SANITARIAS EN EDIFICIOS
Jorge García
Sosa
DERECHOS RESERVADOS
COEDITORES
SEMBLANZA
DEL AUTOR
El objetivo del presente libro es proporcionar a los estudiantes de ingeniería civil, un apoyo bibliográfico que permita, mediante la utilización del mismo, la comprensión de los conceptos básicos de diseño de las instalaciones hidráulicas y sanitarias en edificios.
Este documento está dividido en siete capítulos y dos apéndices, que podemos agrupar en cuatro secciones. La primera sección consta de un solo capítulo, que trata temas que en la época actual son de gran relevancia, en especial, el uso eficiente del agua en diversos ámbitos (domiciliario, industrial, municipal, agrícola y de cuenca); también, se comentan aspectos relacionados con las dotaciones y los consumos de agua en edificios, el uso de cisternas, etc.
La segunda sección comprende los capítulos 2, 3 y 4; expone todo lo relacionado con la distribución de agua en edificios, tanto de agua fría como de agua caliente, así como las instalaciones y equipo complementario a las mismas; en esta sección se tratan aspectos del diseño de los servicios mencionados. Los temas presentados incluyen criterios de diseño (gasto, temperaturas, velocidades, energía disponible, etc.),distribución del agua fría y caliente en los edificios, procedimientos de diseño, sistemas elevadores de presión, sistemas contra incendios, instalaciones en albercas, sistemas de calentamiento, tuberías de retorno de agua caliente, etc. A fin de establecer criterios generales de diseño de los sistemas mencionados, se consultaron dos reglamentos de construcción: el del Distrito Federal y el del Municipio de Mérida, Yucatán. En esta sección se expone la metodología básica para el diseño de las redes de distribución de agua, misma que es presentada, de manera amplia y explícita, en el capítulo correspondiente a la red de distribución de agua fría.
Los capítulos 5, 6 y 7 integran la tercera sección, en la que se tratan temas relacionados con la recolección y disposición de las aguas en edificios. Los temas básicos son los sistemas de recolección de aguas residuales y pluviales, y de ventilación; se presentan temas tales como los componentes de los sistemas de recolección y ventilación de aguas residuales, así como su dimensionamiento. En relación a los sistemas de recolección de aguas pluviales, se exponen dos métodos: el convencional y el de flujo controlado finalmente, se presentan conceptos básicos sobre el diseño de tanques sépticos. Para el caso de los sistemas de recolección de aguas residuales, se proporciona una idea muy completa de los fenómenos transitorios hidráulicos que se presentan en ellos, a fin de lograr u ira mejor comprensión de su comportamiento, sin tratar con profundidad los aspectos teóricos de los fenómenos mencionados, puesto que los mismos son tema de estudios especializados. Asimismo, debido a la situación actual de nuestro estado, mismo que carece de sistemas municipales de recolección, tratamiento y disposición de aguas residuales, se presentan los criterios básicos de diseño de tanques sépticos, a fin de que éstos puedan
Conceptos básicos para el diseño de los sistemas mencionados anteriormente, son los de hidráulica y de probabilidad. Con este fin se integró una cuarta sección con dos apéndices, mismos que tratan los conceptos necesarios para la comprensión fácil y adecuada de los temas principales de este libro. Se tratan temas tales como: definición y propiedades de los fluidos, cinemática de los fluídos, clasificación de flujos, ecuaciones fundamentales de la hidráulica, pérdidas de energía, equipos de bombeo, probabilidad, espacio de eventos, probabilidad de un evento, teorema de Bayes, función de probabilidades binomial, función de probabilidades Poisson.
La bibliografía consultada para la elaboración de este trabajo, incluye tanto libros de corte clásico, en los que se tratan temas básicos como los gastos de diseño, el concepto de unidad-mueble, etc., así como la información más actualizada existente al momento. Por tanto, se busca con este documento concentrar en un solo trabajo, material bibliográfico que se encuentra disperso en libros relacionados con el tema, reglamentos de construcción, artículos recientes, etc. Siendo este trabajo un primer intento por proporcionar las bases para el diseño de instalaciones hidráulicas y sanitarias, solicito la comprensión de los lectores en relación con cualquier omisión que éste contenga. Asimismo, cualquier sugerencia o recomendación para subsanar alguna deficiencia del trabajo o mejorar el contenido del mismo, será apreciada y aprovechada en futuras revisiones.
Como punto final, agradezco a la Universidad Autónoma de Yucatán, a la Facultad de Ingeniería, y muy especialmente a la Fundación ICA, por las facilidades proporcionadas para la elaboración de este trabajo.
SECCIÓN 1. GENERALIDADES SOBRE EL USO DEL AGUA
SECCIÓN 2. SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA
SECCIÓN 3. SISTEMAS DE RECOLECCIÓN DE AGUAS
SECCIÓN 4. APÉNDICES
CAPÍTULO 1. GENERALIDADES SOBRE EL USO DEL AGUA
SECCIÓN 2. SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA
CAPÍTULO 2. SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA FRIA
CAPÍTULO 3. INSTALACIONES Y EQUIPO COMPLEMENTARIO EN LAS
REDES DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA
CAPÍTULO 4.SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA CALIENTE EN
EDIFICIOS
SECCIÓN 3. SISTEMAS DE RECOLECCIÓN DE AGUAS
CAPÍTULO 5. SISTEMAS DE RECOLECCIÓN DE AGUAS RESIDUALES
CAPÍTULO 6. SISTEMAS DE RECOLECCIÓN DE AGUAS PLUVIALES
CAPÍTULO 7. ACONDICIONAMIENTO Y DISPOSICIÓN DE AGUAS
SECCIÓN 4. APÉNDICES
APÉNDICE A. ELEMENTOS BÁSICOS DE HIDRÁULICA
CONTENIDO
SECCIÓN 1. GENERALIDADES SOBRE EL USO DEL AGUA
CAPÍTULO 1.GENERALIDADES SOBRE EL USO DEL AGUA
1.1 EVOLUCIÓN DE LAS INSTALACIONES DE SUMINISTRO DE AGUA Y DE
ELIMINACIÓN DE AGUAS RESIDUALES
1.2 INSTALACIONES EN EDIFICIOS
1.3 USO EFICIENTE DEL AGUA
1.3.1 ÁMBITO DOMICILIARIO
1.3.2 ÁMBITO INDUSTRIAL
1.3.3 ÁMBITO MUNICIPAL
1.3.4 ÁMBITO AGRÍCOLA
1.3.5 ÁMBITO CUENCA
1.4 ABASTECIMIENTO Y REQUERIMIENTOS DE AGUA
1.5 DOTACIONES Y CONSUMOS
CAPÍTULO 2.SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA FRIA
2.1 DETERMINACIÓN DE LOS GASTOS DE DISEÑO PARA SISTEMAS DE
DISTRIBUCIÓN DE AGUA
2.2 MÉTODOS EMPÍRICOS
2.2.1 MÉTODO BRITÁNICO
2.2.2 MÉTODO DE DAWSON Y BOWMAN
2.3 MÉTODOS SEMIEMPÍRICOS
2.3.1 MÉTODO ALEMÁN DE RAÍZ CUADRADA
2.4 MÉTODO PROBABILÍSTICO
2.4.1 APLICACIÓN DE LA TEORÍA DE LA PROBABILIDAD EN LA DETERMINACIÓN DE LAS CARGAS O GASTOS DE DISEÑO
2.4.2 APLICACIÓN DEL MÉTODO DE HUNTER EN SISTEMAS MIXTOS
2.5 DISTRIBUCIÓN DE AGUA EN EDIFICIOS
2.5.1 DISTRIBUCIÓN ASCENDENTE
2.5.2 DISTRIBUCIÓN DESCENDENTE
2.5.3 DISTRIBUCIÓN MIXTA
2.6 CRITERIOS DE DISEÑO
2.6.1 GASTO DE DISEÑO
2.6.2 PRESIÓN MÍNIMA DE OPERACIÓN
2.6.3 PÉRDIDAS DE ENERGÍA
2.6.4 VELOCIDAD MÁXIMA
2.7 FORMATO UTILIZADO PARA EL DIMENSIONAMIENTO DE TUBERÍAS
