Grupo de presión (fontanería)

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Grupo de presión doméstico

Un grupo de presión o equipo de sobreelevación es un conjunto de elementos, esencialmente bombas de presión y aparatos de control, diseñado para aumentar la presión en un sistema hidráulico de distribución de caudal a unidades de consumo. Los grupos de presión tienen aplicaciones muy variadas, principalmente en:

  • Edificación: Estos equipos, son idóneos para aumento de presión en instalaciones de distribución de agua a edificios de varios pisos, ya sean de viviendas o de uso público.
  • Industria: Las industrias también pueden necesitar soluciones de aumento de presión, por ejemplo en procesos en los que se requiere presión constante con caudales muy variables.
  • Riego: Un sistema de aumento de presión puede ayudar a conservar el agua y a optimizar los campos de cultivo, respondiendo a los niveles mínimos y máximos predeterminados. En el riego de campos de deporte, principalmente de golf, se puede controlar automáticamente la presión en cualquier zona y con cualquier número de aspersores
  • Otros: También hay aplicaciones para otros tipos de líquidos, como la alimentación o distribución de combustibles, sobre todo gasóleo, aunque suelen ser instalaciones de pequeña potencia.

Necesidad y tipos[editar]

Los suministros de agua en la mayor parte de las aplicaciones se hacen conectando la red interior de distribución del edificio a la red general urbana. Cuando la presión de la red general no es suficiente para que la presión en el punto de consumo más desfavorable[1]​sea, al menos, 100 kPa[2]​ si se trata de un grifo común, o inferior al valor de presión requerida en el aparato considerado[3]​, se requiere un sistema de sobreelevación. El sistema de sobreelevación debe diseñarse de forma que se pueda suministrar agua a las zonas del edificio en las que la presión de la red sea suficiente, sin necesidad de que se ponga en marcha el grupo. Para lograr este fin, se hace un baipás entre la entrada y la salida del equipo de bombeo, mediante un tramo de tubería en el que se intercala una válvula antirretorno de forma que permita el paso del agua de la red a los consumidores cuando el grupo está parado, pero impida que el agua impulsada por el grupo vuelva a la red general cuando el equipo funciona. También se puede intercalar una válvula motorizada, mandada por presostato en función de la presión de la red urbana.

Depósito de presión con membrana

El grupo de presión puede ser de alguno de los tipos siguientes:

  • convencional, que contará con un aljibe o depósito auxiliar de alimentación[4]​ y un grupo de bombeo formado por una o varias bombas de iguales prestaciones y funcionamiento alterno, montadas en paralelo y uno o varios depósitos de presión con membrana [5]​y todo el conjunto provisto de dispositivos para la puesta en marcha y parada automáticas del grupo. El fraccionamiento de la potencia de bombeo es muy conveniente si se quiere optimizar el consumo de energía. La reglamentación española exige un mínimo de dos bombas y a partir de ahí, un número en función del caudal o de la zonificación del edificio[6]​.
  • De accionamiento regulable, también llamados de caudal variable, que pueden prescindir del depósito auxiliar de alimentación y contarán con un variador de frecuencia que accionará las bombas manteniendo constante la presión de salida, independientemente del caudal solicitado o disponible. Una de las bombas del equipo de bombeo estará dedicada a mantener la parte de caudal necesario para alcanzar en cada momento la presión adecuada.

El grupo de presión se debe instalar en un local de uso exclusivo, normalmente en la planta más baja del edificio[7]​, que podrá albergar también otros equipos como el sistema de tratamiento de agua o el grupo contra incendios.

Dimensionado[editar]

Las dimensiones del grupo de presión se establecen a partir del caudal total a suministrar y de la presión requerida. Los parámetros a dimensionar son:

Caudal[editar]

La estimación del caudal necesario, se ha venido haciendo de diferentes formas según la normativa vigente en cada caso. Generalmente se hacía con una clasificación previa de las unidades de consumo en “categorías” y adjudicando un caudal fijo a cada una de ellas[8]​. También se hacía estimando el consumo de cada tipo de uso: ducha, baño, fregado de platos, etc. y el número de usuarios en cada unidad de consumo y todavía en alguno, para afinar el resultado, se aplicaba un coeficiente de corrección por nivel social.

a Tipo de aparato Caudal instantáneo
mínimo de agua fría
dm3/s
Caudal instantáneo
mínimo de ACS
dm3/s
1 lavamanos 0,05 0,03
2 lavabo 0,10 0,065
3 Ducha 0,20 0,10
4 Bañera de 1,40 ó más 0,30 0,20
5 Bañera de menos de 1,40 m 0,20 0,15
6 Bidé 0,10 0,065
7 Inodoro con cisterna 0,10 -
8 Inodoro con fluxor 1,25 -
9 Urinarios con grifo temporizado 0,15 -
10 Urinarios con cisterna c/u 0,04 -
11 Fregadero doméstico 0,20 0,10
12 Fregadero no doméstico 0,30 0,20
13 Lavavajillas doméstico 0,15 0,10
14 Lavavajillas industrial (20 servicios) 0,25 0,20
15 Lavadero 0,20 0,10
16 Lavadora doméstica 0,20 0,15
17 Lavadora industrial (8 kg) 0,60 0,40
18 Grifo aislado 0,15 0,10
19 Grifo garaje 0,20 -
20 Vertedero 0,20 -

Se pueden seguir utilizando estos métodos, que en algún caso pueden apoyar o ayudar a la estimación, pero implican demasiados supuestos, que lógicamente se evalúan al alza, con lo que generalmente se obtiene un caudal muy sobredimensionado.

La opción que propone el DBHS4 del Código Técnico de la Edificación en España[9]​, parece que dará resultados más ajustados.

Los valores dados en la tabla, se supone corresponden al aforo de los grifos correspondientes, tanto de agua fría como de caliente, en condiciones de uso normal. El caudal total en dm3/s será por tanto igual al sumatorio de los productos del número de unidades iguales de cada aparato ,multiplicado por el caudal instantáneo mínimo correspondiente, tomado de la tabla o en caso de aparatos no recogidos en la misma, el nominal por segundo, indicado por el fabricante.

Sin embargo, el uso de los aparatos no es simultáneo. El caudal máximo para el que hay que calcular la instalación será, por tanto, el caudal máximo simultáneo. El número de aparatos que con más probabilidad pueden funcionar a la vez se obtiene mediante un coeficiente de simultaneidad . Hay multitud de fórmulas para obtener este coeficiente, la más sencilla y también la más utilizada, aunque quizás demasiado genérica, es:

Siendo N el nº total de aparatos instalados.

El caudal será por tanto:

La norma UNE ofrece otra fórmula, quizás más ajustada, con la que se obtienen caudales mucho menores que en la anterior[10]​ además de diferenciar claramente los tipos de edificio, lo cual parece más razonable.

Siendo:

: Caudal simultaneo de Cálculo (l/s).
: Caudal total, suma de los caudales de todos y cada uno de los aparatos del edificio (l/s).
y : Coeficientes que dependen del tipo de edificio y de los caudales totales y por aparato que se reflejan en la siguiente tabla


COEFICIENTE DE SIMULTANEIDAD
TIPO DE EDIFICIO CAUDALES (l/s) COEFICIENTES
Qs QT A B C
Viviendas <0,5 ≤20 0,682 0,450 -0,140
≥0,5 ≤1 1,000 1,000 0,000
≥0,5 ≤20 1,700 0,210 -0,700
Sin límite >20 1,700 0,210 -0,700
Oficinas
Estaciones
Aeropuertos
<0,5 ≤20 0,682 0,450 -0,140
≥0,5 ≤1 1,000 1,000 0,000
≥0,5 ≤20 1,700 0,210 -0,700
Sin límite >20 0,400 0,540 0,480
Hoteles
Discotecas
Museos
<0,5 ≤20 0,698 0,500 -0,120
≥0,5 ≤1 1,000 1,000 0,000
≥0,5 ≤20 1,000 0,366 0,000
Sin límite >20 1,080 0,500 -1,830
Centros
comerciales
<0,5 ≤20 0,698 0,500 -0,120
≥0,5 ≤1 1,000 1,000 0,000
≥0,5 ≤20 1,000 0,366 0,000
Sin límite >20 4,300 0,27 -6,650
Hospitales <0,5 ≤20 0,698 0,500 -0,120
≥0,5 ≤1 1,000 1,000 0,000
≥0,5 ≤20 1,000 0,366 0,000
Sin límite >20 0,250 0,650 1,250
Escuelas
Polideportivos
Sin límite ≤20 4,400 0,270 -3,410
Sin límite ≤1,5 1,000 1,000 0,000
Sin límite >1,5 4,400 0,270 -3,410
Sin límite >20 -22,500 -0,500 11,500

Una vez obtenido el caudal total, se calcula el caudal tramo por tramo. A continuación se determina la velocidad de circulación, cuyo valor es, con pequeñas diferencias, muy similar en toda la bibliografía sobre el tema, en España según la HS4 ha de estar entre 0,5 y 2,00 m/s para tuberías metálicas, y entre 0,5 y 3,5 m/s para tuberías de plástico[11]​. Un valor medio, en ambos casos, tiene probados buenos resultados.

Presión[editar]

Con estos datos y la conocida fórmula:

Siendo el caudal, la velocidad, el área de la sección recta de la tubería y el diámetro de la misma.

Se determina la sección de la tubería y el diámetro de cada tramo. Los diámetros así obtenidos para los tramos finales de derivación a cada aparato son muy pequeños. En evitación de incrustaciones y posibles obstrucciones, es común establecer para estos tramos, un diámetro mínimo de 12 mm en cobre y plástico o ½” en tubería de acero para todos los aparatos, excepto la bañera, lavadora o lavajillas y fregaderos industriales, que se harán en 20 mm para cobre y plástico o ¾” para tubo de acero. En la red interior de tubería, se selecciona el trayecto entre la salida del grupo de presión y el aparato más desfavorable, generalmente el más alto y más alejado. Se calcula analíticamente, o se determina mediante un nomograma, la pérdida de carga de cada tramo de este trayecto. La pérdida de presión del recorrido, será la suma de las pérdidas en cada tramo, a las que habrá que añadir la pérdida en accesorios, calculada a partir de los existentes en el tramo, o bien, estimarla en entre un 10 a 30%, según la accidentalidad del tramo, de la pérdida de carga lineal.

La presión necesaria a la salida del grupo de presión será:

Siendo:

= altura de edificio en metros (se multiplica por 10 para pasar a kPa)
= Pérdida de presión en el tramo más desfavorable en kPa
= Presión residual o de salida en el último grifo

El grupo de presión a instalar, deberá proporcionar el caudal máximo simultáneo o caudal punta de la red , con una presión de arranque igual [12]​.

La presión de entrada deriva de la presión del agua de suministro o de la presión existente si el grupo de presión se alimenta a través de un tanque de ruptura. La presión de entrada puede ser positiva o negativa. La presión de entrada negativa suele darse en casos en los que el grupo de presión debe alimentarse de depósitos situados por debajo del nivel de las bombas. Si la presión de entrada es demasiado pequeña, la NPSH hará que la presión existente en el interior de la bomba disminuya por debajo de la presión de vapor del líquido bombeado. Como consecuencia, en la bomba se produce el efecto denominado cavitación, provocando ruido y produciendo roturas[13]​. Tanto si la presión de entrada es negativa como si es positiva, influirá en la colocación de la válvula de retención. En el caso de que la presión de entrada sea negativa, la válvula anti-retorno debe colocarse antes de la bomba en el sentido de circulación, para que la bomba no quede vacía de agua en periodos de espera. Por el contrario, si la presión de entrada es positiva, la válvula debe colocarse aguas abajo de las bombas, asegurando que la presión máxima del grupo no se transmita a la red de suministro y que la presión de la columna de agua del edificio, no gravite sobre las bombas.

La presión de parada se obtendrá añadiendo de 100 a 300 kPa a la presión de arrancada, en función del tamaño de la instalación, desde viviendas unifamiliares a grandes edificios de viviendas o edificios públicos de gran consumo. Si en algún momento, la presión necesaria por causa de la altura del edificio, pudiera dar origen en las plantas inferiores a presiones superiores a 500 kPa, se instalarán a la entrada de dichas plantas, válvulas limitadoras de presión.

Depósito de presión[editar]

Esquema de principio distribución de agua fría y caliente solar con Grupo de presión

Los depósitos de presión o hidropresores pueden ser de dos tipos:

  • Depósito hidroneumático con membrana: Estos acumuladores se llenan con una carga fija de aire[14]​. Cuando la bomba funciona, entra agua en la vejiga situada en el interior del depósito, provocando una compresión del volumen inicial de aire cargado en el mismo y por consiguiente un aumento de la presión en su interior. La energía almacenada en el aire del acumulador hidroneumático impulsa al agua contenida en el interior de la vejiga hacia los puntos de consumo. A medida que esta se vacía, la presión del aire o nitrógeno disminuirá, alcanzado la presión mínima establecida, que será captada por el presostato, que restablecerá nuevamente la corriente de alimentación de agua desde el grupo de bombeo hacia el acumulador hidroneumático.


El cálculo de la capacidad del depósito, se hace mediante[15]​:

Siendo:

el caudal máximo simultáneo
la presión de arranque del grupo
el diferencial entre la presión de parada y la de arranque.
el número máximo de arranques por hora[16]​.
el número de bombas del grupo.[17]​.

Si el depósito se va a instalar con un grupo provisto de variador de frecuencia[18]​, se puede dividir por 4 el tamaño obtenido con la fórmula anterior.

  • Depósito de chapa de acero inoxidable o galvanizada sin membrana de separación entre el aire y el agua Estos depósitos van provistos de un inyector mediante el cual, durante el funcionamiento de la bomba se aprovecha la depresión producida a la entrada de la bomba para aspirar aire que se introduce en el depósito del inyector. Cuando la bomba para, el depósito de presión tiene el nivel máximo de agua y el del inyector el máximo de aire. A medida que el consumo de agua aumenta, baja el nivel de agua en el depósito, lo que produce una depresión que aspira el aire del inyector hasta que se estabilizan las presiones entre aspiración e impulsión. Este funcionamiento repone el aire disuelto en el agua y garantiza la permanencia del colchón de aire en el interior del depósito.

El tamaño necesario de depósito se puede calcular con la ley de Boyle-Mariotte, aunque se puede considerar un tamaño equivalente a entre 3 y 4 veces mayor que el obtenido para el de membrana

Regulación y control[editar]

Depósitos de ruptura[editar]

La configuración de la entrada al grupo de presión puede ser de tres formas[19]

  • Alimentación indirecta, mediante depósitos auxiliares de tipo atmosférico, es decir, abiertos a la atmósfera, en cuyo caso deberán disponer de un rebosadero[20]​, un sistema de llenado mediante una electrovávula en la tubería de entrada[21]​, mandada por interruptor de nivel que la abre y la cierra entre dos niveles mínimo y máximo respectivamente. El tubo de llenado del depósito, debe quedar, al menos, 15 cm por encima del rebosadero. También mediante interruptor de nivel, se cortará la corriente a las bombas, cuando el nivel del depósito baje del límite inferior y antes de que alcance las cercanías del orificio de salida, con el fin de evitar que trabajen en seco, en caso de falta de agua en la red general.
Grupo de presión con depósito de chapa de acero sin membrana
  • Alimentación directa: Las bombas se alimentan directamente de la red de suministro sin la intervención de depósitos auxiliares, lo cual obliga a instalar un dispositivo de protección contra el funcionamiento en seco, para evitar el gripado de las bombas. Normalmente se utiliza un detector de presión en la tubería de entrada.
Con este tipo de alimentación se reduce la potencia eléctrica demandada por el grupo de elevación, ya que la presión de aspiración de las bombas es la presión presente en la red y no la presión :atmosférica, que es de la que se dispone cuando existen depósitos de ruptura[22]​.
  • Alimentación mediante depósitos de presión con membrana: Las bombas se alimentan desde uno o varios hidropresores situados en el lado de aspiración. Es una forma mixta con la que se consigue mantener la presión de la red a la entrada de las bombas. Exige también la protección por falta de presión en la red general y las bombas deben controlarse mediante variador de frecuencia.

