• No results found

Markvärmesystem på Norra Ön i Umeå: En energi- och kostnadsberäkning

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Share "Markvärmesystem på Norra Ön i Umeå: En energi- och kostnadsberäkning"

Copied!
40
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

Examensarbete, 15 hp

Högskoleingenjörsprogrammet i energiteknik 180 hp Institutionen för tillämpad fysik och elektronik, Vt 2021

MARKVÄRMESYSTEM PÅ NORRA ÖN I UMEÅ

En energi- och kostnadsberäkning

Andreas Hamrin

HEATED PAVEMENT SYSTEM ON NORRA

ÖN IN UMEÅ

An energy and cost calculation

(2)

Sammanfattning

På Norra Ön i Umeå planeras det för en ny stadsdel. Umeå kommun satsar på utveckling av kollektivtrafikstråk samtidigt som detaljplanen för Norra Ön har rörelserikedom som

utgångspunkt. Nya broar och vägar kommer att byggas med fokus på att uppmuntra hållbart resande.

Detta arbete syftade till att undersöka möjligheten till användandet av markvärme på gång- och cykelbanor på Norra Ön. Arbetets målsättning var att ta reda på vad systemets årliga energianvändning och driftkostnad skulle kunna bli samt bedöma om markvärme bör

anläggas. Information om planeringen kring utbyggnaden av Norra Ön inkluderades i arbetet för att ge en övergripande bild av situationen för en eventuell implementering av markvärme.

I arbetet beskrivs markvärmesystemets uppbyggnad och även teori för beräkning av markvärme.

Markvärmens energibehov är till stor del väderberoende. Observationsdata för åren 2018–

2020 från väderstationer i Umeå har sammanställts och legat till grund för beräkningarna av energianvändning och driftkostnad.

Stora variationer i energianvändning och driftkostnad uppstod mellan åren på grund av det varierande vädret. Ett markvärmesystem på Norra Ön hade med utgångspunkt i åren 2018–

2020 medfört en årlig energianvändning på 4,9–7,2 GWh med en årlig driftkostnad på 4,2–

5,4 Mkr. Energisystemet skulle vara det största i Umeå och en stor del av systemet skulle vara anlagt på broar vilket medför hög energianvändning och kostnad. Den största

energianvändningen och kostnaden uppstod dock för cykelstråken eftersom den markanlagda delen av markvärmesystemet tar upp en större yta än den broanlagda delen av systemet.

Effekterna av ett markvärmesystem ligger i linje med de mål som finns för Norra Ön vilket talar för att en anläggning av ett markvärmesystem i någon form bör övervägas.

(3)

Abstract

A new housing district is planned on Norra Ön in Umeå. The municipality of Umeå is investing in the development of public transport while the planning of Norra Ön is based on creating conditions which contributes to an active lifestyle. New bridges and roads will be built to encourage sustainable traveling.

The purpose of this work was to investigate the possibility of using a heated pavement system for pedestrian and bicycle lanes on Norra Ön. The aim of this work was to find out what the system’s annual energy usage and annual operating costs could be and also assess whether a heated pavement system should be installed or not. Information about the planning of Norra Ön is included in this thesis to provide an overall view of the situation for a possible

implementation of a heated pavement system. In this thesis, the structure of the heated pavement system and also the theory for calculating heat fluxes are described.

The systems required heat flux is largely weather dependant. Observation data for the years 2018–2020 from weather stations in Umeå has been compiled and has been the basis for calculation of energy usage and operating costs.

There was a big difference in energy usage and operating costs between the years due to the varying weather. A heated pavement system on Norra Ön could, based on the years 2018–

2020, result in an annual energy usage of 4,9–7,2 GWh with an annual operating cost of 4,2–

5,4 MSEK. The energy system would be the largest in Umeå and a large part of the system would be placed on bridges which causes high energy usage and cost. However, the largest energy usage and cost was found to be for the cycle paths because the ground-based part of the heated pavement system occupies a larger area than the bridge-based part of the system.

The effects of a heated pavement system are in line with the goals that exists for Norra Ön, which suggests that usage of a heated pavement system in some form should be considered.

(4)

Förord

Med detta examensarbete med omfattning på 15 högskolepoäng avslutar jag min tid på högskoleingenjörsprogrammet i energiteknik vid Umeå universitet. Arbetet har utförts åt Umeå kommun och jag skulle vilja rikta ett stort tack till min handledare Erland Jonsson för all hjälp i detta arbete. Jag vill även rikta ett stort tack till min handledare Robert Eklund på universitetet för hjälp i rapportskrivandet och bidragandet med idéer under arbetets gång.

(5)

Innehållsförteckning

1. Inledning ... 1

1.1 Bakgrund ... 1

1.2 Syfte ... 1

1.3 Målsättning ... 1

1.4 Avgränsningar ... 1

2. Planering för markvärme på Norra Ön ... 3

2.1 Utbyggnationen av Norra Ön ... 3

2.2 Markvärmesystemets placering på Norra Ön ... 5

2.3 Energianvändning från befintliga markvärmeanläggningar i Umeå ... 5

3. Teoretisk bakgrund ... 7

3.1 Markvärme ... 7

3.2 Beräkning av markvärme ... 10

4. Metod ... 15

4.1 Beräkning av markvärmens energianvändning ... 15

4.2 Ekonomi ... 18

5. Resultat ... 19

5.1 Energianvändning per kvadratmeter enligt väderdata åren 2018–2020 ... 19

5.2 Total energianvändning enligt väderdata åren 2018–2020 ... 22

5.3 Driftkostnader enligt väderdata åren 2018–2020 ... 25

6. Diskussion ... 29

6.1 Energianvändning per kvadratmeter ... 29

6.2 Total energianvändning ... 30

6.3 Driftkostnader ... 31

6.4 Felkällor ... 31

7. Slutsatser ... 32

7.1 Fortsatt arbete ... 32

Referenser ... 33

Bilagor ... i

Bilaga A – Prislista Markvärme 2021 ... i

(6)

1

1. Inledning

I detta avsnitt presenteras arbetet med bakgrund, syfte, målsättning samt avgränsningar av arbetet.

1.1 Bakgrund

Markuppvärmda gator är vanligt i Sverige på platser där man önskar en yta fri från snö och is.

Dessa platser kan vara resecentrum, gågator eller torg. Med markuppvärmda ytor minskar risken för fall och olyckor på grund av is och snö för fotgängare och

cyklister avsevärt under vintertid (Carlsson, et al., 2018). Markuppvärmning kan även minska behovet av snöbekämpning (halkbekämpning, snöröjning och sandning) vilket kan vara värdefullt vid tillfällen då det kommer mycket snö och resurser kan allokeras på andra ställen.

Umeå kommun har idag ca 50 000 m² uppvärmd yta fördelat på torg, gång- och cykelbanor samt bussterminaler. Majoriteten av energin för uppvärmningen kommer från returvärmen från fjärrvärmenätet.

Utbyggnaden av Ön är en är en unik framtidssatsning från Umeå kommun som kommer pågå under lång tid, ca 15–20 år. Planen är att uppnå en tät, attraktiv och

blandad bebyggelsemiljö i en volym om ca 2 800 enheter (lägenheter/verksamhetsytor). Det planeras även att Ön ska vara bilsnål för att skapa förutsättningar för mer miljövänliga transporter (Umeå kommun, u.d.). I anslutning till Ön kommer det att byggas

flera nya broar avsedda för gång- och cykeltrafik. Befintliga kvarter kommer byggas om vilket omformar infrastrukturen i området.

Med tanke på den täta bebyggelsen och det faktum att Norra Ön planeras att främst trafikeras av cyklar kommer det ställa krav på gång- och cykelbanor samt broarna i anslutning till Ön. Med markuppvärmda gång- och cykelbanor kan gator och broar hållas snö- och isfria under sen höst, vinter och tidig vår. 

1.2 Syfte

Syftet med examensarbetet var att undersöka möjligheten för användande av ett

markvärmesystem på gång- och cykelvägar i samband med utbyggnaden av Norra Öns nya stadsdel.

1.3 Målsättning

Målsättningen med projektet har varit att ta fram ett underlag för användandet av markvärme på broar, gång- och cykelbanor på Norra Ön i Umeå. Några frågor som besvaras i detta arbete är:

• Hur mycket energi skulle markuppvärmda gång- och cykelbanor på Ön kräva under ett år?

• Vad skulle driftkostnaderna bli för energisystemet?

• Bör broar, gång- och cykelbanor på Ön i Umeå anläggas med markvärme?

1.4 Avgränsningar

I detta examensarbete är markvärme från fjärrvärme i fokus. Andra system för

markuppvärmning som elektriska värmekablar och infraröd strålning undersöks inte.

(7)

2

Beräkningar utförs med hjälp av förenklade modeller och antaganden.

Endast broar samt cykelstråk och gågator i anslutning till dessa broar inkluderas i projektet.

De ekonomiska kalkylerna som är framtagna behandlar kostnader för energin och drift.

