ARTÍCULO ORIGINAL

EFICIENCIA EN EL CONSUMO DE AGUA DE USO RESIDENCIAL

EFFICIENCY OF RESIDENCIAL WATER CONSUMPTION

Deibys Gildardo Manco Silva^*; Jhoniers Guerrero Erazo^**; Ana María Ocampo Cruz^***

** Ingeniero Sanitario, Magister en Ingeniería Sanitaria y Ambiental, Doctor en Ingeniería. Investigador Grupo de Investigación en Agua y Saneamiento. Decano Facultad de Ciencias Ambientales. Universidad Tecnológica de Pereira, Facultad de Ciencias Ambientales, oficina F-206. Telefax (096)3137343. Correo: jhguerre@utp.edu.co.

*** Administradora Ambiental, estudiante de Maestría en Gestión del Agua. Universidad Tecnológica de Pereira, Facultad de Ciencias Ambientales, oficina F-201. Teléfono (096)3137227 – Ext 13. Fax: (096)3137246. Correo: anamocampoc@gmail.com.

Recibido: 13/03/2012
Aceptado: 05/10/2012

RESUMEN

Este artículo de revisión aborda los principales referentes acerca de la gestión de la demanda de agua desde una visión tecnológica y cultural como estrategia para el uso eficiente en sistemas de acueductos urbanos. Se hace necesario conocer las dinámicas y los factores que afectan el consumo de agua en las viviendas con el fin de generar procesos de gestión desde este nivel y trascender a niveles superiores. En la primera parte se presenta la revisión sobre la gestión de la demanda y se exponen algunas experiencias investigativas; luego se describen los aspectos técnicos y tecnológicos de los equipos de medición y los dispositivos de bajo consumo de agua; finalmente se enumeran los mecanismos sociales para lograr un uso eficiente de agua.

Dispositivos de medición, conservación de agua, gestión del agua, participación social.

ABSTRACT

This revision article encompasses the main models about water demand management from a technological and cultural standpoint as a strategy for having an efficient use in urban water supply systems. It is necessary to know both dynamic and factors affecting household water consumption with the purpose of generating management processes from this level and going forward to higher levels. During the first part of the article a revision is made about demand management and some research experiences are described; then, technical and technological aspects of measurement equipment and low water consumption devices are described; finally, a list of social mechanisms for achieving an efficient consumption of water is provided.

KEY WORDS

Measurement devices; water conservation; water management; social participation.

INTRODUCCIÓN

El desarrollo urbano, el cambio climático, el crecimiento demográfico, la contaminación del agua y los cambios en los patrones de consumo han contribuido al desbalance entre la disponibilidad de fuentes hídricas de calidad y la demanda de agua [1, 2]. Se reconoce que los cambios a impulsar en la gestión de la demanda de agua se deben enfocar tanto en la capacidad científica y tecnológica como en los sistemas sociales; para concretar estos cambios son claves: el conocimiento, la innovación, las redes sociales y las asociaciones [3].

Es necesario conocer las dinámicas del consumo en los hogares a fin de generar procesos de gestión desde este nivel y así trascender a niveles superiores.

1. GESTIÓN DE LA DEMANDA

El crecimiento constante de la población y la necesidad de atender la demanda de agua requerida para satisfacer sus necesidades básicas considera estrategias de gestión que promuevan un uso eficiente de agua, tales como: regulaciones legales, medidas tarifarias, campañas informativas y/o educativas, implementación de nuevas tecnologías y control de infraestructura [5, 6]. La gestión de la demanda implica cambiar la manera en que tradicionalmente se ha afrontado, basada únicamente en predecir y abastecer, por una gestión estratégica e integral que involucra modificar las prácticas y los comportamientos de los usuarios del agua [7].

El consumo de agua está determinado por diferentes variables que se incluyen en los siguientes factores: factor climático (temperatura, precipitación pluvial, humedad relativa), factor social (habitantes por vivienda, composición familiar, nivel de educación, estrato social), factor económico (ingreso familiar, precio del agua, consumo histórico) [8, 9] y/o factor cultural (estilo de vida de las personas, valores, normas y modelos sociales, creencias asociadas a la conducta ambiental) [10], que de acuerdo con el contexto, tendrán diferentes relevancias.

Para el análisis de las variables que intervienen en la demanda de agua de uso residencial, los primeros trabajos realizados en el pronóstico se basaron en una sola variable: el crecimiento de la población, y se asumió una relación de tipo directo [9]; se han incluido técnicas de regresión lineal y no lineal múltiple, aplicada a series de tiempo que implican la existencia de una función de demanda que se ajusta a las preferencias de los usuarios del servicio frente a otros bienes, y a diferentes esquemas tarifarios [11]. El estudio realizado por F. Arbués et al. [11] ha sido la base para investigaciones realizadas en México, por Jaramillo [12], y en Alemania, por Schleinch y Hillenbrand [13].

A partir del estudio y conocimiento de las variables influyentes en el uso del agua, se pueden analizar los patrones de consumo en usuarios residenciales, lo que permite construir un modelo integrado que describa los consumos de agua, que se traduce en estrategias de reducción de la demanda y contribuye al perfeccionamiento de las políticas de gestión del recurso dirigidas a su conservación y al fomento de la eficiencia en su uso [14].

1.1 Algunas experiencias

F. Arbués et al. [11] y H. Campbell et al. [15] consideran dentro de sus hallazgos que el precio del agua puede ser el método de conservación más efectivo. Por su parte, O. Aguilar [9] desarrolló un estudio en la ciudad de Fresnillo, Zacatecas (México), en el cual concluye que los modelos multivariables para el consumo de agua potable presentan las mejores correlaciones con probabilidades significativas, y que son la temperatura máxima y el número de días con precipitación mayor a 0.1 mm las variables que mejor explican el consumo de agua.

Por su parte, F. Arbués et al. [16] realizaron un estudio de la relación entre el tamaño de los hogares y el consumo doméstico en la ciudad de Zaragoza (España) y obtuvieron que el tamaño de los hogares y el consumo total tienen relación directa, pues el consumo aumenta a medida que incrementa el número de habitantes por vivienda (0.19m³*día^–1*vivienda^–1 con un solo integrante hasta y 0.52 m³*día^–1*vivienda^–1 con cinco o más integrantes); entre el tamaño de los hogares y el consumo per cápita la relación es inversa, lo que sugiere la presencia de economías de escala en el consumo de agua, asociadas al beneficio simultáneo de una serie de usos comunes (independientemente de la cantidad de integrantes), tales como limpieza del hogar y el máximo aprovechamiento de los electrodomésticos.

F. Arbués et al. [11] y F. Arbués y R. Barberán [17] encontraron, con respecto al tamaño de los hogares y la elasticidad del precio, que para hogares de tamaño pequeño (1-2 miembros), el precio –en valor absoluto– es ligeramente superior a los demás tamaños (3-4, > = 5) por lo cual, ante un cambio en los precios, los hogares con menos integrantes ajustarán su consumo en mayor proporción que los hogares de tamaño medio alto. Finalmente, se evaluó la relación entre el tamaño de los hogares y los costes de transacción, y se concluyó que la capacidad de organizar y supervisar la introducción de nuevas prácticas orientadas a mejorar el uso de los equipamientos, dispositivos e instalaciones relacionados con el consumo de agua es más reducida, si más personas integran el hogar.

Otros estudios han arrojado resultados que demuestran, a través de cifras, los diferentes niveles de ahorro de agua en el sector residencial, según los programas de conservación empleados. A continuación se describen algunos de estos:

Entre los años 1997 y 1999 se llevó a cabo el proyecto ''Zaragoza, ciudad ahorradora de agua. Pequeños pasos, grandes soluciones'', el cual, un año después de ser implementado, consiguió ahorrar 1.176 millones de litros de agua (equivalente al 5.6% del consumo residencial anual). Al finalizar el proyecto, se identificó que el número de familias que adoptaron hábitos de ahorro de agua pasó de 20% a 50% y el número de familias que introdujeron tecnologías eficientes pasó de 13% a 15% [18].

Maddaus [19] y Terrebonne [20] presentaron un estudio de resultados obtenidos en proyectos de investigación que han evaluado los efectos de dispositivos ahorradores de agua, presión de agua y medidores de agua de uso residencial (Tabla 1).