DE LA RED DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA
2.8 METODOLOGÍA PARA EL CÁLCULO DE LA RED DE DISTRIBUCIÓN DE
CAPÍTULO 3. INSTALACIONES Y EQUIPO COMPLEMENTARIO EN LAS REDES DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA
3.1 SISTEMAS ELEVADORES DE PRESIÓN
3.2 EVOLUCIÓN DE LOS EQUIPOS ELEVADORES DE PRESIÓN
3.3 SISTEMAS DE TANQUES ELEVADOS
3.3.1 TANQUE ELEVADO
3.3.2 EQUIPOS DE BOMBEO
3.3.3 CONTROLES
3.3.4 ALARMAS Y DISPOSITIVOS DE SEGURIDAD
3.3.5 VENTAJAS DE LOS TANQUES ELEVADOS
3.3.6 DESVENTAJAS DE LOS TANQUES ELEVADOS
3.4 SISTEMAS HIDRONEUMÁTICOS
3.4.1 TANQUE PRESURIZADO
3.4.2 EQUIPOS DE BOMBEO
3.4.3 COMPRESOR DE AIRE O SUPERCARGADOR
3.4.4 SISTEMAS DE CONTROL
3.4.5 ALARMAS Y DISPOSITIVOS DE SEGURIDAD
3.4.6 VENTAJAS DE LOS SISTEMAS HIDRONEUMÁTICOS
3.4.7 DESVENTAJAS DE LOS SISTEMAS HIDRONEUMÁTICOS
3.5 SISTEMAS DE BOMBAS ELEVADORAS DE PRESIÓN (Booster)
3.5.1 EQUIPOS DE BOMBEO
3.5.2 INSTRUMENTOS DE CONTROL
3.5.3 INSTRUMENTOS DE ALARMA Y SEGURIDAD
3.5.4 VENTAJAS DE LOS SISTEMAS DE BOMBAS ELEVADORAS DE PRESIÓN
3.5.5 DESVENTAJAS DE LOS SISTEMAS DE BOMBAS ELEVADORAS DE PRESIÓN
3.6.1 COMPONENTES DE UN SISTEMA CONTRA INCENDIOS
3.7 TIPOS DE SISTEMAS CONTRA INCENDIOS
3.7.1 SISTEMA DE TOMAS DE MANGUERAS O DE REDES DE HIDRANTES
3.7.2 SISTEMAS CONTRA INCENDIOS CON ASPERSORES
3.8 ACCESORIOS TÍPICOS EN LOS SISTEMAS CONTRA INCENDIOS
3.9 COMENTARIOS A LOS REGLAMENTOS DE CONSTRUCCIÓN
3.9.1 REGLAMENTO DE CONSTRUCCIONES PARA EL DISTRITO FEDERAL
3.9.2 REGLAMENTO DE CONSTRUCCIONES DEL MUNICIPIO DE MÉRIDA
3.10 ALBERCAS
3.10.1 CLASIFICACIÓN DE LAS ALBERCAS
3.10.2 COMPONENTES DE UNA ALBERCA
3.11 FILTROS DE ALBERCAS
CAPÍTULO 4. SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA CALIENTE EN EDIFICIOS
4.1 INSTALACIONES DE AGUA CALIENTE EN EDIFICIOS
4.2 SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA CALIENTE
4.2.1 ALIMENTACIÓN DIRECTA
4.2.2 ALIMENTACIÓN ASCENDENTE
4.2.3 ALIMENTACIÓN DESCENDENTE
4.3 TEMPERATURAS DEL AGUA CALIENTE
4.4 ESTIMACIÓN DE LA DEMANDA DE AGUA CALIENTE
4.5 SISTEMAS DE CALENTAMIENTO DE AGUA
4.5.1 CALENTADORES DE CALOR DIRECTO
4.5.2 CALENTADORES DE CALOR INDIRECTO
4.6 CALDERAS
4.6.1 CALDERA DE TUBOS DE HUMO
4.6.2 CALDERA DE TUBOS DE AGUA
4.6.3 ACCESORIOS DE CONTROL Y SEGURIDAD
4.6.4 PROBLEMAS CAUSADOS POR EL AGUA
4.7 CÁLCULO DE LAS CAPACIDADES DE CALENTAMIENTO O DE
RECUPERACIÓN Y DE ALMACENAMIENTO DE CALENTADORES
4.8 METODOLOGÍA PARA EL CÁLCULO DE LA CAPACIDAD DE CALENTAMIENTO DE UN CALENTADOR
4.8.1 CALENTADORES CON TANQUE DE ALMACENAMIENTO
4.8.2 CALENTADORES INSTANTÁNEOS Y SEMI-INSTANTÁNEOS
4.9 EJEMPLOS DE CÁLCULO DE LA CAPACIDAD DE RECUPERACIÓN Y
DE ALMACENAMIENTO DE CALENTADORES
4.10 TUBERÍAS DE RETORNO DE AGUA CALIENTE
4.11 METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DE SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO DE AGUA CALIENTE
4.12 CONTROL DE LA EXPANSIÓN Y CONTRACCIÓN TÉRMICA DE TUBERÍAS
CAPÍTULO 5. SISTEMAS DE RECOLECCIÓN DE AGUAS RESIDUALES
5.1 SISTEMAS DE RECOLECCIÓN DE AGUAS RESIDUALES
5.2 COMPONENTES DE LOS SISTEMAS DE RECOLECCIÓN DE AGUAS
RESIDUALES Y DE VENTILACION
5.3 NATURALEZA DE LOS FENÓMENOS HIDRÁULICOS
5.3.1 SISTEMA DE DRENAJE POR GRAVEDAD
5.3.2 CARGAS O GASTOS DE DRENAJE
5.3.3 SIFONES Y TRAMPAS HIDRÁULICAS DE MUEBLES SANITARIOS
5.3.4 FLUJO EN BAJANTES DE AGUAS RESIDUALES
5.3.5 FLUJO EN COLECTORES DEL EDIFICIO
5.3.6 CONDICIONES DE PRESIÓN NEUMÁTICA EN BAJANTES Y COLECTORES DE AGUAS RESIDUALES
5.3.7 FLUJO EN DRENAJES DE MUEBLES SANITARIOS
5.3.8 REDUCCIÓN DE GASTOS PICO EN BAJANTES Y COLECTORES DEL EDIFICIO
5.4 DIMENSIONAMIENTO DE LAS TUBERÍAS DEL SISTEMA DE
RECOLECCIÓN DE AGUAS RESIDUALES
5.4.1 TUBERÍAS HORIZONTALES Y COLECTORES DE EDIFICIOS
5.4.2 TUBERÍAS VERTICALES O BAJANTES DE AGUAS RESIDUALES
5.5 SISTEMAS DE VENTILACIÓN
5.6 TIPOS Y COMPONENTES DEL SISTEMA DE VENTILACIÓN
5.7 FLUJO DEL AIRE EN TUBERÍAS DE VENTILACIÓN
5.7.1 PROPIEDADES FÍSICAS DEL AIRE
5.7.2 CARGA ESTÁTICA EQUIVALENTE DE AGUA, AIRE Y ESPUMAS
5.7.3 CONDICIONES DE FLUJO
5.7.4 EFECTOS NEUMÁTICOS EN EL DISEÑO DE SISTEMAS DE VENTILACIÓN
5.7.5 GASTO A TRAVÉS DE TUBERÍAS
5.7.6 GASTO DE AIRE Y ESPUMAS
5.7.7 PÉRDIDAS DE PRESIÓN DEBIDAS A LA FRICCIÓN EN TUBERÍAS
5.7.8 LONGITUD PERMISIBLE DE LAS TUBERÍAS DE VENTILACIÓN
5.7.9 FLUJO DE AIRE EN BAJANTES DE VENTILACIÓN Y EN VENTILACIÓN INDIVIDUAL
5.8 DIMENSIONAMIENTO DE LAS TUBERÍAS DEL SISTEMA DE VENTILACIÓN
5.9 EJEMPLOS DE DIMENSIONAMIENTO DE SISTEMAS DE RECOLECCIÓN
DE AGUAS RESIDUALES Y DE VENTILACIÓN
CAPÍTULO 6. SISTEMAS DE RECOLECCIÓN DE AGUAS PLUVIALES
6.1 OBJETIVOS BÁSICOS DE UN SISTEMA DE DRENAJE PLUVIAL
6.2 COMPONENTES DE UN SISTEMA DE DRENAJE PLUVIAL
6.3 TIPOS DE DRENAJE PLUVIAL
6.4 PROCEDIMIENTO PARA EL DISEÑO DE SISTEMAS DE DRENAJE
PLUVIAL CONVENCIONAL
6.5 SISTEMAS DE DRENAJE PLUVIAL DE FLUJO CONTROLADO
6.6 ESCURRIMIENTO SUPERFICIAL
6.7 DETERMINACIÓN DEL ESCURRIMIENTO SUPERFICIAL
6.8 PROBABILIDAD DE EXCEDENCIA
6.9 CURVAS DE INTENSIDAD (ALTURA) DE
PRECIPITACIÓN-DURACIÓN-PERÍODO DE RETORNO
6.9.1 MÉTODO DE CORRELACIÓN LINEAL MÚLTIPLE
6.10 PROCEDIMIENTO PARA EL CÁLCULO DEL ESCURRIMIENTO SUPERFICIAL
CAPÍTULO 7. ACONDICIONAMIENTO Y DISPOSICIÓN DE AGUAS RESIDUALES
7.1 PRINCIPIOS TEÓRICOS DEL TANQUE SÉPTICO
7.2 PROCESOS FÍSICOS, QUÍMICOS Y BIOLÓGICOS DEL TANQUE
SÉPTICO
7.3 PARÁMETROS DE DISEÑO DE TANQUES SÉPTICOS
7.4 TABLAS PARA EL DISEÑO DE TANQUES SÉPTICOS
SECCIÓN 4. APÉNDICES
APENDICE A. ELEMENTOS BÁSICOS DE HIDRÁULICA
A 1 DEFINICIÓN Y PROPIEDADES DE LOS FLUÍDOS
A. 1. 1. DENSIDAD (ρ)
A. 1. 2. PESO ESPECÍFICO (γ )
A. 1. 3. DENSIDAD RELATIVA (
δ
)A. 1. 4. VISCOSIDAD
A 2 CINEMÁTICA DE LOS LÍQUIDOS
A. 2. 1. CAMPO DE LA VELOCIDAD
A. 2. 2. CAMPO DE LA ACELERACIÓN
A. 2. 3. CAMPO ROTACIONAL
A 3 CLASIFICACIÓN DE FLUJOS
A. 3. 1. FLUJOS PERMANENTE Y NO-PERMANENTE
A. 3. 2. FLUJOS UNIFORME Y NO-UNIFORME
A. 3. 3. FLUJOS UNIDIMENSIONAL, BIDIMENSIONAL Y
A. 3. 6. FLUJOS ROTACIONAL E IRROTACIONAL
A 4 ECUACIONES FUNDAMENTALES DE LA HIDRÁULICA
A. 4. 1. ECUACIÓN DE CONTINUIDAD
A. 4. 2. ECUACIÓN DE LA ENERGÍA
A 5 POTENCIA
A 6 PÉRDIDAS DE CARGA EN TUBERÍAS
A. 6. 1. PÉRDIDAS DE CARGA POR CORTANTE O FRICCIÓN PARA FLUJOS DE AGUA EN TUBERÍAS
A. 6. 2. PÉRDIDAS DE CARGA EN VÁLVULAS Y ACCESORIOS
A 7 EQUIPOS DE BOMBEO
A. 7. 1. CARACTERÍSTICAS DE LAS BOMBAS
APÉNDICE B. ELEMENTOS BÁSICOS DE PROBABILIDAD
B 1 PROBABILIDAD
B 2 ESPACIO DE EVENTOS
B 3 PROBABILIDAD DE UN EVENTO
B 4 TEOREMA DE BAYES
B 5 MODELOS PROBABILÍSTICOS
B. 5. 1. FUNCIÓN DE PROBABILIDADES BINOMIAL
SECCIÓN 1. GENERALIDADES SOBRE EL USO
DEL AGUA
CAPÍTULO 1. GENERALIDADES SOBRE EL USO DEL AGUA
1.1 EVOLUCIÓN DE LAS INSTALACIONES DE SUMINISTRO DE AGUA Y DE ELIMINACIÓN DE AGUAS RESIDUALES
Para establecer un marco de referencia en relación con la evolución de las instalaciones hidráulicas y sanitarias, utilizaremos las cuatro edades en las que la historia divide la evolución de la humanidad: edad antigua, edad media, edad moderna y edad contemporánea.
