diseÑo de un sistema de aprovechamiento de aguas …
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DISEÑO DE UN SISTEMA DE APROVECHAMIENTO DE AGUAS LLUVIAS
PARA LA FACULTAD TECNOLÓGICA DE LA UNIVERSIDAD DISTRITAL
FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
ANDERSON GEOVANNY BAUTISTA ARÉVALO
JESUS SAMUEL SÁNCHEZ SÁNCHEZ
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
PROYECTO CURRICULAR DE TECNOLOGÍA MECÁNICA
BOGOTÁ D.C
2018
DISEÑO DE UN SISTEMA DE APROVECHAMIENTO DE AGUAS LLUVIAS
PARA LA FACULTAD TECNOLÓGICA DE LA UNIVERSIDAD DISTRITAL
FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
ANDERSON GEOVANNY BAUTISTA ARÉVALO
20142374112
JESÚS SAMUEL SÁNCHEZ SÁNCHEZ
20142374098
PROYECTO DE GRADO
TUTOR: YISSELLE ACUÑA HEREIRA IM, MSc
PROYECTO CURRICULAR DE TECNOLOGÍA MECÁNICA
FACULTAD TECNOLÓGICA
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
BOGOTÁ D.C
2018
NOTA DE ACEPTACIÓN
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FIRMA DEL JURADO
Dedicado a nuestros padres, madres y familiares que estuvieron presentes durante
este trayecto tan importante en nuestras vidas, porque con el apoyo que nos
brindaron hicieron que cada esfuerzo valiera la pena.
Agradecimientos totales a la Universidad Distrital Francisco José de Caldas y a esos
docentes por su arduo trabajo que durante estos años nos hicieron crecer en el
ámbito académico y personal.
CONTENIDO
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................. 10
1.1. ESTADO DEL ARTE ................................................................................ 12
1.2. JUSTIFICACIÓN ...................................................................................... 17
2. OBJETIVOS .................................................................................................... 19
2.1. GENERAL ................................................................................................ 19
2.2. ESPECÍFICOS ......................................................................................... 19
3. MARCO TEÓRICO ......................................................................................... 20
3.1. PRECIPITACIÓN ..................................................................................... 20
3.2. CAPTACIÓN ............................................................................................ 21
3.3. EFICIENCIA DE CAPTACIÓN ................................................................. 21
3.4. VOLUMEN DE CAPTACIÓN .................................................................... 21
3.5. BAJANTES Y CANALETAS ..................................................................... 22
3.6. INTENSIDAD DE PRECIPITACIÓN ......................................................... 22
3.7. CURVAS IDF ........................................................................................... 23
3.8. CAUDAL DE RECOLECCIÓN ................................................................. 23
3.9. CÁLCULO DE LA DIMENSIÓN DE LAS BAJANTES ............................... 23
3.10. CANALES ............................................................................................. 24
3.10.1. CANALES FIJOS ............................................................................... 25
3.10.2. CANAL ACCESIBLE .......................................................................... 25
3.10.3. CANAL PENDIENTE ......................................................................... 25
3.10.4. CANALES INTERIORES ................................................................... 26
3.10.5. CANALES DE REBALSE .................................................................. 26
3.10.6. CÁLCULO DE CAUDAL Y DIMENSIONES DE CANALES ............... 26
3.11. TANQUE DE ALMACENAMIENTO ...................................................... 28
3.12. SISTEMA DE BOMBEO........................................................................ 28
3.12.1. NPSH ................................................................................................. 28
3.12.2. PRESIÓN DE VAPOR ....................................................................... 29
3.12.3. CAUDAL ............................................................................................ 29
3.12.4. PÉRDIDAS POR FRICCIÓN ............................................................. 29
3.12.5. PÉRDIDAS MENORES ..................................................................... 29
3.12.6. ECUACIÓN DE CONTINUIDAD ........................................................ 29
4. DISEÑO DEL SISTEMA DE RECOLECCIÓN DE AGUAS LLUVIAS ............. 29
4.1. PRECIPITACIÓN ..................................................................................... 29
4.2. CAPTACIÓN ............................................................................................ 32
4.2.1. VOLÚMEN DEL TANQUE ................................................................. 33
4.3. TRAZADO DE LA LÍNEA DE RECOLECCIÓN ........................................ 34
4.4. CÁLCULO DE BAJANTES ....................................................................... 35
4.5. CÁLCULO DE LAS CANALES ................................................................. 40
4.6. ANALISIS DE ESTRUCTURAS EXISTENTES ........................................ 41
4.7. RAMA PRINCIPAL DE RECOLECCIÓN .................................................. 43
4.8. SISTEMA DE BOMBEO ........................................................................... 46
4.9. CONTROL AUTOMÁTICO DE LA BOMBA .............................................. 51
4.10. SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN .............................................................. 52
4.10.1. CONEXIÓN ALTERNA ...................................................................... 55
4.11. TANQUE DE RECOLECCIÓN SUBTERRÁNEO .................................. 56
4.12. COTIZACIONES ................................................................................... 57
5. RELACIÓN DE COSTO BENEFICIO ............................................................. 58
6. CONCLUSIONES ........................................................................................... 59
7. BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................... 60
8. ANEXOS ......................................................................................................... 62
LISTA DE TABLAS
Tabla 1 consumo bimensual de agua. Fuente: Sistema de Gestión Ambiental SGA
UD. ........................................................................................................................ 18
Tabla 2 coeficientes de impermeabilidad o escorrentia. Fuente: RAS título D. ..... 21
Tabla 3 dimensión de bajantes circulares. Fuente: NTC 1500 tabla 24. ............... 24
Tabla 4 dimensiones bajantes rectangulares. Fuente NTC tabla 25. .................... 24
Tabla 5 número de bajantes en función del área de captación de la cubierta.
Fuente NTC 1500. ................................................................................................. 24
Tabla 6 factor de tirante máximo para canales. Fuente NTC 1500. ...................... 26
Tabla 7 secciones de canales rectangulares y semicirculares en relación con el
factor de tirante. Fuente: NTC 1500. ..................................................................... 27
Tabla 8 características de los canales. Fuente: NTC 1500. .................................. 27
Tabla 9 parámetros para selección de dimensiones del canal. Fuente: NTC 1500.
.............................................................................................................................. 28
Tabla 10 precipitaciones promedio mensuales y anuales. Fuente: IDEAM. .......... 30
Tabla 11 precipitación promedio mensual. Fuente: IDEAM. ................................. 31
Tabla 12 área de las cubiertas de los bloques empleados. Fuente: elaboración
propia. ................................................................................................................... 32
Tabla 13 recolección mensual y anual de aguas lluvia. Fuente: elaboración propia.
.............................................................................................................................. 33
Tabla 14 volumen del tanque de almacenamiento. Fuente: elaboración propia. .. 33
Tabla 15 porcentaje de ahorro de agua. Fuente: elaboración propia. ................... 34
Tabla 16 pendientes teóricas y reales del trazado de la red de recolección. Fuente:
elaboración propia. ................................................................................................ 35
Tabla 17 caudales para las cubiertas del edificio bloque 7-8. Fuente: elaboración
propia. ................................................................................................................... 38
Tabla 18 caudales para las cubiertas del bloque 9. Fuente: elaboración propia. .. 39
Tabla 19 caudales para las cubiertas del bloque 11-12. Fuente: elaboración propia.
.............................................................................................................................. 39
Tabla 20 caudal de funcionamiento rama principal de recolección. Fuente:
elaboración propia. ................................................................................................ 44
Tabla 21 relación radio hidráulico. Fuente: CEPES, captaciones especiales........ 45
Tabla 22 selección diámetros de tuberías. ............................................................ 46
Tabla 23 coeficientes K de pérdidas por accesorios. Fuente: elaboración propia. 48
Tabla 24 relación de diámetros sistema de bombeo. Fuente: elaboración propia. 48
Tabla 25 relación número de Reynolds factor de fricción. Fuente: Robert Mott,
Mecániaca de Fluidos. .......................................................................................... 48
Tabla 26 relación cabeza caudal del sistema. Fuente: elaboración propia. .......... 49
Tabla 27 longitud red de distribución segundo piso. Fuente: elaboración propia. . 54
Tabla 28 longitud red de distribución primer piso.Fuente: elaboración propia. ..... 54
Tabla 29 cotización elementos mecánicos del diseño. Fuente: elaboración propia.
.............................................................................................................................. 57
Tabla 30 conste anual de funcionamiento de la bomba. Fuente: elaboración propia.
.............................................................................................................................. 58
Tabla 31 ahorro neto anual y recuperación de la inversión. Fuente: elaboración
propia. ................................................................................................................... 58
Tabla 32 cotizaciones vía telefónica. Fuente: elaboración propia. ........................ 63
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 curvas IDF para la ciudad de Bogotá D.C. Fuente: IDEAM. .................... 22
Figura 2 tipos de canales. Fuente: Universidad Tecnológica Nacional. ................ 25
Figura 3 distancia en línea recta desde la estación meteorológica hasta la Facultad
Tecnológica. Fuente: google Earth. ....................................................................... 30
Figura 4 promedios anuales de precipitaciones. Fuente: elaboración propia. ....... 31
Figura 5 promedio de precipitaciones mensuales. Fuente: elaboración propia. .... 31
Figura 6 indicación de los bloques seleccionados para el proyecto. Fuente:
Universidad Distrital Francisco José de Caldas. ................................................... 32
Figura 7 plano del trazado de la red de recolección y distribución del agua
captada. Fuente: elaboración propia ..................................................................... 34
Figura 8 curvas IDF para Bogotá D.C. Fuente: IDEAM. ........................................ 36
Figura 9 subdivisiones cubiertas del bloque 7-8. Fuente: elaboración propia. ...... 37
Figura 10 sub divisiones de las cubiertas del bloque 9. Fuente: elaboración propia.
.............................................................................................................................. 38
Figura 11 sub divisiones de las cubiertas del bloque 11-12. Fuente: elaboración
propia. ................................................................................................................... 39
Figura 12 bajantes existentes en el bloque 11-12. Fuente: toma propia. ............. 41
Figura 13 bajantes existentes bloque 9. Fuente: toma propia. .............................. 42
Figura 14 canales existentes bloque 11-12. Fuente: toma propia. ........................ 42
Figura 15 tanques disponibles en la plataforma del bloque 11. Fuente: toma
propia. ................................................................................................................... 43
Figura 16 diagrama sistema de bombeo. Fuente: elaboración propia. .................. 47
Figura 17 comportamiento cabeza caudal del sistema en relación con la bomba.
Fuente: elaboración propia .................................................................................... 50
Figura 18 punto de operación de la bomba seleccionada. Fuente: catálogo de
Barnes. .................................................................................................................. 50
Figura 19 niveles de líquido tipo electro inductivo. Fuente: eléctricas Bogotá. ..... 51
Figura 20 plano eléctrico conexión bomba y niveles. Fuente: elaboración propia. 52
Figura 21 red hipotética de distribución de agua recolectada. Fuente: elaboración
propia. ................................................................................................................... 53
Figura 22 plano conexión válvula solenoide, plan de contingencia. Fuente:
elaboración propia. ................................................................................................ 55
10
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El agua es el principal recurso natural del que depende la vida del ser humano y
otras muchas especies en el planeta tierra, siendo empleada desde la alimentación
hasta en procesos de producción; así que la dependencia que tenemos de éste
recurso nos lleva a tomar medidas importantes para su preservación, uso racional
y cuidado, ya que, de todo el recurso hídrico que existe en el planeta sólo el 2,5%
es agua dulce y un 0,4% está en condiciones para el uso de los seres humanos.1
“Del agua que técnicamente está disponible para consumo humano, sólo una
pequeña porción se encuentra en lagos, ríos, humedad del suelo y depósitos
subterráneos relativamente poco profundos, cuya renovación es producto de la
infiltración”(“Palacio Natalia,” 2010); por ende aunque el agua es abundante en el
planeta, no toda es de fácil acceso y en un porcentaje menor equivalente a un
promedio de 2.5% de la totalidad del líquido vital es dulce (apta para el consumo
humano y de un tratamiento menos complejo).
Al ser indispensable su consumo diario, se deben buscar formas de optimizar su
uso para así evitar desperdicios, contaminación y desabastecimiento; por ello es
que una buena idea es aprovechar el recurso hídrico de la lluvia para usos
industriales y sanitarios, así evitando el mal uso del agua potable, costos excesivos
en las facturas; y como en estos procesos no se requiere potabilizar el líquido,
termina siendo una medida económica y fácil de implementar. De esta manera surge
la necesidad de construir sistemas de recolección de aguas lluvias adaptados a
cada entorno, territorio y/o lugar geográfico distinto, nos permite aprovechar las
precipitaciones para usos cotidianos y de procesos industriales (que no vayan
dirigidos al consumo humano), especialmente ubicados en ciudades donde los
costos y la demanda del recurso hídrico suelen ser muy elevados.
Existen factores indispensables para la generación de la vida, pero el más
indispensable es el agua y la responsabilidad de este valioso recurso recae
únicamente en los seres humanos. Desde sus inicios la humanidad dentro de sus
únicas capacidades ha logrado convertir este valioso recurso en fuente de vida, de
trasporte, de lograr darle transformación, utilizarla en infinitos procesos industriales
y así mismo darle un desaprovechamiento excesivo. A lo largo de la historia, los
grupos nómadas, las comunidades y posteriormente las civilizaciones tuvieron
como factor determinante este valioso recurso, apropiándose de el en la
recolección, realizando asentamientos en fuentes hídricas, hasta en los últimos dos
cientos años haciéndola participe de los procesos de producción.
Según evaluaciones del IDEAM cerca del 50% de la población colombiana que vive
en las áreas urbanas municipales está expuesta a sufrir problemas de suministro de
1 Conagua, Agua en el mundo 2006
11
agua, como consecuencia de la presión sobre las cuencas hidrográficas y las
restricciones de uso por contaminación de las aguas superficiales”, donde se podría
llegar a pensar que un proyecto de los anteriormente mencionados podría ser una
posible solución para aquellas zonas.”
Colombia también ha comenzado con la incursión de estos proyectos y ha
fomentado al investigación junto con el desarrollo de los mismos, importante
aspecto para entrar a mirar viabilidad de una trabajo de recolección de agua que
proviene de la lluvia es identificar la cantidad que de esta se precipita del cielo, “En
Colombia, gracias a la alta disponibilidad de agua (57.000 m3 por habitante al año,
según estimativos del IDEAM), el aprovechamiento de las aguas lluvias no es una
práctica habitual y son muy específicas las regiones en las cuales hay un
almacenamiento de ésta para los usos domésticos.
Enfocando el panorama local, aunque es bien sabido que en Bogotá el suministro
de agua potable cubre el 99.94% de la población según el observatorio ambiental
de Bogotá siendo así un servicio de buena calidad al que casi todos los ciudadanos
tienen acceso, no podría tomarse el caso de que en la capital haya escasez de
agua, por el momento; entonces la problemática a manejar es el ahorro y uso
adecuado del preciado líquido, ya que, en la ciudad habitan más de ocho millones
de personas, la demanda y uso de agua son altísimas; por ello al conocer que en la
Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital hay más de siete mil estudiantes,
lleva a proponer una forma de ahorrar agua potable y sustituir parte de este
consumo con agua captada de la lluvia, así logrando disminuir de cierta manera los
costos que esto implica (consumo de una población de siete mil personas), utilizar
el agua potable de forma responsable y estar a la vanguardia en las practicas
sostenibles que permitan un adecuado desarrollo y crecimiento de la ciudad y el
país.
Actualmente en la Facultad existen dieciocho plantas sanitarias disponibles para los
estudiantes, de las cuales cuatro están ubicadas en el bloque once y doce (las más
utilizadas por la comunidad) debido a su ubicación central dentro de la Facultad
Tecnológica, además adyacente a los demás bloques ya nombrados se encuentran
los edificios siete, ocho y nueve que son solo de dos plantas, también en
inmediaciones del bloque once existe un espacio desocupado, poco concurrido y
muy cerca a los tanques superiores de distribución de agua lo que lo hace apto para
la ubicación del tanque de almacenamiento subterráneo, todo esto facilita y viabiliza
el diseño del sistema de recolección de aguas lluvias para las plantas sanitarias más
utilizadas; así pues lo más factible para el diseño es utilizar las áreas de los techos
de los bloques ya mencionados para la captación de aguas lluvias, conducirlas a un
tanque de almacenamiento subterráneo que a su vez conducirá a los tanques
superiores de distribución y así por ultimo pueda ser utilizada para usos sanitarios
12
1.1. ESTADO DEL ARTE
El adecuado aprovechamiento de los recursos naturales es una tendencia actual de
la investigación e innovación, por ende el agua no podía quedarse fuera de esta
directriz de conciencia ambiental. En este contexto, aplican las palabras del
“Seminario iberoamericano sobre sistemas de abastecimiento urbano de agua”
realizado en Brasil en el año 2006: “Las tecnologías para el aprovechamiento del
agua lluvia encajan muy bien dentro de los lineamientos del desarrollo sostenible,
ya que contribuyen al uso racional del agua y los recursos. Las nuevas tecnologías
y los materiales modernos permiten que los sistemas para el aprovechamiento de
agua lluvia sean factibles y estén al alcance de las comunidades donde se carece
de un suministro adecuado de agua”.2
Dada la necesidad latente de aprovechamiento del fluido vital la ciencia y la
tecnología han comenzado a generar investigación sobre cuidado de las fuentes
hídricas, de la buena utilización y aprovechamiento de este líquido, de tratamientos
químicos para su reutilización como también se ha designado una rama nueva que
aunque ha tenido investigación, aun no cobra esa fuerza vital, pero que ya está en
proyección que es esta la adecuada recolección de aguas lluvia dentro de un
sistema eficaz que permita la mayor recolección de agua y así mismo su buen
almacenamiento.
Dado este dato, es vital aprovechar el agua nombrada como dulce entre la cual se
encuentra el agua lluvia, generando así un uso a este recurso que ha venido
tomando fuerza para solventar la necesidad amplia de este líquido que ha
comenzado a escasear en algunos territorios del mundo y que se debe empezar a
retener donde las lluvias y las depresiones constantes permitirán esta labor. “En la
actualidad la práctica de recolección de aguas lluvias sigue siendo importante en
las regiones áridas o semiáridas del mundo, y la mayoría de las publicaciones
existentes sobre ésta técnica se basa en experiencias del Medio Oriente, Australia,
África del Norte, India, norte de México y sur este de Estados Unidos.
Recientemente han aparecido más publicaciones sobre experiencias en África
(Sub-Sahara y del Sur) y sobre América Latina. Estas publicaciones describen
algunas experiencias en México, Brasil y (en menor cantidad) en los Andes”3
2 Ballén Suárez, Ángel García, Orlando Mosquera, Historia de los Sistemas de Aprovechamiento de Agua Lluvia
Seminario Ibeoamericano, 2006
3 Ballén Suárez, Ángel García, Orlando Mosquera, Sistema de Aprovechamiento de Agua Lluvia para Vivienda
Urbana, Seminario Ibeoamericano, 2006
13
A nivel mundial en este nuevo amanecer de proyectos que se enfocan en nuestro
tema principal ya se han comenzado a tejer ideas, investigaciones y se han llevado
a cabo sistemas que logren recolectar y dar uso a la lluvia, un ejemplo ocurre en el
continente de Asia:
China es un país donde el agua escasea, su abundante población y pocos recursos
naturales hídricos llevo a presentar un proyecto durante una conferencia
internacional sobre ingeniería hidráulica dada en el año 2012, donde se es
presentado a modo groso los siguiente: en la actualidad, hay dos principales
técnicas probadas sobre aprovechamiento de aguas pluviales urbanas, que son de
influencia del techo y el desvío de la carretera. La captación del techo es que el uso
de la azotea de los edificios para almacenar agua de lluvia, tienda en la superficie o
bajo tierra, filtro y filtro de ósmosis inversa, y el uso original de la tubería para
transportar el agua de lluvia que luego es utilizada directamente por el usuario. El
desvío de la carretera es que la división de tuberías de aguas residuales urbanas y
el agua de lluvia recogida de los tubos. Tuberías de agua de lluvia recogida están
descentralizadas, los depósitos se colocan debajo de los espacios verdes, por el
cual el agua se recoge en días de lluvia, y se utilizan en los días soleados sin
tratamiento.
Llegan a concluir a su vez que “De acuerdo con el análisis anterior, es simple para
la tecnología de recolección de agua de lluvia y la utilización de carreteras y la
recogida de agua de lluvia del techo y el modo de utilización de la ingeniería que
también es fácil de implementar y los beneficios son excepcionales. Puede ser
utilizado como el modo preferido de ingeniería para la utilización del agua de lluvia
urbana en el norte de la ciudad que debe promoverse vigorosamente.”4 Donde
también tocan aspectos económicos y de desarrollo a favor de la comunidad.
También otros países como Alemania, México, Inglaterra, Malasia, Japón y
Singapur han comenzado a tomar acciones en la recolección de agua lluvia, siendo
aprovechada en edificios, ciudades, universidades incluso hasta campos de riego y
generando así hasta un 15% de ahorro en el consumo de agua potable.
A nivel nacional en la zona industrial se evidencia que pocas empresas hacen un
aprovechamiento del agua lluvia, “Almacenes Alkosto Venecia y Villavicencio, y a
excepción de la Universidad Nacional sede Bogotá y la Pontificia Universidad
4 Guo Fengtai, Mao xiaochao, Study on Rain water Utilization Engineering Mode in Northern Cities of China, International Conference on Modern Hydraulic Engineering, 2012
14
Javeriana, es desconocido el aprovechamiento tecnificado de aguas lluvias en
instituciones educativas.”5
Con base en lo anterior se puede reconocer en primera medida que en Colombia
existe el factor fundamental y principal para tener en funcionamiento un sistema
recolector de agua de lluvia, teniendo el sustento de que existe cantidad, intensidad
y climas prolongados donde este sistema obtendría gran materia prima, por así
llamarlo; otro punto fundamental y base del proyecto nos arroja que a nivel nacional
solo dos instituciones de educación superior han desarrollado un proyecto y un
prototipo funcional sobre esta idea, dando un pie para que la Universidad Distrital
Francisco José de Caldas en su Facultad Tecnológica pueda también incursionar.
