Click here to load reader

ICA INSTALACIONES HIDROSANITARIAS.pdf

  • View
    182

  • Download
    14

Embed Size (px)

Text of ICA INSTALACIONES HIDROSANITARIAS.pdf

INSTALACIONES HIDRULICAS Y SANITARIAS EN EDIFICIOS

Jorge Sosa

Garca

DERECHOS RESERVADOS COEDITORES DEL AUTOR

SEMBLANZA

PRLOGO

CONTENIDO

PRLOGO

El objetivo del presente libro es proporcionar a los estudiantes de ingeniera civil, un apoyo bibliogrfico que permita, mediante la utilizacin del mismo, la comprensin de los conceptos bsicos de diseo de las instalaciones hidrulicas y sanitarias en edificios. Este documento est dividido en siete captulos y dos apndices, que podemos agrupar en cuatro secciones. La primera seccin consta de un solo captulo, que trata temas que en la poca actual son de gran relevancia, en especial, el uso eficiente del agua en diversos mbitos (domiciliario, industrial, municipal, agrcola y de cuenca); tambin, se comentan aspectos relacionados con las dotaciones y los consumos de agua en edificios, el uso de cisternas, etc. La segunda seccin comprende los captulos 2, 3 y 4; expone todo lo relacionado con la distribucin de agua en edificios, tanto de agua fra como de agua caliente, as como las instalaciones y equipo complementario a las mismas; en esta seccin se tratan aspectos del diseo de los servicios mencionados. Los temas presentados incluyen criterios de diseo (gasto, temperaturas, velocidades, energa disponible, etc.),distribucin del agua fra y caliente en los edificios, procedimientos de diseo, sistemas elevadores de presin, sistemas contra incendios, instalaciones en albercas, sistemas de calentamiento, tuberas de retorno de agua caliente, etc. A fin de establecer criterios generales de diseo de los sistemas mencionados, se consultaron dos reglamentos de construccin: el del Distrito Federal y el del Municipio de Mrida, Yucatn. En esta seccin se expone la metodologa bsica para el diseo de las redes de distribucin de agua, misma que es presentada, de manera amplia y explcita, en el captulo correspondiente a la red de distribucin de agua fra. Los captulos 5, 6 y 7 integran la tercera seccin, en la que se tratan temas relacionados con la recoleccin y disposicin de las aguas en edificios. Los temas bsicos son los sistemas de recoleccin de aguas residuales y pluviales, y de ventilacin; se presentan temas tales como los componentes de los sistemas de recoleccin y ventilacin de aguas residuales, as como su dimensionamiento. En relacin a los sistemas de recoleccin de aguas pluviales, se exponen dos mtodos: el convencional y el de flujo controlado finalmente, se presentan conceptos bsicos sobre el diseo de tanques spticos. Para el caso de los sistemas de recoleccin de aguas residuales, se proporciona una idea muy completa de los fenmenos transitorios hidrulicos que se presentan en ellos, a fin de lograr u ira mejor comprensin de su comportamiento, sin tratar con profundidad los aspectos tericos de los fenmenos mencionados, puesto que los mismos son tema de estudios especializados. Asimismo, debido a la situacin actual de nuestro estado, mismo que carece de sistemas municipales de recoleccin, tratamiento y disposicin de aguas residuales, se presentan los criterios bsicos de diseo de tanques spticos, a fin de que stos puedan

utilizarse correctamente y reducir, en la medida de lo posible, la contaminacin del manto fretico, que es nuestra nica fuente de abastecimiento de agua. Conceptos bsicos para el diseo de los sistemas mencionados anteriormente, son los de hidrulica y de probabilidad. Con este fin se integr una cuarta seccin con dos apndices, mismos que tratan los conceptos necesarios para la comprensin fcil y adecuada de los temas principales de este libro. Se tratan temas tales como: definicin y propiedades de los fluidos, cinemtica de los fludos, clasificacin de flujos, ecuaciones fundamentales de la hidrulica, prdidas de energa, equipos de bombeo, probabilidad, espacio de eventos, probabilidad de un evento, teorema de Bayes, funcin de probabilidades binomial, funcin de probabilidades Poisson. La bibliografa consultada para la elaboracin de este trabajo, incluye tanto libros de corte clsico, en los que se tratan temas bsicos como los gastos de diseo, el concepto de unidad-mueble, etc., as como la informacin ms actualizada existente al momento. Por tanto, se busca con este documento concentrar en un solo trabajo, material bibliogrfico que se encuentra disperso en libros relacionados con el tema, reglamentos de construccin, artculos recientes, etc. Siendo este trabajo un primer intento por proporcionar las bases para el diseo de instalaciones hidrulicas y sanitarias, solicito la comprensin de los lectores en relacin con cualquier omisin que ste contenga. Asimismo, cualquier sugerencia o recomendacin para subsanar alguna deficiencia del trabajo o mejorar el contenido del mismo, ser apreciada y aprovechada en futuras revisiones. Como punto final, agradezco a la Universidad Autnoma de Yucatn, a la Facultad de Ingeniera, y muy especialmente a la Fundacin ICA, por las facilidades proporcionadas para la elaboracin de este trabajo.

Jorge Garca Sosa

CONTENIDO

SECCIN 1. GENERALIDADES SOBRE EL USO DEL AGUA

SECCIN 2. SISTEMAS DE DISTRIBUCIN DE AGUA

SECCIN 3. SISTEMAS DE RECOLECCIN DE AGUAS

SECCIN 4. APNDICES

BIBLIOGRAFA

SECCIN 1. GENERALIDADES SOBRE EL USO DEL AGUA CAPTULO 1. GENERALIDADES SOBRE EL USO DEL AGUA

SECCIN 2. SISTEMAS DE DISTRIBUCIN DE AGUA

CAPTULO 2. SISTEMAS DE DISTRIBUCIN DE AGUA FRIA CAPTULO 3. INSTALACIONES Y EQUIPO COMPLEMENTARIO EN LAS REDES DE DISTRIBUCIN DE AGUA CAPTULO 4.SISTEMAS DE DISTRIBUCIN DE AGUA CALIENTE EN EDIFICIOS

SECCIN 3. SISTEMAS DE RECOLECCIN DE AGUAS

CAPTULO 5. SISTEMAS DE RECOLECCIN DE AGUAS RESIDUALES CAPTULO 6. SISTEMAS DE RECOLECCIN DE AGUAS PLUVIALES CAPTULO 7. ACONDICIONAMIENTO RESIDUALES Y DISPOSICIN DE AGUAS

SECCIN 4. APNDICES

APNDICE A. ELEMENTOS BSICOS DE HIDRULICA

APNDICE B. PROBABILIDAD

CONTENIDO

SECCIN 1. GENERALIDADES SOBRE EL USO DEL AGUA

CAPTULO 1.GENERALIDADES SOBRE EL USO DEL AGUA

1.1

EVOLUCIN DE LAS INSTALACIONES DE SUMINISTRO DE AGUA Y DE ELIMINACIN DE AGUAS RESIDUALES INSTALACIONES EN EDIFICIOS USO EFICIENTE DEL AGUA 1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.3.4 1.3.5 MBITO DOMICILIARIO MBITO INDUSTRIAL MBITO MUNICIPAL MBITO AGRCOLA MBITO CUENCA

1.2 1.3

1.4 1.5 1.6

ABASTECIMIENTO Y REQUERIMIENTOS DE AGUA DOTACIONES Y CONSUMOS CISTERNAS

SECCIN 2. SISTEMAS DE DISTRIBUCIN DE AGUA CAPTULO 2.SISTEMAS DE DISTRIBUCIN DE AGUA FRIA

2.1

DETERMINACIN DE LOS GASTOS DE DISEO PARA SISTEMAS DE DISTRIBUCIN DE AGUA MTODOS EMPRICOS 2.2.1 MTODO BRITNICO 2.2.2 MTODO DE DAWSON Y BOWMAN

2.2

2.3

MTODOS SEMIEMPRICOS 2.3.1 MTODO ALEMN DE RAZ CUADRADA

2.4

MTODO PROBABILSTICO 2.4.1 APLICACIN DE LA TEORA DE LA PROBABILIDAD EN LA DETERMINACIN DE LAS CARGAS O GASTOS DE DISEO 2.4.2 APLICACIN DEL MTODO DE HUNTER EN SISTEMAS MIXTOS

2.5

DISTRIBUCIN DE AGUA EN EDIFICIOS 2.5.1 DISTRIBUCIN ASCENDENTE 2.5.2 DISTRIBUCIN DESCENDENTE 2.5.3 DISTRIBUCIN MIXTA

2.6

CRITERIOS DE DISEO 2.6.1 2.6.2 2.6.3 2.6.4 GASTO DE DISEO PRESIN MNIMA DE OPERACIN PRDIDAS DE ENERGA VELOCIDAD MXIMA

2.7

FORMATO UTILIZADO PARA EL DIMENSIONAMIENTO DE TUBERAS DE LA RED DE DISTRIBUCIN DE AGUA

2.8 METODOLOGA PARA EL CLCULO DE LA RED DE DISTRIBUCIN DE AGUA FRIA

CAPTULO 3. INSTALACIONES Y EQUIPO COMPLEMENTARIO EN LAS REDES DE DISTRIBUCIN DE AGUA

3.1 3.2 3.3

SISTEMAS ELEVADORES DE PRESIN EVOLUCIN DE LOS EQUIPOS ELEVADORES DE PRESIN SISTEMAS DE TANQUES ELEVADOS 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 3.3.5 3.3.6 TANQUE ELEVADO EQUIPOS DE BOMBEO CONTROLES ALARMAS Y DISPOSITIVOS DE SEGURIDAD VENTAJAS DE LOS TANQUES ELEVADOS DESVENTAJAS DE LOS TANQUES ELEVADOS

3.4

SISTEMAS HIDRONEUMTICOS 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4 3.4.5 3.4.6 3.4.7 TANQUE PRESURIZADO EQUIPOS DE BOMBEO COMPRESOR DE AIRE O SUPERCARGADOR SISTEMAS DE CONTROL ALARMAS Y DISPOSITIVOS DE SEGURIDAD VENTAJAS DE LOS SISTEMAS HIDRONEUMTICOS DESVENTAJAS DE LOS SISTEMAS HIDRONEUMTICOS

3.5

SISTEMAS DE BOMBAS ELEVADORAS DE PRESIN (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 PRESIN 3.5.5 DESVENTAJAS DE LOS SISTEMAS DE BOMBAS ELEVADORAS DE PRESIN 3.5.6 SELECCIN DEL SISTEMA

3.6

PROTECCIN CONTRA INCENDIOS 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 3.9

ACCESORIOS TPICOS EN LOS SISTEMAS CONTRA INCENDIOS COMENTARIOS A LOS REGLAMENTOS DE CONSTRUCCIN

3.9.1 REGLAMENTO DE CONSTRUCCIONES PARA EL DISTRITO FEDERAL 3.9.2 REGLAMENTO DE CONSTRUCCIONES DEL MUNICIPIO DE MRIDA

3.10

ALBERCAS 3.10.1 CLASIFICACIN DE LAS ALBERCAS 3.10.2 COMPONENTES DE UNA ALBERCA

3.11

FILTROS DE ALBERCAS

CAPTULO 4. SISTEMAS DE DISTRIBUCIN DE AGUA CALIENTE EN EDIFICIOS 4.1 4.2 INSTALACIONES DE AGUA CALIENTE EN EDIFICIOS SISTEMAS DE DISTRIBUCIN DE AGUA CALIENTE 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 ALIMENTACIN DIRECTA ALIMENTACIN ASCENDENTE ALIMENTACIN DESCENDENTE ALIMENTACIN MIXTA

