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COMO SE ELEVA EL AGUA POTABLE EN UN RASCACIELOSPor: Traducción del inglés:

Mark Brickley, et al.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.

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.

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.

EN EL PASADO

EL PRESENTE

COMO SE ELEVA EL AGUA POTABLE EN UN RASCACIELOSPor: Traducción del inglés:

Mark Brickley, et al.Luis Villa

Desarrollando tecnología para el agua

LA MARAVILLA DE LOS SISTEMAS DE VELOCIDAD VARIABLE

COMO DEFINIR LA CAPACIDAD DE UN SISTEMA BOOSTER

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.

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.

COMO SE ELEVA EL AGUA POTABLE EN UN RASCACIELOSPor:

Traducción del inglés: Mark Brickley, et al.

Luis Villa

Desarrollando tecnología para el agua

High-rise buildings decorate the landscape of our ma-jor cities across our great nation. Not only are they a chal-lenge to build architecturally, but there are also many otherchallenging factors that go into each one’s design, such aspumping water. Few people ever think about how the watergets to the top floors of these buildings for everyday livingpurposes such as drinking, bathing and mechanical usessuch as cooling towers and supplying HVAC equipment. Asyou read, you will understand that each high-rise building’splumbing design is just as important as any other aspect ofconstruction. No matter how big and beautiful the build-ing, it is not habitable without water.

The Early DaysAs far back as high-rise buildings existed, ways to de-

liver water to every floor was a necessity. The most commonsystem used in the late 1800’s and early 1900’s consisted ofa roof tank combined with constant speed pumps thatoperated by a level switch in the tank. When the level in thetank would approach a predetermined height, the pumps

would eitherturn on topump more wa-ter to the tankor turn off be-cause the tankwas full.

The rooftank system re-quired heatingthe water dur-ing the winterto prevent freez-ing and duringthe summermonths the wa-ter was hot.One inherentproblem withthe tank systemwas the vaca-tion/resort-likeatmosphere it

By Mark Brickey, Paul Larson, P.E. & Joseph Sanchez of Metropolitan Industries(Information compiled by Gunnar Collins, IPP , FASSE, Collins Backflow Specialists, Inc.)

offered pigeons, which lead to unsanitary conditions. Onmany of the older buildings in major cities, you can stillsee some of these tanks on the rooftops although theymay not be in service.

In the 1950’s, pneumatic pressure tank systems replacedmany roof tank systems. These systems put the pneumatictank inside the building, eliminating the pigeon problem.The pumping equipment pumped water to the pneumatictank pressurized by an air compressor that supplied water tothe floors. The systems, for the most part, worked well ifproperly maintained, but required large areas for equipmentinstallation andwere expensiveto install. In ad-dition, thesesystems were bigconsumers ofenergy given theyran at a constantspeed, despitelow demand pe-riods where wa-ter is hardlyused.

The PresentToday, wa-

ter pressure sys-tems, or boostersystems, havecome a long waysince the early

Typical Commercial Buildingwith Pneumatic Tank System

PNEUMATIC TANK

WATER DISTRIBUTION SYSTEM

PUMP SYSTEM

CITY WATER MAIN

Typical Pneumatic Tank Pump System

WATER TRAP

MOTOR

START ELECTRODE

STOP ELECTRODE

CHECK VALVE

AIR COMPRESSOR

PRESSURE SWITCH

RELIEF VALVE

PRESSURE TANK

PUMP SUCTION

Typical Commercial Buildingwith Roof Top Tank

WATER TANK


PUMP SYSTEM

CITY WATER MAIN

Reprinted with permission from the October - December - 2005 issue of Plumbing Standards MagazinePage 1

How Potable Water Risesto the Top of Skyscrapers

COMO SE ELEVA EL AGUA POTABLE EN UN RASCACIELOS


days of pigeon-infested roof tanks.Now building owners have many con-trol and pumping options that solveany pumping application while sav-ing on energy costs and space.

Booster systems, such as theone marketed by Metropolitan In-dustries in Romeoville, now comeprefabricated and skid-mounted,which allows for ease of installa-tion and provides many design so-lutions to meet constrictive spacerequirements. Building owners cannow choose from state-of-the-artvariable speed control, which cutsenergy bills in half over the life ofthe system while increasing systemlife by years. Other advances in tech-nology include touch-screen panelsallowing operators to make system adjustments with thetouch of a finger, ability to interface into existing buildingautomation systems and “smart pump technology” thatallows booster systems to continually self-diagnose itselfand alert the operator to any problems.

The Joy of Variable Speed SystemsVariable speed pressure systems are fast becoming the

first choice for both operating and designing engineers dueto the advantage of reduced equipment and energy costs,the elimination of water hammer/surges found with mostconstant speed systems and variable speed’s ability to main-tain accurate pressure settings.

Variable speed water pressure systems use a transducerto sense pressure and automatically adjust the speed of thepump in order to maintain a constant discharge pressure,regardless of demand or flow. The result is that the pump

energy used is re-duced as the flowdemand de-creases. On theother hand,constant speedsystems main-tain the samepump speed,regardless offlow, and de-pend on pres-sure reducingvalves (PRV) toadjust build-ing pressure.This is similarto pressing thegas pedal inyour car to thefloor and con-trolling the

speed of your vehicle by depressing or pressing the brakepedal based on driving conditions.

Sizing a Booster SystemThe first item to consider when sizing a booster sys-

tem is to calculate the flow rate, or gallons per minute(GPM). The “Fixtures Unit” method created by the AmericanSociety of Plumbing Engineers determines this figure. Thisapproach assigns a relative value to each fixture or group offixtures normally encountered. A fixture is any item that useswater such as a sink, dishwasher, hose spigot, water foun-tain, etc. Once the number of fixtures is determined, theASPE table assigns the necessary GPM based on the prob-ability that multiple fixtures will be used at the same time.

The second item to consider is your Total DynamicHead (TDH). Every floor in a high-rise building translatesinto pressure loss from the city water supply. Friction lossesand vertical losses are considered here for water to reachhigher floors. Every booster pump system is sized to

Constant Speed with PRV vs. Variable Speed

Typical Commercial Buildingwith Multiple Pump Systems

STORAGE TANK

STORAGE TANK

PUMP SYSTEM

PUMP SYSTEM


PUMP SYSTEM

CITY WATER MAIN

Typical Duplex Constant Speed Booster System

SIDE VIEWFRONT VIEW

PLAN VIEW

DISCHARGE HEADER

SUCTION HEADER

CONTROL PANEL

CONTROL PANEL

BUTTERFLY VALVE

PRESSURE REDUCING VALVE

BUTTERFLY VALVE



Typical Commercial BuildingVariable Speed System with Buffer Tank

BUFFER TANK


VARIABLE SPEED PUMP SYSTEM

CITY WATER MAIN

Typical Duplex Variable Speed Booster System

CHECKVALVE

BUTTERFLYVALVE

CHECKVALVE

BUTTERFLYVALVE

CONTROL PANEL

CONTROL PANEL

VFDVFDVFD

VFDVFD VFD

DISC.DISC. DISC.

FRONT VIEW

PLAN VIEW

SIDE VIEW

DISCHARGE HEADER

SUCTION HEADER

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.

CONTROL LIST1 Cock Valve2 Cock Valve7 Check Valve7A Check Valve25 Pressure Valve4 Control Y-Filter8 Press. Reducing Pilot Valve #2

Pressure Reducing/ Regulating Valves 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 i n s t a l l a t i o n s f o r g r e a t e r 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

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.

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


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