Recupero delle acque meteoriche
Prof. Alberto Campisano
Università degli Studi di Catania, CSDU
Corso «Fognature e deflussi urbani
Soluzioni progettuali e tecnologie innovative»
16 e 17 settembre, 23 e 24 settembre, 30 settembre
Con il contributo incondizionato di
In collaborazione con Con il patrocinio di
Introduzione
• Crescita della domanda, diminuzione delle risorse disponibili e aumento dei problemi di inquinamento hanno determinato un aumento dell’attenzione verso il recupero e il riuso domestico delle acque.
• Metodologie strutturali:
▪ Introduzione di sistemi a basso consumo (erogatori a basso flusso, limitatori di portata, cassette WC a doppio risciacquo, etc.)
▪ Sistemi di recupero di acque meteoriche e grigie provenienti da: lavabi, docce e vasche da bagno (con reti differenziate)
• Metodologie non strutturali: campagne di sensibilizzazione, tariffe, etc.
Introduzione
• Una percentuale significativa (oltre il 30%) dell’acqua utilizzata nelle abitazioni è consumata per il risciacquo al WC (Butler et al., 2006)
• Tale percentuale può raggiungere il 60% negli edifici commerciali (Shouler et al., 1998)
5%
26%
24% 15%
30%
Kitchen Bathroom Laundry Gardens Toilets
(Christova-Boal et al., 2002)
● L’uso interno più immediato delle acque di pioggia e grigie prevede il loro indirizzo verso il risciacquo dei WC
● L’uso esterno principale riguarda l’irrigazione dei giardini in quanto il consumo è dell’ordine del 20-30% (la domanda è stagionale)
Usi possibili (non potabili)
Alcune realizzazioni nel mondo
(Lazarova et al., 2003)
Millennium Dome – UK
● Progetto “Watercycle” (Hills et al., 2001) sviluppato da Thames Water a Londra.
● Centro esposizioni e convegni – 6.500.000 visitatori/anno, impianto idropotabile con capacità di 500 m3/giorno
● Obiettivo: ridurre la richiesta idropotabile mediante riuso di acque di pioggia, grigie e di falda (trattate) per il risciacquo di tutti i WC (circa 900)
Millennium Dome – UK
Lo schema prevede:
- il recupero delle acque piovane dalla copertura del Dome e il loro trattamento (max 100 m3/giorno)
- il recupero delle acque grigie dai lavabi dei bagni, filtrazione e clorazione
- il prelievo di acque dall’acquifero sottostante l’edificio (acque organicamente contaminate e salmastre), trattamento con carboni attivi e filtrazione
Millennium Dome – UK
● Le misure acquisite nel periodo 2000–2002 hanno condotto ai seguenti risultati:
- Volume complessivo di acque riutilizzate alle cassette di
risciacquo pari al 55% del consumo dell’edificio.
Problemi:
- Tecnici e logistici: principalmente connessi alla realizzazione di reti separate per l’adduzione alle cassette dei WC delle acque recuperate
- Costi: elevati sia per la realizzazione sia per l’indagine sperimentale. Ammortamento del sistema stimato in 5 anni.
Millennium Dome – UK
Applicazioni in Italia
Ravenna: condominio con 18 appartamenti, introduzione di erogatori a basso flusso per docce e rubinetti. Confronto tra consumi ha mostrato un risparmio medio del 20%.
Fusignano: 40 docce con dispositivi riduttori di flusso (Risparmio medio del 14%)
Bologna: introduzione di cassette WC a doppio sciacquone, erogatori a basso flusso in vari impianti sportivi (Risparmio medio del 18%)
Progetto Riccione: Campagne di sensibilizzazione ai clienti degli alberghi e erogatori a basso flusso. Incentivo albergatori (sconto del 6% in bolletta). Costi ammortizzati in 6 mesi.
Progetto Casanova_Bolzano: Nuovo quartiere ecosostenibile
«Casanova» con sistemi per recupero di acqua meteorica per uso interno ed esterno.
Progetto Aquasave - ENEA
● Installazione di sistemi per riuso e risparmio idrico in un edificio appositamente realizzato denominato “salva acqua”.
● Realizzazione di un edificio identico approvvigionato in maniera convenzionale per il confronto dei consumi.
