Cálculo y Dimensionado de Instalaciones de Suministro de Agua, HS-4. (I)

En la actualidad, la mayoría de los edificios con instalaciones hidráulicas disponen de medios adecuados para suministrar agua apta para el consumo al equipamiento higiénico previsto en su construcción, debiendo aportar caudales suficientes para su funcionamiento sin alteración de las propiedades de aptitud para el consumo e impidiendo los posibles retornos que puedan contaminar la red.
Todo ello debe realizarse aplicando, por un lado, criterios de sostenibilidad limitando el consumo de agua potable y reutilizando las aguas residuales y pluviales, y por otro, criterios de eficiencia energética aprovechando las fuentes de energías renovables, como la energía térmica.

Estas exigencias mínimas están establecidas en el Código Técnico de la Edificación (CTE), concretamente en su sección HS-4, y en el Reglamento de Instalaciones Térmicas de los Edificios (RITE). A esto hay que añadir, además, los requisitos establecidos en las normativas específicas de las compañías suministradoras de las Comunidades Autónomas y las ordenanzas municipales, ya que en ocasiones suelen ser más restrictivas que los criterios establecidos en el propio CTE.
Entre otros aspectos técnicos, estas reglamentaciones establecen que el suministro de agua debe ser continuo y sin interrupciones, cumpliendo ciertos parámetros de calidad que permitan el buen funcionamiento y utilización del agua por parte de los diferentes equipos instalados en los puntos de consumo. En este sentido, hay tres aspectos importantes que deben considerarse: calidad del agua, protección contra retornos y condiciones mínimas de suministro.

En esta entrada de hoy, vamos a tratar de ver, paso a paso, el cálculo y dimensionado de la instalación de Suministro de Agua, según el CTE DB-HS-4. Se va a calcular la misma instalación a través de 2 métodos distintos:

  1. MÉTODO 1: A través de software CYPE MEP, con criterios de simultaneidad de la Norma UNE 149201.
  2. MÉTODO 2: Mediante el uso directo de fórmulas de cálculo en una hoja de excell, con criterios de simultaneidad de la Norma UNE 149201.

Lo primero que haremos será proponer el enunciado de un cálculo de la instalación de suministro de agua en un edificio de viviendas. Luego, definiremos unas condiciones generales para el cálculo. A partir del esquema de principio de la instalación, procederemos a hacer los cálculos y el dimensionado según los métodos descritos arriba.

ENUNCIADO DEL PROBLEMA

Determinar el caudal estimado de consumo de un edificio destinado a viviendas constituido por 5 plantas con 4 viviendas en cada una. Se tienen viviendas de dos tipos:

  • Vivienda Tipo A (15 unidades): 1 cuarto de baño completo + 1 aseo + 1 cocina + 1 lavadero
  • Vivienda Tipo B (5 unidades): 1 cuarto de baño completo + 1 cocina + 1 lavadero

Cada planta tiene una altura de 3 metros entre forjado. La presión de suministro de la compañía es de 3 bar.  (1 bar=10.2m.c.a.). La acometida está en el portal del edificio, a cota 0.

Se supone una acometida hasta batería de contadores divisionarios. Desde el cuarto de contadores, sale una tubería hacia cada vivienda. Utilizaremos tuberías plásticas de PE-X (polietileno reticulado) para cada una de las partes de la instalación interior y los montantes. Para la acometida, utilizaremos PE (polietileno).

Los equipos sanitarios instalados en cada cuarto húmedo son:

CUARTO HÚMEDO APARATOS SANITARIOS
Cuarto de Baño ► 1 LAVABO

► 1 BIDÉ

► 1 BAÑERA DE MENOS DE 1.40m

► 1 INODORO CON CISTERNA

Aseo ► 1 LAVABO

► 1 DUCHA

► 1 INODORO CON CISTERNA

Cocina ► 1 FREGADERO DOMÉSTICO

► 1 LAVAVAJILLAS DOMÉSTICO

Lavadero ► 1 LAVADERO

► 1 LAVADORA DOMÉSTICA

PROCEDIMIENTO Y CONDICIONES PARA EL DIMENSIONADO Y CÁLCULO DE LA INSTALACIÓN DE SUMINISTRO DE AGUA

El dimensionado de los tramos se ha realizado de acuerdo al procedimiento siguiente:

