como se eleva el agua potable en un rascacielos

COMO SE ELEVA EL AGUA POTABLE
EN UN RASCACIELOS
Por: Mark Brickley, et al.
Traducción del inglés: Luis Villa
COMO SE ELEVA EL AGUA POTABLE EN UN RASCACIELOS
Por: Mark Brickley, et al.
Traducción del inglés: Luis Villa
Los rascacielos decoran el paisaje de las principales ciudades de nuestra gran nación. No sólo representan un
reto arquitectónico, sino que hay también otros factores de reto, tales como el bombeo de agua. Poca gente
piensa en como se hace llegar agua a la parte alta de un edificio, para servicios cotidianos como es el agua
potable, agua para baños y usos mecánicos tales como torres de enfriamiento y equipo de aire acondicionado.
Conforme lea esto, entenderá que el diseño de tubería de cada edificio es tan importante como cualquier otro
aspecto de la construcción. No importa que tan grande y hermoso sea el edificio, este no es habitable sin agua.
EN EL PASADO
Desde que han existido los edificios altos, ha sido necesario diseñar formas para distribuir agua en cada piso. El
sistema más común, usado a fines del Siglo XIX y a principio del Siglo XX, consistía en un tanque en la azotea del
último piso, en combinación con un conjunto de bombas a velocidad fija, operada por un interruptor de nivel,
localizado en el tanque. Cuando en el nivel en el tanque alcanza una altura predeterminada, las bombas
arrancan para bombear agua al tanque, o apagan estas porque el tanque se encuentra lleno.
El sistema de tanques en la azotea requería de calentar el agua en invierno para prevenir el congelamiento y
durante el verano, el agua estaba caliente. Un problema inherente con el sistema de tanque era el ambiente de
club vacacional que generaba a las palomas, lo cual creaba condiciones poco sanitarias. Aún se pueden ver
algunos de estos tanques en muchos de los edificios más viejos en las principales ciudades, aunque ya no estén
en servicio.
En la década de los cincuentas, los sistemas con tanques a presión neumática (hidroneumáticos) remplazaron
mucho de los sistemas de tanque de azotea. Estos sistemas colocan el tanque hidroneumático dentro del
edificio, eliminando el problema de las palomas. El equipo de bombeo bombea agua al tanque, presurizado por
un compresor de aire, que entrega agua a los pisos. La mayoría de los sistemas trabajaban correctamente
cuando recibían el mantenimiento adecuado, pero necesitaban de grandes áreas dedicadas a la instalación del
equipo y eran caros de instalar. Adicionalmente, estos sistemas eran grandes consumidores de energía, dado
que operaban a velocidad constante, a pesar de haber períodos de demanda baja, donde prácticamente no hay
consumo de agua.
EL PRESENTE
Hoy, los sistemas de presurización de agua, o sistemas booster han avanzado enormemente desde los primeros
días de los tanques de azotea, infestados de palomas. Hoy los dueños de edificios tienen a su alcance muchas
opciones para bombeo y control, que resuelven cualquier problema de bombeo, mientras brindan ahorros en
espacio y energía.
Los sistemas de booster, vienen ahora prefabricados y montados en una base o chasis, lo cual facilita la
instalación. Con esto se pueden ofrecer muchas soluciones de diseño para cumplir con los requerimientos de las
construcciones. Los dueños de edificios pueden escoger diseños avanzados de control de velocidad variable, lo
cual reduce los costos de energía a la mitad, durante la vida del sistema, aumentando la vida útil de este por
años.
Desarrollando tecnología para el agua
COMO SE ELEVA EL AGUA POTABLE EN UN RASCACIELOS
Por: Mark Brickley, et al.
Traducción del inglés: Luis Villa
LA MARAVILLA DE LOS SISTEMAS DE VELOCIDAD VARIABLE
Los sistemas de presurización a velocidad variable están convirtiéndose rápidamente en la principal opción para
los ingenieros de diseño y de operación, debido a sus ventajas de menor costo de equipo y consumo de energía,
la eliminación de los efectos de golpe de ariete y los picos de presión asociados con la mayoría de sistemas de
velocidad constante. Esto gracias a la capacidad de mantener una presión constante y precisa por medio de la
velocidad variable.
Los sistemas de presurización de agua, con base en la velocidad constante, usan un transductor para sensar la
presión en la línea y ajustar de manera automática la presión de descarga, sin importar la demanda o le flujo. El
resultado es que la energía usada por la bomba se readuce conforme la demanda de flujo disminuye. Por otra
parte, los sistemas de velocidad constante, mantienen la misma velocidad en la bomba sin importar el flujo, y
dependen de válvulas reguladoras de presión (VRPs) para ajustar la presión del edificio. Esto es similar a pisar a
fondo el pedal del acelerador de su auto, y controlar la velocidad de su vehículo pisando o soltando el pedal del
freno, según requieran las condiciones de manejo.
COMO DEFINIR LA CAPACIDAD DE UN SISTEMA BOOSTER
El primer punto a considerar cuando se defina la capacidad de un sistema booster es calcular el gasto, o galones
por minuto (GPM). El método de “unidades de salidas” creadas por la American Society of Plumbing Engineers
ayuda a determinar este valor. Este método le asigna un valor relativo a cada salida de agua o dispositivo de
servicio que se encuentren normalmente. Un dispositivo es algo que consuma agua, tal como una llave de
lavabo, fuente, toma de manguera de jardín lavaplatos, etc. Una vez que se determina el número de dispositivos,
la tabla ASPE asigna el valor necesario de GPM basado en la probabilidad de que se usen múltiples dispositivos
a la vez. El segundo punto a considerar es la carga total dinámica (TDH). Cada piso en un rascacielos se traduce
en pérdidas de presión de la fuente de agua. Las pérdidas por fricción y las perdidas por altura son consideradas
aquí para que el agua alcance a llegar a los pisos más altos. Cada sistema de bomba booster debe calcularse
para que venza las pérdidas estáticas y de fricción para una cantidad de GPM o de gasto dado. Combinando la
carga estática (Distancia vertical o alzado) y la carga por fricción (resistencia al flujo opuesta por varios
componentes tales como las tuberías, se determina el TDH.
Conforme envejecen los sistemas de distribución municipal, se reduce su capacidad para enviar agua a presión
a los edificios. Es por esto que la mayoría de edificios de varios pisos requieren sistemas de bombeo booster
para presurizar el agua en los pisos más altos. En Chicago, muchas partes de la ciudad tienen 20 psi en la calle,
categorizándola como una de las ciudades importantes con menor presión. Típicamente una presión de 40 psi
es ideal en lo más alto de un edificio.
Una vez que tu GPM y TDH han sido determinados, es momento de seleccionar el número de bombas que
deberá utilizar su sistema. Para sistemas pequeños, debajo de los 150 GPM, dos bombas serán suficientes. Un
sistema se diseña típicamente con un mínimo de dos bombas. Esto permite que las bombas alternen su
operación para extender la vida de ambas. Si una bomba requiere de servicio, el sistema sigue dando agua al
edificio sin una suspensión total del servicio.
Las aplicaciones de más de 150 GPM deben considerar instalaciones con tres bombas para obtener mayor
confiabilidad. Se deben considerar bombas adicionales para sistemas con demanda extremadamente variable,
como en un estadio, donde la demanda pueda ir, en un periodo corto, de un pico máximo posible, durante el
medio tiempo, cuando los asistentes usan todos los baños a la vez, al flujo más bajo posible al final de este.
Para edificios extremadamente altos como el John Hancock en Chicago, la distribución de agua se divide en
zonas de presión para poder mantener las demandas altas de flujo debidas a cargas altas. Esto permite tener
una presión de trabajo a todo lo largo y alto del edificio. Las zonas de presión se crean usando válvulas
reductoras de presión o colocando sistemas de bombas dedicadas en cada zona.
Desarrollando tecnología para el agua
COMO SE ELEVA EL AGUA POTABLE EN UN RASCACIELOS
How Potable Water Rises
to the Top of Skyscrapers
By Mark Brickey, Paul Larson, P.E. & Joseph Sanchez of Metropolitan Industries
(Information compiled by Gunnar Collins, IPP , FASSE, Collins Backflow Specialists, Inc.)