Anläggningen av mark och annat byggnadsmaterial behandlas inte.

Arbetet avser ej att projektera för ett eventuellt nytt markvärmesystem.

(8)

3

2. Planering för markvärme på Norra Ön

Detta avsnitt beskriver utbyggnationen av Norra Ön och redovisar markvärmesystemets placering på Norra Ön. Presenterat i detta avsnitt är även energianvändning från befintliga markvärmeanläggningar i Umeå.

2.1 Utbyggnationen av Norra Ön

Umeå kommun har satt en vision om att växa till 200 000 invånare till år 2050 (Umeå kommun, 2018). I kommunens översiktsplan satsas det mot tillväxt i form av förtätning av staden, utveckling av trafikleder och kollektivtrafiksstråk. Planeringen innefattar även att sätta människan i centrum med ökad tillgänglighet och ökad fysisk aktivitet samtidigt som man långsiktigt arbetar mot ett hållbart samhälle enligt Aalborgåtagandena som antogs av Umeå kommun 2008 (Umeå kommun, 2018). Ombyggnationen av Norra Ön i Umeå är därför en del av Umeås hållbara tillväxt.

Utbyggnationen av Ön planerar för att bemöta stadens växande efterfrågan av bostäder och service, bidra till mer hållbara resor inom kommunen samt att bevara viktiga delar av skogens funktioner och naturvärden. I arbetet med detaljplanen har man valt att utgå från fem olika utgångspunkter (Umeå kommun, u.d.):

• Blandad bebyggelse

• Bilsnål planering

• Bevarande och utveckling av natur och grönstruktur

• Attraktiva, trygga och tillgängliga offentliga rum

• Rörelserikedom

Begreppet bilsnål planering syftar till att minska bilberoendet och transportbehovet genom väl utformning av trafiknätet (Umeå kommun, u.d.). Gång och cykel ska vara ett attraktivt val för resenärer i stället för att välja bilen. Rörelserikedom syftar till att främja fysisk aktivitet genom en genomtänkt miljö och skapa förutsättningar för en aktiv och hållbar livsstil för alla åldrar och grupper.

Norra Ön kommer att undergå omfattande förändringar sett till landskapet. Figur 1 visar hur det ser ut på Norra Ön i dagens läge och hur det är planerat att se ut efter utbyggnaden.

(9)

4

Figur 1. Landskap och infrastruktur på Norra Ön i dagens läge (t.v.) och planerad utbyggnad (t.h.) (Umeå kommun, u.d.).

Enligt planförslaget kommer tre nya gång- och cykelbroar att byggas i anslutning till Ön (Umeå kommun, u.d.). Det planeras även för anläggning av nya vägar inom bebyggelsen.

Detta framför allt för att uppnå förbindelsestråk som möjliggör hög orienterbarhet för gående och cyklister runt staden, vilket Figur 2 visar. Den befintliga bron mot Ön föreslås efter utbyggnationen att användas för kollektivtrafik, gång och cykel. För biltrafiken föreslås en ny bro till Ön som ansluter till det centrala stråket.

Figur 2. Ökad rörlighet och bättre förbindelser för gående och cyklister i Umeå (Umeå kommun, u.d.).

(10)

5

Figuren ovan visar hur utbyggnationen av Norra Ön skulle kunna underlätta för gående och cyklister vad gäller förbindelse till övriga stadsdelar. Till exempel skulle resenärer från Teg ha en direkt väg till Östra stationen i stället för att behöva åka genom stadskärnan eller ta E4:an.

I en rapport framtagen av Trivector 2018 har en undersökning gjorts på val av färdmedel för höst- och vinterdagar i Umeå (Trivector, 2018). Under höst väljs cykel 11,95 % och gång 46,77 % av gångerna som färdmedel. För vinterdagar väljs cykel 8,86 % och gång 46,94 % av gångerna som färdmedel. Med tanke på Norra Öns centrala placering i staden så kommer det vara en viktig punkt som knyter samman Umeås stadsdelar.

2.2 Markvärmesystemets placering på Norra Ön

De vägar som behandlats i detta arbete presenteras i Figur 3. Det är broarna mot Teg, Konstnärligt campus och Östra station som har undersökts. På Ön är det cykelstråken (markerat i blått) och det centrala stråket (markerat i orange) som har undersökts.

Figur 3. De broar och stråk där markvärme eventuellt kan anläggas. Markerat i blått är cykelstråket och markerat i orange det centrala stråket (Umeå kommun, 2021).

Broarna från Norra Ön ansluter till Teg, Konstnärligt campus och Östra station. På Ön finns det ett cykelstråk som går till varje bro. Det finns även ett centralt stråk i mitten av Ön som planeras att vara stadsdelens huvudgata (Umeå kommun, u.d.).

2.3 Energianvändning från befintliga markvärmeanläggningar i Umeå

I Umeå finns det idag ett flertal områden förlagda med markvärme. I Tabell 1 presenteras energianvändning från några av de befintliga markvärmesystemen under år 2018.

(11)

6

Tabell 1. Energianvändning per kvadratmeter för några av Umeå kommuns markvärmesystem år 2018.

År 2018 E4-Nyg gångtunnel

NUS Skolgatan 61/Vasaplan

Kungsg145,Svingen Skolgatan 57 Idun 2

Enhet

Januari 152.1 93.2 26.2 83.9 91.8 kWh/m²

Februari 97.0 67.1 20.5 63.1 71.9 kWh/m²

Mars 67.2 82.2 25.7 60.9 57.7 kWh/m²

April 17.6 21.0 9.2 14.4 13.9 kWh/m²

Maj 0.0 0.0 2.6 0.0 0.0 kWh/m²

Juni 0.0 0.0 2.6 0.0 0.0 kWh/m²

Juli 0.0 0.0 2.6 0.0 0.0 kWh/m²

Augusti 0.0 0.0 2.6 0.0 0.0 kWh/m²

September 0.0 0.0 1.3 0.0 0.3 kWh/m²

Oktober 20.3 16.9 9.5 37.1 16.0 kWh/m²

November 25.2 35.8 10.0 30.9 17.9 kWh/m²

December 92.0 76.4 28.0 72.4 95.8 kWh/m²

Summa 471.3 392.5 140.7 362.6 365.3 kWh/m²

Energianvändningen är för det mesta högst i januari för alla system med en sänkning fram till sommaren. Under sommaren är normalt markvärmesystemen avstängda vilket inte medför någon användning. Därefter syns en stigning i energianvändningen på hösten fram mot december. Den årliga energianvändningen är mellan 140,7–471,3 kWh/ m² för några av Umeås markvärmesystem året 2018.

I Tabell 2 presenteras även energianvändningen för några av de befintliga markvärmesystemen under år 2019.

Tabell 2. Energianvändning per kvadratmeter för några av Umeå kommuns markvärmesystem år 2019.

År 2019 E4-Nyg gångtunnel

NUS Skolgatan 61/Vasaplan

Kungsg145,Svingen Skolgatan 57 Idun 2

Enhet

Januari 81.5 81.7 35.4 82.7 82.6 kWh/m²

Februari 86.7 60.8 27.5 87.1 68.9 kWh/m²

Mars 83.5 69.0 24.6 66.6 62.8 kWh/m²

April 9.8 10.3 3.9 9.0 5.6 kWh/m²

Maj 0.0 0.0 0.5 0.0 0.0 kWh/m²

Juni 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 kWh/m²

Juli 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 kWh/m²

Augusti 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 kWh/m²

September 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 kWh/m²

Oktober 31.8 20.5 10.4 32.4 29.4 kWh/m²

November 64.4 61.7 27.1 65.8 52.6 kWh/m²

December 86.9 74.9 32.6 64.5 75.6 kWh/m²

Summa 444.7 378.8 161.9 408.1 377.6 kWh/m²

År 2019 liknar det tidigare året sett till energianvändningen. För vissa av anläggningarna är dock den högsta energianvändningen i februari. För år 2019 är den årliga energianvändningen mellan 161,9–444,7 kWh/ m².

(12)

7

3. Teoretisk bakgrund

Detta avsnitt tar upp relevant information och teori om markvärme. Markvärmesystemetes olika delar berörs, ekvationer för beräkning av energianvändningen listas och data från befintliga anläggningar i Umeå tas med.

3.1 Markvärme

Ett markvärmesystem syftar till att genom att värma en yta, smälta snö eller is (ASHRAE, 2015). Denna teknik används i flera olika scenarion, till exempel för trottoarer, torg, broar eller flygplatser. I samband med att lågvärdig värme blev alltmer tillgänglig till följd av att värmeverk i större utsträckning började uppföras tiden efter andra världskriget så ökade även möjligheten till markvärme i Sverige (Byggnadsstyrelsen, 1976). Snöröjning i trånga

passager, platsbrist för snölagring och gåendes säkerhet är några exempel på problem som implementering av markvärme kan lösa. Studier har visat att nästan 9 av 10 halkolyckor under vintern orsakas av is/snö (Carlsson, et al., 2018). Det finns en stor skadereducerande effekt för fotgängare genom att använda markvärme. Olika typer av markvärmesystem är cirkulerande fluid i ett rörsystem förlagda i en platta, elektriska värmekablar förlagda i en platta och högintensiv infraröd värmestrålning (ASHRAE, 2015). För detta arbete valdes det första alternativet.