4.3 4.4 4.5

TEMPERATURAS DEL AGUA CALIENTE ESTIMACIN DE LA DEMANDA DE AGUA CALIENTE 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 4.6.2 4.6.3 4.6.4 CALDERA DE TUBOS DE HUMO CALDERA DE TUBOS DE AGUA ACCESORIOS DE CONTROL Y SEGURIDAD PROBLEMAS CAUSADOS POR EL AGUA

4.7

CLCULO DE LAS CAPACIDADES DE CALENTAMIENTO O DE RECUPERACIN Y DE ALMACENAMIENTO DE CALENTADORES METODOLOGA PARA EL CLCULO CALENTAMIENTO DE UN CALENTADOR DE LA CAPACIDAD DE

4.8

4.8.1 CALENTADORES CON TANQUE DE ALMACENAMIENTO 4.8.2 CALENTADORES INSTANTNEOS Y SEMI-INSTANTNEOS

4.9

EJEMPLOS DE CLCULO DE LA CAPACIDAD DE RECUPERACIN Y DE ALMACENAMIENTO DE CALENTADORES TUBERAS DE RETORNO DE AGUA CALIENTE

4.10

4.11 METODOLOGA PARA EL DISEO DE SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO DE AGUA CALIENTE 4.12 CONTROL DE LA EXPANSIN Y CONTRACCIN TRMICA DE TUBERAS 4.13 AISLAMIENTO DE TUBERAS

SECCIN 3. SISTEMAS DE RECOLECCIN DE AGUAS

CAPTULO 5. SISTEMAS DE RECOLECCIN DE AGUAS RESIDUALES 5.1 5.2 SISTEMAS DE RECOLECCIN DE AGUAS RESIDUALES COMPONENTES DE LOS SISTEMAS DE RECOLECCIN RESIDUALES Y DE VENTILACION NATURALEZA DE LOS FENMENOS HIDRULICOS 5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.3.4 5.3.5 5.3.6 DE AGUAS

5.3

SISTEMA DE DRENAJE POR GRAVEDAD CARGAS O GASTOS DE DRENAJE SIFONES Y TRAMPAS HIDRULICAS DE MUEBLES SANITARIOS FLUJO EN BAJANTES DE AGUAS RESIDUALES FLUJO EN COLECTORES DEL EDIFICIO CONDICIONES DE PRESIN NEUMTICA EN BAJANTES Y COLECTORES DE AGUAS RESIDUALES 5.3.7 FLUJO EN DRENAJES DE MUEBLES SANITARIOS 5.3.8 REDUCCIN DE GASTOS PICO EN BAJANTES Y COLECTORES DEL EDIFICIO

5.4

DIMENSIONAMIENTO DE LAS TUBERAS RECOLECCIN DE AGUAS RESIDUALES

DEL

SISTEMA

DE

5.4.1 TUBERAS HORIZONTALES Y COLECTORES DE EDIFICIOS 5.4.2 TUBERAS VERTICALES O BAJANTES DE AGUAS RESIDUALES

5.5 5.6 5.7

SISTEMAS DE VENTILACIN TIPOS Y COMPONENTES DEL SISTEMA DE VENTILACIN FLUJO DEL AIRE EN TUBERAS DE VENTILACIN

5.7.1 PROPIEDADES FSICAS DEL AIRE 5.7.2 CARGA ESTTICA EQUIVALENTE DE AGUA, AIRE Y ESPUMAS 5.7.3 CONDICIONES DE FLUJO 5.7.4 EFECTOS NEUMTICOS EN EL DISEO DE SISTEMAS DE VENTILACIN 5.7.5 GASTO A TRAVS DE TUBERAS 5.7.6 GASTO DE AIRE Y ESPUMAS 5.7.7 PRDIDAS DE PRESIN DEBIDAS A LA FRICCIN EN TUBERAS 5.7.8 LONGITUD PERMISIBLE DE LAS TUBERAS DE VENTILACIN 5.7.9 FLUJO DE AIRE EN BAJANTES DE VENTILACIN Y EN VENTILACIN INDIVIDUAL

5.7.10 APLICACIN DE LOS PRINCIPIOS DE MECNICA DE FLUIDOS EN EL DISEO DE TUBERAS DE VENTILACIN

5.8 DIMENSIONAMIENTO VENTILACIN 5.9

DE

LAS

TUBERAS

DEL

SISTEMA

DE

EJEMPLOS DE DIMENSIONAMIENTO DE SISTEMAS DE RECOLECCIN DE AGUAS RESIDUALES Y DE VENTILACIN

CAPTULO 6. SISTEMAS DE RECOLECCIN DE AGUAS PLUVIALES

6.1 6.2 6.3 6.4

OBJETIVOS BSICOS DE UN SISTEMA DE DRENAJE PLUVIAL COMPONENTES DE UN SISTEMA DE DRENAJE PLUVIAL TIPOS DE DRENAJE PLUVIAL PROCEDIMIENTO PARA EL DISEO DE SISTEMAS DE DRENAJE PLUVIAL CONVENCIONAL SISTEMAS DE DRENAJE PLUVIAL DE FLUJO CONTROLADO ESCURRIMIENTO SUPERFICIAL DETERMINACIN DEL ESCURRIMIENTO SUPERFICIAL PROBABILIDAD DE EXCEDENCIA CURVAS DE INTENSIDAD (ALTURA) DE PRECIPITACIN-DURACINPERODO DE RETORNO 6.9.1 MTODO DE CORRELACIN LINEAL MLTIPLE

6.5 6.6 6.7 6.8 6.9

6.10 PROCEDIMIENTO SUPERFICIAL

PARA

EL

CLCULO

DEL

ESCURRIMIENTO

CAPTULO 7. RESIDUALES

ACONDICIONAMIENTO

Y

DISPOSICIN

DE

AGUAS

7.1

PRINCIPIOS TERICOS DEL TANQUE SPTICO

PROCESOS FSICOS, QUMICOS Y BIOLGICOS DEL TANQUE 7.2 SPTICO 7.3 7.4 PARMETROS DE DISEO DE TANQUES SPTICOS TABLAS PARA EL DISEO DE TANQUES SPTICOS

SECCIN 4. APNDICES

APENDICE A. ELEMENTOS BSICOS DE HIDRULICA A1 DEFINICIN Y PROPIEDADES DE LOS FLUDOS A. 1. 1. A. 1. 2. A. 1. 3. A. 1. 4. DENSIDAD ( ) PESO ESPECFICO ( ) DENSIDAD RELATIVA ( ) VISCOSIDAD

A2

CINEMTICA DE LOS LQUIDOS A. 2. 1. A. 2. 2. A. 2. 3. CAMPO DE LA VELOCIDAD CAMPO DE LA ACELERACIN CAMPO ROTACIONAL

A3

CLASIFICACIN DE FLUJOS

FLUJOS PERMANENTE Y NO-PERMANENTE A. 3. 1. A. 3. 2. FLUJOS UNIFORME Y NO-UNIFORME A. 3. 3. FLUJOS UNIDIMENSIONAL, BIDIMENSIONAL TRIDIMENSIONAL

Y

A. 3. 4. A. 3. 5. A. 3. 6.

FLUJOS COMPRESIBLE E INCOMPRESIBLE FLUJOS LAMINAR Y TURBULENTO FLUJOS ROTACIONAL E IRROTACIONAL

A4

ECUACIONES FUNDAMENTALES DE LA HIDRULICA A. 4. 1. A. 4. 2. ECUACIN DE CONTINUIDAD ECUACIN DE LA ENERGA

A5 A6

POTENCIA PRDIDAS DE CARGA EN TUBERAS A. 6. 1. A. 6. 2. PRDIDAS DE CARGA POR CORTANTE O FRICCIN PARA FLUJOS DE AGUA EN TUBERAS PRDIDAS DE CARGA EN VLVULAS Y ACCESORIOS

A7

EQUIPOS DE BOMBEO A. 7. 1. CARACTERSTICAS DE LAS BOMBAS

APNDICE B. ELEMENTOS BSICOS DE PROBABILIDAD

B1 B2 B3 B4 B5

PROBABILIDAD ESPACIO DE EVENTOS PROBABILIDAD DE UN EVENTO TEOREMA DE BAYES MODELOS PROBABILSTICOS B. 5. 1. B. 5. 2. FUNCIN DE PROBABILIDADES BINOMIAL FUNCIN DE PROBABILIDADES POISSON

Generalidades sobre el uso del agua 1

SECCIN 1. DEL AGUA

GENERALIDADES SOBRE EL USO

CAPTULO 1. GENERALIDADES SOBRE EL USO DEL AGUA1.1 EVOLUCIN DE LAS INSTALACIONES DE SUMINISTRO DE AGUA Y DE ELIMINACIN DE AGUAS RESIDUALES

Para establecer un marco de referencia en relacin con la evolucin de las instalaciones hidrulicas y sanitarias, utilizaremos las cuatro edades en las que la historia divide la evolucin de la humanidad: edad antigua, edad media, edad moderna y edad contempornea. La edad antigua abarca desde la aparicin de la escritura, hace ms o menos 6,000 aos (4,000 aos A.C.) hasta la cada 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 ao 1453. La edad moderna termina con la revolucin industrial y la revolucin francesa, esto es del siglo XVI al siglo XVIII; y la edad contempornea, que abarca los siglos XIX y XX. En la edad antigua, podemos mencionar dos culturas que destacaron por sus avances en las instalaciones hidrulicas y sanitarias: la cultura romana y la civilizacin minoica. Hace ms de 1 800 aos, los romanos tenan ms de 430 km de sistemas de conduccin de agua que abastecan a toda la ciudad; despus de que llegaba el agua a la ciudad por el acueducto, se necesitaba un sistema de almacenamiento y distribucin. Para almacenarla, Roma tena ms de 240 depsitos y fuentes; el agua se distribua a los usuarios mediante las fuentes, en donde se venda el agua que sala por un vertedor conectado con un tubo de plomo. El pblico compraba el agua y la llevaba a su casa. Los tubos de plomo que conducan el agua dieron su nombre al arte de la plomera. El nombre en latn 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 nica cultura antigua que tuvo sistemas de acueductos, aunque era el ms grande y mejor organizado.

Generalidades sobre el uso del agua 2

Hace alrededor de 4000 aos, el Rey Minos gobernaba la civilizacin minoica, desde su palacio en Knossos, Creta. Descubrimientos recientes indican que su palacio tena un sistema de eliminacin de desechos y aguas negras muy similar a los que tenemos en la actualidad. El agua en circulacin arrastraba los desechos; las instalaciones tenan trampas para evitar la entrada de gases del alcantarillado al edificio y haba respiraderos para que no se produjeran grandes fluctuaciones en las presiones y acumulacin de gases en el alcantarillado. Desde la antigedad los desechos se han eliminado ya sea mediante una fosa o arrojndolos a un ro, lago u ocano. Todos estos sistemas son antihiginicos 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 caractersticas principales, fue la presencia de epidemias y pestes, no tenindose ningn avance en esta etapa. En la edad moderna, a partir de 1870 se puede decir que comenz el desarrollo del moderno inodoro, cuando los inventores y los tcnicos comenzaron a tener en cuenta las necesidades sanitarias pblicas. 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 tena una taza en la que se mantenan unos 3 cm de agua; el primer inodoro con sistema de sifn, reemplaz al de Twyford. El principio fundamental del sifn es el siguiente: consiste en una tubera hermtica que permite al agua moverse desde una posicin alta a otra inferior, por encima de un obstculo 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 sifn a travs del brazo corto para que caiga por el largo debido a la fuerza de gravedad. Cuando cae, crea una zona de baja presin en el brazo largo, la cual entonces hace subir ms agua por el brazo corto a causa de la presin atmosfrica y, una vez comenzada, la accin del sifn contina hasta que entra aire en el brazo corto y se igualan las presiones. A continuacin, 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 sifn.

Generalidades sobre el uso del agua 3

Figura 1.1 Modelos del WC moderno

Durante la edad contempornea, se tuvo un mayor inters 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; tambin fue punto de atencin la construccin de muebles sanitarios que permitieran la eliminacin de los residuos slidos de los domicilios. Actualmente el suministro de agua con la calidad adecuada, as como la eliminacin de las aguas servidas, es labor del ingeniero al momento de proyectar edificios. Esto es, debe preverse el suministro de agua en las cantidades, presin y calidad adecuada con posibilidades de adaptacin a cambios eventuales y ampliaciones. Asimismo, la recoleccin de las aguas residuales debe ser considerada como una regulacin del proceso de descomposicin, de tal manera que se eviten molestias a los sentidos y riesgos a la salud comunitaria. 1.2 INSTALACIONES EN EDIFICIOS

Dependiendo de la funcin de los edificios (hospitales, fbricas, laboratorios, condominios, etc.), stos podrn tener diversos tipos de instalaciones adems de las que son tratadas en este trabajo.

Generalidades sobre el uso del agua 4

A continuacin presentamos una lista de instalaciones que pueden ser requeridas segn el tipo de edificio: A)INSTALACIONES HIDRAULICAS Y SANITARIAS 1.- Agua fra 2.- Agua caliente 3.- Retorno agua caliente 4.- Contra-incendio 5.- Albercas 6.- Riego por aspersin 7.- Desalojo de aguas residuales 8.- Desalojo de aguas pluviales 9.- Ventilacin de bajantes 10.- Otras B)ESPECIALES 1.- Vapor: alta y baja presin 2.- Retorno de condensados 3.- Gas combustible: L.P. y natural 4.- Aire comprimido 5.- Vaco para aseo: barredoras 6.- Vaco para laboratorio y hospitales 7.- Oxgeno 8.- Oxido nitroso 9.- Correo por aire comprimido 10.- Elevadores 11.- Escaleras mecnicas 12.- Ductos para incineracin de basuras 13.- Diversos fluidos en laboratorios y fbricas 14.- Sonido 15.- Telefnicas 16.- Intercomunicacin 17.- Proteccin con pararrayos 18.- Televisin: antena maestra 19.- Sistemas cerrados de televisin 20.- Alarma contra-incendios 21.- Alarma contra-robos 22.- Puertas automticas 23.- Otras C)AIRE ACONDICIONADO 1.- Clima artificial 2.- Calefaccin por vapor

Generalidades sobre el uso del agua 5

3.- Calefaccin por agua caliente 4.- Calefaccin por aire 5.- Otras D)ELECTRICAS 1.- Alumbrado 2.- Fuerza elctrica 3.- Computadoras 4.- Calefaccin elctrica 5.- Purificacin de aire por filtros electrnicos 6.- Otras E) EQUIPOS 1.- Sistema de bombeo simple 2.- Sistemas hidroneumtico 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 oxgeno: manifolds 9.- Tratamiento de aguas: purificacin, suavizador 10.- Compresoras de aire 11.- Sub-estaciones elctricas 12.- Plantas generadores de electricidad 13.- Equipos de albercas 14.- Otras En el diseo de las instalaciones de edificios, es importante prever los lugares y las dimensiones de los ductos o canalizaciones verticales y horizontales, as 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, as como las pruebas a las que se sometern las mismas. Comnmente, al observar una construccin lo primero en que fijamos nuestra atencin, se relaciona con los aspectos estructurales y arquitectnicos de la obra; pocas veces consideramos que las instalaciones son elementos indispensables para el adecuado funcionamiento de los edificios y les prestamos poca atencin. Esto se debe, tambin, a la falta de experiencia en la direccin y supervisin de estos tipos de instalaciones, por lo que se deja en manos de los contratistas que realizan estos trabajos.

Generalidades sobre el uso del agua 6

En lo referente a las instalaciones hidrulicas y sanitarias, se puede observar que los contratistas no abundan, debido probablemente, a cuatro factores: 1 . Generalmente las instalaciones hidrulicas y sanitarias son los contratos ms pequeos en la construccin de una obra. 2. Existen pocas posibilidades de innovacin debido a que, en la mayor parte de los casos, nicamente se ensamblan piezas ya elaboradas. 3. Muy pocos contratos consideran grandes suministros de material, lo que significa menos mrgenes 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 relacin 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 hidrulicas y sanitarias. 1.3 USO EFICIENTE DEL AGUA

Aproximadamente el 70% de nuestro planeta est 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 distribucin del agua, en la hidrsfera, es como se muestra en la tabla 1.2. La distribucin espacial del agua, a nivel mundial, es desigual y lo es ms si se le relaciona con la poblacin. As la disponibilidad anual de agua por habitante en miles de metros cbicos, es de 109 para Canad, 15 para la Unin Sovitica, 10 para los Estados Unidos, 4 para Mxico y 0.16 para Arabia Saudita y Jordania. Tabla 1.1. Porcentaje del costo medio de instalaciones y de instalaciones hidrulicas y sanitarias, en relacin con el costo total de obra1% MEDIO DEL COSTO DE INSTALACIONES % MEDIO DEL COSTO DE INSTALACIONES HIDRULICAS Y SANITARIAS 8.7 4.8 6.5

TIPO DE EDIFICIO

Apartamentos Iglesias Escuelas (salones de clases y edificios administrativos)

35

1

Hettema, Robert M., "Mechanical and elcetrical building construction Prentice Hall, Inc., 1984.

Generalidades sobre el uso del agua 7

Fbricas Hospitales Escuelas (con internados) Supermercados Bodegas, almacenes Oficinas PROMEDIO 33 40

6.1 9.1 7.6 6.0 4.6 5.3 6.52

Mxico dispone de una cuantificacin, realizada por la Secretara de Agricultura y Recursos Hidrulicos2 de los elementos que integran el ciclo hidrolgico. Cada ao llueven en promedio 780 mm, equivalentes a 1530 Km3 y en los ros escurre la cuarta parte, 41 0 Km3. Este volumen representa la disponibilidad media anual de agua renovable en el territorio nacional. La distribucin de la lluvia en Mxico est relacionada con la orografa y con las caractersticas propias de las latitudes y actitudes en que se encuentran localizadas las diferentes zonas en el territorio. Por eso la distribucin de la lluvia es irregular, tanto en el tiempo como en el espacio. A excepcin de la porcin noroeste de la vertiente del Pacfico, donde la temporada lluviosa se presenta en invierno, las lluvias en el territorio mexicano se concentran en el mes de septiembre. Tabla 1.2 Distribucin del agua en la hidrsfera3UBICACIN DEL AGUA Ocanos REA (Km2x103) 362,000 VOLUMEN (Km3x103) 1350,000 ALTURA EQUIVALENTE (m) 2,700 % DEL AGUA TOTAL 97.6 % DEL AGUA DULCE TIEMPO DE RESIDENCIA MEDIO 3,000 aos

Tierras emergidas *Ros (Volumen instantneo) ----1.7 0.003 0.0001 0.02 15 a 20 das

2

Secretara de Agricultura y Recursos Hidrulicos, Subsecretara de Infraestructura Hidrulica, "Agua y sociedad: una historia de las obras hidrulicas en Mxico", SARH, 1988, pp. 8-14. 3 Tabla modificada de E. Custodio, M.R. Llamas,"Hidrologa Subterrnea", Tomo 1, Segunda Edicin, Editorial Omega, 1983, Tabla 5. 1. Distribucin del agua en la Hidrsfera, p. 269.

Generalidades sobre el uso del agua 8

*Lagos de agua dulce Lagos de agua salada *Humedad del suelo en la zona no saturada Casquete de hielo y glaciares *Agua subterrnea Total de las tierras emergidas *Atmsfera (vapor de agua) TOTAL

825

125

0.25

0.009

1.73

10 aos

700

105

0.20

0.008

150 aos

131,000

150

0.30

0.01

1.92

Semanas a aos

17,000

26,000

50

1.9

Miles de aos

131,000

7,000

14

0.5

96.14

Decenas a miles de aos

148,000

33,900

65

2.4

-----

510,000

13

0.025

0.001

0.19

8 a 10 das

510,000

1384,000

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 contaminacin.

De acuerdo con la distribucin espacial de las lluvias y la temperatura, un 31% de la superficie nacional es desrtico y rido; un 36% semirido y el restante 33% subhmedo y hmedo. Como ya se mencion un 27% del volumen de lluvia precipitada al ao escurre en la superficie (41 0,000 millones de m3). La distribucin espacial del agua en los ros es similar a las de las lluvias: las mayores corrientes del pas se concentran en la regin del sureste. La precipitacin, el agua superficial y una pequea parte del agua subterrnea se renueva anualmente. La mayor parte de esta ltima est constituida por almacenamientos no renovables y slo 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 ros y hacer disponible los recursos en pocas de escasez. La evaporacin media anual de la superficie libre del agua en los almacenamientos es de 11 km3. La preocupacin por utilizar mejor el agua no es nueva, de hecho, la inadecuada distribucin de la misma ha dado origen diversos programas para hacer ms eficiente su uso en los diversos mbitos: domiciliario, industrial, municipal, agrcola y de cuenca.

Generalidades sobre el uso del agua 9

Generalmente estos programas fueron de tipo emergente, pero la contaminacin y la permanente escasez del agua, los ha convertido en programas de mediano y largo plazos. As, debido a las sequas mundiales del ao de 1970, surgen los primeros programas de ahorro de agua; estos programas buscan la reduccin del consumo de agua a cualquier precio, incluyendo el confort de los usuarios. Esto se explica, debido a que no fueron planeados con anticipacin 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 reduccin del tiempo de bombeo, la programacin del suministro del agua por sectores, etc. Debido al malestar social que estos programas causaban, y puesto que ya se tenan mejores oportunidades de planeacin de las diversas acciones, surgen los llamados programas de conservacin de agua, mismos que prestaban atencin a algn aspecto especfico del recurso. agua, como podra ser su reuso, el evitar la sobreexplotacin de las captaciones, fueran superficiales o subterrneas, etc., pero no tenan un enfoque global del problema y su horizonte de planeacin era a mediano plazo. Finalmente, se plantearon sistemas que consideraran todos los mbitos de consumo del agua, as como horizontes de planeacin 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 efecta, sino permite tambin mejorar para otros usuarios. As, por ejemplo, el ahorro del lquido en zonas habitacionales implica una menor explotacin de ros y acuferos, una mejor calidad del agua, una menor necesidad de obras nuevas; adems al reducirse los consumos, hay menos agua residual, menos necesidad de obras de drenaje, ms facilidad de tratamiento y menos riesgo de contaminacin de los cuerpos receptores. La tabla 1.3. muestra, de manera resumida, las diversas tcnicas de uso eficiente del agua que deben ser consideradas para cada uno de los mbitos de consumo de la misma. Tabla 1.3 Tcnicas de uso eficiente del agua4MBITO DOMICILIARIO INTERIORES TCNICAS EJEMPLOS WC de bajo consumo Regaderas Lavadoras

4

Arregun Corts, Felipe A.,"Uso eficiente del agua", Ingeniera Hidrulica en Mxico, Vol VI Nmero 2, 11 Epoca, Mayo-Agosto 199 1, p. 13.

Generalidades sobre el uso del agua 10

INDUSTRIAL

MUNICIPAL

AGRCOLA

CUENCA

Deteccin de fugas Riego eficiente de jardines EXTERIORES Manejo de albercas Uso de plantas de la regin Sistemas de enfriamiento RECIRCULACIN Sistemas de lavado Proceso de transporte de materiales Purificacin de aire REUSO Transporte de materiales Proceso de lavado Optimizacin de procesos REDUCCIN DEL CONSUMO Descargas intermitentes Riego eficiente EDUCACIN Programas escolares DETECCIN Y REPARACIN DE Distritos pitomtricos FUGAS Auditoras de agua MEDICIN Programas de macro y micromedicin TARIFAS Escalonadas REGLAMENTACIN A nivel ciudad, domicilio o actividad Subsoleo Uso de rastrojo DEL CAMPO Nivelacin de tierras Compactacin de surcos Programacin de riegos ADMINISTRATIVAS Riego ilimitado Monitoreo de la humedad del suelo Reemplazo de regaderas por tuberas DE SISTEMAS Reduccin del rea regada Riego por goteo PROGRAMACIN LINEAL Problemas de transporte PROGRAMACIN NO LINEAL Multiplicadores de Lagrange PROGRAMACIN DINMICA Teoras de redes DESCOMPOSICIN Y NIVELES DE Subfunciones de Lagrange OPTIMIZACIN

Los mbitos que deben considerarse en los programas de uso eficiente del agua son: 1.2.3.4.5.Domiciliario. Industrial. Municipal. Agrcola. Cuenca.

A continuacin, comentaremos algunas de las tcnicas que se utilizan para los distintos mbitos de consumo del agua.

1.3.1 MBITO DOMICILIARIO

Generalidades sobre el uso del agua 11

Este rubro se refiere al consumo de agua que realizamos en la vivienda, tanto en los usos interiores como exteriores. Del anlisis de consumos, se puede observar que se distribuyen de la siguiente manera: WC (inodoro) Regaderas Lavadoras de ropa Fregaderos y trasteros Total 35% 30% 20% 15% 100%

As, con base en los datos recolectados, las acciones fueron enfocadas hacia la utilizacin de muebles sanitarios de bajo consumo. En relacin con el WC, se disearon 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 consuma de 80 a 100 litros/da con el WC tradicional, con el WC de bajo consumo, esta cantidad se reduca a 36 litros/da. Puesto que ste era un problema crtico, fundamentalmente para las ciudades con gran cantidad de habitantes, el Departamento del Distrito Federal, incluy en su reglamento de construcciones la obligatoriedad de] uso de muebles de bajo consumo en las nuevas edificaciones; esto est vigente a partir del 3 de julio de 1 987. Otros accesorios que fueron reglamentados incluyen: las regaderas, permitindose la utilizacin de equipos que tuvieran descargas menores de 10 litros por minuto. Se recomienda tambin el uso de aereadores en fregaderos y lavabos, logrndose ahorros cercanos al 6% en el consumo de los accesorios de este tipo. En relacin al uso de lavadoras, se recomienda la utilizacin de las que tienen sistema de carga frontal (tina horizontal), puesto que stas permiten ahorros de agua del 50% en relacin con el uso de lavadoras de tina vertical. Se recomienda la verificacin peridica de las instalaciones con objeto de detectar fugas intradomiciliarias; estas fugas generalmente, se ubicaban en los inodoros. En relacin a los usos exteriores del agua en la vivienda, se recomienda para el riego de jardines, realizar esta actividad en horas de menor insolacin, con objeto de reducir la evaporacin; el riego deber realizarse en las primeras horas de la maana o en las primeras de la noche. Asimismo, se sugiere el uso de plantas de

Generalidades sobre el uso del agua 12

la regin, puesto que son las que mejor se adaptan al clima que prevalece en la zona. En las casas habitacin que cuentan con albercas, se recomienda la instalacin y uso de filtros, con objeto de mantener en buen estado el agua de las mismas, el mayor tiempo posible. Asimismo, el lavado de automviles deber realizarse utilizando cubetas con el objeto de ahorrar agua. 1.3.2 MBITO INDUSTRIAL En el mbito industrial, el agua se consume en tres grandes actividades, que son: Transferencia de calor: el agua es utilizada en procesos de calentamiento o enfriamiento. Esto es, se utiliza en la generacin de vapor por medio de calderas o, para el enfriamiento de vapor, por medio de torres de enfriamiento. Generacin de energa: gran parte de la energa generada se obtiene de plantas termoelctricas, que utilizan el agua para generar vapor que es utilizado para mover la turbinas. Aplicacin a procesos: el agua es utilizada como medio de transporte o como materia prima; sera el caso de la industria del papel, o de las industrias refresqueras. Las acciones que se recomiendan en el mbito industrial, para lograr hacer ms eficiente el uso del agua, son tres: recirculacin, reuso y reduccin del consumo. En relacin a la recirculacin, el proceso consiste en utilizar el agua en el mismo proceso donde inicialmente se us; sta puede requerir de algn tratamiento, puesto que por lo general sus caractersticas fsicas y qumicas, varan despus de ser utilizada la primera vez. Esquemas de este proceso se muestran en la figura 1.2.

Figura 1.2 Esquemas de sistemas de recirculacin

Generalidades sobre el uso del agua 13

a)sin recirculacin b)con recirculacin

El reso, considera que el efluente de agua de algn proceso, puede ser utilizado en algn otro proceso, siempre y cuando cumpla con la calidad requerida. Segn el caso, el efluente de agua, puede recibir o no tratamiento, con el fin de adecuar sus caractersticas fsicas y qumicas. Vase la figura 1.3.

Figura 1.3. Esquema de un sistema de reso

El ltimo mtodo consiste en la reduccin en los consumos de agua en los procesos que se realizan. En este mtodo se hace necesario calcular el volumen de agua requerido para determinado proceso, compararlo con el consumo real y tomar acciones que conduzcan a la disminucin del consumo. En cualquiera de las acciones anteriores se hace necesario el implementar dos acciones bsicas: la medicin de los consumos y el monitoreo de la calidad del agua.

1.3.3 MBITO 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 captacin, la contaminacin generada, as como los altos costos de captacin, conduccin, distribucin, tratamiento y disposicin de las aguas. Otros problemas adicionales en la utilizacin del agua, son la gran cantidad de fugas existentes, la falta de reso, las tarifas irreales y sistemas de facturacin y cobranza deficientes. La distribucin del consumo del agua en las ciudades es de la siguiente forma: Casa-habitacin Industria Comercio Sector de servicios Total 71% 12% 15% 2% 100%

Generalidades sobre el uso del agua 14

Las tcnicas de uso eficiente del agua utilizadas en el mbito municipal son: 1. Comunicacin y educacin 2. Deteccin y reparacin de fugas 3. Medicin 4. Sistemas tarifarios 5. Reglamentacin En lo referente a la comunicacin y educacin, son programas a largo plazo y, buscan crear conciencia en la ciudadana en los aspectos relacionados con el consumo del agua. Las acciones son realizadas a travs de medios masivos de comunicacin, como son la televisin, la radio, la prensa, etc., y buscan ensearle a la poblacin el valor del agua; otras acciones, incluyen la enseanza del ciclo hidrolgico, as como de diversos aspectos relacionados con el agua, a estudiantes, en los cursos de la educacin primaria y secundaria. Indudablemente, todos los programas de este tipo requieren la colaboracin ciudadana; se tienen indicadores que sealan 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 deteccin y reparacin de fugas se hace muy importante. Se pueden utilizar diversos mtodos para la deteccin de fugas: trazadores, auditoras de agua, distritos pitomtricos, etc; en cualquiera de los mtodos mencionados se hace necesaria la medicin. La medicin es una de las primeras acciones que se deben implementar para la aplicacin de programas de uso eficiente del agua; la instalacin de medidores induce, de manera natural, una reduccin en los consumos de agua. Se recomienda realizar una inspeccin anual a tomas de agua mayores a las 2", y un muestreo aleatorio para tomas de dimetros menores. Otra de las acciones a realizar es el establecimiento de sistemas tarifarios. stos son buenos si las tarifas que se aplican son reales, si estn relacionadas con los consumos y si se aplican incrementos diferenciales grandes. Es aconsejable, en los cambios de tarifas, informar adecuadamente a la ciudadana de las razones de stos, de los costos de la captacin, conduccin, potabilizacin, distribucin, etc. La reglamentacin tambin es otro aspecto que debe ser cuidado entre las acciones que se realizan; stas son de tipo restrictivo y deben ser aplicados con rigor, si se busca que sta tenga efectos adecuados.

Generalidades sobre el uso del agua 15

En la tabla 1.4., se presentan las ventajas, desventajas y las reducciones esperadas de consumo, al aplicar las tcnicas mencionadas anteriormente en el mbito municipal.

Tabla 1.4. Ventajas, desventajas y reducciones de consumo esperadas al aplicar tcnicas de uso eficiente del agua en el mbito municipalTCNICAS VENTAJAS DESVENTAJAS REDUCCIN DEL CONSUMO (%) reas sin

Medicin

Fcil implementacin, Altos costos de 25% en gran potencial de ahorro instalacin y verificacin medicin

Reparacin de fugas

Los costos de Reduccin del agua no reparacin pueden 9% aproximadamente contabilizada superar los del agua ahorrada Pueden inducir al ahorro Malestar social, objecin de usuarios, estructuras 10% aproximadamente bien diseadas para ser efectivas

Sistemas tarifarios

Reglamentacin

Gran potencial ahorro, reduccin aguas residuales

de Resistencia de Ms de 10% del uso de constructores y usuarios residencial

Educacin y comunicacin

Cambio de malos hbitos, resultados a Esfuerzo bien planeado 5% aproximadamente largo plazo, y coordinado participacin voluntaria

1.3.4 AMBITO AGRCOLA Un alto porcentaje del agua en el pas se utiliza en el campo, por lo cual es de inters el conocer las diversas tcnicas utilizadas en el mismo, con objeto de hacer ms eficiente su consumo. En general, las tcnicas son de tres tipos: mtodos de campo, estrategias administrativas y modificacin y adaptacin de nuevos sistemas de riego. Los mtodos de campo estn orientados hacia la retencin y mejor distribucin del agua en el campo; ejemplos de estos mtodos son la nivelacin de terrenos, la utilizacin de represas en surcos, la reduccin de evaporacin, etc. Las estrategias administrativas incluyen la medicin del agua precipitada y el agua consumida, la programacin de riegos segn las necesidades de humedad del suelo, el monitoreo constante de la humedad del suelo, etc.

Generalidades sobre el uso del agua 16

La modificacin y adopcin de nuevos sistemas de riego, se realizar en funcin del tipo de zona de riego, de la aceptacin de los usuarios, etc; se requiere la participacin de los stos primordialmente.

1.3.5 MBITO CUENCA Es el ms general de los anlisis, puesto que la cuenca hidrolgica es la unidad natural para planear el uso eficiente del agua y evaluar sus resultados; incluye todos los mbitos que hemos venido mencionando: domiciliario, industrial, municipal y agrcola. Sin duda, es el ms complejo por la multiplicidad de objetivos, as como por las opciones de solucin. El diagrama general del proceso de planeacin de los aprovechamientos hidrulicos a nivel cuenca, se muestra en la figura 1.4. La primera accin dentro de este diagrama implica el establecimiento de los valores y metas sociales, por lo que debern revisarse documentos tales como el Plan Nacional de Desarrollo, las polticas aplicables a la cuenca, etc. Posteriormente, se establecern 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 caractersticas del medio ambiente, as como la tecnologa 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 cuantificacin y planteamiento de alternativas de los mismos, para llegar a un modelo. Este modelo podr ser lineal, no-lineal, determinstico, probabilstico, etc., dependiendo de la complejidad del problema.

Generalidades sobre el uso del agua 17

Figura 1.4. Diagrama general del proceso de planeacin de los aprovechamientos hidrulicos

Se realizar una evaluacin del mismo, para iniciar la implantacin de las decisiones tomadas. Ser necesario, realizar evaluaciones de la aplicacin del modelo con base en las consecuencias directas e indirectas, para retroalimentar el modelo y consecuentemente, mejorarlo. A manera de conclusin, debemos decir que no se tiene una conciencia clara de la problemtica del recurso agua, por lo que deben hacerse esfuerzos en darla a conocer a la ciudadana. Asimismo, es importante apoyar los programas de uso eficiente del agua, especialmente el ms general de todos, a nivel cuenca, puesto que permite un panorama ms general del uso del agua.

1.4

ABASTECIMIENTO Y REQUERIMIENTOS DE AGUA

Las aguas suministradas deben cumplir ciertos requisitos de calidad y cantidad, segn el uso a que stas se destinen. De manera muy general, podemos establecer tres tipos de agua, que se muestran en la tabla 1.5. Los abastecimientos pueden ser de dos tipos:

Generalidades sobre el uso del agua 18

Abastecimiento privado: generalmente se presentan en lugares apartados de las ciudades y deben contar con sistemas de purificacin de las aguas captadas. El tratamiento de las aguas depender del uso a que se destina. Tabla 1.5. Usos del aguaTIPO DE AGUA USOS Cocina y bebida Baos Lavado de ropa Riego Alimentacin de animales Calefaccin Refrigeracin Albercas Depsitos para incendios Tuberas de incendios y riego CALIDAD Potable Potable Blanda No contaminada No contaminada Blanda Blanda Potable (recomendable) Sin especificacin Sin especificacin

Agua de consumo

Agua de circulacin

Agua en reposo

Abastecimiento pblico: este tipo de abastecimiento corresponde al utilizado en las ciudades y deben contar con sistemas de potabilizacin de las aguas captadas. Los contaminantes ms comunes, que se presentan en las captaciones de agua, sean pblicas o privadas, son: Slidos suspendidos: materiales que son insolubles en el agua. El trmino slidos suspendidos incluye tanto material orgnico como material inorgnico, as como lquidos inmiscibles. Slidos disueltos: materiales slidos que estn ntimamente ligados a un sistema lquido; tienen un dimetro medio menor a 0.000001 mm; comnmente se conocen con solutos. Los slidos disueltos se dividen en sales disueltas y material orgnico disuelto. Sales disueltas: slidos que forman componentes inicos en una solucin. Pueden ser iones o cationes, dependiendo de la carga positiva o negativa que tengan. Se conocen como minerales. Material orgnico disuelto: materiales que no se disocian en iones y cationes. Microorganismos: viven en el agua y son capaces de reproducirse y propasarse a travs de los sistemas de agua. Estos incluyen bacterias, virus y algas. Gases disueltos: gases tales como oxgeno, dixido de carbono, etc.

Generalidades sobre el uso del agua 19

Ninguno de los contaminantes anteriores debe estar presente en los abastecimiento de agua. Algunos de los procesos de tratamiento utilizados para la remocin de contaminantes se muestran a continuacin, en la tabla 1.6. Tabla 1.6. Procesos de tratamiento de agua utilizados en la eliminacin de varios tipos de contaminantes5Residuos flotantes: aceites, grasas, slidos, etc. X X X X X X X X X X X de X X X X X X X X X X X Disueltos orgnicos: fenoles, pesticidas, bacterias, virus, etc.

Procesos tratamiento

de Contaminantes tpicos

Material suspendido: arena, coloides, etc.

Minerales disueltos: calcio, sodio, sulfatos, etc.

Rejillas Flotacin Aeracin/ Clarificacin Coagulacin Tratamiento biolgico Centrifugacin Filtracin Adsorcin carbn Intercambio inico Destilacin Electrodilisis smosis inversa Ultrafiltracin Desinfeccin

1.5

DOTACIONES Y CONSUMOS

Una vez definido el tipo de captacin que se utilizar, as como si requiere o no tratamiento, se definir la cantidad de agua que deber suministrarse al edificio en Tabla modificada de Harrs Cyril M., "Handbook of utilities and services for buildings: planning, design, and installation", McGraw Hill, 1990., p. 1. 5.5

Generalidades sobre el uso del agua 20

funcin de la zona en que est ubicado, el uso a que se destinar el mismo, el nmero de personas que lo utilizarn, el nmero de muebles sanitarios que tendr, las costumbres de la regin, etc. Esta cantidad de agua se conoce como dotacin. A continuacin, se presentan dos tablas de dotaciones: una, en funcin del tipo de edificio, as como de factores tales como el rea rentable, del nmero de espectadores, comensales, etc. (tabla 1.7.), y otra, de tipo general en funcin del tipo de edificio (tabla 1.8). Tabla 1.7. Dotaciones de agua en funcin del tipo de edificio y servicio6TIPO DE EDIFICIO Y SERVICIO Habitacin de tipo popular Habitacin de inters social Residencias y departamentos Oficinas Hoteles Cines Fbricas (no incluye consumo industrial) Escuelas Clubes (deben sumarse los restaurante, auditorio, riego, etc.) Restaurante Lavandera Hospitales Riego de jardines Riego de patios de servicio dems servicios: DOTACIN 150 1/persona/da 200 1/persona/da 250-500 1/persona/da 70 1/empleado/da o 10 1m2 rea rentable 500 1/huesped/da 2 1/espectador/funcin 70 1/obrero/turno 100 1/alumno/da 500 1/baista/da 16-30 1/comensal 40 1/kg ropa seca 500-1000 1/cama/da 1 1/m2 superficie de csped 2 1/m2

Tabla 1.8. Consumo de agua por persona y por da en litros7

Tabla modificada de Zepeda C. Sergio, "Manual de Instalaciones hidrulicas, 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.

6

Generalidades sobre el uso del agua 21

TIPO DE EDIFICIO Hoteles y casas de departamentos Oficinas Vivienda unifamiliar Riego de jardines (aspersores) Riego de jardines (tubera de )

CONSUMO EN LITROS POR PERSONA Y POR DA 200-450 60-120 120-300 450 1100

Tambin se hace importante, establecer el nmero mnimo de muebles sanitarios con los que debe contar un edificio en funcin del tipo de servicio que presta. A continuacin, en la tabla 1.9. se dan recomendaciones en ese sentido. Tabla 1.9. Nmero mnimo de muebles sanitarios en funcin del uso del edificio8TIPO DE EDIFICIO MUEBLES SANITARIOS MNIMOS REQUERIDOS

HABITACIONES

1 inodoro 1 lavabo 1 tina regadera 1 fregadero 1 lavadero 1 inodoro por cada 100 nios o fraccin 1 inodoro por cada 35 nias 1 urinario por cada 30 nios 1 lavabo por cada 60 personas 1 bebedero por cada 75 personas 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

ESCUELAS: Primarias

ESCUELAS: Secundarias

1 persona por cada 10m2 1 inodoro para 1-15 personas 2 inodoros para 16-35 personas EDIFICIOS DE OFICINAS O 3 inodoros para 36-55 personas PBLICAS 4 inodoros para 56-80 personas 5 inodoros para 81-110 personas 6 inodoros para 111-150 personas 1 inodoro ms por cada 40 personas adicionales.

Tablamodificadaderequerimentosdemueblessanitariosenedificiostomada del Manas Vincent T., "National Plumbng Code Handbook: Standards and Design lnformation", McGraw Hill, Tabla 7.21.2., pp. 7-21 - 7-22.

8

Generalidades sobre el uso del agua 22

Urinario: se suprime un inodoro por cada urinario instalado sin que el nmero 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 ms o fraccin. 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. 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 fraccin. Urinario: se suprime un inodoro por cada urinario instalado sin que el nmero de inodoros sea menor que 2/3 de lo indicado anteriormente

ESTACIONAMIENTO FABRILES: Talleres fundiciones

1 lavabo por cada 100 personas 1 lavabo ms por cada 10 personas adicionales. Cuando hay peligro de contaminacin 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 comn, con llaves de agua por cada espacio, se considerarn equivalentes a un lavabo. 1 regadera por cada 15 personas, si en su trabajo estn expuestos a calor excesivo o a contaminacin de la piel con sustancias venenosas, infecciosas o irritantes. 1 bebedero por cada 75 personas 1 inodoro por cada 10 hombres. 1 inodoro por cada 8 mujeres. Si hay ms 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 ms 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 adems 1 tina por cada 30 mujeres. Para ms de 150 personas, agregar una regadera por cada 20 personas 1 bebedero por cada 75 personas.

DORMITORIOS

Generalidades sobre el uso del agua 23

CINES, AUDITORIOS

1 Inodoro para 1-100 personas 2 inodoros para 101-200 personas TEATROS, 3 inodoros para 201-400 personas Para ms de 400 personas se agregar un inodoro por cada 500 hombres y un inodoro por cada 300 mujeres ms. 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 ms. 1 lavabo para 1-200 personas 2 lavabos para 201-400 personas 3 lavabos para 401-750 personas

1 lavabo y urinario por cada 30 trabajadores. Si se usan urinarios corridos, se considerarn las siguientes equivalencias: SERVICIOS SANITARIOS 50 cm lineales -- 1 urinario PROVISIONALES PARA 90-120 cm -- 2 urinarios 1.50 m -- 3 urinarios TRABAJADORES 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 ceirse nicamente a los valores numricos especificados pueden resultar soluciones inadecuadas para el edificio de que se trate. As, por ejemplo, en escuelas de varios pisos deber haber sanitarios en cada piso de salones de clase.

En dependencias o municipios que tengan sus propios reglamentos o especificaciones relacionadas con el nmero mnimo de muebles sanitarios que deben utilizarse en los edificios, stos tendrn prioridad sobre las tablas mencionadas anteriormente y que son nicamente a manera de recomendacin. Antes de iniciar el clculo de los dimetros de las tuberas que suministrarn agua a todos los muebles sanitarios, y una vez que hemos definido la fuente de captacin, el nmero de personas que utilizarn los servicios y de muebles sanitarios que se instalarn, hablaremos de la regularizacin, misma que nos permitir contar con agua suficiente para abastecernos en los momentos en los que los equipos de bombeo no pueden hacerlo. Comnmente, para el caso de edificios, se cuenta con redes municipales de agua potable que proporcionarn el agua que alimentarn al edificio. Se pueden presentar dos situaciones: a)La red tiene la capacidad y presin suficiente para abastecer al edificio en forma continua. Es el caso de una red bien diseada y que, adems, suministra agua a edificios de poca altura.

