Uso de calor de águas residuais de esgoto geradas localmente: estudo de caso casa de repouso Hofmatt, Suíça

As águas residuais como fonte de calor para sistemas de bombas de calor representam uma fonte de energia altamente eficiente e um dissipador de energia. No entanto, seu uso é frequentemente limitado a grandes diâmetros de esgoto e altas taxas de fluxo. Este artigo apresenta uma alternativa ao uso de calor de águas residuais de esgoto: o uso do calor de exaustão das águas residuais geradas localmente como fonte de energia regenerativa e sustentável para a produção de água de serviço e aquecimento de edifícios, como no exemplo da casa de repouso Hofmatt, na Suíça, descrito abaixo.

Introduzindo

Devido à qualidade sempre melhorando das conchas dos edifícios, a demanda de calor dos edifícios modernos está diminuindo continuamente. As conchas modernas garantem, no maior grau possível, que o ar ambiente escape ou seja liberado para o ar livre através de trocadores de calor, de modo que o mínimo possível de energia seja perdido. Esse potencial energético também está oculto em nossas águas residuais, mas geralmente escorre pelo sistema de esgoto sem ser utilizado. É aqui que a utilização do calor das águas residuais entra em jogo. O objetivo é o uso adicional da energia contida nas águas residuais.

Para alcançar isso, são necessários trocadores de calor para separar o fluxo de águas residuais sujas de um fluxo de água de resfriamento limpa. Esses trocadores de calor estão disponíveis para instalação em um esgoto ou para instalação externa acima do solo. São sistemas testados em campo que comprovaram sua eficiência.

A maioria dos projetos realizados anteriormente utiliza o fluxo de águas residuais quando já chegou ao esgoto. Na casa de repouso Hofmatt, na Suíça, decidimos seguir um caminho novo e muito promissor: Usamos o fluxo interno de águas residuais para recuperar energia a ser usada para fins de aquecimento e para aquecer a água de serviço.

O uso de águas residuais na fonte tem um grande potencial. A produção diária per capita de águas residuais é de 130 l em média. A água tem uma temperatura de 23-25 °C. Quando resfriado por 15 K, aproximadamente 2,26 kWh de energia podem ser recuperados por dia e por pessoa. Com uma demanda de energia anual permitida de 55 kWh/m² de acordo com o KfW85 e assumindo 170 dias de aquecimento, essa quantidade de energia é suficiente para aquecer aproximadamente 7 m² de espaço habitável a 100% de serviço.  Um dos maiores vazamentos de energia dos edifícios modernos pode ser fechado diretamente desta maneira (veja a figura 2).

Localizada no cenário pitoresco perto da "cidade do jardim" Münchenstein, não muito longe de Basileia, a casa de repouso Hofmatt é uma fundação da família Zaeslin em memória de seus dois filhos que faleceram em um acidente de trem em 1891. Naquela época, Hofmatt era uma casa de lazer para convalescentes do hospital em Basileia. A partir de 1940, a casa foi usada como protetora antes, nos anos sessenta, de se tornar um lar de idosos e lares de idosos. A primeira ala com cerca de 60 camas foi construída de 1966 a 1968, a ala oeste adicional foi erguida em 1977. A casa foi modernizada pela primeira vez em 1984 e outra extensão seguiu em 1995, que lançou as bases para o berçário com 124 camas.

Em 2010, o planejamento começou a renovar completamente e expandir novamente o edifício. Foi na IFAT 2010 que a HUBER SE apresentou pela primeira vez um trocador de calor especialmente projetado para aplicações de águas residuais. Quando os engenheiros do ETA Group souberam disso, apresentaram sua ideia de pequenas soluções descentralizadas para a utilização do calor das águas residuais. Muito rapidamente ficou claro que o RoWin era o tipo de trocador de calor que seria ideal para a ideia de utilização de calor de águas residuais para a Hofmatt.