Det hydroniska systemet innehåller många olika delar och kan delas upp i fem olika

komponenter: värmeöverföringsfluid, rör, energikälla, pump samt styrning (ASHRAE, 2015).

Ett exempel på ett markvärmesystem och hur det är kopplat till fjärrvärmenätet kan ses i Figur 4. Markvärmesystemet är ansluten till en värmeväxlare som i sin tur är ansluten till returledningen på fjärrvärmenätet (Svensk Fjärrvärme AB, 2009). I den gemensamma fjärrvärmereturen mäts både fjärrvärmecentralens och markvärmens energianvändning med en värmemätare. Denna koppling förutsätter att returledningen har tillräckligt hög

temperaturnivå och har flöden för att bemöta behovet från markvärmeanläggningen.

Figur 4. Skiss av ett markvärmesystem ansluten till fjärrvärmenätets returledning (Svensk Fjärrvärme AB, 2009).

(13)

8

Ifall kravet på markvärmesystemet är att en stor effekt ska kunna upprätthålls finns det även möjlighet att tillgodose det. I Figur 5 presenteras ett markvärmesystem som är ansluten till fjärrvärmens fram- och returledning. Denna koppling utgår från att i första hand använda returledningen i fjärrvärmenätet och vid behov kunna komplettera med värme från

framledningen om stora effekter krävs (Svensk Fjärrvärme AB, 2009). För denna koppling kommer det vid låg värmelast uppstå en temperaturdifferens över fjärrvärmekretsen vilket gör val av integreringsverk viktigt.

Figur 5. Kopplingsschema för ett markvärmesystem som är ansluten till fram- och returledning på fjärrvärmenätet (Svensk Fjärrvärme AB, 2009).

Värmeöverföringsfluiden i ett markvärmesystem kan vara glykol (etylenglykol eller propylenglykol) eller värmevatten utan någon frysskyddstillsats (ASHRAE, 2015; Svensk Fjärrvärme AB, 2009). Andra typer av fluider som saltlösning och värmeöverföringsolja är också lämpliga för värmeöverföring. Saltlösning ökar risken för korrosion vilket innebär att det är nödvändigt att investera i utrustning som kan motstå detta, vilket kan bli dyrt. Olja är däremot inte korrosivt men det är dyrare än de övriga alternativen och har en lägre specifik värmekapacitet och högre viskositet. Med olja måste åtgärder göras för att förhindra eventuella brandrisker som kan orsakas av antändning av oljespill från läckage.

Rören i ett markvärmesystem kan vara av metall, plast eller EPDM (Ethylene Propylene Diene M-class), vilket är en typ av syntetiskt gummi (ASHRAE, 2015). Användandet av metallrör för markvärmesystem kan vara ogynnsamt då risken för korrosion är hög, speciellt om vägarna saltas under vintertid. Plaströr som polyeten (PE), tvärbunden polyeten (PEX) eller plaströr med ett metallrör som mellanlager (PEX-AL-PEX) är ett populärt val då material- och installationskostnaden är låg samt att de har en hög korrosionsresistans. PE- rören har en temperaturbegränsning kring 60 °C, medan PEX-rören kan tåla temperaturer upp emot 82–93 °C beroende på hur systemet är trycksatt. Markvärme ansluten till en

fjärrvärmecentrals returledning har en dimensionerad framtemperatur på 35 °C och

returtemperatur på 20 °C (Svensk Fjärrvärme AB, 2009). Anläggningen av rören i marken kan ske enligt Figur 6.

(14)

9

Figur 6. Läggningsmetod för rör i mark för asfalterade ytor (Uponor AB, 2020).

För att tillföra värme till fluiden i systemet finns det olika typer av energikällor som kan användas (ASHRAE, 2015). Värmen kan komma från ånga, varmvatten, gas, olja eller el. I Sverige är det vanligt att större anläggningar av markvärmesystem använder returvärmen från fjärrvärmenätet. Genom att använda returvärmen för markvärmesystem kan

returtemperaturen minskas vilket innebär att energiproduktionsanläggningar får högre verkningsgrad (Lindström & Ekelin, 2019). Vinsterna med sänkt returtemperatur för fjärrvärmebolag är bland annat minskad energianvändning med samma leveranskapacitet, minskad elanvändning i värmepumpar och ökad elproduktion. Implementering av ett markvärmesystem skulle därmed kunna vara fördelaktigt för de lokala kraftvärmeverken på Dåvaområdet i Umeå.

Val av pump baseras på kraven som ställs på det specifika systemet som är beroende av:

massflöde, energibehovet, specifika värmekapaciteten och viskositeten på fluiden (ASHRAE, 2015).

Styrning av energisystemet är inte något som behövs för drift av markvärmesystemet, men det kan vara fördelaktigt att använda då det underlättar vid drift och är effektivt ur ett kostnadsperspektiv (ASHRAE, 2015). Markvärmesystem kan antingen skötas manuellt, där man endast slår på eller av systemet, eller automatiskt. Om systemet skall styras automatiskt krävs det ett antal givare, såsom nederbörds- och temperaturgivare. Nederbördsgivaren kan placeras i anslutning till den uppvärmda ytan. Temperaturgivare kan finnas i plattan mellan rören och/eller användas för mätning av omgivningsluften. För en del av

markvärmeanläggningarna använder Umeå kommun idag en tjänst från SMHI där styrningen av systemet är prognosstyrd1. Baserat på prognosdata kan systemet regleras genom att sänka börvärde för temperaturen på anläggningen när det inte förväntas komma någon nederbörd (Kempe, 2021). Detta möjliggör ekonomiska och miljömässiga besparingar.

1 Erland Jonsson, Entreprenadingenjör Umeå kommun, samtal den 26 april 2021.

(15)

10

3.2 Beräkning av markvärme

För beräkning av det totala värmeflödet som behövs vid snösmältningsytan används Ekvation 1 (ASHRAE, 2015).

𝑞𝑜= 𝑞𝑠+ 𝑞𝑚+ 𝐴𝑟(𝑞+ 𝑞𝑒)

(Ekvation 1) Där 𝑞𝑜 är värmeflödet som krävs vid snösmältningsytan (W/ m²), 𝑞𝑠 är

värmeflödet för att höjd temperaturen på snön (W/ m²), 𝑞𝑚 är värmeflödet för som krävs vid fasövergång (W/ m²), 𝐴𝑟 är kvoten för den snöfria ytan

(Enhetslös), 𝑞 är värmeflödet för konvektion och strålning från den snöfria ytan (W/ m²) och 𝑞𝑒 är värmeflödet till följd av ångbildning (W/ m²).

Det sensibla värmeflödet, det vill säga värmeflödet för att höja temperaturen på snön till smältningstemperatur och därefter höja temperaturen till den bestämda temperaturen för vätskefilmen ges av Ekvation 2 (ASHRAE, 2015).

𝑞𝑠𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟𝑠[𝑐𝑝,𝑖𝑐𝑒(𝑡𝑠− 𝑡𝑎) + 𝑐𝑝,𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟(𝑡𝑓− 𝑡𝑠)]/𝑐1

(Ekvation 2) Där 𝑞𝑠 är värmeflödet för att höja temperaturen på snön (W/m²), ρ𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟 är densiteten på vatten (kg/m³), 𝑠 är snöfallet i vattenekvivalent (mm/h), 𝑐𝑝,𝑖𝑐𝑒 är den specifika värmekapaciteten för is (J/(kg*K)), 𝑡𝑠 är smälttemperaturen för is (°C), 𝑡𝑎 är temperaturen på omgivningsluften (°C), 𝑐𝑝,𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟 är den specifika värmekapaciteten för vatten (J/(kg*K)), 𝑡𝑓 är vätskefilmens temperaturen (°C), och 𝑐1 är för enhetsomvandling (1000 mm/m * 3600 s/h= 3.6*10^6).

Det latenta värmeflödet, det vill säga värmeflödet som krävs för att smälta snön ges av Ekvation 3 (ASHRAE, 2015).

𝑞𝑚𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟𝑠ℎ𝑖𝑓/𝑐1

(Ekvation 3) Där 𝑞𝑚 är värmeflödet som krävs vid fasövergång (W/m²), ρ𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟 är densiteten på vatten (kg/m³), 𝑠 är snöfallet i vattenekvivalent (mm/h), ℎ𝑖𝑓 är smältentalpin för snö (J/kg) och 𝑐1 är för enhetsomvandling (1000 mm/m * 3600 s/h=

3.6*10^6).

(16)

11

Sensibelt och latent värmeflöde sker på plattan hela tiden under snöfall (ASHRAE, 2015).