El enfoque de la Universidad Javeriana como referente más cercano del desarrollo
de un proyecto de estas características fue “el grupo de investigación Ciencia e
Ingeniería del Agua y el Ambiente de la Pontificia Universidad Javeriana concibió un
proyecto a través del cual buscó analizar la viabilidad económica y técnica del
aprovechamiento del agua lluvia como una alternativa para ciertos usos dentro del
campus”6. Esta institución reconoció la importancia de comenzar a darle un
aprovechamiento al agua y se unió a la carrera de los investigadores que están
creando sistemas de recolección de aguas lluvias, también así demuestran que
tiene viabilidad más allá del papel y que es un reta para la ingeniería. Fueron
planteado los recursos que fueron necesarios para su construcción, el
planteamiento teórico, cálculos y diseños computarizados del sistema,
adicionalmente se fue tenido en cuenta aspectos económicos junto con la afectación
a la comunidad.
Se encuentra disponible una propuesta de un sistema de aprovechamiento de agua
lluvia, como alternativa para el ahorro de agua potable, en la institución educativa
maría auxiliadora de Caldas, Antioquia, que cuenta con un elaboración teórica sobre
el planteamiento de un sistema recolector de aguas lluvia para ser aprovechado en
una institución educativa secundaria, muestra que es claro que se debe tener en
cuenta impacto social, gran importancia en los diseños y cálculos para la realización
del proyecto en un paso a paso del desarrollo.
Los resultados que se muestran donde a lo largo de la historia, en un contexto
internacional y nacional sugieren que el aprovechamiento de agua lluvia es una
opción técnicamente viable, pero requiere de una inversión tanto económica como
investigativa inicial que puede ser alta sino se tienen los suficientes recursos que la
5 Natalia Palacios, propuesta de un sistema de aprovechamiento de agua lluvia, como alternativa para el ahorro de agua potable, Antioquia, 2010 6 Lina Niño, Franklin Castro, propuesta metodológica para el cálculo del volumen del tanque de almacenamiento de aguas lluvia, Universidad Nacional Nueva Granada, 2016
15
financien, por lo que puede representar una solución interesante para contribuir a la
gestión y el desarrollo sostenible de la Institución Educativa, siempre y cuando haya
apoyo externo a la misma para desarrollar éste tipo de proyectos que pueden llegar
a ser de vital importancia y empezar a marcar una tendencia sobre la recolecta de
este líquido vital.
Es necesario observar el aspecto político del cual se desprenden dos argumentos
fundamentales: primero se debe contemplar que a nivel nacional no existe una
política fuerte de cuidado de los recursos naturales, que incentive al desarrollo de
nuevas investigaciones con el fin de preservar y aprovechar en lo máximo posible
los recursos, por ende debe ser de valor propio el comenzar a entrar en estas
tendencias; por otro lado más favorable, tenemos libertad para que el proyecto
pueda realizar la recolección del líquido sin ninguna restricción, punto importante
porque existen países que reglamentan y/o prohíben la recolección libre del agua
de lluvia, como lo es en Estados Unidos, quien prohíbe a sus ciudadanos realizar
recolección del fluido que cae del cielo porque legalmente se normalizo como un
bien privado de la nación y para acceder a este a modo de tener almacenamiento
de agua lluvia puede ser sancionado sino se realiza lo que dicte la ley como un pago
o algún otro aspecto que más puntualmente la política impuesta permita.
Este ciclo del agua permite que existiese una constante a la hora de las lluvias, que
pueden estar determinadas por épocas e intensidades, pero Colombia por su
ubicación sobre la línea del ecuador tiene siempre una gran cantidad de
precipitaciones. De la anteriormente nombrada presentación en el seminario
iberoamericano presenta dicha conclusión, “la aplicación de la metodología se logró
concluir que actualmente los sistemas de aprovechamiento de agua lluvia son
factibles, en lugares con deficiencias en el suministro, baja calidad del agua o costos
elevados. Estos sistemas son más eficientes cuando se combinan con otras fuentes
de abastecimiento.”7 Existe una luz verde por parte de quienes ya afrontaron el reto
exponiendo que es un proyecto verdadero, importante y sostenible que puede ser
real y traspasa la meta de la teoría siendo como ellos enuncian que la idea es
factible.
Actualmente en Colombia no existe una normatividad que rija este tipo de iniciativas
e implementaciones, pero cursa en el Congreso de la República un proyecto de ley
radicado en el año 2017 que tiene por objetivo implementar e incentivar el
establecimiento de sistemas de recolección, tratamiento y aprovechamiento de
7 Ballén Suárez, Ángel García, Orlando Mosquera, Sistema de Aprovechamiento de Agua Lluvia para Vivienda
Urbana, Seminario Ibeoamericano, 2006
16
aguas lluvias y captación de energía solar en las edificaciones nuevas y
preexistentes en todo el territorio nacional, y que le da al Gobierno de Colombia la
responsabilidad de crear el Fondo Nacional para el Uso y Aprovechamiento de las
Aguas Lluvias y la Energía Solar, encargada de regular y estimular estas iniciativas.8
8 Congreso de la república de Colombia, normas para implementar e incentivar sistemas de recolección, tratamiento y aprovechamiento de aguas lluvias, 2017
17
1.2. JUSTIFICACIÓN
Se hace necesario implementar sistemas de recolección de agua lluvia, debido a
los altos costos de este líquido en las zonas urbanas, el riesgo de
desabastecimiento, los altos índices de contaminación que existen y la expansión
demográfica presente en todo el planeta. En Colombia estos sistemas no son muy
representativos, ya que, se cuenta con abundantes recursos hídricos llevando a la
sociedad a un estado de confort sin mayor preocupación por el uso adecuado del
agua, pero dicho estado está en riesgo de desaparecer debido al cambio climático,
malas prácticas y escazas políticas públicas de cuidado del recurso hídrico.
Sin lugar a dudas gran parte del agua que se requiere diariamente se gasta en usos
sanitarios y de limpieza, así como en procesos de manufactura, que en su mayoría
emplean agua potable que ha necesitado de procesos de desinfección y adecuación
para el consumo humano, y la regresan con algún tipo de contaminante, lo que lleva
a pensar que se está desperdiciando el líquido óptimo para consumo así como
también recursos monetarios implementados para procesos de potabilización.
Teniendo en cuenta que otras ciudades como Tokio y Berlín, han implementado
sistemas de recolección de aguas lluvias con el fin de abastecerse del líquido en
temporadas secas y para solucionar problemas de acumulaciones en los
alcantarillados, respectivamente, han tenido muy buenos resultados, ya que en
Berlín han logrado preservar el reservorio de agua subterránea.9 Así pues, es hora
que Colombia haga su aporte en cuanto a este tema y deje a un lado la zona de
confort en la que se encuentra, haciendo un uso adecuado del recurso hídrico,
preservando el agua potable e implementando sistemas de recolección de agua
lluvia.
La población estudiantil de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas es de
27298 estudiantes de los cuales el 26% es decir 7100 estudiantes pertenecen a la
Facultad Tecnológica convirtiéndola así en la que más población estudiantil tiene en
la Universidad y por ende la que más recursos de electricidad y agua requiere para
la atención de dicha población estudiantil.
9 Ballén Suárez, Ángel García, Orlando Mosquera, Historia de los Sistemas de Aprovechamiento de Agua Lluvia
Seminario Ibeoamericano, 2006
18
PERIODO CONSUMO (m3)
ENERO-FREBRERO 2166
MARZO-ABRIL 1986
MAYO-JUNIO 503
JULIO-AGOSTO 1552
SEPTIEMBRE-OCTUBRE 1552
NOVIEMBRE-DICIEMBRE 1552
PROMEDIO BIMENSUAL 1551,833333
Tabla 1 consumo bimensual de agua. Fuente: Sistema de Gestión Ambiental SGA UD.
Analizando la tabla N°1 observamos que el consumo promedio bimensual de agua
potable en la facultad Tecnológica es de aproximadamente 1551.83 𝑚3. Teniendo
en cuenta lo anterior y con el fin de promover prácticas de desarrollo sostenible,
ideas innovadoras implementando sistemas tecnológicos y lo más importante el
ahorro de agua potable, lleva a proponer un sistema de recolección de aguas lluvias
para dicha facultad, empleando el agua captada en usos sanitarios, riegos y
limpieza.
19
2. OBJETIVOS
2.1. GENERAL
Diseñar un sistema de recolección y distribución de aguas lluvias para los bloques
7, 8, 9,11 y 12 de la Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital Francisco José
de Caldas.
2.2. ESPECÍFICOS
Establecer la disponibilidad de aguas lluvias para captación durante el año
en la ciudad de Bogotá D.C.
Hacer un diagnóstico de los elementos y estructuras existentes actualmente
que puedan ser utilizados en el sistema.
Diseñar la red de tuberías, tanques y bombas para el aprovechamiento de
las aguas lluvias.
Elaborar el presupuesto del diseño
20
3. MARCO TEÓRICO
La práctica de recolección de aguas lluvias ha tenido una implementación en
muchos lugares con técnicas distintas, pero siempre obedeciendo tres principios
básicos como lo son la captación, la conducción y el almacenamiento. Dentro del
mismo documento del seminario iberoamericano de sobre sistemas de
abastecimiento de agua, trata la historia de la recolección de aguas, donde expresa
que “Diferentes formas de captación de agua de lluvia se han utilizado
tradicionalmente a través de la historia de las civilizaciones; pero estas tecnologías
sólo se han comenzado a estudiar y publicar recientemente”, con lo cual indica que
ha existido a lo largo del desarrollo de las comunidades una porción de recolecta de
este líquido, pero como se mencionó anteriormente, es relativamente nuevo el
proceso de investigación y desarrollo para la elaboración de sistemas eficaces
capaces de realizar una recolección del agua de lluvia, haciéndolo de una manera
efectiva; se ha puesto como tema de estudio para satisfacer proyectos modernos
como la protección del medio ambiente, el aprovechamiento del agua y la obtención
de este vital elemento para las comunidades donde escasea o es nula su existencia.
Los sistemas de captación o recolección de aguas lluvias es una de las soluciones
eficientes para hacerle frente a la escasez del preciado líquido en zonas del planeta
donde no hay fuentes superficiales, subterráneas o las existentes se encuentran
contaminadas por distintos focos; aunque otra forma de ver estos sistemas es el
ahorro de agua potable, sustituyendo esta por agua lluvia en usos que no la
requieren, como son en el uso sanitario.
Enfocándose en los parámetros, la parte más importante dentro del diseño de un
sistema de aprovechamiento de aguas lluvias, es la determinación de los volúmenes
de almacenamiento, seguido del potencial de ahorro de agua potable.
En el sistema de recolección de aguas lluvias se debe tener claro todo lo relacionado
con la mecánica de los fluidos, como lo son los tipos de pérdidas, las bombas,
tuberías, entre otros. Debido a que el fluido con el que se trabaja es agua, se conoce
sus propiedades físicas y químicas, así como también su fácil manipulación; por ello
se tiene todo esto en cuenta para que el diseño sea el más sencillo económico y
eficiente posible.
3.1. PRECIPITACIÓN
Es una forma de hidrometeoro que cae de la atmosfera y golpea en la superficie de
la tierra como lo es la lluvia, llovizna, granizo, nieve, también la cantidad de
precipitación sobre un punto de la superficie terrestre es llamada pluviosidad, o
monto pluviométrico (Se usa para medir la cantidad de precipitaciones caídas en un
lugar durante un tiempo determinado).
21
3.2. CAPTACIÓN
El área de recolección de agua lluvia en el cual se debe tener en cuenta el material
del tejado para garantizar que el agua captada no tendrá sustancias u olores
adicionales que contaminen el agua.
3.3. EFICIENCIA DE CAPTACIÓN
Depende del coeficiente de escurrimiento o escorrentía de los materiales en el
techo o área de captación, que puede variar entre 0 y 0,9. Éste coeficiente suele
denominarse con la letra C y nos permite hallar la fracción de la precipitación que
se convierte en escorrentía.10
Tabla 2 coeficientes de impermeabilidad o escorrentia. Fuente: RAS título D.
3.4. VOLUMEN DE CAPTACIÓN
Se determina mediante el producto de la precipitación, el coeficiente de
escorrentía y el área de captación; representa el volumen de agua neto que se
puede recolectar en un periodo de tiempo determinado mediante la siguiente
ecuación:
(Ecuación 1) 𝑉 =𝐴∗𝑃∗𝐶
1000 , Dónde:
V: volumen captado en m3
P: precipitación (mensual o anual, según sea el caso) en mm.
A: área de captación (cubierta, techo o suelo) en m2
C: coeficiente de escorrentía, adimensional.
10 Luis Henao Ministro de Vivienda, Sistemas de recolección y evacuación de aguas residuales domésticas y
aguas lluvias (RAS), (2016)
22
3.5. BAJANTES Y CANALETAS
Son el conjunto de canales y ductos hechos de diferentes materiales y de diferentes
formas que conducen el agua lluvia recolectada desde el techo o área de captación
hasta el sistema de almacenamiento. Las canaletas deben ser de materiales
resistentes al agua, livianos y que permitan un acople fácil entre sí para reducir al
máximo las pérdidas de agua, por lo general suelen ser de metal o de polímeros
(siendo el PVC el más usado). Para calcular las dimensiones de las bajantes y los
canales debemos conocer la intensidad de precipitación o lluvias para así hallar el
caudal de recolección.
3.6. INTENSIDAD DE PRECIPITACIÓN
Es la cantidad de lluvia caída o precipitada sobre cierta zona geográfica en un rango
de tiempo determinado, permitiendo así obtener un valor de referencia aproximado
con el cual se logra estimar el caudal y por ende el diámetro de la tubería de
conducción del agua lluvia recolectada.
Figura 1 curvas IDF para la ciudad de Bogotá D.C. Fuente: IDEAM.
23
3.7. CURVAS IDF
Estas curvas sintetizan las características de los eventos extremos máximos de
precipitación de una determinada zona y definen la intensidad media de lluvia para
diferentes duraciones de eventos de precipitaciones con periodos de retorno
específicos; constituyen la base climatológica para la estimación de los caudales de
diseño.11 El periodo de retorno es un estimativo de la probabilidad de ocurrencia de
un evento determinado en un periodo de tiempo.
3.8. CAUDAL DE RECOLECCIÓN
Para hallar este valor se emplea la fórmula del método racional con una sola
pendiente y teniendo en cuenta las características de precipitación y coeficientes de
escorrentía, como se indica en el RAS.
(Ecuación 2) 𝑄 = 𝐶 ∗ 𝐼 ∗ 𝐴 ∗ 𝐾, dónde:
Q: caudal (m3/s)
C: coeficiente de escorrentía del techo o cubierta.
I: intensidad de lluvia (m/s).
A: área de captación (m2).
K: coeficiente de rugosidad absoluta (0,0167 para tuberías de plástico).
3.9. CÁLCULO DE LA DIMENSIÓN DE LAS BAJANTES
Con base a la norma NTC 1500 es posible hallar el diámetro o sección de las
bajantes según corresponda si es circular o rectangular respectivamente:
11 Luis Henao Ministro de Vivienda, Sistemas de recolección y evacuación de aguas residuales domésticas y
aguas lluvias (RAS), (2016)
24
Tabla 3 dimensión de bajantes circulares. Fuente: NTC 1500 tabla 24.
Tabla 4 dimensiones bajantes rectangulares. Fuente NTC tabla 25.
Así mismo también es necesario calcular el número mínimo de bajantes que se
deben instalar teniendo en cuenta el área de captación.
Tabla 5 número de bajantes en función del área de captación de la cubierta. Fuente NTC 1500.
3.10. CANALES
Éstos son los encargados de recolectar a lo largo de la cubierta el agua
recolectada o captada y conducirla a los ductos bajantes. Existen varios tipos de
canales entre ellos:
25
Figura 2 tipos de canales. Fuente: Universidad Tecnológica Nacional.
3.10.1. CANALES FIJOS
Directamente en los aleros se colocan los soportes S fijados a la correa C, en
planchuelas galvanizadas de no menos de 25X3,2 mm, colocada entre 50 y 70 cm
de distancia, soportando canales que pueden ser de secciones simples (1a) o en
dos secciones (1b). Cuando se tienen techos cortos se emplea la canal en media
luna (2).12
3.10.2. CANAL ACCESIBLE
(3) este tipo de canal está diseñado para tener resistencia mayor y permitir el peso
de una persona cuando se necesiten hacer trabajos sobre él, para ello cuenta son
un soporte estructural (SE) y un tipo de tabla (T) en el fondo para obtener así mayor
resistencia.
3.10.3. CANAL PENDIENTE
(4) suelen hacerse con el fin de evitar el empozamiento en ellas, pero no son muy
comunes ya que sería necesario fabricar las chapas y accesorios a las diferentes
medidas, por ende entonces lo más usual es instalar la canal con una pendiente
mínima.
12 Nelson Bernal. (2013). Estudio técnico-económico de un sistema de aprovechamiento pluvial, para la planta
de producción de la compañía henkel colombiana s.a.s. Universidad Distrital Francisco José de Caldas
26
3.10.4. CANALES INTERIORES
Cuando es necesaria una solución entre dos techos, se adopta el canal (6) o
también se puede optar por (7) según sea el caso.
3.10.5. CANALES DE REBALSE
(8) este tipo de canal se diseña con el fin de que si ocurre una obstrucción
accidental, ésta no perjudique al interior de la edificación y el agua rebose hacia el
exterior, algo que no sucedería con la opción (9), ya que en ésta habría gran
posibilidad de que el agua se rebose hacia el interior del edificio.
3.10.6. CÁLCULO DE CAUDAL Y DIMENSIONES DE CANALES
En los canales recolectores de aguas lluvia suele emplearse la fórmula Manning
para hallar el caudal en éste, de la siguiente manera:
(Ecuación 3) 𝑄 =1
𝑛∗ 𝐴 ∗ 𝑅ℎ
2
3 ∗ √𝑆 , dónde:
Q: caudal (m3/s)
n: coeficiente de rugosidad.
A: área de la sección del flujo de agua (m2).
Rh: radio hidráulico (m).
S: pendiente de la línea de agua (m/m).
Al momento de calcular las dimensiones máximas del canal, se debe tener en
cuenta el factor de tirante (ft) en éste mismo; considerando el comportamiento
hidráulico, lo más común es emplear un canal de sección semicircular. En la tabla
número 5 podemos apreciar el factor de tirante máximo para canales semicirculares
o rectangulares.
Tabla 6 factor de tirante máximo para canales. Fuente NTC 1500.
Al considerar el caudal que captará cada cubierta, empleando la ecuación 3 y
considerando la información de la tabla número 6 podremos hallar las dimensiones
de los canales.
27
Tabla 7 secciones de canales rectangulares y semicirculares en relación con el factor de tirante. Fuente: NTC 1500.
SECCIÓN RECTANGULAR
SECCIÓN SEMICIRCULAR
Factor de tirante
Ft= b/B= 0,5 Ft= d/D= 0,3
Pendiente mínima
0,004 m/m 0,004 m/m
Velocidad mínima
0,6 m/s 0,6 m/s
Tabla 8 características de los canales. Fuente: NTC 1500.
Conociendo la información de la tabla anterior y habiendo hecho los cálculos
anteriormente nombrados, se finaliza el proceso de cálculo de los canales haciendo
uso de la tabla número 8 donde se relacionan las dimensiones con respecto al
caudal, la velocidad mínima y la pendiente.
28
SECCIÓN RECTANGULAR
B (mm) Ft P (m/m) Q (L/s) V max (m/s)
150
0,5
0,004 6,8 0,6
200 0,004 12,4 0,62
250 0,004 22,5 0,72
300 0,004 36,5 0,81
SECCIÓN SEMICIRCULAR
D (mm) Ft P (m/m) Q (L/s) V max (m/s)
150
0,3
0,009 2,67 0,6
200 0,007 5,05 0,64
250 0,005 7,73 0,62
300 0,004 11,2 0,63 Tabla 9 parámetros para selección de dimensiones del canal. Fuente: NTC 1500.
3.11. TANQUE DE ALMACENAMIENTO
El agua captada una vez en los canales es conducida por las bajantes y la tubería
principal de recolección hasta el tanque de almacenamiento, desde donde será
bombeada hacia lugares de distribución, según la norma DIN 1989 éste debe
cumplir con las siguientes especificaciones:
La cubierta o tapa del mismo debe evitar la entrada de polvo, insectos y la luz solar
directa.
Que no sea de más de 2m de altura para evitar las sobre presiones.
Tener dispositivos necesarios para el retiro y drenaje del agua.
Debe tener una entrada lo suficientemente grande para que permita el ingreso del
personal de mantenimiento.
Los materiales de los cuales puede ser construido son: fibra de vidrio, polietileno,
PVC, acero galvanizado, bloque de concreto.
3.12. SISTEMA DE BOMBEO
El sistema de bombeo es el que nos permite transportar el agua desde el tanque de
almacenamiento hasta los diferentes puntos de consumo o hasta otros tanques de
distribución, para que el diseño de éste, es necesario tener en cuenta los siguientes
parámetros:
3.12.1. NPSH
Es un parámetro importante en el diseño de un circuito de bombeo que ayuda a
conocer la cercanía de la instalación a la cavitación.