La edad antigua abarca desde la aparición de la escritura, hace más o menos 6,000 años (4,000 años A.C.) hasta la caída del imperio romano (siglo V); la edad media, que va del siglo V al siglo XVI, y se divide en parte alta y baja, que van, respectivamente, del fin de la edad anterior hasta el siglo XII, y del siglo XII al siglo XV, que coincide con la toma de Constantinopla en el año 1453. La edad moderna termina con la revolución industrial y la revolución francesa, esto es del siglo XVI al siglo XVIII; y la edad contemporánea, que abarca los siglos XIX y XX.
En la edad antigua, podemos mencionar dos culturas que destacaron por sus avances en las instalaciones hidráulicas y sanitarias: la cultura romana y la civilización minoica.
Hace más de 1 800 años, los romanos tenían más de 430 km de sistemas de conducción de agua que abastecían a toda la ciudad; después de que llegaba el agua a la ciudad por el acueducto, se necesitaba un sistema de almacenamiento y distribución. Para almacenarla, Roma tenía más de 240 depósitos y fuentes; el agua se distribuía a los usuarios mediante las fuentes, en donde se vendía el agua que salía por un vertedor conectado con un tubo de plomo. El público compraba el agua y la llevaba a su casa.
Los tubos de plomo que conducían el agua dieron su nombre al arte de la plomería. El nombre en latín del plomo es plumbum, y a la persona que trabajaba en los tubos de plomo para suministro de agua se le llamaba plumbarius.
Los romanos no fueron la única cultura antigua que tuvo sistemas de acueductos, aunque era el más grande y mejor organizado.
Hace alrededor de 4000 años, el Rey Minos gobernaba la civilización minoica, desde su palacio en Knossos, Creta. Descubrimientos recientes indican que su palacio tenía un sistema de eliminación de desechos y aguas negras muy similar a los que tenemos en la actualidad. El agua en circulación arrastraba los desechos; las instalaciones tenían trampas para evitar la entrada de gases del alcantarillado al edificio y había respiraderos para que no se produjeran grandes fluctuaciones en las presiones y acumulación de gases en el alcantarillado.
Desde la antigüedad los desechos se han eliminado ya sea mediante una fosa o arrojándolos a un río, lago u océano. Todos estos sistemas son antihigiénicos y pueden ocasionar enfermedades en toda una ciudad. Muchas de las pestes y epidemias que mataron a miles de personas estaban relacionadas directamente con un suministro de agua contaminada. Durante la edad media, una de las características principales, fue la presencia de epidemias y pestes, no teniéndose ningún avance en esta etapa.
En la edad moderna, a partir de 1870 se puede decir que comenzó el desarrollo del moderno inodoro, cuando los inventores y los técnicos comenzaron a tener en cuenta las necesidades sanitarias públicas. Uno de los primeros antecedentes se atribuye a Sir John Harrington, en el siglo XVI, en el desarrollo del WC.
Entre otras personas que contribuyeron al desarrollo del WC podemos citar a Twyford, cuyo prototipo tenía una taza en la que se mantenían unos 3 cm de agua; el primer inodoro con sistema de sifón, reemplazó al de Twyford.
El principio fundamental del sifón es el siguiente: consiste en una tubería hermética que permite al agua moverse desde una posición alta a otra inferior, por encima de un obstáculo que las separa. Normalmente consiste en un tubo en forma de U invertida, con un extremo de menor longitud que el otro; el agua viene forzada por este sifón a través del brazo corto para que caiga por el largo debido a la fuerza de gravedad. Cuando cae, crea una zona de baja presión en el brazo largo, la cual entonces hace subir más agua por el brazo corto a causa de la presión atmosférica y, una vez comenzada, la acción del sifón continúa hasta que entra aire en el brazo corto y se igualan las presiones.
A continuación, en la figura 1.1, se muestran dos tipos modernos de inodoros:
- uno de limpieza por vaciado de la taza y - otro de limpieza con doble sifón.
Figura 1.1 Modelos del WC moderno
Durante la edad contemporánea, se tuvo un mayor interés en los aspectos sanitarios, por lo que se empezaron a construir, en la segunda mitad del siglo XIX, los primeros sistemas de alcantarillado de las ciudades; también fue punto de atención la construcción de muebles sanitarios que permitieran la eliminación de los residuos sólidos de los domicilios.
Actualmente el suministro de agua con la calidad adecuada, así como la eliminación de las aguas servidas, es labor del ingeniero al momento de proyectar edificios. Esto es, debe preverse el suministro de agua en las cantidades, presión y calidad adecuada con posibilidades de adaptación a cambios eventuales y ampliaciones. Asimismo, la recolección de las aguas residuales debe ser considerada como una regulación del proceso de descomposición, de tal manera que se eviten molestias a los sentidos y riesgos a la salud comunitaria.
1.2 INSTALACIONES EN EDIFICIOS
Dependiendo de la función de los edificios (hospitales, fábricas, laboratorios, condominios, etc.), éstos podrán tener diversos tipos de instalaciones además de las que son tratadas en este trabajo.
A continuación presentamos una lista de instalaciones que pueden ser requeridas según el tipo de edificio:
A)INSTALACIONES HIDRAULICAS Y SANITARIAS 1.- Agua fría
2.- Agua caliente
3.- Retorno agua caliente 4.- Contra-incendio 5.- Albercas
6.- Riego por aspersión
7.- Desalojo de aguas residuales 8.- Desalojo de aguas pluviales 9.- Ventilación de bajantes 10.- Otras
B)ESPECIALES
1.- Vapor: alta y baja presión 2.- Retorno de condensados 3.- Gas combustible: L.P. y natural 4.- Aire comprimido
5.- Vacío para aseo: barredoras 6.- Vacío para laboratorio y hospitales 7.- Oxígeno
8.- Oxido nitroso
9.- Correo por aire comprimido 10.- Elevadores
11.- Escaleras mecánicas
12.- Ductos para incineración de basuras 13.- Diversos fluidos en laboratorios y fábricas 14.- Sonido
15.- Telefónicas
16.- Intercomunicación
17.- Protección con pararrayos 18.- Televisión: antena maestra 19.- Sistemas cerrados de televisión 20.- Alarma contra-incendios 21.- Alarma contra-robos 22.- Puertas automáticas 23.- Otras C)AIRE ACONDICIONADO 1.- Clima artificial
3.- Calefacción por agua caliente 4.- Calefacción por aire
5.- Otras D)ELECTRICAS 1.- Alumbrado 2.- Fuerza eléctrica 3.- Computadoras 4.- Calefacción eléctrica
5.- Purificación de aire por filtros electrónicos 6.- Otras
E) EQUIPOS
1.- Sistema de bombeo simple 2.- Sistemas hidroneumático
3.- Sistema de bombeo programado 4.- Calderas: vapor y agua caliente 5.- Tanques de agua caliente 6.- Tanques de condensados
7.- Tanques de combustibles: gas o diese¡ 8.- Tanques de oxígeno: manifolds
9.- Tratamiento de aguas: purificación, suavizador 10.- Compresoras de aire
11.- Sub-estaciones eléctricas
12.- Plantas generadores de electricidad 13.- Equipos de albercas
14.- Otras
En el diseño de las instalaciones de edificios, es importante prever los lugares y las dimensiones de los ductos o canalizaciones verticales y horizontales, así como los espacios o cuartos destinados a la maquinaria, con base en el criterio de los proyectistas de cada una de las instalaciones necesarias.