Däremot är värme- och masstransport beroende på om det finns snö på marken där systemet är anlagt. Om snötäcket är tillräckligt tjockt kan det agera isolerande för ytan när det kommer till värmeförluster och avdunstning. Den snöfria ytans kvot ges av Ekvation 4 och har ett värde mellan intervallet 0 ≤ 𝐴𝑟 ≤ 1. Med ett kvotvärde på 0 är ytan täckt med snö till den grad att det förhindrar värmeförluster och avdunstning. Om kvotvärdet är 1 innebär det att ingen snö hinner samlas. Ytan antas då vara helt täckt med en tunn vätskefilm vilket gör att värme- och masstransport kan ske i maximal takt.

𝐴𝑟 =𝐴𝑓 𝐴𝑡

(Ekvation 4) Där 𝐴𝑟 är kvoten för den snöfria ytan, 𝐴𝑓 är ekvivalent snöfri yta (m²), 𝐴𝑠 är ekvivalent snötäckt yta (m²) och 𝐴𝑡 är den totala arean, 𝐴𝑓+ 𝐴𝑠 (m²).

När systemet är i gång så överförs värme till omgivningen. Det konvektiva värmeflödet och stålningsvärmeflödet från den snöfria ytan ges av Ekvation 5 (ASHRAE, 2015). Värmeflödet 𝑞 räknar med konvektiva förluster till omgivningsluften vid temperaturen ta samt

strålningsförluster till omgivningen.

𝑞 = ℎ𝑐(𝑡𝑓− 𝑡𝑎) + 𝜎ε𝑠(𝑇𝑓4− 𝑇𝑀𝑅4 )

(Ekvation 5) Där 𝑞 är värmeflödet för konvektion och strålning från den snö-fria ytan

(W/m²), ℎ𝑐 är värmeövergångstalet för turbulent flöde (W/(m²*K)), 𝑡𝑓 är vätskefilmens temperatur(°C), 𝑡𝑎 är temperaturen på omgivningsluften (°C), 𝜎 är Stefan-Boltzmanns konstant = 5.670 *10^-8 (W/(m²*K4)), ε𝑠 är ytans

emissivitet (Enhetslös), 𝑇𝑓 är temperaturen på vätskefilmen (K) och 𝑇𝑀𝑅 är den genomsnittliga strålningstemperaturen från omgivningen (K).

Vid drift av markvärmesystemet så sker det även en masstransport från den avdunstande vätskefilmen. Värmeflödet som krävs för att avdunsta vatten från en blöt yta ges av Ekvation 6 (ASHRAE, 2015).

𝑞𝑒𝑑𝑟𝑦 𝑎𝑖𝑟𝑚(𝑊𝑓− 𝑊𝑎)ℎ𝑓𝑔

(Ekvation 6) Där 𝑞𝑒 är värmeflödet till följd av ångbildning (W/ m²), ρ𝑑𝑟𝑦 𝑎𝑖𝑟 är densiteten för torr luft (kg/ m³), ℎ𝑚 är massöverföringskoefficienten (m/s), 𝑊𝑓 är

fuktkvoten för mättad luft vid markytans temperatur (kgvapor/kgair), 𝑊𝑎 är fuktkvoten för omgivningsluften (kgvapor/kgair) och ℎ𝑓𝑔 är skillnaden i entalpi mellan mättad vattenånga och mättat vatten i vätskeform (J/kg).

(17)

12

För beräkning av Ekvation 5 och Ekvation 6 används ytterligare formler för några av variablerna.

Ekvationerna för variablerna i Ekvation 5 följer nedan. För beräkning av värmeövergångstalet för en plan horisontell platta används Ekvation 7 (ASHRAE, 2015). Om ytan inte är helt horisontell kan ℎ𝑐 bli annorlunda men denna skillnad är försumbar i de flesta tillämpningar.

𝑐 = 0.037 (𝑘𝑎𝑖𝑟

𝐿 ) 𝑅𝑒𝐿0.8𝑃𝑟1/3

(Ekvation 7) Där, ℎ𝑐 är värmeövergångstalet för turbulent flöde (W/(m²*K)), 𝑘𝑎𝑖𝑟 är

värmeledningsförmågan för luft vid 𝑡𝑎 (W/m*K), 𝐿 är den karaktäristiska längden på plattan (m), 𝑅𝑒𝐿 är Reynoldstalet baserat på den karaktäristiska längden (Enhetslös) och 𝑃𝑟 är Prandtls tal för luft (Enhetslös).

Reynolds tal beräknas enligt Ekvation 8 (ASHRAE, 2015).

𝑅𝑒𝐿 = 𝑉𝐿 𝑣𝑎𝑖𝑟𝑐2

(Ekvation 8) Där 𝑅𝑒𝐿 är Reynoldstalet baserat på den karaktäristiska längden (Enhetslös), 𝑉 är vindhastigheten nära plattans yta (km/h), 𝐿 är den karaktäristiska längden på plattan (m), 𝑣𝑎𝑖𝑟 är den kinematiska viskositeten för luft (m²/s) och 𝑐2 är för enhetsomvandling (1000 m/km*1 h/3600 s = 0,278).

Medelstrålningstemperaturen TMR är den ekvivalenta svartkroppstemperaturen från

omgivningen för plattan (ASHRAE, 2015). Vid nederbörd kan medelstrålningstemperaturen uppskattas till omgivningsluftens temperatur (𝑇𝑀𝑅 = 𝑇𝑎). När det inte är något snöfall kan medelstrålningstemperaturen från omgivningen beräknas med Ekvation 9.

𝑇𝑀𝑅= 𝑇𝑐𝑙𝑜𝑢𝑑4 𝐹𝑠𝑐+ 𝑇𝑠𝑘𝑦 𝑐𝑙𝑒𝑎𝑟4 (1 − 𝐹𝑠𝑐)]1/4

(Ekvation 9) Där 𝑇𝑀𝑅 medelstrålningstemperaturen från omgivningen (K), 𝑇𝑐𝑙𝑜𝑢𝑑 är

molnens temperatur (K), 𝐹𝑠𝑐 är förhållande av strålningsutbyte som uppstår mellan plattan och molnen, 𝑇𝑠𝑘𝑦 𝑐𝑙𝑒𝑎𝑟 är den klara himmelns temperatur (K).

Svartkroppstemperaturen för en klar himmel beror på omgivningsluftens temperatur och vatteninnehållet i atmosfären. Temperaturen för den klara himmeln kan beräknas enligt Ekvation 10 (ASHRAE, 2015).

𝑇𝑠𝑘𝑦 𝑐𝑙𝑒𝑎𝑟 = 𝑇𝑎− (1.1058 ∗ 103 − 7.562𝑇𝑎+ 1.333 ∗ 10−2𝑇𝑎2− 31.292Φ + 14.58Φ2) (Ekvation 10) Där 𝑇𝑠𝑘𝑦 𝑐𝑙𝑒𝑎𝑟 är den klara himmelns temperatur (K), 𝑇𝑎 är

omgivningstemperaturen (K) och Φ är relativa fuktigheten för luft vid en höjd där typiska vädermätningar görs.

(18)

13

Temperaturen för moln kan beräknas med Ekvation 11 (ASHRAE, 2015).

𝑇𝑐𝑙𝑜𝑢𝑑 = 𝑇𝑎− 19.2

(Ekvation 11) Där 𝑇𝑐𝑙𝑜𝑢𝑑 är molnens temperatur (K) och 𝑇𝑎 är omgivningstemperaturen (K).

Ekvationerna för variablerna i Ekvation 6 följer nedan. För beräkning av

massöverföringskoefficienten kopplad till värmeövergångstalet används Ekvation 12 (ASHRAE, 2015).

𝑚 = (𝑃𝑟 𝑆𝑐)

2/3

∗ ℎ𝑐 ρ𝑑𝑟𝑦 𝑎𝑖𝑟𝑐𝑝,𝑎𝑖𝑟

(Ekvation 12) Där ℎ𝑚 är massöverföringskoefficienten (m/s), 𝑃𝑟 är Prandtls tal för luft

(Enhetslös), 𝑆𝑐 är Schmidts tal, ℎ𝑐 är värmeövergångstalet för turbulent flöde (W/(m2*K)), ρ𝑑𝑟𝑦 𝑎𝑖𝑟 är densiteten för torr luft (kg/ m3) och 𝑐𝑝,𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟 är den specifika värmekapaciteten för luft (J/(kg*K)).

För beräkning av fuktkvoten i atmosfären och vid ytan på vätskefilmen används Ekvation 13 (ASHRAE, 2015).

𝑊 = 0.622 ( 𝑝𝑣 𝑝 − 𝑝𝑣)

(Ekvation 13) Där W är fuktkvoten (kgvapor/kgair), 𝑝𝑣 är vattenångans mättnadspartialtryck (kPa) och 𝑝 är atmosfärstrycket (kPa).

För beräkning av värmeledningsförmågan för luft med avseende på omgivningstemperaturen används Ekvation 14 (Lervik, 1994). Denna ekvation gäller inom intervallet -180 °C <T

<1000 °C med maximalt relativt fel på 2,0 %.

𝑘𝑎𝑖𝑟 = 24.42 + 0.08051 ∗ 𝑇 − 2.754 ∗ 10−5∗ 𝑇2

(Ekvation 14) Där 𝑘𝑎𝑖𝑟 är värmeledningsförmågan för luft (10−3 𝑊/𝑚 ∗ 𝐾) och 𝑇 är

temperaturen (°C).

Beräkningarna av den kinematiska viskositeten för luft kan uppskattas med Ekvation 15 (Lervik, 1994). Denna ekvation gäller inom intervallet -120 °C <T <700 °C med maximalt relativt fel på 1,5 %.

𝑣𝑎𝑖𝑟 = 13.413 + 0.08714 ∗ 𝑇 + 1.045 ∗ 10−4∗ 𝑇2− 3.313 ∗ 10−8∗ 𝑇3

(Ekvation 15) Där 𝑣𝑎𝑖𝑟 är den kinematiska viskositeten för luft (10−6 𝑚2/𝑠) och 𝑇 är

temperaturen (°C).

(19)

14

Mättnadstrycket för vattenånga beräknas enligt Ekvation 16. Denna ekvation gäller för temperaturer över 0 °C (Monteith & Unsworth, 2007).

𝑃 = 0.61078 ∗ 𝑒(𝑇+237.317.27𝑇)

(Ekvation 16) Där 𝑃 är mättnadstrycket för vattenånga (kPa) och 𝑇 är temperaturen (°C).

Mättnadstrycket för vattenånga över is beräknas med Ekvation 17. Denna ekvation gäller för temperaturer under 0 °C (Murray, 1967).

𝑃 = 0.61078 ∗ 𝑒(𝑇+265.521.875𝑇)

(Ekvation 17) Där 𝑃 är mättnadstrycket för vattenånga (kPa) och 𝑇 är temperaturen (°C).

Partialångtrycket beräknas enligt Ekvation 18 med antagandet att luft är en ideal gas (Soleimani-Mohseni, et al., 2018)

𝑝å =Φ∗ 𝑝å,𝑠

(Ekvation 18) Där 𝑝å är partialtrycket för vattenånga (kPa), Φ är den relativa fuktigheten (decimal) och 𝑝å,𝑠 är mättnadspartialtrycket för vattenånga (kPa).

Den torra luftens densitet beräknas enligt Ekvation 19 (Soleimani-Mohseni, et al., 2018).

ρ𝑑𝑟𝑦 𝑎𝑖𝑟 = 𝑝𝑡𝑙

𝑇 ∗ 287.055 ; 𝑝𝑡𝑙 = 𝑝 − 𝑝å

(Ekvation 19) Där ρ𝑑𝑟𝑦 𝑎𝑖𝑟 är densiteten för torr luft (kg/m3), 𝑝𝑡𝑙 är den torra luftens

partialtryck (kPa) och 𝑇 är temperaturen (°C).

För beräkningar kopplade till daggpunkten så användes Ekvation 20, där daggtemperaturens variation beroende av luftens temperatur och den relativa fuktigheten kan beräknas

(Sensirion, 2006). Ekvationen gäller inom intervallet -45 °C <T <60 °C med en mätosäkerhet på 0,35 °C.

𝑇𝑑𝑝 = λγ(T, RH)

β − γ(T, RH) ; γ(T, RH) = ln (𝑅𝐻

100) + β𝑇 λ + 𝑇

(Ekvation 20) Där 𝑇𝑑𝑝 är daggpunktstemperaturen (°C), RH är relativa fuktigheten (decimal), β och λ är konstanter 17,62 respektive 243,12 samt 𝑇 är temperaturen (°C).

(20)

15

4. Metod

Detta avsnitt tar upp arbetets metod, det vill säga hur värmebehoven beräknades och tillvägagångssätt för ekonomiberäkningar.

4.1 Beräkning av markvärmens energianvändning

För att kunna beräkna hur mycket energi markuppvärmda gång- och cykelbanor på Norra Ön i Umeå skulle kräva behövde först väderdata för den planerade platsen inhämtas (ASHRAE, 2015). Detta för att markvärmesystemets effektbehov till stor del påverkas av vädret för den aktuella platsen. Väderdatan hämtades från Sveriges metrologiska och hydrologiska institut (SMHI). Observationsdatan som hämtades var för lufttemperatur, nederbörd, vind, lufttryck och relativa fuktigheten under perioden 2018–2020 i Umeå (SMHI, u.d.). I detta fall togs väderdatan från två mätstationer i Umeå, Umeå flygplats och Röbäcksdalen.

Observationsdata för nederbörden hämtades från mätstationen Röbäcksdalen då det var den enda mätstationen där det fanns data för perioden 2018–2020. För all observationsdata

förutom nederbörden fanns datan som timvärde. Markvärmesystemets effektbehov beror även till en viss del på molnigheten, men observationsdata för detta fanns inte för Umeå. I stället antogs molnigheten vara på 50 % under året.

Observationsdatan sammanställdes i form av genomsnittliga dygnsvärden i kalkylprogrammet Excel. För de dagar då observationsdata delvis saknats utgick

dygnsvärdena från den data som fanns. De dagar som helt saknade observationsdata användes inte i beräkningarna. Markvärmesystemen i Umeå är normalt ur drift mellan 15 april och 15 oktober. Beroende på aktuellt väder ett år kan uppstart/avstängning av markvärmen ske tidigare eller senare.

För beräkning av det sensibla värmeflödet användes Ekvation 2 och väderparametrarna temperatur och nederbörd. Densiteten på vattnet antogs vara 1000 kg/m3, den specifika värmekapaciteten för is antogs vara 2100 J/kg*°C, 𝑡𝑠 antogs vara 0 °C, den specifika värmekapaciteten för vatten antogs vara 4190 J/kg*°C (ASHRAE, 2015). Vätskefilmens temperatur 𝑡𝑓 sätts vanligtvis till 0.56 °C för markvärmesystem, vilket det även gjordes i detta fall.

För beräkning av det latenta värmeflödet användes Ekvation 3 och väderparametern

nederbörd. Densiteten på vattnet antogs här vara 1000 kg/m3 och ℎ𝑖𝑓 antogs vara 334 kJ/kg (ASHRAE, 2015). Det är möjligt för snö att falla vid plusgrader (SMHI, u.d.). Enligt SMHI är det möjligt att snö faller vid +1,5 °C vid en relativ luftfuktighet på 100% och +4 °C vid en relativ luftfuktighet på 60 %. För att korrigera detta användes interpolation med värdena från SMHI för att få fram ett temperaturvärde som motsvarar den genomsnittliga relativa

luftfuktigheten mellan januari-april och oktober-december. Det vill säga att om temperatur var högre än +2,4 °C 2018, +2,6 °C 2019 och +3,0 °C 2020 antogs nederbörden vara regn och om den var lägre antogs nederbörden vara snö.

För att kunna beräkna värmeflödet till följd av ytkonvektion och strålning användes Ekvation 5. Värmeflödet kan delas upp för två olika fall: värmeflöde vid snöfall och värmeflöde vid tomgång (ASHRAE, 2015). 𝑇𝑀𝑅 är den ekvivalenta svartkroppstemperaturen för

omgivningen för snösmältningsplattan. Vid snöfall kan medelstrålningstemperaturen antas vara vid omgivningstemperatur, det vill säga 𝑇𝑀𝑅 = 𝑇𝑎. Vid tomgång, när det inte är någon nederbörd, kan 𝑇𝑀𝑅 uppskattas med Ekvation 9. För beräkning vid snöfall uppskattades den

(21)

16

termiska konduktiviteten för luft enligt Ekvation 14. Den kinematiska viskositeten för luft uppskattades enligt Ekvation 15. Därefter kunde Reynolds tal beräknas enligt Ekvation 8.

Väderparametern som användes var vindhastighet. Den karaktäristiska längden L blir i detta fall bredden på vägarna. Bredden är 7 meter på Ön och 8 meter på broarna. Då det ej ger någon märkbar skillnad i energianvändning mellan 7 och 8 meter antogs den karaktäristiska längden var 8 meter. Den konvektiva värmeöverföringskoefficienten för plattan beräknades enligt Ekvation 7. Längden L för plattan antogs vara detsamma som tidigare och Prandtls tal för luft antogs vara 0.7. Värt att notera är att Ekvation 7 gäller för horisontella ytor och för delar av markvärmesystemet kommer ytan ej vara helt horisontell. I detta fall fås ett annat värde för ℎ𝑐, dock är denna skillnad ofta försumbar. Därefter kunde värmeflödet vid snöfall beräknas genom att ta 𝑡𝑠 till 0 °C, emissiviteten för asfalt till 0.9, 𝑇𝑓 som 0.56 °C i Kelvin och 𝑇𝑀𝑅 = 𝑇𝑎.

