Resumen de New design methodology for branched hydraulic networks that accounts for variable water demand and energy assessment
- español
Resumen El diseño de los sistemas de abastecimiento de agua tiene que considerar todos los costes que éstos conllevan desde el momento de su construcción hasta el final de la instalación, para que sean eficaces y sostenibles. Esto implica contabilizar no solo los gastos de construcción sino también los costes energéticos de la operación del abastecimiento cuando se requiere bombeo. Una variable clave para el cálculo de los costes eléctricos es el valor del rendimiento de la bomba. Hasta ahora, la predicción del rendimiento de la bomba se realizaba utilizando valores conservadores, a falta de una mejor estimación. Por otro lado, debido a que la demanda de agua varía a lo largo del tiempo en función de numerosos factores, como el riego estacional o los desplazamientos de población, etc., es deseable que la metodología de diseño sea capaz de gestionar adecuadamente este fenómeno.
Por estas razones, el objetivo de este trabajo es presentar una nueva metodología de diseño de sistemas de suministro de agua para redes ramificadas que contabilice de manera efectiva los gastos de energía y los patrones de demanda variable. La metodología se basará en el Sistema de Granados, que es un procedimiento muy práctico e intuitivo. Esta tesis pretende realizar un análisis exhaustivo de los rendimientos las bombas con el fin de definir el valor esperado del rendimiento y así simplificar el proceso de cálculo de Granados. Al mismo tiempo, dado que el Sistema de Granados requiere un caudal de diseño constante, esta tesis también persigue proporcionar una solución mediante la cual las distribuciones de demanda variable se puedan convertir en regímenes constantes.
Para el análisis de los rendimientos de las bombas se estudiaron en profundidad 226 bombas comerciales, recogiendo sus características en su punto óptimo de funcionamiento. Como resultado, se detectó una fuerte relación entre el rendimiento de la bomba y el caudal, lo que permitió la elaboración de una curva empírica que los diseñadores pueden utilizar para predecir el valor esperado del rendimiento de la bomba y así realizar una evaluación energética adecuada. Esto también simplifica los cálculos en el Sistema de Granados al frenar un proceso iterativo para adivinar la eficiencia de la bomba.
En cuanto al tema de la demanda de agua variable, este trabajo presenta una metodología sencilla que, utilizando un caudal constante, el coste total es equivalente al del flujo de demanda variable. Siguiendo esta lógica, se desarrollan los conceptos de Caudal Equivalente y Volumen Equivalente. Estos conceptos pueden aplicarse, no solo al Sistema Granados, sino también a cualquier otra metodología de diseño que requiera un caudal constante como entrada.
Combinando todas estas contribuciones y reorganizando los pasos del procedimiento, se propone y aplica una nueva metodología de diseño para las redes de suministro de agua en un estudio de caso para ilustrar completamente su uso.
- English
Abstract The design of water supply systems has to consider all costs involved from the moment of its construction until the end of the installation, for it to be effective and sustainable. This implies accounting not only for the building expenses but also for the energy investments of the operation of the facility when pumping is required. A key variable for the calculation of the electrical costs is the value of the pump efficiency. Up to now, the prediction of the pump efficiency was made using conservative values, in the absence of a better estimation. On the other hand, because water demand varies over time depending on numerous factors, such as seasonal irrigation, or population displacements, etc., it is desirable that the design methodology is able to adequately manage this phenomenon.
For these reasons, the aim of this work is to present a new design methodology for water supply systems for branch networks that effectively accounts for energy expenses as well as variable demand patterns. The methodology will be based on the Granados’ System, which is a very practical and intuitive gradient based procedure. This thesis intends to carry out an extensive pump analysis with the purpose of defining the expected value of the pump efficiency and in this way simplify Granados’ calculation process. At the same time, because Granados’ System requires a constant design flow rate, this thesis also pursues to provide a solution by which variable demand distributions can be converted to constant regimes.
For the pump efficiency analysis, 226 commercial pumps were studied in depth, collecting the characteristic features at their optimum operation point. As a result, a strong relationship between the pump efficiency and the flow rate was spotted, which allowed the elaboration of an empiric curve that designers can use to predict the expected value of the pump efficiency, and thus perform a proper energy assessment. This also simplifies calculations in the Granados’ System by braking an iterative process for guessing the pump efficiency.
Regarding the variable water demand issue, this work presents a straightforward methodology that, using a constant flow rate, the total cost is equivalent to that of the variable demand flow. Following this logic, the concepts of the Equivalent Flow Rate and the Equivalent Volume are developed. These concepts can be applied to, not only the Granados’ System, but also to any other design methodology that requires a constant flow rate as input.
Combining all of these contributions and reorganising the steps of the procedure, a new design methodology for branch water supply networks is proposed and applied in a case study to fully illustrate its use.
