TRABAJO DE GRADO - PREGRADO NATALIA ANDREA NIETO ALBARRACIN
ASESOR: JUAN PABLO RODRIGUEZ SANCHEZ
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE ING. CIVIL E ING. AMBIENTAL BOGOTÁ D.C.
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Tabla de contenido
1. RESUMEN ... 4
2. OBJETIVOS ... 5
2.1. Objetivo General ... 5
2.2. Objetivos Específicos ... 5
3. ANTECEDENTES ... 6
4. INTRODUCCIÓN ... 8
5. MARCO TEÓRICO ... 11
5.1. Sistemas de Recolección de Agua Lluvia ... 12
5.2. Calidad del Agua ... 13
5.3. Tratamiento de agua ... 17
5.4. Diseño ... 18
6. METODOLOGÍA Y HERRAMIENTAS USADAS ... 20
7. CASO DE ESTUDIO ... 23
7.1. Descripción de Escenarios ... 24
8. RESULTADOS ... 26
8.1. Parámetros de entrada ... 26
8.1.1. Cálculo de la Oferta ... 26
8.1.2. Coeficiente de Escorrentía ... 26
8.1.3. Cálculo de la Demanda ... 27
8.1.4. Ahorro real de agua ... 29
8.1.5. Presupuesto de Construcción ... 35
8.1.6. Análisis de Inversión ... 40
9. ANÁLISIS DE RESULTADOS ... 44
10. CONCLUSIONES ... 51
11. RECOMENDACIONES Y TRABAJOS FUTUROS ... 52
12. BIBLIOGRAFÍA ... 53
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Lista de Tablas
Tabla 1. Coeficientes de Escorrentía (Mijares, 1989) ... 27
Tabla 2. Consumo Escenarios Domésticos ... 28
Tabla 3. Consumo Escenario Industrial ... 28
Tabla 4. Consumo Promedio Diario... 28
Tabla 5. Ahorro Anual Promedio ... 30
Tabla 6. Costo de un metro cúbico en Bogotá D.C. ... 32
Tabla 7. Eficiencia de los Sistemas ... 33
Tabla 8. Presupuesto Escenario Doméstico ... 36
Tabla 9. Presupuesto Escenario Industrial ... 36
Tabla 10. Resultados de VPN, TIR y Tiempo de Retorno ... 41
Tabla 11. Ahorro Plantas de Tratamiento ... 50
Lista de Figuras
Figura 1. Puntos de muestreo en sistema de recolección de agua lluvia (A.C.Morrow, 2010) ... 17Figura 2. Valor Presente Neto (Enciclopedia Financiera s.f.) ... 21
Figura 3. Zona de Estudio ... 24
Figura 4. Lugar de Estudio ... 24
Figura 5. Distribución Lugar de Estudio ... 25
Figura 6. Consumo de Agua Potable en Sanitarios (Cortés s.f.) ... 29
Figura 7. Modelo para el cálculo del ahorro real ... 31
Figura 8. Comportamiento de la eficiencia según el volumen del tanque ... 34
Figura 9. Planta Terrazas - Recolección de Agua Lluvia Escenario Doméstico ... 37
Figura 10. Planta Piso 2 Escenario Doméstico ... 37
Figura 11. Perfil Transversal Escenario Doméstico (Recolección, Almacenamiento y Distribución) 38 Figura 12. Planta Primer Piso (Almacenamiento) ... 38
Figura 13. Planta Escenario Industrial ... 39
Figura 14. Perfil Escenario Industrial Tanque Subterráneo... 39
Figura 15. Perfil Escenario Industrial Tanque Elevado ... 40
Figura 16. Comportamiento del VPN a Diferentes Volúmenes de Tanque ... 42
Figura 17. Comportamiento de la Demanda a Diferentes Volúmenes de Tanque ... 43
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1.
RESUMEN
Los sistemas de recolección de agua lluvia son sistemas que optimizan el consumo de agua tanto en centros urbanos como en zonas rurales donde no hay servicio de suministro de agua potable. En zonas de gran variabilidad hídrica estos sistemas son de gran ayuda para homogenizar el suministro de agua en tiempo y espacio. En este estudio se estudiará la vialidad económica de implementar un sistema de recolección de agua lluvia en la zona de centro de Bogotá D.C. Se analizó el comportamiento real entre demanda y oferta para estimar el tamaño óptimo de almacenamiento en diferentes escenarios. Por último se desarrolló un análisis de inversión frente al costo de construcción del sistema y el ahorro en el consumo de agua potable que el sistema es capaz de suplir, permitiendo encontrar el escenario más rentable y atractivo para el usuario. A partir de esto se encontró que los escenarios industriales representan la mejor inversión a realizar, siendo el más rentable con mayores ganancias financieras. Los sistemas de recolección de agua lluvia en industrias constituyen altos beneficios económicos, sobretodo en industrias donde sus procesos involucren gran consumo de agua que no requieran altos estándares de calidad. Para escenarios domésticos el rendimiento solo se logra si existe una demanda considerable como en el caso de edificaciones. El gobierno podría incorporar incentivos financieros que permitan socializar los sistemas de cosecha de agua lluvia con la industria y la población.
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2.
OBJETIVOS
2.1.
Objetivo General
Determinar la viabilidad que tienen los sistemas de recolección de aguas lluvias con tanques de cosecha de agua en propiedes privadas para diferentes escenarios en una zona de la ciudad de Bogotá D.C.
2.2.
Objetivos Específicos
Desarrollar una revisión de literatura científica que permita entender el comportamiento de los tanques de cosecha de aguas lluvias.
Encontrar el ahorro y eficiencia real de un sistema de recolección de agua lluvia en base a un modelo analítico.
Identificar las diferentes variables que determinan la viabilidad de los diferentes escenarios.
Realizar un análisis de inversión de la implementación de los tanques de cosecha de aguas lluvias, que permita encontrar el escenario más favorable y atractivo para los propietarios privados.
Cuantificar los beneficios que tienen los tanques de cosecha de agua lluvia a nivel de localidad.
Cuantificar la capacidad que tienen los tanques de cosecha de aguas lluvias para aliviar la demanda de capacidad hidráulica en los sistemas de drenaje urbano.
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3.
ANTECEDENTES
A lo largo de la historia, se han venido presentando problemas frente al manejo sostenible de aguas residuales y aguas lluvias en zonas urbanas. El crecimiento de las ciudades ha generado grandes sistemas de drenaje, que se han venido implementado a lo largo de la historia de estos centros urbanos. Este crecimiento sin duda alguna no solo ha aumentado la cantidad de zonas impermeables, sino también ha comprometido el mantenimiento de sistemas de acueducto y alcantarillado. Esto a su vez ha generado un gran número de fallas dentro del sistema de drenaje a causa de la disminución de la capacidad hidráulica del sistema, por el taponamiento de residuos sólidos, contaminantes y sedimentos. Estos factores mencionados anteriormente causan graves inundaciones a lo largo de las ciudades, lo cual contribuye a un problema de salubridad en especial en zonas donde el nivel de pobreza es alto.
En la actualidad se ha desarrollado una importante investigación en temas de sistemas de drenaje urbano sostenibles, los cuales ayudan a captar una parte de aguas lluvias para otros usos, y así, amortiguar los sistemas urbanos. Estos sistemas también han permitido al usuario, reducir sus gastos con el uso de agua lluvia para la demanda de inodoros, lavado de ropa y riego de jardines entre otras.
El uso de los sistemas de drenaje urbano sostenible ha permitido reducir de manera importante la escorrentía causada por las aguas lluvias en los centro urbanos. Así mismo, ha permitido homogenizar la oferta de agua dulce en lugares con fuertes cambios climáticos. Para países industrializados, el almacenamiento de agua lluvia fortalece sectores agropecuarios en los cuales no existen fuentes cercanas de agua.
