Así, se obtienen 1.401,04Wh de pérdidas de energía térmica al día. 4 Doble Ramal de Agua Caliente o Red de Retorno (RR) En este sistema hay dos tuberías de agua caliente que distribuyen el agua caliente en el edificio: una de ellas da suministro a cada punto de consumo, y la otra, que en realidad es una prolongación de la primera, devuelve el agua que no ha sido usada de vuelta a la caldera. Por medio de este sistema, el ramal de agua caliente se mantiene siempre dentro de un cierto rango de temperatura, por lo que cuando entra una demanda de agua caliente el agua está lista para ser consumida (¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.). Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 702 Fig. 4 Doble ramal de agua caliente En España, la normativa de construcción obliga a instalar una RR en las instalaciones donde la longitud de las tuberías de agua caliente excede los 15 metros. (Ministerio de Fomento, 2009). Sin embargo, mantener toda el agua caliente en la tubería a cierta temperatura sin tener en cuenta los periodos de demanda se traduce en altos costes energéticos. Para cuantificar estos costes, en esta sección se miden los gastos de energía térmica y de energía eléctrica ocasionados por la RR. 4.1 Desperdicio energético Aunque este sistema evita el desperdicio de agua, hay otros aspectos a considerar tales como la energía que ha de consumirse para mantener en funcionamiento constante la RR. Para cuantificar esta energía se consideran los siguientes aspectos: • La RR comienza la recirculación/se activa cuando el agua desciende a 50ªC. • La energía consumida depende del número de veces que el sistema se activa a lo largo del día, haciendo uso de dos tipos de energía diferentes: eléctrica (debido a la activación de la bomba y el sistema de control) y térmica (como consecuencia del calor transferido por el calentador al agua que finalmente no será consumida por el consumidor final). 4.1.1 Energía térmica debido al calentamiento previo de las tuberías En el caso de la RR, el proceso de calentamiento de las tuberías y el agua ocurre cada vez que el agua desciende 10 ºC, alcanzando los 50ºC. Esto significa que, independientemente de si hay demanda de agua caliente o no, el calentador elevará la temperatura de toda la instalación para el momento en el que aparezca una demanda. Se tienen en cuenta los parámetros de la siguienteTabla 2 junto a los de la Tabla 1. Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 703 Tabla 2 Parámetros considerados para el doble ramal de ACS o red de retorno Concepto Nomenclatura Valor Longitud del Doble ramal L 15 x 2 = 30 m Rendimiento del calentador η 90 % Espesor de las tuberías e 1 mm Espesor del aislamiento Eais 25 mm Diámetro total con el aislamiento Dais 72 mm Conductividad térmica Cobre Kcob 398 W/mK Aislante Kais 0,04 W/mK Para conocer la cantidad total de energía térmica transferida a la atmósfera por el doble ramal o RR es necesario conocer el número de ciclos realizados durante el día que se calcula teniendo en cuenta el tiempo necesario para calentar todo el volumen de agua almacenado en las tuberías, el tiempo que tarda en enfriarse y el tiempo durante el cual se está consumiendo agua caliente, como se muestra la ec. 3. !!"!#$% = !!".!"# !!!!! (3) Donde t ef. cal se refiere al tiempo efectivo de cálculo ó la cantidad de tiempo que RR está funcionando sin consumo ni demanda de ACS, es decir, 24 horas menos el tiempo durante el cual se está consumiendo agua: !!".!"# =24 −!!"# (4) Así, el tiempo efectivo de uso de agua caliente al día se obtiene como sigue: !!"# =!!"# !"# ·!,!"!"#" !"#$ ·!,!"!"#$ !"!. (5) Aplicando la ec. 5, tuso resulta en 36.52 min, es decir, 2191,23 segundos de uso de agua caliente por día de media por vivienda, mientras que el tiempo que la RR está funcionamiento sin demanda es de 84.208,77 segundos distribuidos en varios ciclos de calentamiento y enfriamiento a lo largo del día, tc y t e , respectivamente, y se calculan como exponen las ec.6 y 7: !!=!!"#! ∙!!∙!!∙!" !!"#!!!"# ! !"#!!!"# (6) !!= !"!! !! !∙!∙!∙!! + !" !!"# !! !·!·!·!!"# (7) Análogamente, el tiempo de calentamiento se obtiene según ec. 8: !!=!!"#! ∙!!∙!!∙!" !!"#$%&∙!∙!!!!!"#!! !"# !!"#$%&∙!∙!!!!!"#!!!"# (8) Una vez hallados te y tc , el número de ciclos Nciclos puede calcularse usando la ecuación 3, resultando 37,624 ciclos al día. En esta sección se determina la energía térmica empleada por la RR en un día: !!"#$ !"!#$ =!!"#$ !" +!!"#$ !"#$ (9) Siendo Eterm ef. la energía transferida por el calentador al agua y a las tuberías para incrementar la temperatura del agua que finalmente será consumida por el usuario. Mientras, Eterm perd es el calor transferido al agua y las tuberías que se han enfriado a la temperatura ambiente y en los cuales no hay demanda/consumo de agua posterior. Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 704 Sin embargo, la cantidad total de energía empleada por la RR también se puede calcular como se muestra en la ec. 10: !!"#$ !"!#$ =!!"#! ∙!!∙!!"# −!!"# ∙!!"!#$% (10) Esto resulta en un total de 4123,63Wh de energía térmica cedida al día, de los cuales 800,17Wh son usados eficientemente y 3323,46Wh son desperdiciados al ambiente sin atender realmente ninguna demanda de agua caliente, cf. ecuación 11: !!"