En cada una de las instalaciones anteriores deben revisarse sus especificaciones particulares, a fin de definir los tipos y calidades de los materiales a utilizar, así como las pruebas a las que se someterán las mismas.
Comúnmente, al observar una construcción lo primero en que fijamos nuestra atención, se relaciona con los aspectos estructurales y arquitectónicos de la obra; pocas veces consideramos que las instalaciones son elementos indispensables para el adecuado funcionamiento de los edificios y les prestamos poca atención. Esto se debe, también, a la falta de experiencia en la dirección y supervisión de estos tipos de instalaciones, por lo que se deja en manos de los contratistas que realizan estos trabajos.
En lo referente a las instalaciones hidráulicas y sanitarias, se puede observar que los contratistas no abundan, debido probablemente, a cuatro factores:
1 . Generalmente las instalaciones hidráulicas y sanitarias son los contratos más pequeños en la construcción de una obra.
2. Existen pocas posibilidades de innovación debido a que, en la mayor parte de los casos, únicamente se ensamblan piezas ya elaboradas. 3. Muy pocos contratos consideran grandes suministros de material, lo que
significa menos márgenes de ganancia.
4. Los tres factores anteriores crean condiciones de fuerte competencia, lo que limita el crecimiento de los contratistas.
Con objeto de tener una referencia, en relación con los costos de las instalaciones
en edificios, en la tabla 1.1. presentamos los porcentajes que representan las
instalaciones en general, y las instalaciones hidráulicas y sanitarias.
1.3 USO EFICIENTE DEL AGUA
Aproximadamente el 70% de nuestro planeta está cubierto por agua, sin embargo el 99% es salado por lo que el 1% restante es la totalidad del agua de que disponemos para nuestro uso y consumo.
La distribución del agua, en la hidrósfera, es como se muestra en la tabla 1.2.
La distribución espacial del agua, a nivel mundial, es desigual y lo es más si se le relaciona con la población. Así la disponibilidad anual de agua por habitante en miles de metros cúbicos, es de 109 para Canadá, 15 para la Unión Soviética, 10 para los Estados Unidos, 4 para México y 0.16 para Arabia Saudita y Jordania.
Tabla 1.1. Porcentaje del costo medio de instalaciones y de instalaciones hidráulicas y sanitarias, en relación con el costo total de obra1
TIPO DE EDIFICIO % MEDIO DEL COSTO DE INSTALACIONES
% MEDIO DEL COSTO DE INSTALACIONES
HIDRÁULICAS Y SANITARIAS
Apartamentos 35 8.7
Iglesias 4.8
Escuelas (salones de clases y edificios
administrativos) 6.5
1
Hettema, Robert M., "Mechanical and elcetrical building construction” Prentice Hall, Inc., 1984.
Fábricas 6.1
Hospitales 40 9.1
Escuelas (con internados) 7.6
Supermercados 6.0
Bodegas, almacenes 4.6
Oficinas 33 5.3
PROMEDIO 6.52
México dispone de una cuantificación, realizada por la Secretaría de Agricultura y
Recursos Hidráulicos2 de los elementos que integran el ciclo hidrológico. Cada
año llueven en promedio 780 mm, equivalentes a 1530 Km3 y en los ríos escurre
la cuarta parte, 41 0 Km3. Este volumen representa la disponibilidad media anual de agua renovable en el territorio nacional.
La distribución de la lluvia en México está relacionada con la orografía y con las características propias de las latitudes y actitudes en que se encuentran localizadas las diferentes zonas en el territorio. Por eso la distribución de la lluvia es irregular, tanto en el tiempo como en el espacio.
A excepción de la porción noroeste de la vertiente del Pacífico, donde la temporada lluviosa se presenta en invierno, las lluvias en el territorio mexicano se concentran en el mes de septiembre.
Tabla 1.2 Distribución del agua en la hidrósfera3
UBICACIÓN DEL AGUA ÁREA (Km2x103) VOLUMEN (Km3x103) ALTURA EQUIVALENTE (m) % DEL AGUA TOTAL % DEL AGUA DULCE TIEMPO DE RESIDENCIA MEDIO Océanos 362,000 1’350,000 2,700 97.6 3,000 años Tierras emergidas *Ríos (Volumen instantáneo) --- 1.7 0.003 0.0001 0.02 15 a 20 días 2
Secretaría de Agricultura y Recursos Hidráulicos, Subsecretaría de Infraestructura Hidráulica, "Agua y sociedad: una historia de las obras hidráulicas en México", SARH, 1988, pp. 8-14.
3
Tabla modificada de E. Custodio, M.R. Llamas,"Hidrología Subterránea", Tomo 1, Segunda Edición, Editorial Omega, 1983, Tabla 5. 1. Distribución del agua en la Hidrósfera, p. 269.
*Lagos de
agua dulce 825 125 0.25 0.009 1.73 10 años
Lagos de
agua salada 700 105 0.20 0.008 150 años
*Humedad del suelo en la zona no saturada 131,000 150 0.30 0.01 1.92 Semanas a años Casquete de hielo y glaciares 17,000 26,000 50 1.9 Miles de años *Agua subterránea 131,000 7,000 14 0.5 96.14 Decenas a miles de años Total de las tierras emergidas 148,000 33,900 65 2.4 --- *Atmósfera (vapor de agua) 510,000 13 0.025 0.001 0.19 8 a 10 días TOTAL 510,000 1’384,000 2,750 100.00 100.00 ---
*Los valores indicados se consideran agua dulce aprovechable por el hombre, sin tratamiento previo; no se consideran los efectos de la contaminación.
De acuerdo con la distribución espacial de las lluvias y la temperatura, un 31% de la superficie nacional es desértico y árido; un 36% semiárido y el restante 33% subhúmedo y húmedo. Como ya se mencionó un 27% del volumen de lluvia
precipitada al año escurre en la superficie (41 0,000 millones de m3). La
distribución espacial del agua en los ríos es similar a las de las lluvias: las mayores corrientes del país se concentran en la región del sureste.
La precipitación, el agua superficial y una pequeña parte del agua subterránea se renueva anualmente. La mayor parte de esta última está constituida por almacenamientos no renovables y sólo pueden utilizarse una vez.
Existen 14 km3 de almacenamiento en lagos y lagunas y 147 km3 en los vasos de
almacenamiento constituidos para regular las variaciones estacionases y anuales del escurrimiento en los ríos y hacer disponible los recursos en épocas de escasez. La evaporación media anual de la superficie libre del agua en los almacenamientos es de 11 km3.
La preocupación por utilizar mejor el agua no es nueva, de hecho, la inadecuada distribución de la misma ha dado origen diversos programas para hacer más eficiente su uso en los diversos ámbitos: domiciliario, industrial, municipal, agrícola y de cuenca.
Generalmente estos programas fueron de tipo emergente, pero la contaminación y la permanente escasez del agua, los ha convertido en programas de mediano y largo plazos.
Así, debido a las sequías mundiales del año de 1970, surgen los primeros programas de ahorro de agua; estos programas buscan la reducción del consumo de agua a cualquier precio, incluyendo el confort de los usuarios. Esto se explica, debido a que no fueron planeados con anticipación y fueron resultado de emergencias, como ya se ha mencionado. Ejemplos de las acciones que se tomaban en este tipo de programas eran tales como la reducción del tiempo de bombeo, la programación del suministro del agua por sectores, etc.
Debido al malestar social que estos programas causaban, y puesto que ya se tenían mejores oportunidades de planeación de las diversas acciones, surgen los llamados programas de conservación de agua, mismos que prestaban atención a algún aspecto específico del recurso. agua, como podría ser su reuso, el evitar la sobreexplotación de las captaciones, fueran superficiales o subterráneas, etc., pero no tenían un enfoque global del problema y su horizonte de planeación era a mediano plazo.
Finalmente, se plantearon sistemas que consideraran todos los ámbitos de consumo del agua, así como horizontes de planeación a largo plazo, obteniendo con esto los llamados programas de uso eficiente del agua.
El uso eficiente del agua aporta beneficios no solamente al sistema que lo efectúa, sino permite también mejorar para otros usuarios. Así, por ejemplo, el ahorro del líquido en zonas habitacionales implica una menor explotación de ríos y acuíferos, una mejor calidad del agua, una menor necesidad de obras nuevas; además al reducirse los consumos, hay menos agua residual, menos necesidad de obras de drenaje, más facilidad de tratamiento y menos riesgo de contaminación de los cuerpos receptores.
La tabla 1.3. muestra, de manera resumida, las diversas técnicas de uso eficiente del agua que deben ser consideradas para cada uno de los ámbitos de consumo de la misma.
Tabla 1.3 Técnicas de uso eficiente del agua4
ÁMBITO TÉCNICAS EJEMPLOS
WC de bajo consumo Regaderas DOMICILIARIO INTERIORES Lavadoras 4
Arreguín Cortés, Felipe A.,"Uso eficiente del agua", Ingeniería Hidráulica en México, Vol VI Número 2, 11 Epoca, Mayo-Agosto 199 1, p. 13.
Detección de fugas Riego eficiente de jardines Manejo de albercas EXTERIORES
Uso de plantas de la región Sistemas de enfriamiento Sistemas de lavado RECIRCULACIÓN
Proceso de transporte de materiales Purificación de aire Transporte de materiales REUSO Proceso de lavado Optimización de procesos Descargas intermitentes INDUSTRIAL
REDUCCIÓN DEL CONSUMO
Riego eficiente
EDUCACIÓN Programas escolares Distritos pitométricos
DETECCIÓN Y REPARACIÓN DE
FUGAS Auditorías de agua
MEDICIÓN Programas de macro y micromedición TARIFAS Escalonadas MUNICIPAL
REGLAMENTACIÓN A nivel ciudad, domicilio o actividad Subsoleo Uso de rastrojo Nivelación de tierras DEL CAMPO Compactación de surcos Programación de riegos Riego ilimitado ADMINISTRATIVAS
Monitoreo de la humedad del suelo Reemplazo de regaderas por tuberías Reducción del área regada
AGRÍCOLA
DE SISTEMAS
Riego por goteo PROGRAMACIÓN LINEAL Problemas de transporte PROGRAMACIÓN NO LINEAL Multiplicadores de Lagrange PROGRAMACIÓN DINÁMICA Teorías de redes
CUENCA
DESCOMPOSICIÓN Y NIVELES DE
OPTIMIZACIÓN Subfunciones de Lagrange
Los ámbitos que deben considerarse en los programas de uso eficiente del agua son: 1.- Domiciliario. 2.- Industrial. 3.- Municipal. 4.- Agrícola. 5.- Cuenca.
A continuación, comentaremos algunas de las técnicas que se utilizan para los distintos ámbitos de consumo del agua.
Este rubro se refiere al consumo de agua que realizamos en la vivienda, tanto en los usos interiores como exteriores.
Del análisis de consumos, se puede observar que se distribuyen de la siguiente manera: WC (inodoro) 35% Regaderas 30% Lavadoras de ropa 20% Fregaderos y trasteros 15% Total 100%
Así, con base en los datos recolectados, las acciones fueron enfocadas hacia la utilización de muebles sanitarios de bajo consumo.
En relación con el WC, se diseñaron muebles que operaban adecuadamente con 6 litros de agua por descarga; el WC tradicional utilizaba 20 litros de agua en cada descarga. En consecuencia, mientras que un individuo consumía de 80 a 100 litros/día con el WC tradicional, con el WC de bajo consumo, esta cantidad se reducía a 36 litros/día.
Puesto que éste era un problema crítico, fundamentalmente para las ciudades con gran cantidad de habitantes, el Departamento del Distrito Federal, incluyó en su reglamento de construcciones la obligatoriedad de] uso de muebles de bajo consumo en las nuevas edificaciones; esto está vigente a partir del 3 de julio de 1 987.
Otros accesorios que fueron reglamentados incluyen: las regaderas, permitiéndose la utilización de equipos que tuvieran descargas menores de 10 litros por minuto.
Se recomienda también el uso de aereadores en fregaderos y lavabos, lográndose ahorros cercanos al 6% en el consumo de los accesorios de este tipo.
En relación al uso de lavadoras, se recomienda la utilización de las que tienen sistema de carga frontal (tina horizontal), puesto que éstas permiten ahorros de agua del 50% en relación con el uso de lavadoras de tina vertical.
Se recomienda la verificación periódica de las instalaciones con objeto de detectar fugas intradomiciliarias; estas fugas generalmente, se ubicaban en los inodoros. En relación a los usos exteriores del agua en la vivienda, se recomienda para el riego de jardines, realizar esta actividad en horas de menor insolación, con objeto de reducir la evaporación; el riego deberá realizarse en las primeras horas de la mañana o en las primeras de la noche. Asimismo, se sugiere el uso de plantas de
la región, puesto que son las que mejor se adaptan al clima que prevalece en la zona.
En las casas habitación que cuentan con albercas, se recomienda la instalación y uso de filtros, con objeto de mantener en buen estado el agua de las mismas, el mayor tiempo posible. Asimismo, el lavado de automóviles deberá realizarse utilizando cubetas con el objeto de ahorrar agua.
1.3.2 ÁMBITO INDUSTRIAL
En el ámbito industrial, el agua se consume en tres grandes actividades, que son: ¾ Transferencia de calor: el agua es utilizada en procesos de calentamiento o
enfriamiento. Esto es, se utiliza en la generación de vapor por medio de calderas o, para el enfriamiento de vapor, por medio de torres de enfriamiento.
¾ Generación de energía: gran parte de la energía generada se obtiene de plantas termoeléctricas, que utilizan el agua para generar vapor que es utilizado para mover la turbinas.
¾ Aplicación a procesos: el agua es utilizada como medio de transporte o como materia prima; sería el caso de la industria del papel, o de las industrias refresqueras.
Las acciones que se recomiendan en el ámbito industrial, para lograr hacer más eficiente el uso del agua, son tres: recirculación, reuso y reducción del consumo. En relación a la recirculación, el proceso consiste en utilizar el agua en el mismo proceso donde inicialmente se usó; ésta puede requerir de algún tratamiento, puesto que por lo general sus características físicas y químicas, varían después de ser utilizada la primera vez. Esquemas de este proceso se muestran en la
figura 1.2.
a)sin recirculación b)con recirculación
El reúso, considera que el efluente de agua de algún proceso, puede ser utilizado en algún otro proceso, siempre y cuando cumpla con la calidad requerida. Según el caso, el efluente de agua, puede recibir o no tratamiento, con el fin de adecuar sus características físicas y químicas. Véase la figura 1.3.
Figura 1.3. Esquema de un sistema de reúso
El último método consiste en la reducción en los consumos de agua en los procesos que se realizan. En este método se hace necesario calcular el volumen de agua requerido para determinado proceso, compararlo con el consumo real y tomar acciones que conduzcan a la disminución del consumo.
En cualquiera de las acciones anteriores se hace necesario el implementar dos acciones básicas: la medición de los consumos y el monitoreo de la calidad del agua.
1.3.3 ÁMBITO MUNICIPAL
En las ciudades actuales, podemos ver que se presentan diversos problemas relacionados con el agua, entre los que se pueden mencionar el agotamiento de las fuentes de captación, la contaminación generada, así como los altos costos de captación, conducción, distribución, tratamiento y disposición de las aguas.
Otros problemas adicionales en la utilización del agua, son la gran cantidad de fugas existentes, la falta de reúso, las tarifas irreales y sistemas de facturación y cobranza deficientes.
La distribución del consumo del agua en las ciudades es de la siguiente forma:
Casa-habitación 71%
Industria 12%
Comercio 15%
Sector de servicios 2%
Las técnicas de uso eficiente del agua utilizadas en el ámbito municipal son: 1. Comunicación y educación
2. Detección y reparación de fugas 3. Medición
4. Sistemas tarifarios 5. Reglamentación
En lo referente a la comunicación y educación, son programas a largo plazo y, buscan crear conciencia en la ciudadanía en los aspectos relacionados con el consumo del agua. Las acciones son realizadas a través de medios masivos de comunicación, como son la televisión, la radio, la prensa, etc., y buscan enseñarle a la población el valor del agua; otras acciones, incluyen la enseñanza del ciclo hidrológico, así como de diversos aspectos relacionados con el agua, a estudiantes, en los cursos de la educación primaria y secundaria.
Indudablemente, todos los programas de este tipo requieren la colaboración ciudadana; se tienen indicadores que señalan ahorros, en el consumo de agua, del 4% al 5%.
Casi todos los sistemas municipales de abastecimiento de agua potable son antiguos y, en muchos casos, con programas de mantenimiento pobres, por lo que la detección y reparación de fugas se hace muy importante. Se pueden utilizar diversos métodos para la detección de fugas: trazadores, auditorías de agua, distritos pitométricos, etc; en cualquiera de los métodos mencionados se hace necesaria la medición.
La medición es una de las primeras acciones que se deben implementar para la aplicación de programas de uso eficiente del agua; la instalación de medidores induce, de manera natural, una reducción en los consumos de agua. Se recomienda realizar una inspección anual a tomas de agua mayores a las 2", y un muestreo aleatorio para tomas de diámetros menores.
Otra de las acciones a realizar es el establecimiento de sistemas tarifarios. Éstos son buenos si las tarifas que se aplican son reales, si están relacionadas con los consumos y si se aplican incrementos diferenciales grandes. Es aconsejable, en los cambios de tarifas, informar adecuadamente a la ciudadanía de las razones de éstos, de los costos de la captación, conducción, potabilización, distribución, etc. La reglamentación también es otro aspecto que debe ser cuidado entre las acciones que se realizan; éstas son de tipo restrictivo y deben ser aplicados con rigor, si se busca que ésta tenga efectos adecuados.