A la fecha los sistemas de drenaje urbano se han convertido en el camino a seguir de muchos países desarrollados, con el fin de atenuar el consumo creciente de recursos naturales y volver a retomar costumbres, que permitan educar y concientizar el uso apropiado del agua. Los sistemas de recolección de aguas lluvias más utilizadas actualmente son: mezcla de hormigón con mayor porosidad y permeabilidad, cosecha de aguas lluvias y techos verdes.
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En Colombia el conocimiento y uso de estos sistemas es escaso y hasta el momento solo es tema de conversación en centros educativos. Para Colombia optimizar el manejo del agua lluvia, no es un tema que genere gran interés, puesto que es un país rico en recursos hídricos que en la actualidad no presenta problemas de escasez de agua potable.
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4.
INTRODUCCIÓN
Los tanques de cosecha de agua son sistemas que permiten obtener un suministro de agua potable directo y sin ningún costo de captación. La recolección de agua lluvia permite aligerar la demanda de los sistema de acueducto, y homogenizar la carga hidráulica en los sistemas de alcantarillado en eventos de lluvia. El agua lluvia almacenada generalmente se utiliza en sanitarios, lavado de ropa, procesos industriales, riego de jardines, piscinas y fuentes de agua. Aunque se conocen sus usos y ventajas en países con fuertes cambios climáticos, no se conoce con exactitud la viabilidad en países como Colombia donde la oferta de agua es alta y la sensibilización del buen uso de agua es baja.
En la actualidad un tercio de la población mundial vive en países en estado de emergencia por el suministro de agua dulce (F. Macedonioa, 2012). Se estima que la situación podría llegar a ser dos tercios de la población para el 2025, si los gobiernos y las instituciones ambientales no fomentan el buen uso del agua potable. Por esta razón, el manejo de agua dulce es un tema de gran prioridad para las discusiones de las mesas internacionales.
Tan solo en continentes como Europa, que representa el 70% de la población mundial, hay problemas por la escasez de agua potable, generando grandes esfuerzos para lograr de forma efectiva equilibrar la oferta y la demanda de sus naciones. En países de gran desarrollo industrial como Estados Unidos, el consumo ya supera la renovación natural de agua. En India se presenta escasez en un gran número de aldeas con problemas de salinidad tierra adentro. En Israel, la extracción excede el reabastecimiento de los pozos, degradando aún más las condiciones naturales de la tierra (F. Macedonioa, 2012).
En países de gran densidad poblacional la situación es alarmante. En China, en 550 de las ciudades más grandes, hay un agotamiento exponencial de agua dulce, ubicándola en el puesto 13 de los países más pobres en agua del mundo (F. Macedonioa, 2012). La creciente demanda puede llegar a declinar el uso doméstico, agrícola e industrial. Sin olvidar que China es uno de los países con concentraciones altas de metales pesados en sus ríos, imposibilitando el riego de campos y consumo humano sin un pre-tratamiento; ocasionando una desaceleración en la producción industrial y agrícola del país. Otro importante caso es Egipto,
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el cual importa la mitad de los alimentos a causa de la limitación de agua para sus campos (F. Macedonioa, 2012).
La contaminación de las fuentes hídricas hoy en día, muestra la importancia en la disminución de contaminantes como compuestos orgánicos hidrofílicos, productos de desinfección, farmacéuticos e iones de elementos electrónicos que terminan en los vertederos, contaminando el agua, la tierra y el aire. Como resultado de esta situación global, se han desarrollado nuevas metodologías que permitan optimizar el uso de agua potable, como la reutilización, la recolección y la desalinización. Muestra de esto es el aumento de plantas de tratamiento de agua residual en el mundo que se han implementado, con una capacidad de 62.8 millones m3 /día teniendo en cuenta el alto costo de energía, la optimización del pre-tratamiento y el impacto de los residuos que esto puede acarrear (F. Macedonioa 2012). Para poder cumplir el suministro de agua potable se requiere de un incansable esfuerzo por innovar en nuevos sistemas que permitan optimizar el recurso. Entre ellos encontramos la desalinización de agua de mar, la recolección y re uso de agua industrial / municipal tratada para el suministro de agua en diferentes usos (consumo humano, lavado, agricultura, irrigación y uso industrial). El re uso hoy en día, no es esencial pero tiene un uso amplio a nivel mundial para la irrigación, plantas de energía para enfriamiento de agua, procesos industriales, recarga de agua subterránea y en algunos casos es aceptado para procesos de consumo humano (F. Macedonioa, 2012).
En áreas donde la fuente es limitada, las generaciones pasadas usaban métodos tradicionales como la recolección y el almacenamiento del agua lluvia, como fuente de agua potable u otras usos en épocas de sequia. Estas técnicas actualmente reviven como una solución atractiva para el desarrollo sostenible de las sociedades. La recolección de agua lluvia es una alternativa eficiente siendo la de mayor accesibilidad directa como fuente de suministro. Su almacenamiento en países con baja oferta hídrica es de gran importancia por la distribución no uniforme de los eventos de lluvia, tanto en aspectos temporales como espaciales. La captación de agua lluvia se desarrolla de forma natural por medio de techos, calles o superficies dispuestas para ello. En la mayoría de los casos estos sistemas son usados como
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fuente de agua para inodoros, riego de césped, paisajes y piscinas ecológicas, y el enfriamiento del aire acondicionado (Ming Daw Su, 2009).
En esta investigación se llevó a cabo una revisión de literatura científica de las diferentes variables que pueden verse involucradas en el diseño, implementación y operación de un sistema de recolección de agua lluvia. Así mismo se identificó un caso de estudio en el ciudad de Bogotá D.C., en el cual se estableció la viabilidad de la implementación de un sistema de recolección de agua lluvia en tanques de cosecha. Para lograr este alcance, se implementó un modelo numérico en el cual se logro encontrar el ahorro y la eficiencia real del sistema para diferente escenarios. Adicionalmente se realizó un análisis de precios unitarios para encontrar el costo de la construcción del sistema. Por último, se hizo un análisis de inversión que permita encontrar el escenario más rentable. A partir de este proceso, se encontró que los escenarios industriales representa la mejor inversión a realizar, siendo el más rentable con mayor ahorro económico. Los sistemas de recolección de agua lluvia en industrias constituyen altos beneficios económicos, sobretodo en industrias donde sus procesos involucren gran consumo de agua, que no requieran estándares de calidad.
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5.
MARCO TEÓRICO
La escasez de agua y el buen uso que se le puede dar, son temas que en la actualidad se presentan con frecuencia en el mundo. Sin embargo, el valor del agua potable para personas en países con gran oferta hídrica es ignorado. Mientras que para países con condiciones estacionarias de baja oferta hídrica y alta demanda, puede ser el mayor problema a enfrentar. Estas condiciones se deben a condiciones climáticas extremas, asociadas a una alta variabilidad espacial y temporal de los eventos de lluvia, o por la demanda que sus economías exigen. A partir de estas preocupaciones, se han generado nuevas alternativas que permiten dar un mayor rendimiento al recurso, generando iniciativas que permitan controlar la demanda de agua potable. Logrando homogenizar el suministro y consumo de agua, e indirectamente lograr la reducción del volumen de agua residual de las ciudades.
Entre las alternativas más usadas que permiten optimizar el uso y consumo de agua potable se encuentran: limitar la demanda, cosecha de agua lluvia, el uso de equipos eficientes y reciclaje de aguas grises tratadas. Para la disminución del consumo se puede implementar incentivos financieros frente al uso de equipos eficientes o subsidios para la implementación de sistemas ahorradores. De forma contraria, se puede confinar al consumidor con multas, sanciones o sobrecostos a las tarifa por consumos excesivos. A nivel operacional se espera aumentar la regulación frente a las restricciones de uso y fortalecer la red de distribución de agua potable frente a las pérdidas que esté presente (Rodriguez 2013).
Frente a la cosecha de agua lluvia el costo del consumo diario puede baja en un 20% dependiendo de la capacidad del sistema. Los beneficios se deben a la recolección directa de agua lluvia proveniente de techos o superficies recolectoras sin ningún costo, que posteriormente será almacenada. La instalación es simple y económica aunque la oferta varía según las condiciones climatológicas del lugar. Así mismo la calidad del agua es incierta según las condiciones del sistema y de los elementos que lo componen (Rodriguez, 2013).