Renwick y Green [21] llevaron a cabo un estudio en el que se evaluaron programas de ahorro de agua en California, USA y sus efectos en el consumo de agua residencial, del cual se obtuvieron diferentes porcentajes de reducción según el factor analizado (Tabla 2).

La organización ECODES [22] señala en la Tabla 4 los resultados obtenidos a través de la implementación del Plan Integral de Ahorro de Agua (PIAA) de Vitoria-Gasteiz, ejecutado en el año 2004.

El PIAA de Cantabria [22], elaborado en el año 2006, fue evaluado dos años después, y se encontró un ahorro de 14 millones m³*año^–1 para el sector residencial. La dotación de agua pasó de 416 L*hab^–1*día^–1 en 2006 a 347 L*hab^–1*día^–1 en 2008, cifra por debajo de la dotación fijada como objetivo final del Plan en 2009 (360 L*hab^–1*día^–1).

Las experiencias citadas demuestran cómo los programas y/o proyectos instaurados para la conservación del agua han logrado un impacto significativo en el consumo del sector residencial, lo que refleja ahorro en comparación con datos históricos.

2 ASPECTOS TÉCNICOS Y TECNOLÓGICOS DE LOS EQUIPOS DE MEDICIÓN

2.1 Conceptos básicos de micromedición

La instalación de medidores de agua en hogares o el mejoramiento de su clase metrológica ha indicado una reducción en el consumo en un rango del 10% al 30% y algunas veces hasta el 50% [19, 20]; así la micromedición se convierte en una forma eficaz para racionalizar el consumo de agua.

Las características técnicas y metrológicas para medidores de agua potable fría se especifican en la NTC 1063:2007 [24]. Dicha norma redefine los caudales así: caudal permanente Q₃, caudal mínimo Q₁, caudal de transición Q₂ y caudal máximo Q₄. El rango de medición del instrumento está definido por el cociente entre Q₃/Q₁ en m³/h (tabla 5). La relación de caudales identifica las clases metrológicas A, B, C y D que corresponden a valores numéricos: clase A: Q₃/Q₁ = 25; clase B: Q₃/Q₁ = 50; clase C: Q₃/Q₁ = 100 y clase D: Q₃/Q₁ = 160. La clase ''A'' corresponde al rango de medición más bajo y la clase ''D'' al rango más alto.

El volumen indicado por el medidor corresponde al volumen real, el cual está sujeto al error máximo permisible (EMP), es decir, los valores extremos del error de indicación del medidor de agua. Debido a las variables que intervienen en el funcionamiento del medidor, se establecen las condiciones de operación nominales (CON) como los usos que dan el rango de valores para los cuales se requiere que los errores de indicación del medidor estén dentro del EMP. Las condiciones límite (CL) son aquellas condiciones extremas, incluidos el caudal, la temperatura, la presión, la humedad y la interferencia electromagnética que debe soportar un medidor de agua sin sufrir daño y sin degradación de sus errores de indicación [24].

El Q₃ es el mayor caudal dentro de las CON a la cual se requiere que el medidor de agua opere de manera satisfactoria dentro del error máximo permisible; el Q₄ es el caudal al cual el medidor debe operar durante un período de tiempo corto dentro de su EMP; el Q₁ es el menor caudal al cual se requiere que el medidor de agua opere dentro del EMP; el Q₂ divide el rango de caudal en dos zonas, ''zona superior'' y ''zona inferior'', cada una caracterizada por su propio EMP [24].

Curva característica

Los medidores de agua se diseñan de acuerdo con el Q₁, Q₂, Q₃ y Q₄. Todo micromedidor tiene un error de medición. La figura 1 muestra una curva típica de precisión en la cual debe funcionar un medidor nuevo; este no registra consumos a caudales muy bajos; a determinado caudal el medidor inicia su movimiento con un error de medición alto; este caudal delimita el caudal de arranque. A medida que el caudal incrementa, el medidor registra una reducción del error de medición y llega a tomar errores positivos de registro hasta su equilibrio, marcando el error máximo permisible de Q₁. Entre Q₁ y Q₂ se reduce el nivel de error y se ajusta al nivel del error de funcionamiento, registrado entre Q₂ y Q₄ [23, 24].

Según la NTC 1063:2007 [24] un medidor nuevo puede funcionar con +5% de error respecto a su caudal Q₁, (Figura 1) mientras su funcionamiento esté por debajo de Q₂; una vez sobrepase Q₂, el medidor debe responder a un 2% de error máximo con respecto al rango de caudal donde se encuentre funcionando.

2.2 Tipo de medidores de agua para uso residencial

2.2.1 Contadores de chorro único

Se enmarcan dentro de la categoría de medidores de velocidad. Su funcionamiento se basa en la incidencia tangencial de un chorro de agua sobre la turbina alojada en el interior de la carcasa. Su óptimo funcionamiento es en posición horizontal, así la turbina se apoya sobre el extremo del eje en un solo punto, lo que hace que el rozamiento sea menor y los errores de medida a caudales bajos no se vean alterados. Dado que el error de medición no es constante en todo el rango de caudales, no se puede hablar de un error genérico para un contador, ya que en última instancia este depende de los caudales circulantes por el mismo [25].

2.2.2 Contadores de chorro múltiple

Son contadores de velocidad; se utilizan en la medición del consumo residencial, comercial y en redes de riego; en estos contadores el agua incide sobre la turbina en toda su periferia. Están diseñados para funcionar con el eje de la turbina vertical; en esta posición se consigue menor resistencia y se reduce el desgaste de las piezas móviles [25].

2.2.3 Contadores de pistón rotativo

Son contadores volumétricos, se usan habitualmente para la medición del consumo en usuarios residenciales. Estos registran el consumo mediante el cómputo del número de llenados y vaciados de una cámara de volumen conocido. El elemento móvil lo constituye un pistón que gira excéntricamente alrededor del eje de la cámara de medición. A la vez que se llena el compartimiento de la derecha, se vacía el situado a la izquierda. En cada rotación del pistón atraviesa la cámara de medición el mismo volumen de agua. Este principio de funcionamiento es el que permite mayor exactitud en la medición. De hecho, contadores clase D que existen actualmente en el mercado utilizan esta tecnología de medición. La exactitud depende de los ajustes entre la cámara y el pistón, ya que los errores de medición tienen origen en las fugas existentes entre ambos elementos [25].

La Tabla 6 enumera las ventajas y desventajas comparativas de cada uno de los medidores de agua para uso residencial presentados anteriormente.

3 TELELECTURA

Consiste en el almacenamiento a distancia de los datos registrados sobre el consumo de agua del usuario, es decir, sin necesidad de desplazarse físicamente hasta el contador. Este procedimiento permite mayor frecuencia y fiabilidad, mejorando la eficiencia en el proceso, el conocimiento que se tiene del sistema y la facturación de los consumos [25].

3.1 Etapas en la transmisión de los datos

Con algunas diferencias y dependiendo de las características específicas de cada tecnología, la transmisión de datos sigue siempre una secuencia similar:

a. El totalizador es un dispositivo instalado dentro del contador cuya función es la de integrar la señal de caudal proveniente del sensor y mostrar el valor del volumen total de agua que ha circulado por el instrumento.

b. Con el fin de transformar la lectura del totalizador en una señal eléctrica compatible hacia el resto del sistema, es necesaria la inclusión de un transductor, MIU (Meter Interface Unit) que consta de dos componentes: un dispositivo capaz de leer el volumen registrado por el totalizador mecánico y convertirlo en una señal eléctrica preparada para ser transmitida por el sistema, que suele ser un emisor de pulsos; y otro dispositivo cuya función es transmitir la señal a través del sistema, el cual se hace innecesario cuando el sistema consiste en almacenar los pulsos en una memoria del equipo registrador (data logger).

c. Los datos transmitidos por el MIU (emisor de pulsos) o por contador electrónico son recibidos por un elemento intermedio cuya función es almacenar temporalmente los datos de todo un conjunto de contadores hasta que estos sean posteriormente transmitidos al centro de gestión de datos. Existen dos alternativas para este dispositivo, ya que puede ser fijo o portátil: si es fijo, normalmente recibe el nombre de concentrador y si se trata de un dispositivo portátil, se denomina Terminal Portátil de Lectura (TPL).