O lar de idosos e creches está em renovação desde 2012 e dois novos blocos serão adicionados ao edifício. A modernização do edifício inclui um conceito de energia completamente novo. A utilização do calor residual das águas residuais internas e da cantina desempenham um papel importante neste conceito. Todas as águas residuais geradas no complexo são coletadas em um poço na frente da casa (ver figura 1) e, em seguida, fluem através do Trocador de calor com águas residuais HUBER RoWin. Neste processo, a energia térmica é extraída do fluxo de águas residuais quentes a 23 °C e fornecida a uma bomba de calor.

No início da fase de planejamento, eles pensaram em instalar um trocador de calor limpo manualmente. Com um trocador de calor limpo manualmente, as águas residuais passam por uma unidade de filtro quando entram no sistema para garantir que o trocador de calor esteja protegido contra material grosso. Devido à formação de biofilme e à falta de limpeza preventiva da superfície, o sistema deve ser limpo manualmente, o que causa altos custos de manutenção. Além disso, é necessário um eixo bastante grande para alojar o trocador de calor.

Assim, a empreiteira EBM decidiu, juntamente com os proprietários e operadores da usina, usar um sistema HUBER RoWin que faz o seu trabalho sem a necessidade de manutenção devido à limpeza totalmente automática dos módulos do trocador de calor.  Além disso, um gerador de turbulência garante que a capacidade de transferência de calor seja constantemente alta mesmo com alimentação em lote. A instalação de uma tela totalmente automática no poço de águas residuais garante que a bomba e o trocador de calor estejam protegidos de forma confiável contra materiais grossos. Além disso, um poço de águas residuais muito menor foi suficiente. Tampas das aberturas de inspeção à prova de gás e odor foram instaladas no poço (veja a figura 3). Portanto, foi possível colocar o poço diretamente ao lado do edifício sem incomodar os residentes com emissões.

Uma bomba de calor de compressor de pistão com condensação direta é usada no lado de aquecimento. A bomba é capaz de aquecer a água quente doméstica nos tanques de armazenamento combinados até 70 °C. A conexão de aquecimento distrital da EBM Münchenstein está disponível como backup a 100% e para lidar com picos de carga. A ideia da estação de aquecimento distrital especial com partes da instalação totalmente integradas veio da HLK Consulting GmbH em Dornach. Seu conceito incluía aquecimento de água de serviço combinado com aquecimento suplementar em vez de mero aquecimento de água de serviço. Essa solução já foi implementada há 15 anos em várias instalações em Basileia, onde o calor de exaustão dos processos de resfriamento era usado como fonte de calor. Neste caso, a fonte de calor é a água residual. O ETA Group era responsável pelo fornecimento chave na mão da fábrica. Além disso, os controles elétricos para toda a planta vieram das canetas do Grupo ETA. O conceito geral da usina não custou mais do que a solução inicialmente planejada, embora também forneça maior uso do calor de exaustão através do aquecimento suplementar.

A HUBER SE forneceu o trocador de calor HUBER RoWin tamanho 4S, o menor tamanho disponível, e a peneira ROTAMAT® RoK 1. O trocador de calor foi instalado no porão do edifício ao lado da bomba de calor (consulte a figura 4).

O ETA Group forneceu uma bomba de calor com compressor de pistão e condensação direta, capaz de aquecer a água doméstica até 70 °C. O ETA Group instalou tanques de armazenamento Jenni que são adequados para operação com condensação direta. Como nenhum outro trocador de calor é usado, a eficiência do sistema pode ser melhorada e também a temperatura alcançável aumenta. Dentro do tanque de armazenamento estratificado, a água quente de serviço é mantida disponível com uma temperatura de 65 °C na seção superior, com 30-40 °C para aquecimento do edifício no meio e com 25 °C na seção inferior para resfriamento adicional do agente refrigerante liquefeito. O compressor controlado por velocidade aumenta a eficiência no modo de carga parcial.

Experiência operacional

A instalação foi iniciada em 2012. Tanto o ETA Group quanto a EBM Münchenstein deram uma avaliação positiva sobre os dois anos de experiência operacional.

