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VI SEREA - Seminário Iberoamericano sobre Sistemas de Abastecimento Urbano de Água João Pessoa (Brasil), 5 a 7 de junho de 2006

OPTIMIZACIÓN DEL DISEÑO DE REDES HIDRÁULICAS EN EDIFICACIONES

Jorge Armando Granados1; Esteban Alfonso Saavedra1; Oscar Andrés Ramírez1

Resumen - Con el desarrollo de griferías de bajo consumo la aplicación de las unidades de suministro de Hunter para instalaciones hidrosanitarias conduce a sobredimensionar el diseño; ya que los valores de estas unidades se determinaron experimentalmente con los materiales y accesorios existentes en la época. Las unidades originales de los aparatos se han modificado en los códigos, pero estos cambios fueron hechos subjetivamente, sin una correlación con los parámetros del modelo. Por esta razón se realizó un seguimiento a la metodología propuesta por Hunter, llevando a cabo ensayos con el fin de identificar el comportamiento de las griferías en función de las variables más destacadas del método. Analizando los datos obtenidos y calculando las nuevas unidades para los aparatos ensayados, se encontró que estos valores son significativamente menores que los recomendados en los códigos locales e internacionales usados actualmente para el diseño. Se hizo una comparación entre dos diseños para una edificación, con las unidades originales y con las unidades obtenidas en la investigación, encontrando diferencias radicales entre los caudales de diseño, que se reflejan en una disminución importante en costos de materiales, principalmente en tuberías, accesorios y sistemas de bombeo, así como en una reducción en el consumo de agua. Abstract - The fixtures development of under consumption, the application of Hunter’s units supply for plumbing designs produces an over dimension; because the values of these units were determined experimentally with the materials and accessories of that time. The original fixtures units have modified in the codes, but these changes were made subjectively, without a correlation with the parameters of the pattern. For this reason it was carried out an analysis to the methodology proposed by Hunter, carrying out rehearsals with the purpose of identifying fixtures behaviours in function of the most outstanding variables in the method. Analyzing the results and calculating the new units for the rehearsed fixtures, it was found that these values are significantly smaller that those recommended in the local and international codes used at the moment for the design. A comparison was made between two designs for a building (using the original units vs. the units obtained in the investigation) finding mainly radical differences among the design flows rate that are reflected in an important decrease in costs of materials, in pipes, accessories and systems of pumping, as well as in a reduction in the water consumption. Palabras Clave: método de Hunter, unidades de suministro, instalaciones hidrosanitarias.

1 Universidad Nacional de Colombia – Facultad de Ingeniería – Unidad Académica de Hidráulica – Bogotá D.C. – Ciudad Universitaria Cra 30 Calle 45 Tel: 3165000 ext. 13478; Fax 3165563 E-Mail: [email protected] ; [email protected] ; [email protected]


INTRODUCCIÓN Con el desarrollo de nuevas tecnologías de producción, manufactura de tuberías, accesorios hidráulicos y con el surgimientos de nuevos materiales como polímeros y aleaciones en las ultimas décadas, muchos estudios hidráulicos que se derivan de análisis empíricos, como las unidades de suministro de Hunter, arrojan resultados imprecisos porque las unidades se determinaron experimentalmente con los materiales y accesorios existentes en la época en que se efectuaron dichos estudios, lo que trae consigo sensibles consecuencias como errores en la estimación de parámetros como caudal, presión, diámetros, etc. En las actuales instalaciones hidráulicas se utilizan elementos con características muy diferentes a los que se emplearon en estos estudios y por lo tanto se están realizando diseños sobredimensionados y lógicamente con sobrecostos en los sistemas de bombeo, tuberías y accesorios en la red de suministro y como consecuencia en el sistema eléctrico de las bombas y los espacios que ocupan. Por esta razón se hace necesario hacer un seguimiento a la metodología propuesta por Hunter, hallando las unidades correspondientes para los aparatos usados en la actualidad, basados en el análisis experimental de las características hidráulicas de los mismos, para así recobrar la vigencia y la precisión de dicha metodología. METODOLOGÍA Caracterización Hidráulica de los Aparatos Escogidos Para el estudio se escogieron los siguientes aparatos por considerarse representativos dentro del mercado colombiano, dividiéndose los aparatos en varios grupos y con una muestra por grupo como se describe a continuación: ·Sanitarios Tipo Fluxómetro: 7 aparatos de las marcas Docol, Toto, Sloan y Venus. ·Sanitarios Tipo Tanque: 3 aparatos de las marcas Corona y Toto. ·Orinales: 2 aparatos de las marcas Stern y Docol. ·Duchas o pomas: 9 aparatos de las marcas Deka, Grival, Docol y Accesorios y Acabados. ·Lavamanos: 4 aparatos de las marcas Docol, Stern y Toto. ·Lavaplatos: 2 aparatos de las marcas Peerless y Accesorios y Acabados. Los ensayos se realizaron en el rango de presiones de trabajo normal que puede encontrarse en una instalación hidráulica convencional que funcione por bombeo. El rango del estudio está entre 5 y 80 psi ya que éste concuerda con las especificaciones de instalación de los aparatos estudiados. Se tomaron datos de volumen y tiempo para cada dato de presión y para cada variación en la graduación del tornillo regulador en los aparatos que disponían de la posibilidad de regular el caudal de suministro. Con el fin de determinar las curvas de operación que permiten identificar las características de trabajo de los aparatos se analizo el comportamiento de las variables generando las graficas correspondientes a Volumen vs. Presión y Caudal vs. Presión. Mediante el análisis de las graficas Volumen vs. Presión, figura 1, se pueden identificar la presión de operación mínima de los aparatos a la vez que se puede determinar la posición de giro óptima del tornillo regulador de los fluxómetros, teniendo como criterio un buen funcionamiento del aparato con un volumen mínimo de consumo en el rango de presiones ensayado. A partir de los datos de Volumen y Tiempo se generan los datos de Caudal de lo cual se puede obtener una grafica de Caudal vs Presión, figura 2, estos datos serán la base de entrada para hallar la unidad de suministro de Hunter para cada aparato y en función de la presión de trabajo.


