Snökylning av Norrmejerier

Umeå universitet 2009-03-19 Snökylning av Norrmejerier Projektarbete inom kursen Energilagringsteknik, 7,5 hp. Daniel Johannesson dajo0018@student.umu.se Johan Bäckström joba0008@student.umu.se Handledare: Lars Bäckström och Åke Fransson 0

Sammanfattning Lagring av snö under sommaren för att sedan användas för kylning är en intressant och lättillgänglig teknik i Norrland. Idag används denna teknik i Sundsvall för att förse sjukhuset med kyla från ett snölager. Utifrån denna modell har vi undersökt möjligheterna att kyla Norrmejeriers kylrum med hjälp av snö. Den nuvarande lagerytan är på ca 8000 m 2 och en planerad tillbyggnad på ca 7000 m 2.Kylrummen behöver hålla en relativ konstant temperatur på 4 C året runt. Ett antagande som gjorts är att kylbehovet endast behövs från maj till september eftersom dessa månader har en medeltemperatur över 4 C. Utifrån kylbehovet och de förluster som förekommer mot omgivningen beräknas och dimensioneras volymen på snölagret till 105 000 m 3. I närheten av Norrmejerier finns Hömyran, en av de snötippar där Umeå kommun tippar snö från staden. Mängden snö på denna plats skulle kunna utökas och därmed göra det möjligt att använda detta för att fylla Norrmejeriers kylbehov. 1

Innehållsförteckning Inledning... 3 Metod... 4 Teori... 5 Approximering... 5 Förluster... 5 Resultat... 7 Diskussion... 10 Slutsats... 10 Referenser... 11 Bilagor... 12 2

Inledning Is och snö har använts för att utvinna kyla i många år. Innan det fanns kylskåp användes snö och is för att lagra livsmedel. Idag kan det användas till att kyla hus och industrier. Snö har bra kylnings- och lagringsegenskaper. Den höga smältvärmesentalpin för vatten gör att det finns en stor potential för att kyla med snö och is. En stor mängd snö från gator och parkeringar transporteras ut från Umeå till snötippar i utkanten av staden. Den snön används inte till något speciellt idag 1. Om denna snö lagras till sommaren kan den användas till att kyla hus och industrier. När snö lagras i ett snölager kan smältvattnet lätt tas omhand och renas från föroreningar 2. Syftet med detta projekt är att undersöka om Norrmejeriers kylbehov kan tillgodoses med hjälp av kyla från ett snölager. Hur ska snölagret dimensioneras och vart ska det placeras? Hur stora blir förlusterna och räcker snön från Umeås snötippar eller måste snö produceras med snökanoner? Är det ett lönsamt alternativ? Underlaget till projektet fås genom att studera Kjell Skogsbergs doktorsavhandling och Magnus Näslunds examensarbete som handlar om ett snölager som förser Sundsvalls sjukhus med komfortkyla. Det finns stora likheter mellan Sundsvalls och Norrmejeriers snölager. Figur 1: Systemuppställning för Norrmejeriers snölager. Figur 1 visar grundprincipen för ett snölager. Snölagret är täckt av träflis för att få isolering från värmen i luften. Vatten sprutas i snön och vatten/snöblandningen får en temperatur kring 0 C. Blandningen innehåller grus som filtreras bort i ett filter innan vattnet pumpas vidare till en värmeväxlare. När vattnet passerat genom värmeväxlaren pumpas det tillbaka till snölagret. 1 Per Berg, Umeå kommun, telefonkontakt 2 Näslund M (2000). Fjärrkyla i Sundsvall baserad på sjövatten och lagrad snö. Luleå Tekniska Universitet. 3

Metod Till att börja med kontaktas Norrmejerier för att få information om deras kylbehov och temperaturer i kylrummen. Utifrån kylbehovet kan ett snölager beräknas och dimensioneras. Förlusterna mot marken och omgivningen måste beräknas och vägas in i dimensioneringen. Förlusterna från regn är små i förhållande till luftförlusterna, därför bortses dessa 3. Genom att isolera lagret med 0,2 m träflis kan en stor del av förlusterna reduceras 3. För att beräkna förlusterna till omgivningen behövs medeltemperaturerna för månaderna och de hämtas från SMHIs hemsida[4] 44. Umeå kommun kontaktas för information om var snölagren ligger och vilka snömängder som transporteras dit. 3 Skogsberg K (2005). Seasonal snow storage for cooling applications. Luleå Tekniska Universitet. 4 http://www.smhi.se/cmp/jsp/polopoly.jsp?d=7560&l=sv 4

