Saneamiento: cálculo de arquetas de bombeo
Un enfoque práctico en instalaciones de saneamiento
En cualquier red de saneamiento, el principio básico es que las aguas residuales fluyan por gravedad hasta su punto de vertido; sin embargo, no siempre las condiciones de diseño de la instalación lo permiten. Es frecuente encontrar situaciones en las que la red de un edificio se encuentra a un nivel inferior a la acometida de saneamiento. En estos casos, el agua no puede evacuar por sí sola y se requiere de un sistema de bombeo para reconducir las aguas pluviales o residuales que se encuentran por debajo de esta cota.
Para resolver este problema se emplean las arquetas de bombeo de saneamiento, un elemento esencial que permite elevar las aguas residuales o pluviales hasta la cota necesaria para su correcta evacuación. Estas arquetas actúan como un pequeño depósito de acumulación equipado con bombas automáticas que impulsan el agua hacia la red superior.
Esta situación suele ser frecuente en instalaciones en sótanos como pueden ser garajes o cuartos técnicos.
En este artículo explicaremos cómo funciona este sistema de bombeo, y cómo se calcula su volumen, presión y caudal, y qué elementos debemos tener en cuenta para su instalación.
1. Arqueta de bombeo de saneamiento
Una arqueta de bombeo de saneamiento es un pequeño depósito o cámara donde se acumulan temporalmente las aguas residuales o pluviales para ser impulsadas mediante bombas hacia una cota superior del sistema de evacuación. Su función principal es garantizar el desalojo del agua cuando no puede fluir por gravedad, evitando así acumulaciones o inundaciones.
2. Tipos y componentes
Según el tipo de agua a evacuar, pueden existir tres variantes principales:
- Aguas residuales: procedentes de viviendas o procesos industriales.
- Aguas pluviales: recogidas por sumideros y canaletas.
- Mixtas: combinación de ambas, en sistemas unitarios.
Sus componentes básicos son:
- Arqueta, en materiales variables según su tipo de uso.
- Bombas sumergibles o de superficie, según el tipo de instalación.
- Tuberías de impulsión y válvulas de retención y compuerta.
- Sistema de control mediante flotadores o sondas de nivel.
- Tapa hermética y ventilación, para facilitar el mantenimiento y evitar olores.
3. Cómo funciona una arqueta de bombeo
- Entrada por gravedad. Las aguas llegan a la arqueta a través de la tubería de acometida y se acumulan en la arqueta o pozo.
- Detección de nivel. Flotadores o sondas (mínimo, marcha, alarma) miden el nivel del líquido.
- Arranque automático. Al alcanzar el nivel de marcha, el cuadro activa una bomba.
- Impulsión. La bomba envía el agua por la tubería de impulsión hacia la cota superior; una válvula antirretorno evita que el agua regrese a la arqueta.
- Parada automática. Al bajar al nivel de paro, la bomba se detiene. Si se supera el nivel de alarma, se avisa de sobrellenado.
4. Criterios de diseño y cálculo
Como criterio de diseño y cálculo los elementos más importantes serían el volumen de la arqueta o pozo y el punto de trabajo de las bombas, caudal y presión.
El volumen de la arqueta va a depender del caudal de las bombas por lo que lo primero sería calcular el caudal de agua que va a llegar a nuestra arqueta.
4.1 Cálculo de bombas
Aguas residuales. Se miden en unidades de desagüe o descarga (UD) según la tabla 4.1 del CTE HS-5 para los distintos aparatos sanitarios. El Apéndice A (Terminología) establece que el caudal equivalente de una UD es de 0,47 l/s: “Unidad de desagüe: es un caudal que corresponde a 0,47 dm³/s y representa el peso que un aparato sanitario tiene en la evaluación de los diámetros de una red de evacuación.” Como criterio de proyectista se puede aplicar simultaneidad para evitar caudales desproporcionados.
Aguas pluviales. Se calcula el caudal por superficie con los criterios del Apéndice B (intensidad pluviométrica).
Aguas mixtas. Se dimensionan según el punto 4.3 del CTE HS-5: el caudal pluvial (Apéndice B) se suma a las UD mediante superficies equivalentes:
- Si \( \text{UD} \le 250 \): superficie equivalente = 90 m².
- Si \( \text{UD} > 250 \): superficie equivalente = \( 0{,}36 \times \text{UD} \) (m²).
Si el régimen pluviométrico es diferente, debe multiplicarse por el factor de corrección \( f \) indicado en 4.2.2.
Selección de bomba. El punto 4.6.2 (Cálculo de bombas de elevación) indica mayorar en un 25 % el caudal obtenido para la selección.
4.2 Volumen del pozo
Establecido el caudal de las bombas, los criterios de dimensionado del depósito de recepción se describen en el punto 4.6.1 del CTE HS-5. El dimensionado se establece mediante la fórmula:
$$ V_u = 0{,}3 \times Q_b\; (\text{m}^3) $$Siendo:
- \(V_u\) = Volumen del pozo (m³)
- \(Q_b\) = Caudal de la bomba (l/s)
Cálculo numérico:
$$ \begin{aligned} V_u &= 0{,}3 \times Q_b\; (\text{m}^3) \\ V_u &= 0{,}3 \times 1{,}69\; (\text{m}^3) \\ V_u &= 0{,}507\; (\text{m}^3) \end{aligned} $$4.3 Altura manométrica
Según el punto 4.6.2 del CTE HS-5, la presión manométrica de la bomba es la suma de la altura geométrica entre el punto más alto al que debe elevar las aguas y el nivel mínimo en el depósito, y la pérdida de presión a lo largo de la tubería desde la boca de la bomba hasta el punto más elevado.
La pérdida de presión se puede calcular mediante la fórmula de Flamant:
$$ J = F \times \frac{V^{1{,}75}}{D^{1{,}25}}\; (\text{mca}/\text{m}) $$Siendo:
- \(J\) = Pérdida de carga (mca/m)
- \(F\) = Coeficiente empírico de rugosidad (0,006–0,007 para PVC)
- \(V\) = Velocidad media del agua en la tubería (m/s)
- \(D\) = Diámetro interior de la tubería (m)
- \(K\) = Pérdida de carga (mca)
- \(H\) = Altura (m)
- \(L\) = Longitud de tubería (m)
La pérdida de carga total:
$$ K = H + (J \times L)\; (\text{mca}) $$5. Caso práctico
Tomamos el garaje de un bloque de viviendas con cuartos técnicos y dos aseos. Todo el edificio evacúa por gravedad salvo este nivel, por lo que se diseña el bombeo sólo para el sótano.
Listado de aportes y UD
- 2 Lavabos = 2 UD
- 2 Inodoros = 8 UD
- 2 Lavaderos = 6 UD
- 1 Vertedero = 8 UD
Total UD: 24 UD | Total aparatos: 7
Simultaneidad
Utilizamos el coeficiente:
$$ K_v = \frac{1}{\sqrt{n} - 1} $$Siendo:
- \(K_v\) = Coeficiente de simultaneidad
- \(n\) = Número de aparatos
Para \(n=7\):
$$ \begin{aligned} K_v &= \frac{1}{\sqrt{7} - 1} \\ K_v &= 0{,}41 \end{aligned} $$Caudal de bomba con simultaneidad
$$ \begin{aligned} Q_b &= 1{,}25 \times 0{,}41 \times 7 \times 0{,}47\; (\text{l/s}) \\ Q_b &= 1{,}69\; (\text{l/s}) \end{aligned} $$Cálculo del volumen del pozo
$$ \begin{aligned} V_u &= 0{,}3 \times Q_b\; (\text{m}^3) \\ V_u &= 0{,}3 \times 1{,}69\; (\text{m}^3) \\ V_u &= 0{,}507\; (\text{m}^3) \end{aligned} $$Cálculo de la altura manométrica
Para este caso se escoge una tubería de PVC DN50.
$$ \begin{aligned} V &= \frac{Q_b\; (\text{l/s})}{S\; (\text{m}^2)} \\ V &= \frac{1{,}69\; (\text{dm}^3/\text{s})}{0{,}002\; (\text{m}^2)} \\ V &= \frac{0{,}00169\; (\text{m}^3/\text{s})}{0{,}002\; (\text{m}^2)} \\ V &= 0{,}845\; (\text{m/s}) \end{aligned} $$Con Flamant:
$$ \begin{aligned} J &= F \times \frac{V^{1{,}75}}{D^{1{,}25}}\; (\text{mca}/\text{m}) \\ J &= 0{,}006 \times \frac{0{,}845^{1{,}75}\; (\text{m/s})}{0{,}075^{1{,}25}\; (\text{m})} \\ J &= 0{,}114\; (\text{mca}/\text{m}) \end{aligned} $$Pérdida de carga total, con una diferencia de altura de \(4{,}15\ \text{m}\) y una longitud de impulsión de \(10{,}50\ \text{m}\):
$$ \begin{aligned} K &= H + (J \times L)\; (\text{mca}) \\ K &= 4{,}15 + \big(0{,}114\; (\text{mca}/\text{m}) \times 10{,}50\; (\text{m})\big) \\ K &= 5{,}347\; (\text{mca}) \end{aligned} $$Resultados
- Punto de trabajo de las bombas: 1,69 (l/s) y 5,35 (mca)
- Volumen del pozo o arqueta: 0,507 (m³)
6. Tips
- Si la zona donde estás realizando la recogida del saneamiento tiene sumideros y Bocas de Incendio Equipadas (BIEs) deberías contar con el posible caudal que salga por estas de forma simultánea para evitar inundaciones en caso de utilización o fuga.
- Las arquetas o pozos de bombeo deben tener una ventilación normalmente hasta la cubierta y hay que prever el espacio para mantenimiento y seguridad.
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