Equipo convencional[editar]

En equipos convencionales la bomba se controla mediante presostato regulado entre las dos presiones calculadas. Con dos o más bombas, la segunda bomba y siguientes sólo arrancan cuando las anteriores son insuficientes para abastecer el caudal requerido. Éste es el funcionamiento en cascada. Las bombas se mandan mediante presostatos regulados con un decalaje apropiado a las demandas de caudal de la instalación. El sistema de alternancia permite que todas las bombas que componen el equipo tengan un desgaste similar a lo largo del tiempo, cambiando el orden de prioridad entre todas ellas.

Equipos de caudal variable[editar]

En los grupos con variador de velocidad por variación de frecuencia se proporciona una presión constante independientemente del caudal solicitado, mediante la regulación de velocidad de una de las bombas, que hace de referencia. El resto de las bombas arrancan como auxiliares o dependientes a velocidad constante y en alternancia. Un transductor de presión alimentado por el variador detecta la presión existente en la tubería[23]​. El variador compara dicho valor de presión con el valor prefijado. Si la presión en la tubería es inferior a dicho valor, el variador arranca la bomba regulada con la velocidad necesaria para igualar la presión al valor programado. Los motores de velocidad controlada proporcionan una funcionalidad de control única, que aumenta la comodidad para el usuario y reduce los costes de funcionamiento.

Grupo de presión con 3 bombas con variadores independientes

Hay todavía un mejoramiento de este tipo de control y es cuando se utilizan variadores de frecuencia para cada bomba, lo que permite una flexibilidad aún mayor y por tanto una optimización del ahorro de energía.

Configuración del sistema[editar]

Los grupos de presión pueden instalarse con varias configuraciones:

  • Grupos de presión directos: Sistema donde el grupo de presión está conectado directamente a la red de suministro de agua y la bombea a todo el edificio.
  • Sistemas divididos en zonas. Un número de grupos se conectan a la red de suministro de agua o a un tanque de ruptura para bombear el agua, cada uno a su zona correspondiente.
  • Sistemas con depósito en tejado. En este caso, un grupo de presión llena un tanque en el tejado y el agua cae por gravedad hasta el suministro de agua de cada usuario. Este sistema suele incorporar un grupo de presión que suministra agua a las plantas superiores cuando la presión es muy baja debido a altura geométrica insuficiente[24]​. El sistema se utiliza cada vez menos debido a los problemas que generan los depósitos de intemperie, sobre todo; falta de higiene y riesgo de proliferación de la legionella, aunque estos problemas se pueden solventar con un buen aislamiento y un estricto programa de mantenimiento y limpieza.
  • Grupos conectados en serie con tanques de presión intermedios. Utilizada para alimentación de edificios de gran altura. En esta configuración, cada depósito de presión se encarga de suministrar a su zona, formada por los puntos de consumo que están a su altura o por encima de él. Los grupos se instalan en plantas sucesivas.
  • Grupos conectados en serie sin tanques de presión intermedios. Los grupos se conectan directamente en serie. Se pueden situar aljibes intermedios que alimenten a las plantas inferiores por gravedad.

Notas y referencias[editar]