Teori Genom att använda det kalla smältvattnet för att ta upp värme från det transporterande mediet, kan sedan lagerlokaler kylas. Snölagrets storlek påverkas av förlusterna, lagrets utformning, till omgivningen och kylbehovet som finns. Approximering Snölagrets dimensioner har approximerats genom anta att lagret har en konstant form likt en avkapad kon 3. Med hjälp av detta har förluster gentemot luften och marken beräknats. I beräkningarna har ett maximalt snödjup på 9 meter tillämpats 3 Figur 2. Lagret approximeras som en avkapad kon. Förluster För snö som är i kontakt med asfalten kan värmetransporten beräknas enligt: T Q mark = kamark (1) L Där k är en kombinerade värmeledningsförmåga för asfalt och jord och temperaturskillnaden är mellan yttemperaturen på asfalten och 2m (L) ner i marken. Därefter kan volymsflödet av snö orsakat av denna värmeupptagning kan enligt Näslund 2 beräknas: Q = Q mark mark = mh fg V (2) h fg ρ snö Där h fg är smältvärmesentalpin för vatten. 5

Temperaturskillnad mellan luften och snölagret kommer också att leda till reducering av snölagret och enligt K. Skogsberg 3 kan volymsflödet av snö beräknas: Ttopp kins Atopp V = z (3) h ρ fg snö Där k ins är den ett medelvärde av värmeledningsförmågan hos vatten och sågspån, eftersom sågspånet antas vara blött/fuktigt. I ekvation (3) är T topp differensen mellan omgivningens temperatur och snölagrets yttemperatur. Isoleringens/sågspånets tjocklek anges av z. Kylbehovet bidrar också till att snölagret minskar enligt Näslund 2 : Q = Q behov behov = msnöh fg Vbehov (4) h fg ρ snö Med användning av approximation av lagret och ekvationerna 2-4 kan snölagrets volym beräknas. 6

Resultat Enligt uppgifter från Norrmejerier, har de en ökande eleffekt på ca 0.6MW som främst beror på deras ökade kylbehov 5 (se figur 3 och 4 nedan). Deras kyleffekt har beräknats för kylmaskiner med en COP-faktor på 2,5. Kylrummen måste hålla en relativt konstant temperatur på 4 C. Januari 2007 3,500 Elförbrukningen MW 3,000 2,500 2,000 1,500 1,000 0,500 0,000 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 Månadsmedel Dag 4 Dag 5 Dag 6 Dag 7 Dag 8 Dag 9 Dag 10 Timmar Figur 3. Norrmejeriers elförbrukning under ett dygn i januari. Juli 2007 Effektförbrukning MW 4,000 3,500 3,000 2,500 2,000 1,500 1,000 0,500 0,000 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 Timmar Figur 4. Norrmejeriers elförbrukning under ett dygn i juli. Dag 1 Dag 2 Dag 3 Dag 4 Dag 5 Dag 6 Dag 7 Dag 8 Dag 9 Månadsmedel 456456456 Ur figur 3 och 4 kan det observeras en effektökning motsvarande 0,5 MW elektricitet mellan januari och juli. Dock bör det tilläggas att under januari månad är den allmänna drift elen så som belysning, motorvärmare etc. högre än under sommaren. Det antas vara ca + 0,1 MW. Utifrån detta kan det tolkas som att de har en ökande eleffekt på ca 0,6 MW under sommaren som främst beror på deras ökade kylbehov. 5 Clas Brannelid, Norrmejerier, telefonkontakt 7

Beräkningarna har gjort under de fem varmaste månaderna under året, eftersom då är kylbehovet som störst och medeltemperaturen är över 4 C, och det är främst den ökade kyleffekten som snölagret ska fylla. Tabell 1: Månadsmedeltemperaturen i Umeå. Månad Medeltemp [ C] Januari -9 Februari -8 Mars -4 April 1 Maj 7 Juni 12 Juli 15 Augusti 14 September 9 Oktober 4 November -2 December -6 Tabell 1 visar temperaturerna som används vid beräkning av förluster till omgivningen. Under maj till augusti har det antagits att det varit 0,6 MW eleffekt större för kylbehov än under vintern och under september månad har det antagits att det varit 0,4 MW större. Snölagrets storlek och minskning under dessa månader kan observeras i tabell 2 Tabell 2: Förluster och snövolymens förändring från maj till september. Månad Initial volym [m 3 ] Förlorad volym [m 3 ] Kyluttag [m 3 ] Återstående volym [m 3 ] Luft Mark Maj 105000 2435 520 18528 83517 Juni 83517 3733 464 17930 61390 Juli 61390 4395 435 18528 38032 Augusti 38032 3660 385 18528 15459 September 15459 1995 324 11954 1186 Totalt 16218 2128 85468 8

