Luftfuktighet, temperatur och kondens i ishallar

Ishallar måste tillsätta vatten på isytan för att motverka slitage från skridskoåkare och som följd kan kondensbildning framkomma på tak och väggar. Kondensbildning sker när en yta är kallare än luftens daggpunkt om TD>0 °C och frostbildning sker om TD<0 °C per definition.

Isplanen måste hållas under 0 °C vilket leder till kallare temperaturer och instabila fuktflöden. Sannolikheten att kondensation uppstår på taket eller isplanen är därför stor om detta fenomen inte åtgärdas. Palmowska och Lipska (2016) utför praktiska mätningar och konstruerar en numerisk modell som redogör under vilka förhållan-den som fenomenet uppstår i en ventilerad ishall (i Gilwice). Dataloggar användes för tilluftens fukthalt, utetemperatur och fukthalt utomhus och momentanmätningar togs för tilluftflödet, ytterväggarnas temperaturfördelning, isplanens temperatur och emissivitet. Parametrarna användes som systemgräns för numeriska modeller och för validering av modellerna. Resultatet visar att modellerna kan förutsäga dagg-punkten på taket med god noggrannhet men de var inte lika noggranna med att för-utsäga fuktflödet ovanför isplanen (0,1 till 1,7 meter). Det visas också att inomhus-luftens temperatur varierar i höjdled och sidled även i symmetriska ishallar. Toomla m.fl. (2019) menar dock att Palmowska och Lipskas modell underskattar effekten av temperaturstigning i höjdled.

Unikt till ishallar är att de använder sig av en ismaskin för att förnya och återställa tjockleken på isplanen genom att tillsätta vatten direkt på isplanen. Fuktflödet ovan-för isen kommer således att gå mot isytan eller från isytan till rumsluften.

ASHRAE (2010) definierar den totala konvektiva värmetillförseln till isytan (Q_cv) enligt Ekvation (2). Där Q_c är konvektivt värmeutbytet mellan luften och isytan, Ẇ

är latent energi för fuktflödet mellan luften och isytan och K är

massvärmeöverföringskoefficienten vilket sätts till 0,23 g/(s·m²). Kondens uppstår på isytan när luftfuktighet är högre än fuktigheten direkt över isytan (X_L>X_is). Kon-densutfällning på isplanen och dimbildning i arenan är då baserat på isytans tempera-tur (Tis) och luftfuktigheten (XL).

Q_cv = Q_c + Ẇ = H_k(T_L - T_is) + K(X_L - X_is) (2) Palmowska och Lipska menar att Ekvation (2) inte tar hänsyn till lokala förändringar i fuktflödesriktningen mellan isytan och luften så antingen visar ekvationen kondens-bildning över hela isytan eller ingen kondens alls. Därför så bör Ekvation (2) anpas-sas till indelade sektioner av isytan för noggrannare resultat för att avgöra om kon-densutfällning sker.

Palmowska och Lipska (2018) uppföljer deras tidigare studie Palmowska och Lipska (2016) för att undersöka om olika åtgärder kan lösa temperatur- och fuktförhållan-det från de numeriska modellerna på ishallen. Totalt testas tio förändringar i den nu-meriska modellen där sju av dem är ändringar till ventilationssystemet och avfuk-tare, två är med olika personlaster i arenan och den sista är lägre emissivitet på ta-ket. De två åtgärder av specifikt intresse för PF Arenan är:

• Variant VII använder en avfuktare avskilt från ventilationssystemet (ett sepa-rat system)

• Variant V förser luftbehandlingsaggregatet med en avfuktningslösning (ett integrerat system)

Palmowska och Lipska (2018) presenterar resultat från de numeriska modellerna i form av fuktkartor ovan isytan och värmekartor för taket. Isytans temperatur i mo-dellerna är -4,5 °C som ger en specifik fuktighet av X_is=2,6 g/kg torr luft. Så enligt Ekvation (2) måste X_L direkt över isytan var mindre än X_is för att undvika att fukt-flödet går mot ytan. Luftfuktigheten ovanför isplanen för systemlösningar som är tänkbara för PF Arenan visas i Figur 3. När arenan var utrustad med någon typ av-fuktare så framkommer ingen kondensbildning på taket. Variant V och VII resulterar i lägre fukthalter än variant VI men de undvek inte kondensfenomenet helt. Luftflö-det för variant VII ökades till Luftflö-det flöLuftflö-det så systemet hade likvärdiga resultat som va-riant V. Histogram visade att sannolikheten att fuktflödet går från isytan till luften var 29 och 9 % för variant VII respektive V. Utav alla numeriska modeller ansågs va-riant V och VII som de mest effektiva lösningar för att undvika kondensfenomenet.

Figur 3. Specifik luftfuktighet 0,1 meter över isytan i en isrink under tre avfuktningsvarianter under full personlast. Variant V använder en integrerad avfuktare, VI använder en separat avfuktare med 10

% högre luftflöde och VII använder en separat avfuktare med 59 % högre luftflöde. (Palmowska och Lipska, 2018).

Motsatt tjockleksmönster för isen observerades i PF Arenan än som visas av fuktför-delningen i Figur 3 (variant V/VII). Det faktum att isen är tjockare vid kanterna av planen än mittendelen kan förklaras av andra anledningar som till exempel belys-ning, ojämn fördelningen från ismaskinen, ispisten kyleffekter eller ojämn värme-strålning i arenan. Det är också troligt att kondensbildning sker på hela isytan i PF Arenan som avfuktaren inte är specifikt dimensionerad för att undvika sådan kon-densbildning vilket betyder isytans ojämnhet framkommer från några av de nämnda anledningarna.

Eftersom isytan måste hållas under 0 °C så kommer isytan att kyla taket via strålning till en kallare temperatur än luften och väggarna. Marquardt och Mainka (2008a) framtar en numerisk modell för att beräkna yttemperaturer på tak i ishallar som tar hänsyn till värmeledning, konvektion och värmestrålning. Modellens resultat jämfördes med temperaturmätningar från en ishall som korrelerar varandra rätt så bra vilket kan ses i Figur 4. Avläsning visar att kondensation på takytan förekommer när utomhusluftens temperatur är över 7 °C vid 85 % relativ fukthalt. Genom att jämföra takets yttemperatur med luftens daggpunkt vid en viss tidpunkt så kan kondensationsfenomenet på taket förutses.

Figur 4. Uppmäta yttemperaturer (θ1 och θ5) och den beräknade temperaturen för takytan (θsi) jämfört med daggpunkten för uteluft (θsat) vid RH=85 % vid olika utelufttemperaturer (θe). Studien använder θ för temperatur i °C (Marquardt och Mainka, 2008a).

Nackdel med den analytiska modellen av Marquardt och Mainka (2008) är att den undersökta ishallen är öppen till utomhusluften vilket betyder att modellen är base-rad på flera antaganden. Märkliga antaganden är: ingen värmeförlust från ventilat-ionssystem och ingen intern genererad värme. PF Arenan är inte försett med ett luftbehandlingsaggregat så det första antagandet är lämpligt. Andra antagandet har större relevans för PF Arenan eftersom fukthalten och inomhustemperaturen kom-mer att öka specifikt vid högre personlaster och användning av ismaskinen. Men mo-dellens syfte i PF Arenan skulle vara att förutse kondens/frostbildning på takytan i vilket fall avfuktarens styrning tar hänsyn till inomhustemperaturen som i sig tar hänsyn till personlasten. Fördelen med modellen är att takets yttemperatur beror på luftflödet längs takets insida, isytans temperatur och uteluftens temperatur.