Caso de estudio de un edificio de baja exergía con estructura termoactiva en Madrid

El potencial térmico de las aguas residuales para la calefacción y refrigeración de edificios

Diana Gualotuña Gualoto, Inmaculada Martínez Pérez, Rossana Laera y Luis de Pereda. Universidad Politécnica de Madrid y ENERES31/05/2024

El uso de tecnologías que permitan aprovechar las energías renovables desperdiciadas en el entorno de los edificios es una de las formas de colaborar con la descarbonización del sector de la edificación. Las aguas residuales de los edificios son una fuente renovable de energía térmica. Existe una amplia literatura científica que respalda la recuperación de energía térmica de las aguas residuales, sin embargo sigue siendo una tecnología en continua investigación y de limitada difusión, tanto a nivel científico, técnico y comercial.

El principal objetivo de este trabajo es estimar el potencial térmico de las aguas residuales para la calefacción y refrigeración de edificios. Con este fin, se estudió durante un año, un edificio de oficinas, dotado de sistemas de difusión de calor y frío de bajo consumo exergético, estructura termoactiva (también denominada TABS: Thermo Active Building Systems) para evaluar la contribución energética de las aguas residuales en un sistema híbrido de climatización, que incluye intercambiadores geotérmicos y un intercambiador de aguas residuales.

Este estudio demuestra que las aguas residuales del alcantarillado, que fluyen con caudales de más de 5 l/s, pueden producir suficiente energía térmica para cubrir la demanda energética de un edificio de oficinas que requiera una potencia de producción para climatización de 45 kW (60 W/m²). En nuestro caso, la contribución energética de las aguas residuales del alcantarillado es más favorable en los escenarios de calefacción que en los de refrigeración, mejorando el rendimiento del sistema en más de un 22% en comparación con los sistemas geotérmicos. Si sólo tenemos en cuenta la aportación de las aguas pluviales la mejora del rendimiento en refrigeración supera en un 14%, la obtenida con el intercambio geotérmicos.

Los resultados de esta investigación pueden ayudar a establecer un método predictivo y unas directrices para el diseño y dimensionamiento de los intercambiadores de calor en los sistemas de alcantarillado. En este sentido, los datos obtenidos arrojan luz sobre la conveniencia de colocar el intercambiador antes o después del punto donde se vierte el agua de lluvia al colector de la red de saneamiento, en función de si en la demanda energética del edificio prevalece la calefacción o la refrigeración. Por supuesto, en esta decisión deben tenerse también en cuenta las características urbanas (zonas asfaltadas y zonas verdes naturales), las condiciones climáticas y la pluviometría, etc.

Esta investigación toma como referencia y se desarrolla en continuidad con un proyecto de I+D titulado 'Desarrollo de un novedoso sistema de captación de energía residual de aguas urbanas para su uso en climatización de edificios, RESIDAQUA' (2019-2021), desarrollado por Fernández Molina Obras y Servicios S.A., ENERES y la Universidad Politécnica de Madrid (ETSEM, UPM), financiado por el Centro de Desarrollo Tecnológico Industrial (CDTI).

Caso de estudio y desarrollo de la investigación

El caso de estudio de esta investigación, ubicado en Madrid, es el edificio de oficinas Apolonio Morales 29. Tras una rehabilitación integral culminada en 2009, este edificio es un buen referente de edificación de buenas prácticas energéticas con estrategias pasivas y activas. La edificación actual es un prisma rectangular parcialmente escalonado, que cuenta con un área total de 803 m², y un sistema de aparcamiento semi robotizado, con 14 plazas en tres niveles diferentes.

1. Edificio Apolonio Morales 29 y su aparcamiento robotizado. Fuente: Fernández Molina Obras y Servicios S.A, ENERES, Mario Benito.

El sistema de calefacción y refrigeración del edificio se fundamenta en potenciar el uso a través de su estructura termoactiva (TABS) de la inercia térmica de la estructura de hormigón armado del edificio existente. El sistema se complementa con dos bombas de calor geotérmicas, de condensación por agua, una red de distribución de agua corta e integrada en los TABS, sistemas de acumulación o absorción de energía, asociados al uso de la masa de los forjados del edificio y recursos de gestión y control diseñados a la medida del sistema.

El sistema de captación de energía térmica es un sistema híbrido que permite intercambiar energía con dos fuentes renovables:

Energía geotérmica de muy baja entalpía, obtenida a través de 22 pilotes de 10 metros y 6 sondas verticales de 100 metros de profundidad, separadas entre sí, 5 metros para optimizar el intercambio geotérmico.
Energía térmica procedente de las aguas residuales, mediante un intercambiador instalado en un aljibe, que recoge el agua de las arquetas del sistema de drenaje del subsuelo del edificio. La primera arqueta está situada a una cota inferior a la del nivel freático, y la segunda arqueta está posicionada a una cota superior a la del drenaje de aguas subterráneas. En esta última, se recogen el agua de la primera arqueta (gracias a un sistema de bombeo), y el agua de lluvia de toda la superficie del edificio (tanto de la cubierta como del patio).

En la imagen 2, se muestra el intercambiador de calor de aguas residuales, instalado en las paredes del aljibe y conectado en circuito cerrado al colector geotérmico. Se trata de un prototipo, instalado en el marco del proyecto I+D RESIDAQUA, con el objetivo de estudiar la capacidad de aprovechamiento térmico de las aguas freáticas y de lluvia procedentes del subsuelo. Consiste en un circuito de tuberías en espiral de 100 m de PEx Φ 20 mm con una capa de barrera anti-oxígeno EVAL. Este aljibe está enterrado bajo la sala de máquinas del edificio y tiene un volumen máximo de 12 m³.

2. Intercambiador de calor de aguas residuales (aguas subterráneas y pluviales) en el edificio Apolonio Morales, 29. Fuente: Fernández Molina Obras y Servicios S.A y ENERES.

El sistema de calefacción y refrigeración del edificio se encuentra monitorizado por un sistema de control centralizado (BMS), que consta de un módulo de control capaz de ser gestionado en remoto. A este módulo se conectan, vía BUS, una serie de sondas de registro de temperaturas: de los espacios interiores, del ambiente exterior y del agua caliente sanitaria. Se contabiliza la energía obtenida por el intercambiador geotérmico a través de un contador Kamstrup, que mide el caudal, la temperatura y la energía térmica del fluido. En cuanto a la energía final de consumo, se cuenta con un contador de las mismas caracteríticas para contabilizar la aportación térmica de los forjados termoactivos.

La visualización de datos históricos o en tiempo real se realiza a través de una interfaz gráfica que permite realizar análisis de tendencias en relación con los parámetros medidos en los distintos puntos del sistemas. La información se recoge y registra en una base de datos para su posterior evaluación por el gestor energético del edificio.

3. Dispositivos de control y medición del edificio Apolonio Morales, 29. Fuente: Fernández Molina Obras y Servicios S.A y ENERES.

Además del sistema de monitorización existente en el edificio se monitoriza también la temperatura y el caudal de las aguas residuales en un punto del sistema de alcantarillado cercano al edificio. En este punto, en el marco del proyecto de I+D RESIDAQUA, se implantó un limnímetro para medir el caudal de agua residual, un sensor de temperatura del aire del ambiente interior del alcantarillado y una sonda de temperatura sumergida en el agua residual. Todo ello se cableó mediante cables de protección anti roedores hasta el data Logger y el emisor con batería, que están situados próximos a la entrada a nivel calle. Con este sistema quedan registrados los datos cada 5 minutos y pueden ser gestionados en remoto permitiendo su monitorización continua.

4. Dispositivos de control y medición en el sistema de alcantarillado (Paseo de la Habana). Fuente: Fernández Molina Obras y Servicios S.A y ENERES.

Mediante el procesamiento de los datos registrados por el sistema de monitorización, ha sido posible analizar la eficiencia de las bombas de calor (COP/EER) y la energía proporcionada por la fuente, en comparación con la energía total requerida por el edificio para calefacción y refrigeración.

En este sentido, ya que las bombas de calor reciben la contribución energética de todas las fuentes, gracias a los intercambiadores de calor, que forman parte del sistema, y el resto se obtiene de la energía eléctrica consumida, se comparó el rendimiento de las bombas de calor funcionando con el sistema de intercambiadores actual del edificio (geotérmicos + aguas subterráneas y pluviales) con un sistema de intercambiador hipotético (aguas residuales urbanas). El objetivo de ambos sistemas estudiados es cubrir la energía demandada por el edificio de oficinas Apolonio Morales 29 para calefacción y refrigeración.

