Teori. Exempel. =30 / 4200 (10 2) = 1 10 =

Transkript

1 SNÖKYLA Inledning Vi har valt att kolla närmare på möjligheterna att använda snölager som en metod att värmeväxla till komfortkyla under sommarhalvåret. Eftersom snö är billigt och finns i stora mängder så är det väldigt smart att utnyttja detta istället för att bara låta den smälta bort. Det är en konstigt nog väldigt oanvänd metod i dagens samhälle vilket kan vara märkligt då snö har väldigt goda egenskaper och är lätt att tillgå så länge det snöar under vintern. I Sverige så finns det ett snölager system som är i bruk och det är placerat vid Regionsjukhuset i Sundsvall där man låter snö som röjs från gator och torg lagras för att sedan värmeväxla mot sjukhuset för att ge komfortkyla under sommarmånaderna. Denna metod har visat sig effektiv inte minst ur en ekonomisk synpunkt och man kan ju fråga sig varför denna metod inte används oftare. Metoden är effektiv för alla kylbehöv såsom komfortkyla, kyllagring och andra industriella ändamål där man har ett temperaturbehöv på något över noll grader celcius eller högre. Vid lägre temperatur behöv är det bättre att använda en kylmaskin mot snö istället för luft och det kan ge elbesparingar på 50 % eller mer Det finns mycket energi att utvinna ur den latenta energimängden som finns lagrad i snö och is. Snökyla har även fördelar i miljöaspekten då det är en metod som inte nödvändigtvis använder sig av hälsofarliga kylmedium och är helt och hållet förnyelsebar. Med snökylningssystem så minskar man elförbrukningen med upp till 95 % och har obegränsat effektuttag samtidigt som det är okänsligt för ökande elpriser och detta är unikt för denna lösning. Som om att det inte vore bra nog så fungerar snökylningen som ett reningsverk mot föroreningar som ansamlas i snö från utsläpp i trafik och industri då snön renas i filter innan det pumpas in i värmeväxlaren. (Snowpower)

2 Teori För att omvandla 1kg nollgradig is till 1kg nollgradigt vatten krävs lika mycket energi som det finns i motsvarande mängd 80 gradigt vatten. I fallet snökyla så har vi 10 gradigt vatten som kommer ut från värmeväxlaren och återcirkuleras in i snöhögen. Då krävs det alltså 8kg vatten för att smälta 1kg snö. Exempel. Beräkna massflödet som krävs för att leverera en effekt på 1000 kw samt beräkna snömängden för 1000 kwh då Cp =4200 J/kg*K och värmeväxlaren jobbar mellan 2 och 10 grader. Densitet för snö =650 kg/m 3 och smältvärmen för snö är clatent = 92.8 Wh/kg = = = 1 10 =30 / 4200 (10 2) = = 1 10 = Snökyla En snökyla anläggning består av ett lager, en uppsättning filter, en pump och en värmeväxlare. För att dimensionera storleken på lagret måste man ta hänsyn till effektuttag och hur mycket som smälter av sig själv. Beläggningen i lagret bör vara vattentät och vara byggd så att snön kan kyla vattnet., ett problem som kan uppstå är att vattnet gräver gångar i snön och alltså inte kyls till noll grader. Snölagret Lagringsplatsen kan vara en grotta under mark eller en uppläggningsplats på marknivå. Lagrets placering påverkar vilka förluster som finns i lagret. Lager under mark har förluster på grund av att marktemperaturen är högre än lagrets temperatur. Grundvattnets strömning kan också vara en faktor när lagret ligger

3 undermarken. Lager som ligger över marken har förluster från solinstrålning, nederbörd som värmetransport till omgivningen. (Johansson, 1999) Figur 1. Förluster i ett snölager För att isolera lager som ligger övermark kan man använda t.ex. 0,2m sågspån eller dubbla 10 mm polyurethanskummattor på snön. Hanteringen blir enklare med polyuruthenmattorna och sågspånet kan krångla till det för reningsfiltren. Filtrering För att ett snölager ska få så lång livstid som möjligt måste man filtrera smältvattnet noga. Det finns också en miljövinst i att filtrera vattnet innan det släpps ut i havet. Ett grovfilter för avskiljning av sågspån och skräp från snöröjningen är första steget. Detta består i princip av ett galler. Därefter finns ett självrensande filter för avskiljning av olja och sand. Olja och andra föroreningar från bilar är inte lämpligt att skicka ut från en anläggning. Sist sitter ett finfilter för att skydda värmeväxlarna, de släpper inte igenom saker större en 1mm. Finfiltren rensas automatiskt varje dag genom att spolas baklänges. (Wichman, 2003)

4 Värmeväxlare För att kunna utvinna kyla ur en snöhög behöver du en värmeväxlare. Värmeväxlaren tar nollgradigt vatten från botten på snöhögen och spolar tillbaka vatten på omkring tio grader över snöhögen. Värmeväxlaren måste göras av ett material som klarar av föroreningarna som finns i snön. En av de vanligare föroreningarna i snö som hämtats med plogbil är salt. Detta kan ge stora korrosions problem om man inte väljer rätt material på värmeväxlaren t.ex titan eller syrafast stål. (Näslund, 2000) Anläggningen vid regionsjukhuset i Sundsvall. Anläggningen har varit i drift sedan sommaren 2000 och tillgodoser hela sjukhusets behov av komfortkylning under sommartid. Man låter sjukhuset värmeväxla med smältvattnet från en 60,000 m 3 stor snöhög som till största del består av snö röjd från gator och torg under vintertid. Snön lagras i en asfalterad grop och är täckt med ett 0,2 m tjockt lager av spån för att förhindra oönskad smältning av snön på grund av solinstrålning och konvektion av vind. Smältvattnet renas genom olika filter för att för förhindra att pumpar förstörs samt för att se till så utsläppen i närliggande bäckar inte är förgiftade på grund av gifter i som ansamlats i snön. (Skogsberg, 2001) Under den första sommaren som anläggningen var i drift så behövde sjukhuset 655 MWh kylning med en maximal effekt på 1,366 kw. Snökylningsanläggningen klarade av att tillgodose 93 % av detta och resterande 7 % tillgodosågs av det befintliga kylsystemet med kylmaskiner. Det krävdes 19,000 m 3 snö och där 75 % var naturlig snö och 25 % tillverkades av snökanoner. COP -värden beräknade under drift var 10,5 för snökylningsanläggningen och 2,2 för kylmaskinerna och det totala COP värdet

5 landade på 8,6 för snökylningen och 2,2 för kylmaskinerna. Man hade inga större problem vid drift under det första året och blev bara tvungen att göra små åtgärder. (Skogsberg, 2001) Investeringskostnaden för anläggningen i sundsvall slutade på 1,3 MEUR med en driftskostnad på 15,3 EUR per MWh. Baserat på kostnaden för anläggningen i Sundsvall så beräknar man att med kunskaperna från projektet kunna uppföra ett lager på 120,000 m 3 snö, 6000 MWh med en kostnad på 0,8 MEUR och en beräknad återbetalningstid på 3 år. Med tanke på att livslängden på en sådan här anläggning är 40 år så finns det stora kostnader att spara. (Skogsberg, 2001) Eftersom snön som tas från gator och torg är förgiftat på grund av avgaser och andra utsläpp så bestämdes det att någon form av rening måste införas innan man släpper ut överblivet smältvatten i bäckar. Dessa filter ligger innan pumpsystemet och ger på så vis även en längre livstid på pumparna. Detta ger en möjlighet att mäta utsläppsnivåer i snön på ett kontrollerat vis och ger en god bild på hur utsläppen ser ut i Sundsvall. (Skogsberg, 2001) Figur 2 Översiktsbild kylanläggning vid regionsjukhuset i Sundsvall

6 Miljö- och ekonomiaspekter Miljö Den enda anläggningen i världen än så länge är alltså regionsjukhuset i Sundsvall, därför kan det vara svårt att ge en exakt bild över hur ekonomin skulle se ut på andra platser i världen. Men anläggningen i Sundsvall är väldigt välutredd och dokumenterad av (Wichman, 2003). Före år 2000 kyldes Regionsjukhuset i sundsvall med konventionellt kylsystem, som nyttjade ett freonbaserat kylmedium. En jämförelse mellan att ersätta befintlig kylmaskin med en ny, utan freon och en snökylanläggning har genomförts. I båda fallen konstateras att den största miljöpåverkan uppkommer under driftfasen. En del uppkommer under uppbyggnad. (Wichman, 2003) Snökylanläggningen minskar C0 2 utsläppen med ca 90 % gentemot kylmaskinen. Det största bidraget till CO 2 från kylmaskinen kommer från elproduktionen, trots att vi Sverige har en relativt ren elproduktion. Även i snökylanläggningen kommer det största bidraget av CO 2 från elektriciteten, men en stor del kommer även från transporter och schaktning av snön. Skulle man köra dessa

7 maskiner på ett miljövänligt bränsle, skulle miljöpåverkan minska ytterligare. (Wichman, 2003) Försurning minskar med ca 40 % och övergödning med ca 25 % om snökyla används istället för kylmaskiner. Det största bidraget till försurning och övergödning kommer från transporter och schackning av snön. Ett miljöbränsle i maskinerna skulle minska dessa utsläpp markant. Marknära ozon ökar däremot med snökyla, även här står transporter och maskiner för den största delen. (Wichman, 2003) När det gäller byggnadsfasen, är det främst polystyrenplasten i markisoleringen som har någon miljöpåverkan. Detta beror på att polystyrenplast kräver mycket olja i tillverkningen. (Wichman, 2003) En annan aspekt som tas upp och har positiva effekter på miljön, är den att snön renas från föroreningar som annars hade kommit ut i naturen om snön dumpats i depå. Framförallt är det olja och tungmetaller man vill få bort. (Skogsberg, 2001) Ekonomi Även här är det anläggningen i Sundsvall som är undersökt, eftersom det är den första och enda hittills i världen. Årligen kräver sjukhuset ca 1000 MWh kylenergi, med en största effekt på 1500 kw. Av de 1000 MWh är ca 90 % från snökylanläggningen, resterande tas från reservkylmaskiner. Anläggningen behöver ca m 3 snö varje år, av dessa är ca 40 % natursnö från gator och torg. Resterande tillverkades med hjälp av snökanoner och vattenslangar. Snökanonerna behöver 0,2 kwh för att producera 1 m 3 snö. Med ett elpris på 50 öre kwh innebär det en ökad kostnad med 2400 kr. Den naturliga snön kan betraktas som gratis, eller i bästa fall kan man till och med få betalt för att ta emot snön från kommunen. (Skogsberg, 2001) Konventionella kylmaskiner med ett COP R på 3 skulle kräva 333 MWh el till en kostnad av kr årligen för att täcka samma behov. Totalt krävde anläggningen en investering på 1,3 miljoner EUR, driftkostnaden för det första

8 året var EUR. En Undersökning (Näslund, 2000) visar att anläggningskostnaden kan reduceras betydligt. Då stora delar av investeringen gått till kostnader som inte är direkt kopplade till anläggningen. En anläggning i storleksordning 6000 MWh, eller m 3, skulle kunna uppföras för ca EUR. Med en beräknad återbetalningstid på två år och livslängd på 40 år. Potential och framtid Över hela världen ökar behovet av kyla till fastigheter och industrier En förutsättning för att snö ska kunna användas för kylning av industrier och fastighet är givetvis att det finns tillgång till snö, eller i alla fall temperaturer under fryspunkten någon del av året. Därför är den här tekniken inte en lösning för alla, men det finns en hel del länder där klimatet är gynnsamt. Tar vi tar en lite närmare titt på de länder som kan vara av intresse, ser vi att det är inte bara klimatet som spelar in hur vida snökylning kan vara ett alternativ, även elpriset spelar en viktig roll för framtida satsningar. Anläggningen i Sundsvall har redan visat att tekniken fungerar och att Sverige är en väldigt lämplig kandidat för framtida investeringar. Det som kan vara ett hinder är subventioneringar för industrin. Ett elpris på ca 55 öre/kwh för industrin gör det svårt att räkna hem en investering i snökyla, gentemot konventionella eldrivna kylmaskiner, men med ökade elpriser i beräkningarna ser det desto ljusare ut. Bara i Stockholm tippades 1 miljon kubikmeter snö i mälaren, men av miljöskäl får tippning inte längre ske. Därför kan det vara intressant att lagra snön för kylning av fastigheter och samtidigt kunna rena snön från föroreningar. Ett hinder är dock platsbrist i centrala Stockholm, men ett underjordiskt snölager skulle vara ett bra alternativ (Brimberg, 2008) Våra grannländer, Norge och Finland har liknande förutsättningar som Sverige. Där en stad som Oslo, med en medeltemperatur på mellan 3 till fyra minusgrader de tre kallaste månaderna och medelnederbörd under samma period på ca 120 mm, torde ha en hel del naturlig snö att tillgå. Även Norge och Finland har dock ungefär samma elpris som Sverige (Brimberg, 2008)

9 Andra länder med relativt gynnsamt klimat är bl.a. Polen, Rumänien och Slovakien. Dessa länder har också den fördelen att elpriset är relativt högt gentemot Sverige, samtidigt som andelen fossilt i elproduktionen är väldigt hög, så en övergång till snökyla skulle ha en mycket positiv inverkan på miljön. (Brimberg, 2008) Ryssland har väldigt bra förutsättningar för snökyla, med flera stora stöder i ett relativt kallt klimat, samtidigt som elpriset är högre än i t.ex. Sverige. I St Petersburg tippar man ca 25 miljon kubikmeter snö varje år i floden Niva, vilket leder till stora miljöproblem med översvämningar och föroreningar. Därför har intresset för att använda snön till kyla väckts. (Brimberg, 2008) Nordamerika med norra USA och Kanada har också väldigt lämpligt klimat, dock är elpriset i Kanada väldigt lågt. Städerna i USA har ett enormt kylbehov, samtidigt som ca 70 % av elen kommer från fossila bränslen. (Brimberg, 2008) Litteraturförteckning Brimberg, Max Snökyla-en möjlighet att reducera negtiv miljöpåverkan. Luleå : Luleå tekninska universitet, Näslund, Magnus Fjärrkyla i Sundsvall baserad på sjövatten och lagrad snö. Luleå : Luleå Tekniska universitet, Skogsberg, Kjell Seasonal Snow Storage for Cooling Application. Luleå : Luleå Tekniska Universitet, Snowpower. [hemsida] Luleå : Snowpower AB. Wichman, Patric Miljökonsekvensanalys av snökylanläggning och kylmaskin - en jämföresle mellan två alternativa kyltekniker. Luleå : Lulleå tekniska universitet, 2003.

10