#$ !"#$ = !!"#! ∙!!∙!!"# −!!"# ∙!!"!#$% !"#$ (11) donde el número de ciclos realizados sin que exista demanda, Nciclos perd. , se obtiene así: !!"!#$% !"#$.=!!"!#$% −!!"#" =37,62 −2,51 ·2,91 =30,32 !"!#$%. 4.1.2 Energía Eléctrica consumida por el funcionamiento de las bombas Además de la energía térmica, la RR requiere de un consumo eléctrico para hacer funcionar las bombas y que éstas desplacen el agua almacenada en las tuberías. Por tanto, el sistema de bombeo consume una cantidad de electricidad en cada ciclo que debe ser considerada entre los gastos de energéticos. La potencia del sistema de bombeo está estimada en 90W, y de acuerdo al apartado anterior, tc = 157,03s, lo que significa que el agua tarda 157 segundos en subir de 50ºC a 60ºC. Así, la bomba produce un consumo eléctrico de147,7 Wh al día, de según la ec.12. !!"!# !=!!"#!$" · !!"!#$% ·!! (12) 4.2 Energía Efectivaconsumo real Aunque una gran cantidad de energía se desaprovecha con este sistema, parte de la energía sirve para su propósito de calentar el agua que finalmente será consumida. Solo 800,17Wh de 4123,63Wh/día de energía térmica son consumidos de forma efectiva; la energía eléctrica efectiva se calcula aplicando la ecuación 12 para 7,3 ciclos (consumo de ACS). Por tanto, se emplean 28’67Wh de electricidad cada día en impulsar agua caliente a través de las tuberías. Estas cifras indican que sólo el 20% de la energía consumida por el doble ramal o RR es empleada eficientemente. Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 705 5 La tecnología alternativa: NESS® 5.1 Elementos de NESS® NESS® consiste en un innovador sistema de recirculación de agua caliente que no requiere instalar tuberías adicionales. Está compuesto por tres módulos independientes, cada uno de los cuales se encarga de una función distinta: un módulo de bombeo, un módulo bypass y un pulsador. Estos tres módulos se comunican entre sí por una señal de baja radiofrecuencia. El KIT BÁSICO contiene, cf. Fig. 5: • MÓDULO DE BOMBEO: situado a la entrada de las tuberías de agua fría al calentador Se encarga de impulsar el agua caliente desde el calentador al punto de consumo. • MÓDULO BYPASS: se instala en el punto de consumo donde se desea disfrutar del agua caliente instantánea; se recomienda ubicar el bypass en el punto de consumo más alejado del calentador, de este modo todos los grifos intermedios pueden beneficiarse del ciclo realizado por NESS®.! • MÓDULO PULSADOR: El pulsador capacitivo es el activador e indicador del ciclo. Emite una luz indicando cuando el agua está fría (azul) o caliente (roja). Este módulo puede ser instalado en cualquier superficie. Fig. 5 Módulos de NESS® 5.2 El Funcionamiento de NESS® Para entender cómo funciona NESS® la Fig. 6 muestra las 3 etapas principales que atraviesa el dispositivo en su funcionamiento: primero, el usuario pasa la mano por delante del pulsador durante un par de segundos, en este momento, sin necesidad de abrir el grifo, NESS® trae el agua caliente desde el calentador hasta el grifo donde está instalado el bypass. Por último, una vez que el agua caliente ha alcanzado el punto de consumo deseado, NESS® muestra una luz roja en el pulsador indicando que el agua caliente está lista para usarse en ese grifo. Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 706 Fig. 6 Funcionamiento de NESS® 5.3 Energía consumida y ahorro con NESS® La pérdida de energía térmica usando NESS® se cuantifica del mismo modo que en las instalaciones convencionales sin NESS®, es decir, 1,4 kWh/día, como en la ec. 1 del apartado 3. Sin embargo, teniendo en cuenta la electricidad requerida para alimentar el sistema, se debe considerar el consumo de los 3 módulos, cf. Tabla 3. Tabla 3. Consumo eléctrico de NESS® en un/a ciclo/recirculación Módulo Potencia Máxima Módulo en Stand-by Durante la recirculación Bomba 90W (24h −!!"!#$)·0,68!ℎ* !!"!#$ ·90W Bypass 15W 0,63Wh* Despreciable Pulsado 1W 0,18Wh* Despreciable *Según marcado CE del producto Aunque la Tabla 3 indica la potencia máxima, los módulos no hacen uso de dicha potencia constantemente, únicamente durante etapas específicas en los periodos de recirculación; la mayor parte del tiempo permanecen en reposo (stand-by), a la espera de la orden de activación del usuario. El parámetro tciclo hace referencia al periodo de tiempo durante el cual la recirculación tiene lugar. En este análisis, se cuenta con una recirculación de 3 minutos, lo que representa una instalación media. !!"!# !=!!"#!$ + !!"#$%% +!!"#$%&'( (13) Aquí, cada término es representado por la suma de los consumos durante el periodo en reposo y recirculación mostrado en la Tabla 3. Los consumos del bypass y el pulsador durante la recirculación son despreciables ya que el periodo de funcionamiento es tan corto que su consumo eléctrico no es significativo. Sin embargo, la bomba está funcionando durante los 3 minutos de recirculación, por lo que sí se tiene en cuenta. Así, la bomba está impulsando agua durante los tres minutos para Nusos = 7,3041 veces al día. Aplicando la eq.13 y utilizando los términos expuestos en la Tabla 3 y 4, se obtiene: