AKADEMIN FÖR TEKNIK OCH MILJÖ
Avdelningen för byggnadsteknik, energisystem och miljövetenskap
Styrning av en roterande sorptionsavfuktare i en oventilerad ishall
Eventuell underrubrik på ditt arbete
Simon Lindqvist
2020
Examensarbete, Avancerad nivå (magisterexamen), 15 hp Energisystem
Magisterprogram i energisystem
Handledare: Tahgi Karimipanah Bitr. handledare: Roland Forsberg
Examinator: Magnus Mattsson
Sammanfattning
Kondensbildning är ett stort problem i ishallar vilket leder till stora konsekvenser ifall det inte åtgärdas. Installation av ett avfuktningssystem är ett måste i ishallar men det betyder högre energianvändning. Denna studie undersöker hur RH-styrning (re- lativ fukthalt) för en avfuktare i PF Arenan lokaliserat i byn Lindefallet i Hudiksvalls kommun kan energieffektiviseras och samtidigt se till att kondensbildning undviks i ishallen.
Kondensbildning i ishallar framkommer framförallt på takytan och isplanen. Kon- dens på isplanen sker när luftens absoluta luftfuktighet är större än den absoluta fuk- tigheten för isens gränsskikt. Eftersom isen har en temperatur under 0 °C så kom- mer vattnet att frysas på planen vilket åtgärdas genom att slipa isen med en ismaskin.
Forskning visar att avfuktningsstyrning för att undvika kondens på isplanen leder till att avfuktaren blir överdimensionerad för att undvika takkondens. Konsekvenser för takkondens anses som mer allvarliga än de för kondens på isplanen, vilket har lett till att framtagning av ny styrning har fokuserat på att undvika takkondens.
Mätningar har utförts i PF Arenans roterande sorptionsavfuktare och lufttillstånden inuti ishallen samt utomhus. Resultatet från mätningar används för att avgöra om det sker kondensbildning i ishallen. Olika styrstrategier jämförs med befintlig
RH-styrning för att fastställa vilka förbättringar som kan tillämpas.
Resultat visar att vid stora personlaster och användning av ismaskinen leder till att takkondens framkommer under korta perioder. Samtidigt så går inte regenererings- batteriet på maxeffekt under dessa perioder vilket betyder att avfuktnings-
kapaciteten kan höjas. RH-styrning leder till överdimensionering i förhållande till båda kondensfenomenen under stora perioder, speciellt under kalla inomhustempe- raturer.
Föreslagen styrning går ut på att processluftens daggpunkt ska hållas två grader Celsius under takets yttemperatur. Styrningen kan definieras som en varierande daggpunktsstyrning. Det rekommenderas också att regenereringstemperaturen ökar ju mer börvärdet avviker från målfunktionen. Dock så analyserades inte en sådan ök- ning av regenereringstemperaturen i detalj. Det approximerades att ungefär
1 100 kWh el per månad kan sparas för avfuktaren motsvarande en energiminskning av 22 % gentemot den befintliga styrningen. Approximering förmodar att ismaskin slipar isen lika mycket med båda styrningarna och tar inte hänsyn till den ökade energianvändningen ifall högre regenereringstemperaturer tillämpas i avfuktaren.
Nyckelord: Ishallar, styrning, avfuktning, kondens, daggpunkt, roterande sorptions- avfuktare, energieffektivisering
Abstract
Condensation is a major problem in ice rink arenas and if it is not resolved, will lead to construction damages. Generally, ice arenas use dehumidifiers to dehumidify the indoor air which causes an increase in energy use in the facility. This study investi- gates how the control strategy of the dehumidifier in the PF Arena localized in Lindefallet in Hudiksvall municipality can be improved to save energy while pre- venting the occurrence of condensation in the ice rink arena.
Condensation in ice arenas occur on the ice surface and roof surface. Ice surface condensation occur if the indoor air humidity is higher than the humidity of the ice surface boundary layer. The ice will freeze the moisture onto the surface which re- quire an ice resurfacer to flatten the playing field. Studies has shown that control strategies for dehumidification to prevent condensation on the ice surface results in oversizing of the dehumidifier for preventing condensation on the roof surface. And as condensation on roof surface leads to more serious consequences than that of ice surface condensation, it is of more interest to prevent the former.
Measurements has been carried out on PF Arenan’s desiccant wheel dehumidifier and indoor as well as outdoor air. Results from measurements are used to analyze if any condensation occurs in the ice rink arena. Other control strategies are compared to the one used in PF Arenan to determine what improvements can be applied to the dehumidifier.
Results show that during events and use of ice resurfacers some condensation on the roof surface occurs for short periods. During these periods, the regeneration heater does not use full power which could be used to increase the moisture removal ca- pacity. The RH-control strategy results in oversizing for most hours when con- trolled to both condensation phenomenon, especially during cold temperatures.
The recommended control strategy is to keep the dewpoint of the inlet process air 2 °C below the roof surface temperature. This control strategy is a type of variable dewpoint control function. It is also recommended to increase the regeneration temperature proportionally to the difference between the setpoint and the objective function. However, the results of this measure were not analyzed in detail. The new control strategy would approximately save 1 100 kWh per month over the current control function which amounts to an energy use decrease of 22 % for the dehumid- ifier. Assumed that behavior of ice resurfacing is not changed with the new control function and the approximation does not consider the increase of energy use if the regeneration temperature is increased.
Keywords: Ice rink arena, control strategy, dehumidification, condensation, dew point, solid desiccant dehumidifier, energy efficiency
Förord
Examensarbetet är på magisternivå och omfattar 15 högskolepoäng vid akademin för teknik och miljö på Högskolan i Gävle.
Jag vill tacka min handledare Taghi Karimipanah för all hjälp med arbetet och att han alltid varit tillgänglig via mail. Ett stort tack till Roland Forsberg för hjälp med prak- tiska mätningar på avfuktaren, anteckning av koldioxidhalten i spelarbåsen och sin insikt för möjliga tillvägagångsätt i arbetet. Jag vill ge ett stort tack till Ulf Olsson och Andreas Edström från Lindefallets Sportklubb som har delat med sig av ritningar och kartläggning av PF Arenan samt svarat på frågor angående anläggningens energi- system.
Symbolbeskrivning
Symbol Beskrivning Enhet
T Temperatur [°C]
h Entalpi [J·kg-1]
Cp Specifik isobar värmekapacitet [J·kg-1K-1] Qcv Total konvektiv värmeflödestäthet [W·m-2]
Qc Konvektiv värmeflödestäthet [W·m-2]
Ẇ Fuktflödestäthet [W·m-2]
Hk Konvektiv värmeöverföringskoefficient [W·m-2·K-1] K Massvärmeöverföringskoefficient [g·s-1·m-2]
X Absolut fuktighet [kgH2O·kgLuft-1]
RH Relativ fukthalt [%]
p Tryck [Pa]
pL Atmosfäriskt tryck [Pa]
hfg Ångbildningsvärme [J·kg-1]
ρ Densitet [kg·m-3]
Ra Allmänna gaskonstanten [J·kg-1°C-1]
H Höjd [m]
f Friktionstal [-]
Lw Hjullängd [m]
u Lufthastighet [m⋅s-1]
Dh Hydraulisk diameter [m]
𝜁 Förlustkoefficient [-]
Re Reynoldstal [-]
μ Luftens dynamiska viskositet [Pa⋅s]
Af Tvärsnittsarea för en sorptionskanal [m2]
Olk Omkrets för en sorptionskanal [m]
MRC Avfuktningskapacitet [kg⋅s-1]
ṁ Massflöde [kg⋅s-1]
W Effekt [W]
η Verkningsgrad [-]
U Värmegenomgångskoefficient [W·m-2·K-1]
R Värmemotstånd [m2·K·W-1]
Cis Korrigeringsfaktor för isytans emissivitet [-]
σ Stefan-Boltzmanns konstant [W·m-2·K-4]
Index
Index Beskrivning
PF Arenan Ishall som undersöks i studien LSK Lindefallets sportklubb
reg Regenereringsluft/regenerering
VL Våtluft
TL Torrluft
PL Processluft
L Luftens tillstånd
i Inomhus
s Mättad ånga
v Vattenånga
torr Torr andel
ånga Ångas andel
D Daggpunkt
L Luft
fläkt Fläktar
af Avfuktning
ideal Värde för ideala processer Latent Latent värme
UL Uteluft
th Termisk
y Storhet vid en yta
ute Utomhus
c Värmemotstånd för konvektion r Värmemotstånd för strålning
tak Värmemotstånd för takets byggnadsskikt se Värmegenomgångsmotstånd på utsidan
m Medelvärde för storheten
styr Värdet erhållet med föreslagen styrning
Innehållsförteckning
1 Inledning... 1
1.1 Bakgrund ... 1
1.2 Förklaringslista ... 2
1.3 Litteraturstudie ... 2
1.3.1 Olika avfuktare och deras för- och nackdelar ... 2
1.3.2 Luftfuktighet, temperatur och kondens i ishallar ... 6
1.4 Syfte ... 10
1.4.1 Frågeställningar ... 10
1.5 Förfarande ... 10
2 Teori ... 11
2.1 Luftens termodynamik ... 11
2.2 Effektivitet och energianvändning i avfuktare ... 12
2.3 Takets yttemperatur i ishallar ... 14
3 Metod ... 17
3.1 Studieobjekt ... 17
3.1.1 PF Arenan ... 17
3.1.2 Avfuktare MLT30E ... 18
3.2 Mätningar ... 19
3.3 Procedur ... 20
3.3.1 Dataanalys ... 20
4 Resultat ... 21
4.1 Mätningsresultat ... 21
4.2 Styrning i PF Arenan jämfört med andra ishallar ... 29
4.3 Åtgärdsförslag ... 31
4.3.1 Installering av åtgärdsförslag ... 35
5 Diskussion ... 37
5.1 Diskussion av resultat ... 37
5.2 Validering av åtgärdsförslaget ... 39
6 Slutsatser ... 41
6.1 Resultat av studien ... 41
6.2 Utveckling ... 41
6.3 Perspektiv ... 42
Referenser ... 43 Bilaga A Övriga resultat ... A1 Bilaga B Ritningar ... B1
1 Inledning
I detta avsnitt presenteras den nuvarande situationen för energisystem och problem i ishallar vilket ger grund till en litteraturstudie, samt så formuleras frågeställningar som denna studie kommer att besvara.
1.1 Bakgrund
I Sverige står el för 22 % av den totala slutliga energianvändningen
(Energimyndigheten, 2019). Genomsnittlig energianvändning i en ishall är
1185 MWh/år och den totala energianvändningen i svenska ishallar är 300 GWh/år (Rogstam, 2010). Möjlighet för energieffektivisering och förbättringsåtgärder i ishallar är stora och är nödvändiga för att bekämpa globala klimatutmaningar.
Ur ett energiperspektiv är ishallar ytterst komplexa. Det tillkommer från att de krä- ver tre olika system. Ett kylsystem för att hålla en negativ temperatur på isplanen.
Ett uppvärmningssystem för omklädningsrum och andra tempererade utrymmen.
Ett avfuktningssystem för att undvika dim- och kondensbildning. Samt så måste ishallar ha stora belysningssystem och större ishallar brukar även använda ventilat- ionssystem för att upprätthålla komfortabla förhållanden i personutrymmen
(Rogstam m.fl., 2017). Det innebär att ingenjörer måste se till att dessa system sam- verkar på ett energieffektivt sätt.
Syftet med avfuktning i en ishall är att kontrollera lufttillståndet så inga fuktrelate- rade problem uppstår. Det är bland annat korrosion, nedbrytning av byggnads- material, rötning och mikrobskador (Rogstam m.fl., 2017). Efter att taket i
Bad Reichenhall rasade i 2006 på grund av långsiktig fuktskada och stor snölast (The Telegraph, 2008) så har fuktproblem i ishallar undersökts mer i detalj. Hanover issport arena, Wolfsburg ispalats och Harsefeld issport arena är exempel på ishallar som har funnit någon typ av fuktskada (Marquardt och Mainka, 2008a; 2008b).
Fuktproblem framkommer också på själva ispalen i ishallar. När kondensbildning sker direkt på isytan så kommer kondensen att frysas på själva ytan tack vare den ne- gativa temperaturen på isen. Detta leder vanligen till att isplanen blir ojämn, vilket kan till och med leda till att skridskoåkarna skadar sig. För att åtgärda ojämnheten på isplanen så används en ismaskin för att slipa isplanen (Palmowska och Lipska, 2016).
Oftast så behöver ismaskinen också tillsätta ett nytt lager vatten på isplanen för att se till att planen blir jämn efter slipning. Mer vatten i ishallen betyder högre fukthalter i luften som leder till mer kondensbildning på isplanen och/eller takytan eller alter- nativt ett ökat avfuktningsbehov för avfuktningssystemet i ishallen, vilket ökar an- läggningens energianvändning.
PF Arenan idag använder följande system: belysnings-, avfuktnings-, uppvärmnings- och kylsystem. Tilldelat uppdrag är att minska energianvändning för avfuktningssy- stemet. Samtidigt så anses driften för uppvärmning som gratis och helst vill ansvariga inte byta ut det befintliga avfuktningssystemet. Därför kommer åtgärder för avfukta- rens styrning att undersökas för att minska anläggningens energianvändning.
1.2 Förklaringslista
Här visas en lista för ord som kommer att användas framöver i rapporten:
• Sorptionshjul är solid absorbentskiva som absorberar vattnet i processluften.
• Processluft är frånluft som ska torkas i en avfuktare.
• Uteluft är utomhusluft som ska värmas upp av regenereringsbatteriet.
Uteluftens temperatur/fuktighet ska inte förknippas med temperaturen/fuk- tigheten utomhus. Detta är på grund av att uteluft är i själva luftkanalen som är placerad inomhus medan utomhus är bokstavligen utomhus.
• Regenerationsluft är uppvärmd uteluft som torkar processluften.
• Våtluft är luft som har tagit upp fukt från sorptionshjulet och sedan lämnar avfuktaren.
• Torrluft är luft som har torkas i sorptionshjule och som återcirkuleras till rummet.
• Cirkelsektorsvinkel är vinkeln som fördelar regenerations- och processluft- flödena i sorptionshjulet.
1.3 Litteraturstudie
Det finns flera vetenskapliga journalartiklar angående avfuktningsmetoder och fukt- förhållande i ishallar. Kombinationer av följande sökord har använts för att hitta journalartiklar:
• Solid desiccant wheel
• Humidity control
• Ice rinks
• Condensation
• Dehumidification
• Solid Rotary Dehumidifier
• Optimization
1.3.1 Olika avfuktare och deras för- och nackdelar
Luftavfuktare är antingen uppbyggda för att kyla och avfukta luften via en konden- sationsavfuktare eller genom att enbart avfukta luften med en sorptionsavfuktare.
Kondensationsavfuktare kyler luften så kondens bildas och sedan återuppvärms den torra luften medan en sorptionsavfuktare använder sig av en fuktabsorbent för att
torka luften och sedan leda bort den våta luftströmmen. En kombiavfuktare utnytt- jar både sorptions- och kondenstekniken. En fördel med sorptionsavfuktare är att de fungerar i kalla klimat där temperaturen är under +5 °C (Testlab, 2014).
Fuktabsorbenten kan vara i flytande form eller i fast form. En sorptionsavfuktare som använder flytande fuktabsorbent är uppdelad i två avskilda enheter: avfuktnings- enheten och regenerationsenheten. Processluft tas in i avfuktningsenheten och uteluft i regenerationsenheten medan den flytande fuktabsorbenten pumpas i en cy- kel mellan enheterna. Fukt i processluften absorberas av absorbenten som sedan kondenseras av i regenerationsenheten (Sahlot och Riffat, 2016).
Typiskt för sorptionsavfuktare som använder fuktabsorbent i fast form är att själva absorbentmaterialet är en skiva som roterar. Denna avfuktningsteknik kallas för ro- terande sorptionshjul. Fuktabsorbent är tillräckligt porös så luft kan flöda igenom absorbenten men samtidigt kan hjulet absorbera fukt från luften. Processluft och re- generationsluft är uppdelad i vardera luftkanaler vilket illustreras i Figur 1. Process- luftens fukt absorberas av sorptionsmaterialet som sedan roteras till regenerationska- nalen där uppvärmd regenerationsluft torkar (avfuktare) sorptionsmaterialet.
Figur 1. Roterande sorptionsavfuktare med fuktabsorbent i fast form (Rambhad, Walke och Tidke, 2016).
Sahlot och Riffat (2016) utvärderar att avfuktare med flytande absorbent har låga tryckfall vilket leder till att regenerationstemperaturen är lägre och således minskas uppvärmningsbehovet i avfuktaren. Men avfuktningstekniken har generella problem som kan göra teknik olämplig i vissa situationer. Problem som kan tänkas uppstå i en ishall är:
• Om den flytande absorbenten blandas med processluft kan personer utsättas för skadliga i partiklar från torrluften. Membran kan separera partiklarna från luftflödena men ger lägre massöverföring (Jain, Tripathi och Das, 2011).
• Fuktabsorbenten kan kristalliseras om absorbents temperatur minskar vilket hindrar massöverföring i avfuktaren (Mei och Dai, 2008).
• Omvänd avfuktning tillkommer under vissa absorbenttemperaturer och fukthalter för processluften så att fukthalten i processluften ökar istället för
”avfuktas” (Li, Zhang och Wang, 2013).
Uttorkningsförmågan för solida fuktabsorbenter är större än för flytande men rege- nerationstemperaturen är också högre i avfuktaren (Sahlot och Riffat, 2016). För att avgöra effektivitet av en roterande sorptionsavfuktare så används avfuktnings-
kapacitet (MRC), avfuktningsverkningsgrad och termisk verkningsgrad. I sorptions- hjul är den termiska verkningsgraden likvärdig till termisk verkningsgrad av en vär- meväxlare (andel återvunnen temperatur) medan avfuktningsverkningsgrad är den verkliga avfuktningen dividerat med den ideala avfuktningen. Avfuktningskapacitet är mängden vatten som ”avfuktas” från processluften per tidsenhet. Ali Mandegari och Pahlavanzadeh (2009) utför experiment på sorptionshjul i varma klimat som vi- sar att den termiska verkningsgraden minskas med regenerationstemperaturen men avfuktningsverkningsgraden ökar och när varvtalet på sorptionshjulet ökas så höjs alla verkningsgrader. Det betyder att roterande sorptionsavfuktare kan använda två styrmetoder för att möta avfuktningsbehovet.
Sheng m.fl. (2014) utför experimentell- och regressionsanalys på sorptionshjul och menar att utetemperatur, uteluftens fuktighet, regenerationstemperaturen, luftflö- den, flödesbalansen (Vreg/Vproc) och varvtalet på sorptionshjulet har stor relevans för hur effektiv en avfuktare är. Det visas också att avfuktningskapacitet påverkas i större grad av regenerationstemperaturen och uteluftens fukthalt gentemot av luft- flödet för processluft och regenereringsluft. Zheng, Worek och Novosel (1995) me- nar att det är mer effektivt att öka regenerationstemperaturen för låga temperaturer om avfuktningsverkningsgrad är av intresse.
PF Arenan återanvänder inte värmen i våtluften så en högre temperaturverknings- grad innebär att processluftens temperatur är lägre och på så sätt minskas kylbehovet i ishallen. Så temperaturverkningsgraden i studieobjektet betyder inte nödvändigtvis att arenan återvinner mer värme utan minskar värmen som andra energisystem i are- nan måste tillföra.
Optimal styrning av en roterande sorptionsavfuktare varierar med tillståndet av pro- cess- och regenerationsluften. Zheng, Worek och Novosel (1995) utför analytisk modellering för att ta reda på den optimala styrningen under olika förhållanden av process- och regenerationsluften. Följande resultat erhölls:
• Ökning av processluftens temperatur eller fukthalt i regenerationsluften in- nebär högre fukthalt i torrluften och således sämre avfuktningsverknings- grad.
• Ökning av processluftens fukthalt medför högre fukthalt i torrluften och då ökas avfuktningskapaciteten.
• Varvtalet på sorptionshjulet bör öka när processluftens temperatur och fukt- halt ökar eller om regenereringsluftens temperatur ökar över 90 °C.
• Varvtalet på sorptionshjulet bör minskas när regenerationsluftens fukthalt ökar.
• Om regenereringsluftens temperatur är under 90 °C men ökar i temperatur så bör varvtalet minskas för att nå optimal avfuktningsverkningsgard.
Energianvändningen i en avfuktare kan fördelas mellan fläktar och uppvärmning av regenerationsluften. Därför är det viktigt att ta hänsyn till både fläktarnas ef-
fekt (Wel) och effekt för uppvärmning av regenereringsluften (Wreg). De Antonellis, Joppolo och Molinaroli (2010) utför simulering för att undersöka hur energianvänd- ning förhåller sig till avfuktningskapaciteten i en roterande sorptionsavfuktare vid olika varvtal och processkanalens cirkelsektorsvinkel. Figur 2 visar optimalt varvtal och cirkelsektorsvinkel för olika prestandaparametrar under ett varmt och fuktigt utomhusklimat. Linje A visar att vid flödesbalans så är MRC proportionell mot fläkt- effekten delat med MRC (Wel/MRC). Med andra ord så är fläkteffekten konstant vid flödesbalansen (vproc=vreg=1 m/s). Linje B visar att regenerationsuppvärmningen är som lägst vid låga varvtal och stora processluftsinlopp vilket överensstämmer med tidigare forskning från Zheng, Worek och Novosel (1995).
Figur 2. MRC, Wreg/MRC, Wel/MRC och Xin-Xut som funktion av varvtalet och vinkel (θproc). Punkt A visar det optimala förhållandet för MRC och Wel/MRC medan punkt B visar det optimala förhållandet för Wreg/MRC. Indata: vproc=vreg=1 m/s, Tproc=16 °C, Treg=80 °C, Tute=31 °C, Xproc=8,5 g/kg (De Antonellis, Joppolo och Molinaroli, 2010).
Kang, Choi och Lee (2018) menar att under ideala förhållanden så sker regenerering och avfuktning med isentalpiska och isohumea (konstant fuktinnehåll) processer. Det betyder att regenereringstemperaturen under ideala förhållanden är uteluftens en- talpi dividerat med luftens isobara värmekapacitet. Men i verkligheten så är ental- piskillnaden över avfuktningsprocessen (hTL - hPL) är större än noll. Skillnaden kan
förklaras med termodynamikens andra huvudsats. Eftersom regenereringsluften har högre temperatur än processluften och rumsluften i en ishall, så kan det antas att en- talpiskillanden för avfuktningsprocessen och regenereringsprocessen är lika stora.
Enligt detta resonemang kan regenereringstemperaturen uttryckas som i Ekvat- ion (1) med antaganden att ingen värmeöverföring sker mellan avfuktaren och ishal- len och att den absoluta fuktigheten är konstant vid uppvärmning av uteluften. Detta resonemang är i linje med forskning av Charoensupaya och Worek (1988), Stabat och Marchio (2009) och Yamaguchi och Saito (2013). Nackdelen med resone- manget är att det antar att avfuktaren inte upplever någon värmeförlust till omgiv- ningen.
Treg = hVL - (hTL - hPL)
Cp (1)
1.3.2 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 (Qcv) enligt Ekvation (2). Där Qc 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 (XL>Xis). Kon- densutfällning på isplanen och dimbildning i arenan är då baserat på isytans tempera- tur (Tis) och luftfuktigheten (XL).
Qcv = Qc + Ẇ = Hk(TL - Tis) + K(XL - Xis) (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 Xis=2,6 g/kg torr luft. Så enligt Ekvation (2) måste XL direkt över isytan var mindre än Xis 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 det flödet 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.
1.4 Syfte
Det huvudsakliga målet med examensarbetet är att ta fram en bättre styrning för en avfuktare i en ishall. PF Arenan lokaliserat i Lindefallet använder RH-styrd sorpt- ionsavfuktare som är studieobjekt för denna fallstudie. Uppdraget är att föreslå en energieffektiv styrstrategi som minskar energianvändning i ishallen och samtidigt att se till att ingen kondens uppstår i anläggningen.
1.4.1 Frågeställningar
• Hur varierar lufttillstånden beroende på aktiviteter i ishallen vid olika väder- förhållanden?
• Är absolut fuktstyrning eller daggpunktstyrning bäst för att undvika kon- densfenomenen som uppstår i ishallar?
• Vad är den optimala styrstrategin för avfuktaren för att minimera den totala energianvändningen?
1.5 Förfarande
I detta arbete har genomförts mätningar i en avfuktare och ishall, dataanalys och jämförelse med styrstrategier som har använts i andra ishallar för att kunna föreslå en bättre styrning av avfuktaren i ishallen. Sedan analyseras frost/kondensbildningen i ishallen och avfuktarens prestanda och dimensionering med befintlig styrning. Slut- ligen så approximeras den energi som sparas ifall den nya styrningen används i ishal- len.
2 Teori
I detta avsnitt så presenteras de ekvationer som har använts för att åstadkomma re- sultaten i denna studie.
2.1 Luftens termodynamik
Lufttillståndet i avfuktaren och ishallen har varit väsentliga för att producera de re- sultat som har analyserats i detta arbete. Specifikt intresse har varit att konvertera den relativa fuktigheten (RH) till den absoluta fuktigheten (X) och daggpunkten (TD) samt att beräkna luftens entalpi (h). Följande ekvationer har använts för dessa ändamål och är valida i de förhållandena som observerades i PF Arenan (Lampinen, u.å.)(Sensirion, 2006):
RH = pv
ps(T)∙100 (3)
X = 0,6220∙pv
pL (4)
ps(T>0 °C) = 105∙exp (11,78(T - 372,79)
T - 43,15 ) (5)
log (ps(T<0 °C)
mbar ) = 10,5380997 - (2663,91
T-273,16) (6)
h = CP,torr∙T + X∙(hfg+ CP,ånga∙T) (7)
TD = 243,12 (ln (RH
100) + 17,62∙T 243,12 + T) 17,62 - (ln (RH
100) + 17,62∙T 243,12 + T)
(8)
där RH = relativ fukthalt [%]
pv = partialtryck för vattenånga [Pa]
ps(T) = tryck för mättad ånga [Pa]
X = absolut luftfuktighet [kgH2O/kgLuft] pL = atmosfärstryck [Pa]
T = luftens temperatur [°C]
h = luftens entalpi [J/kg]
Cp = specifik isobar värmekapacitet [J/(kg·K)]
hfg = ångbildningsvärme [J/kg]
TD = luftens daggpunkt [°C]
Massflödet är baserat på luftflödet och luftens densitet. Lufthastigheten baseras på momentanmätningar i avfuktaren men luftens densitet varierar med storleken på flö- det. Luftens isobara värmekapacitet varierar med fuktigheten och temperaturen. För att beräkna lufttrycket i arenan (PL), luftens densitet (ρL) och luftens värmekapa- citet (Cp) så har följande ekvationer använts (Angrisani, Roselli och Sasso, 2018):
ρL = pL
Ra∙(T + 273,15)(1 + 1,6080∙X) (9) pL = 101 325∙(1,0 - 2,25577∙10-5∙H)5,25588 (10) CP = 1,33∙10-4∙T2 + 0,01435∙T + 1003,6 +
+ (-0,008∙T2 - 0,1623∙T + 1840,1)∙X
(11)
där ρL = luftens densitet [kg/m3]
Ra = allmänna gaskonstanten för luft [J/(kg·°C)]
H = altitud [m]
2.2 Effektivitet och energianvändning i avfuktare
Tryckfallet i roterande sorptionsavfuktare beror på vilken absorbent som sorptions- hjulet är gjort utav och dess poröshet. För kiselsyragelhjul så råder Ekvat-
ioner (12)-(15). Där f är friktionstalet och ζ är förlustkoefficient vilket sätts till 0,5 i sorptionshjul. På grund av bristfälliga data angående PF Arenas sorptionshjul så antas att luftkanalerna i sorptionshjulet har samma data som används av Yadav och
Yadav (2014). Figur 5 visualiserar uppbyggnaden av sorptionsmatrialet och visar den data som är viktig för att beräkna tryckfallet i hjulet.
∆p = 2f∙Lwρu2
Dh + ζ∙ρu2
2 (12)
f = 13
Re (13)
Re = ρuDh
μ (14)
Dh= 4Af
Olk (15)
där ∆p = total tryckskillnad [Pa]
f = friktionstal [-]
Lw = längd på sorptionshjulet, sätts till 0,1 [m]
u = lufthastighet [m/s]
Dh = hydraulisk diameter [m]
ζ = förluftkoefficient [-]
Re = reynoldstal [-]
μ = luftens dynamiska viskositet [Pa·s]
Af = tvärsnittsarea för en sorptionskanal [m2] Olk = Omkrets för en sorptionskanal [m]
Figur 5. Luftkanaler i ett sorptionshjul. (a) visar en kontrollvolym från sidan och (b) visar en kanals tvärsnitt (Yadav och Yadav, 2014).
En avfuktares huvudsakliga mål är att ta bort fukt från luften i ett rum på ett så ener- gieffektivt sätt som möjligt. För att avgöra hur bra ett sorptionshjul avfuktar luften så används avfuktningskapacitet (MRC), avfuktningsverkningsgrad (ηaf) och regene- reringsverkningsgrad (ηreg). Ifall en avfuktare har möjlighet att återvinna regenere- ringsvärmen så är det viktigt att avgöra den termiska verkningsgraden (ηth) och hur den varierar med omgivningen för att minimera den totala energianvändningen.
Men PF Arenan har för tillfället inget kostnadseffektivt alternativ för att återvinna regenereringsvärmen, så för detta arbete är det mer intressant att minimera upp- värmning av uteluften och energianvändningen av fläktarna. Därför används också inversen för den termiska verkningsgraden för att avgöra i vilken grad som avfukta- ren värmer upp inomhusluften i PF Arenan. Följande ekvationer har använts för att beräkna effektivitet och energianvändning i avfuktaren (Ali Mandegari och
Pahlavanzadeh, 2009) (De Antonellis, Joppolo och Molinaroli, 2010):
MRC = ṁPL∙(XPL- XTL) (16)
Wreg = ṁULCp,UL(TUL - Treg) (17)
Wfläkt= V̇PL∙ΔpPL+ V̇reg∙Δpreg
ηfläkt (18)
ηaf = XPL- XTL
XPL - XTL,ideal (19)
där MRC = avfuktningskapacitet för en avfuktare [kg/s]
ṁPL = processluftens massflöde [kg/s]
XPL = processluftens absoluta luftfuktighet [kgH2O/kgLuft] XTL = torrluftens absoluta luftfuktighet [kgH2O/kgLuft] Wreg= regenereringsbatteriets effekt [W]
ṁUL = uteluftens massflöde [kg/s]
TUL = uteluftens temperatur [°C]
Treg = regenereringsluftens temperatur [°C]
Wfläkt = fläktarnas effekt [W]
V̇PL = processluftens luftflöde [m3/s]
ΔpPL= tryckskillnaden i processkanalen [Pa]
V̇reg = regenereringsluftens luftflöde [m3/s]
Δpreg = tryckskillnaden i regenereringskanalen [Pa]
ηfläkt = verkningsgraden på fläktarna, sätts till 0,6 [-]
ηaf = avfuktarens avfuktningsverkningsgrad [-]
XTL,ideal = ideal absoluta luftfuktighet för torrluftens tillstånd [kgH2O/kgLuft]
ηreg = Q̇Latent
Wreg = ṁPLhfg(XPL - XTL)
ṁULCp,UL(TUL - Treg) (20) ηth = 1 - TTL - TPL
Treg - TPL (21)
där ηreg = regenereringsverkningsgraden för en avfuktare [-]
Q̇Latent = latent värme för absorberat vatten [W]
ηth = inverterad termisk verkningsgrad för sorptionshjul [-]
TTL = torrluftens temperatur [°C]
TPL = processluftens temperatur [°C]
2.3 Takets yttemperatur i ishallar
För att avgöra om kondensbildning bildas på takytan så har Marquardt och Mainka (2008a, 2008b) härlett ekvationer för att beräkna takets yttemperatur i ishallar. Figur 6 visar väsentliga temperaturer och energibalansen i en generell ishall.
Ekvationerna för en ishall utan undertak använder en medeltemperatur (Tm) som är genomsnittet mellan isytans temperatur och innetemperaturen. Marquardt och Mainka antar att Tute ≡ Tinne så att Ekvation (22) enbart är beroende av utomhus- och istemperaturen, men eftersom PF Arenan är välisolerad blir Ekvation (25) en funktion av inomhustemperaturen istället för utetemperaturen. Lufthastigheten längs taket (uy,tak) antas vara 1 m/s och takkonstruktionen är given från ansvariga i
Lindefallets sportklubb (LSK) vilket visas i Bilaga B. Eftersom takets u-värde är kon- stant och detsamma antas för den konvektiva värmeöverföringskoefficienten (1/Rc) så har dessa konstanter redan beräknats vilket kan ses i Ekvation (23) och (24).
Ty,tak = U∙Tute+ 1 R⁄ c∙Tute+ 1 R⁄ r∙Ty,is
U + 1 R⁄ c + 1 R⁄ r (22)
U = 1
Rtak+Rse = 1
(0,07 0,036⁄ + 0,08 0,042⁄ + 0,1) + 0,04 = 0,25 W/(m2K)
(23)
1⁄Rc = 4 + 4∙uy,tak= 4 + 4∙1 = 8 W/(m2K) (24)
1⁄Rr = Cis∙4∙σ∙Tm3 (25)
där Ty,tak = takets yttemperatur [°C]
U = värmegenomgångskoefficient [W/(m2·K)]
Tute = temperatur utomhus [°C]
1⁄Rc = konvektiv värmeöverföringskoefficient vid en yta [W/(m2·K)]
1 R⁄ r = strålningens värmeöverföringskoefficient vid en yta [W/(m2·K)]
Ty,is = isplanens yttemperatur [°C]
Rtak= takets värmemotstånd [m2·K/W]
Rse = värmeövergångsmotstånd på utsidan [m2·K/W]
uy,tak = lufthastighet längs takytan [m/s]
Cis = Korrigeringsfaktor för isytans emissivitet, sätts till 0,9 [-]
σ = Stefan-Boltzmanns konstant = 5,67·10–8 [W/(m²·K4)]
Tm = Genomsnitt för inne temperaturen och isens temperatur [°C]
Figur 6. Energibalans i en ishall med undertak som har använts av Marquardt och Mainka (2008b) för att illustrera värmeöverföringen i ishallar.
3 Metod
För att svara på frågeställningarna så används mätningar, dataanalys, beräkningar och granskning av fallstudier. Fältmätningar har genomförts för att avgöra lufttillstånden i avfuktaren och PF Arenan. Resulterande data jämförs med likvärdiga ishallar så att en bättre styrning kan föreslås till avfuktaren.
3.1 Studieobjekt
I denna studie är lufttillstånden i PF Arenan och avfuktaren i arenan av intresse för att uppfylla arbetets syfte.
3.1.1 PF Arenan
PF Arenan är belägen i Lindefallet som ligger i Hudiksvalls kommun (norra Sverige).
Arenan drivs som ishall av LSK vilket byggdes år 2011. Ishallen anses som en kall ishall vilket betyder att ingen uppvärmning sker inomhus förutom ett kafeteriaut- rymme som används under matchpauser. Information om PF Arenan är given av an- svariga i LSK och från en energikartläggning utförd av EKA (2020). Anläggningen har en total area på 2541 m2 där kafeterian motsvarar 97 m2. Närliggande till själva ishallen finns det en klubbstuga och ett omklädningsrum, vilket värms upp med vedeldspanna och kafeterian värms upp med luftvärmepump sedan 2019. Läggvatten uppvärms till ismaskinen. Anledning till att läggvatten är relativt varmt (55 till 85 °C) är för att vattnet ska hinna sprida sig jämnt över isplanen innan det fryser till is och således reparera skador som framstår från skridskoåkning (ASHRAE, 2010).
Ismaskinen kan också hyvla isen ifall planen blir ojämn vilket kan vara relevant vid kondensbildning på isplanen. Vedpannas drift kan ses som gratis eftersom ved skänks till föreningen. PF Arenan och klubbstugan kan ses i Figur 7.
Figur 7. PF Arenan.
Kylsystemet för isplanen använder två kompressorer med 10 kg köldmedium R404A per kompressor. Åtgärder för kylsystemet kräver stora systemlösningar vilket inte studeras i detta arbete. PF Arenan är inte försedd med ett ventilationssystem utan enbart en avfuktare som enbart återcirkulerar inomhusluften och tillsätter därför
ingen fräsch luft. Luftomsättning i ishallen sker från luftläckage och öppning av dör- rar. I PF Arenan så styrs belysningsystemet, avfuktningssystemet och kylsystemet så att elpriset inte höjs. Ansvariga i LSK har observerat att under hockeymatcher när anläggningen använder full belysning och när kylsystem är i drift så används inte av- fuktaren även om fukthalten är högre än börvärdet. Under träningstillfällen så går belysning inte på fulldrift vilket medför att avfuktaren kan användas ifall det behövs.
Kylsystemet styrs också på eltaxan vilket leder till att kylning framkommer vanligt- vis under nattetid om det inte personal manuellt sätter igång systemet. PF Arenans elförbrukning redovisas i Bilaga A. Takets byggnadsskikt är från ut- till insidan:
20 mm stenull, 80 mm cellplast, 50 mm stenull och 128 mm profilbotten. För planritningar och takritningar av PF Arena se Bilaga B.
3.1.2 Avfuktare MLT30E
Ishallen använder Munters roterande sorptionsavfuktare MLT30E som ligger i ena hörnet av hallen och avfuktaren visas i Figur 8. Munters sorptionsavfuktare använder normalt kiselsyragel som absorbent. Avfuktaren är fullständigt eldriven med
3,75 kW för fläktarna och 18 kW regenereringsvärme (elvärme). Avfuktaren klarar av att arbeta i en omgivning med en temperatur av -20 °C (Munters, u.å.). Befintlig styrstrategi är RH-styrning med börvärde på 60 %. Luftkanalerna på regenererings- sidan har 200 mm diameter och 315 mm på avfuktningssidan. Processluft intas vid avfuktaren medan torrluften (5/6 av torrluftflödet) blåses ut från sju meters hjöd vid två punkter mot isplan och en punkt längs spelarbåsen (1/6 av torrluftflödet) vilket ligger bredvid avfuktaren (10 meter). Nominellt volymflöde är 0,833 m3/s för pro- cessluft och 0,175 m3/s för regenereringsluft. Avfuktaren återvinner ingen värme från våtluften som släpps ut som ”avluft”. Det är inte lönsamt att investera i värmeå- tervinning i avfuktaren för uppvärmning av värmda utrymmen eftersom vedpannas drift redan ses som gratis. Andra systemlösningar angående avfuktningssystemet är att uppgradera avfuktaren så våtluftens värme används för att värma upp uteluften för att minska elanvändningen för att värma upp uteluften. Huvudsakliga målet är att hitta en bättre styrstrategi till avfuktaren än vad som används för tillfället.
Figur 8. Roterande sorptionsavfuktare MLT30E i PF Arenan.
3.2 Mätningar
Tre typer av mätningar sker i under arbetes gång. Dataloggning av temperatur och fukthalter, momentana lufthastighetsmätningar och mätning av koldioxidhalten un- der en hockeymatch. Dataloggning av temperatur och relativ fukthalt utförs mellan period 21 februari till 06 mars 2020 med totalt åtta dataloggar. Loggning sker på alla luftflöden i sorptionsavfuktaren (förutom regenereringsluften), spelarbåset, södra- och norra delen av läktaren samt utomhus. Loggar som används är Satelite-TH log- gar från Mitec. För avfuktaren så tejpas loggarna fast på respektive ventilationskanal där mätgivaren är placerad i kanalen. Inomhusloggarna tejpas fast på väggarna där loggarna på läktaren är högre upp i anläggningen än den i spelarbåset. Utomhuslog- gen hängs i ett öppet vedskjul bakom PF Arenan. Dataloggarnas kalibrerades ej in- nan mätningen men loggarnas mätvärden jämfördes med varandra och sen så valdes de loggar som bedömdes att vara mest noggranna för mätningarna. Mätosäkerheten uppskattades till ± 3 % av den faktiska temperaturen och relativa fukthalten för alla dataloggar och ansågs vara acceptabla för mätningarnas ändamål. Ena dataloggen på läktaren lossnade under mätperioden vilket gav dåliga data och är därför inte presen- terat i några resultat. Temperatur och fuktmätningar är väsentligt för att avgöra luft- tillståndet i ishallen vid olika utomhustemperaturer, om det uppstår kondens/frost- bildning på ytor och dimensionering på avfuktaren. Isens temperatur loggas redan med en temperaturlogg i själva isen vilket antecknas under varje besök av hallen.
Momentana lufthastighetsmätningar utförs enbart i luftkanalerna för processluft, torrluft, uteluft och våtluft. Mätinstrumentet TA Scope används för att mäta hastig- heten på fyra jämnt fördelade punkter i 200 mm kanaler och åtta punkter i 315 mm kanaler. Sedan beräknas medelvärdet för lufthastigheten i vardera kanal vilket an- vänds för att fastställa regenereringsbatteriets energianvändning. TA Scopet kalibre- rades 2019 och Roland Forsberg handledare för praktiska mätningar för denna studie menar att mätosäkerheten på instrumentet var ± 0,4–1,0 %.
För mätning av koldioxidhalt används Rotronic CL11 som har en mätosäkerhet
± 30 ppm för avläst värde enligt Rotronic (u.å.). Mätning är utförd vid läktare och spelarbås. Koldioxidmätning startas en timme innan en hockeymatch spelad
06/03/2020. Mätning startas klockan 18:00 och slutas när matchen är över vilket var klockan 21:45. Mätvärden antecknades manuellt med 15 minuters intervall. Mä- tresultat från koldioxidmätning har inte använts för någon luftomsättningsberäkning eller djupare analys av resultat presenterat i avsnitt 4.
3.3 Procedur 3.3.1 Dataanalys
Främst så analyseras avfuktarens prestanda och erhållna lufttillstånd i ishallen. Det görs genom att analysera mätdata för att avgöra avfuktarens beteende när den är igång. Samt fastställs det hur olika aktiviteter i ishallen påverkar inomhusklimatet och avfuktarens drift. All analys av mätdata sker i Excel. Mollierdiagram och tempe- raturförhållandet tas fram för PF Arenan vilket jämförs med ishallar av likande ka- raktär. Sedan filtreras mätdata för när avfuktaren är igång sedan analyseras data un- der olika temperaturintervall för att se trender i avfuktaren under olika väderförhål- landen och regenereringstemperaturer. Sist så utförs en frost/kondensanalys på ishallens takyta för att bedöma den befintliga styrningens dimensionering för att undvika kondensbildning. Erhållna resultat för ishallens lufttillstånd jämförs med lik- värdiga ishallar och deras styrstrategier för ventilering och avfuktning, så en energi- effektivare styrfunktion kan föreslås för avfuktaren i PF Arenan.
4 Resultat
Momentana luftmätningar, kanalarea från ventilationsritningar och beräknat luft- flöde redovisas i Tabell 1. Flödesbalansen (Vreg/VPL) i avfuktaren vid momentanmät- ningen var 0,207. Uppmätta luftflöden avviker inte mycket med nominella luftflö- dena i MLT30E, så det kan antas att fläktarna är i fulldrift. Koldioxidmätningar ut- fördes en timme innan en hockeymatch den 6:e mars 2020 börjades till matchen tog slut. Mätningar varade från 18:00 till 21:45. Koldioxidhalten på läktarsidan gick från 1185 ppm till 1732 ppm och från 1228 ppm till 1773 ppm i spelarbåsen. Ökningen under matchen sker på grund av ökad personlast under matchperioden och att venti- lationsåtgärder saknas i arenan. Startnivån på koldioxidhalten är högre än 400 ppm vilket brukar halten utomhus. Det är troligt än konsekvens från att PF Arenan inte har ett ventilationssystem och att personer har varit i ishallen innan mätningen star- tades. Koldioxidhalten är också högre än den rekommenderade nivån för bra luft- kvalitet (1000 ppm) men når inte hälsofarliga nivåer (över 5000 ppm) under hock- eymatchen (Warfvinge och Dahlblom, 2017).
Tabell 1. Resultat från momentanmätningar av lufthastighet samt kanalarea och luftflöde för mätpunkterna i avfuktaren.
4.1 Mätningsresultat
Mätning utfördes under perioden 21/02-06/03 2020 utan några driftändringar för avfuktaren under mätperioden. Ofiltrerad mätdata i Figur 9 visar att luftfuktigheten i ishallen varierar mellan 55-75 %. När relativa fukthalten i ishallen är under 60 % så slutar avfuktaren att värma upp regenerationsluften tills regenerationstemperaturen är än egenvald gräns och då stängs avfuktaren av helt. Detta reflekteras tydligt i en inzoomning över mätperiod i Figur 10 eftersom torrluftens fukthalt närmar sig pro- cessluftens fukthalt vilket händer när avfuktaren är avstängd. Ismaskin användes mel- lan perioderna för hockeymatchen och innan matchen startades vilket höjer fuktighet markant. Matchen hade också många åskådare vilket påverkar luftkvalitén. Process- luftens fukthalt är över börvärdet under vissa tidsintervall då avfuktaren inte är i drift (se torrluftens fukthalt). Under nattimmar när elpriset är ”billigt” (00:00- 06:00) är det sannolikt att kylsystemet prioriteras över avfuktningssystemet vilket gör att processluftens fukthalt är över börvärdet. Under dagtimmar så används inte kylsystemet i samma utsträckning som på natten men belysningssystemet är igång vilket kan leda till att processluftens fukthalt är högre än börvärdet om också kylsy- stemet är igång. Detta sker i synnerlighet vid hockeymatcher som kylsystemet
Lufthastighet [m/s] Kanaldiameter [m] Luftflöde [m3/s]
Uteluft 6,20 0,200 0,20
Processluft 12,10 0,315 0,94
Våtluft 5,65 0,200 0,18
Torr luft 9,30 0,315 0,73
brukar vara igång någon timme innan matchstart och som belysningen går på full- drift vid match vilket gör att avfuktaren tänks gå igång när kylsystemet stängs av vid matchstart. Avfuktaren är igång med lika stor grad när fukthalten är över börvärdet mellan 21:30-02:30 fast arenan kan antas vara tom för en stor del av den tidspe- rioden. Det tar ungefär 60 minuter för torrluftens fukthalt att gå från ”torr till våt”
och ungefär 150 minuter för avfuktaren att avfukta luft från 70 % relativ fukthalt till under börvärdet (60 %) medan ishallen är tom. Det betyder att det tar tid innan av- fuktningen har effekt på inomhusluftens fukthalt.
Figur 9. Uppmätta temperaturer och relativa fuktigheter i avfuktaren under perioden 21/02-06/03 2020.
-100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
Relativ fuktighet [%RH]
Lufttemperatur [ C]
Processluft [°C] Uteluft [°C] Torrluft [°C] Uteluft [%RH] Processluft [%RH] Torrluft [%RH]
Börvärde RH=60 %
Figur 10. Inzoomad bild av uppmätta temperaturer och relativa fuktigheter i avfuktaren under en dag 05/03-06/03 2020 tills dataloggarna togs ned. Markerade områden visar perioder där observerade aktiviteter ägde rum vilket är känt för att öka fukthalten i ishallar. Innan kl:09:00 är det okänt vad som skedde i ishallen.
Mätdata presenterat i Figur 11 visar att inomhustemperaturen håller sig mellan -3,1 och 4,1 °C medan utomhustemperaturen varierar från -9,1 till 7,0 °C. Det betyder att vädret var milt under mätperioden. Dataloggen på läktaren är placerad högre upp i ishallen vilket gör att lufttemperaturen är högre än för dataloggen placerad vid spelarbåsen. Skillnaden i lufttemperatur mellan läktaren och spelarbåsen är större vid höga utomhustemperaturer. Temperaturförhållandet i PF Arenan (samt utom- hus) och mätningarna som utfördes på den ventilerade ishallen i studierna från Palmowska och Lipska (2016, 2018) skiljer sig inte mycket för inomhus- och ute- temperaturer även då ishallen var ventilerad. PF Arenan har lägre fukthalter vilket indikerar att avfuktaren är överdimensionerad eller felstyrd men det har inte obser- verats någon takkondens i PF Arenan från ansvariga i LSK heller.
Figur 12 visar medelvärden för inomhustemperaturer, relativa fukthalter och den lägsta observerade istemperaturen i ishallen under mätperioden. Den röda linjen il- lustrerar när fuktflödet i Ekvation (2) är XL = Xis. När XL>Xis så flödas fukt mot isen vilket leder till frostbildning på planen. Den befintliga styrningen undviker kon- densfenomenet bäst vid låga rumstemperaturer. Mellan medeltemperaturer 3 till 4 °C så behöver den relativa fukthalten vara ~50 % och mellan -3 till -2 °C så kan
-100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
Relativ fuktighet [%RH]
Lufttemperatur [ C]
Processluft [°C] Uteluft [°C] Torrluft [°C] Uteluft [%RH] Processluft [%RH] Torrluft [%RH]
Börvärde RH=60 %
Användningav ismaskin Hockeyträning Hockeymatch Användningav ismaskin Hockeymatch
den fukthalten vara över 80 % när istemperaturen är -4,5 °C. Temperaturmätningar som utfördes på inomhusluften konfirmerar EKA (2020):s slutsats om att RH styr- ning är underdimensionerad i varma förhållanden och slösar energi i kalla förhållan- den.
Figur 11. Mätdata som visar temperaturförhållandet mellan inomhus och utomhus för höjderna 1,2 och 5,4 meter över isplanen under mätperioden 21/02-06/03 2020.
Figur 12. Mollierdiagram som visar lufttillstånden i PF arena baserat på mätdata och den lägsta temperaturen observerat av isplanen. Till höger om isplanens daggpunkt (röda linjen) så uppstår kondensfenomenet.
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10
Inomhustemperatur [ C]
Utomhustemperatur [ C]
Spelarbås (H=1,2 m) Läktaren (H=5,4 m)
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0
Lufttemperatur [ C]
Luftens fuktinnehåll [g/kg]
Tis=4,5
För en djupare analys av avfuktaren så behövs data filtreras för de tidpunkter som av- fuktaren är igång. En förenklad filtrering enligt Xproc∙0,5>Xtorr användes på grund av följande anledningar:
• Mätintervallet är 10 minuter
• Det tar 60 minuter för torrluften att nå lika fukthalt som processluften
• Ishallar har låga temperaturer så den absoluta fukthalten minskas förhållande- vis lite vid avfuktning vilket kan illustreras av ett mollierdiagram.
• Resulterar i enbart fyra ogiltiga mätpunkter utav 1063 giltiga punkter enligt prestandaekvationer.
• Bortfiltrerad data för olika filtreringsfaktorer illustreras i Bilaga A.
Vid analys utav filtrerad data så används medelvärden för lufttillstånd, energianvänd- ning och andra prestandaparametrar beroende på utomhustemperaturen. Tabell 2 visar medelvärden för uppmätta lufttemperaturer och absoluta fuktinnehållet i luft- strömmarna i avfuktare samt regenereringstemperaturen (Treg) beräknad med Ekvat- ion (1).
Avläsning av Tabell 2 visar tydligt att processluftens fuktinnehåll ökar med höjda utetemperaturer till följd av RH-styrning och således ligger XPL under isytans dagg- punkt för utetemperaturer under 0 till 1 °C. Temperaturen för uteluft är högre än utetemperaturen vid låga utetemperaturer men uteluftens temperatur är lägre än utetemperaturen vid höga utetemperaturer. Det betyder att värmeöverföring mel- lan avfuktaren och omgivningen har väsentlig effekt på lufttillstånden i avfuktaren.
Regenereringstemperaturen ökar från 47 till 63 °C med utetemperaturen istället för att hållas konstant eftersom uteluftens och processluftens fuktinnehåll också ökas.
Låga regenereringstemperaturer betyder att varvtalet på hjulet kan hållas lågt så att mer fukt i processluften kan absorberas per varv. Mindre värme kan återvinnas från våtluften vid låga utetemperaturer än vid höga. Regenereringsluftens och våtluftens entalpi jämförs i Bilaga A där skillnaden mellan entalpierna varierar mellan
3,78 kJ/kg till 5,72 kJ/kg.
Medelvärden för avfuktarens effektivitet vid olika utetemperaturer visas i Tabell 3, där Treg-TUL är temperaturökningen efter värmebatteriet. XPL-XUL är fukt som tas bort från luften i ishallen. Wreg är den effekt som krävs för uppvärmning av uteluften till regenereringstemperaturen. MRC är avfuktningskapacitet av sorptionshjulet. ηth
är en inverterad termisk verkningsgrad vilket är lämpad för PF Arenan. Eftersom när ishallen uppvärms så behöver isens kylsystemets energianvändning öka för att kompensera för temperaturökningen. Avfuktningsverkningsgraden (ηav) är hur mycket fukt som avfuktas jämfört med den maximala mängden fukt som kan avfuk- tas. Regenereringsverkningsgraden (ηreg) är mängden latent värme på avfuktningssi- dan jämfört med den sensibla värmen på regenereringssidan.