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Presión (psi)

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)1 1,5 2 2,5 3 3,5Vueltas de Tornillo :

Figura 1- Gráfica de Volumen vs. Presión para Sanitario tipo fluxómetro

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0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

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Figura 2- Gráfica de Caudal de Suministro vs. Presión para Sanitario tipo fluxómetro · Cálculo de las Unidades de Hunter para los Aparatos Ensayados El cálculo de las unidades de Hunter se hará para cuatro rangos de presión, esto con el fin de optimizar el consumo de agua de manera racional. Como se conoce experimentalmente la variación del caudal en función de la presión, se calcula las unidades respectivas para intervalos de presión en


la tubería de salida de 0 a 20 psi, de 20 a 40 psi, de 40 a 60 psi y de 60 a 80 psi. De esta manera se puede llevar a cabo un diseño más eficiente teniendo en cuenta la presión en la red en tramos específicos. Como el caudal consumido aumenta para incrementos en la presión se puede generar una curva de unidades de Hunter en donde se observe el comportamiento de las unidades del aparato en estudio para condiciones de presión específicas. Para efectos de generar la tabla de unidades de Hunter se usó el rango de presiones antes mencionado asignándole a cada uno el caudal correspondiente a la presión máxima del intervalo. El procedimiento para el cálculo de la unidad de Hunter es el siguiente: a-) Identificar las variables necesarias para el cálculo:

T = Duración en segundos entre los usos sucesivos de cada elemento individual. t = Duración en segundos de funcionamiento de un aparato. p = Probabilidad de que un elemento particular sea encontrado funcionando en un instante arbitrario de observación del sistema. p = t/T V = Volumen de agua descargada por el aparato en el rango de presión analizado. Q = caudal de trabajo del aparato para el rango de presión analizado, Q = V/t b-) Con los datos anteriores se lleva a cabo el análisis de probabilidades para determinar cuántos aparatos funcionan (m) a partir de los aparatos conectados (n), con el criterio de funcionamiento simultáneo de 1%. Este análisis de probabilidad se llevó a cabo por medio de un programa desarrollado en Microsoft Excel® que reproduce el proceso de cálculo desarrollado por Hunter2 para determinar el número de aparatos funcionando a partir de un valor conocido de aparatos conectados en la red.

c-) Con el programa se generan relaciones de n contra m con la probabilidad evaluada para cada aparato.

d-) Al multiplicar el número de aparatos en funcionamiento por su caudal promedio se generan las graficas de Aparatos conectados vs. Caudal para cada aparato.

e-) Se observa la relación entre los aparatos conectados de fluxómetro base de Hunter y los del aparato estudiado, tomando el valor tradicional de 10 unidades para fluxómetro base. Las unidades correspondientes para el aparato ensayado serán:

Unidades Aparato ensayado = Número de Fluxómetros base conectados * 10 (1) Número de Aparatos ensayados conectados El procedimiento anteriormente descrito es para una presión específica, pero de la caracterización hidráulica se ve que los aparatos varían su caudal y su tiempo de funcionamiento en función de la presión, por lo tanto se pueden generar graficas de Unidades vs. Presión para cada aparato. 2 Ver Revista Plumbing Engineering Articulo “Resolviendo el Problema del Sistema Mixto” por James Breese Articulo “Ingeniería de Suministro y Sistemas de Drenaje” por Thomas P. Konen, P.E.