29
3.12.2. PRESIÓN DE VAPOR
Propiedad del fluido que determina las condiciones en que se forma burbujas de
vapor.
3.12.3. CAUDAL
Es la cantidad de fluido que circula a través de una sección, tubería, cañería, entre
otros, por unidad de tiempo, también se le suele llamar flujo volumétrico.
3.12.4. PÉRDIDAS POR FRICCIÓN
Ocurren con forme el fluido circula por tramos rectos en ductos y tuberías
ocasionando que la presión disminuya a lo largo de la tubería e incrementan la
potencia que una bomba debe transmitir al fluido.
3.12.5. PÉRDIDAS MENORES
Ocurren con forme el fluido circula por conductos de diferente tamaño; muchas de
éstas pérdidas ocurren en codos, válvulas, medidores y otros elementos de control.
3.12.6. ECUACIÓN DE CONTINUIDAD
En una tubería se cumple que el flujo másico que entra es igual al flujo másico que
sale, calculado con velocidad promedio en la sección transversal del ducto.
4. DISEÑO DEL SISTEMA DE RECOLECCIÓN DE AGUAS LLUVIAS
4.1. PRECIPITACIÓN
Se analiza la precipitación mensual entre el año 2002-2016 con el cual se conocerá
el promedio total anual (766.37 mm) como se indica en la tabla 10. Para estudio de
éste proyecto se toma la información meteorológica de la estación del colegio INEM
SANTIAGO PEREZ ubicado en la localidad de Tunjuelito, ya que, ésta se encuentra
a solo 2900 m de distancia de la Facultad Tecnológica Universidad Distrital
Francisco José de Caldas, en línea recta como se puede constatar con la
herramienta de Google Earth.
30
Figura 3 distancia en línea recta desde la estación meteorológica hasta la Facultad Tecnológica. Fuente: google Earth.
AÑO ENERO FEBRERO MARZO ABRIL MAYO JUNIO JULIO AGOSTO SEPTIEMBRE OCTUBRE NOVIEMBRE DICIEMBRE V. ANUAL
2002 28,1 40 77,2 102,6 60 78,83 27,00 36,23 37,03 83,05 39 30,07 639,11
2003 24,23 40 59,33 59,13 15,93 60,2 42,43 46,9 29,9 95 33,83 47,63 554,51
2004 1,03 40 77,2 102,6 60 46,63 59,23 46,9 29,9 105,9 87,1 72,7 729,19
2005 28,1 40 77,2 45 56,43 60,2 54,80 21,2 29,9 105,9 87,1 72,2 678,03
2006 28,1 40 77,2 102,6 60 120,9 63,33 32,9 53 105,9 87,1 72,2 843,23
2007 28,1 7,8 77,2 102,6 60 56,83 54,80 73,73 10,73 142,73 87,1 72,2 773,82
2008 28,1 40 77,2 102,6 60 50,2 54,80 91,93 29,9 105,9 87,1 52,33 780,06
2009 28,1 30,83 75,7 82,3 10,6 51,93 54,80 46,9 29,9 105,9 87,1 72,2 676,26
2010 28,1 40 77,2 102,6 60 60,2 119,70 44,5 53,8 156,3 190,5 161,9 1094,8
2011 68,8 65,9 131,5 208,1 151 44,5 55,20 64,2 25,9 170,9 177,5 128,1 1291,6
2012 66,4 62,2 115,43 102,6 31,7 42,1 37,10 51 16,1 107,6 33,6 84,8 750,63
2013 28,1 79,6 66,7 165,2 88,2 41 53,90 51,5 27,2 43,6 90,8 47,4 783,2
2014 40,6 65,2 46,4 74,1 62,3 59,2 35,50 22,7 34,4 107,4 98 95,1 740,9
2015 20,3 8 66,9 68,1 20,33 60,2 54,80 25,93 10,9 46,23 33,7 1,7 417,09
2016 2,93 5,4 55,63 119 103,3 60,2 54,80 46,9 29,9 105,9 87,1 72,2 743,26
PROM 29,939 40,329 77,199 102,609 59,986 59,541 54,813 46,895 29,897 105,881 87,109 72,182 766,379
Tabla 10 precipitaciones promedio mensuales y anuales. Fuente: IDEAM.
31
Figura 4 promedios anuales de precipitaciones. Fuente: elaboración propia.
Entonces la precipitación promedio mensual entre el año 2002-2016 será de 63.86
mm como se muestra en la tabla N°3
ENERO FEBRERO MARZO ABRIL MAYO JUNIO JULIO AGOSTO SEPTIEMBREOCTUBRE NOVIEMBREDICIEMBRE PROMEDIO
29,9393 40,32867 77,19933 102,60867 59,986 59,5413 54,812667 46,8946667 29,897333 105,880667 87,10867 72,182 63,864944
Tabla 11 precipitación promedio mensual. Fuente: IDEAM.
Figura 5 promedio de precipitaciones mensuales. Fuente: elaboración propia.
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
PR
ECIP
ITA
CIÓ
N M
EDIA
AN
UA
L (m
m)
AÑOS
PROMEDIO ANUAL DE LLUVIAS 2002-2016
020406080
100120
ENER
O
FEB
RER
O
MA
RZO
AB
RIL
MA
YO
JUN
IO
JULI
O
AG
OST
O
SEP
TIEM
BR
E
OC
TUB
RE
NO
VIE
MB
RE
DIC
IEM
BR
E
PR
OM
EDIO
PR
ECIP
ITA
CIÓ
N (
mm
)
MES
PROMEDIO MENSUAL DE PRECIPITACIONES
32
4.2. CAPTACIÓN
Como se mencionó anteriormente el sistema de recolección de aguas lluvias estará
adaptado para los bloques 7, 8, 9, 11 y 12 como se muestra en la figura 2, lo que
abarca un área de captación total de 1634,02 𝑚2 como se observa en la tabla N°3
Figura 6 indicación de los bloques seleccionados para el proyecto. Fuente: Universidad Distrital Francisco José de Caldas.
BLOQUE AREA (m^2)
9 452
11 y 12 931,68
7 y 8 250,34
TOTAL 1634,02 Tabla 12 área de las cubiertas de los bloques empleados. Fuente: elaboración propia.
Con los datos obtenidos se puede calcular la cantidad de agua recolectada como
se muestra en la tabla N°13 se utiliza la ecuación (1) la cual depende del área, la
33
precipitación y el coeficiente de escurrimiento (tejado) que en este caso es de 0.9
como se indica en la tabla N° 2.
𝐴𝑔𝑢𝑎 𝑟𝑒𝑐𝑜𝑙𝑒𝑐𝑡𝑎𝑑𝑎 =𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛∗𝐴𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑝𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛∗𝐶 𝑒𝑠𝑐𝑢𝑟𝑟𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜
1000 (Ecuación 4)
MES PRECIPITACIÓN MEDIA (mm)ÁREA (m^2)COEFICIENTE AGUA REC.
ENERO 29,93933 1634,02 0,9 44,029323
FEBRERO 40,32867 1634,02 0,9 59,308063
MARZO 77,19933 1634,02 0,9 113,53073
ABRIL 102,6087 1634,02 0,9 150,89815
MAYO 59,986 1634,02 0,9 88,216491
JUNIO 59,54133 1634,02 0,9 87,562557
JULIO 54,81267 1634,02 0,9 80,608494
AGOSTO 46,89467 1634,02 0,9 68,964141
SEPTIEMBRE29,89733 1634,02 0,9 43,967557
OCTUBRE 105,8807 1634,02 0,9 155,71001
NOVIEMBRE87,10867 1634,02 0,9 128,10357
DICIEMBRE 72,182 1634,02 0,9 106,15215
1127,0512TOTAL ANUAL
Tabla 13 recolección mensual y anual de aguas lluvia. Fuente: elaboración propia.
4.2.1. VOLÚMEN DEL TANQUE
Esto muestra que se podrá captar cerca de 1127.05 𝑚3 de agua en un año todo
esto con el fin de hallar el volumen o el tamaño del tanque para dicha necesidad de
agua, para lo cual se usa la ecuación (2)
𝑉. 𝑇𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 = 𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖.𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 𝑚𝑒𝑛𝑠𝑢𝑎𝑙∗𝐴𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑝𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛∗𝐶 𝑒𝑠𝑐𝑢𝑟𝑟𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜
1000 (Ecuación 5)
El valor obtenido lo dividimos en 30 días tendremos el volumen del tanque por día
lo cual da un tanque de 3.1𝑚3 como se ve en la tabla N°14.
Area (m^2) Coeficiente
1634,02 0,9
Vol. Tanque 3,13069787
Pre. Promedio
63,864944
Tabla 14 volumen del tanque de almacenamiento. Fuente: elaboración propia.
Teniendo en cuenta la demanda y oferta del agua en la facultad Tecnología se
podrán ahorrar aproximadamente 12.10% en un año como se indica en la tabla N°6
34
PERIODO DEMANDA (m^3) OFERTA (m^3) AHORRO (%)
ENERO-FREBRERO 2166 103,3373856 4,77088576
MARZO-ABRIL 1986 264,4288813 13,3146466
MAYO-JUNIO 503 175,7790479 34,9461328
JULIO-AGOSTO 1552 149,5726351 9,63741206
SEPTIEMBRE-OCTUBRE 1552 199,6775708 12,8658229
NOVIEMBRE-DICIEMBRE 1552 234,2557216 15,0937965
TOTAL 9311 1127,051242 12,1045134
Tabla 15 porcentaje de ahorro de agua. Fuente: elaboración propia.
4.3. TRAZADO DE LA LÍNEA DE RECOLECCIÓN
Como se puede observar en la figura 7 se evidencia el trayecto de la tubería de
captación de agua
Figura 7 plano del trazado de la red de recolección y distribución del agua captada. Fuente: elaboración propia
35
En todas las conexiones de la tubería de captación se debe cumplir una diferencia
de altura mínima del 0.5% de su longitud según la norma OS.060 del ministerio de
vivienda, construcción y saneamiento, con el fin de que el agua pueda viajar por
gravedad al tanque de almacenamiento; para obtener las pendientes existentes en
el trazado de la red de recolección se empleó un instrumento llamado nivel, de uso
propio para las mediciones topográficas donde se obtuvieron los datos expresados
en la tabla ver tabla 16.
TRAMODISTANCIA ENTRE
PUNTOS (mm)
ALTURA MÍNIMA
(0,5%)
A Y B 18880 94,4
B Y C 25470 127,3
C Y D 14620 73,1
D Y E 12740 63,7
DIFERENCIA DE ALTURAS
REAL (mm)
130
77
186
155
Tabla 16 pendientes teóricas y reales del trazado de la red de recolección. Fuente: elaboración propia.
Con lo cual cumple con el requerimiento para que el agua pueda viajar por gravedad
sin problemas en todos los tramos
4.4. CÁLCULO DE BAJANTES
Para calcular las bajantes es necesario conocer el caudal y por ende la intensidad
de lluvia, la cual obtenemos de las curvas IDF, las cuales se deben tomar en un
periodo de retorno mínimo de 15 años y una duración de 30 minutos (NTC 1500).
Por ello se toma la gráfica IDF de la estación del observatorio meteorológico
nacional en Bogotá proporcionado por el IDEAM y hallamos la intensidad de lluvia,
seleccionando un periodo de retorno de 50 años, ya que, la norma exige que sea
mínimo de 15 años y con la duración de 30 minutos.
36
Figura 8 curvas IDF para Bogotá D.C. Fuente: IDEAM.
Con base a la información arrojada por la figura número 5, se tiene que la intensidad
de lluvia en un periodo de retorno de 50 años en los primero 30 minutos es de 83,4
mm/h o 0,0000231 m/s para la ciudad de Bogotá.
Se toma como referencia el Bloque 7,8 de la Facultad Tecnológica para evaluar el
comportamiento del caudal dependiendo de la intensidad de lluvia encontrada, y así
calcular el valor del diámetro mínimo para las bajantes.
En la siguiente tabla se relaciona las subdivisiones de la cubierta del bloque 7,8 en
relación con los canales que van a evacuar el agua captada, es decir, debe haber
un canal para A, otro para BC y otro para D, de esta forma se conocerá el caudal
que habrá en cada una de las divisiones para así estimar los diámetros de las
bajantes y las dimensiones de los canales.
37
Figura 9 subdivisiones cubiertas del bloque 7-8. Fuente: elaboración propia.
Recordando la ecuación (2) 𝑄 = 𝐶 ∗ 𝐼 ∗ 𝐴 ∗ 𝐾, donde:
Q: caudal (m/s)
C: coeficiente de escorrentía del techo o cubierta.
I: intensidad de lluvia (m/s).
A: área de captación (m2).
K: coeficiente de rugosidad absoluta (tuberías plástico 0,016).
Se procede a calcular los caudales de cada cubierta es decir, para la cubierta A
tenemos:
D
BC
BA
38
𝑄 = 0.9 ∗0.0000231𝑚
𝑠∗ 102.23 𝑚2 ∗ 0,0167
𝑄 = 0.0000355 𝑚3
𝑠
BLOQUE 7-8
A BC D
ÁREA (m^2) 102,23 88,44 57,9
RUGOSIDAD K 0,0167 0,0167 0,0167
COEFICIENTE C 0,9 0,9 0,9
INTENSIDAD I 2,3167E-05 2,31667E-05 2,31667E-05
CAUDAL Q (m^3/s) 3,5596E-05 3,07944E-05 2,01605E-05
Q (L/s) 0,03559597 0,030794366 0,020160491 Tabla 17 caudales para las cubiertas del edificio bloque 7-8. Fuente: elaboración propia.
Los cálculos para los demás edificios se hacen de manera análoga. Mediante las
figuras 9,10 y 11 podemos saber las subdivisiones de cada cubierta, según sea el
sentido de escorrentia del agua, y así por cada subdivisión se necesita una canal y
dos bajantes por cada canal con forme dice la norma expresada en la tabla número
5.
Figura 10 sub divisiones de las cubiertas del bloque 9. Fuente: elaboración propia.
39
Sección A Sección B Sección C Sección D
ÁREA (m^2) 92,492 92,492 130,519 137,481
RUGOSIDAD K 0,0167 0,0167 0,0167 0,0167
COEFICIENTE C 0,9 0,9 0,9 0,9
INTENSIDAD I (m/s) 0,0000231 0,0000231 0,0000231 0,0000231
CAUDAL (m^3/S) 3,21126E-05 3,21126E-05 4,53153E-05 4,77324E-05
CAUDAL (L/S) 0,032112575 0,032112575 0,045315283 0,047732441
BLOQUE 9
Tabla 18 caudales para las cubiertas del bloque 9. Fuente: elaboración propia.
Figura 11 sub divisiones de las cubiertas del bloque 11-12. Fuente: elaboración propia.
Sección A Sección BC Sección D Sección E Sección F Sección G Sección H Sección I Sección J Sección K Sección L Sección M Sección N Sección O
ÁREA (m^2) 63,833 96,393 55,358 37,965 49,548 27,5 36,974 72,04 80,651 76,58 110,6315 118,597 70,346 36,88
RUGOSIDAD K 0,0167 0,0167 0,0167 0,0167 0,0167 0,0167 0,0167 0,0167 0,0167 0,0167 0,0167 0,0167 0,0167 0,0167
COEFICIENTE C 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9
INTENSIDAD I (m/s) 0,0000231 0,0000231 0,0000231 0,0000231 0,0000231 0,0000231 0,0000231 0,0000231 0,0000231 0,0000231 0,0000231 0,0000231 0,0000231 0,0000231
CAUDAL (m^3/s) 2,2162E-05 3,3467E-05 1,922E-05 1,3181E-05 1,7203E-05 9,5478E-06 1,2837E-05 2,5012E-05 2,8001E-05 2,6588E-05 3,841E-05 4,1176E-05 2,4424E-05 1,2804E-05
CAUDAL (L/s) 0,02216237 0,03346697 0,01921991 0,01318118 0,01720272 0,00954781 0,01283711 0,02501178 0,02800146 0,02658804 0,03841048 0,04117605 0,02442364 0,01280448
BLOQUE 11,12
Tabla 19 caudales para las cubiertas del bloque 11-12. Fuente: elaboración propia.
40
Ahora que se conoce los caudales de cada subdivisión o sección del techo, y
acudiendo a la tabla número 3, se puede concluir la dimensión que tendrá los
sumideros.
TABLA 3 dimensiones de bajantes circulares. Fuente: NTC 1500.
Ya que el caudal de operación máximo para el bloque 7,8 es de 0,035 L/s, para el
bloque 9 es de 0,047 L/S, y para el bloque 11 es de 0,04 L/s; entonces la mejor
opción es la de seleccionar el sumidero de un diámetro nominal de 50 mm porque
ninguno de los caudales es mayor a los 1,3 L/s y así asegurar la operación del
mismo en cada uno de los bloques.
4.5. CÁLCULO DE LAS CANALES
El tipo de canal utilizado se opta por uno de sección rectangular, ya que éste al tener
mayor área de contacto con el agua, permitirá que se decanten las impurezas, tierra,
piedras y demás más fácil obteniendo un líquido con menor cantidad de partículas.
Conociendo el caudal de operación de las bajantes, es decir, el caudal que tendrá
cada sub división de las cubiertas, se toma como referencia la tabla número 8,
dónde se opta por seleccionar una canal con base B de 150 mm y una altura b de
75mm porque el caudal en todos los casos es menor a los 6,8 L/s.
41
SECCIÓN RECTANGULAR
B (mm) Ft P (m/m) Q (L/s) V max (m/s)
150
0,5
0,004 6,8 0,6
200 0,004 12,4 0,62
250 0,004 22,5 0,72
300 0,004 36,5 0,81
SECCIÓN SEMICIRCULAR
D (mm) Ft P (m/m) Q (L/s) V max (m/s)
150
0,3
0,009 2,67 0,6
200 0,007 5,05 0,64
250 0,005 7,73 0,62
300 0,004 11,2 0,63
TABLA No.8 parámetros para seleccionar dimensiones del canal. Fuente NTC
1500.
4.6. ANALISIS DE ESTRUCTURAS EXISTENTES
Cabe resaltar que en los bloques 9, 11,12 de la universidad ya hay una estructura
de canales y bajantes como se muestra en las imágenes, pero el agua recolectada
va directo a los desagües del alcantarillado.
Figura 12 bajantes existentes en el bloque 11-12. Fuente: toma propia.
42
Figura 13 bajantes existentes bloque 9. Fuente: toma propia.
Por lo que se ha decidido tomar como base estas canales y bajantes para
complementar el diseño del sistema, no obstante también hay canales que no
cumplen con el requerimiento es decir no tienen 150 mm de base como muestra la
imagen.
Figura 14 canales existentes bloque 11-12. Fuente: toma propia.
En este caso se desprecia dicha existencia y se rediseña la canal que cumpla con
los requerimientos.
Con respecto a las bajantes, todas las existentes tienen el diámetro requerido de 50
mm para suplir el caudal máximo de operación.
43
Figura 15 tanques disponibles en la plataforma del bloque 11. Fuente: toma propia.
Existen ocho tanques de almacenamiento de 1 m3 cada uno ubicados en una
plataforma cerca al bloque 11, de ahí se puede utilizar dos de ellos y conectarlos en
serie para tener una capacidad de almacenamiento de 2 m3; ya que contando con
el tanque subterráneo de 1 m3 se cubre la capacidad de almacenamiento diaria
requerida hallada que es de aproximadamente 3 m3. En esa plataforma para el agua
lluvia recolectada, de ahí baja la red de distribución hasta los baños del bloque
11,12.
4.7. RAMA PRINCIPAL DE RECOLECCIÓN
Es la que se encarga de recolectar toda el agua proveniente de las bajantes y
dirigirla hasta el tanque de recolección, al conocer la intensidad de lluvias y el área
total de captación, se sabrá cuál será el caudal que llegará al final de ésta rama.
Recordando la ecuación (2) 𝑄 = 𝐶 ∗ 𝐼 ∗ 𝐴 ∗ 𝐾, donde:
Q: caudal (m/s)
C: coeficiente de escorrentía del techo o cubierta.
I: intensidad de lluvia (m/s).
A: área de captación (m2).
K: coeficiente de rugosidad absoluta (tuberías plástico 0,016).
Se procede a encontrar el caudal con que trabajará la red de recolección.
𝑄 = 0.9 ∗0.0000231𝑚
𝑠∗ 1634 𝑚2 ∗ 0,0167
44
𝑄 = 0.0005689𝑚3
𝑠
CAUDAL RAMA PRINCIPAL
ÁREA TOTAL (m^2) 1634
RUGOSIDAD K 0,0167
COEFICIENTE C 0,9
INTENSIDAD I (m/s) 2,31667E-05
CAUDAL Q (m^3/s) 0,000568951
Q (L/s) 0,56895063
Q (L/min) 34,1370378 Tabla 20 caudal de funcionamiento rama principal de recolección. Fuente: elaboración propia.
Para hallar el diámetro de la red principal de recolección, se toma la fórmula de
manning expresada de la siguiente manera:
(Ecuación 6) 𝐴𝑅2
3 = 𝑄∗𝑛
𝑆1/2 , dónde:
A: área mojada de la sección transversal (m2)
R: radio hidráulico (m)
S: pendiente del drenaje (m/m)
n: coeficiente de rugosidad de manning
Q: caudal máximo (m3/s)
Para determinar el diámetro usando ésta fórmula, se debe recurrir a la siguiente
tabla donde se relacionan el área, radio hidráulico, tirante y diámetro:
45
Tabla 21 relación radio hidráulico. Fuente: CEPES, captaciones especiales.
Basados en la tabla número 19 tomamos que la relación y/D es de 0,75 es decir,
que el tubo estará un 75% lleno en todo su recorrido.