En la tabla 1.4., se presentan las ventajas, desventajas y las reducciones esperadas de consumo, al aplicar las técnicas mencionadas anteriormente en el ámbito municipal.
Tabla 1.4. Ventajas, desventajas y reducciones de consumo esperadas al aplicar técnicas de uso eficiente del agua en el ámbito municipal
TÉCNICAS VENTAJAS DESVENTAJAS REDUCCIÓN DEL CONSUMO (%)
Medición Fácil implementación, gran potencial de ahorro
Altos costos de instalación y verificación
25% en áreas sin medición
Reparación de fugas Reducción del agua no contabilizada
Los costos de reparación pueden superar los del agua ahorrada
9% aproximadamente
Sistemas tarifarios Pueden inducir al ahorro
Malestar social, objeción de usuarios, estructuras bien diseñadas para ser efectivas 10% aproximadamente Reglamentación Gran potencial de ahorro, reducción de aguas residuales Resistencia de constructores y usuarios Más de 10% del uso residencial Educación y comunicación Cambio de malos hábitos, resultados a largo plazo, participación voluntaria
Esfuerzo bien planeado
y coordinado 5% aproximadamente
1.3.4 AMBITO AGRÍCOLA
Un alto porcentaje del agua en el país se utiliza en el campo, por lo cual es de interés el conocer las diversas técnicas utilizadas en el mismo, con objeto de hacer más eficiente su consumo.
En general, las técnicas son de tres tipos: métodos de campo, estrategias administrativas y modificación y adaptación de nuevos sistemas de riego.
Los métodos de campo están orientados hacia la retención y mejor distribución del agua en el campo; ejemplos de estos métodos son la nivelación de terrenos, la utilización de represas en surcos, la reducción de evaporación, etc.
Las estrategias administrativas incluyen la medición del agua precipitada y el agua consumida, la programación de riegos según las necesidades de humedad del suelo, el monitoreo constante de la humedad del suelo, etc.
La modificación y adopción de nuevos sistemas de riego, se realizará en función del tipo de zona de riego, de la aceptación de los usuarios, etc; se requiere la participación de los éstos primordialmente.
1.3.5 ÁMBITO CUENCA
Es el más general de los análisis, puesto que la cuenca hidrológica es la unidad natural para planear el uso eficiente del agua y evaluar sus resultados; incluye todos los ámbitos que hemos venido mencionando: domiciliario, industrial, municipal y agrícola.
Sin duda, es el más complejo por la multiplicidad de objetivos, así como por las opciones de solución. El diagrama general del proceso de planeación de los aprovechamientos hidráulicos a nivel cuenca, se muestra en la figura 1.4.
La primera acción dentro de este diagrama implica el establecimiento de los valores y metas sociales, por lo que deberán revisarse documentos tales como el Plan Nacional de Desarrollo, las políticas aplicables a la cuenca, etc.
Posteriormente, se establecerán los objetivos a optimizar teniendo en cuenta aspectos tales como las restricciones en el uso del agua, los recursos humanos y materiales con los que se cuenta, las características del medio ambiente, así como la tecnología que puede ser utilizada.
Con base en estos objetivos, y teniendo en cuenta todos los factores que los afectan como ya mencionamos, restricciones, recursos, etc., se realiza la cuantificación y planteamiento de alternativas de los mismos, para llegar a un modelo. Este modelo podrá ser lineal, no-lineal, determinístico, probabilístico, etc., dependiendo de la complejidad del problema.
Figura 1.4. Diagrama general del proceso de planeación de los aprovechamientos hidráulicos
Se realizará una evaluación del mismo, para iniciar la implantación de las decisiones tomadas. Será necesario, realizar evaluaciones de la aplicación del modelo con base en las consecuencias directas e indirectas, para retroalimentar el modelo y consecuentemente, mejorarlo.
A manera de conclusión, debemos decir que no se tiene una conciencia clara de la problemática del recurso agua, por lo que deben hacerse esfuerzos en darla a conocer a la ciudadanía. Asimismo, es importante apoyar los programas de uso eficiente del agua, especialmente el más general de todos, a nivel cuenca, puesto que permite un panorama más general del uso del agua.
1.4 ABASTECIMIENTO Y REQUERIMIENTOS DE AGUA
Las aguas suministradas deben cumplir ciertos requisitos de calidad y cantidad, según el uso a que éstas se destinen. De manera muy general, podemos establecer tres tipos de agua, que se muestran en la tabla 1.5.
Abastecimiento privado: generalmente se presentan en lugares apartados de las ciudades y deben contar con sistemas de purificación de las aguas captadas. El tratamiento de las aguas dependerá del uso a que se destina.
Tabla 1.5. Usos del agua
TIPO DE AGUA USOS CALIDAD Cocina y bebida Potable
Baños Potable Lavado de ropa Blanda
Riego No contaminada
Agua de consumo
Alimentación de animales No contaminada
Calefacción Blanda Refrigeración Blanda Agua de circulación
Albercas Potable (recomendable) Depósitos para incendios Sin especificación
Agua en reposo
Tuberías de incendios y riego Sin especificación
Abastecimiento público: este tipo de abastecimiento corresponde al utilizado en las ciudades y deben contar con sistemas de potabilización de las aguas captadas. Los contaminantes más comunes, que se presentan en las captaciones de agua, sean públicas o privadas, son:
Sólidos suspendidos: materiales que son insolubles en el agua. El término sólidos suspendidos incluye tanto material orgánico como material inorgánico, así como líquidos inmiscibles.
Sólidos disueltos: materiales sólidos que están íntimamente ligados a un sistema líquido; tienen un diámetro medio menor a 0.000001 mm; comúnmente se conocen con solutos. Los sólidos disueltos se dividen en sales disueltas y material orgánico disuelto.
Sales disueltas: sólidos que forman componentes iónicos en una solución. Pueden ser iones o cationes, dependiendo de la carga positiva o negativa que tengan. Se conocen como minerales.
Material orgánico disuelto: materiales que no se disocian en iones y cationes. Microorganismos: viven en el agua y son capaces de reproducirse y propasarse a través de los sistemas de agua. Estos incluyen bacterias, virus y algas.
Ninguno de los contaminantes anteriores debe estar presente en los abastecimiento de agua. Algunos de los procesos de tratamiento utilizados para la remoción de contaminantes se muestran a continuación, en la tabla 1.6.
Tabla 1.6. Procesos de tratamiento de agua utilizados en la eliminación de varios tipos de contaminantes5 Procesos de tratamiento Contaminantes típicos Residuos flotantes: aceites, grasas, sólidos, etc. Material suspendido: arena, coloides, etc. Minerales disueltos: calcio, sodio, sulfatos, etc. Disueltos orgánicos: fenoles, pesticidas, bacterias, virus, etc. Rejillas X Flotación X X Aeración/ Clarificación X X Coagulación X X Tratamiento biológico X X Centrifugación X Filtración X X Adsorción de carbón X Intercambio iónico X Destilación X X Electrodiálisis X X Ósmosis inversa X X Ultrafiltración X Desinfección X 1.5 DOTACIONES Y CONSUMOS
Una vez definido el tipo de captación que se utilizará, así como si requiere o no tratamiento, se definirá la cantidad de agua que deberá suministrarse al edificio en
5
Tabla modificada de Harrís Cyril M., "Handbook of utilities and services for buildings: planning, design, and installation", McGraw Hill, 1990., p. 1. 5.
función de la zona en que está ubicado, el uso a que se destinará el mismo, el número de personas que lo utilizarán, el número de muebles sanitarios que tendrá, las costumbres de la región, etc. Esta cantidad de agua se conoce como dotación. A continuación, se presentan dos tablas de dotaciones: una, en función del tipo de edificio, así como de factores tales como el área rentable, del número de espectadores, comensales, etc. (tabla 1.7.), y otra, de tipo general en función del tipo de edificio (tabla 1.8).
Tabla 1.7. Dotaciones de agua en función del tipo de edificio y servicio6
TIPO DE EDIFICIO Y SERVICIO DOTACIÓN
Habitación de tipo popular 150 1/persona/día
Habitación de interés social 200 1/persona/día
Residencias y departamentos 250-500 1/persona/día
Oficinas 70 1/empleado/día o 10 1m2 área rentable
Hoteles 500 1/huesped/día
Cines 2 1/espectador/función
Fábricas (no incluye consumo industrial) 70 1/obrero/turno
Escuelas 100 1/alumno/día
Clubes (deben sumarse los demás servicios:
restaurante, auditorio, riego, etc.) 500 1/bañista/día
Restaurante 16-30 1/comensal
Lavandería 40 1/kg ropa seca
Hospitales 500-1000 1/cama/día
Riego de jardines 1 1/m2 superficie de césped
Riego de patios de servicio 2 1/m2
Tabla 1.8. Consumo de agua por persona y por día en litros7
6
Tabla modificada de Zepeda C. Sergio, "Manual de Instalaciones hidráulicas, sanitarias, gas, aire comprimido y vapor", Editorial LIMUSA, 1986, p. 184.