4 DISPOSITIVOS DE BAJO CONSUMO DE AGUA

4.1 Reductores de caudal

Son dispositivos que disminuyen o regulan el caudal de agua que pasa por una tubería de diámetro ''D'' al incorporar dentro de la misma un orificio circular de diámetro menor ''d'' [29], como se muestra en la Figura 2.

La explicación física a dicho fenómeno se obtiene al aplicar la ecuación de Bernoulli (1) entre los puntos 1 y 2, (Figura 2), asumiendo la posición horizontal del tubo. La pérdida de carga ''hf'' es pequeña y puede despreciarse para fines prácticos. En la ecuación de Bernoulli se denomina potencial hidráulico (E) a la energía que posee un fluido en una ubicación dada. Esta energía equivale al producto de la fuerza por la distancia con respecto al eje de referencia, donde: ''Z₁'' es la energía por posición; es la energía piezométrica; y es la energía cinética o carga de velocidad. Debido a la ley de conservación de la energía, en todo circuito hidráulico se tiene que la energía en un punto es igual a la energía en cualquier otro punto, menos la pérdida de carga ocasionada por el flujo de agua (hf) [30]. La aplicación de este principio se muestra en la Figura 2.

Sea ''A₁'' el área de la sección de la tubería y ''A₂'' el área del orificio; ''Q'' el caudal y ''β'' el factor que representa la contracción vertical en un punto dado [29], se retoma la ecuación 1 y despreciando ''hf'' se obtiene la ecuación 2.

Al aplicar (2), se debe tener en cuenta el coeficiente de contracción ''C_c'', debido a que la vena líquida no tendrá exactamente la misma dimensión del orificio, el coeficiente de velocidad ''C_c'' que toma en cuenta las pérdidas causadas por la resistencia que el orificio opone al agua y el producto entre ambos ''C_d = C_c * C_v'', denominado coeficiente de descarga, obteniéndose la (3). El ''C_d'' toma el valor de 0.61 para orificios de ''arista viva'' [31].

Así, con la instalación de un reductor de caudal con un orificio de 9 milímetros a un P₁ = 47 psi, se disminuye la presión a P₂ = 4 psi y se logra una reducción del 52% en el caudal. Estos dispositivos se incorporan en las tuberías de las llaves terminales para disminuir el consumo de agua. En las regaderas se conocen como cabezales con dispositivos ahorradores y sustituye el cabezal tradicional.

Estos dispositivos permiten mezclar el flujo de agua que sale de las conexiones hidráulicas con una masa de aire al efectuar la succión del fluido, dando como resultado una mezcla entre agua y aire, lo que disminuye el caudal de agua que pasa por el dispositivo (Figura 3). La explicación física a este fenómeno se obtiene al aplicar el Efecto Venturi [30]: ''movimiento de un fluido (agua) dentro de un conducto cerrado que disminuye su presión al aumentar la velocidad después de pasar por un área con una contracción, lo anterior produce una succión del fluido (aire) contenido en este segundo conducto'' Figura 4

El Efecto Venturi se explica por medio del principio de Bernoulli, principio de continuidad de la energía [30]. Si el caudal de un fluido es constante pero la sección disminuye, obligatoriamente la velocidad aumenta tras atravesar esta sección. Por el teorema de conservación de la energía mecánica, si la energía cinética aumenta, la energía determinada por el valor de la presión disminuye (4) [29, 30].

Con la instalación de un mezclador-aireador en lavamanos y/o lavaplatos que permita el paso del agua a un Q = 5.7L/min y un P₁ = 20 psi, logra una reducción del 86% en el consumo de agua; la reducción en el caudal depende de la presión inicial (P1); a mayor P₁ el porcentaje de reducción aumentará. Estos dispositivos se incorporan al tubo terminal de la unidad hidráulica.

