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Martes, 01 Mayo 2018 08:54

Diseño y cálculo de grupos de presión bajo la Norma UNE 149202

foto 1 calculo diseno gpresion0Uno de los aspectos que en 2006 el Documento Básico HS4 del Código Técnico de la Edificación – CTE – trató de forma más dispersa fue el diseño y dimensionado de los grupos de presión para las instalaciones interiores en edificios

 

Bajo esta consideración, hubo que esperar a la publicación en 2008 de la Norma UNE 149201 - Abastecimiento de agua. Dimensionado de instalaciones de agua para consumo humano dentro de los edificios, actualizada por cierto en 2017, donde se referenciaban, aunque de forma imprecisa e incompleta, diferentes aspectos relativos al diseño y cálculo de los equipos de presurización. Aún así, no fue hasta 2013 cuando AENOR publica la Norma UNE 149202 sobre Equipos de Presión en Instalaciones Interiores de Agua, gracias al trabajo del Comité AEN/CTN 149, Ingeniería del Agua, su subcomité correspondiente, en este caso el SC 2- Abastecimiento y especialmente a los componentes del Grupo de trabajo GT 2, Equipos de presión, formado por empresas distribuidoras, fabricantes, expertos y entidades tan representativas como Conaif.

Aún a pesar de disponer de este documento en el que se recogen las bases para el correcto diseño de las diferentes configuraciones de un grupo de presión y se especifica entre otros el procedimiento de dimensionado para cada uno de las modalidades de suministro, a fecha de hoy, es un documento muy inadvertido entre los profesionales del sector y al que bajo mi criterio se han dedicado pocos esfuerzos de difusión.

En el presente artículo se trata de elaborar un breve resumen del contenido de esta Norma en su apartado de dimensionado, con el propósito de arrojar un poco de luz a un apartado tan importante como es la presurización del agua en las instalaciones de un edificio, materia que en demasiadas ocasiones queda en manos de los propios fabricantes que en demasiadas ocasiones asumen la tarea que correspondería a prescriptores y técnicos. 

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1- Objetivo y ámbito cubierto por la UNE 149202

Uno de los objetivos esenciales de esta Norma, es ampliar lo prescrito en la ya citada Norma UNE 149201 en relación con los equipos de presión, e incorporación de mejoras tecnológicas o nuevas tecnologías relativas a la presurización del agua en edificios. Paralelamente a ello, se pretende disponer de un documento en el que se reflejen una serie de pautas para garantizar un abastecimiento fiable, eficaz y seguro, así como servir de referencia en las posibles modificaciones de legislaciones de aplicación, como sería el caso de una pendiente revisión de contenidos del DB – HS4 del CTE.

Del mismo modo que se prescribe para el CTE, la Norma UNE 149202, es aplicable a las instalaciones de agua para consumo humano de los edificios de nueva construcción, así como en ampliaciones, modificaciones, reformas o rehabilitaciones de las existentes en las que se amplíe o no el número o capacidad de los puntos de consumo o aparatos receptores existentes. Aun así y mientras esta norma no quede señalada expresamente en una futura revisión y publicación del DB-HS4 del CTE permanecerá como un documento o norma de referencia y aconsejado cumplimiento.

Quedan excluidos del ámbito de aplicación de esta norma, los edificios con un caudal de cálculo (cauda simultáneo – Qs) inferior 1 l/s, por lo que en casos como viviendas unifamiliares, casas adosadas e incluso edificios residenciales con pocos usuarios quedan al margen de la aplicación de la misma.

2- Sistemas de presurización según Norma UNE 149202

Según la Norma UNE 149202, la configuración del grupo de presión podrá ser de alguna de las siguientes formas:

> Alimentación indirecta, mediante depósitos auxiliares atmosféricos: Las bombas se alimentarán desde uno o varios depósitos auxiliares de tipo atmosférico.

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> Alimentación directa: Las bombas se alimentarán directamente desde la tubería conectada a la red de suministro (tubo de alimentación) y sin la intervención de depósitos auxiliares, lo cual obligará a instalar un dispositivo de protección contra el funcionamiento en seco, para evitar el gripado de las bombas. 