7
Tabla modificada de Gay, Fawcett, McGuinness & Stein, “Vnstalaciones en Edificios", Editorial Gustavo Gil¡, p. 36.
TIPO DE EDIFICIO CONSUMO EN LITROS POR PERSONA Y POR DÍA
Hoteles y casas de departamentos 200-450
Oficinas 60-120
Vivienda unifamiliar 120-300
Riego de jardines (aspersores) 450
Riego de jardines (tubería de ¾”) 1100
También se hace importante, establecer el número mínimo de muebles sanitarios con los que debe contar un edificio en función del tipo de servicio que presta. A continuación, en la tabla 1.9. se dan recomendaciones en ese sentido.
Tabla 1.9. Número mínimo de muebles sanitarios en función del uso del edificio8
TIPO DE EDIFICIO MUEBLES SANITARIOS MÍNIMOS REQUERIDOS
HABITACIONES 1 inodoro 1 lavabo 1 tina regadera 1 fregadero 1 lavadero ESCUELAS: Primarias
1 inodoro por cada 100 niños o fracción 1 inodoro por cada 35 niñas
1 urinario por cada 30 niños 1 lavabo por cada 60 personas 1 bebedero por cada 75 personas
ESCUELAS: Secundarias
1 inodoro por cada 100 hombres 1 inodoro por cada 45 mujeres 1 urinario por cada 30 hombres 1 lavabo por cada 100 personas 1 bebedero por cada 75 personas
1 persona por cada 10m2
EDIFICIOS DE OFICINAS O PÚBLICAS
1 persona por cada 10m2 1 inodoro para 1-15 personas 2 inodoros para 16-35 personas 3 inodoros para 36-55 personas 4 inodoros para 56-80 personas 5 inodoros para 81-110 personas 6 inodoros para 111-150 personas
1 inodoro más por cada 40 personas adicionales.
8
Tablamodificadaderequerimíentosdemueblessanitariosenedificiostomada del Manas Vincent T., "National Plumbíng Code Handbook: Standards and Design lnformation", McGraw Hill, Tabla 7.21.2., pp. 7-21 - 7-22.
Urinario: se suprime un inodoro por cada urinario instalado sin que el número de inodoros sea menor que 2/3 de lo indicado anteriormente.
1 lavabo para 1-15 personas 2 lavabos para 16-35 personas 3 lavabos para 36-60 personas 4 lavabos para 61-90 personas 5 lavabos para 91-125 personas
1 lavabo adicional por cada 45 personas más o fracción.
1 bebedero por cada 75 personas. No se deben instalar dentro de los sanitarios.
1 bebedero por cada 75 personas. No se deben instalar dentro de los sanitarios.
ESTACIONAMIENTO FABRILES:
Talleres fundiciones
1 inodoro para 1-15 personas 2 inodoros para 16-35 personas 3 inodoros para 36-60 personas 4 inodoros para 61-90 personas 5 inodoros para 91-125 personas
1 inodoro adicional por cada 30 personas adicionales o fracción.
Urinario: se suprime un inodoro por cada urinario instalado sin que el número de inodoros sea menor que 2/3 de lo indicado anteriormente
1 lavabo por cada 100 personas
1 lavabo más por cada 10 personas adicionales. Cuando hay peligro de contaminación de la piel con materias venenosas, infecciosas o irritantes, instalar un lavabo por cada 5 personas. En otros casos puede instalarse un lavabo por cada 15 personas. Cada 60 cm de lavabo corrido o cada 45 cm de lavabo circular común, con llaves de agua por cada espacio, se considerarán equivalentes a un lavabo.
1 regadera por cada 15 personas, si en su trabajo están expuestos a calor excesivo o a contaminación de la piel con sustancias venenosas, infecciosas o irritantes.
1 bebedero por cada 75 personas
DORMITORIOS
1 inodoro por cada 10 hombres. 1 inodoro por cada 8 mujeres. Si hay más de 10 personas, agregar un inodoro por cada 25 hombres adicionales y un inodoro por cada 20 mujeres en exceso de 8.
1 urinario por cada 25 hombres; si hay más de 150 hombres, agregar un urinario por cada 50 hombres adicionales.
1 lavabo por cada 12 personas. Agregando un lavabo por cada 20 hombres y uno por cada 15 mujeres. Se recomienda poner lavabos dentales adicionales en los sanitarios comunes.
1 regadera por cada 8 mujeres y además 1 tina por cada 30 mujeres. Para más de 150 personas, agregar una regadera por cada 20 personas
CINES, TEATROS, AUDITORIOS
1 Inodoro para 1-100 personas 2 inodoros para 101-200 personas 3 inodoros para 201-400 personas
Para más de 400 personas se agregará un inodoro por cada 500 hombres y un inodoro por cada 300 mujeres más.
1 urinario para 1-200 hombres 2 urinarios para 201-400 hombres 3 urinarios para 401-600 hombres
Un urinario adicional para cada 500 hombres más.
1 lavabo para 1-200 personas 2 lavabos para 201-400 personas 3 lavabos para 401-750 personas
SERVICIOS SANITARIOS PROVISIONALES PARA TRABAJADORES
1 lavabo y urinario por cada 30 trabajadores. Si se usan urinarios corridos, se considerarán las siguientes equivalencias:
50 cm lineales -- 1 urinario 90-120 cm -- 2 urinarios 1.50 m -- 3 urinarios 1.80 m -- 4 urinarios
COMENTARIOS
Al aplicar los criterios expuestos anteriormente debe tomarse muy en cuenta la accesibilidad de los muebles sanitarios, ya que al ceñirse únicamente a los valores numéricos especificados pueden resultar soluciones inadecuadas para el edificio de que se trate. Así, por ejemplo, en escuelas de varios pisos deberá haber sanitarios en cada piso de salones de clase.
En dependencias o municipios que tengan sus propios reglamentos o especificaciones relacionadas con el número mínimo de muebles sanitarios que deben utilizarse en los edificios, éstos tendrán prioridad sobre las tablas mencionadas anteriormente y que son únicamente a manera de recomendación. Antes de iniciar el cálculo de los diámetros de las tuberías que suministrarán agua a todos los muebles sanitarios, y una vez que hemos definido la fuente de captación, el número de personas que utilizarán los servicios y de muebles sanitarios que se instalarán, hablaremos de la regularización, misma que nos permitirá contar con agua suficiente para abastecernos en los momentos en los que los equipos de bombeo no pueden hacerlo.
Comúnmente, para el caso de edificios, se cuenta con redes municipales de agua potable que proporcionarán el agua que alimentarán al edificio.
Se pueden presentar dos situaciones:
a)La red tiene la capacidad y presión suficiente para abastecer al edificio en forma continua. Es el caso de una red bien diseñada y que, además, suministra agua a edificios de poca altura.
b)La red tiene fluctuaciones que permiten el abastecimiento en forma intermitente. Puede ser que la red no esté diseñada correctamente, o que el edificio al que se proporcionará agua es demasiado alto.
Para el primer caso puede diseñarse la instalación con tomas directa a los servicios, puesto que la red cuenta con capacidad suficiente, tanto en gasto como en energía.
En el segundo caso hay que considerar la regularización del agua abastecida (tinacos, cisternas, etc.) y, si es necesario, la utilización de equipos elevadores de presión (tanques elevados, hidroneumáticos, bombas booster, etc.). Dedicaremos, más adelante, mayor cuidado al estudio de los equipos elevadores de presión. En nuestro medio, debido al rápido crecimiento de la población que supera el crecimiento de los servicios de abastecimiento de agua, generalmente se presenta el segundo caso, esto es, el agua se abastece en forma intermitente.
Otro factor muy importante en el consumo del agua es la variabilidad del mismo, de hora a hora, de día a día y de estación en estación. Esto se corrige con estructuras de regularización.
Estas variaciones en el consumo del agua, son debidas a varios factores tales como:
- Condiciones cismáticas. - Condiciones económicas.
- Características de la región y de la comunidad. - Costumbres de la población.
Para poder garantizar el suministro de agua en las horas de demanda pico, debe contarse con algún almacenamiento de agua que nos permita hacer frente a estas variaciones.
Es común utilizar, para este propósito, tanques elevados y cisternas, como estructuras de regularización.
Puesto que los tanques elevados, además de utilizarse como estructuras de regularización, sirven para elevar la presión del agua, dejaremos el estudio de éstos, cuando tratemos equipos de elevación de presión. Analizaremos el papel que juegan las cisternas, así como el cálculo de las proporciones más económicas.
La utilización de cisternas para satisfacer demandas pico es una práctica común para el caso de edificios.
Una vez conocido el consumo diario, se establece la capacidad de la cisterna, que debe ser suficiente para abastecer el edificio con un mínimo de 2/3 del consumo diario; a la capacidad anterior se agrega, en caso de requerirse, una reserva para el sistema de protección contra incendios. Es importante mencionar, que estos valores puede variar en función del conocimiento, que el proyectista, tenga de la zona en la que se diseña, así como del reglamento de construcciones que se aplique.