Frente a equipos eficientes se encentran el uso de duchas de alta eficiencia o bajo flujo, inodoros de baja demanda, grifos con aireadores, sensores y controladores de manos libres,
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lavadoras de baja demanda y monitores con pantalla de alarma visual. Elementos de gran eficiencia en el ahorro del consumo de agua doméstica.
Por último, se encuentra el reciclaje de aguas grises donde se busca un reúso de las aguas menos contaminadas como el agua de duchas, lavadoras y lavamanos. Posteriormente serán usadas en inodoros, lavadoras, riego de jardines y lavado de autos. El re uso de aguas grises está enfocado en actividades donde la calidad no interfiere con la salud del ser humano. Este método contribuye a aligerar el volumen y la calidad de agua descargada en el sistema de alcantarillado, que va directo a las plantas de tratamiento o corrientes naturales de agua. La oferta de este mecanismo es estable en el tiempo ya que sólo depende de un consumo básico diario. La concientización al usuario es un punto importante para la calidad de agua en re uso y para la aceptación cultural del mecanismo.(Rodriguez, 2013).
5.1.
Sistemas de Recolección de Agua Lluvia
El enfoque de esta investigación va dirigida al estudio de sistemas de recolección de aguas lluvias. Este sistema recolecta la escorrentía superficial de techos, superficies terrestres o cuencas de rocas de forma efectiva durante tiempos de lluvia, permitiendo que sea almacenada y posteriormente utilizada en diferentes usos. Entre los usos más conocidos se encuentran el suministro a hogares en actividades como el lavado de inodoros, lavandería o riego de jardines. También se tiene el suministro al riego de campos en lugares con grandes periodos de sequía.
Podemos encontrar tres clases de sistemas de recolección de agua lluvia. El primero es un sistema de recolección de agua lluvia in situ, en el cual se recolecta la precipitación sobre la superficie donde cae y se almacena. El segundo es un sistema externo en el cual se recoge la escorrentía superficial de otro lugar, y posteriormente se trasporta y almacena en el lugar donde se va a utilizar. Por último, encontramos sistemas de uso doméstico donde el agua es recolectada de los tejados, techos, calles y patios (B. Helmreih 2009).
El tanque de recolección para uso doméstico puede ser construido de forma elevada o a nivel subterráneo. El tamaño de estos tanques depende de los requerimientos de cada lugar, la forma y el tipo de material que se desee. Para tanques de gran capacidad los más usados son
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taques de polietileno de cerámica, ferrocemento o polietileno. En polietileno los tanques son compactos, pero tienen una gran capacidad de almacenamiento. El uso de estos tanques de almacenamiento requiere una encapsulación adecuada que minimice la contaminación a causa del ser humano, animales u otros contaminantes ambientales que causan el crecimiento de algas y engendramiento de moscos. Entre las ventajas más importantes se encuentran el suministro de agua cerca de los hogares y reducción de la distancia para la recolección. Los costos de la inversión dependen del tamaño, los materiales y el lugar de construcción del tanque de almacenamiento, ya sea subterráneo o superficial (B. Helmreih 2009).
En la agricultura el uso de estos sistemas de recolección de agua lluvia es de gran viabilidad para la distribución espacial y temporal del agua. Así mismo, se consigue un mayor rendimiento de los cultivos, mitigando problemas como la baja precipitación, las malas condiciones de la tierra y una mala gestión en el manejo de los recursos (B. Helmreih 2009). Aumentando la productividad de las zonas áridas o semiáridas, se puede lograr un aumento de la seguridad alimenticia, mejorar la calidad de los alimentos y reducir la frecuencia de riego. Los sistemas más comunes para la agricultura son los siguientes: sistema de micro cuencas constituido especialmente por áreas contorneadas, con pendientes y bermas diseñadas para aumentar la escorrentía y concentrarla en una plantación; la cual se infiltra en el perfil del suelo y almacena efectivamente el agua. Este sistema de micro-cuencas permite que el agua esté disponible para las plantas y este protegido del efecto de evaporación generada por el sol. Las Micro-cuencas son simples y de bajo costo y pueden ser rápidamente instaladas utilizando materiales locales y mano de obra. El siguiente sistema se conoce con el nombre de presas sub-superficiales, represas o diques de arena, donde el agua se almacena bajo tierra en una capa freática artificialmente elevada o depósito local sub-superficial. Éste último sistema es el más común actualmente, el cual consiste en tanques de diferentes tamaños, formas y materiales, los cuales pueden ser construidos en la superficie o bajo tierra (B. Helmreih 2009). Por otro lado, encontramos temas de gran importancia en la implementación de un sistema de recolección de agua lluvia. Se tocarán temas como el cambo climático, la calidad del agua, el diseño del sistema, análisis costo-eficiente y tratamientos del agua.
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La percepción de la calidad del agua y el riesgo a la salud generan un gran impedimento a la hora de implementar sistemas de recolección de agua lluvia o en general en cualquier sistema de suministro de agua (A.C.Morrow, 2010). Existen diversas fuentes de contaminación externa del agua lluvia como agentes patógenos microbiológicos o contaminantes químicos (A.C.Morrow, 2010). La limpieza, el mantenimiento de tanques, tuberías y en general del sistema, así como las condiciones atmosféricas contribuyen a la calidad del agua lluvia (Ju Young Lee, 2010). La percepción general es que sin un mantenimiento estricto a los tanques de cosecha de agua, se puede desarrollar rápidamente una contaminación microbiana de bacterias, virus y protozoos, al igual que contaminación química (Ju Young Lee, 2010).
La lluvia ácida también conocida como tormenta de viento de polvo es un tema preocupante para la calidad y aceptabilidad del uso de agua lluvia en hogares. La lluvia ácida es generada por la emisión de SOx y NOx de la combustión de los automóviles y la combustión de combustibles fósiles, generando material particulado y concentración de metal en agua lluvia. La calidad del agua proveniente de la lluvia, en general presenta concentraciones muy bajas de contaminantes (B. Helmreih, 2009). Las concentraciones de contaminantes en el agua están asociadas a la calidad de la atmosfera, en la cual se pueden encontrar partículas, microorganismos, metales pesados y sustancias orgánicas que son lavadas en un evento de lluvia. En zonas rurales, alejadas de zonas de grandes concentraciones de contaminantes como áreas industriales, mantienen niveles de contaminación más bajas que en lugares donde el alto tráfico y el impacto de la industria son inminentes. Es importante mencionar que la atmósfera no representa una proporción representativa de contaminación del agua lluvia (B. Helmreih, 2009).
Se han encontrado que hay diversos factores que contribuyen a la contaminación de agua lluvia, como la contaminación a causa de los elementos que componen un sistema de captación (techos de tejas, pizarras y chapas de aluminio). En general ninguno de los parámetros medidos sobrepasa los estándares de calidad actualmente utilizados en el consumo de agua potable. Las bacterias, virus y protozoos pueden proceder de contaminación fecal de aves, mamíferos y reptiles que tienen acceso a los tanques de almacenamiento de agua lluvia. Frente a los indicadores bacterianos se han encontrado coliformes en un 80.3% del
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agua muestreada, Escherichia coli y enterococos en 40,9% y 28,8%, respectivamente (B. Helmreih 2009), demostrando un requerimiento adicional para mejor la calidad microbiológica.
Se desarrolló un estudio en la costa este de Australia en la cual se tomaron diferentes puntos de medición a lo largo del todo el sistema de tanque de cosecha de agua. Terrazas, sistema de almacenamiento, tuberías y grifos de salida, permitieron determinar la variación de cargas contaminantes en la lluvia a lo largo de todo sistema e identificar puntos importantes en la contribución de cargas elementales.Por medio de la Figura 1 se establecieron claramente los puntos de muestreo utilizados (A.C.Morrow, 2010).