High-rise buildings decorate the landscape of our major cities across our great nation. Not only are they a challenge to build architecturally, but there are also many other
challenging factors that go into each one’s design, such as
pumping water. Few people ever think about how the water
gets to the top floors of these buildings for everyday living
purposes such as drinking, bathing and mechanical uses
such as cooling towers and supplying HVAC equipment. As
you read, you will understand that each high-rise building’s
plumbing design is just as important as any other aspect of
construction. No matter how big and beautiful the building, it is not habitable without water.
The Early Days
As far back as high-rise buildings existed, ways to deliver water to every floor was a necessity. The most common
system used in the late 1800’s and early 1900’s consisted of
a roof tank combined with constant speed pumps that
operated by a level switch in the tank. When the level in the
tank would approach a predetermined height, the pumps
would either
turn on to
Typical Commercial Building
pump more wawith Roof Top Tank
ter to the tank
or turn off because the tank
was full.
The roof
tank system required heating
the water during the winter
to prevent freezing and during
the summer
months the water was hot.
One inherent
problem with
the tank system
was the vacation/resort-like
atmosphere it
offered pigeons, which lead to unsanitary conditions. On
many of the older buildings in major cities, you can still
see some of these tanks on the rooftops although they
may not be in ser vice.
In the 1950’s, pneumatic pressure tank systems replaced
many roof tank systems. These systems put the pneumatic
tank inside the building, eliminating the pigeon problem.
The pumping equipment pumped water to the pneumatic
tank pressurized by an air compressor that supplied water to
the floors. The systems, for the most part, worked well if
properly maintained, but required large areas for equipment
installation and
were expensive
Typical Commercial Building
to install. In adwith Pneumatic Tank System
dition, these
systems were big
consumers of
energy given they
ran at a constant
speed, despite
low demand periods where water is hardly
used.
WATER DISTRIBUTION
SYSTEM
WATER TANK
WATER DISTRIBUTION
SYSTEM
The Present
PNEUMATIC
TANK
PUMP SYSTEM
Typical Pneumatic Tank Pump System
PRESSURE SWITCH
RELIEF VALVE
CHECK VALVE
CITY WATER
MAIN
PUMP
SYSTEM
CITY WATER
MAIN
Today, water pressure systems, or booster
systems, have
come a long way
since the early
PRESSURE TANK
STOP
ELECTRODE
AIR COMPRESSOR
START
ELECTRODE
WATER
TRAP
MOTOR
PUMP SUCTION
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COMO SE ELEVA EL AGUA POTABLE EN UN RASCACIELOS
days of pigeon-infested roof tanks.
Constant Speed with PRV vs. Variable Speed
Now building owners have many control and pumping options that solve
any pumping application while saving on energy costs and space.
Booster systems, such as the
one marketed by Metropolitan Industries in Romeoville, now come
prefabricated and skid-mounted,
which allows for ease of installation and provides many design solutions to meet constrictive space
requirements. Building owners can
now choose from state-of-the-art
variable speed control, which cuts
energy bills in half over the life of
the system while increasing system
life by years. Other advances in technology include touch-screen panels
speed of your vehicle by depressing or pressing the brake
allowing operators to make system adjustments with the
pedal based on driving conditions.
touch of a finger, ability to interface into existing building
automation systems and “smart pump technology” that
Sizing a Booster System
allows booster systems to continually self-diagnose itself
The first item to consider when sizing a booster sysand alert the operator to any problems.
tem is to calculate the flow rate, or gallons per minute
(GPM). The “Fixtures Unit” method created by the American
The Joy of Variable Speed Systems
Society of Plumbing Engineers determines this figure. This
Variable speed pressure systems are fast becoming the
approach assigns a relative value to each fixture or group of
first choice for both operating and designing engineers due
fixtures normally encountered. A fixture is any item that uses
to the advantage of reduced equipment and energy costs,
water such as a sink, dishwasher, hose spigot, water founthe elimination of water hammer/surges found with most
tain, etc. Once the number of fixtures is determined, the
constant speed systems and variable speed’s ability to mainASPE table assigns the necessary GPM based on the probtain accurate pressure settings.
ability that multiple fixtures will be used at the same time.
Variable speed water pressure systems use a transducer
The second item to consider is your Total Dynamic
to sense pressure and automatically adjust the speed of the
Head
(TDH). Every floor in a high-rise building translates
pump in order to maintain a constant discharge pressure,
into
pressure
loss from the city water supply. Friction losses
regardless of demand or flow. The result is that the pump
and
vertical
losses
are considered here for water to reach
energy used is rehigher
floors.
Every
booster pump system is sized to
duced as the flow
Typical Commercial Building
demand dewith Multiple Pump Systems
creases. On the
Typical Duplex Constant Speed Booster System
other hand,
constant speed
systems maintain the same
pump speed,
regardless of
PLAN VIEW
flow, and depend on pressure reducing
valves (PRV) to
adjust building pressure.
This is similar
to pressing the
gas pedal in
your car to the
floor and controlling the
FRONT VIEW
SIDE VIEW
PUMP SYSTEM
SUCTION
HEADER
STORAGE
TANK
CONTROL
PANEL
DISCHARGE
HEADER
WATER DISTRIBUTION
SYSTEM
STORAGE
TANK
PUMP SYSTEM
CONTROL
PANEL
PRESSURE
REDUCING
VALVE
CITY WATER
MAIN
BUTTERFLY
VALVE
BUTTERFLY
VALVE
PUMP SYSTEM
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COMO SE ELEVA EL AGUA POTABLE EN UN RASCACIELOS
Typical Commercial Building
Variable Speed System with Buffer Tank
Typical Duplex Variable Speed Booster System
SUCTION HEADER
BUFFER
TANK
VFD
VFD
VFD
CONTROL PANEL
DISCHARGE HEADER
PLAN VIEW
WATER DISTRIBUTION
SYSTEM
VFD
VFD
VFD
CONTROL PANEL
DISC.
DISC.
DISC.
CITY WATER
MAIN
CHECK
VALVE
CHECK
VALVE
BUTTERFLY
VALVE
FRONT VIEW
VARIABLE SPEED
PUMP SYSTEM
overcome static head and friction losses at a given GPM or flow
rate. By combining the static head (vertical distance or lift) and
friction head (resistance to flow within various components
such as pipes) your TDH is determined.
As large city water mains age, their ability to deliver water
pressure to buildings reduces, which is why most multi-story
buildings need a booster pump system to pressurize water on
upper floors. In Chicago, much of the city has 20 psi in the
street, ranking it among the lowest compared with other major
cities. Typically, a pressure of 40 psi at the top of a building is
ideal.
Once your GPM and TDH are
determined, it is time to choose the
number of pumps your systems will
utilize. For a small system below
approximately 150 GPM, two pumps
will suffice. Typically, a system is
designed with a minimum of two
pumps. This allows for the pumps to
alternate, which extends the life of
both.
Should one pump need service, the
system can continue to supply water
to the building without a total system
shutdown.
Applications over 150 GPM
should consider three pump
installations for greater
dependability. For systems with
extremely variable demands, such as
a stadium application, where the
demand can range from the highest
peak possible, such as during a
halftime intermission when fans
utilize the washrooms
BUTTERFLY
VALVE
SIDE VIEW
all at once, to the lowest flow in a short period, additional pumps
should be considered.
For extremely tall buildings, such as the John Hancock
Building in Chicago, water distribution is divided into pressure
zones in order to meet high flow demands due to large heads. This
allows for workable pressure throughout the entire building. If
the system requires 250 psi to get water to the top of the building,
this pressure cannot be transmitted to the fixtures on lower floors.
Pressure zones are created by using pressure reducing valves or
having dedicated pump systems for each zone. L
Pressure Reducing/ Regulating Valves
CONTROL LIST
1 Cock Valve
2 Cock Valve
7 Check Valve
7A Check Valve
25 Pressure Valve
4 Control Y-Filter
8 Press. Reducing Pilot Valve #2
These valves are used to control downstream pressure by utilizing an upstream pressure pilot line feeding a
regulating valve. The regulating valve controls pressure supplied to the top of the main valve bonnet. By
regulating the pressure on the valve bonnet, the downstream pressure can be regulated. Additional PRVs
installed at high energy costs can be added for stability and reponse times.
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