Generalidades sobre el uso del agua 24

b)La red tiene fluctuaciones que permiten el abastecimiento en forma intermitente. Puede ser que la red no est diseada correctamente, o que el edificio al que se proporcionar agua es demasiado alto. Para el primer caso puede disearse la instalacin con tomas directa a los servicios, puesto que la red cuenta con capacidad suficiente, tanto en gasto como en energa. En el segundo caso hay que considerar la regularizacin del agua abastecida (tinacos, cisternas, etc.) y, si es necesario, la utilizacin de equipos elevadores de presin (tanques elevados, hidroneumticos, bombas booster, etc.). Dedicaremos, ms adelante, mayor cuidado al estudio de los equipos elevadores de presin. En nuestro medio, debido al rpido crecimiento de la poblacin 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 da a da y de estacin en estacin. Esto se corrige con estructuras de regularizacin. Estas variaciones en el consumo del agua, son debidas a varios factores tales como: - Condiciones cismticas. - Condiciones econmicas. - Caractersticas de la regin y de la comunidad. - Costumbres de la poblacin. Para poder garantizar el suministro de agua en las horas de demanda pico, debe contarse con algn almacenamiento de agua que nos permita hacer frente a estas variaciones. Es comn utilizar, para este propsito, tanques elevados y cisternas, como estructuras de regularizacin. Puesto que los tanques elevados, adems de utilizarse como estructuras de regularizacin, sirven para elevar la presin del agua, dejaremos el estudio de stos, cuando tratemos equipos de elevacin de presin. Analizaremos el papel que juegan las cisternas, as como el clculo de las proporciones ms econmicas.

1.6

CISTERNAS

Generalidades sobre el uso del agua 25

La utilizacin de cisternas para satisfacer demandas pico es una prctica comn 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 mnimo de 2/3 del consumo diario; a la capacidad anterior se agrega, en caso de requerirse, una reserva para el sistema de proteccin contra incendios. Es importante mencionar, que estos valores puede variar en funcin del conocimiento, que el proyectista, tenga de la zona en la que se disea, as como del reglamento de construcciones que se aplique. El Reglamento de Construcciones del Municipio de Mrida, establece en su artculo 235 del Captulo XXXII, que la capacidad de la cisterna deber ser igual al consumo diario de los ocupantes del edificio, ms un almacenamiento para proteccin contra incendios, que se establecer en funcin del uso del edificio; el Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal indica, en su artculo 150 del Captulo VI, que los edificios habitacionales, la edificaciones de cinco niveles o ms, debern contar con cisternas calculadas para almacenar dos veces la demanda mnima necesaria diaria de agua potable de la edificacin y equipadas con sistemas de bombeo. A fin de evitar desperdicios en la construccin de cisternas, determinaremos las proporciones que deben guardar las paredes de las mismas, a fin de lograr economa 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 relacin entre longitudes de paredes para un desarrollo mnimo de las mismas; consideraremos dos casos: compartimientos en una sola hilera y compartimientos en dos hileras. As, para el primer caso de cisternas con compartimientos en una hilera: con S: superficie de cisterna n: nmero de compartimientos a, b: paredes de cisterna

Del anlisis de la cisterna (vase la figura 1.5.), tenemos: M = 2na + (n + l)b

Generalidades sobre el uso del agua 26

a=

S nb

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:

M = 2n

S S + (n + 1)b = 2 + (n + 1)b b nb

Para obtener un desarrollo mnimo de paredes, derivamos e igualamos a cero:

dM S = 2 2 + (n + 1) = 0 db b

As:

2

S = n +1 b2

Pero, S=nab Del anlisis de la expresin, se ve que el mnimo se obtiene cuando la suma de las paredes longitudinales es igual a la suma de las paredes transversales

Generalidades sobre el uso del agua 27

2Considerando que

nab = n + 1 2na = b(n + 1) b2

a=

b(n + 1) 2n

y variando el nmero de compartimientos llegamos a las proporciones econmicas para una cisterna de una fila de compartimientos. Estas se muestran en la tabla 1.10. Tabla 1. 10. Proporciones econmicas para una cisterna con una fila de compartimientosNUMERO DE COMPARTIMENTOS 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 RELACIN ENTRE LONGITUDES DE PAREDES a:b 1:1 3:4 2:3 5:8 3:5 7:12 4:7 9:16 5:9 11:20

Verificaremos una relacin; tenemos que n =6

Si

a=

b(n + 1) 2na 12 b= b= a n +1 2n 7

Considerando: a=l, tenemos

Generalidades sobre el uso del agua 28

b=As, la relacin a:b, ser:

12 a 7

1:o sea 7:12

12 7

Para el caso de cisternas con dos hileras de compartimientos (vase la figura 1.6.): Sabemos que: S = nab

La suma de las paredes de la cisterna (M), ser:

M =Pero, partiendo de S = nab, tenemos

3 na + b(n + 2) 2

a=

S nb

Generalidades sobre el uso del agua 29

Figura 1.6. Cisterna con dos filas de compartimientos

Sustituyendo:

M =

3S 3n S + b(n + 2) = + b(n + 2) 2b 2 nb

Derivando e igualando a cero:

dM 3 S = + (n + 2) = 0 db 2 b2 (n + 2) =Pero: S = nab

3 S 2 b2

(n + 2) =0 sea:

3 nab 3 na = 2 b2 2 b

3 na = b(n + 2) 2Como en el caso anterior, cuando las longitudes de las paredes longitudinales y las paredes transversales son iguales, se obtiene el mnimo desarrollo de las mismas. Considerando:

Generalidades sobre el uso del agua 30

b= Obtenemos la tabla 1.11.

3na 2(n + 2)

Tabla 1.11. Proporciones econmicas para una cisterna con dos filas de compartimientosNUMERO DE COMPARTIMENTOS 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 RELACIN ENTRE LONGITUDES DE PAREDES a:b 4:3 1:1 8:9 5:6 4:5 7:9 16:21 3:4 20:27 11:15

A manera de ejemplo, verificaremos una relacin; para n=6 3na 3(6)a 18a b= = = 2(n + 2) 2(6 + 2) 16

Si, a=l, tenemos b=

18 6

As, la relacin a:b ser:

1: 8:9

18 16

As, por ejemplo, obtendremos la longitud mnima de paredes para una cisterna con una profundidad de un metro y un volumen total de 36 m3. La superficie de la cisterna ser de 36 m2. Consideraremos dos casos de compartimientos: para una hilera y para dos hileras. Dando n = 4, en ambos casos tendremos:

Generalidades sobre el uso del agua 31

Para una hilera (vase la figura 1.7.): Para n = 4, tenemos una relacin a:b= 5:8, o sea, b= y S= nab As: S = na Por tanto:

8 a 5

8 5

8 8 5S 5(36) S = na a = na 2 a = = = 2.37 5 5 8n 8(4)De lo anterior: b = 3.80 m Verificando la relacin: 2na = b(n+1) As: 2na = 2x4(2.37) = 18.96m b(n + 1) = 3.80(4 + 1)=19.00m

Figura 1.7. Cisterna con una fila de compartimientos

Generalidades sobre el uso del agua 32

Para una cisterna con dos hileras de compartimientos (vase la figura 1.8.): De la misma manera, con n = 4 y una relacin a:b, 1:1 o sea a=b Y S=nab Por tanto, S = na 2 a = Verificando la relacin: S 36 = =3 n 4

3 na = b(n + 2) 2 3 3 na = (4)(3) = 18 2 2

b(n+2)=3(4+2)=18

Figura 1.8. Cisterna con dos filas de compartimientos

Sistemas de distribucin de agua fra 1

SECCIN 2. SISTEMAS DE DISTRIBUCIN DE AGUA

CAPTULO 2. SISTEMAS DE DISTRIBUCIN DE AGUA FRAEl objetivo del diseador de redes de distribucin de agua fra en edificios, es garantizar el suministro adecuado, en gasto y energa, a todos los muebles y equipos durante el tiempo de operacin, con los dimetros ms econmicos de tubera. Otros objetivos complementarios a considerar seran: evitar los efectos de erosin debida a velocidades excesivas de flujo, evitar daos por golpe de ariete o ruidos indeseables debido a excesivas velocidades de diseo, evitar depsitos de carbonatos, debidos al paso de aguas duras en las tuberas. Como ya hemos mencionado, uno de los principales objetivos del diseo de redes de distribucin de agua, es proporcionar el gasto suficiente para todos los muebles y equipos. La determinacin del gasto de diseo, trae aparejado el dimensionamiento de las tuberas del sistema de distribucin de agua. El problema de la determinacin de los dimetros requeridos para las diferentes partes de un sistema de distribucin de agua se resuelve de la siguiente manera: 1 . Primero, se determina la carga de diseo, esto es, el gasto que conducir cada tubera y para el cual debe ser diseada. 2. Con el gasto de diseo establecido, se determina cul es el dimetro de las tuberas que deben utilizarse. Como podemos observar, de los comentarios anteriores, la determinacin del gasto de diseo es bsica para iniciar el diseo de sistemas de distribucin de agua.

2.1 DETERMINACIN DE LOS GASTOS DE DISEO PARA SISTEMAS DE DISTRIBUCIN DE AGUAEste 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.

Sistemas de distribucin de agua fra 2

Los diferentes tipos de muebles sanitarios no son usados uniformemente durante el da: los baos son comnmente utilizados por los individuos, en las maanas al salir hacia sus trabajos, y no son utilizados nuevamente, hasta que regresan de los mismos; la cocina se utiliza antes y despus de las comidas, pero no en otros perodos, etc. As, podemos observar que la operacin 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 ltimos, por lo que no se hace necesario disear para la carga mxima de operacin, excepto en instalaciones hidrulicas muy pequeas o para muebles sanitarios nicos, ya que las solicitaciones de los mismos podran ser de manera simultnea. Si se diseara para la carga mxima de operacin, los dimetros de las tuberas tendran que ser muy grandes, por lo que el costo de las instalaciones sera prohibitivo. Para tener una pequea idea de la diferencia entre la carga de diseo y la carga potencial podemos considerar un sistema hipottico con 100 WC, donde cada uno opera con una frecuencia promedio de una vez cada cinco minutos, tardando cada operacin 9 segundos. Puede demostrarse, que si observamos el sistema en cualquier instante arbitrario, encontraremos con mayor frecuencia tres WC en operacin, ms que cualquier otro nmero; sin embargo, un sistema de este tipo se disea para servir a ocho WC de manera simultnea en lugar de tres; an as, es obvio que el nmero de muebles para el cual se disea es muy pequeo en comparacin con el nmero de muebles del sistema. Puede verse la figura 2.1. Tres mtodos distintos han sido desarrollados para determinar las cargas o gastos de diseo para las diferentes partes de un sistema de distribucin de agua: los mtodos empricos, semiempricos y probabilsticos.

Figura 2.1. Probabilidad de hallar fuera de operacin r de n WC, para cualquier momento de observacin

Sistemas de distribucin de agua fra 3

2.2 MTODOS EMPRICOSEn estos mtodos, para un nmero dado de muebles sanitarios en un sistema, se toma una decisin arbitraria, con base en la experiencia, en relacin al nmero de muebles que pueden operar simultneamente. Como veremos ms adelante, la teora de la probabilidad, aunque es la ms racional, es de dudosa aplicacin cuando se trata del diseo de instalaciones hidrulicas en edificios con escasos muebles sanitarios; adems, las frecuencias de uso consideradas en el mtodo probabilstico ms conocido, que es el de Hunter, son demasiado altas para este tipo de diseo. As, los mtodos empricos podran considerarse los mejores para el clculo de pequeos sistemas hidrulicos. Las propuestas que presentaremos, bajo este criterio, son dos: el Britnico y el Dawson y Bowman.

2.2.1 MTODO BRITNICO Este mtodo establece, con base en el criterio de un grupo de personas especializadas en el diseo de sistemas hidrulicos, tablas de "probables demandas simultneas", correspondientes a diversas cargas potenciales. La tabla 2.1. muestra las demandas para distintos muebles sanitarios; despus, considerando el sistema de distribucin hidrulico, sumamos las demandas de todos los muebles sanitarios que puede servir una lnea de tubera en el sistema, para ingresar a la tabla 2.2. con el nmero de litros por minuto que hemos calculado, leer la probable demanda mxima simultnea en litros por minuto, y disear la tubera que conducir este flujo. Ambas tablas se presentan a continuacin.

Tabla 2. l. Descargas aproximadas para muebles sanitarios en agua fra y agua caliente1MUEBLES SANITARIOS Bao privado Bao pblico Fregadero Lavabo DESCARGA (1/min) 18.93 30.28 15.14 7.57

Tabla modificada del Manas Vincent T., "National Plumbing Code Handbook ", Standards and design information, McGraw Hill, Tabla 24.1. "Discharge from taps. Approximate discharge required fromhot -or cold- water oints", pp. 24-3.

1

Sistemas de distribucin de agua fra 4

Ducha Regadera de 4 Regadera de 6

7.57 15.14 30.28

Tabla 2.2 Descargas simultneas para muebles sanitarios2DESCARGA DE LOS MUEBLES TRABAJANDO SIMULTNEAMENTE (1/min) Hasta 12 53.0 60.6 68.1 75.7 87.1 98.4 113.6 132.5 151.4 174.1 200.6 230.9 268.8 306.6 PROBABLE DEMANDA SIMULTNEA (1/min) 100% del mximo posible 49.2 54.9 60.6 66.2 71.9 77.6 85.2 90.8 98.4 106.0 113.6 121.1 128.7 140.1 DESCARGA DE LOS MUEBLES TRABAJANDO SIMULTNEAMENTE (1/min) 318.0 405.0 465.6 537.5 617.0 711.7 817.6 938.8 1082.8 1245.4 1430.9 1646.6 1892.7 Ms de 1892.7 PROBABLE DEMANDA SIMULTNEA (1/min) 147.6 159.0 170.3 181.7 196.8 212.0 230.9 246.1 268.8 291.5 321.8 359.6 393.7 20% del mximo posible

2.2.2 MTODO DE DAWSON Y BOWMAN De manera anloga al mtodo anterior es el desarrollado por Dawson y Bowman en la Universidad de Wisconsin. Ellos prepararon una tabla del nmero total de muebles sanitarios en varias clases de vivienda unifamiliar y casas de apartamentos de hasta seis unidades de vivienda y especificaron el nmero y la clase de muebles sanitarios que podran estar en uso simultneo para determinar las cargas de diseo. En la hoja siguiente se muestra la tabla 2.3. que obtuvieron.

2.3 MTODOS SEMIEMPRICOSEstos mtodos, aunque se basan en la experiencia, tienen cierto sustento terico, que les permite establecer frmulas y expresiones matemticas. Uno de los ms conocidos es el mtodo alemn de raz cuadrada, que se expone a continuacin.

2

Idem.

Sistemas de distribucin de agua fra 5

2.3.1 MTODO ALEMN DE RAZ CUADRADA Este mtodo toma como unidad de gasto, la descarga de una llave de 3/8" bajo ciertas condiciones, y asigna un "factor de carga" unitario a dicho gasto. Para cualquier otro mueble que tenga un gasto diferente, un factor de carga es establecido tomando una relacin entre el gasto de ste y el "gasto unitario" (llave de 3/8") y elevando al cuadrado el resultado. As, el factor de carga para cada tipo de mueble en el edificio es multiplicada por el nmero de muebles servidos por la tubera en cuestin, el resultado es sumado, y finalmente es obtenida la raz cuadrada. El resultado es multiplicado por el gasto unitario de una llave de 3/8" para obtener el gasto de abastecimiento al edificio, cualquiera que ste sea. Para tuberas que sirven solamente una parte de los muebles sanitarios en el edificio, sern considerados para la determinacin del gasto de diseo, exclusivamente, los muebles atendidos. La obtencin de la raz cuadrada considera, de una manera arbitraria, el hecho que los muebles no trabajan simultneamente. La metodologa es como sigue: 1. Considere una unidad de flujo o gasto, la cual es tomada normalmente como la de una llave de 3/8". Este gasto se asume que es de 0.25 l/s (4 gpm); esta unidad de gasto la denotamos con q1, y el factor de carga f1 para la llave es tomado como unitario. 2. Ahora, considere que tenemos n1 llaves de este dimetro abastecidas por una tubera, cuya carga o gasto de diseo quiere ser determinada. Si asumimos que n1 de estos muebles pueden operar simultneamente en cualquier instante de observacin, la carga de diseo ser:Q = q1 f1n1

Ahora, a manera de ilustracin, consideremos que tenemos tambin n2 llaves de 3/4" abastecidas por la misma lnea. Se considera que una llave de 3/4" tiene una demanda de 0.75 l/s en la tubera de abastecimiento, esto es, consume un gasto tres veces mayor que la llave de 3/8". El factor de carga f2 para la llave de 3/4" ser 32 = 9. As, la carga de diseo para los dos grupos de llaves ser:Q = q1 f 1 n1 + f 2 n 2

o bien

Sistemas de distribucin de agua fra 6

Q = 0.25 n1 + 9n2

Por tanto, generalizando, para cualquier clase de muebles que son usados de manera intermitente en el sistema, tenemos como frmula para la carga de diseo, la siguiente: Q = 0.25 f1 n1 + f 2 n2 + ... + f i ni donde Q = carga o gasto de diseo, en lps f1, f2, fn = factor de carga n1, n2, ni = nmero de muebles sanitarios por clase De la manera en que ha sido establecido, este mtodo de determinacin del gasto de diseo, ignora la frecuencia de uso, as como el intervalo de tiempo requerido para cada clase de mueble sanitario, y toma en cuenta solamente la demanda promedio de cada tipo de mueble; no considera tambin, si el uso es de tipo pblico o de tipo privado. Tabla 2.3. Gastos de diseo recomendados para pequeas instalaciones hidrulicas en edificios de apartamentos y vivienda unifamiliar3GASTO TOTAL DE LOS MUEBLES (1/min) 37.85 60.56 28.39 18.93 11.36 37.85 195.84 37.85 60.56 28.39 56.78 34.07 75.70 293.35 37.85 121.12 56.78 37.85 GASTO PARA TODOS LOS MUEBLES SANITARIOS CONSIDERADOS, EN USO SIMULTNEO. GASTO DE DISEO (1/min) 18.93 30.28 18.93 11.36 79.50 18.93 30.28 18.93 11.36 37.85 117.35 18.93 60.56 28.39 18.93

TIPO DE EDIFICIO

MUEBLES SANITARIOS

Casa unifamiliar de familia pequea

2 llaves exteriores 2 llaves de lavandera 1 llave de fregadero 1 lavabo 1 WC o inodoro* 1 tina o regadera Sumatorias

Casa unifamiliar de familia grande

2 llaves exteriores 2 llaves de lavandera 1 llave de fregadero 3 lavabos 3 WCs o inodoros* 2 tinas o regaderas Sumatorias

Dos familias en una sola planta

2 llaves exteriores 4 llaves de lavandera 2 llaves de fregadero 2 lavabos

3

Tabla modificada del Manas Vincent T , "National Plumbing Code Handbook", Standards and design information, McGraw Hill, tabla 24.12. "Recommended flows for use in designing water-distribution system in small residential installations", pp. 24-21.

Sistemas de distribucin de agua fra 7 2 WCs o inodoros* 2 tinas o regaderas Sumatorias Cuatro familias en apartamentos 2 llaves exteriores 6 llaves de lavandera 4 llaves de fregadero 4 lavabos 4 WCs o inodoros* 4 tinas o regaderas Sumatorias Seis familias en apartamentos 2 llaves exteriores 8 llaves de lavandera 6 llaves de fregadero 6 lavabos 6 WCs o inodoros* 6 tinas o regaderas Sumatorias 22.71 75.70 352.01 37.85 181.68 113.55 75.70 45.42 151.40 605.60 37.85 242.24 170.33 75.70 68.13 227.10 821.35 11.36 138.17 18.93 90.84 56.78 18.93 22.71 208.19 18.93 90.84 81.38 37.85 22.71 37.85 289.56

*Todos los WCs o inodoros se consideran de tanque. Si se utilizarn fluxmetros, sese el valor de 113.55 l/min en las columnas 3 y 4 del WC. De la misma forma que en otros mtodos, cualquier descarga continua es tomada en consideracin sumando el gasto de dicha descarga. Esto es, si adems de la carga del sistema debida a los muebles sanitarios que operan de manera intermitente en cortos intervalos de tiempo, tenemos n' salidas, en donde cada una de ellas requiere un gasto continuo q' en lps, entonces la carga total para elQ = 0.25 f1 n1 + f 2 n2 + ... + f i ni + n ' q ' sistema debe ser calculada mediante la frmula:

As, esta ltima expresin, puede ser considerada en casos especiales de instalacin, tales como bateras de lavabos o inodoros, los cuales estn sujetos a un muy probable uso simultneo.

2.4 MTODO PROBABILSTICOEste mtodo es el ms preciso y racional de los tres mtodos analizados, al tomar en cuenta factores que fueron ignorados por los otros mtodos. La primera aplicacin de la teora de la probabilidad, en la determinacin de las cargas de diseo en sistemas hidrulicos y sanitarios, fue hecha por el Dr. Roy B. Hunter en 1924. An, cuando a la fecha se tienen cambios en los muebles sanitarios utilizados, puesto que todos son de bajo consumo, la metodologa utilizada es la ms precisa y vlida y, en consecuencia, es la ms aceptada por los diseadores.

Sistemas de distribucin de agua fra 8

Puesto que el desarrollo terico, parte del registro de uso de grandes grupos de muebles sanitarios, este mtodo slo debe aplicarse a edificios que cumplan con esa condicin. Una razn obvia para esto, es que la carga de diseo, es una carga que tiene una cierta probabilidad de no ser excedida, pero, a pesar de eso, podra ser excedida en alguna ocasin para sistemas con un gran nmero de muebles sanitarios; con un sistema que contenga muy pocos muebles sanitarios, que ha sido diseado con la teora de la probabilidad, las cargas adicionales sobre ste, impuestas por la operacin de ms muebles que los supuestos por la teora probabilstica, podra sobrecargar el sistema lo suficiente como para generar problemas de suministro y, en algunos casos, interferencias con la red de recoleccin de aguas residuales. En contraste, si trabajamos con sistemas hidrulicos grandes, esto es, que tienen un gran nmero de muebles sanitarios, la sobrecarga debido al uso de uno o ms muebles, podra ser despreciable, dentro del total de muebles sanitarios. As, nuestro problema es determinar las cargas o gastos de diseo que deben ser asignadas a las tuberas del sistema de distribucin, si ste debe prestar un "servicio satisfactorio". "Servicio satisfactorio" ha sido definido por Hunter, "como aqul, cuya interrupcin debido a factores controlables, tales como dimetros y distribuciones de tuberas, es poco frecuente y, de tan corta duracin, que no causa inconvenientes en el uso de los muebles sanitarios o cualquier condicin insalubre dentro del sistema hidrulico y sanitario". 2.4.1 APLICACIN DE LA TEORA DE LA PROBABILIDAD EN LA