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.

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> Alimentación mixta o mediante depósitos auxiliares presurizables: Las bombas se alimentarán desde uno o varios depósitos auxiliares de membrana o presurizables situados en el lado de aspiración de la bomba. Su funcionamiento se controlará mediante un variador de frecuencia.

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3- Tipología de los equipos

La configuración de los equipos así como el funcionamiento de las bombas en estos, podrán ser en función de su sistema de control:

> Equipos de presión de velocidad fija, habitualmente mediante depósitos de membrana y presostatos.

> Equipos de presión de velocidad variable con variador de frecuencia único.

> Equipos de presión de velocidad variable con variador de frecuencia por bomba.

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4- Número de bombas 

Tal y como se cita en el apartado 5.3.1.1 de la UNE 149.202 se deberán disponer dos o más bombas principales con funcionamiento alterno (en cada arranque de la bomba arrancará una bomba distinta), montadas en paralelo. El conjunto de estas bombas, excluyendo la de reserva, debe ser capaz de suministrar el caudal de cálculo o simultáneo (Qs) previsto con una presión igual o superior a la de suministro. En coincidencia con lo señalado en el HS4 del CTE, Se dispondrán dos bombas para caudales de hasta 10 l/s, tres para caudales de hasta 30 l/s y 4 para más de 30 l/s.

5- Bombas de reserva

Uno de los aspectos que generan más dudas en el diseño de grupos de presión para edificios es la necesidad de proyectar bombas de reserva, por lo que la UNE 149202 nos señala en relación a este tema es que en general se deberá disponer de al menos una bomba de reserva, de igual potencia que el resto de bombas principales. Excepcionalmente se podrá prescindir de ella, cuando se cumplan de forma simultánea dos premisas:

>Caudal de cálculo o simultáneo (Qs) ≤ 3 l/s.

> Potencia unitaria de cada bomba ≤ 4 kW.

6- Dimensionado de grupos de presión convencionales de velocidad fija (Depósitos de membrana)

En este caso, el equipo estará formado esencialmente por:

> Depósito auxiliar atmosférico de alimentación (en caso de que se permita)

> Grupo de presurización compuesto por un mínimo de dos bombas

> Depósito de presión hidroneumático (calderín o depósito de membrana)

6.1- Dimensionado del depósito auxiliar atmosférico de alimentación

Deberán cumplir la legislación vigente y a efectos sanitarios cumplir con la Norma UNE 100030 IN, dado que el Documento Básico HS4 del CTE en su apartado 4.5.2.1, señala las pautas para el dimensionado de este elemento se seguirá el criterio establecido en dicho apartado, por lo que el dimensionado responderá a la siguiente expresión:

  V = Qs x t x 60

Donde:

V (l.): Volumen del depósito auxiliar

Qs (l/s): Caudal de cálculo o simultáneo (puede ser el máximo o el parcial estimado a presurizar)

t (min.): Tiempo estimado para permitir la reposición del agua en el depósito (de 15’ a 20’) 

En cualquier caso y como complemento a la citada expresión, se cumplirán también los preceptos de la Norma UNE-149202, sobre características e instalación de depósitos auxiliares atmosféricos, así como los del resto de la legislación vigente que los afecte. Ej. HS4-CTE.

6.2- Caudal de las bombas

El conjunto de bombas que componen el equipo de presión, debe proporcionar un caudal mayor o igual que el caudal de cálculo (Qc) a la presión de suministro.

  Qs ≈ Qc

Donde:

Qs (l/s.): Caudal de las bombas

Qc (l/s): Caudal de cálculo o simultáneo (puede ser el máximo o el parcial estimado a presurizar)

Es decir, para su consideración se tomaran los datos reflejados en el apartado 2.1.3 del Documento Básico HS4 del CTE, así como lo señalado para la obtención de caudales de cálculo (simultáneo) en la Norma UNE 149201:2016.

