Recupero di calore dalle acque reflue delle docce

Il recupero di calore delle acque reflue delle docce è il processo di cattura dell'energia termica contenuta nelle acque reflue calde (ad esempio quelle delle docce) e di trasferimento all'acqua dolce fredda in entrata. In pratica, viene installato uno scambiatore di calore in controcorrente o a film cadente, in modo che l'acqua grigia calda (ad esempio, ~25-35 °C) passi su un lato dello scambiatore, mentre l'acqua fredda in entrata (~10-15 °C) scorre sull'altro lato. L'acqua fredda viene preriscaldata (ad esempio a ~20-28 °C) prima di entrare nella caldaia o nel generatore di acqua calda, riducendo così il fabbisogno di combustibile/energia elettrica.

Questo approccio sfrutta il flusso simultaneo di acque reflue e di acqua dolce - soprattutto nelle applicazioni per docce - per consentire il trasferimento di calore in tempo reale senza richiedere grandi sistemi di accumulo termico.

I risparmi dipendono da una serie di fattori (temperatura dell'acqua di scarico, temperatura dell'acqua fredda in ingresso, portata, efficacia dello scambiatore di calore). Tuttavia, i sistemi industriali e commerciali tipici indicano risparmi fino al 50% circa della domanda di riscaldamento dell'acqua calda. Ad esempio, una guida europea mostra che i sistemi di recupero del calore dell'acqua di scarico della doccia possono recuperare fino al 60% dell'energia relativa alla doccia in alcuni casi.

Un altro riferimento per applicazioni domestiche/meno intensive riporta riduzioni del 31-36 % (o fino al 41-47 % con backup a immersione) nel consumo di acqua calda elettrica.

Pertanto, per un hotel o un complesso di piscine, l'implementazione di un sistema adeguatamente dimensionato (ad esempio, con uno scambiatore a film cadente ad alto coefficiente di trasferimento di calore) può fornire sostanziali risparmi sui costi di combustibile/utilità e migliorare le metriche di sostenibilità.

Questa tecnologia è particolarmente efficace nelle strutture che hanno un elevato utilizzo continuo o ripetuto di docce o cicli di risciacquo ad acqua calda e quindi un significativo deflusso di acque reflue calde. Le aree di impiego tipiche includono:

• Hotel, resort e centri benessere con molte docce per gli ospiti
• Piscine pubbliche o commerciali, centri benessere, strutture sportive e ricreative
• Sistemi di docce industriali (docce per i dipendenti, sistemi di risciacquo delle linee di produzione)
• Progetti di ristrutturazione su larga scala in cui il fabbisogno di acqua calda è elevato ed esistono obiettivi di efficienza energetica
  Le referenze indicano che i sistemi sono utilizzati in "impianti sportivi, parrucchieri, hotel e piscine".

In breve: gli scenari di "alta portata, alto turnover, uso prevedibile" offrono il miglior ROI.

Quando si specifica un sistema di recupero di calore per docce e acque reflue per uso industriale/commerciale, i parametri tecnici chiave includono:

• Coefficiente di trasferimento del calore (valore U): Valori elevati (ad esempio fino a ~2000 W/m² K) indicano uno scambio efficiente. (Si vedano, ad esempio, i dati relativi agli scambiatori a film cadente).
• Materiale e igiene: L'uso di acciaio inossidabile (ad esempio, AISI 316Ti) è preferibile per l'igiene, la resistenza alla corrosione e la longevità in un ambiente di docce/acque reflue.
• Contemporaneità del flusso: Per i sistemi istantanei, i flussi di acqua di scarico e di acqua fredda devono coincidere (soprattutto nelle docce) per un recupero ottimale.
• Intervallo di pressione/temperatura del sistema: È necessario definire la temperatura di alimentazione a freddo, la temperatura dell'acqua di scarico, la temperatura di ritorno e la caduta di pressione consentita.
• Accesso per la pulizia/manutenzione: Soprattutto per le acque reflue che possono contenere sporcizia, lanugine, residui di sapone o altri contaminanti, lo scambiatore deve essere accessibile per la pulizia o avere caratteristiche anti-incrostazioni.
• Integrazione/compatibilità: Deve essere in linea con la caldaia esistente/la generazione di acqua calda, i circuiti idraulici, i vincoli di spazio e i regimi di manutenzione.