Para los contaminantes como metales y no metales, la contaminación proviene directamente de la lluvia, la superficie de recolección, acumulación de escombros y lixiviados del sistema de almacenamiento, tuberías y griferías (A.C.Morrow, 2010). A partir de esto se encontró que el hierro fue el único elemento que se descubrió en concentraciones altas, en muestras provenientes de la terraza. Estas concentraciones de hierro se relacionan fundamentalmente con las rocas y tierra, las cuales presentan concentraciones pequeñas de hierro naturalmente; igualmente se relaciona con productos de hierro, acero y pigmentos de pintura. La degradación de estos elementos anteriormente mencionados se puede deducir a causa de procesos atmosféricos, los cuales contribuyen al trasporte de elementos provenientes de las rocas o los suelos. También se encontró un aporte en lixiviados de hierro, descendiente de la pintura en superficies o elementos de hierro y acero en techos que ayudan a la captación del agua lluvia. Para la disminución de la concentración de hierro se propone un proceso de floculación, que permita la extracción del hierro fuera de la columna de agua y posteriormente ser consumido por microorganismos y bacterias de biopeliculas (A.C.Morrow, 2010).
Por otro lado se estableció que los materiales de tuberías y grifos también contribuyen a la contaminación de otros elementos diferentes al hierro (A.C.Morrow, 2010). El incremento de la concentración de cobre fue observado en grifos utilizados para suministro de agua caliente; un incremento que se vio relacionado con el paso del agua lluvia a través de tuberías de cobre, a causa de la elevación en la temperatura. Así mismo Simmons et al. (2001) y Hart y White (2006) reportaron altas concentraciones de cobre en agua de lluvia a través de tubos de
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cobre. Por otro lado lo anterior también se observó en tuberías de PVC donde las concentraciones promedio de cargas totales, también aumentaron a la salida de tuberías (A.C.Morrow, 2010).
Para elementos como zinc, arsénico, estroncio y molibdeno se encontró una importante elevación en muestras tomadas de tuberías de polivinilo clorhídrico. En estos elementos también se encontró que sus concentraciones eran mayores al final del sistema; indicando que la contaminación en esos puntos no es a causa de la escorrentía en techos, sino de los materiales del sistema de captación y distribución (A.C.Morrow, 2010). La concentración de plomo, sólidos suspendidos, bacterias y otros elementos seleccionados también fueron observados. Se encontró que su concentración decae a través del sistema. Por el contrario, concentraciones de hierro y sólidos disueltos se incrementaron de la terraza al tanque y decrecieron en el punto de uso. Sodio, magnesio y potasio fueron los elementos más abundantes en el muestreo con un 71 - 99.5% de la carga total elemental (A.C.Morrow, 2010). Finalmente se desarrolló una comparación importante entre tanques de concreto y tanques de plástico. Encontrando en tanques de concreto un alto nivel de estroncio, molibdeno y arsénico en comparación con tanques de plástico (A.C.Morrow, 2010). Estos resultados demostraron la variación que existe entre los elementos que componen un sistema de recolección de agua lluvia en diferentes sitios y diferentes puntos. Se pudo concluir que en los sitios estudiados, la atmosfera no genera mayor contribución a la contaminación del agua lluvia. Por el contrario los materiales que componen la tubería muestran contribuciones significativas a la concentración elemental.
Un estudio individual de cada sistema podría encontrar la afectación de la degradación de los materiales de construcción de los sistemas y buscar implementar materiales que no generen mayor daño a la calidad del agua. En este estudio se enfatiza en mejor la calidad del agua lluvia por medio de un mantenimiento regular, así como buscar que los materiales utilizados para la construcción del sistema estén fabricados con materiales no tóxicos como el cobre.(Ju Young Lee, 2010).
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Figura 1. Puntos de muestreo en sistema de recolección de agua lluvia (A.C.Morrow, 2010)
5.3.
Tratamiento de agua
Para sistemas de tratamiento de agua doméstico es importante tener en cuenta que el objetivo principal es encontrar un sistema económico. La implementación o instalación de este tipo de sistemas deberá ser sencilla y fácil de utilizar. También se deberá tener en cuenta que sea un mecanismo automático con una disposición amplia para diferentes tamaños y propiedades adaptativas según el escenario. Para sistemas de abastecimiento pequeños como los son los sistemas de recolección de agua lluvia, el tratamiento deberá tener un alcance no muy amplio pero si económico.
Uno de los procesos más usados para la desinfección en el mundo es la cloración. El cloro se puede aplicar para la desactivación de la mayoría de los microorganismos, y es relativamente barato. Uno de los límites de la desinfección por cloración es que algunos parásitos han mostrado resistencia (B. Helmreih, 2009).
También se han implementado sistemas de filtros de arena como una de las alternativas más económicas que atacan directamente microorganismos (B. Helmreih, 2009).Los filtros son un método biológico conformado por una serie de capas capaces de filtrar las impurezas microbianas del agua. Los filtros están construidos cuidadosamente usando capas graduadas de arena con la fracción más gruesa en la parte superior y el más fino en la base. Su eficiencia depende de la capa bacteriana formada (biofilm) y puede permanecer en servicio durante varias semanas o incluso meses, si el tratamiento produce una concentración de nutrientes muy baja. Un flujo constante de agua a través de los filtros es esencial para conseguir un buen
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rendimiento, con el fin de que los microorganismos generados tengan alimento constante para su supervivencia. Es importante resaltar que la implementación de estos sistemas ya se encuentra en paisas en desarrollo, por su alta eficiencia en remoción de nutrientes a un bajo costo (B. Helmreih, 2009).
La pasteurización con tecnología solar también se conoce como un método de desinfección económico, por medio de la combinación de la radiación UV-A con calor. Este método promete ser eficaz y fiable por la inagotable fuente de calor proveniente del sol. En países de grandes sequias, la desinfección se puede lograr por baches o por flujo continuo en reactores. El sistema por lotes es el más apropiado para sistemas en hogares donde la oferta no es continua. Sin embargo se limita cuando la concentración de sólidos en suspensión está por encima de 10 mg/l impidiendo la penetración de los rayos solares (B. Helmreih 2009). Frente a compuestos tóxicos se puede utilizar un proceso de floculación en el cual se generan una formación de flocs que van a ser removidos por un filtro.
5.4.
Diseño
En el diseño de un sistema de recolección de agua lluvia es importante encontrar el rendimiento y la estabilidad del suministro de agua. Para el diseño apropiado de estos sistemas es fundamental estudiar el balance de masa con sus respectivos parámetros de entrada. La entrada de agua al sistema está determinada por parámetros como la precipitación, área de captación y coeficiente de escorrentía. El valor encontrado es conocido como la oferta del sistema. La demanda es otro parámetro de entrada que se basa en definir las necesidades reales del sistema. La obtención de estos dos parámetros permitirá diseñar con exactitud el volumen de tanque solicitado, buscando conseguir el mayor ahorro posible de agua potable. Sin datos precisos se puede caer en el error de almacenar lo que no se necesita o no cubrir de forma eficiente la totalidad de la demanda. La ecuación 1 muestra el balance de masa anteriormente señalado.
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6.
METODOLOGÍA Y HERRAMIENTAS USADAS
La metodología de esta investigación está fundada en el estudio de criterios de decisión para la evaluación de proyectos de inversión y alternativas operacionales. Se desarrollará una evaluación económica y financiera de la inversión en la construcción de tanques de cosecha de agua lluvia, para diferentes escenarios en la ciudad de Bogotá D.C.. Este análisis tendrá como propósito encontrar el escenario con mayor rentabilidad.
Para la valoración de un proyecto de inversión se estiman tres inputs principales. El primero de ellos está basado en los ingresos del proyecto bajo un horizonte de tiempo. Para los diferentes casos de estudio, este primer input se entenderá como el ahorro del suministro de agua potable que el sistema de recolección de agua lluvia va a proveer. El segundo input es la inversión al proyecto, relacionado con los desembolsos que debe suministrar el dueño para la puesta en marcha del mismo y posibles gastos a lo largo del tiempo. Para este indicador se tomará como inversión inicial la construcción del sistema. Por último se tienen los gastos operativos, los cuales son generados en el transcurso de la ejecución del proyecto. Se espera que el sistema tenga gastos anuales para el mantenimiento y limpieza de los elementos que lo componen.
Después de definir todas las variables para el análisis de inversión, se calcularán parámetros de gran importancia que podrán ayudar a evaluar la viabilidad del proyecto. Evaluar este tipo de proyectos permite minimizar el riesgo ante la posibilidad de invertir en otra alternativa. El resultado de este análisis busca encontrar el mejor escenario de inversión y manejo de los recursos. Para poder comprender de una forma más precisa la viabilidad del sistema de recolección de agua lluvia, se calcularán dos parámetros principales: el valor presente neto y la tasa interna de retorno.
El parámetro más importante es el Valor Presente Neto (VPN), el cual se define como la creación o destrucción del valor del dinero en el tiempo. El VPN es un soporte que permitirá encontrar la mejor respuesta a la implementación de este tipo de sistemas; minimizando el riesgo y evaluando el costo de oportunidad de otros sistemas con el mismo bienestar. El resultado que se quiere buscar para este tipo de análisis, es generar ingresos suficientes que
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puedan cubrir el costo de la inversión cumpliendo con un objetivo financiero. Otro logro importante es recuperar la inversión en el menor tiempo posible, logrando una propuesta atractiva tanto en valor como en tiempo. La sumatoria de los ingresos y egresos en valor presente deberá generar un resultado positivo para considerarla como una alternativa factible (Administrador Financiero s.f.). La formula implementada para el cálculo del VPN está descrita en la Figura 2.
A: Inversión del proyecto C1: Flujo Neto en el periodo 1
i: Tasa de interés
Figura 2. Valor Presente Neto (Enciclopedia Financiera s.f.)
Otro de los parámetros que se tendrán en cuenta es la tasa interna de retorno, definida como la tasa efectiva anual o tasa de descuento que hace que el valor presente neto de todos los flujos de una inversión sea igual a cero (Enciclopedia Financiera s.f.). Esta tasa pretende viabilizar el proyecto con un punto de vista financiero. Para que un proyecto sea viable se espera que la TIR sea positiva y mayor a la tasa de interés del inversionista. En la ecuación 2 y 3 se muestra la expresión matemática.
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Ecuación 2
Ecuación 3
Fj = Flujo Neto en el Período j Io = Inversión en el Período 0 n = Horizonte de Evaluación
A partir de los resultados que se obtengan para cada uno de los escenarios, se espera encontrar la viabilidad que tienen los tanques de cosecha de aguas lluvias en zonas específicas de Bogotá D.C. y encontrar la mejor alternativa posible.
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7.
CASO DE ESTUDIO
Para estimar la viabilidad del sistema de recolección de agua lluvia para tanques de cosecha de agua en la ciudad de Bogotá D.C., se tomó la localidad de Los Mártires como zona de estudio. La localidad cuenta con 99.000 habitantes en un área aproximada de 115,2 Hectáreas. La localidad se encuentra localizada en la parte centro-sur de la ciudad y está completamente urbanizada a excepción de algunos parques y zonas verdes. Presenta una fuerte influencia industrial en la zona norte y está localizada junto a las localidades de La Candelaria, Santa Fe y Teusaquillo conformando El Centro de la ciudad. También cuenta con espacios históricos de principios de la república, junto a desarrollos urbanísticos posteriores. Comparte el predominio de la condición de centro degradado y sólo presenta áreas residenciales de clase media, en su extremo sur y norte con denominación de estrato 3. En la figura 3 se puede visualizar la zona de estudio y el lugar especifico escogido.
24
Figura 3. Zona de Estudio
7.1.
Descripción de Escenarios
Este análisis se realizó para cuatro escenarios ubicados en la misma localidad y en los mismos predios (Figura 4). El lugar de trabajo está conformado por dos predios adyacentes, uno de ellos es de uso industrial y el otro es de uso mixto (Figura 5). El predio de uso mixto funciona como uso residencial en la planta superior y uso comercial en la planta inferior.
El primer escenario está ubicado en el predio de uso mixto, en el cual sólo se tendrá en cuenta el consumo doméstico. El segundo escenario también se encuentra en el predio de uso mixto, pero su consumo además de ser doméstico también incluye el consumo no doméstico. Para el tercer escenario sólo está incluido el consumo industrial del predio industrial. Por último, se tiene el cuarto escenario en el cual se tiene en cuenta sólo el consumo doméstico del predio de uso mixto, con la discrepancia que sólo tiene en cuenta casos hipotéticos de mayor demanda, es decir el aumento de un piso adicional hasta conseguir un escenario de una edificación de 5 pisos.
25
Figura 5. Distribución Lugar de Estudio
En los escenarios uno y dos la vivienda residencial está compuesta por dos plantas con azotea. Cuenta con un área de 186.6 m2 y está habitada por 5 personas en la segunda planta y un establecimiento comercial en la primera planta. El área de recolección de agua lluvia es de 180 m2. La distribución de los techos con sus respectivos materiales y coeficientes de escorrentía se presentan en la Figura 5.
En el tercer escenario de uso industrial se desarrollan labores de corte y procesamiento de mármol. El consumo de agua para esta industria es primordial para su funcionamiento. Este predio tiene un área de 210 m2, pero solo cuenta con un área de 120 m2 de techo o área con potencial para recolectar agua lluvia. Para el último escenario, las condiciones y características son las mismás que en los dos primeros escenarios.
26
8.
RESULTADOS
8.1.
Parámetros de entrada
A continuación se describirá el cálculo de los ingresos que van a ser tomados para el análisis de inversión. Los ingresos están representados por el ahorro en el consumo de agua que se deja de facturar. Para medir el ahorro real con la implementación del sistema de tanques de cosecha de agua, se realizo un balance de masas (Ecuación 4).
Ecuación 4
8.1.1.
Cálculo de la Oferta
Se define la oferta como el volumen de agua recolectado en un evento de lluvia. Este parámetro se calcula según el área de recolección o área de azotea, el coeficiente de escorrentía para cada tipo de superficie y la precipitación diaria (Ecuación 5). La medida de la cantidad de lluvia se expresa por la altura de la capa de agua que cubriría el suelo, perfectamente horizontal, sin filtraciones ni evaporación. Esta medida se llama altura de precipitación y es expresada en milímetros (IDEAM 2004). La precipitación diaria se obtuvo de la estación pluvial San Diego ubicada en el centro de la ciudad.
Ecuación 5
8.1.2.
Coeficiente de Escorrentía
El coeficiente de escorrentía representa la fracción de lluvia que desliza directamente sobre la superficie. Este parámetro toma valores entre 0 y 1, varía según el tipo de cuenca y de las condiciones iniciales de humedad. En la Tabla 1 se definen los valores de coeficientes de escorrentía utilizados para este estudio (Mijares, 1989). Se tomo el valor máximo según el intervalo descrito para el tipo de superficie techado.
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Tabla 1. Coeficientes de Escorrentía (Mijares, 1989)
Tipo de Superficie Coeficiente de Escorrentía
Mínimo Máximo
Zona Comercial 0.7 0.95
Vecindario, zonas de edificaciones, edificaciones densas 0.5 0.7
Zonas residenciales unifamiliares 0.3 0.5
Zonas residenciales multifamiliares espaciadas 0.4 0.6
Zonas residenciales multifamiliares densas 0.6 0.75
Zonas residenciales semiurbanas 0.25 0.4
Zonas industriales espaciadas 0.5 0.8
Zonas industriales densas 0.6 0.9
Parques 0.1 0.25
Zonas deportivas 0.2 0.35
Estaciones e infraestructuras viarias del ferrocarril 0.2 0.4
Zonas suburbanas 0.1 0.3
Calles asfaltadas 0.7 0.95
Calles Hormigonadas 0.7 0.95
Calles adoquinadas 0.7 0.85
Aparcamientos 0.75 0.85
Techados 0.75 0.95
Praderas (suelos arenosos con pendientes inferiores al 2%) 0.05 0.1
Praderas (suelos arenosos con pendientes intermedias) 0.1 0.15
Praderas (suelos arenosos con pendientes superiores al 7%) 0.15 0.2
Praderas (suelos arcillosos con pendientes inferiores al 2%) 0.13 0.17
Praderas (suelos arcillosos con pendientes intermedias) 0.18 0.22
Praderas (suelos arcillosos con pendientes superiores al 7%) 0.25 0.35
8.1.3.
Cálculo de la Demanda
Para el cálculo de la demanda se tomaron los consumos registrados por las facturas de venta de la Empresa de Acueducto y Alcantarillado de Bogotá (EAAB). Esta empresa es prestadora de los servicios de acueducto y alcantarillado sanitario y pluvial de la ciudad de Bogotá D.C.. En la Tabla 2 se definen los consumos bimensuales para consumo doméstico y no doméstico de los escenarios uno, dos y cuatro. En la Tabla 3 se define el consumo bimensual del escenario industrial. A partir de la obtención de esta información, se estimo la media aritmética para cada tipo de consumo y obtener la demanda promedio diaria (Tabla 4).
28
Tabla 2. Consumo Escenarios Domésticos
Consumo Escenarios 1, 2 y 4
Periodo Volumen (m3)
Uso
Doméstico Uso
Comercial % Doméstico % Comercial
Costo Uso Doméstico Costo Uso Comercial $/m3 Doméstico $/m3 Comercial
May-Jul 2012 10 20 33% 67% $ 39,776 $ 140,388 $ 3,978 $ 7,019 Jul-Sep 2012 12 25 32% 68% $ 47,863 $ 168,918 $ 3,989 $ 6,757 Sep-Nov 2012 12 23 34% 66% $ 45,606 $ 160,952 $ 3,801 $ 6,998 Nov-Ene 2012 11 23 32% 68% $ 44,477 $ 156,969 $ 4,043 $ 6,825
Ene-Mar 2013 12 25 32% 68% $ 47,863 $ 168,918 $ 3,989 $ 6,757
Tabla 3. Consumo Escenario Industrial
Consumo Escenario 3
Periodo Volumen (m3) Costo $/m3
Nov-Ene 2011 11 $ 95,680 $ 8,698
Ene-Mar 2012 12 $ 101,160 $ 8,430
Mar-May 2012 12 $ 101,290 $ 8,441
May-Jul 2012 15 $ 121,376 $ 8,092
Jul-Sep 2012 16 $ 127,911 $ 7,994
Sep-Nov 2012 14 $ 115,963 $ 8,283
Nov-Ene 2012 13 $ 110,390 $ 8,492
Ene-Mar 2013 16 $ 128,370 $ 8,023
Tabla 4. Consumo Promedio Diario
Consumo Escenario 1, 2 y 4 Consumo Escenario 3
Promedio Bimensual 11.40 23.20 36.83
Promedio Mensual 5.70 11.60 18.41
Promedio Diario 0.19 0.39 0.61
Para sistemas de tanques de cosecha de agua lluvia, la demanda diaria es una variable que cambia con respecto al tipo de escenario. Para escenarios domésticos 1 y 4 la demanda está enfocada al suministro de agua para sanitarios según la Figura 6. En la Figura 6 se muestra el porcentaje de consumo de agua en inodoros según el tipo de estrato, para el caso de estudio
29
se establece que para estrato 3 el consumo de agua en inodoros equivale al 24% del consumo total. La razón de este panorama equivale al nivel de desconfianza que los usuarios presentan al consumo de agua lluvia en duchas o lavado de ropa. Por tal motivo solo se tiene en cuenta este tipo de consumo. Para el escenario de industrias el consumo equivale al 100% del consumo registrado. Mientras que el consumo para el escenario 2 (mixto), la parte domestica es el 24% más el 100% del consumo no doméstico.
Figura 6. Consumo de Agua Potable en Sanitarios (Cortés s.f.)
8.1.4.
Ahorro real de agua
El balance de masa se realizó con respecto a diferentes capacidades de tanque. La capacidad de almacenamiento del sistema se calculó desde 250 hasta 10000 Litros para todos los escenarios. Por tal motivo, el balance se realizó con respecto a cada una de las capacidades. Teniendo en cuenta que la capacidad de almacenamiento varía, el ahorro también es variable según el volumen del tanque. A continuación se describirá por medio de un diagrama de flujo el modelo utilizado para calcular el ahorro anual del sistema de recolecciones de agua lluvia (Figura 7). Este procedimiento se desarrolló desde el año 1946 al 2008 y se permitió calcular la media aritmética para obtener un ahorro anual promedio. En la tabla 5 se encuentra un resumen del ahorro promedio para cada uno de los escenarios.
30
Tabla 5. Ahorro Anual Promedio
Ahorro (m3) Volumen Tanque (m
3 )
0.25 0.5 1 2 4 6 8 10 12
Escenario
Doméstico 14.25 15.46 16.12 16.40 16.58 16.65 16.65 16.65 16.65 Mixto 50.38 60.18 72.73 87.54 103.08 111.67 117.54 121.99 125.68 Industrial 43.38 51.55 61.53 73.41 85.51 92.11 95.93 98.74 100.64
Doméstico Piso 3 23.92 27.48 30.25 31.85 32.67 32.98 33.16 33.29 33.31 Doméstico Piso 4 31.06 36.58 41.86 45.76 47.95 48.72 49.22 49.50 49.65 Doméstico Piso 5 35.82 42.94 50.74 57.46 62.14 63.70 64.57 65.18 65.59
31
Figura 7. Modelo para el cálculo del ahorro real
Pt: Precipitación en tiempo t (mm) D: Demanda (m3)
A: Área de recolección (m2) V: Volumen de tanque (m3) Ce: Coeficiente de escorrentía Ot: Oferta (m3)
Alt: Almacenamiento (m3) AHt: Ahorro Real (m3)
32
A partir del anterior modelo, se calculó el volumen de ahorro anual promedio. Este valor se deberá expresar en pesos colombianos para su posterior uso. Para poder calcular este input se tiene que estimar el valor de un metro cúbico de cada referencia, ya sea doméstico, mixto o industrial. A partir del valor unitario de un metro cúbico según el tipo de escenario (Tabla 6) y el volumen del ahorro anual de agua potable se podrá calcular el ahorro en pesos. Es importante resaltar que los valores unitarios se obtuvieron del precio total facturado dividido el volumen facturado por la EAAB. En la Ecuación 6 se discrimina el precio de un metro cúbico de agua potable para la ciudad de Bogotá D.C.
Tabla 6. Costo de un metro cúbico en Bogotá D.C.
$/m3
Doméstico $ 3,959.73
Mixto $ 5,911.30
Industrial $ 8,306.62
Ecuación 6
A partir del ahorro real se determinó la eficiencia para cada uno de los escenarios. El valor de este parámetro se define como la capacidad que tiene el sistema para suplir la demanda según la capacidad de almacenamiento. En la Tabla 7 se establecen las eficiencias de cada uno de los escenarios con sus respectivas capacidades. Este parámetro se estimo mediante la ecuación 7. Para cada tipo de escenario se graficaron las diferentes eficiencias que el sistema reporta para poder definir el volumen óptimo de cada escenario. Por medio de la Figura 8 se encontró un punto de quiebre en el cual el cambio no es significativo, y la pendiente entra en un punto de desaceleración. Este punto nos permite encontrar el volumen de almacenamiento óptimo para un escenario específico. En la Tabla 7 se muestra este mismo concepto en donde se marca de rojo los puntos de quiebre o los escenarios donde la eficiencia no cambia en más de 3%.