För beräkning av värmeflödet vid tomgång behövde 𝑇𝑀𝑅 räknas om, de andra variablerna i ekvationen var samma som i fallet för vid nederbörd (ASHRAE, 2015). Molnens temperatur beräknades enligt Ekvation 11, där 𝑇𝑎 togs som omgivningstemperaturen i Kelvin. Denna ekvation utgår från antagandet att molnen befinner sig på 3000 meters höjd och att

temperaturen sjunker 6,4 Kelvin per 1000 meters höjd. Därefter kunde den ekvivalenta svartkroppstemperaturen för att klar himmel beräknas med Ekvation 10.

Omgivningstemperaturen (omräknat i Kelvin) och den relativa luftfuktigheten togs från den sammanställda observationsdatan. Vid de tillfällen då atmosfären har en väldigt hög relativ fuktighet kan det vara ske att 𝑇𝑠𝑘𝑦 𝑐𝑙𝑒𝑎𝑟 > 𝑇𝑐𝑙𝑜𝑢𝑑. Vid de tillfällena sattes 𝑇𝑐𝑙𝑜𝑢𝑑 lika med 𝑇𝑠𝑘𝑦 𝑐𝑙𝑒𝑎𝑟. Därefter beräknades 𝑇𝑀𝑅 enligt Ekvation 9 med 𝑇𝑐𝑙𝑜𝑢𝑑, 𝑇𝑠𝑘𝑦 𝑐𝑙𝑒𝑎𝑟och 𝐹𝑠𝑐 som antogs vara 0.5. Med de nya beräknade värdena för 𝑇𝑀𝑅 kunde värmeflödet vid tomgång beräknas.

För att beräkna värmeflödet som krävs för att den smälta snön ska avdunsta används Ekvation 6. Den torra luftens densitet beräknades genom att först ta reda på mättnadsångtrycket för luft. Detta beräknades med hjälp av Ekvation 16 eller Ekvation 17, beroende på om det var plusgrader eller minusgrader. Med mättnadsångtrycket och den relativa luftfuktigheten så beräknades därefter ångtrycket enligt Ekvation 18. Utgående från det lufttrycket samt temperaturen (K) från observationsdatan och det beräknade ångtrycket användes därefter Ekvation 19 för beräkning av den torra luftens densitet. Beräkning av

massöverföringskoefficienten enligt Ekvation 12 gjordes genom att för luft anta Prandtls tal till 0.7 och Schmidts tal till 0.6. Den konvektiva värmeöverföringskoefficienten var samma som i tidigare beräkningar. Den torra luftens densitet antogs vara samma som i tidigare beräkningar och den specifika värmekapaciteten för luft antogs vara 1005 J/kg*°C. För beräkning av fuktkvoten 𝑊𝑓 är förhållandena sådana att partialtrycket för vattenångan kan antas vara mättad (ASHRAE, 2015). Då kan Ekvation 16 användas för att beräkna

mättnadstrycket vid markytan (0.56 °C), och därefter kan Ekvation 13 med lufttrycket från observationsdata och det beräknade mättnadsångtrycket användas för att ta reda på

fuktkvoten 𝑊𝑓. Atmosfärens fuktkvot 𝑊𝑎 är lika med mättnadsångtrycket vid daggpunktstemperaturen för luft (ASHRAE, 2015). Temperaturen vid daggpunkten beräknades enligt Ekvation 20 utgående från temperatur och relativ luftfuktighet från observationsdata. Mättnadsångtrycket beräknades enligt Ekvation 16 eller Ekvation 17, beroende på om det var plusgrader eller minusgrader. Fuktkvoten 𝑊𝑎 beräknades enligt

(22)

17

Ekvation 13 med lufttrycket från observationsdata och det beräknade mättnadsångtrycket.

Förångningsentalpin ℎ𝑓𝑔 för vatten vid 0.56 °C togs till 2499 kJ/kg.

När alla värmeflödena var beräknade kunde det totala värmeflödet som behövs vid snösmältningsytan beräknas genom Ekvation 1. Det totala värmeflödet delades upp i två kategorier: en för värmeflödesbehovet vid snöfall och en för värmeflödesbehovet vid tomgång. Vid beräkning av värmeflödet vid snöfall användes 𝑞𝑠, 𝑞𝑚, 𝑞ℎ,𝑠𝑛ö och 𝑞𝑒. Då marken för gång- och cykelbanorna önskas hållas helt snöfria togs 𝐴𝑟 till att vara 1. De dagar då det ej var någon nederbörd sattes 𝑞𝑜,𝑠𝑛ö= 0 W/m². Dagarna då det inte är någon

nederbörd utgår värmeflödesbehovet enbart från 𝑞ℎ,𝑡𝑜𝑚𝑔å𝑛𝑔. Men detta medför en hög energianvändning som blir väldigt kostsam. Däremot kan markvärmesystemet inte heller stängas av helt under vintern. En avstängning av markvärmesystemet medför bland annat att uppvärmningen av snösmältningsytan tar lång tid vilket betyder att en oönskad samling av snö kan ske. Även för markvärmeanläggningar med polyetenslingor som använder

värmeöverföringsfluiden av typen värmevatten utan frysskyddstillsats kan en avstängning betyda att anläggningen inte kan användas resten av vintern då det är svårt att tina upp plaströr (Byggnadsstyrelsen, 1976). Av denna anledning valdes det för dagar då det inte är någon nederbörd att 𝑞ℎ,𝑡𝑜𝑚𝑔å𝑛𝑔 går ner till 20 % värmeflöde av 𝑞ℎ,𝑡𝑜𝑚𝑔å𝑛𝑔 vid nederbörd för att då spara på energi. Det vill säga systemets effekt regleras ned till 20 % av

värmeflödesbehovet av 𝑞ℎ,𝑡𝑜𝑚𝑔å𝑛𝑔. Detta gav då rimliga värden för energianvändningen i enlighet med värden ur Tabell 1 och Tabell 2.

För att räkna på värmeanvändningen antogs det att ett system med dimensionerad effekt på 290 W/m2 som är lämpligt för Umeå kan leverera 290 W/m² per timme (Byggnadsstyrelsen, 1976). För att räkna på broarna är den dimensionerade effekten på systemen något högre då värmeförlusterna är högre. En dimensionerad effekt på 350 W/m² för markvärmesystem på broar gäller i Umeå2. För broar antogs då en dimensionerad effekt på 350 W/m². Då kan antalet timmar som krävs för att smälta snön beräknas genom att dela det totala

värmeflödesbehovet vid snöfall vid snösmältningsytan med systemets effekt. Därefter multiplicerades 𝑞𝑜,𝑠𝑛ö med tiden för att smälta snön, och 𝑞𝑜,𝑡𝑜𝑚𝑔å𝑛𝑔 med återstående tid av dygnet. Det antas att systemets effekt regleras ned för att möta tomgångsvärmeflödesbehovet 𝑞ℎ,𝑡𝑜𝑚𝑔å𝑛𝑔. Därefter adderades 𝑞𝑜,𝑠𝑛ö med 𝑞𝑜,𝑡𝑜𝑚𝑔å𝑛𝑔 vilket gav värmeanvändningen för markvärmesystemet för den dagen. För de dagar då det inte förväntas komma någon nederbörd är 𝑞𝑜,𝑠𝑛ö = 0 W/m2 och systemet antas reglera 𝑞𝑜,𝑡𝑜𝑚𝑔å𝑛𝑔 till 20 % av värmeflödesbehovet vid tomgång. De dagar då temperaturen är lägre än -13 °C går markvärmesystem i Umeå in i underhållsdrift eftersom det anses vara olönsamt att ha

systemen i gång vid så låga temperaturer3. När det var underhållsdrift antogs det att systemet gick på låg tomgång för att det ej skulle uppstå onödig energianvändning. Det antogs även att snö som fallit de dagar då temperaturen varit lägre än -13° C har legat kvar fram till de dagar då det varit varmare än -13 °C. Slutligen togs även förluster med i beräkningarna. Förlusterna beror till stor del på hur plattan är konstruerad, vilken temperatur fluiden i rörsystemet har och hur rören är isolerade. Värmeförlusterna kan vara mellan 4–50 % för ett

markvärmesystem (ASHRAE, 2015). Förluster i kanterna av plattan kan vara mellan 15–35

% medan förlusterna ner i marken kan vara så låga som 1–4% beroende på isoleringen under

2 Erland Jonsson, Entreprenadingenjör Umeå kommun, samtal den 26 april 2021.

3 Erland Jonsson, Entreprenadingenjör Umeå kommun, samtal den 29 mars 2021.

(23)

18

plattan. I det här fallet antogs värmeförlusterna vara 20 % om systemet var anlagt på mark och 50 % om systemet var anlagt på broar.

För beräkning av area studerades kartor av Ön för att få värden på vilka längder de olika delarna av Norra Ön planeras att ha (Umeå kommun, 2021). Bredden på stråken och broarna planeras att vara 7 respektive 8 meter (Törnkvist, et al., 2019).