4.3 Desplazadores-reguladores de volumen

Es la reducción del volumen de descarga debido a la introducción de un recipiente con agua (cerrado) o a la instalación de un dispositivo de descarga controlada. Los inodoros con cisterna baja pueden ahorrar agua mediante la incorporación de un sistema de descarga que permite al usuario escoger entre dos volúmenes distintos (6 a 9 litros o 3 a 4 litros), ajustado el volumen requerido. Los pulsadores permiten diferenciar las dos opciones, cada una descarga un volumen determinado de agua, siendo las combinaciones más comunes de 6 y 4 litros para sólidos y líquidos respectivamente. Este sistema se adapta a la mayoría de cisternas (figura 5).

5 MECANISMOS SOCIALES

Una forma importante de lograr un uso eficiente y racional del agua es a partir de los cambios en los patrones o hábitos de consumo en los usuarios [32]. La acción colectiva en la que se genera una reflexión entre individuos y grupos que trabajan para mejorar la gestión de las interrelaciones humanas y ambientales, se conoce como aprendizaje social [33], en el cual, la Educación Ambiental (EA) juega un rol protagónico por ser el proceso que permite al individuo comprender las interrelaciones existentes con su entorno, a partir del conocimiento reflexivo y crítico de su realidad biofísica, social, política, económica y cultural, generando en él y en su comunidad actitudes de valor y respeto por el medioambiente [34].

La necesidad de la EA ha sido promovida desde los años setenta; se han dado distintas reformas educativas que incorporan dentro de sus objetivos la protección del medioambiente y la construcción de un modelo de sociedad acorde con la sostenibilidad, especialmente en la educación formal [35], lo cual fue concretado en Colombia a través de la Ley General de Educación [36]; sin embargo, a través del Decreto 1743 de 1994 [37], se institucionalizó el Proyecto de Educación Ambiental (PRAE) para todos los niveles de educación formal y se fijaron criterios para la promoción de la Educación Ambiental no formal e informal.

La participación de la sociedad civil en Colombia frente a la gestión ambiental, se fortalece en el momento que surge la Política Nacional de Educación Ambiental (2002) [34], definiéndose allí estrategias de participación, tales como: Proyectos Ciudadanos de Educación Ambiental (PROCEDA), diseñados e implementados por la sociedad civil interesada en la solución de la problemática ambiental local, y Proyectos de Educación Ambiental Escolar (PRAE), los cuales son articulados a través de los Comités Técnicos de Educación Ambiental (CIDEA), que tienen como fin descentralizar los procesos de EA, partiendo de los diversos contextos naturales, sociales y culturales particulares con el fin coordinar y hacer seguimiento a las acciones derivadas de las políticas generales. De igual forma, se establecen a escala municipal los Comités Municipales de Educación Ambiental (COMEDA), como instancia asesora para las políticas y programas municipales de educación ambiental [38].

El desarrollo de proyectos de educación ambiental centrados en el trabajo con personas permite, por un lado, ampliar su conocimiento y comprensión con respecto a la complejidad y globalidad de los problemas y, por otro lado, enseñar actitudes, valores, y comportamientos. Su importancia radica en que los individuos solo realizan conductas ambientales responsables cuando están informados sobre la problemática ambiental, se encuentran motivados hacia ella y, además, se ven capaces de generar cambios cualitativos, están convencidos de la efectividad de su acción y que estas no les generarán dificultades significativas [35].

Son diversas las alternativas de conservación de agua que los ciudadanos pueden realizar en el interior y el exterior de sus viviendas. En la Tabla 7 se indican algunas de las alternativas que pueden ser promovidas e instauradas desde las diferentes estrategias de participación ciudadana.

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[39] Ecologistas en Acción, ''Guía para el ahorro del agua en los hogares,'' [En línea], Disponible:http://www.ecologistasenaccion.org/IMG/pdf/Campana_ahorro_de_agua.pdf. 2010.         [ Links ]

[40] ECODES, ''Ecología y Desarrollo. Consejos prácticos para ahorrar agua,'' [En línea], Disponible: http://www.consumoresponsable.org/actua/agua/agua_consejos_hogar. 2010.         [ Links ]

[41] Ecologic Barna, ''Guía práctica para el ahorro de agua y energía,'' [En línea], Disponible: http://www.ecologicbarna.com/guiaahorroaguayenergia.htm#ComoAhorrarAgua2. 2010.         [ Links ]