No, non necessariamente. L'integrazione può essere semplice, a seconda della progettazione del sistema. Alcune considerazioni:

• Nelle nuove costruzioni, lo scambiatore di calore può essere integrato nello scarico della doccia o nelle tubature adiacenti; nelle ristrutturazioni di hotel/piscine può richiedere l'adattamento delle tubature e dello spazio.
• Poiché l'uso della doccia è tipico e prevedibile, il sistema non richiede necessariamente un grande accumulo termico se si utilizza il recupero istantaneo.
• La manutenzione deve essere pianificata, ma molti sistemi moderni sono progettati per essere puliti senza un arresto totale (soprattutto quelli a film cadente). Questo limita le interruzioni operative.

Pertanto, sebbene sia necessaria una certa pianificazione e un adattamento delle tubazioni, i vantaggi sono spesso superiori allo sforzo di installazione.

Il periodo di ammortamento dipende da variabili specifiche del sito: volume di consumo di acqua calda, costi di energia/combustibile, efficienza del sistema e costi di installazione. I riferimenti tipici per i sistemi residenziali indicano periodi di ammortamento compresi tra 2,5 e 7 anni (per il recupero di calore dell'acqua di scarico domestica).

Per i sistemi commerciali/industriali (ad esempio, hotel, piscine) con grandi carichi, il ritorno dell'investimento può essere significativamente più breve a causa del potenziale di risparmio energetico più elevato (50 %+). La prassi migliore è quella di eseguire un'analisi dei costi dell'intero ciclo di vita (LCCA) che includa il costo del capitale, i risparmi energetici previsti, i costi di manutenzione e la durata del ciclo di vita dello scambiatore.

È necessario affrontare diverse questioni, soprattutto nelle installazioni commerciali-industriali (hotel/piscine):

• Separazione dell'acqua potabile da quella non potabile: Lo scambiatore di calore deve garantire l'assenza di miscelazione tra acqua di scarico e acqua dolce. A seconda delle normative locali, possono essere richieste opzioni a doppia parete o di rilevamento delle perdite.
• Prestazioni termiche e temperatura di caduta: Il sistema non deve ridurre la temperatura delle acque reflue al di sotto di soglie che potrebbero compromettere il trattamento a valle (se si scarica in fognatura) o causare la crescita microbica. Alcune indicazioni suggeriscono che le acque reflue non dovrebbero essere raffreddate al di sotto di ~10 °C nei sistemi fognari.
• Idoneità del materiale e pulizia: In un ambiente di docce e acque reflue con sapone, oli, pelucchi, ecc. i materiali devono resistere alle incrostazioni e alla corrosione e il design deve facilitare la pulizia.
• Conformità ai regolamenti edilizi e alle normative sull'efficienza energetica: Molte giurisdizioni riconoscono il recupero di calore delle acque reflue (WWHR) nei codici energetici degli edifici o nei metodi di calcolo.

Pertanto, le specifiche tecniche devono includere la separazione igienica, i materiali corretti, l'accesso per la manutenzione e la conformità.

Nel recupero di calore delle acque reflue industriali (come docce, lavanderia, acque reflue di processo) la scelta del tipo di scambiatore è importante:

• Gli scambiatori di calore a film cadente (design aperto, acciaio inossidabile) offrono coefficienti di trasferimento del calore molto elevati, basse perdite di carico e facilità di pulizia/accessibilità durante il funzionamento. Ad esempio, la documentazione del prodotto mostra che il Refrigeratori Falling Film in acciaio inossidabile a sistema aperto consente la pulizia anche durante il funzionamento.
• Gli scambiatori di calore a piastre possono funzionare bene, ma possono subire maggiori incrostazioni nelle applicazioni con acque reflue e richiedere tempi di inattività per la manutenzione.
• In ambienti con contaminazione elevata e flusso variabile (ad esempio, docce industriali, grandi alberghi, piscine), la robustezza e la facilità di pulizia del design a film cadente lo rendono spesso la scelta preferita.