Finalmente, se manejó otra hipótesis en el supuesto de que el diseño el intercambiador de aguas residuales del edificio (aguas subterráneas y pluviales) se instalase directamente en la galería de la red de saneamiento y tuviese más capacidad que el actual, integrado en el aljibe, y permitiendo explotar el máximo potencial de esta fuente de intercambio.

La tabla 1 ilustra dichas fuentes y, por consiguiente, los diferentes intercambiadores de calor considerados en este estudio:

Tabla 1.

Resultados

Esta investigación demuestra que las aguas residuales procedentes de redes de alcantarillado con un caudal superior a 5 l/s pueden proporcionar energía térmica suficiente para satisfacer la demanda energética de un edificio de oficinas de alta eficiencia y baja exergía (60 W/m² y 24 kWh/m² año).

El caudal y la temperatura de las aguas residuales son parámetros que afectan directamente al cálculo de la potencia térmica disponible en la red de alcantarillado. La red de alcantarillado urbano garantiza un caudal suficiente y una renovación continua del agua durante todo el año que garantizan una capacidad constante de intercambio energético en todas las estaciones. Tal y como se muestra en la imagen a continuación, las aguas residuales procedentes del sistema de alcantarillado urbano tienen un rango de temperatura constante y favorable, de entre 15 °C a 25 °C, a lo largo del año, debido al aporte continuo de calor del agua caliente residual vertida por la edificación. Esto demuestra la rentabilidad agregada de un intercambiador en la red de alcantarillado, que adecuadamente dimensionado, podría garantizar la cobertura de la demanda energética del edificio con el máximo rendimiento (COP/EER).

5. Análisis anual de las fuentes de energía renovable. Fuente: Elaboración propia.

En el caso de los ensayos realizados en el edificio Apolonio Morales 29, hemos comprobado que la contribución energética de las aguas residuales del alcantarillado, resultante del uso de agua caliente sanitaria vertida a la red de saneamiento, es claramente beneficiosa en los escenarios de calefacción, tal y como se muestra en la imagen siguiente. El intercambio instantáneo con las aguas residuales del sistema de alcantarillado podría dar lugar a mejoras de rendimiento de más del 22% en calefacción, en comparación con el de nuestro sistema geotérmico. En cambio, en nuestro caso, no es tan favorable para mejorar el rendimiento del sistema geotérmico en los escenarios de refrigeración. Hemos comprobado que la variación del rendimiento al sustituir un sistema geotérmico por un sistema que intercambia energía con aguas residuales podría ser de hasta un 5%. Además, hay que tener en cuenta que el sistema geotérmico de Apolonio Morales ya se beneficia de una capacidad agregada de disipación de calor incrementada por un flujo constante de agua subterránea a temperatura en torno a 16°C.

6. Análisis de cobertura de la demanda con intercambiador de calor: fuente aguas residuales urbanas. (a) Modo calefacción en invierno (Escenario 2. 8-14 marzo 2021) (b) Modo refrigeración en invierno (Escenario 8. 14-27 de septiembre de 2020). Fuente: Elaboración propia.

La imagen 7 muestra los resultados del análisis del rendimiento de las bombas de calor, con los diferentes intercambiadores de calor estudiados. En este caso, se puede concluir que, la contribución energética del agua de lluvia es más favorable en los escenarios de refrigeración que en los de calefacción, mejorando el rendimiento del sistema en más de un 14% en comparación con un sistema geotérmico. Este resultado puede explicarse por el hecho de que el volumen de agua vertida al sistema de alcantarillado tras un episodio de precipitaciones es capaz de reducir la temperatura de las aguas residuales de forma muy impactante.

7. Diagrama de cajas y bigotes del rendimiento de las bombas de calor con los distintos intercambiadores de calor (fuentes renovables). (a) Rendimientos en invierno. (b) Rendimientos en verano. Fuente: Elaboración propia.

El intercambio instantáneo de calor con las aguas residuales es un recurso estable y continuo de energía para refrigeración y calefacción que, asociado al uso de recursos inerciales, la estructura de los edificios o el terreno cubre la demanda de un edificio eficiente con la máxima eficiencia.

La experiencia realizada en Apolonio Morales 29 muestra el enorme interés de la hibridación de sistemas geotérmicos y sistemas de intercambio con aguas residuales. La mejora que supone aprovechar en un mismo sistema la capacidad de almacenamiento térmico de la primera y la capacidad instantánea de intercambio térmico hace posible implementar estrategias de cobertura de la demanda a partir de recursos renovables y residuales recuperados, con muy alta eficiencia.