DETERMINACIN DE LAS CARGAS O GASTOS DE DISEO Hunter establece, al aplicar el mtodo probabilstico, que la operacin de los muebles sanitarios es un evento totalmente aleatorio; por tanto, determina las frecuencias mximas de uso de los principales muebles sanitarios que elevan el gasto en los sistemas hidrulicos de edificios residenciales, basando sus valores en las frecuencias de uso de los registros obtenidos en hoteles y edificios de departamentos durante los perodos de operacin mxima. Tambin determina los valores caractersticos de los gastos promedios de agua, utilizados por los diferentes muebles sanitarios y, el tiempo de operacin de cada uno de ellos. A manera de ejemplo, definiremos un sistema sencillo, mismo que utilizar un solo tipo de muebles sanitarios, que en este caso sern WC con fluxmetro. Consideremos que tenemos n muebles del tipo mencionado; hagamos t el tiempo promedio, en segundos, entre usos sucesivos de cada mueble y sea d la duracin, en segundos, del tiempo de descarga de dichos muebles. Por tanto, la probabilidad p que un mueble en particular tiene de ser hallado en operacin, para cualquier instante arbitrario de observacin del sistema, est dado por:

Sistemas de distribucin de agua fra 9

p=

d t

As, la probabilidad de que este mueble, en particular, no est operando ser:

1 p = 1

d t

Si consideramos que, t y d, son 5 min (300 s) y 9 s, respectivamente, entonces: 9 p= = 0.030 300 y 1-p=1-0.03=0.97 para la operacin de un WC. Podemos determinar la probabilidad de hallar dos muebles sanitarios, operando simultneamente, para cualquier instante de observacin arbitrario, despreciando que otros (n-2) muebles puedan operar en ese instante. Sabemos que, la probabilidad de hallar un solo mueble operando es p; de la misma manera, la probabilidad de hallar el segundo mueble operando es p. Por tanto, la probabilidad de hallar a ambos funcionando es p2 por la ley de eventos compuestos. As, la probabilidad de encontrar dos muebles sanitarios, de nuestro sistema, operando simultneamente, para cualquier instante es: p2= (0. 03)2 = 0.0009 De lo anterior, podemos observar, que la probabilidad de hallar tres muebles sanitarios operando simultneamente, es P3. Generalizando, podemos decir que, la probabilidad de hallar los n muebles sanitarios trabajando es pn. Consideraremos ahora, la probabilidad de hallar dos muebles sanitarios funcionando, pero que ningn otro de los (n-2) muebles instalados estn operando, para un instante arbitrario de observacin: Probabilidad de hallar operando el primer WC Probabilidad de hallar operando el segundo WC Probabilidad de que el tercer WC no est operando Probabilidad de que el cuarto WC no est operando Probabilidad de que el quinto WC no est operando Probabilidad de que el n WC no est operando p p 1- p 1- p 1- p 1-p

Sistemas de distribucin de agua fra 10

As, la probabilidad de este evento compuesto, para un instante dado de observacin, es el producto de la probabilidades mencionadas anteriormente: P = (1 p) n 2 p 2 Si n = 5, la operacin de los WC sera: (1 p ) n2 p 2 = (1 0.03) 3 (0.03) 2 = 0.00082 Hemos pasado, a un caso ms general, en el cual, dos cualesquiera WC de los n muebles, pero ninguno de los otros (n-2) WC, es encontrado operando para el instante arbitrario de observacin. Hemos mostrado, que la probabilidad de hallar dos muebles sanitarios, pero ninguno de los (n-2) muebles, operando es (1-p)n-2p2. Pero, tenemos muchas maneras de seleccionar dos WC de los n existentes; tantas como combinaciones de n podemos hacer tomndolos de dos en dos; as, es de nuestro inters determinar de cuntas maneras se pueden seleccionar r muebles de un total de n existentes. La expresin que puede utilizarse para esto es: n! r!(n r )! que nos da las combinaciones de r en n objetos tomados de r en r. Crn = Para nuestro ejemplo, si n = 5 y r = 2, entonces:5 Crn = C2 =

5 x 4 x3x 2 x1 = 10 (2 x1)(3x 2 x1)

As, si n=5 y r=2, la probabilidad de hallar cualquier pareja de los cinco muebles, pero ninguno de los otros tres WC operando, en cualquier instante arbitrario de observacin, es:

10(0.97) 3 (0.03) 2 = 0.0082Por tanto, la expresin general para obtener la probabilidad que de cualquiera r muebles, y solamente r, independientemente del total de n muebles, pueda ser hallado operando, para cualquier instante arbitrario de observacin es: prn = Crn (1 p ) nr p r Cuando se observa el sistema podemos hallar algn nmero r de n muebles en operacin, donde r puede ser cualquier valor entero entre 0 y n. As, si sumamos todas las probabilidades representadas por la ecuacin anterior, la cual es un evento particular de todos los posibles, se obtiene la relacin:

Sistemas de distribucin de agua fra 11r =n r =0

prn = Crn (1 p ) nr p r = 1Podemos observar, que la penltima ecuacin representa solamente un trmino de la ecuacin anterior y, esta ltima, es el desarrollo del binomio [p+(1-p)]n. As, la distribucin que tenemos, en este problema, es un desarrollo de tipo binomial. Para poder determinar el nmero de m muebles que no operan del total de n muebles instalados, debemos suponer que operan simultneamente, con el fin de obtener el gasto de diseo del sistema hidrulico. Una vez que se ha establecido el valor de m, la carga de diseo es hallada multiplicando m por el gasto promedio de un mueble sanitario. Qd = mq El criterio que se ha establecido para diseo adecuado es como sigue: el sistema puede ser considerado con operacin satisfactoria, si est dimensionado para poder abastecer simultneamente la demanda para m de los n muebles sanitarios instalados que tiene el sistema, de tal manera, que no ms del uno por ciento del tiempo, puedan ser excedidos los m muebles en operacin simultnea. Esta condicin se expresa como sigue: n n n n p0 + p1n + p2 + ... + pm1 + pm 0.99

siendo m el menor entero para el cual la relacin es verdadera. En esta ecuacin p 0 representa la probabilidad de que ninguno de los n muebles est en operacin, etc. El menor valor de m, para el cual la ecuacin anterior es verdadera, nos da el nmero de muebles sanitarios para el cual el sistema debe ser diseado. La ecuacin anterior es suficiente para obtener el valor de m, pero el clculo es muy laborioso, y se han desarrollado mtodos para reducir la labor a un mnimo. Se tienen tablas que nos dan la sumatoria de residuo de la serie de la ecuacinn n n n n pm+1 + pm+ 2 + pm+3 + ... + pn1 + pn 0.01n

mencionada: que tambin puede escribirse como:r = m +1 r =n

Crn (1 p) nr p r 0.01

que corresponde a la forma dada en la tablas de distribuciones de probabilidad binomial.

Sistemas de distribucin de agua fra 12

Con las expresiones obtenidas, continuaremos el clculo del sistema hipottico de 1 00 WC, en donde consideramos t = 300 s y d = 9 s. Sabemos que la probabilidad p de encontrar un WC en operacin en un instante arbitrario de observacin es 9/300 = 0.03. As, la probabilidad de que ningn WC est en operacin es: n p0 = C0n (1 p ) n0 p 0 = (1 p) n = (0.97)100 = 0.048 La probabilidad de hallar exactamente uno de los 100 WC operando es: n p1n = C1n (1 p ) n1 p1 = (1 p) n1 p = 100(0.97) 99 (0.03) = 0.1470 1! De manera anloga, obtenemos la probabilidad de dos WC operando simultneamente:n n p2 = C2 (1 p) n2 p 2 =

100 x99 n(n 1) (1 p ) n2 p 2 = (0.97) 98 (0.03) 2 = 0.2250 2! 2

Para el caso de tres WC, tenemos: 100 x99 x98 n(n 1)(n 2) n (1 p) n3 p 3 = (0.97) 97 (0.03) 3 = 0.2270 p3 = C3n (1 p) n3 p 3 = 3! 3x2n De la misma manera se realizan los clculos hasta llegar a la p10 . Los resultados se muestran en la tabla 2.4.

Tabla 2.4. Probabilidades de hallar 1, 2, 3, ..., lo WC en operacin simultnea en 100 WC

p100 0 p1001 p100 2 p100 3 p100 4 p100 5

0.0478

p100 6 p100 7 p100 8 p100 9 p10010

0.0496

0.1470

0.0206

0.2250

0.0074

0.2270

0.0023

0.1705 0.1013

0.00065

Sistemas de distribucin de agua fra 13

100 Si sumamos las probabilidades de la tabla anterior comenzando con p0 , hallaremos que el menor nmero de muebles para la cual la suma de probabilidades excede 0.99 es 8. Por tanto, tomaremos 8 como el nmero de WC que pueden operar simultneamente, mismo que se utilizarn el diseo del sistema hidrulico. La carga o gasto de diseo estar dada por la expresin:

Qd = mq = 8q donde q es el gasto promedio utilizado por un WC.

2.4.2 APLICACIN DEL MTODO DE HUNTER EN SISTEMAS MIXTOS Antes de determinar las curvas que nos dan los valores de m para varios valores de n para los tres tipos de muebles sanitarios distintos (WC operados con fluxmetros, WC operados con tanques y tinas), debemos considerar los valores del tiempo de uso u operacin (t) y del tiempo promedio entre usos sucesivos de cada mueble (T) en forma individual, ambos en segundos. Los tiempos asignados sern considerados cuando se tienen uso intensivo de los muebles en servicio pblico, en horas pico, tales como hoteles, edificios de departamentos, etc. Podemos considerar los siguientes valores:

Muebles sanitarios Vlvula de fluxmetro Tanque Tina

t, en s 9 60 60

T, en s 300 300 900

p=t/T 0.030 0.020 0.067

Con base en los valores anteriores podemos determinar la relacin entre m y n, para los tres tipos de muebles sanitarios mencionados anteriormente. Recuerde que n es el total de muebles sanitarios instalados y m es el menor nmero de muebles para la cual la suma de probabilidades excede 0.99. Las tablas anteriores pueden ser obtenidas para valores mximos de n = 150 muebles. Sin embargo, trabajamos con valores considerablemente mayores de n, recurriendo a la sumatoria exponencial de Poisson, que es una aproximacin mediante series dada por la ecuacin: n n n n n p m +1 + p m + 2 + p m + 3 + ... + p n 1 + p n 0.01 y que permite obtener valores precisos para valores pequeos de p, del orden de 0.10 0.15.

Sistemas de distribucin de agua fra 14

Las curvas de la sumatoria exponencial de Poisson han sido utilizadas para el clculo de la tabla siguiente, la cual es la base para la obtencin de las curvas de probabilidad de los muebles sanitarios que son considerados como sigue: los valores de np, que corresponden a la probabilidad tal que no ms de m muebles podran ser hallados operando simultneamente ms del 1 % del tiempo. Estos valores de np versus m, no deben ser usados para probabilidades de p que excedan de 0.15. Para valores de p = 0.20, este mtodo produce resultados que son aproximadamente 10% mayores. Para obtener el valor de n correspondiente a un valor dado de m, se hace necesario dividir el valor de a=np correspondiente al valor considerado de m, entre el valor de p para el tipo de mueble analizado. A continuacin se muestra la tabla 2.5. para distintos valores de m, obtenida de la ecuacin de Poisson. Tabla 2.5 Valores de np correspondientes a los valores de m de la sumatoria de probabilidad de Poissonm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 14 16 a = np 0.25 0.60 0.95 1.35 1.85 2.35 2.90 3.50 4.10 4.75 6.00 7.42 8.85 m 18 20 25 30 35 40 45 50 60 70 80 90 100 a = np 10.30 11.80 16.25 19.25 23.45 27.50 31.55 35.65 44.15 52.85 61.55 70.30 79.00

Con base en la tabla comentada, podemos obtener los valores entre m y n para vlvulas de fluxmetros, tanques y tinas, como se muestra en la figura 2.2.

Sistemas de distribucin de agua fra 15

Figura 2.2 Relacin entre el nmero de muebles de diseo, m, y el total de