Per questo motivo, quando si sceglie un impianto commerciale/industriale, gli scambiatori a film cadente offrono spesso una migliore affidabilità operativa e minori tempi di inattività per la manutenzione.

Durante la progettazione è necessario valutare diversi fattori limitanti o rischi:

• Non simultaneità dei flussi: se l'acqua di scarico calda (sorgente) e l'alimentazione ad acqua fredda (lavello) non coincidono in termini di tempo o di flusso, il recupero diminuisce (a meno che non venga aggiunto uno stoccaggio).
• Bassa temperatura dell'acqua di scarico o bassa portata: Se l'acqua di scarico è solo modestamente calda o i flussi sono bassi, l'energia disponibile per il recupero potrebbe non giustificare il costo. L'efficienza può diminuire.
• Incrostazioni e manutenzione: I contaminanti presenti nelle acque reflue (sapone, lanugine, sedimenti) possono ridurre l'efficienza del trasferimento di calore e aumentare i costi di manutenzione, richiedendo un'attenta selezione del design dello scambiatore e del regime di pulizia.
• Problemi di integrazione: I retrofit possono incontrare vincoli nelle tubazioni, nello spazio e nella configurazione idraulica esistenti o richiedere tempi di inattività.
• Convenienza economica: I calcoli specifici del sito devono confermare che i risparmi sui costi di combustibile/utilità, i costi di manutenzione e il costo del capitale si allineano per fornire un ROI accettabile.

Valutando proattivamente questi fattori, i responsabili e gli ingegneri dell'impianto possono ridurre i rischi e ottimizzare le prestazioni del sistema.

• Valutazione di base: Misurare l'attuale utilizzo dell'acqua calda (volume dell'acqua della doccia, temperature, flussi), la temperatura e il volume di scarico delle acque reflue, i costi delle utenze/dei combustibili, le prestazioni attuali della caldaia/sistema di acqua calda.
• Studio di fattibilità: Definire la temperatura dell'acqua fredda in ingresso, la temperatura dell'acqua di scarico, la simultaneità dei flussi, i vincoli di spazio, la tempistica, il regime di manutenzione. Quantificare il potenziale risparmio di energia/combustibile (utilizzare valori di riferimento: fino a ~50 %).
• Specifiche dell'unità di recupero del calore: Selezionare il design dello scambiatore (ad esempio, acciaio inossidabile a film cadente), le dimensioni per i flussi, garantire la separazione igienica, i materiali, l'accesso per la pulizia, i valori di pressione/temperatura, l'integrazione nel sistema esistente.
• Analisi economica: Costo del capitale, costo dell'installazione, tempi di inattività, costi di manutenzione, risparmi previsti, periodo di ammortamento.
• Pianificazione dell'integrazione: Allineamento con i sistemi HVAC/idraulici/acqua calda esistenti, garanzia di controlli, monitoraggio (per catturare i risparmi), conformità alle normative (codice edilizio, igiene).
• Installazione e messa in servizio: Installare con il minimo disturbo, assicurare che il circuito di preriscaldamento sia correttamente integrato, convalidare le prestazioni (temperature, flusso, consumo energetico) e impostare il monitoraggio per verificare i risparmi.
• Monitoraggio e ottimizzazione: Dopo la messa in funzione, monitorare l'effettivo utilizzo di energia, garantire un piano di manutenzione, pulire le superfici dello scambiatore se necessario, confrontare i risparmi effettivi con quelli previsti e regolare di conseguenza i controlli e i flussi.