  • El caudal máximo de cada tramo es igual a la suma de los caudales de los puntos de consumo alimentados por el mismo de acuerdo con la tabla que figura en el apartado ‘Condiciones mínimas de suministro’, tabla 2.1. HS-4.
  • Establecimiento de los caudales simultáneos de cada tramo de acuerdo con el criterio seleccionado (UNE 149201): 

 

  • Elección de una velocidad de cálculo comprendida dentro de los intervalos siguientes:
    • tuberías metálicas: entre 0.50 y 2.00 m/s. 
    • tuberías termoplásticas y multicapas: entre 0.50 y 3.50 m/s.
  • Obtención del diámetro correspondiente a cada tramo en función del caudal y de la velocidad.  Utilizamos D(mm)=RAIZ((4000*Qsim)/(3.1416*V)) para obtener el diámetro interior mínimo y con este dato vamos a los diámetros comerciales superiores.
  • Factor de fricción y pérdida de carga se hará mediante ábacos. También se puede utilizar la fórmula de Darcy-Weisbach.
  • Siguiendo las indicaciones del HS-4, se determinan los diámetros de las derivaciones particulares a aparatos.
  • Se dimensiona toda la instalación, incluso la necesidad de uso de equipos de presión.

 

DIBUJA UN GRÁFICO DEL EDIFICIO QUE REPRESENTE TODAS LAS TUBERÍAS Y MONTANTES DE SUMINISTRO DE AGUA

Este paso es común a todos los métodos que utilicemos para calcular cualquier instalación de suministro de agua. Es necesario como primer paso, hacer un boceto o un esquema de nuestra instalación. Esto nos ayudará en la identificación de cada uno de los tramos de los montantes y de las derivaciones de nuestra instalación.

Método 1. A través de software CYPE MEP, con criterios de simultaneidad de la Norma UNE 149201.

Introducimos los datos a través de las distintas ventanas como se muestra:

A la hora de introducir los consumos en el programa, recordar que tenemos 15 viviendas de tipo A y 5 viviendas de tipo B. 

Una vez colocados los puntos de consumo y la red de suministro, calculamos la instalación y obtenemos del programa unos resultados, de los que destacamos los siguientes:

 

 

 

Método 2. Mediante el uso directo de fórmulas de cálculo en una hoja de excell, con criterios de simultaneidad de la Norma UNE 149201.

Para realizar los cálculos por este método, nos servimos de una hoja de cálculo. Lo iremos resolviendo por pasos para, al final, indicar cada uno de los diámetros de todas las partes de la instalación.

1) Determinar el caudal parcial instantáneo de cada una de las viviendas, en l/s.

Sirviéndonos de la tabla 2.1. del CTE HS-4, tenemos que, 

 Como calcular el caudal simultáneo de agua en un edificio de ...

Los caudales instantáneos son: 

Qinst, vivienda tipo A= 1.65 l/s

Qinst, vivienda tipo B= 1.25 l/s

 

2) Determinar el coeficiente de simultaneidad de cada una de las viviendas, según la Norma UNE 149201.

No hace falta calcular el coeficiente de simultaneidad si empleamos la siguiente fórmula para la instalación interior: Qsim=0.682*(Qinst)E0.45 -0.14, siempre y cuando, cada uno de los caudales instantáneos de los aparatos, sea menor a 0.5l/s.

3a) Determinar el caudal parcial simultáneo de cada vivienda.

Tenemos, por tanto, empleando la fórmula de arriba:

Qsim, vivienda tipo A= 0.714 l/s

Qsim, vivienda tipo B= 0.614 l/s

3b) Caudal del montante de cada una de las viviendas.

Al ser un edificio de viviendas con contadores divisionarios, el caudal parcial simultáneo de cada vivienda coincide con el caudal del montante de cada vivienda.

3c) Caudal de la acometida del edificio y tubería de alimentación.

El caudal en la acometida del edificio viene dado por la expresión

Qsim=0.4*(Qinst)E0.54 +0.48,

donde Qinst, en este caso, viene de multiplicar el Qinst de cada tipo de vivienda por el número de viviendas de ese tipo.

Así, tenemos:

Caudal de Acometida –> Qsim=0.4*(1.65*15 + 1.25*5)E0.54 + 0.48 = 3.03l/s

4) Seleccionamos o elegimos una velocidad para el cálculo. 

Al ser tuberías plásticas, seleccionaremos una velocidad de 2.2 m/s. Recordemos que, indudablemente, a mayor velocidad, menor diámetro, y mayor pérdida de presión lineal. Además de un fluir del agua con mayor ruido, y por tanto más molesta.Y viceversa, a menor velocidad, mayor diámetro, y menor pérdida de presión lineal. Siendo un fluir del agua con menor ruido y molestias a los ocupantes.

5) Calculamos el diámetro interior mínimo.

Para las derivaciones a los cuartos húmedos y los ramales de enlace, tenemos que cumplir unos mínimos, que son los que vienen  en la tabla 4.2. del HS-4. 

Recomiendo, en este punto ver, las entradas sobre los diámetros de las distintas tuberías y el HS-4: DIÁMETROS DE Cu EN EL HS-4, DIÁMETROS DE PEX EN EL HS-4, DIÁMETROS DE PPR EN EL HS-4.

Además, tendremos que cumplir unos mínimos en los diámetros de alimentación en cuanto a la alimentación a cuartos húmedos, a la alimentación a derivación a vivienda y a la columna o montante de cada una de las viviendas se refiere. 

 

Para este paso, utilizaremos la siguiente fórmula: D(mm)=RAIZ((4000*Qsim)/(3.1416*V))

Podemos calcular el diámetro interior mínimo del montante de cada tipo de viviendas y el diámetro mínimo de la acometida:

D montante, TipoA = 20.32 mm

D montante, TipoB =  18.85 mm

D acometida = 41.87 mm

6) Selección de los diámetros comerciales disponibles.

A partir del paso anterior y de los diámetros interiores mínimos, vamos a los catálogos de los fabricantes y elegiremos el diámetro interior inmediatamente superior al calculado antes. Tendremos en cuenta que los fabricantes nos dan los datos de los diámetros exteriores y el espesor de pared. Con lo cual, tendremos que ver los distintos diámetros interiores disponibles, que son los que realmente nos interesan.  (Ver este enlace para aclaraciones).

Recordemos que para los montantes y la instalación interior de cada vivienda, utilizamos PE-X. Nos dirigimos, por ejemplo, al catálogo de Industrial Blansol,  que dispone del sistema Rayper de PE-Xa.

Para D montante, TipoA = 20.32 mm necesitaremos como mínimo esos 20.32mm de diámetro interior.  La tubería de este fabricante que nos aporta este diámetro mínimo es la de 25×2.3, que nos ofrece 20.4mm de diámetro interior. 

Para D montante, TipoB = 18.85 mm necesitaremos como mínimo esos 18.85mm de diámetro interior.  La tubería de este fabricante que nos aporta este diámetro mínimo es la de 25×2.3, que nos ofrece 20.4mm de diámetro interior. 

Para la acometida, el material propuesto es PE. El diámetro mínimo para la acometida = 41.87 mm. Visitamos, por ejemplo, el catálogo de Baeza-SA, en el que podemos encontrar tuberías PE 100, PN=16atm.  La tubería de este distribuidor que nos aporta este diámetro mínimo es la de 63×5.8, que nos ofrece 51.4mm de diámetro interior. 

7) Confirmamos el diámetro comercial con la velocidad real.

Una vez seleccionadas las tuberías con diámetros comerciales, confirmamos que se cumplen los criterios de velocidad en los tramos del paso anterior. Obtenemos las velocidades reales siguientes:

Vmontante, TipoA = 2.18 m/s

Vmontante, TipoB =  1.88 m/s

Vacometida = 1.46 m/s

Como vemos, estamos dentro del rango permitido por la normativa, HS-4.

8) Cálculo de pérdida de carga lineal en cada uno de los tramos. 

Lo haremos con la utilización de ábacos. Puedes ver cómo se utilizan los ábacos en este enlace.

 

Las pérdidas de carga en los tramos más significativos de la instalación son: 

Pérdida de carga montante, TipoA = 0.25 m.c.a/m (2.18m/s, 20.4mm diámetro interior, 0.714l/s)

Pérdida de carga montante, TipoB = 0.18 m.c.a/m (1.88m/s, 20.4mm diámetro interior, 0.614l/s)

Pérdida de carga acometida, TipoB = 0.05 m.c.a/m (1.46m/s, 51.4mm diámetro interior, 3.03l/s)

9) Corregir la pérdida de carga lineal.