4.2 Ekonomi

Den årliga driftkostnaden för detta energisystem beräknades genom att utgå från

energianvändningen från markvärmesystemet och ett prisavtal för markvärme från Umeå Energi. Prisavtalet är uppdelat i två delar: Effektpris och Energipris (Bilaga A). Effektpriset utgår från den abonnerade effekten för energisystemet och energipriset styrs av rådande utomhustemperaturer med avseende på fjärrvärme. Storleken på energisystemet och vilken årstid det är avgör därmed kostnaden. För markvärmesystemet på Norra Ön antogs den abonnerade effekten vara densamma som för Umeå kommuns största anläggning

Rådhustorget. Anläggningen har en area på ca 16 800 m² och en abonnerad effekt på 3723 kW som återfanns på tidigare fakturor.

Energipriset bestämdes till 42,3 öre/kWh för perioden vinter (jan-mars/nov-dec) och 27,1 öre/kWh för perioden vår/höst (april/okt) med utgångspunkt i Umeå Energis prisavtal. Det tillkommer även kostnader för drift- och tillsyn samt övriga underhållskostnader till exempel el, hyror och reparationer. För drift- och tillsyn antogs denna kostnad vara konstant på 2453 kr/mån från tidigare fakturor och övrig underhållskostnad uppskattas till 20 kr/m²*år. Till sist tillkommer även moms på 25 % av kostnaden för effektpris, energipris och drift- och tillsyn.

Driftkostnaderna delades upp mellan Norra Öns olika delar enligt Figur 3. Driftkostnaderna för de tre planerade gång- och cykelbroarna, cykelstråken och det centrala stråket på Ön beräknades genom att först multiplicera energianvändningen per kvadratmeter för varje månad med arean för den berörda delen av Ön. Därefter multiplicerades energianvändningen med energipriset för den gällande perioden. Effektpriset, som utgår från den abonnerade effekten, delades med 12 för att kunna räkna per månad. Drift- och tillsyn som tidigare nämnts antogs vara 2453 kr/mån. Övriga underhållskostnader beräknades genom att multiplicera med arean för den berörda delen av Ön. Den totala kostnaden för varje månad kunde då beräknas genom att summera de beräknade kostnaderna.

(24)

19

5. Resultat

I detta avsnitt presenteras resultatet från arbetet. Energianvändning per kvadratmeter och den totala energianvändningen redovisas. Inkluderat är även anläggningens driftkostnad.

5.1 Energianvändning per kvadratmeter enligt väderdata åren 2018–2020

Energianvändningen per kvadratmeter för Norra Öns markvärmesystem utgår från väderdata från åren 2018 till 2020. Det vill säga energianvändningen per kvadratmeter för

energisystemet om det hade funnits perioden 2018–2020. Dessa värden presenteras i Tabell 3 där energianvändningen för stråken (gång- och cykelvägar på Ön) och broarna redovisas.

Användningen är fördelad månadsvis där den högsta användningen år 2018 för både stråk och broar var i januari med 89,9 och 110,9 kWh/m². År 2019 återfanns den högsta

energianvändningen för stråken i mars (78,8 kWh/m2) och för broarna i februari (92,8

kWh/m²). År 2020 fanns den högsta användningen i januari för både stråk och broar med 75,7 och 89,3 kWh/m². Sommartid är systemet ej i drift då behovet inte finns. Den lägsta

energianvändningen år 2018 fanns i november med 10,3 och 12,9 kWh/m². År 2019 var det april som hade lägst användning med 8,6 och 10,3 kWh/m². År 2020 fanns den lägsta energianvändningen i april med 11,6 kWh/m² för stråk och 14,4 kWh/m² för broar.

Totalt för hela energisystemet (stråk och broar) blev energianvändningen år 2018 374

kWh/m² och år 2019 411 kWh/m². År 2020 hade en årlig energianvändning på 280 kWh/m².

Tabell 3. Energianvändningen per kvadratmeter för markvärmesystemet om det hade funnits perioden 2018–2020 med effektreglering.

Månad Stråk 2018

Broar 2018

Stråk 2019

Broar 2019

Stråk 2020

Broar 2020

Enhet Januari 89.9 110.9 61.4 75.6 35.2 41.7 kWh/m² Februari 62.3 77.1 78.5 92.8 50.0 57.2 kWh/m²

Mars 68.9 85.1 78.8 92.5 52.8 62.5 kWh/m²

April 16.9 20.2 8.6 10.3 11.6 14.4 kWh/m²

Maj 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 kWh/m²

Juni 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 kWh/m²

Juli 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 kWh/m²

Augusti 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 kWh/m²

September 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 kWh/m²

Oktober 19.5 22.2 17.4 21.7 24.8 28.1 kWh/m² November 10.3 12.9 71.0 86.9 14.3 15.9 kWh/m² December 79.2 94.0 68.3 81.2 75.7 89.3 kWh/m² Summa 346.9 422.3 383.9 460.9 264.4 309.1 kWh/m²

Av tabellen ovan kan det avläsas att år 2019 hade den största årliga energianvändningen per kvadratmeter både för stråk och broar. Därefter följde år 2018 och år 2020. Att januari gav den högsta energianvändningen år 2018 berodde på att det var kallt och det kom mycket snö.

Februari denna månad var kallare än januari men i januari kom det dubbelt så mycket snö.

Januari 2019 hade en väldigt låg värmeanvändning och detta berodde på att det var många dagar med låga temperaturer. Systemet går då in i underhållsvärme för att inte orsaka för hög energianvändning. November 2019 var mer likt ett normalår sett till nederbörden som då är

(25)

20

en av orsakerna till den högre energianvändningen jämfört med november 2018. År 2020 var ett väldigt varmt år med mycket nederbörd jämfört med normalår. Detta medför en väldigt låg årlig energianvändning per kvadratmeter.

Som jämförelse presenteras i Tabell 4 energianvändningen per kvadratmeter med utgångpunkt i observationdata från perioden 2018–2020 med antagandet att markvärmesystemet inte har någon effektreglering. För år 2018 blev den årliga

energianvändningen per kvadratmeter 564,9 kWh/m² för stråk och 694,9 kWh/m² för broar.

Den högsta energianvändningen fanns i mars för broar med 162,8 kWh/m² och den lägsta i oktober för stråk med 31,8 kWh/m². År 2019 blev den årliga energianvändningen 564,0 kWh/m² för stråk och 686,1 kWh/m² för broar. Den högsta energianvändningen fanns i mars för broar med 142,1 kWh/m² och den lägsta i oktober med 19,7 kWh/m². År 2020 hade en årlig energianvändning per kvadratmeter på 379,9 kWh/m² för stråk och 453,5 kWh/m² för broar. Den högsta energianvändningen fanns i februari och mars för broar med 105,3 kWh/m² och den lägsta i april för stråk med 21,0 kWh/m².

Tabell 4. Energianvändning per kvadratmeter för markvärmesystemet om det hade funnits perioden 2018–2020 utan effektreglering.

Månad Stråk 2018

Broar 2018

Stråk 2019

Broar 2019

Stråk 2020

Broar 2020

Enhet Januari 121.0 149.8 98.5 122.0 49.8 59.9 kWh/m² Februari 82.7 102.6 99.8 119.4 88.5 105.3 kWh/m² Mars 131.0 162.8 118.4 142.1 87.1 105.3 kWh/m²

April 38.6 47.3 29.0 35.9 21.0 26.1 kWh/m²

Maj 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 kWh/m²

Juni 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 kWh/m²

Juli 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 kWh/m²

Augusti 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 kWh/m²

September 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 kWh/m²

Oktober 31.8 37.5 19.7 24.6 30.9 35.7 kWh/m² November 47.0 58.8 101.1 124.4 24.5 28.6 kWh/m² December 112.9 136.1 97.6 117.8 78.3 92.5 kWh/m² Summa 564.9 694.9 564.0 686.1 379.9 453.5 kWh/m²

Utan någon form av effektreglering är det tydligt i tabellen ovan att energianvändningen per kvadratmeter blev väldigt hög. Den årliga användningen blev ca 1,5 gånger större än om systemet hade haft effektiv reglering.

I Figur 7 redovisas energianvändningen för de olika driftlägena av markvärmesystemet. Där är energianvändningen per kvadratmeter fördelad på hur mycket energi som går åt till ren snösmältning och hur mycket energi som går åt i tomgång. Med tomgång menas när systemet är i drift men inte smälter någon snö. År 2018 krävdes det totalt 24 kWh/m² för att smälta snön. Energianvändningen från tomgången uppgick till 323 kWh/m² för delen av systemet på stråken och 398 kWh/m² för systemet på broarna. Baserat på observationsdata från 2019 krävdes det 34 kWh/m² för att smälta snön. Tomgångsenergianvändningen uppgick till 350 kWh/m² för stråken och 427 kWh/m² för broarna. År 2020 skulle det krävas 34 kWh/m² för snösmältning. Energianvändningen för stråken blev 231 kWh/m² och för broar 275 kWh/m².

(26)

21

Figur 7. Driftlägets påverkan på markvärmesystemets energianvändning.