33
Tabla 7. Eficiencia de los Sistemas
Eficiencia Volumen Tanque (m3)
Escenarios 0.25 0.5 1 2 4 6 8 10 12
Doméstico 86% 93% 97% 99% 100% 100% 100% 100% 100%
Mixto 32% 38% 46% 55% 65% 71% 74% 77% 80%
Industrial 19% 23% 27% 33% 38% 41% 43% 44% 45%
Doméstico Piso 3 72% 83% 91% 96% 98% 99% 100% 100% 100%
Doméstico Piso 4 62% 73% 84% 92% 96% 98% 99% 99% 99%
Doméstico Piso 5 54% 64% 76% 86% 93% 96% 97% 98% 99%
34
Figura 8. Comportamiento de la eficiencia según el volumen del tanque
0% 20% 40% 60% 80% 100% 120%
0 2 4 6 8 10 12 14
Efi
ci
e
n
ci
a
Volumen (m3)
Almacenamiento Óptimo
Domestico
Mixto
Industria
Domestico Piso 3
Domestico Piso 4
35
8.1.5.
Presupuesto de Construcción
La inversión del sistema para la recolección de agua lluvia en tanques de cosecha está basado en la construcción de éste. Por medio de las Figuras 10 a la 15 se visualiza las partes que comprende un sistema de recolección de agua lluvia para cada uno de los escenarios. Se encontró que el sistema de captación de agua lluvia varía para cada tipo de lugar. Para el caso de la vivienda residencial, el sistema consta de una serie de tubos que conducen el agua lluvia hacia la zona de almacenamiento ubicada en la primera planta; esta tubería es instalada en los puntos de recolección de agua lluvia mostrados en la Figura 11. Para el caso del escenario industrial, el agua capturada por el techo es conducida al tanque de almacenamiento ya sea subterráneo (Figura 14) o elevado (Figura 15). En seguida, se encuentran los elementos de almacenamiento que están compuestos por un tanque, rejillas filtrantes y sus respectivos accesorios. Por último, se halla la parte de distribución, en la cual el agua es distribuida a presión a las cisternas.
A partir de la definición del sistema, se estimó un presupuesto inicial para la construcción del sistema para cada uno de los escenarios. Se desarrolló un análisis unitario detallado de cada uno de los elementos requeridos por el sistema. Los valores unitarios se tomaron de la lista de análisis unitario elaborado por la gobernación del Valle del Cauca en el año 2012. Es importante mencionar que los valores unitarios incluyen mano de obra y herramientas menores para cada uno de los items. En el Anexo 1 se encuentra de forma detallada los elementos evaluados con sus respectivos precios unitarios para cualquiera de los escenarios residenciales. En la Tabla 8 se muestra el resumen de los presupuestos de los escenarios 1, 2 y 4 (escenarios domésticos), sin olvidar que el sistema constructivo en el escenario 1 es el mismo del escenario 2 y 4. Las características de cada uno de los presupuestos domésticos solo varían en el valor comercial de los diferentes tanques y el área de malla filtrante. En el escenario 4 el presupuesto varía según el tamaño del tanque de almacenamiento y el presupuesto adicional por piso (Anexo 3). Para el escenario industrial, con el fin de no perder superficie de trabajo de la industria y posible contaminación visual en volúmenes de alto almacenamiento, se decidió que a partir de 4000 Litros, los tanques se instalarían a nivel
36
subterráneo. En la Tabla 9 podemos encontrar los diferentes valores según la capacidad de almacenamiento, y en el Anexo 2 el análisis de precios unitarios.
Tabla 8. Presupuesto Escenario Doméstico
Escenario Doméstico
PISOS
Tanque (Litros) 2 3 4 5
250 $ 2,578,357 $ 2,993,524 $ 3,408,692 $ 3,823,860
500 $ 2,681,653 $ 3,096,821 $ 3,511,988 $ 3,927,156
1000 $ 2,791,883 $ 3,207,050 $ 3,622,218 $ 4,037,385
2000 $ 2,997,473 $ 3,412,640 $ 3,827,808 $ 4,242,975
4000 $ 3,899,892 $ 4,315,060 $ 4,730,227 $ 5,145,395
6000 $ 4,875,258 $ 5,290,425 $ 5,705,593 $ 6,120,760
8000 $ 5,923,570 $ 6,338,737 $ 6,753,905 $ 7,169,072
Tabla 9. Presupuesto Escenario Industrial
Escenario Industrial
Tanque (Litros) Costo del Sistema
2000 $ 4,249,799.09
4000 $ 5,655,924.10
6000 $ 6,465,851.55
37
Figura 9. Planta Terrazas - Recolección de Agua Lluvia Escenario Doméstico
38
Figura 11. Perfil Transversal Escenario Doméstico (Recolección, Almacenamiento y Distribución)
Figura 12. Planta Primer Piso (Almacenamiento)
--- Red de acueducto agua potable
--- Red de recolección agua lluvia
--- Red de distribución agua lluvia
--- Red de alcantarillado
--- Red de recolección agua lluvia
--- Red de distribución agua lluvia
39
Figura 13. Planta Escenario Industrial
Figura 14. Perfil Escenario Industrial Tanque Subterráneo
--- Red de recolección agua lluvia
---Red de distribución agua lluvia
40
Figura 15. Perfil Escenario Industrial Tanque Elevado
8.1.6.
Análisis de Inversión
A partir de los flujos de efectivo calculados (valor del ahorro y costo de inversión), se calculó para cada uno de los escenarios el valor presente neto (VPN) y la tasa interna de retorno (TIR). Se establecieron los flujos para cada año tanto de entrada como de salida. Se determinó para cada uno de los escenarios un tiempo de duración del proyecto de 17 años, con el fin de poder comparar la viabilidad de cada escenario. La tasa de interés o costo de oportunidad para este proyecto se relaciona con la tasa que podría ganar si eligiera tomar otra inversión. Para esto se tomara el rendimiento mínimo como la tasa de interés de una cuenta de ahorros del Banco Bogotá, en el mes de mayo del 2013 se encuentro una tasa del 1% EA (Banco de Bogotá). El análisis de inversión se realizó sólo para cuatro de los tanques con mayor eficiencia (Tabla 7). En los Anexos del 4 al 9 se aprecia cada uno de los flujos de caja para cada uno de los escenarios, y en la Tabla 10 se encuentran los resultados encontrados de VPN, la TIR y el tiempo de retorno de cada escenario.
--- Red de recolección agua lluvia
--- Red de distribución agua lluvia
41
Tabla 10. Resultados de VPN, TIR y Tiempo de Retorno
Escenario 1 Doméstico
Volumen Tanque (Lt) VPN TIR Tiempo de Retorno (años)
250 -$ 1,372,165 -6% >17
500 -$ 1,372,931 -6% >17
1000 -$ 1,427,927 6% >17
2000 -$ 1,609,486 -6% >17
Escenario 2 Mixto
Volumen Tanque (Lt) VPN TIR Tiempo de Retorno (años)
2000 $ 8,064,066 24% 4.54
4000 $ 9,125,178 21% 5.08
6000 $ 9,234,652 17% 5.96
8000 $ 8,927,819 14% 6.96
Escenario 4
Piso 3
Volumen Tanque (Lt) VPN TIR Tiempo de Retorno (años)
500 -$ 771,167 -2% >17
1000 -$ 646,776 -1% >17
2000 -$ 717,325 -2% >17
4000 -$ 1,550,082 -4% >17
Piso 4
Volumen Tanque (Lt) VPN TIR Tiempo de Retorno (años)
1000 -$ 79,285 1% >17
2000 $ 45,258 1% 16.80
4000 -$ 671,963 -1% >17
6000 -$ 1,582,226 -2% >17
Piso 5
Volumen Tanque (Lt) VPN TIR Tiempo de Retorno (años)
1000 $ 257,562 2% 16.08
2000 $ 620,538 3% 15.03
4000 $ 114,216 1% 16.67
6000 -$ 728,968 0% >17
Escenario 3 Industria
Volumen (Lt) VPN TIR Tiempo de Retorno (años)
2000 LT $ 8,784,500 19% 5.59
4000 LT $ 9,526,724 16% 6.46
6000 LT $ 9,887,666 15% 6.89
8000LT $ 9,770,870 13% 7.46
Para entender más este comportamiento, es importante ver de forma gráfica el comportamiento del VPN (Figura 9) y de la demanda (Figura 10) con respecto al tamaño que optimiza el tamaño del tanque.
