PROJECTS

WashOne

Innovative toilet integrating multiple comfort, hygiene and sustainability functions

ENQUADRAMENTO

A crescente preocupação da Europa e das respetivas autoridades reguladoras com a segurança das populações, com a utilização racional dos recursos e com a proteção do ambiente tem-se traduzido na imposição de importantes metas. É essencial, por isso, que produtos e sistemas de uso intensivo sejam revistos seguindo princípios de conceção ecológica. A otimização do desempenho ambiental deverá ser procurada através da conceção de soluções mais eficientes em termos da depleção de recursos naturais, do consumo de água e energia e do tempo de vida funcional. No que respeita aos sistemas sanitários, o consórcio reconhece existir franca margem de oportunidade para melhorar o seu desempenho ambiental em vários aspetos relacionados com o volume ocupado, com o sistema de descarga de água e com a eliminação de nutrientes na urina. O projeto WashOne visa a conceção, o desenvolvimento técnico, a prototipagem e a validação final de uma sanita inovadora integrando múltiplas funções, das quais se destacam o sistema washlet, o sistema de armazenamento e descarga de água integrado na própria sanita e o sistema de separação de urinas. O sistema washlet caracteriza-se pela incorporação das funcionalidades comuns do bidé na sanita, vindo responder a uma recente tendência do mercado relacionada com aspetos de conforto e higiene. O sistema de armazenamento e descarga de água integrado na própria sanita permite, por sua vez, ir ao encontro das necessidades de compactação procuradas por soluções de arquitetura moderna, sem comprometer a sua principal função. Por fim, o sistema de separação de urinas visa dotar o espaço construído de soluções mais sustentáveis, criando oportunidades de aproveitamento local de nutrientes e de poupança de água e recursos. A separação de urinas visa, simultaneamente, diminuir o lançamento nos coletores públicos de nutrientes presentes na urina responsáveis pela eutrofização de massas de água. Pretende-se, com esta sanita inovadora, privilegiar a compacidade, a funcionalidade e a sustentabilidade, combinando num produto várias funções que até hoje apenas tinham sido apresentadas como soluções separadas. Pretende-se, ainda, que todas as soluções sejam estudadas e desenvolvidas numa ótica de conforto, higiene e sustentabilidade, visando aspetos essenciais relacionados não apenas com a higiene pessoal, mas também com o uso eficiente dos recursos.

 

OBJETIVOS PRINCIPAIS

Conceção, desenvolvimento técnico, prototipagem e validação final de uma sanita inovadora integrando múltiplas funções, das quais se destacam o sistema washlet, o sistema de armazenamento e descarga de água integrado e o sistema de separação de urinas.

  • Conceber um sistema sanitário inovador que integre a função de bidé, incluindo um alargado conjunto de funcionalidades relacionadas com conforto, limpeza e higiene;
  • Conceber um sistema de descarga de água inovador que integre o sanitário e possibilite a modulação do processo de descarga e a monitorização do consumo de água;
  • Conceber um sistema de separação de urinas, que permita o seu encaminhamento e posterior recuperação em espaços e/ou coberturas verdes;
  • Reunir e compatibilizar os três sistemas previamente identificados numa única peça sanitária;
  • Testar os sistemas desenvolvidos no que diz respeito a todos os requisitos normativos e regulamentares;
  • Estudar a compatibilidade dos sistemas desenvolvidos com as condições regulamentares da drenagem predial;
  • Efetuar uma avaliação ambiental de ciclo de vida do sistema sanitário;
  • Promover uma divulgação alargada dos resultados do projeto.

 

ATIVIDADES DO PROJETO E RESULTADOS ESPERADOS

Estudos preliminares - Com os estudos preliminares pretende-se: consolidar a análise do estado da arte relativamente a sistemas combinados de conforto, higiene e sustentabilidade usados na casa de banho ou em aplicações similares; fundamentar o potencial de inovação do novo sistema face a produtos convencionais e de concorrência direta; e estabelecer requisitos funcionais e de sustentabilidade para os novos componentes e sistemas a desenvolver.