Av figuren ovan är det tydligt att energianvändningen för snösmältning var låg jämfört med tomgången. Energianvändningen för tomgången på broar var högre än för stråken. År 2019 hade den största tomgångsenergianvändningen för både stråk och broar och år 2020 hade den lägsta.

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Snösmältning Tomgång (Stråk) Tomgång (Broar)

kWh/m2

Driftläge

Energianvändning för snösmältning och tomgång

2018 2019 2020

(27)

22

5.2 Total energianvändning enligt väderdata åren 2018–2020

Energianvändning för markvärmesystemet är uppdelad i olika delar för att tydliggöra

fördelningen av energianvändningen. Dessa delar är det centrala stråket, cykelstråken samt de tre planerade gång- och cykelbroarna till Ön. I Figur 8 presenteras energianvändning för markvärmesystemet på Norra Ön baserat på observationsdata från 2018. Varje månad består av en stapel som inkluderar energianvändningen från de olika delarna av Norra Ön.

Cykelstråken hade den största årliga energianvändningen på 3038 MWh. Därefter följde bron mot Östra stationen med 1216 MWh, bron mot Konstnärligt campus med 834 MWh, centrala stråket med 852 MWh och till sist bron mot Teg med 561 MWh. Den sammanlagda

energianvändningen för detta år motsvarade 6505 MWh.

Figur 8. Fördelning av energianvändning från markvärmesystemet år 2018.

Av figuren ovan är det tydligt att den markanlagda markvärmen (centrala stråket och cykelstråket) hade i varje månad högre energianvändning än den broanlagda markvärmen.

November hade en väldigt låg energianvändning. Detta som tidigare nämnts beror till stor del på att det var en liten mängd nederbörd samt att denna månad var väldigt varm jämfört med ett normalår. Under sommarperioden finns det ingen efterfrågan på markvärme vilket innebär att det inte är någon energianvändning.

Presenterat i Figur 9 är energianvändningen baserat på observationsdata från 2019. Varje månad består av en stapel som inkluderar energianvändningen från de olika delarna av Norra Ön. Cykelstråken hade den högsta årliga energianvändningen med 3361 MWh, därefter följde bron mot Östra stationen med 1328 MWh, centrala stråket med 943 MWh, bron mot

Konstnärligt campus med 915 MWh och med lägst årlig energianvändning bron mot Teg med 612 MWh. Den sammanlagda årliga energianvändningen för 2019 motsvarade 7159 MWh.

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

MWh

Månad

Energianvändning markvärmesystem år 2018

Centrala stråket Cykelstråk Bro Östra station Bro Konstnärligt campus Bro Teg

(28)

23

Figur 9. Fördelning av energianvändningen från markvärmesystemet år 2019.

Enligt figuren ovan var energianvändningen tämligen konstant över året förutom den låga användningen i april och oktober. Den sammanlagda användningen för markanlagd

markvärme översteg den sammanlagda energianvändningen för den broanlagda markvärmen.

Baserat på observationsdata från år 2020 hade den totala energianvändningen framställts i Figur 10. Varje månad består av en stapel som inkluderar energianvändningen från de olika delarna av Norra Ön. Som tidigare år hade cykelstråken den högsta årliga

energianvändningen. År 2020 blev cykelstråkens energianvändning 2316 MWh. Därefter följde bron mot Östra station med 890 MWh, centrala stråket med 650 MWh, bron mot Konstnärligt campus med 613 MWh och med lägst årlig energianvändning bron mot Teg med 410 MWh. Den sammanlagda årliga energianvändningen år 2020 motsvarade 4879 MWh.

Figur 10. Fördelningen av energianvändning för Norra Öns markvärmesystem år 2020.

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

MWh

Månad

Energianvändning markvärmesystem år 2019

Centrala stråket Cykelstråk Bro Östra station Bro Konstnärligt campus Bro Teg

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

MWh

Månad

Energianvändning markvärmesystem år 2020

Centrala stråket Cykelstråk Bro Östra station Bro Konstnärligt campus Bro Teg

(29)

24

Av figuren ovan framgår det att den högsta energianvändningen fanns i december. För övriga månader var energianvändningen relativt låg. Likt tidigare år var den sammanlagda

energianvändningen för markanlagd markvärme högre än broanlagd markvärme.

I Figur 11 har energianvändningen för de tre åren sammanställts. Varje stapel består av den totala energianvändningen för systemet för respektive månad och år. År 2018 hade en total energianvändning på 6,5 GWh där den högsta energianvändningen fanns i januari och den lägsta i november. År 2019 hade en energianvändning på 7,2 GWh med högst användning i mars och lägst i april. För år 2020 var energianvändningen totalt sett på 4,9 GWh där den högsta energianvändningen fanns i december och den lägsta i april.

Figur 11. Markvärmesystemets energianvändning sammanställt för alla tre åren.

Enligt figuren ovan framgår det att stora variationer i energianvändning uppstod mellan åren.

December var den månad som hade högst energianvändning sammanlagt under de tre åren och april hade lägst energianvändning under de tre åren.

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

MWh

Månad

Sammanställning av energianvändning

2018 2019 2020

(30)

25

5.3 Driftkostnader enligt väderdata åren 2018–2020

Driftkostnader i samband med markvärmesystemet för år 2018 presenteras i Figur 12. Varje månad består av en stapel som inkluderar driftkostnader från de olika delarna av Norra Ön.

Driftkostnaderna under driftperioden beror främst på kostnaden för fjärrvärmen. Inkluderat är även kostnaden för drift- och tillsyn, effektavgiften, moms och övriga underhållskostnader.

Cykelstråken hade den högsta årliga driftkostnaden med 1890 tkr, därefter bron mot Östra station med 965 tkr, centrala stråket med 778 tkr, bron mot konstnärligt campus med 772 tkr och med lägst årlig driftkostnad bron mot Teg med 631 tkr Den sammanlagda årliga

driftkostnaden för 2018 blev 5 Mkr med ett snitt på 289 kr/m².

Figur 12. Driftkostnad för markvärmesystemet 2018.

Enligt figuren ovan skedde det en sänkning i driftkostnad från januari till maj. Kostnaden under sommaren var konstant med en ökning i oktober. November hade något lägre driftkostnad än oktober. Därefter skedde en stor ökning i driftkostnad i december. Den sammanlagda driftkostnaden för markanlagd markvärme översteg driftkostnaden för den broanlagda markvärmen under driftperioden. Under sommarperioden var driftkostnaderna för Norra Öns olika delar lika stora. År 2018 var kostnaden 238 kr/m² för markanlagd och 382 kr/m² för broanlagd markvärme.

För år 2019 presenteras driftkostnaderna i Figur 13. Varje månad består av en stapel som inkluderar driftkostnader från de olika delarna av Norra Ön. Driftkostnaderna under driftperioden beror främst på kostnaden för fjärrvärmen. Inkluderat är även kostnaden för drift- och tillsyn, effektavgiften, moms och övriga underhållskostnader. Den högsta årliga driftkostnaden blev för cykelstråken med 2079 tkr, därefter bron mot Östra station med 1029 tkr, centrala stråket med 831 tkr, bron mot konstnärligt campus med 816 tkr och delen med lägst årlig driftkostnad är bron mot Teg med 660 tkr. Den sammanlagda årliga driftkostnaden för 2019 blev 5,4 Mkr med ett snitt på 311 kr/m². Kostnaderna under sommaren var

densamma som för 2018.

0.0 200.0 400.0 600.0 800.0 1000.0 1200.0

Tusen kronor

Månad

Driftkostnad markvärmesystem 2018

Centrala stråket Cykelstråk Bro Östra station Bro Konstnärligt campus Bro Teg

References

Outline

Related documents

• Det norra kvarteret är med sitt speciella läge, synligt från andra sidan vattnet och nära till centrala staden, intressant både för bostäder, verksamheter och

Gulsparv (NT): Även om enstaka häckningar förekommer på norra Ön, tre revir inom planområdet 2017, finns det stora arealer med goda häckningshabitat i norra Öns närhet varvid

[r]

 Broanslutningen för den nya bron ansluts till befintlig gång- och cykel- bana längs med Norra Obbolavägen (se Fel! Hittar inte referenskälla.).. Vägars och

Planförslaget inrymmer fyra nya broar: Två broar för gång och cykel mellan Ön och Öbacka på norra sidan älven, en gång- och cykelbro mellan Norra Ön och Teg samt en bro för

Denna dagvattenutredning har tagits fram i syfte att utreda förutsättningar för och förslag till en hållbar dagvattenhantering inför detaljplaneläggning av norra Ön i

2. Strukturplan enligt tidigt förslag till kvalitetsprogram för rörelserikedom på norra Ön I samband med detaljplanearbetet har det tagits fram ett nytt förslag på en

Planens grönstruktur syftar till att säkerställa goda livsvillkor för djur- och växtliv, främja ekosystemtjäns- ter, erbjuda möjlighet för rekreation i närområdet