En este paso, se recogen las pérdidas de carga de cada tramo incrementando la pérdida de carga por los «accidentes» de las tuberías: válvulas, codos, etc. La normativa nos permite calcular esta pérdida de carga por accesorios incrementando la longitud real de los tramos en un 20 ó 30%.  Aplicaremos el criterio siguiente:

Leq=Lreal*1.2

Nos centramos en las tuberías de las viviendas de las plantas más altas, que son las que más pérdida de carga van a tener.

Leq, vivienda tipo A, planta 5= 18*1.2=21.6 metros

Leq, vivienda tipo B, planta 5= 18*1.2=21.6 metros

10) Calculamos la pérdida de carga en un tramo determinado.

Pérdida presión de un tramo = Perdida de presión lineal x Longitud equivalente

Pérdida carga vivienda tipo A= 0.25m.c.a/m * 21.6m= 5.4 m.c.a.

Pérdida carga vivienda tipo B= 0.18m.c.a/m * 21.6m= 3.88 m.c.a.

11) Seleccionamos el tramo más desfavorable.

Una vez calculadas todas las perdidas de presión de los tramos que conforman el circuito más desfavorable las sumaremos y aplicaremos la siguiente expresión para calcular la presión final disponible en el punto de consumo más desfavorable:

Pfinal=Pinicial – Pérdida presión del tramo -Pérdida presión por diferencia de cota – Pérdida carga por contador, filtro, etc.(Singularidad con alto valor)

Pfinal= 3*10.2 mc.a. – 15 m.c.a. –  3m.c.a. (contador divisionario) – 3 m.c.a. (filtro) =  9.6 m.c.a  (0.94 bar)

Hemos supuesto que el tramo más desfavorable está en la planta 5 del edificio, de ahí los 15 m.c.a. de diferencia de cota. 

12) Confirmar la necesidad o no de grupo de presión en el edificio.

El objetivo del cálculo de una red de distribución de AFS ó ACS es proporcionar en los puntos de consumo un caudal mínimo en los aparatos y una determinada presión normal de suministro. Deberemos por tanto observar que la presión está entre un máximo y un mínimo.

Presión mínima de suministro:

  • 100 kPa (1 bar) en los grifos comunes.
  • 150 kPa (1,5 bar) en la entrada de los calentadores de ACS y de los fluxores.

Presión máxima de suministro:

  • 500 kPa (5 bar) en todos los puntos de consumo.

 

En el paso anterior hemos visto que en el punto más desfavorable, tenemos una presión de 0.94 bar, inferior a lo marcado por la normativa. Esto nos indica la necesidad de instalar un grupo de presión en el edificio, que ayude a vencer estas pérdidas de carga y poder llegar a los puntos de consumo con una presión adecuada. Para calcular el grupo de presión necesario, puedes ver esta entrada

 

CONCLUSIÓN FINAL

He querido mostrar, paso a paso, y con ejemplos reales, el cálculo de una instalación de suministro de agua. Siguiendo la normativa, paso a paso, o dejándonos llevar por algún software de cálculo, los resultados son aproximadamente iguales. 

Por otro lado, las redes de ACS, cuando son con producción individual, se dimensionan a partir de las tablas 4.2 y 4.3 del HS-4 (ver punto 5 de este apartado).  Si fuesen de producción comunitaria, se dimensionaría igual que las redes de AFS.  

Cuando tenemos que dimensionar los montantes de las viviendas y de los edificios, no hay que sumar los caudales de los aparatos para ACS (tabla 2.1 del HS-4) ya que se supone que si gastas AFS no gastas ACS, y por tanto, a estos efectos, se contabiliza solo uno de los consumos de la red. Esta afirmación no viene recogida en ninguna normativa, al menos no la conozco, sino que queda a criterio del que diseña  la instalación de suministro de agua del edificio.

Para terminar, lo que sí recomiendo es que, sea cuál sea la herramienta de cálculo que utilices, uses el sentido común a la hora de diseñar y calcular las instalaciones. 

@amrandado

​about.me/amrandado

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