Cálculo de tuberías de Agua Fría (AFS) y ACS

La derogación de las antiguas Normas Interiores de Agua (NIA) han provocado la necesidad de realizar cálculos de los diámetros de tubería a instalar en las instalaciones hidrosanitarias.

Este cálculo de diámetros no era necesario cuando aplicábamos el antiguo reglamento de fontanería, pues en función de la tipología de la vivienda las NIA nos indicaban el diámetro de tubería a instalar tanto en los ramales de enlace, derivación particular y la montante. Incluso en función del número de viviendas y su tipología indicaba el diámetro del tubo de alimentación, común, calderín de presión, grupo de presión, etc.

La tipología estaba dividida en 5 tipos:

• Suministro tipo A: cuando el caudal instalado (caudal total sin ninguna simultaneidad) es inferior a 0,6 l/s. Por ejemplo, una cocina, un lavadero y un sanitario.
• Suministro  tipo B: cuando el caudal instalado es igual o superior a 0,6 l/s, e inferior a 1 l/s, corresponde a locales dotados de servicio de agua en cocina, lavadero y un cuarto de aseo.
• Suministro tipo C: Su caudal instalado es igual o superior a 1 l/s, e inferior a 1,5 l/s, corresponde a locales dotados de servicio de agua en cocina, lavadero y cuarto de baño completo.
• Suministro tipo D: Su caudal instalado es igual o superior a 1,5 l/s, e inferior a 2 l/s, corresponde a locales dotados de servicio de agua en cocina, "office", lavadero, un cuarto de baño y un aseo.
• Suministro tipo E: su caudal instalado es igual o superior a 2 l/s e inferior a 3 l/s, corresponde a locales dotados de servicio de agua en la cocina, "office", lavadero, dos cuartos de baño y otro de aseo.

Para determinar el caudal instalado existía una tabla que indicaba los caudales de AFS para cada aparato.

Indico lo anterior pues aún existe alguna documentación donde están indicados estos tipos de suministro.

Con la aparición del Documento Básico de Salubridad nº 4 del Código Técnico de la Edificación disponemos de una más actualizada normativa, que entre otros aspectos regula tanto la distribución de AFS, como de ACS, disponiendo de una nueva tabla de caudales mínimos por aparato:

Nuevo procedimiento de cálculo

Se realizará un dimensionado para cada tramo. Se partirá del considerado como más desfavorable que será aquel que cuente con mayor pérdida de presión debido tanto al rozamiento como a su altura geométrica (recuerda que 10 metros de columna de agua es 1 bar).

Paso 1. 

Se determinará el caudal total de cada tramo, que será igual a la suma de los caudales de los puntos de consumo alimentados de acuerdo con la tabla 2.1. del DB-HS-4 (tabla anterior).

Paso 2.

Se Establecerá un criterio de simultaneidad para cada tramo de la instalación. La normativa no especifica que coeficiente de simultaneidad deberemos aplicar indicando simplemente que sea adecuado.

Podemos tomar 3 caminos:

• Utilizar los coeficientes de simultaneidad "de siempre" provenientes de la Norma Francesa y que están reflejados en muchos libros de fontanería, y Ordenanzas Municipales Antiguas.

Este es un factor de simultaneidad utilizado en el interior de una instalación de suministro de agua, por ejemplo entre los distintos aparatos del interior de una vivienda. El factor de simultaneidad, K, depende del número de aparatos sanitarios instalados, n, tomando como mínimo 0,2.

• Comprobar si existe alguna Ordenanza Municipal que determine este coeficiente de simultaneidad. 

• Utilizar las formulas de la Norma UNE 149.201, que en función del caudal total instalado, el caudal de aparato unitario mayor y el tipo de edificio: vivienda, museo, polideportivo, aeropuerto, etc, nos ofrece una expresión con unos coeficientes ponderantes.

Paso 3.

Así con el caudal total y el coeficiente se simultaneidad de cada tramo vamos determinando el caudal simultaneo, que será el caudal de cálculo en cada tramo.

Caudal simultaneo = Caudal total x Coeficiente de Simultaneidad

Paso 4.

Se elegirá una velocidad de cálculo comprendida entre los siguientes valores:

Indudablemente a mayor velocidad, menor diámetro, y mayor pérdida de presión lineal. Además de un fluir del agua con mayor ruido, y por tanto más molesta.

Y viceversa, a menor velocidad, mayor diámetro, y menor pérdida de presión lineal. Siendo un fluir del agua con menor ruido y molestias a los ocupantes.

Podremos elegir una velocidad algo mayor en los tramos comunes que discurran por zonas comunes, y una velocidad menor en los tramos que discurran por el interior de las viviendas.

Realmente en pequeños diámetros no hay diferencial de precio significativo entre un diámetro y el siguiente mayor. Además que el grupo de bombeo podrá ser de menor potencia con lo que la instalación será más eficiente.

Paso 5.

Para cada tramo obtendremos el diámetro interior mínimo que deberá disponer la tubería.

Aplicaremos la siguiente fórmula:

Donde el diámetro interior de la tubería, D, estará expresado en mm, y es obtenido en función del caudal de agua (caudal simultaneo) que circula por la tubería, Q, expresado en l/s, y la velocidad de cálculo, V, expresada en m/s.

Paso 6.

Seleccionaremos tuberías dentro de los diámetros comerciales disponibles. El diámetro interior de la tubería seleccionada deberá ser superior al diámetro calculado anteriormente.

Existen unos diámetros mínimos a instalar en función de la naturaleza de la tubería (acero, cobre o plástico) que se deberán respetar:

Realmente son unos valores tan pequeños que difícilmente se podría pensar en diseñar una red de suministro de agua con diámetros inferiores a los anteriores.

La anterior normativa (NIA) cuando citaba al diámetro se refería al diámetro interior. En la actualidad la normativa cita la palabra "diámetro nominal", que será el interior o el exterior dependiendo de la Norma de Fabricación de la tubería. Así en acero el diámetro nominal está referido al diámetro interior de la tubería, y en el caso del cobre o de las tuberías plásticas, en las que el diámetro nominal está referido al diámetro exterior de la tubería.

Paso 7.

Como hemos seleccionado un diámetro diferente del diámetro de cálculo (salvo que coincida el cálculo con la tubería disponible en la gama comercial), tendremos una velocidad real del agua distinta de la velocidad de cálculo propuesta. Por tanto deberemos comprobar que la velocidad real de circulación esta dentro de los margenes requeridos.

Para ello aplicamos la siguiente expresión:

Donde obtendremos la velocidad real de circulación del agua, V, en m/s en función del diámetro interior de la tubería comercial seleccionada, D, expresado en mm, y del caudal (simultaneo) que fluye por la tubería, Q, expresado en l/s.

Paso 8.

Se deberá averiguar la pérdida de presión lineal que se produce en la tubería para el diámetro seleccionado y el caudal de agua que transporta.

Tenemos 3 procedimientos para obtener la pérdida de presión lineal.

• Utilizar la fórmula de los ingenieros Darcy y Weisbach.

Esta fórmula permite obtener la perdida de presión lineal en función de la densidad del agua, velocidad de circulación (real), el diámetro interior de la tubería, y un coeficiente adimensional de fricción.

La densidad del agua es un valor que podemos obtener con cierta facilidad y que depende únicamente de la temperatura del agua.

Es más complejo obtener el coeficiente de fricción, pues depende del régimen de circulación del agua (laminar, régimen transitorio, o turbulento) y de la rugosidad relativa de la tubería (rugosidad dividida por diámetro).

Existe el diagrama de Moody que permite determinar este coeficiente de fricción en función de un índice de turbulencia denominado Número de Reynolds.

• Utilizar diagramas gráficos en los que están representados en los ejes principales el caudal y la pérdida de carga, y unas lineas que representan los distintos diámetros de tubería y las velocidades de circulación del agua.

A continuación muestro una a modo de ejemplo:

Los ejes horizontal y vertical están en escala logarítmica y la precisión del valor obtenido puede nos ser muy alta. En cualquier caso es muy representativa para observar como influye el diámetro en la pérdida de presión y la velocidad, para un determinado caudal.

Existe un gráfico para cada tipo de tubería, y en el caso de tuberías plásticas para cada serie (en tuberías plásticas se pueden fabricar con distintos espesores y por tanto los diámetros interiores interiores).

• Utilizar tablas de pérdida de carga que nos ofrecen los fabricantes de las tuberías.

Las tablas tienen la ventaja respecto de los gráficos que los valores quedan mejor determinados, que visualmente en un gráfico.

A modo de ejemplo muestro una tabla de selección de tuberías PEX serie 5 de Industrial Blansol:

Tanto gráficas como las tablas permiten evitar el pre-dimensionamiento de tuberías obteniendo directamente el diámetro, velocidad, y pérdida de carga en función del caudal de agua que deben transportar.

Paso 9.

La pérdida de presión lineal recoge la presión que se pierde en cada metro de tubería recta, pero adicionalmente se tendrán que tener en cuenta las pérdidas de carga que se producen en los "accidentes" de las tuberías: codos, tes, curvas, válvulas de retención, válvulas de esfera, reducciones, etc.

A estas pérdidas de presión localizadas se les denominan pérdidas singulares, y deberán valorarse para obtener la pérdida de presión total en un tramo de tubería.

El método más sencillo y admitido por la Normativa, es utilizar el método de la longitud equivalente. Así se aumenta la longitud real de la tubería en un porcentaje para asimilar las pérdidas de carga puntuales de los "accidentes" del trazado de tubería.

Así deberemos aplicar:

Se aumenta la longitud real de la tubería entre un 20 y un 30 %, para considerar las pérdidas singulares y así obtener la pérdida de presión total del tramo considerado. Este mismo criterio se utiliza en el dimensionamiento de redes de gas (en ese caso es usual aplicar un 20 % = multiplicar x 1,2).

Paso 10.

Una vez obtenida la longitud equivalente, se calcula la pérdida de presión de cada tramo.

Para ello multiplicamos la longitud equivalente por la pérdida de presión lineal.

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

Paso 11.

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

Esta expresión la podemos aplicar tramo a tramo o, como citaba, sumando todas las pérdidas de presión de los distintos tramos, y así aplicarla desde el punto inicial al punto final.

A la presión inicial le debemos restar la pérdida de presión del tramo considerado o de la instalación, pero además deberemos tener en cuenta la diferencia de cota entre los puntos origen (inicial) y final del tramo o de la red. Recordemos que 10 metros de columna de agua (mca) son 1 bar.

Además debiéramos considerar la pérdida de presión de algún "accidente" que provoque una alta pérdida de presión como es un filtro, un contador, etc.

Pérdidas de carga de distintos elementos a modo de ejemplo:

• Contador general, puede perder en torno a 4,5 mca.
• Contador divisionario (individual), puede perder en torno a 3 mca.
• Filtro, puede provocar una pérdida de presión en torno a 2-3 mca.

Con lo que es fácil demostrar que en la mayoría de los casos, estas pérdidas de presión singulares o puntuales, no quedarán englobadas en el aumento de la longitud equivalente del 20 al 30 %. Por ello, recomiendo considerarlas a parte de la longitud equivalente.

Paso 12.

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

Presión mínima de suministro:

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

Presión máxima de suministro:

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

Lógicamente la presión mínima se comprobará en los puntos más desfavorables, que serán los que se encuentren a una mayor diferencia de cota positiva y dentro de ellos los que estén situados a mayor distancia.

Y, los puntos más desfavorables respecto de disponer una presión superior a la máxima de suministra serán los más cercanos al punto inicial, o bien, aquellos que se encuentren a menor cota respecto del punto inicial (por ejemplo, si tenemos una alimentación de ACS desde un acumulador situado en la azotea del edificio), y dentro de ellos aquellos que estén situados a menor distancia.

¿Qué ocurre si obtenemos una presión final inferior a la deseada?

Deberemos ir al paso 6 y aumentar algún diámetro del trazado de la red y seguiremos el cálculo a partir de este paso.

Lógicamente, aumentaremos el diámetro de algún tramo donde exista una gran pérdida de presión.

Y deberemos finalmente comprobar que la presión final ha alcanzado el valor mínimo exigido. En caso contrario, volveremos al paso 6 a aumentar algún otro diámetro del trazado donde exista una pérdida de presión alta.

También podemos recurrir a la instalación, o regulación a una presión inicial más alta, de un grupo de presión.

¿Que ocurre si tenemos una presión final superior a la deseada?

Deberemos ir al paso 6 y disminuir algún diámetro del trazado de la red y seguiremos el cálculo a partir de este paso.

Lógicamente, disminuiremos el diámetro de algún tramo donde exista poca pérdida de presión. También comprobaremos que la velocidad de circulación no es excesiva, y pueda provocar problemas de ruido.

Y deberemos finalmente comprobar que la presión final ha disminuido por debajo del valor máximo exigido. En caso contrario, volveremos al paso 6 a reducir algún otro diámetro del trazado donde exista una pérdida de presión baja y la velocidad no sea demasiado alta.

Deberemos tener en cuenta que tenemos unos diámetros mínimos y no podemos diseñar diámetros inferiores a los expuestos en el paso 6.

También podemos recurrir a la instalación de un reductor de presión, o regulación a una presión inicial más baja, de un grupo de presión. En el caso de optar por reducir la presión deberá optarse por disponer de un reductor de presión centralizado para todas aquellas instalaciones afectadas por una presión de suministro excesivo.

A través de esta tabla podemos calcular el diámetro del reductor de presión centralizado en función del caudal simultaneo de la instalación:

¿Cuándo se necesita un grupo de presión o elevación?

El documento de suministro de agua del Código Técnico de la Edificación es razonablemente claro, cuando se precise, es decir cuando la presión de suministro no sea suficiente para garantizar la presión mínima en los puntos de consumo.

Lógicamente el suministrador deberá facilitar el dato de la presión de suministro en el caso de una instalación de agua fría sanitaria.

La siguiente tabla muestra la presión necesaria en función de la altura del edificio:

En la misma en función de las plantas y/o la altura del edificio indica la presión de suministro necesaria sin tener en cuenta las pérdidas de presión internas de la red de distribución.

Existen Ordenanzas Municipales que obligan a disponer de grupos de presión independientemente de los cálculos anteriores.

Otras consideraciones sobre la presión de los puntos de consumo

En edificios con suministro de AFS y ACS centralizado se debe proyectar coordinadamente ambos suministro, siendo adecuado utilizar los mismos grupos de presión para ambas instalaciones. 

En caso de realizarse con grupos diferentes, habrá momentos en que coincida la arrancada a la presión mínima de un grupo (por ejemplo el de fría), con la parada a la presión máxima del otro (por ejemplo el de ACS) originando problemas de temperatura en los puntos de consumo, sobre todo en la plantas más altas.

Desde el punto de vista de eficiencia energética no se debiera admitir la conexión en serie de grupos de presión, que consumen energía eléctrica para elevar la presión, con válvulas reductoras de presión en las plantas bajas, que reducen la presión que ha implicado un consumo de energía; lo correcto es establecer zonas en altura del edificio según las presiones de suministro. 

En el caso de ACS centralizado deberán disponerse de depósitos de ACS agrupados por zonas de presión de un modo coordinado con la presión de la instalación de AFS. Es decir con la misma presión suministrar AFS y ACS a una instalación, y en otras zonas que precisan otra presión de suministro, por ejemplo las ultimas plantas de un edificio, otro depósito de ACS que trabaje a la misma presión que la instalación de AFS.

Resumen del procedimiento de cálculo

El siguiente gráfico ilustra el procedimiento de cálculo descrito paso a paso: