Utredning av olika snökanonmodeller

Eftersom påfyllningen sker en gång månatligen mellan april och oktober, det vill säga vid sju tillfällen, kommer den totala erforderliga snömassan inklusive påfyllning, , vara lika med 8307 000 kg, vilket innebär en ökning på 42 % jämfört med den initiala massan. Följaktligen kommer den erforderliga volymen, , att uppgå till 12780 m³.

5.1 Utredning av olika snökanonmodeller

För en typisk alpin skidanläggning går närmare tre fjärdedelar av energiförbrukningen åt till snöproduktion, och då främst till tryckluft till snökanonerna (Energy & Resource Solutions, 2004). En skidtunnel har givetvis en annorlunda fördelning, inte minst beroende på att anläggningen kräver kylning året runt. Dock är det uppenbart att snöproduktion spelar en signifikant roll även i detta fall, varför det är relevant att utreda olika typer av snökanoner.

Figur 15: Snökanoner vid Lindbäcksstadion, samtliga tillverkade av Demaclenko. Från vänster syns Ventus, FA540 och Northwind.

29

I detta avsnitt av rapporten har snökanonernas produktionskapacitet vid rådande klimat i området utretts, liksom deras elförbrukning och potential för applicering inomhus. De modeller som har beaktats är tidigare nämnda Demaclenko FA540 och Ventus, SMI Standard PoleCat, Top Gun 3 samt Demaclenko Evo, en något mindre kanon med låg elförbrukning.

Som nämnt i avsnittet 4.2 Artificiell snö behöver snökanoner tillförsel av vatten för att fungera. Generellt gäller att ju lägre temperatur vattnet som pumpas till snökanonen har, desto mer snö produceras. Dock kan temperaturer väldigt nära 0°C ge upphov till frysproblem i kanonen innan vattnet hinner igenom (Skoglund, 2014). På Lindbäcksstadion används en omrörare som vintertid får ner det kallare ytvattnet till en djupare nivå från vilken vattnet pumpas genom ledningar till skidstadion. Därmed kan en vattentemperatur mellan 0,7 och 1,0°C hållas (Lindbäck, 2014). I denna rapport har temperaturen 1,0°C använts för fortsatta beräkningar för samtliga tidpunkter på året.

Vid en omgivande våttemperatur på -20°C och lägre brukar det uppstå vissa isbildningsproblem, vilka åtgärdas av att snöläggarna slår bort isen efter hand som den bildas (Knutsson, 2014). Därmed kan kanonerna fortsätta användas vid än lägre temperaturer. Vid -25°C och kallare är sannolikheten hög för frysningar i slangar med mera, varför det kan vara svårt att över huvud taget hålla snöproduktionssystemet igång (Skoglund, 2014). För detta arbete har ingen minimitemperatur för snöproduktion definierats, eftersom antalet timmar då temperaturen understiger 25°C är få till antalet.

Det bör också nämnas att snökvaliteten kan ändras för de olika kanonerna. Eftersom inga uppgifter om de aktuella inställningarna hos kanonerna på Lindbäcksstadion fanns att tillgå har dock standardinställningen genomvit snö antagits gälla vid samtliga fall.

5.1.1 Vattenflöde och producerad snömassa

Data, främst i form av kanonernas respektive vattenflöden, för FA540, Ventus och Evo har erhållits från tillverkaren Demaclenko via mail (Knutsson, 2014) och webb (Demaclenko, 2014). Motsvarande information för Standard PoleCat och Top Gun 3 tillhandahölls från Henrik Skoglund, Snow Makers AB, som har projekterat hela snöproduktionssystemet på Lindbäcksstadion (Skoglund, 2014).

Flödeskurvorna för Demaclenkos kanoner beror på det tillförda vattnets temperatur, där trycket ökar med flödet men inte redovisats från tillverkaren och därmed inte beaktats vidare i detta arbete. Motsvarande flöden för Standard PoleCat och Top Gun 3 har däremot definierats vid olika tryck för det tillförda vattnet, där temperaturen är okänd. Detta innebär att resultaten inte på ett korrekt vis kan jämföras för samtliga kanoner sinsemellan. Däremot har en jämförelse kunnat utföras inbördes mellan de tre Demaclenko-kanonerna samt mellan de två övriga kanonerna. Resultaten från Standard PoleCat och Top Gun 3 vid vattentrycket 24 bar (medelnivå för erhållna data för Standard PoleCat) har dock inkluderats i samma grafer som Demaclenkos kanoner för att få en bättre översikt över kanonernas kapacitet.

30

Figur 16: Vattenflöde vid olika vattentemperaturer och omgivande våttemperaturer för Demaclenko FA540.

Som synes i Figur 16 kan ett högre vattenflöde genereras vid en minskad omgivande våttemperatur vid samtliga vattentemperaturer. Vid en given våttemperatur är vattenflödet som högst för den lägsta temperaturen på vattnet. Det bör poängteras att samma flöde kan uppnås oberoende av det tillförda vattnets temperatur och att detta inte illustreras korrekt vid de lägsta och högsta våttemperaturerna eftersom den data som använts är baserad på heltal.

Ett liknande mönster gäller för Ventus och Evo, för vilka diagram står att finna i Bilaga D – Vattenflöden för olika snökanoner. För Standard PoleCat och Top Gun 3 blir flödeskurvans utseende något annorlunda eftersom ingångsdatan för dessa kanoner beror på vattnets tryck istället för dess temperatur, vilket för den förstnämnda kanonen kan ses i Figur 17.

Figur 17: Vattenflöde vid olika vattentryck och omgivande våttemperaturer för SMI Standard PoleCat.

31

Det principiella mönstret med ökad vattenflöde vid lägre våttemperatur kan ses även här, men i detta fall framgår det också att vattenflödet ökar med ökat vattentryck. Det sistnämnda är förvisso även fallet för Demaclenkos kanoner, men eftersom inga uppgifter om relationen mellan vattnets tryck och temperatur erhållits från tillverkaren kan detta faktum inte illustreras. Det omvända gäller för Standard PoleCat och Top Gun 3, varför vattentrycket i Figur 17 finns redovisat utan kännedom om motsvarande temperatur.

De övre och undre gränserna för vattenflödena hos de olika snökanonerna är också av stort intresse och finns därför redovisade nedan i Tabell 5.

Tabell 5: Minimalt och maximalt vattenflöde för de utredda snökanonmodellerna.

De värden som presenterats i Tabell 5 gäller för FA540, Ventus och Evo vid en tillförd vattentemperatur av 1°C samt för Standard PoleCat och Top Gun 3 vid ett konstant tryck på 24 bar. Det bör här poängteras att Ventus och FA540 uppvisar ett betydligt större spann än Evo, och dessutom högre maxflöde, vilket innebär att mer snö kan produceras inom ett givet tidsintervall. Detsamma gäller vid jämförelse av fläktkanonen Standard PoleCat och lansen Top Gun 3, där fläktkanonen både har ett större spann och ett högre maximalt flöde vid det givna trycket. Dock är det möjligt för lansen att operera vid högre tryck, varför det är svårt att dra några konkreta slutsatser från denna jämförelse.

Med kännedom om vattenflödeskurvorna samt tillåtna maximi- och miniminivåer för flödet kunde empiriska relationer för de olika snökanonmodellernas vattenflöde som funktion av omgivningens våttemperatur genereras. Dessa relationer togs fram genom att plotta datan och lägga till en trendlinje för respektive fall i Excel. Resultatet av detta står att finna i Tabell 6.

Tabell 6: Snökanonmodeller och motsvarande approximativa relationer för vattenflödet inom ett visst temperaturspann.

Snökanonmodell Approximativ relation Giltigt intervall [°C]

Demaclenko För de approximativa relationer som presenterats i Tabell 6 indikerar ̇ vattenflödet [l/min]

och omgivningens våttemperatur [°C]. Beroende på flödeskurvornas utseende användes

32

polynom av olika grad för att åstadkomma så korrekta relationer som möjligt. Relationerna för Evo och Top Gun 3 baseras till viss del på interpolerade värden utifrån tre kända punkter, varför de bör ses som mer approximativa än övriga kanoners.

Det giltighetsintervall som angivits är direkt baserat på de högsta och lägsta möjliga flöden som presenterats i Tabell 5. För högre temperaturer kommer vattnet inte att hinna frysa och därmed ingen snö produceras. För temperaturer lägre än det giltiga intervallet är flödet konstant vid maximal nivå och påverkas endast av att utrustningen fryser, något som detta arbete inte tagit hänsyn till. Noterbart för dessa intervall är att lansen Top Gun 3 kräver en signifikant lägre temperatur än övriga kanoner för att kunna producera snö, detta beroende på den annorlunda teknik som används för denna.

Utifrån vattenflödet kunde den motsvarande producerade snömassan definieras enligt följande samband:

̇ ̇ (6)

där ̇ är den producerade snömassan per timme [kg/h], omvandlingsfaktorn från vatten till snö och den producerade snöns densitet.

Därmed kunde de olika snökanonmodellernas producerade snömassa beräknas utifrån motsvarande vattenflödeskurvor, vilket resulterade i Figur 18.

Figur 18: Producerad snömassa per timme som funktion av omgivande våttemperatur för de olika snökanonmodellerna.

Som tidigare nämnt så gäller även för Figur 18 att Standard PoleCat och Top Gun 3 är baserade på ett konstant tryck och att de vid temperaturer varmare än gränsen för maximal snöproduktion endast bör jämföras sinsemellan. För dessa två kanoner är det dock påtagligt att Standard PoleCat vid en given temperatur kan producera en markant större snömängd. Vid

0

33

en betraktelse av de tre Demaclenko-kanonerna kan det direkt konstateras att FA540 ger störst snömassa vid samtliga våttemperaturer. Förhållandet mellan Evo och Ventus är däremot mer föränderligt i den mening att Evo ger mer snö vid höga temperaturer och Ventus noterbart mer vid låga temperaturer.

5.1.2 Elförbrukning och kostnader

Snökanonernas respektive elförbrukning är ytterst relevant både för driftskostnaden och eventuell miljöpåverkan. Denna parameter finns därför redovisad i Tabell 7 tillsammans med listpriset för respektive snökanon.

Tabell 7: Elförbrukning och listpris för de olika snökanonmodellerna.

Snökanonmodell Elförbrukning [kW] Listpris [SEK]

Demaclenko FA540 27,5 309 600

Demaclenko Ventus 18,5-22,5 295 200

Demaclenko Evo 15,7 271 800

SMI Standard PoleCat 14,7 ~150 000

Top Gun 3 7 ~30 000

Som synes i Tabell 7 skiljer sig både elförbrukning och listpris åt signifikant mellan de olika kanonerna. Priserna för Demaclenkos produkter inkluderar ben och bärutrustning men exkluderar moms och frakt (Salomonsson, 2014), medan priset för Standard PoleCat är det ungefärliga pris som betalades för kanonerna vid Lindbäcksstadion år 2012 exklusive slangar och elkablar (Lindbäck, 2014), och priset för Top Gun 3 ett cirkapris angivet av projektören av anläggningens snösystem (Skoglund, 2014).

Elförbrukningen för samtliga modeller utom Ventus är såsom tabellen indikerar relativt konstant. För Ventus beror denna förbrukning däremot på omgivningens temperatur och varierar mellan 18,5 kW vid 0°C och 22,5 kW vid -20°C, med ett snitt på 20 kW (Knutsson, 2014). Anledningen till den ökade elförbrukningen är att snökanonen värms upp för att fungera optimalt. Med detta i åtanke togs ett samband fram för Ventus elförbrukning mellan 0 och -20°C enligt

| | (7)

där är kanonens effekt tillika dess elförbrukning [kW].

I den angivna elförbrukningen för kanonerna inkluderas förutom fläktmotorns effekt även motsvarande värden för kompressor och tillförd värme. Top Gun 3 är som tidigare nämnt en lans och kräver därför tryckluft endast för att aktivera frysprocessen, varför dess energiförbrukning är markant lägre än övriga kanoners (JL Toppteknik AB, 2014).

Konstruktionen av Standard PoleCat medför att denna kanon kräver mindre tillförsel av värme än övriga motsvarande fläktkanoner, varför dess totala energiförbrukning också är lägre (Skoglund, 2014).

Med energiförbrukningen känd kunde därmed den producerade snömassan per tillförd kWh el beräknas och redovisas i enlighet med Figur 19.

34

Figur 19: Producerad snömassa per kilowattimme tillförd el för de olika snökanonmodellerna som funktion av omgivande våttemperatur.

I Figur 19 syns det att lansen Top Gun 3 är mer energieffektiv än fläktkanonen Standard PoleCat inom hela det temperaturspann lansen kan operera inom. Återigen bör det poängteras att dessa två snökanoner är baserade på ett fixt vattentryck och att därmed ingen adekvat jämförelse kan utföras med de övriga tre kanonerna annat än vid maximal produktionsnivå. I detta fall är det tydligt att både Standard PoleCat och Top Gun 3 är klart mer energieffektiva än samtliga tre Demaclenko-kanoner.

Vad gäller Demaclenko-kanonerna ger Evo mest snö per kWh tillförd el vid temperaturer ned mot -12°C, där den ligger i paritet med FA540. Vid -16°C och kallare är Ventus den effektivaste av de tre modellerna. Den marginella minskning av producerad snömassa som sker för Ventus efter denna temperatur beror på den ökade energiförbrukningen beskrivet enligt ekvation (7).

5.1.3 Inomhusapplikationer

Med anledning av att det i detta arbete utreds huruvida det vore lämpligt att producera snö direkt inuti skidtunneln alternativt i en extern produktionslokal är det nödvändigt att beräkna hur mycket värme som tillförs via vattnet från snökanonerna. Värmen kommer att avges från vattnet till luften under tre huvudsakliga steg: först genom kylning av vattnet till fryspunkten, därefter fasomvandling från vatten till is/snö, och slutligen kylning av snön till luftens temperatur. Förutom värme så kommer rumsluften dessutom att erhålla ett stort fukttillskott från vattnet, vilket har beskrivits i avsnitten 5.4 Produktion av snö direkt i skidtunneln

35

Det har för beräkningarna av värmetillskottet antagits att inomhusluften är helt mättad med vattenånga vid snöproduktion (RH=100 %). Därmed är luftens temperatur vid dessa tillfällen lika med våttemperaturen . Baserat på definitionen av specifik värmekapacitet och fasomvandling ges således den värme som vattnet tillför rumsluften enligt relationen

̇ ̇ ̇ ̇ (8)

där ̇ är den tillförda värmen [W], ̇ massflödet av vatten [kg/s], och vattnets respektive snöns specifika värmekapacitet [J/kg,K], och skillnaden i temperatur för vattnet respektive snön [°C] samt snöns latenta värme. Massflödet för snön är lika med det för vattnet eftersom allt vatten omvandlas till snö.

Kombination av ekvation (6) och (8) ger med termerna för temperaturskillnader utskrivna att ̇ ^̇ [ ( ) ( )] (9)

där är vattnets densitet [kg/m³], vattnets initiala temperatur, dess fryspunkt och snöns slutliga temperatur [°C]. är därmed lika med omgivningens (i detta fall rumsluftens) temperatur.

Det har dessutom antagits att den elektricitet som tillförs respektive kanon till slut omvandlas till värme inom rummets gränser. Med beräkningar utförda vid tre olika inomhustemperaturer samt kännedom om den producerade snömassan kunde därmed Tabell 8 och Tabell 9 genereras.

Tabell 8: Avgiven värme från de olika snökanonmodellerna.

Snökanonmodell

Tabell 8 visar att det framför allt är tillförseln av vattnet (och då i synnerhet fasomvandlingen till is) som ger upphov till avgiven värme. Skillnaden mellan de olika snökanonmodellerna är till synes relativt stor och beror i huvudsak på att de har olika produktionskapacitet. Det framgår dessutom att ju kallare inomhustemperaturen är, desto mer värme tillförs rummet.

Detta beror till viss del på att snön behöver kylas ned mer jämfört med de två övriga alternativen, men i synnerhet på att mer snö produceras vid lägre temperaturer. I denna aspekt ger Tabell 9 en mer rättvisande indikation på förhållandet mellan den tillförda värmen till inomhusluften och de olika temperaturerna.

36

Tabell 9: Producerad snömassa per avgiven kWh värme från de olika snökanonmodellerna.

Snökanonmodell kanonmodeller och att ett specifikt vattenflöde därmed ger upphov till en lika stor producerad snömassa oberoende av kanontyp. Den marginella skillnad som ändå står att finna beror till fullo på skillnaden i tillförd el.

En viss skillnad beroende på inomhustemperaturen kan däremot utläsas. För den lägsta utredda inomhustemperaturen erhålls den största snömassan per avgiven energienhet, vilket innebär att det extra kylbehov som uppstår för en låg inomhustemperatur inte helt kompenseras av den ökade produktionskapaciteten. Eftersom skillnaderna är små och att fuktens roll inte framgår i Tabell 9 har fortsatta utredningar gjorts vid de tre olika inomhustemperaturerna i avsnitten 5.4 Produktion av snö direkt i skidtunneln samt 5.5 Extern produktionslokal.

5.1.4 Initial snöproduktion för skidtunnel

Produktionen av den initiala snömassan har antagits ske under perioden januari-mars vid de lägsta typiska timtemperaturerna enligt statistiken för området. Denna produktion kan antingen ske utomhus eller inuti skidtunneln alternativt den externa produktionslokalen, i det senare fallet genom att ventilera in utomhusluften i respektive lokal med hjälp av en cirkulationspump. För beräkningarna i denna rapport har det dock förutsatts att den initiala snömassan produceras utomhus och tas in i skidtunneln efterhand. Den produktion som sker inuti skidtunneln alternativt den externa produktionslokalen syftar därmed endast till att förbättra snökvaliteten.

Den totala energiförbrukning i form av tillförd el som krävs för att respektive snökanon ska tillgodose det initiala snöbehovet för skidtunneln liksom det motsvarande antalet produktionstimmar kunde därmed bestämmas i enlighet med Tabell 10.

Tabell 10: Energiförbrukning och total produktionstid för att tillgodose det initiala behovet av snö för skidtunneln.

Snökanonmodell Total energiförbrukning [kWh] Antal produktionstimmar [h]

Demaclenko FA540 4730 172

Demaclenko Ventus 4301 192

Demaclenko Evo 4647 296

SMI Standard PoleCat 3131 213

Top Gun 3 2625 375

37

Som synes i Tabell 10 varierar både energiförbrukningen och produktionstiden signifikant mellan de olika snökanonmodellerna. För Demaclenko-modellerna är energiförbrukningen relativt likartad, men Evos lägre produktionskapacitet medför att den kräver betydligt längre tid för att tillgodose snöbehovet. Vad gäller jämförelsen mellan Standard PoleCat och Top Gun 3 är det tydligt att den sistnämnda kräver mindre energitillförsel men däremot mer tid för att producera den erforderliga snömassan.

SMI Standard PoleCat och Top Gun 3 har exkluderats från vidare jämförelser eftersom de resultat som hittills uppvisats för dessa kanoner baserats på ett antagande om konstant vattentryck, vilket inte är förenligt med verkligheten. De uppgifter som ändå har presenterats bör som tidigare nämnt ses som jämförbara främst de två kanonerna sinsemellan.

Sammanfattningsvis kan det konstateras att Top Gun 3 kräver lägre energiförbrukning medan Standard PoleCat har högre produktionskapacitet.

Vad gäller de tre Demaclenko-kanonerna så är Evo den kanon som uppvisar högst energieffektivitet men lägst produktionskapacitet. Eftersom denna kanon inte finns på Lindbäcksstadion idag så har även den exkluderats från fortsatta beräkningar. Av de två kvarvarande kanonerna förefaller det att Ventus kräver något mindre energi för att producera en viss mängd snö vid ytterst låga temperaturer, men överskuggas av FA540 i produktionskapacitet samt energiåtgång vid högre temperaturer.

Med detta i åtanke har samtliga fortsatta beräkningar därför utförts för FA540. Dessa beräkningar kan ses som representativa även för övriga kanoner, i synnerhet vad gäller energiförbrukning.