Así se obtiene que A= 0,6318D2 y R= 0,3017D, ahora se reemplaza esto, Q de
operación, n (equivalente a 0,013 en tuberías de PVC) y S la cual se toma un valor
de 0,002748 (proveniente de una diferencia de alturas de 70 mm, que se encuentra
disponible en todos los tramos de la red)
El resultado es que el diámetro D= 66,98 mm y si se adecua a una medida de tubería
comercial, se selecciona un diámetro de 2½” y una longitud aproximada de 72 m.
46
4.8. SISTEMA DE BOMBEO
Tabla 22 selección diámetros de tuberías.
Se optó por seleccionar la tubería de succión de 1 ½ “y en la descarga de ¾” ya que
estos diámetros nos ofrecen unas pérdidas relativamente bajas, 0,06 m y 16 m
respectivamente.
Para el cálculo de la bomba, se debe conocer la fórmula de energía entre el punto
de succión (Punto 1) y de descarga (punto 2) es decir:
𝑃𝑇𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 1
𝛾+
𝑣12
2𝑔+ 𝑧1 + 𝐻 − ℎ𝑙 =
𝑃𝑇𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 2
𝛾+
𝑣22
2𝑔+ 𝑧2 (7)
La presión 1 es igual a la presión 2 e iguales a la presión atmosférica y las
velocidades son despreciables, por lo tanto se puede cancelar esos términos
semejantes quedando la ecuación de la siguiente manera:
𝑧1 + 𝐻 − ℎ𝑙 = 𝑧2 (8)
De la formula (8) podemos despejar H (la cabeza del sistema) en función de la
diferencia de alturas y las perdidas (hl) obteniendo:
𝐻 = (𝑧2 − 𝑧1) + ℎ𝑙 (9)
Como se sabe que hl= hf+hm y también se conoce que ℎ𝑓 = 𝑓𝑙
𝑑∗
𝑣2
2𝑔 y ℎ𝑚 = 𝑘
𝑣2
2𝑔
en la ecuación 9 se puede remplazar estos términos de la siguiente manera:
47
𝐻 = (𝑧2 − 𝑧1) + (𝑓𝑙
𝑑+ 𝑘) (
𝑣2
2𝑔) (10)
Para tener la formula general de la cabeza del sistema se debe cambiar el término
(𝑣2
2𝑔) en función del caudal y el área obteniendo lo siguiente:
𝐻 = (𝑧2 − 𝑧1) + (𝑓𝑙
𝑑+ 𝑘) (
𝑄2
2𝑔𝐴2) (11)
Donde:
(𝑧2 − 𝑧1)= Diferencia de altura entre el tanque 1 y 2.
𝑓= Factor de fricción
𝑙= Longitud del tramo (succión o descarga)
𝑑= Diámetro interno de la tubería
𝑘= Coeficiente de pérdidas por accesorios
𝑄= Caudal Requerido
𝑔= Gravedad (9.81)
𝐴= Área de la tubería
Cabe resaltar que la pérdida total (hl) será la suma de ℎ𝑙𝑠𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 y ℎ𝑙𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 para
poder remplazar en la ecuación (11)
Figura 16 diagrama sistema de bombeo. Fuente: elaboración propia.
48
Proceso Accesorios Coeficiente k (Perdidas) Total
1 Codo 90° 0,75
Valvula de pie con filtro 1,8
Descarga 6 Codos 90° 4,5 4,5
Succión 2,55
Tabla 23 coeficientes K de pérdidas por accesorios. Fuente: elaboración propia.
Como se puede observar, con los datos proporcionados se procede a calcular la
velocidad y número de Reynolds con el fin de hallar las especificaciones de la
bomba.
Teniendo en cuenta que: 𝑣 =𝑄
𝐴 y que el 𝑁°𝑅𝑒𝑦𝑛𝑜𝑙𝑑𝑠 =
𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑∗𝑑𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜
𝑉𝑖𝑠𝑐𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑐𝑖𝑛𝑒𝑚𝑎𝑡𝑖𝑐𝑎 tenemos:
𝑣 =0.000583 𝑚3/𝑠
0.001103906 𝑚2= 0.5281245 𝑚/𝑠
𝑁𝑅 = 0.5281245
𝑚𝑠 ∗ 0.0375 𝑚
1.15𝐸 − 06= 1.72𝐸04
Cabe resaltar que la viscosidad cinemática es la relación de la viscosidad absoluta
y la densidad del fluido, es decir 1.15𝐸 − 06 para el agua a temperatura ambiente;
se repite el cálculo pero para la tubería de descarga.
Diametro interno (m)
0,0375
0,0184
Diametro nominal (in)
1,5
0,75
Número de Reynold
1,72E+04
3,51E+04
Área interna (m^2)
0,001103906
0,00026577
Velocidad (m/s)
0,528124558
2,193629369
Tabla 24 relación de diámetros sistema de bombeo. Fuente: elaboración propia.
Con esto, se puede hallar f el factor de fricción para cada tubería por medio de la
tabla de moody lo cual dice que según el número de Reynolds se puede definir el
factor de fricción, en este caso se define el factor de fricción para tuberías lisas.
1,72E+04
4,82E+04
Factor de Friccion
2,65E-02
2,30E-02
Número de Reynold
Tabla 25 relación número de Reynolds factor de fricción. Fuente: Robert Mott, Mecániaca de Fluidos.
Teniendo esto en cuenta se puede calcular la perdida (hl) para succión y descarga
es decir:
49
ℎ𝑙 = (𝑓𝑙
𝑑+ 𝑘) (
𝑄2
2𝑔𝐴2) 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑠𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 + (𝑓
𝑙
𝑑+ 𝑘) (
𝑄2
2𝑔𝐴2) 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎
Remplazando los valores obtenemos:
ℎ𝑙 = (0.02652.97
0.0375+ 2.55) (
𝑄2
2(9.81)(1.10𝐸 − 3)2) + (0.023
48.503
0.0184+ 4.55) (
𝑄2
2(9.81)(2.65𝐸 − 4)2)
ℎ𝑙 = 195819.75 𝑄2 + 47305896.4𝑄2
ℎ𝑙 = 47501716.15𝑄2
Remplazando los valores en la ecuación (5) se tiene:
𝐻 = 10.503 + 47501716.15𝑄2
Con esto se procede a iterar la cabeza del sistema con caudales menores y mayores
al requerido como se muestra en la siguiente tabla
H (m) Q (m^3/s)
11,0830686 0,0002
11,8081545 0,0003
12,8232746 0,0004
15,4319738 0,000583
15,7236178 0,0006
17,6088409 0,0007
19,7840983 0,0008
22,2493901 0,0009
25,0047161 0,001
Tabla 26 relación cabeza caudal del sistema. Fuente: elaboración propia.
0
4
8
12
16
20
24
28
32
36
40
44
48
52
CA
BEZ
A (
M)
CAUDAL ( M^3/S)
H sistema
H bomba
Punto de operación.
50
Figura 17 comportamiento cabeza caudal del sistema en relación con la bomba. Fuente: elaboración propia
Para el cálculo del NPSH se usa la siguiente ecuación:
𝑁𝑃𝑆𝐻𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑙𝑒 =𝑝𝑠−𝑝𝑣
𝛾− 𝐻𝑠 − ℎ𝑙
Donde:
Ps: presión superficial o presión atmosférica.
Pv: presión de vapor del fluido.
𝛾: peso específico del fluido.
Hs: altura de aspiración.
hl: pérdidas.
𝑁𝑃𝑆𝐻𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑙𝑒 =73.56−2.44
9.8 -1.473-0.0544
𝑁𝑃𝑆𝐻𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑙𝑒 = 5.7
Figura 18 punto de operación de la bomba seleccionada. Fuente: catálogo de Barnes.
Teniendo en cuenta la gráfica número 1, se procede a encontrar la bomba indicada
para que el sistema funcione en un punto de operación; la más adecuada que se
51
encontró fue la bomba JET JE 1 10-1-1 HF con motor de 1 HP, encontrada en el
catálogo de Barnes, la cual operará con una eficiencia de aproximadamente 50%.
4.9. CONTROL AUTOMÁTICO DE LA BOMBA
Con el fin de facilitar el funcionamiento del sistema, reducir tiempos muertos de
operación, y recolectar la mayor cantidad de agua lluvia posible, es necesario
automatizar el sistema de la forma más simple posible teniendo en cuenta lo
siguiente:
Cuando el tanque subterráneo se encuentre por encima del nivel mínimo y
haya disponibilidad de almacenamiento en los tanques ubicados en la
plataforma, la bomba funcionará.
La bomba se apagará cuando el nivel del tanque subterráneo sea mínimo o
cuando los tanques ubicados en la plataforma se encuentren en el nivel
máximo.
Para que la bomba se encienda y se apague automáticamente dependiendo de los
niveles de agua que haya en cada tanque, se necesita instalar tanto en el tanque
subterráneo como en el tanque de la plataforma, un sensor de nivel de líquidos tales
como se muestra en la siguiente figura:
Figura 19 niveles de líquido tipo electro inductivo. Fuente: eléctricas Bogotá.
A continuación se muestra el plano de cómo de la conexión de éstos elementos con
la bomba:
52
Figura 20 plano eléctrico conexión bomba y niveles. Fuente: elaboración propia.
4.10. SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN
Seguido de bombear el agua desde el tanque subterráneo, ésta será depositada en
dos (estarán conectados en serie) de los ocho tanques que se encuentran en la
plataforma cerca al bloque 11 con capacidad de 1 m3 cada uno, como son 3 m3 de
disponibilidad, los repartimos en dos metros cúbicos en la plataforma y uno
subterráneo; la red que será de una tubería en PVC de ½” de diámetro, ya que
según el manual técnico de tubo sistemas de PAVCO, el diámetro comercial más
C, A: niveles altos
D, Q: niveles bajos
53
pequeño es el de ½” el cual trabaja a una presión de 500 psi y a temperatura de
23°C, así aseguramos el funcionamiento seguro de la red (trabajará a unos 18 psi)
con el menor diámetro posible, lo que implica reducir los costos; ésta irá desde la
salida del tanque hasta la altura del pasillo del segundo piso, desde donde saldrá
una ramificación hacia el primer piso y otra que distribuya el agua hasta los
sanitarios del segundo piso, tal como se muestra en la figura número 11. Al diseñar
la distribución, se toma como trazado el más viable a simple vista, ya que, no existen
los planos de redes eléctricas, de acueducto ni alcantarillado, por lo que ésta queda
sujeta a verificación por parte de expertos en el tema a la hora de la ejecución de la
obra.
: trazado de la tubería.
Figura 21 red hipotética de distribución de agua recolectada. Fuente: elaboración propia.
54
TRAMO
DISTANCIA
APROXIMADA
(m)
A-B 3
B-C 6
C-D 5
B-E 5
B-F 10
F-G 2,5
G-H 5
RAMIFICACIONES
HACIA PUNTO 16
TANQUE-SUELO 2
PISO 3,8
TOTAL RED 56,3
Tabla 27 longitud red de distribución segundo piso. Fuente: elaboración propia.