Conceção e desenvolvimento do sistema - A conceção e desenvolvimento do sistema será realizada com base num rigoroso plano de trabalhos que contemple: desenvolvimento criativo e técnico do produto e dos seus componentes, tendo em consideração as soluções já existentes no mercado; avaliação do desempenho do sistema e dos seus componentes recorrendo a ensaios laboratoriais e estudos de simulação numérica; realização de estudos que suportem a integração dos sistemas desenvolvidos para aplicação em diferentes instalações sanitárias; e estudo da compatibilidade dos sistemas com as condições regulamentares.

Prototipagem e análise das condições de fabrico - Com a prototipagem e análise das condições de fabrico pretende-se: preparar protótipos à escala real de todos os componentes do sistema, nomeadamente os cerâmicos, os poliméricos e os eletrónicos; preparar um protótipo à escala real do sistema, integrando todos os componentes; e analisar as condições de fabrico dos componentes e do sistema, nomeadamente no que diz respeito à necessidade de adaptação de linhas de produção.

Validação experimental e avaliação ambiental - A validação do sistema contemplará os seguintes aspetos: validação dos requisitos funcionais dos componentes do sistema; aplicação e validação do produto final em instalações experimentais; aplicação e validação do produto final em instalações reais; validação dos requisitos normativos e regulamentares do produto final; e elaboração de um estudo de avaliação de ciclo vida.

Promoção e divulgação dos resultados - Para divulgação dos resultados do projeto será: compilado, num guia técnico, um conjunto de orientações e regras práticas para a adequada instalação/utilização dos produtos/sistemas; elaborado um conjunto de conteúdos técnicos e científicos; preparadas amostras iniciais de exposição dos novos produtos/sistemas propostos; e organizado um conjunto de ações de divulgação para disseminar os principais resultados do projeto.

 

PRINCIPAIS RESULTADOS ALCANÇADOS

Descrevem-se nas seguintes subsecções os principais resultados obtidos no desenvolvimento da sanita inovadora com autoclismo integrado na sanita, bidé eletrónico e sistema de separação de urinas. Para lá destas três características essenciais, o projeto considerou também, entre outros, a vertente de design da sanita (considerando o seu fabrico futuro), a integração e compactação do vasto conjunto de componentes necessários às várias funções pretendidas, a vertente hidráulica (água de descarga e de lavagem do bidé) e térmica (aquecimento da água de lavagem, do assento da sanita e do ar de secagem), a remoção de odores da sanita, a automação (para comando e controlo integrado de todos os componentes) e as tecnologias de comunicação do/com o sistema, a observância dos regulamentos relativos às instalações prediais, o sistema de recolha e encaminhamento de urinas e a análise de ciclo de vida de todo o sistema.

Desenvolvimento creativo - O desenvolvimento criativo do projeto iniciou-se com a pesquisa do estado da arte nas várias vertentes do projeto. Seguiu-se a exploração formal e de conceito, com o intuito de definir as linhas gerais do produto baseadas nas premissas: funcionalidade, design, sustentabilidade e inovação, tendo sempre presente a exequibilidade de produção. Tratando-se de um projeto envolvendo a aplicação de novos conceitos, requereu foco nos objetivos, quebra de paradigmas e capacidade de ultrapassar barreiras e pensar para além do convencional. Após várias iterações, estabeleceu-se o conceito de uma sanita simples, autoportante, com aberturas laterais para fácil acesso aos componentes internos e um painel exterior amovível para ocultar os elementos técnicos e a componente estrutural da sanita.

Descarga de água - O escoamento da descarga de água na sanita foi simulado recorrendo a software comercial de Dinâmica de Fluidos Computacional, tendo os resultados obtidos sido usados para melhorar a geometria do interior da sanita, de modo a que a ação da água de descarga promova a lavagem pretendida da área interior da sanita e não haja a projeção de salpicos de água para o exterior. Este estudo permitiu também encontrar a melhor geometria para a entrada da água de descarga na sanita. Foram também feitos ensaios experimentais para validação dos primeiros resultados obtidos por simulação.