  1. generalmente el situado más alto y más alejado del punto de entrada de la red general
  2. Presión residual recomendada en la DBHS4 del Código Técnico de la Edificación de España en la salida de los grifos de aparatos sanitarios
  3. Por ejemplo un fluxor o válvula de descarga necesita 150 kPa, ya que es un grifo de cierre automático capaz de brindar un gran caudal de agua en un corto espacio de tiempo. Se emplea en inodoros, urinarios y vertederos, sobre todo en edificios públicos. También se necesita la presión indicada por el fabricante, si se trata de aparatos especiales; como una caldera individual, un calentador o un equipo de tratamiento de agua
  4. En algunas reglamentaciones, como la española, se prohíbe la conexión directa de bombas con la red, para prevenir posibles retornos incontrolados. En estos casos, se intercala entre la red y la aspiración de las bombas, un depósito de ruptura de capacidad consecuente con el caudal de las bombas.
  5. la membrana consiste en una botella de butilo, copolímero de polipropileno o un material elástico similar que se acopla a la boca de entrada de agua del depósito
  6. El número de bombas viene indicado en la norma UNE 149.202:2013 en su apartado 5.3.1.1
  7. Se adoptan también otras ubicaciones dependiendo de la configuración del sistema de sobreelevación
  8. En España, La Norma Básica de suministro de agua del año 1975, actualmente derogada, consideraba las viviendas clasificadas en categorías A,B,C,D y E, cada una con su caudal necesario en función del número de cuartos húmedos de la vivienda
  9. Reglamento actualmente en vigor en España, conformado con las Directivas Europeas correspondientes. https://www.codigotecnico.org/images/stories/pdf/salubridad/DBHS.pdf
  10. Empiezan siendo la mitad en las primeras 10 viviendas y llegan a la cuarta parte para 100 viviendas
  11. Se establece una velocidad mínima para evitar la sedimentación y la formación de incrustaciones. El límite superior se corresponde con el ruido de circulación máximo permitido. De ahí que sea mayor lo admitido para tuberías de plástico
  12. Se puede considerar sin problemas, la simplificación: 100 kPa = 105N/m2 = 10 m.c.a = 1 kg/cm2= 1 atm= 1 bar= 14,5 psi
  13. En el caso de presión de entrada negativa, habrá que añadir a la altura geométrica de aspiración
  14. De fábrica suelen venir cargados con nitrógeno por ser un gas inerte y no facilitar la oxidación, pero acaban estando llenos de aire por su inmediata disposición para la recarga.
  15. Cálculo según UNE 149202: 2013 para depósitos hidroneumáticos situados en la impulsión.
  16. Cuando se dimensiona el depósito, se debe considerar la frecuencia del número de arranques del motor en la bomba. Si el tanque es demasiado pequeño, la demanda de distribución normal extraerá el agua útil del tanque rápidamente y los arranques de las bombas serán demasiado frecuentes. Un ciclo muy frecuente causa un desgaste innecesario de la bomba y un consumo excesivo de potencia. No hay un criterio único en el número de arranques, uno razonable puede ser de 12 a 30 para instalaciones pequeñas, 8 a 12 para instalaciones medianas y 4 a 8 para instalaciones grandes
  17. En cuanto al número de bombas la reglamentación española ofrece un criterio de un mínimo de dos bombas para caudales de hasta 10 dm3/s, tres para caudales de hasta 30 dm3/s y 4 para más de 30 dm3/s
  18. Un variador de frecuencia es un dispositivo electrónico que convierte una corriente alterna de una determinada frecuencia en otra de distinta frecuencia. Teniendo en cuenta que la velocidad síncrona de un motor de corriente alterna (CA) está directamente relacionada con la frecuencia de AC suministrada, los variadores de frecuencia se utilizan para regular la velocidad de los motores utilizados en bombas y ventiladores
  19. Las configuraciones de los grupos de presión están definidas en la norma UNE 149202:2013
  20. El rebosadero es un orificio de salida situado unos 15 a 20 cm del borde del depósito, del que parte un tubo de evacuación que conducirá el agua al desagüe, en caso de que falle el sistema de cierre del llenado
  21. El llenado también se puede hacer mediante válvula de flotador de tipo mecánico, en cuyo caso, la electroválvula será N.A. y actuará como seguridad tras una avería del flotador, para evitar la pérdida continua de agua a través del rebosadero
  22. En algunos lugares como en España, es obligatorio el uso de depósitos auxiliares, excepto si las bombas son de caudal variable, en cuyo caso es obligatoria la protección de funcionamiento en seco
  23. Con este tipo de control, la utilización de válvulas reductoras de presión puede no ser aconsejable, ya que pueden falsear las lecturas de presión, en cuyo caso será mejor optar por zonificar el edificio
  24. Aún así, el ahorro energético es considerable, ya que el grupo utilizado no requiere más presión que la residual que se quiere obtener a punta de grifo

Bibliografía[editar]