42
Figura 16. Comportamiento del VPN a Diferentes Volúmenes de Tanque
-$ 4,000,000 -$ 2,000,000 $ 0 $ 2,000,000 $ 4,000,000 $ 6,000,000 $ 8,000,000 $ 10,000,000 $ 12,000,000
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000
VPN
Volumne Tanque (m^3)
Comportamiento VPN Bajo Diferentes Volumenes de Tanques
Domestico
Mixto
Piso 3
Piso 4
Piso 5
43
Figura 17. Comportamiento de la Demanda a Diferentes Volúmenes de Tanque
0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 120.00 140.00
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000
D
e
m
an
d
a
(m
^3)
Volumne Tanque (m^3)
Comportamiento de la Demanda Bajo Diferentes Volumenes de
Tanques
Domestico
Mixto
Piso 3
Piso 4
Piso 5
44
9.
ANÁLISIS DE RESULTADOS
Como primera medida se estudiará el comportamiento de la eficiencia en cada uno de los escenarios. En la Tabla 7 se define la eficiencia de cada uno de los sistemas anteriormente descritos, junto con la Tabla 6 donde se describe el ahorro de agua. A partir de esta información, se encontró que los sistemas con mayor eficiencia no corresponden a los escenarios con mayor ahorro de agua. Esto se puede corroborar en el sistema con mayor eficiencia (escenario 1) con un ahorro de 16.12 m3 y una eficiencia del 100%, si lo comparamos con el escenario industrial el cual tiene una eficiencia 38% y un ahorro anual de agua potable de 85.51 m3.
A partir de esta situación, se concluye que la eficiencia del sistema no es proporcional a la ganancia generada en el ahorro de agua potable. La eficiencia de cada uno de los sistemas depende de varios factores que permiten que un sistema funcione mejor o peor que otros. Las principales variables con gran sensibilidad son el costo, la oferta (condiciones climáticas) y la demanda de cada uno. Para el sistema doméstico (escenario 1) el sistema cubre la demanda en su totalidad y por eso se convierte en un sistema eficiente. Para el caso industrial, el sistema sólo cubre el 38% de la demanda, sin embargo es el segundo con mayor ahorro de agua. Como consecuencia de lo anterior, se puede afirmar que el almacenamiento y las condiciones climáticas no permiten que se cubra en su totalidad la demanda.
Al analizar este tipo escenario donde la eficiencia es ascendente no alcanza valores cercanos al 100%, como es el caso del escenario industrial y mixto. Se puede ver que para tanques con mayor capacidad la eficiencia no cambia significativamente. Por tal motivo, la capacidad que tiene el sistema para cubrir la demanda está siendo afectada directamente por la oferta. Este patrón también se puede visualizar en la Figura 9, en donde las pendientes pronunciadas para el escenario industrial y mixto se relacionan con la falencia en la capacidad de almacenamiento de los tanques. Cuando estas pendientes desaceleran y llegan a un punto muerto o punto de equilibrio, la eficiencia se ve afectada por las condiciones climáticas de la región.
45
Por otro lado, en un escenario donde la pendiente es constante y alcanza su máxima eficiencia como el escenario doméstico, piso 3, 4 y 5. Se puede indicar que se tiene un sistema con un volumen óptimo para ese tipo de condiciones climáticas, donde la oferta es igual o mayor a los requerimientos de la demanda. Sin embargo, se encontró que al duplicar la demanda, la afectación es directa a causa de la capacidad del tanque, sin cambiar el comportamiento de cada escenario.
Para situaciones donde la oferta no alcanza a cubrir la demanda, se encontró que su causa se debe a las condiciones climatológicas o al tamaño del área de recolección de agua lluvia. Para el escenario mixto, el área de recolección si cubre la demanda requerida; ya que en un año si se logro la meta de cubrir por completo la demanda. Por tal motivo, las condiciones climáticas son en este caso el factor de mayor afectación. Para el escenario industrial, el área de recolección afecta directamente la eficiencia del sistema, ya que el área no permite almacenar la demanda requerida.
Siguiendo con el análisis de inversión expuesto en la Tabla 10, se muestra que los escenarios que presentan VPN positivo son el mixto, el industrial, piso 4 para tanques de 2000 litros y piso 5 para tanques de 1000, 2000 y 4000 litros. La tasa interna de retorno muestra para este tipo de escenarios una rentabilidad igual o mayor a la tasa de interés utilizada (1%). Para estos escenarios se cubre el costo de la inversión, y se da un punto de partida donde los beneficios monetarios son tangibles. Para estos escenarios, los dos parámetros cumplen correctamente, indicando que son escenarios confiables para invertir. Sin embargo como el punto de partida es encontrar el escenario más beneficioso. Se encontró que la mejor inversión está enfocada al escenario industrial para tanques de 6000 litros, con un tiempo de retorno de 6.89 años. El escenario doméstico es el escenario menos rentable en comparación del resto. Además de ser un escenario con un tiempo de retorno mayor a 17 años, tiempo muy prolongado para inversiones pequeñas. Lo que sucede en este escenario es que la inversión es demasiado alta para el ahorro generado por la demanda. Por tal motivo, es importante buscar sistemas con inversión más económica o lograr aumentar la demanda donde el ahorro monetario sea más significativo. Esto mismo ocurre para escenario con VPN negativo como Piso 3 y Piso 4. El
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aumento en la demanda se puede conseguir involucrando otros usos domésticos como el lavado de ropa y riego de jardines.
Para el caso doméstico en particular se encontró factible aumentar la demanda por la facilidad comercial que hay en el primer piso, más conocido como escenario mixto. También se logró simular un aumento en la demanda con el aumento de plantas (piso 3, 4 y 5), en las cuales se encontró que el aumento económico de la construcción no es significativo con respecto al beneficio de duplicar la demanda y el ahorro. A medida que se aumenta el número de plantas el sistema de acerca a escenarios más rentables, es por esto que en el piso 4 para tanques de 2000 litros el VPN es positivo. Así mismo para el piso 5 todos los escenarios son positivos, sin embargo los tiempos de retorno de la inversión siguen siendo lejanos a comparación de los escenarios más rentables. A partir de esto se puede inferir que para edificaciones los escenarios podrían ser rentables pero a tiempo de retornos prolongados.
Para el escenario doméstico, piso 3, 4 y 5 la variación del VPN esté directamente influenciada por el costo del sistema y el volumen del ahorro en el agua. Se esperaría que a mayor costo de construcción el VPN disminuya en escenarios como Piso 3, 4 y 5. Sin embargo, el comportamiento no es simétrico a causa de la no proporcionalidad que hay en el ahorro de agua y el costo que tiene cada tipo de tanque.
En el caso del escenario mixto es importante resaltar que los resultados favorables se deben a dos razones principales. La primera de ella es el valor del metro cúbico de agua. Se encontró que el valor no doméstico de agua potable es superior al doméstico. Lo anterior es un factor importante ya que el ahorro económico va ser mayor por menos consumo de agua, es decir un sistema menos costoso con menos capacidad. La segundo razón es a causa del aumento de la demanda con el mismo costo de construcción del escenario 1. Eso permite que para una misma inversión la demanda se triplique y el ahorro por año sea más significativo. En la Tabla 10 para el escenario mixto con una capacidad de 8000 litros se ve un decaimiento en el VPN, esto ocurre en tanques donde el ahorro no es proporcional a su costo. Por tal motivo, no se justifica invertir en un sistema más costoso por un aumento pequeño en la eficiencia. Con este