El Reglamento de Construcciones del Municipio de Mérida, establece en su artículo 235 del Capítulo XXXII, que la capacidad de la cisterna deberá ser igual al consumo diario de los ocupantes del edificio, más un almacenamiento para protección contra incendios, que se establecerá en función del uso del edificio; el Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal indica, en su artículo 150 del Capítulo VI, que los edificios habitacionales, la edificaciones de cinco niveles o más, deberán contar con cisternas calculadas para almacenar dos veces la demanda mínima necesaria diaria de agua potable de la edificación y equipadas con sistemas de bombeo.
A fin de evitar desperdicios en la construcción de cisternas, determinaremos las proporciones que deben guardar las paredes de las mismas, a fin de lograr economía en las mismas.
Consideraremos la altura o profundidad de la cisterna como un valor fijo lo mismo que el volumen a almacenar. En consecuencia, la superficie de la cisterna queda definida.
Con objeto de evitar espesores excesivos de muros, las cisternas se construyen con varios compartimientos.
Obtendremos la relación entre longitudes de paredes para un desarrollo mínimo de las mismas; consideraremos dos casos: compartimientos en una sola hilera y compartimientos en dos hileras.
Así, para el primer caso de cisternas con compartimientos en una hilera: con S: superficie de cisterna
n: número de compartimientos
a, b: paredes de cisterna
Del análisis de la cisterna (véase la figura 1.5.), tenemos:
nb S a=
Con M: suma de longitudes de paredes de la cisterna. Sabemos que la superficie es: S = nab y por tanto:
Figura 1.5. Cisterna con una fila de compartimientos
Sustituyendo: b n b S b n nb S n M =2 +( +1) =2 +( +1)
Para obtener un desarrollo mínimo de paredes, derivamos e igualamos a cero: 0 ) 1 ( 2 2 + + = − = n b S db dM Así: 1 2 2 = n+ b S Pero, S=nab
Del análisis de la expresión, se ve que el mínimo se obtiene cuando la suma de las paredes longitudinales es igual a la suma de las paredes transversales
) 1 ( 2 1 2 2 =n+ ⇒ na=b n+ b nab Considerando que n n b a 2 ) 1 ( + =
y variando el número de compartimientos llegamos a las proporciones económicas
para una cisterna de una fila de compartimientos. Estas se muestran en la tabla
1.10.
Tabla 1. 10. Proporciones económicas para una cisterna con una fila de compartimientos NUMERO DE COMPARTIMENTOS RELACIÓN ENTRE LONGITUDES DE PAREDES a:b 1 1:1 2 3:4 3 2:3 4 5:8 5 3:5 6 7:12 7 4:7 8 9:16 9 5:9 10 11:20
Verificaremos una relación; tenemos que n =6
Si a b n na b n n b a 7 12 1 2 2 ) 1 ( ⇒ = + = ⇒ + =
a b
7 12 = Así, la relación a:b, será:
7 12 : 1
o sea 7:12
Para el caso de cisternas con dos hileras de compartimientos (véase la figura
1.6.):
Sabemos que: S = nab
La suma de las paredes de la cisterna (M), será:
) 2 ( 2 3 + + = na b n M
Pero, partiendo de S = nab, tenemos
nb S a=
Figura 1.6. Cisterna con dos filas de compartimientos Sustituyendo: ) 2 ( 2 3 ) 2 ( 2 3 + + = + + = b n b S n b nb S n M
Derivando e igualando a cero:
0 ) 2 ( 2 3 2 + + = − = n b S db dM 2 2 3 ) 2 ( b S n+ = Pero: S = nab b na b nab n 2 3 2 3 ) 2 ( + = 2 = 0 sea: ) 2 ( 2 3 = n+ b na
Como en el caso anterior, cuando las longitudes de las paredes longitudinales y las paredes transversales son iguales, se obtiene el mínimo desarrollo de las mismas.
) 2 ( 2 3 + = n na b Obtenemos la tabla 1.11.
Tabla 1.11. Proporciones económicas para una cisterna con dos filas de compartimientos NUMERO DE COMPARTIMENTOS RELACIÓN ENTRE LONGITUDES DE PAREDES a:b 2 4:3 4 1:1 6 8:9 8 5:6 10 4:5 12 7:9 14 16:21 16 3:4 18 20:27 20 11:15
A manera de ejemplo, verificaremos una relación; para n=6 16 18 ) 2 6 ( 2 ) 6 ( 3 ) 2 ( 2 3 a a n na b = + = + =
Si, a=l, tenemos
6 18 =
b
Así, la relación a:b será:
16 18 : 1
ó 8:9
Así, por ejemplo, obtendremos la longitud mínima de paredes para una cisterna con una profundidad de un metro y un volumen total de 36 m3. La superficie de la cisterna será de 36 m2.
Consideraremos dos casos de compartimientos: para una hilera y para dos hileras. Dando n = 4, en ambos casos tendremos:
Para una hilera (véase la figura 1.7.):
Para n = 4, tenemos una relación a:b= 5:8, o sea,
a b 5 8 = y S= nab Así: 5 8 na S = Por tanto: 37 . 2 ) 4 ( 8 ) 36 ( 5 8 5 5 8 5 8 = 2 ⇒ = = = = n S a na a na S De lo anterior: b = 3.80 m Verificando la relación: 2na = b(n+1) Así: 2na = 2x4(2.37) = 18.96m b(n + 1) = 3.80(4 + 1)=19.00m
Para una cisterna con dos hileras de compartimientos (véase la figura 1.8.):
De la misma manera, con n = 4 y una relación a:b, 1:1 o sea a=b Y S=nab Por tanto, 3 4 36 2 ⇒ = = = = n S a na S Verificando la relación: ) 2 ( 2 3 = n+ b na 18 ) 3 )( 4 ( 2 3 2 3 = = na b(n+2)=3(4+2)=18
SECCIÓN 2. SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE
AGUA
CAPÍTULO 2. SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA FRÍA
El objetivo del diseñador de redes de distribución de agua fría en edificios, es garantizar el suministro adecuado, en gasto y energía, a todos los muebles y equipos durante el tiempo de operación, con los diámetros más económicos de tubería.
Otros objetivos complementarios a considerar serían: evitar los efectos de erosión debida a velocidades excesivas de flujo, evitar daños por golpe de ariete o ruidos indeseables debido a excesivas velocidades de diseño, evitar depósitos de carbonatos, debidos al paso de aguas duras en las tuberías.
Como ya hemos mencionado, uno de los principales objetivos del diseño de redes de distribución de agua, es proporcionar el gasto suficiente para todos los muebles y equipos. La determinación del gasto de diseño, trae aparejado el dimensionamiento de las tuberías del sistema de distribución de agua.
El problema de la determinación de los diámetros requeridos para las diferentes partes de un sistema de distribución de agua se resuelve de la siguiente manera:
1 . Primero, se determina la carga de diseño, esto es, el gasto que conducirá cada tubería y para el cual debe ser diseñada.
2. Con el gasto de diseño establecido, se determina cuál es el diámetro de las tuberías que deben utilizarse.
Como podemos observar, de los comentarios anteriores, la determinación del gasto de diseño es básica para iniciar el diseño de sistemas de distribución de agua.
2.1 DETERMINACIÓN DE LOS GASTOS DE DISEÑO PARA SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA
Este problema es complicado debido al hecho que los muebles sanitarios en los edificios, al ser utilizados por los individuos, son operados de manera intermitente y con frecuencias irregulares.
Los diferentes tipos de muebles sanitarios no son usados uniformemente durante el día: los baños son comúnmente utilizados por los individuos, en las mañanas al salir hacia sus trabajos, y no son utilizados nuevamente, hasta que regresan de los mismos; la cocina se utiliza antes y después de las comidas, pero no en otros períodos, etc.
Así, podemos observar que la operación de los muebles sanitarios es intermitente y que, si comparamos los tiempos en que se usan con los que no se utilizan, son mayores estos últimos, por lo que no se hace necesario diseñar para la carga máxima de operación, excepto en instalaciones hidráulicas muy pequeñas o para muebles sanitarios únicos, ya que las solicitaciones de los mismos podrían ser de manera simultánea.
Si se diseñara para la carga máxima de operación, los diámetros de las tuberías tendrían que ser muy grandes, por lo que el costo de las instalaciones sería prohibitivo.
Para tener una pequeña idea de la diferencia entre la carga de diseño y la carga potencial podemos considerar un sistema hipotético con 100 WC, donde cada uno opera con una frecuencia promedio de una vez cada cinco minutos, tardando cada operación 9 segundos. Puede demostrarse, que si observamos el sistema en cualquier instante arbitrario, encontraremos con mayor frecuencia tres WC en operación, más que cualquier otro número; sin embargo, un sistema de este tipo se diseña para servir a ocho WC de manera simultánea en lugar de tres; aún así, es obvio que el número de muebles para el cual se diseña es muy pequeño en
comparación con el número de muebles del sistema. Puede verse la figura 2.1.
Tres métodos distintos han sido desarrollados para determinar las cargas o gastos de diseño para las diferentes partes de un sistema de distribución de agua: los métodos empíricos, semiempíricos y probabilísticos.
Figura 2.1. Probabilidad de hallar fuera de operación r de n WC, para cualquier momento de observación