Desde que os problemas de dentado foram resolvidos, o sistema produziu água de serviço quente a 65 °C e garantiu o abastecimento de uma grande parte do aquecimento com uma relação de eficiência energética de 3,2. Até agora, a manutenção não foi necessária, nem para o trocador de calor nem para o poço de coleta.

Este projeto foi ideal para as partes envolvidas ganharem experiência em pequena escala sobre como operar essas plantas. Agora, eles estão bem preparados para integrá-los ao planejar projetos maiores.

Em edifícios modernos, uma grande parte da energia térmica é necessária para produzir água quente que, em seguida, é descarregada para o sistema de esgoto e a estação de tratamento de esgoto sem fazer uso do potencial energético contido. Essa lacuna energética agora pode ser preenchida com o uso do calor das águas residuais. A energia liberada pode ser recuperada. Isso reduz a demanda de energia primária e as emissões de CO ₂. Assim, a utilização do calor das águas residuais pode contribuir muito para a otimização energética geral dos edifícios. A utilização do calor das águas residuais também é reconhecida como uma medida alternativa regenerativa de acordo com a Lei de Calor de Energias Renováveis (EEWärmeG).

Os projetos futuros, no entanto, não só devem se concentrar na recuperação de calor apenas a partir de águas residuais, como também a possibilidade de resfriamento com águas residuais deve ser considerada. Através da reversão simples do circuito da bomba de calor, o mesmo sistema usado para aquecer o edifício no inverno pode ser usado para resfriamento no verão. Isso resulta em uma redução significativa do período de amortização sem a necessidade de instalar equipamento adicional para resfriamento.

Devido à sua história de mais de 130 anos, a HUBER é um parceiro confiável quando se trata de planejamento de projetos e consegue satisfazer os clientes com seus produtos técnicos de alta qualidade. Graças à rede global de vendas da empresa, as soluções técnicas necessárias para a utilização do calor das águas residuais podem ser disponibilizadas aos clientes em todos os continentes do mundo.

O recurso de águas residuais facilmente disponível, processos curtos de tomada de decisões e ter fonte de energia e dissipador de energia sob um mesmo teto são boas razões a favor desse tipo de planta. Sob condições-quadro adequadas, é certamente recomendável repetir o conceito.

Em edifícios modernos, uma grande parte da energia térmica é necessária para produzir água quente que, em seguida, é descarregada para o sistema de esgoto e a estação de tratamento de esgoto sem fazer uso do potencial energético contido. Essa lacuna energética agora pode ser preenchida com o uso do calor das águas residuais. A energia liberada pode ser recuperada. Isso reduz a demanda de energia primária e as emissões de CO ₂. Assim, a utilização do calor das águas residuais pode contribuir muito para a otimização energética geral dos edifícios. A utilização do calor das águas residuais também é reconhecida como uma medida alternativa regenerativa de acordo com a Lei de Calor de Energias Renováveis (EEWärmeG).

Os projetos futuros, no entanto, não só devem se concentrar na recuperação de calor apenas a partir de águas residuais, como também a possibilidade de resfriamento com águas residuais deve ser considerada. Através da reversão simples do circuito da bomba de calor, o mesmo sistema usado para aquecer o edifício no inverno pode ser usado para resfriamento no verão. Isso resulta em uma redução significativa do período de amortização sem a necessidade de instalar equipamento adicional para resfriamento.

Devido à sua história de mais de 130 anos, a HUBER é um parceiro confiável quando se trata de planejamento de projetos e consegue satisfazer os clientes com seus produtos técnicos de alta qualidade. Graças à rede global de vendas da empresa, as soluções técnicas necessárias para a utilização do calor das águas residuais podem ser disponibilizadas aos clientes em todos os continentes do mundo.

O recurso de águas residuais facilmente disponível, processos curtos de tomada de decisões e ter fonte de energia e dissipador de energia sob um mesmo teto são boas razões a favor desse tipo de planta. Sob condições-quadro adequadas, é certamente recomendável repetir o conceito.