6.3- Presión mínima de arranque 

Según la Norma UNE-149202 la presión mínima de arranque de la bomba debe ser igual o superior a la presión mínima de suministro (Ps), por lo que se deduce que:

       Pb ≈ Ps = PdmÌn + Pf + Hg/10,2

Donde:

Pb (bar): Presión de arranque

Ps (bar): Presión de suministro

Pdmin (bar): Presiíon dinámica mínima para el punto de consumo más desfavorable (1bar/1,5bar-HS4)

Pf (bar): Pérdida de carga total o final por fricción o rozamiento, tanto de tipo lineal como localizada 

Hg (m.): Altura geométrica de la instalación hasta el punto máximo de alimentación

6.4- Presión máxima de paro

En coincidencia con lo señalado en el HS4 del CTE, el diferencial de presión máximo del equipo debe estar comprendido entre 2 y 3 bar por encima de la presión de arranque del equipo, correspondiendo a la diferencia entre la mínima presión de arranque (última bomba en arrancar) y la presión de paro máxima (última bomba en parar), por lo que:

Pp = Pb + 2 bar Û 3 bar

Donde:

Pp (bar): Presión máxima de paro

Pb (bar): Presión mínima de arranque

6.5- Volumen del depósito de presión hidroneumátic

Para el dimensionado del volumen exterior mínimo del depósito hidroneumático de un equipo de presión se utilizará la expresión:

  Vext  = 900 x Qc x (Pb + d + 1)   /  n x d x b

Donde: 

Vext (l.) Volumen exterior del depósito hidroneumático 

Qc (bar): Caudal de cálculo ó caudal simultáneo de la instalación

Pb (bar): Presión mínima de arranque

d (bar): Diferencial de presión entre arranque y paro 

n: Número máximo de arranques/hora recomendado por el fabricante en función de la potencia del motor y del tipo de arranque (ver anexo E - UNE-149202)

b:  Nº de bombas (incluyendo la de reserva)

Con independencia del valor obtenido, se establecerá un volumen mínimo para este caso de 200 l.

6.6- Potencia eléctrica (en el eje de la bomba – P3)

Se entenderá como concepto de potencia eléctrica de la bomba, la resultante de la potencia absorbida por el eje de la bomba, es decir la transformable en potencia útil (transferida por el rodete impulsor de la bomba al agua), por lo que se atenderá en este caso al siguiente desarrollo:

Para el caso de bombas (centrífugas) con motores trifásicos

    Kw  = Qs x Hm x y   /   367 x ηh

Donde: 

Qs: Caudal simultáneo o caudal de cálculo (m3/h)

Hm: Altura manométrica (Hg + Δp)

y: Peso específico del agua (y =1)

ηh: Rendimiento hidráulico en %

Nota: Destacamos que en este caso se podrá considerar también el cálculo de la potencia absorbida de la red, entendida como consumo de potencia o potencia activa – P1; así como la potencia nominal, entendiéndose como la máxima potencia suministrada por el motor – P2 (atender al siguiente gráfico).

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7- Dimensionado de grupos de presión de velocidad variable (con variador de frecuencia)

Para el dimensionado de estos equipos se deberá tener en cuenta que el equipo puede presentar dos configuraciones distintas:

> Equipos con bombas controladas desde un único variador de frecuencia.

> Equipos con variador de frecuencia independiente por cada bomba (variadores mochila).

Nos centraremos en el caso de los equipos con variador de frecuencia único. Tal y como señala el apartado 5.3.3 de la Norma, estos equipos pueden prescindir del depósito auxiliar de alimentación (atmosférico o presurizado) al contar como mínimo con un variador de frecuencia, que acciona las bombas asegurando la presión de salida necesaria, independientemente al caudal solicitado.

7.1- Caudal de las bombas

El conjunto de bombas que componen el equipo de presión, debe proporcionar un caudal mayor o igual que el caudal de cálculo (Qc) a la presión de suministro.