La red de distribución para el primer piso es similar a la del segundo (los dos pisos
tienen la misma organización de los baños), con la diferencia que la altura del
tanque con respecto al suelo es mayor.
TRAMO
DISTANCIA
APROXIMA
DA(m)
A-B 3
B-C 6
C-D 5
B-E 5
B-F 10
F-G 2,5
G-H 5
RAMIFICACIONES
HACIA PUNTO 16
TANQUE-SUELO 1
PISO 6,5
TOTAL RED 59
Tabla 28 longitud red de distribución primer piso.Fuente: elaboración propia.
55
4.10.1. CONEXIÓN ALTERNA
Como medida de contingencia si en caso dado se agota el almacenamiento de agua
lluvia (se puede dar en épocas de sequías, algunos meses del año en donde las
precipitaciones son mínimas) y evitar el desabastecimiento en los baños, se diseña
una conexión que empalma la red de agua potable con la red de distribución de
aguas lluvias, empleando una válvula solenoide eléctrica para que cuando el nivel
del tanque que está en la plataforma sea el mínimo, la válvula abra paso al flujo de
agua potable hacia la red de distribución, tal como se muestra a continuación:
Figura 22 plano conexión válvula solenoide, plan de contingencia. Fuente: elaboración propia.
VV
M
56
El plano de la figura 22 se integra en uno solo junto con el de la figura 20 para hacer
un conjunto eléctrico de mayor simplicidad a la hora de ser instalado.
4.11. TANQUE DE RECOLECCIÓN SUBTERRÁNEO
La información que arroja la tabla número 13, indica que la capacidad disponible
que debe haber diaria es de aproximadamente 3 m3, como se muestra en el
numeral 4.2.1. Ya que se puede hacer uso de los tanques que se ubican en la
plataforma adyacente al bloque 11, se seleccionan dos de ellos (de 1 m3 cada uno)
para suplir parte de la demanda de disponibilidad de almacenamiento que tenemos
y requerir así requerir solamente un tanque de aproximadamente 1m3 para la
recolección, el cuál irá subterráneo; por motivos de costos y de facilidades a la hora
de implementar el proyecto, se recurre a buscar tanques de plásticos especiales
para uso enterrados que se ofrece en el mercado; pero se encuentra que la
capacidad mínima que ofrece la industria en este tipo de tanques es de 1650 litros
(1,65 m3), por tal motivo se selecciona éste de menor capacidad posible, teniendo
la ventaja que ahora se puede captar 0,65 m3 de agua lluvia de más, en caso de
eventuales temporadas invernales fuertes.
57
4.12. COTIZACIONES
Las cotizaciones realizadas corresponden al sistema mecánico del proyecto, no
incluye mano de obra.
Material Cantidad Precio
Tubería PVC sanitaria de 3” (6m) 6 $ 287.940
Tubería PVC sanitaria de 2” (6m) 33
$ 1.154.670
Tubería PVC de 1 1/2” RDE 21 (6m) 1 $ 41.990
Tubería PVC de 1” RDE 21 (6m) 9 $ 224.910
Tubería PVC de ½” RDE 9 (6m) 40 $ 558.600
Codo 1 1/2” de 90° presión 1 $ 4.490
Codo 2” de 90° sanitaria 5 $ 7.450
Codo 1” de 90° presión 15 $ 25.850
Codo ½” de 90°presión 14 $ 4.200
Codo 3”de 45° sanitaria 2 $ 7.580
Codo 3”de 90°sanitaria 2 $ 8.180
Tee de 3” sanitaria 10 $ 37.900
Tee de 2” sanitaria 15 $ 44.850
Tee de ½” presión 16 $ 7.840
Adaptador macho ½” presión 24 $ 6.000
Cruz hembra ½” presión 6 $ 29.340
Canales en u de 6” (3m) 110
$ 6.369.000
Tanque Subterráneo horizontal 1650 Lts. 1
$ 2.000.000
Electro válvula (solenoide) 1 $ 25.000
Sensores de nivel de agua electro inductivo 3 $ 150.000
Bomba centrifuga 1 $
3.140.000
Total $
14.135.790 Tabla 29 cotización elementos mecánicos del diseño. Fuente: elaboración propia.
58
5. RELACIÓN DE COSTO BENEFICIO
Para conocer que tan viable puede ser el proyecto, se hace una relación del ahorro
esperado y la inversión necesaria, además de tener en cuenta el consumo anual del
funcionamiento de la bomba. Según cifras del SGA de la Universidad Distrital, en el
año 2017 se pagaron por concepto únicamente de acueducto $ 21 081 335;
conociendo éste valor y sabiendo que el ahorro total anual que proporcionaría el
proyecto es del 12% del consumo (como lo indica la Tabla 15 porcentaje de ahorro de
agua. Fuente: elaboración propia.), entonces por concepto de agua potable, al año, la
Facultad Tecnológica se estaría ahorrando $ 2 529 760.
También se debe tener en cuenta el consumo de energía eléctrica que tendrá el
funcionamiento de la bomba al año; conociendo la posible cantidad de agua
recolectada en todo el año (Tabla 15 porcentaje de ahorro de agua. Fuente: elaboración
propia.) y la potencia de la bomba, podremos conocer cuál será el consumo
energético anual.
RECOLECCI
ÓN TOTAL
AÑO (m^3)
CAUDAL
FUNCIONA
MIENTO
BOMBA
(m^3/h)
FUNCIONA
MIENTO
ANUAL
(horas)
ENERGÍA
CONSUMIDA
AÑO (KW h)
VALOR Kw h
COSTO
FUNCIONA
MIENTO
ANUAL
1127 2,88 391,32 291,5329861 $ 470 $ 137.021
Tabla 30 conste anual de funcionamiento de la bomba. Fuente: elaboración propia.
En la siguiente tabla se puede identificar cual será el ahorro anual teniendo en
cuenta el funcionamiento y el costo de la implementación del proyecto, así como los
años necesarios para recuperar lo invertido. (Se debe tener en cuenta que en el
costo del proyecto sólo se tiene en cuenta el valor de la parte mecánica, no incluye
mano de obra civil ni demás estudios necesarios para la ejecución del mismo).
COSTO
TOTAL
AHORRO
ANUAL
ACUEDUCTO
AHORRO
MENOS
CONSUMO
AÑOS PARA
RECUPERAR LO
INVERTIDO
$ 14.135.790 $ 2.529.760 $ 2.392.739 5,9
Tabla 31 ahorro neto anual y recuperación de la inversión. Fuente: elaboración propia.
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6. CONCLUSIONES
Se estableció un rango de 14 años atrás (2002-2016) con el fin de conocer la
disponibilidad de aguas lluvias, dependiendo de la precipitación anual y mensual
para definir el comportamiento de las lluvias y su intensidad, por lo que trabajando
en un área de 1634.02 𝑚2 que es el área equivalente a los bloques 7, 8, 9,11 y 12
se obtuvo que el agua captada será de 1127 𝑚3 al año, teniendo también en cuenta
el consumo promedio de agua potable bimensual anual en la universidad (1551.83)
este sistema estaría ofreciendo un ahorro del 12.10% de consumo anual.
Se analizó las estructuras existentes de lo cual algunas piezas no cumplen con los
requerimientos del sistema como lo son ciertas canaletas en el bloque 11 y 12, como
otras que si cumplen la necesidad, igualmente se evidencio unas bajantes de
diámetro de 2” en buen estado por lo tanto estas bajantes existentes se podrán usar
y acoplar a la red principal de recolección
Se elaboró el diseño del sistema de recolección y distribución de aguas lluvias, en
el cual se tuvieron en cuenta aspectos como las inclinaciones de la red con el fin del
llevar el agua al tanque de almacenamiento por gravedad lo cual cumple con la
inclinación mínima, se realizaron los cálculos para obtener el tamaño del tanque de
almacenamiento (3𝑚3) y la bomba de operación con una cabeza de 22m y un caudal
de 35 L/min (JET JE 1 10-1-1 HF)
Se realizó el presupuesto del proyecto el cual incluye solo el precio ejecución
(materiales) por lo que se obtuvo un valor estimado de $ 14.135.790.
Técnica y ambientalmente el proyecto es viable, ya que se está ahorrando
anualmente más de 1100 m3 (equivalente a más de $ 2 500 000) de agua potable,
que podrían ser destinados para usos esencialmente de consumo humano)
permitiendo que la Universidad Distrital le apueste al estar en la vanguardia de
proyectos que reduzcan el impacto ambiental y proteja los recursos naturales.
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7. BIBLIOGRAFÍA
Ballén Suárez, Ángel García, Orlando Mosquera. (2006). Historia de los
Sistemas de Aprovechamiento de Agua Lluvia. Seminario Ibeoamericano
pessoa.
Ballén Suárez, Ángel García, Orlando Mosquera. (2006). Sistema de
Aprovechamiento de Agua Lluvia para Vivienda Urbana, Seminario
Ibeoamericano pessoa.
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http://www.conagua.gob.mx/CONAGUA07/Contenido/Documentos/SINA/Ca
pitulo_8.pdf
Guo Fengtai, Mao xiaochao. (2012). Study on Rain water Utilization
Engineering Mode in Northern Cities of China, International Conference on
Modern Hydraulic Engineering. Recuperado de
https://doi.org/10.1016/j.proeng.2012.01.750
Lina Niño, Franklin Castro. (2016). propuesta metodológica para el cálculo
del volumen del tanque de almacenamiento de aguas lluvia, Universidad
Nacional Nueva Granada.
Natalia Palacios. (2010). propuesta de un sistema de aprovechamiento de agua lluvia, como alternativa para el ahorro de agua potable, Universidad de Antioquia.
Nelson Bernal. (2013). Estudio técnico-económico de un sistema de aprovechamiento pluvial, para la planta de producción de la compañía henkel colombiana s.a.s. Universidad Distrital Francisco José de Caldas
Luis Henao Ministro de Vivienda. (2016). Sistemas de recolección y evacuación de aguas residuales domésticas y aguas lluvias (RAS).
Universidad Distrital Francisco José de Caldas, División de recursos físicos.
(2018). Planos detallados de la universidad.
IDEAM. (2018). Precipitación Bogotá. Recuperado de
http://www.ideam.gov.co
61
Mott. R. (2013). Mecánica de Fluidos, Pearson sexta edición
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8. ANEXOS
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Cabe resaltar que algunas cotizaciones se realizaron por vía telefónica como se muestra
Empresa Contacto telefónico Elemento Cotización ($)
Rotoplast (4) 4481101 Tanque subterráneo
1650 de m^3 2000000
Abacol 4071111 Canales de 6" PVC
tramo de 3 m 57900
Electricas Bogotá 3444888 Válvula solenoide y sensores de nivel 175000
CasaFer
3751101
Bomba Centrífuga
3140000
Tabla 32 cotizaciones vía telefónica. Fuente: elaboración propia.