Apparecchiature installate nell’edificio “salva acqua”:
● Sistema di riuso dell’acqua grigia proveniente da docce, vasche da bagno, lavandini dei bagni verso i WC
● Sistema di raccolta dell’acqua meteorica avviata verso lavastoviglie e lavatrici
● Cassette WC a doppio risciacquo (9 litri/
3.5 litri)
● Erogatori a basso flusso con aeratore (fino a 5 l/min)
● Lavatrici che richiedono 60 l per ciclo
● Lavastoviglie che richiedono 14 l per ciclo
Progetto Aquasave - ENEA
Risparmio di acqua potabile pari a oltre il 55% del consumo domestico così suddiviso:
- Circa 30% per mezzo dei componenti a basso consumo di acqua;
- Circa 25% per mezzo del riuso delle acque recuperate.
Progetto Aquasave - ENEA
Recupero acque meteoriche. Aspetti normativi
Art. 96, comma 4:
“La raccolta di acque piovane in invasi e cisterne al servizio di fondi agricoli o di singoli edifici ad uso civile o industriale è libera e non richiede licenza o concessione di derivazione d’acqua, pur rimanendo la realizzazione dei relativi manufatti regolata dalle leggi in materia di edilizia, di costruzioni delle zone sismiche, di dighe e sbarramenti e da altre leggi speciali”
● D.Lgs. n.152 del 3 aprile 2006
● In Italia esiste una norma specifica (UNI/TS 11445 del 2012).
● Fungono da riferimento anche le prescrizioni tedesche (DIN 1989 del 2002) e inglesi (BS 8515 del 2009)
● Prescrizioni/norme tecniche UNI, ISO, CEN e DIN per la progettazione, esecuzione e manutenzione degli impianti
● D.M. n. 185 del 12 giugno 2003 “Regolamento recante norme tecniche per il riutilizzo delle acque reflue in attuazione dell’articolo 26, comma 2, del D.Lgs.
11 maggio 1999, n. 152”
Aspetti normativi
Norma tecnica UNI/TS 11445 del 2012:
● Informazioni generali sulle modalità di progettazione, installazione e manutenzione.
Focus su funzionalità e sicurezza (disconnessione con rete potabile, e caratteristiche aree di raccolta)
● Progettazione. Focus sulle metodologie di progettazione e di calcolo
● Serbatoi. Materiali, tipi, installazione, impermeabilità, etc.
● Accessori. Pompe, tubazioni etc.
● Condizioni d’uso e trattamento.
Focus su dispositivi di flitrazione e sedimentazione
Aspetti normativi
Norma tecnica UNI/TS 11445 del 2012 :
● Dimensionamento delle tubazioni delle acque di “servizio” per acque non potabili
● Regolamentazione dei punti di prelievo (indicazioni sul tipo di acqua, colore tubazione, etc.
Tipologie di serbatoi (acque meteoriche)
Diversori e filtri
Prima pioggia (diversori)
Intero evento (pre-filtraggio)
Intero evento (filtraggio)
Aspetti normativi
Altre norme tecniche
di interesse: ● UNI 5634:1997. Sistemi di identificazione delle tubazioni e canalizzazioni non interrate
● UNI 10724:2004. Sistemi di raccolta e smaltimento delle acque meteoriche. Istruzioni per la progettazione e l’esecuzione con elementi discontinui
● UNI EN 1295-1:1999. Progetto strutturale di tubazioni interrate sottoposte a differenti condizioni di carico
● UNI EN 1610:1999. Costruzione e collaudo di connessioni di scarico e collettori di fognatura
● UNI EN 12056-3:2001. Sistemi di scarico funzionanti a gravità all’interno degli edifici. Sistemi per l’evacuazione delle acque meteoriche, progettazione e calcolo
● UNI EN 476:2011. Requisiti generali per componenti utilizzati nelle tubazioni di scarico e nei collettori di fognatura per sistemi di scarico a gravità
● UNI EN 1717:2002. Protezione dall’inquinamento dell’acqua potabile negli impianti idraulici e requisiti generali dei dispositivi atti a prevenire l’inquinamento da riflusso
● Uso per il risciacquo al WC compatibile con la qualità delle acque meteoriche
● Serbatoi di raccolta non molto grandi (domanda al WC quasi costante durante l’anno) che consentono di ridurre i tempi di detenzione
● Vari studi sul risparmio idrico ottenibile con tali sistemi (Fewkes e Butler, 2000; Ghisi et al., 2007) e sulla loro sostenibilità economica (Sturm et al., 2009)
● Principale nodo progettuale: dimensionamento della capacità di accumulo: dipende da variabili locali (precipitazioni, superfici di raccolta, domande interne, etc.) (Aladenola e Adeboye, 2009)
Aspetti progettuali
Dimensionamento del serbatoio
●Metodi semplificati: tengono conto della sola domanda (demand side) o dei soli consumi (supply side). Limitazione: non considerano l’entità delle precipitazioni
●oppure di entrambi ma a scale temporali grandi. Limitazione: non tengono ben conto della variabilità temporale delle precipitazioni e delle domande).
●Metodi probabilistici: considerano le caratteristiche delle precipitazioni (parametri delle distribuzioni di probabilità).
Limitazione: i risultati non sono facilmente estendibili ad altre aree
●Metodi basati sulla simulazione in continuo del bilancio idrico del serbatoio. Limitazione: richiedono lunghe serie di dati di precipitazione e di domanda.
Metodologie
Metodo semplificato
(norma UNI/TS 11445 del 2012)
● Si presta bene per impianti di piccole-medie dimensioni
● Limitato alle seguenti condizioni di applicazione:
- Consumi uniformi nel corso dell’anno;
- Copertura come superficie prevalente di captazione;
- Perdite per evaporazione trascurabili.
● Occorre stimare il volume di precipitazione medio annuo:
Q = j x R x A (litri) j = coefficiente di afflusso
R = Precipitazione media annua (mm)
A = proiezione orizzontale della superficie di captazione (m2)
Metodo semplificato
(norma UNI/TS 11445 del 2012)
● Occorre stimare poi il volume medio richiesto nell’anno:
D = nxr x 365 (litri) n = numero di abitanti nell’edificio (-)
r = richiesta giornaliera pro-capite (litri/giorno)
Metodo semplificato
(norma UNI/TS 11445 del 2012)
●Si stima quindi il Volume utile del serbatoio:
Vu = min (Q, D) x 0,06 (litri)
Il coefficiente pari a 0,06 consente di tenere conto della variabilità degli afflussi (tempo medio asciutto pari a 21 giorni)
●Infine il Volume ottimale del serbatoio è pari a:
Vo = 1,5 x Vu (litri)
Il coefficiente pari a 1,5 consente di tenere conto di ulteriori variabilità nelle modalità di consumo.
Metodo semplificato
(norma UNI/TS 11445 del 2012)
I valori sulle curve si riferiscono alla precipitazione media annua (mm)
Metodo analitico basato sul bilancio idrico (norma UNI/TS 11445 del 2012)
Si usa l’equazione del bilancio del serbatoio e sono possibili valutazioni analitiche di diverso tipo:
●Valutazione del risparmio a scala spaziale locale o a scale più ampie (regionale, nazionale)
●Valutazione del risparmio in caso di uso singolo e uso plurimo dell’acqua meteorica recuperata
●Valutazioni a scala temporale appropriata (accuratezza) al variare dell’obiettivo del bilancio
Bilanci idrici regionali
●Uso: singolo
●Scala spaziale: scala nazionale
●Scala temporale: giornaliera
●Applicazione della metodologia alle serie di dati di precipitazione giornaliera di 44 stazioni pluviometriche italiane caratterizzate da regimi di precipitazione differenti
Risultati dell’analisi regionale per l’intero territorio nazionale (Campisano et al., 2012)
● Utilizzo delle acque piovane per il risciacquo del WC
● Accumulo delle acque piovane nel serbatoio
● Rilancio immediato verso la cassetta di risciacquo non appena questa è svuotata
Schema di funzionamento
● Ricorso ad acqua di acquedotto soltanto nel caso di serbatoio vuoto
● Acque in esubero provenienti dalla copertura perdute per sfioro
●Risparmio idrico dipende dalle caratteristiche:
1. dell’installazione (capacità del serbatoio);
2. dei consumi dell’abitazione (andamento della domanda idrica);
3. dell’edificio (superficie a tetto o terrazza);
4. delle precipitazioni (precipitazione media, periodi asciutti)
● Uso di parametri adimensionali per analizzare differenti combinazioni di tali variabili:
(storage fraction)
● S = volume del serbatoio di accumulo (m3)
● D = domanda idrica per operazioni di risciacquo (m3) nel periodo
● A = area efficace della copertura (m3)
● R = precipitazione totale nel periodo (m)
● nD = numero di giorni asciutti nell’anno
● nR = numero di giorni piovosi nell’anno
Approccio adimensionale
(demand fraction) R
m D nD n s S
= AR d = D
● sm e d forniscono rispettivamente una misura del volume di accumulo e della domanda al WC rispetto alla pioggia.
Approccio adimensionale
●Risparmio idrico valutato come (efficienza):
100
=
D E Y
Y = volume uscente dal serbatoio di accumulo (m3)
● Stesura dei bilanci idrici condotti su base giornaliera per ogni anno della serie
• Classificazione secondo Koppen-Geiger: 4 principali climi all’interno del territorio nazionale:
- Temperato asciutto (Cs1);
- Sub-costiero (Cs2);
- Sub-continentale (Cf1);
- Temperato freddo (Cf2).
● 44 pluviometri selezionati nelle diverse aree per valutare l’impatto della distribuzione spaziale delle precipitazioni sul risparmio idrico ottenibile.
● Serie di piogge giornaliere di almeno 30 anni (Palla et al., 2011).
Subcoastal climate Dry temperate climate
Subcontinental climate Cold temperate climate
1
2
3 5 4 6
7 8
9 10
11 12 13
15 14
16 17
1918 20
21 22 23
24 25
26 27
28 29 30
31 32 33
34
35
36 37
38 39 40
41 42 43
44
Aree climatiche
Definizione delle aree climatiche
5 10 15 20 25 30 35 40
Average R [mm]
0 500 1000 1500 2000
Dry temperate climate Sub-coastal climate Sub-continental climate Cold temperate climate
Average nR [d]
50 75 100 125 150
Dry temperate 1. Brindisi
2. Cagliari 3. Catania 4. Cozzo Spadaro 5. Gela
6. Genova 7. Gioia Tauro 8. Gioiosa Ionica 9. Guardia Piemontese 10. Isola di Capo Rizzuto 11. Reggio Calabria 12. Rende
13. Roma Ciampino 14. Siderno Marina 15. Trapani 16. Vibo Valentia
Sub-coastal 17. Bedonia 18. Caltagirone 19. Enna
20. Ligonchio Centrale 21. Zafferana Etnea Sub-continental 22. Ariano
23. Bologna 24. Bronte 25. Ferrara 26. Mantova 27. Milano 28. Modena 29. Monzuno 30. Parma 31. Pennabilli 32. San Marino 33. Sarmato
Cold temperate 34. Ala Ronchi 35. Bobbio 36. Passo Mendola 37. Borgo Valsugana 38. Predazzo 39. Caoria Centrale 40. Pian Fedaia Diga 41. Santa Sofia 42. Mezzolombardo 43. Trento Laste 44. Verghereto
● Precipitazione annuale nel range 420-1700 mm
● Variabilità
principalmente
associata al clima temperato asciutto a al clima sub-costiero
● nR aumenta da 73 giorni (temperato- asciutto) a 95 giorni (temperato freddo)
Definizione delle aree climatiche
Sm [-]
0 5 10 15 20
E [-]
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Dry temperate Sub-coastal Sub-continental Cold temperate
d=1.0
Risultati dei bilanci idrici
Sm [-]
0 1 2 3 4 5
E [-]
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8
Dry temperate Sub-coastal Sub-continental Cold temperate
d=4.0 Sm [-]
0 20 40 60 80
E [-]
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Dry Temperate Sub-coastal Sub-continental Cold Temperate
d=0.2
Sm [-]
0 10 20 30 40
E [-]
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Dry temperate Sub-coastal Sub-continental Cold temperate
d=0.5
Sm [-]
0 5 10 15 20
E [-]
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Dry temperate Sub-coastal Sub-continental Cold temperate
d=1.0
Risultati dei bilanci idrici
dove a and b sono i coefficienti di regressione valutati.
- Le equazioni consentono di valutare il risparmio idrico [0,1].
d Climate Koppen zone
Regression curve
parameters Regression curve Statistics
a b R2 Normality test
0.2 Cs 0.3138 1.6729 0.94 Passed
0.2 Cf 0.2495 2.4929 0.91 Failed
0.5 Cs 0.6903 0.8700 0.95 Passed
0.5 Cf 0.2845 1.8421 0.97 Failed
1.0 Cs 1.5310 0.4419 0.96 Failed
1.0 Cf 0.8973 0.6687 0.98 Passed
4.0 Cs 11.4082 0.0813 0.95 Passed
4.0 Cf 13.4294 0.0785 0.94 Failed
Regionalizzazione mediante regressioni
Risparmio idrico vs storage fraction per climi di tipo Cs e Cf per d=1.0.
Sm [-]
0 5 10 15 20
E [-]
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Dry temperate and sub-coastal (Cs) Cold temperate and sub-continental (Cf)
d=1.0
Risultati - regressioni
Le simulazioni mostrano due gruppi di stazioni (Cs e Cf)
Risparmio idrico con serbatoio per uso plurimo (WC e irriguo) (Lupia e Campisano, 2015).
Risultati serbatoio ad uso plurimo
Domanda irrigua parzialmente soddisfatta.
Domanda irrigua integralmente soddisfatta.
Esempio di applicazione
●Abitazione con 4 persone e con A = 160 m2.
●7 risciacqui giornalieri procapite da 6 litri ciascuno = domanda giornaliera D pari a 0.168 m3.
●Serbatoio di accumulo per le acque piovane di volume S=2.5 m3.
Zafferana Etnea R =1311 mm/anno nR= 81; nD= 284 d = 0.3
sm= 4.2
Ws =64%
Gela
R =401 mm/anno nR= 49; nD= 316 d =0.95
sm= 2.2
Ws =51%
ZAFFERANA E.
C. SPADARO CALTAGIRONE
GELA SCIACCA
GIBELLINA
CEFALU BRONTE MISTRETTA LERCARA F.
AUGUSTA PALAZZOLO A.
● Nei due casi, circa 1/2 o 2/3 dell’acqua necessaria per il WC potrebbe essere recuperata dalle acque meteoriche
● Globalmente i risultati mostrano valori elevati di risparmio idrico già con serbatoi con volume di pari a 3-10 volte la domanda idrica giornaliera per il WC
● Zone con regime pluviometrico più piovoso conducono a risparmio idrico maggiore del 15-20%
● Scala giornaliera di analisi dei bilanci sufficientemente accurata tranne per serbatoi di piccole dimensioni
Alcune considerazioni
●Attuale approvvigionamento potabile tramite navi-cisterna e acqua dissalata
●Esistenza di vasche e serbatoi per acqua piovana nella maggior parte delle abitazioni del centro storico.
Applicazione al Comune di Lipari
Precipitazioni medie mensili (1920-1994)
Applicazione al Comune di Lipari
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
J F M A M J J A S O N D
Monthly precipitation [mm]
Month
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60
J F M A M J J A S O N D
Monthly population/mean yearly population
Month
Popolazione mensile normalizzata
(rispetto alla media annua)
Distribuzione spaziale della domanda idrica
Applicazione al Comune di Lipari
Distribuzione di frequenza del volume dei serbatoi ottimali
Applicazione al Comune di Lipari
0 5 10 15 20 25 30 35
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Number of tanks [%]
Tank storage S [m3]
Distribuzione di frequenza del risparmio idrico
Applicazione al Comune di Lipari
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0-10 20-30 40-50 60-70 80-90
Number of buildings[%]
WS [%]
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0-10 20-30 40-50 60-70 80-90
Number of buildings[%]
WS [%]
Distribuzione spaziale del risparmio idrico
Applicazione al Comune di Lipari
Tempi di ammortamento dell’impianto
Applicazione al Comune di Lipari
Years PV
[€*103]
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0 5 10 15 20 25
RWH option Actual scenario
Distribuzione dei tempi di ammortamento dell’impianto
Applicazione al Comune di Lipari
● Oltre il 50% degli impianti potrebbe essere «ripagato» in meno di 15 anni.
● Circa un quarto degli impianti in meno di 10 anni
Alcune considerazioni conclusive
● Vincoli di tipo tecnico: necessità di realizzazione di reti separate negli edifici
● Costi: ancora elevati con ammortamento in tempi medio-lunghi (10-15 anni).
● Benefici economici ulteriori dovuti all’apprezzamento dell’abitazione (certificazione idraulica)
● Necessità di valutare i benefici aggiuntivi in termini di riduzione dei deflussi meteorici.
● Benefici aggiuntivi di tipo sociale (p.e. opportunità di uso in aree caratterizzate da scarsità di risorsa)
● Necessità di normativa e di incentivi specifici per il recupero e riuso.