Qs ≈ Qc

Donde:

Qs (l/s.): Caudal de las bombas

Qc (l/s): Caudal de cálculo o simultáneo (puede ser el máximo o el parcial estimado a presurizar)

Es decir, para su consideración se tomaran los datos reflejados en el apartado 2.1.3 del Documento Básico HS4 del CTE, así como lo señalado para la obtención de caudales de cálculo (simultáneo) en la reciente revisión de la Norma UNE 149201:2017.

7.2- Presión de consigna 

Se considera Presión de consigna a la presión de salida necesaria del equipo de presión, que deberá ser como mínimo igual a Ps, recordando la expresión para el caso anterior.

Pb ≈ Ps = PdmÌn + Pf + Hg/10,2

Donde:

Pb (bar): Presión de arranque

Ps (bar): Presión de suministro

Pdmin (bar): Presiíon dinámica mínima para el punto de consumo más desfavorable (1bar/1,5bar-HS4)

Pf (bar): Pérdida de carga total o final por fricción o rozamiento, tanto de tipo lineal como localizada 

Hg (m.): Altura geométrica de la instalación hasta el punto máximo de alimentación

*7.3- Volumen del depósito hidroneumático de reserva

*Si bien los equipos con variador de velocidad podrían prescindir de depósito hidroneumático, dado que regulan automáticamente el funcionamiento de las bombas en función de la demanda de consumo que se produce en cada momento, se debe garantizar su existencia con el propósito de dotar al equipo de una reserva mínima de agua presurizada en el caso de funcionamiento de emergencia en el que hubiera que actuar mediante control por presostatos. Atendiendo a la siguiente expresión: 

      Vext  =   900 x Qc x (Pb + d + 1) / 4 x n x d x b

Donde:

Vext (l.) Volumen exterior del depósito hidroneumático 

Qc (bar): Caudal de cálculo ó caudal simultáneo de la instalación

Pb (bar): Presión mínima de arranque

d (bar): Diferencial de presión entre arranque y paro 

n:  Número máximo de arranques/hora recomendado por el fabricante en función de la potencia del motor y del tipo de arranque (ver anexo E - UNE-149202)

b: Nº de bombas (incluyendo la de reserva)

Para este depósito se establecerá con independencia del valor resultante un volumen mínimo de 200 l. 

Nota: En el supuesto de equipos con variador de frecuencia independiente por bomba, los parámetros en cuanto a previsión de caudal y presión de consigna serán los mismos que para el caso anterior. En este caso el volumen del depósito hidr neumático de reserva por emergencias será como mínimo de 5 l.

7.4- Potencia eléctrica 

Para el cálculo de potencia requerida en sistema de presurización a velocidad variable, es decir, con control mediante variador de frecuencia, atenderemos a las llamadas leyes de afinidad, por lo que en este caso la potencia es proporcional al caudal elevado al cubo, según las siguientes expresiones:

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Por lo que al aplicar la fórmula para el cálculo de la potencia estaremos condicionados a conocer el valor del caudal, la velocidad i la presión requerida para cada fase de la impulsión, existiendo software específico para el cálculo de las bombas y grupos de presión tanto para el control convencional como para el control por medio de variadores de frecuencia. En la práctica el fabricante o distribuidor de los equipos, en función de las variables de caudal y altura manométrica de impulsión, así como de otros parámetros y variables, entre las cuales las curvas específicas para cada modelo de bomba o mediante el software correspondiente, pueden facilitarnos la potencia requerida a cada circunstancia.

La limitación de páginas para este artículo, no hace posible ampliar los contenidos en ninguno de sus apartados, aún así, existen infinidad de manuales y guías técnicas que de un modo u otro profundizan en aspectos técnicos relacionados con la selección de las bombas y equipos de presurización de agua para edificios, aunque no siempre basados en la aplicación de la norma española, detallada aquí.

Bibliografía de consulta: Norma UNE 149202/2013; Norma UNE 149201/2017; Documento Básico HS4 del Código Técnico de la Edificación – CTE; Dibujos cedidos por cortesía de Ebara España Bombas S.A; Manual de bombeo de Grundfos; Apéndice Técnico Bombas Espa

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