Integração e compactação - Dada a compactação requerida para a solução, o elevado número e diversidade de componentes, e a opção por se recorrer sempre que possível a componentes existentes no mercado, que não foram pensados para funcionar de modo integrado. Tal requereu que se encontrassem as soluções de adaptação ligação, vedação e compatibilização dos vários componentes. De notar que o reservatório de água para descarga tem que existir na própria sanita, e que na ausência da queda gravitacional a descarga de água tem que ser feita recorrendo a uma bomba também residente na sanita. Também todos os componentes associados ao bidé, em número elevado e muito diversos, têm que ser alojados e integrados devidamente na sanita. A integração e compactação dos vários componentes representou um esforço considerável, apoiado pela elaboração de modelos 3D de todos os componentes e das sucessivas soluções que foram sendo elaboradas de forma iterativa, rumo à proposta final.

Automação - Para controlo do sistema foi desenvolvida uma placa de interface (PCB) entre os diferentes módulos de controlo/aquisição, alimentação e atuadores/sensores. Existe uma bateria interna que, em caso de falha de energia, garante o funcionamento mínimo do sistema. O controlo das funcionalidades da sanita poderá ser efetuado de duas formas distintas: Painel de controlo com botões, ou uma aplicação desenvolvida para um Smartphone/Tablet Android. Para processamento de toda a informação dos sensores integrados na sanita e ação de acordo com as necessidades do projeto é utilizado um processador com um sistema operativo em tempo real, por forma a melhorar o desempenho do sistema. O componente de software do sistema WashOne consiste numa aplicação Android que comunica com o sistema de aquisição e controlo para exercer funções de controlo e configuração. A aplicação Android é constituída por três módulos: Controlo remoto, Configurações e Histórico. Recuperação de urinas - A urina representa uma pressão considerável sobre os sistemas de tratamento de águas residuais e uma fonte de desperdício de nutrientes com potencial agronómico. Tal motiva a procura de soluções para a sua separação na fonte e posterior utilização. É neste contexto que se propõe a incorporação de um sistema de separação de urina ao nível da sanita, viabilizando o aproveitamento local de nutrientes. No entanto, de modo a que possa ser utilizado como fertilizante, o efluente de urina recolhido necessita de ser primeiramente higienizado por via do seu armazenamento em depósitos fechados. Estudos experimentais, levados a cabo com base num efluente de urina recolhido em condições reais, permitiram verificar que é possível com o sistema desenvolvido, e em apenas três meses de armazenamento, obter uma redução superior a 99,9% da carga microbiana inicialmente presente. Permitiram, ainda, verificar que o efluente tratado por esta via contém quantidades relevantes de nutrientes com importância agronómica, nomeadamente 2.0 g-N/L, 0.2 g-P/L e 0.6 g-K/L.

Avaliação de Ciclo de Vida - Realizou-se um estudo de Avaliação de Ciclo de Vida (normas ISO 14040:2006 e 14044:2006), desenvolvido em quatro fases interrelacionadas: definição do objetivo e âmbito, inventário de ciclo de vida, avaliação de impacte, e interpretação. O modelo de ciclo de vida implementado teve por base uma abordagem “cradle-to-grave” (ciclo de vida completo), incluindo a produção de materiais e componentes, a utilização do sistema WashOne durante 15 anos num edifício residencial, e o fim de vida dos componentes. Considerou-se uma expansão do sistema para contabilizar os impactes evitados quando a urina maturada é utilizada como fertilizante orgânico substituindo fertilizantes minerais. Os resultados mostram que, embora o sistema WashOne apresente maiores impactes ambientais até à comercialização (“cradle to gate”), na utilização apresenta uma redução importante relativamente ao sistema convencional devido ao acréscimo de eficiência nos consumos de água e energia.

 

LISTA DE COMUNICAÇÕES

  • António Gameiro Lopes, Vítor Costa. Using CFD in the design process of a toilet bowl. Comunicação aceite no 5th International Conference of Fluid Flow, Heat and Mass Transfer (FFHMT'18). June 7-9, 2018, Niagara Falls, Canada.
  • João Almeida, Ana Azevedo, Myriam Kanoun-Boulé, Maria Inês Santos, António Tadeu. Management of Urine Recovery at the Building Level. ICSB 2017: 19th International Conference on Sustainable Buildings, December 4-5, 2017, Amsterdam, The Netherlands.
  • M.Kanoun-Boulé, A. Azevedo, M.I. Santos, J. Almeida, C. Pimentel-Rodrigues, A. Silva-Afonso, A. Tadeu. Hygienisation of human urine effluent collected through a new diverting sanitary system. International IWA conference on sustainable solutions for small water and wastewater treatment systems (S2SMALL2017), October 22-26, 2017, Nantes, France.
  • Armando Silva-Afonso, Ana Azevedo, João Almeida, Myriam Kanoun-Boulé, Carla Pimentel-Rodrigues, António Tadeu. Urine diverting toilets in Europe: Nutrient recovery and use in buildings. WaterSmart Innovations, October 4-6, 2017, Las Vegas, USA.
  • A. Silva-Afonso, C. Pimentel-Rodrigues, Myriam Kanoun-Boulé, João A. S. Almeida. Toilets: past, present and future. 43rd International Symposium of CIB W062 Water Supply and Drainage for Buildings. August 23-25, 2017, Haarlem, The Netherlands.

 

LISTA DE PUBLICAÇÕES

  • António Gameiro Lopes, Vítor Costa. Using CFD in the design process of a toilet bowl. Artigo aceite para publicação nos Proceedings of FFHMT'18. 2018.
  • M. Kanoun-Boulé, A. Azevedo, M.I. Santos, J. Almeida, C. Pimentel-Rodrigues, A. Silva-Afonso, A. Tadeu. Hygienisation of human urine effluent collected through a new diverting sanitary system. Proceedings of S2small2017. 2017, 596-598.
  • A. Silva-Afonso, C. Pimentel-Rodrigues, Myriam Kanoun-Boulé, João A. S. Almeida. Toilets: past, present and future. Proceedings of CIBW062. 2017, 421 – 430.
  • João Almeida, Ana Azevedo, Myriam Kanoun-Boulé, Maria Inês Santos e António Tadeu. WashOne - Sanita inovadora integrando múltiplas funções de conforto, higiene e sustentabilidade. Indústria e Ambiente, Março/Abril 2017, n.° 103, pág. 27-29;
  • Sanita inovadora integrando múltiplas funções de conforto, higiene e sustentabilidade. Edifícios e Energia, Maio/Junho 2017, n.° 111, pág. 48-49.
  • Pedro Cruz, Andreia Costa, Vítor Costa, Marcelo Pereira, Luís Rodrigues, Carla Rodrigues, António Lopes, Carla Rodrigues, Fausto Freire, João Almeida, Inês Santos, Ana Azevedo, Myriam Kanoun-Boulé, António Tadeu, Sandra Além, Emanuel Rufo, Rodolfo Martins e Nuno Santos. Sanita inovadora integrando sistemas de armazenamento e descarga de água, bidé eletrónico e separação de urinas. Indústria e Ambiente, Janeiro/Fevereiro 2018, n.° 108, pág. 29-31.
  • João A. S. Almeida, Ana L. Azevedo, Michael Brett, António Tadeu, Armando Silva-Afonso, Andreia Costa, Emanuel Rufo and Sandra Além. Urine Recovery at the Building Level. Submitted to Water Research (Manuscript no. WR47223).
  • Carla Rodrigues, João Almeida, Maria Inês Santos, Andreia Costa, Sandra Além and Fausto Freire. Life-cycle assessment of an innovative multifunctional toilet system incorporating uncertainty. Manuscript in preparation.