Figur 5: Lagret placeras vid den befintliga snötippen vid Hömyran. Det inringade huset är Norrmejeriet. Lagret placeras vid Hömyran som ligger ca 700-800 m från Norrmejerier. Lagret har volymen 105 000 m 3 och har dimensionerna, bottenradie = 55m, toppradie = 71,6m och höjden = 8,3m. Tabell 3: Snömängd vid Umeå kommuns snötippar. Plats Snömängd Hömyran 18612 Ersboda 36918 Kulla (K-rauta) 55872 Rödbäck (travbanan) 54180 Totalt 090313 165582 Beräknad mängd 08/09 180000 Tabell 3 visar att den totala snömängden som fraktades från Umeå under vintern 2008-2009 var fram till den 13:e mars 2009 ungefär 166000 m 3 snö. 9

Diskussion Den beräknade snömängden som behövs för att kyla Norrmejeriers kylrum under sommaren blev enligt våra beräkningar 105 000 m 3 snö. Snömängden som dumpas på Hömyran och Ersboda är ca 56 000 m 3. Om även snön från Kulla används för detta ändamål skulle kylbehovet uppfyllas. Vid snöfattiga vintrar är det ekonomiskt hållbart att använda snökanoner för att producera snö 3. Snölagret placeras vid Hömyran som ligger ca 700-800 m från Norrmejerier. Lagret har en form av en uppochnervänd avkapad kon. Detta har gjorts för att förenkla förlustberäkningarna mot omgivningen. Lagret kan dimensioneras annorlunda och därmed minska förlusterna, vilket ger möjlighet till en reducerad volym av snölagret. I vår rapport har projektet ur ett ekonomiskt perspektiv inte tagits i beaktning. Driftkostnaderna är små men det är en stor investeringskostnad 3. Generellt för snölager är återbetalningstiden ca 3 år, men detta beror på storleken av lagret och vilket kylbehov som finns 3. Norrmejerier har planer på att bygga ut lagerlokaler som ska kylas. Deras nuvarande lageryta är ca 8000 m 2 och den planerade lagerytan är på ca 7000 m 2. Detta innebär att deras kylbehov kommer att öka kraftigt. Om vi antar att kylbehovet fördubblas behövs ett snölager på drygt 200 000 m 3. Detta kan innebära ett ökat intresse för ett kylsystem med användning av snölager. Slutsats Det finns tillräckligt med snö i Umeå för att täcka Norrmejeriers kylbehov. Om detta projekt skulle vara möjligt att genomföra i praktiken är svårt att avgöra, eftersom det är så många faktorer som påverkar. Det skulle däremot kunna leda till minskade elkostnader och det leder till att investeringar kan göras på annat håll. Om en bättre modell av snölagret skulle betraktas och därtill leda till en mindre snövolym av lagret, så skulle intresset hos mögliga användare kanske vara större. 10

Referenser 1. Per Berg, Umeå kommun, telefonkontakt 2. Näslund M (2000). Fjärrkyla i Sundsvall baserad på sjövatten och lagrad snö. Luleå Tekniska Universitet. http://epubl.ltu.se/1402-1617/2000/132/ltu-ex-00132-se.pdf 3. Skogsberg K (2005). Seasonal snow storage for cooling applications. Luleå Tekniska Universitet. http://epubl.luth.se/1402-1757/2001/51/ltu-lic-0151-se.pdf 4. http://www.smhi.se/cmp/jsp/polopoly.jsp?d=7560&l=sv 5. Clas Brannelid, Norrmejerier, telefonkontakt 11

Bilagor Lagervolym [m3] 105000 Vinkel [ ] 26,6 Radien lilla konen 55 Höjden lilla konen 27,5 Lilla konens volym 87247 Kylbehov Sommar [W] 600000 Vår/Höst [W] 400000 COP faktor 2,5 Värmekonduktivitet Tjocklek Densitet Smältvärmesentalpi Material [W/m K] [m] [kg/m3] [J/kg] Träflis 0,35 0,2 Jord 1 1,95 Asfalt 0,062 0,05 Jord och Asfalt 0,97655 2 Snö 650 333600 Volym på snölagret [m3] Höjd [m] Radie [m] Area mot luft [m2] Area mot mark [m2] Area mot mark för stora [m2] Area mot mark för lilla [m2] 105000 35,8 71,6 16092 17250 17997 10942 83517 34,5 68,8 14870 15883 16630 9575 61390 32,9 65,7 13556 14414 15161 8106 38032 31,1 62,0 12096 12781 13527 6473 15459 29,1 58,1 10595 11103 11849 4794 1186 27,7 55,2 9589 9978 10724 3670 Snöförluster luft [m3/månad] Snöförluster luft [m3/månad] Smält volym kyluttag [m3/månad] Total snöminskning [m3/månad] Återstående volym [m3] 2435 520 18528 21483 83517 3733 464 17930 22126 61390 4395 435 18528 23358 38032 3660 385 18528 22574 15459 1995 324 11954 14272 1186 12