PRESIÓN vs UNIDADES

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Presión (psi)

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SLOANPAL DOCOLPAL TOTOVENUSELECT TOTOVÁLVULA DESCARGATOTO baterias

Figura 3- Grafica de Unidades vs. Presión para aparatos de Fluxómetro

RESULTADOS De la caracterización hidráulica se puede apreciar que existen dos tipos de aparatos según su comportamiento Volumen vs. Presión, los que permanecen constantes frente a la variación de la presión, que llamaremos de ciclo fijo, y un segundo tipo, al cual pertenecen la mayoría de los aparatos ensayados, que aumenta su consumo al aumentar la presión de trabajo, dándose el caso crítico con las duchas las cuales pueden aumentar hasta en un 200% su consumo al variar la presión de 5 a 50 psi.

Lo anterior se manifiesta al calcular las unidades de Hunter para los aparatos ensayados, ya que se obtienen diferentes valores de unidad en función de la presión de trabajo, a continuación se presenta la tabla resumen para los fluxómetros ensayados donde se aprecia la caída sustancial frente al valor tradicional de 10 unidades para un fluxómetro en la metodología de diseño de Hunter.

Tabla 1 – Unidades de suministro y su relación con la presión de operación para diferentes

aparataos de fluxómetro UNIDADES PRESIÓN (PSI)

Aparato 20 40 60 80 Fluxómetro Palanca Toto 2,05 2,54 2,9 3,72 Válvula de descarga Docol 2,45 3,67 4,84 10,45 Fluxómetro Palanca Sloan 1,96 2,44 2,72 3,08 Fluxómetro de Palanca Docol 3,23 4,52 5,31 7,15 Fluxómetro Eléctrico mixto Toto 2,47 3,44 4,39 5,23 Fluxómetro Eléctrico mixto Venus 1,2 1,91 2,8 4,12 Fluxómetro Baterías mixto Toto 1,56 1,56 2,18 2,51


Para visualizar la importancia de estos resultados analicemos el caudal requerido en un sistema de bombeo con 100 fluxómetros instalados en la red de suministro, cantidad que es usual encontrar en un centro comercial: por el método tradicional asignaríamos 10 unidades a cada fluxómetro, tendríamos 1000 unidades que corresponde a un caudal de 12,62 LPS, con las nuevas unidades y el aparato más eficiente de los estudiados tendríamos un valor de 1.56 unidades por fluxómetro, para un total de 156 unidades y un caudal de 5,05 LPS. Se reduce en un 60% el caudal de diseño. Esta misma proporción tiende a mantenerse cuando se diseña la red con griferías conectadas de diferente tipo, una vez halladas las unidades de suministro correspondientes para cada aparato. Si las frecuencias y picos de uso se mantienen iguales en el sistema de bombeo de nuestro ejemplo, se deduce que para caudales pico menores se obtendrá una disminución generalizada en los volúmenes consumidos, lo que redundará en el aprovechamiento eficiente del recurso hídrico y en beneficio de los propietarios de las instalaciones. CONCLUSIONES · Con esta información el diseñador puede optimizar el diseño de la red, ya que conoce el comportamiento real de los aparatos, donde la presión de trabajo juega un papel fundamental, y las nuevas unidades garantizan que no se sobredimensione la red de suministro ni los equipos de bombeo reduciendo los costos constructivos. · Una buena calibración de las griferías a instalar en la red, teniendo en cuenta la variación en la posición del tornillo de regulación de caudal para los fluxómetros y el control de la presión de los aparatos por medio de válvulas reguladoras de presión, evitan el desperdicio excesivo de agua y permiten que la red trabaje de una forma eficiente, lo cual no solo incide en costos para el usuario final por la reducción en los volúmenes de consumo, sino que los costos de construcción, operación y mantenimientos serán mucho menores en comparación con edificios diseñados mediante las unidades tradicionales. · En los códigos y normas que rigen el diseño de las redes hidrosanitarias se hace necesario modificar los valores de las unidades de suministro con el fin de divulgar la justificación experimental de lo que se conoce desde el ejercicio profesional y la experiencia. Los fabricantes de griferías de bajo consumo deberán proveer las curvas características de sus aparatos para que se puedan determinar las unidades correspondientes para cada uno. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS GRANADOS ROBAYO, JORGE ARMANDO, 2002. “Instalaciones Hidráulicas y sanitarias en edificios”.Universidad Nacional de Colombia.

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