Simulering av energianvändning och snösmältning för markvärme : Styrsystemets och geometrins påverkan

Sammanfattning: Ett hållbart samhälle behöver ha en klimatvänlig snöröjning. Den traditionella snöröjningen är associerad med en del problem, exempelvis bidrar saltspridning till ökad korrosion av vägar och fordon, förorening av både ytvatten och grundvatten samt ökad mobilitet av tungmetaller. Ett hållbart alternativ är hydronisk markvärme, även kallat Hydronic Asphalt Pavement, HAP. Snösmältning med ett HAP-system sker genom att en varm fluid cirkulerar i rör under ytan som ska hållas snöfri. HAP- systemets energianvändning och snösmältningskapacitet är beroende av hur de värmande rören är placerade samt vilket styrsystem som används. Rapporten syftar till att öka förståelsen för hur styrsystemet och geometrin påverkar HAP-systemets energianvändning och snösmältningstid. En numerisk 2D-modell konstrueras i COMSOL Multiphysics vilken användes för att simulera styrsystemets och geometrins påverkan på HAP-systemet. Snön förenklades som en värmesänka till vilken modellen överförde värme via ett värmeflöde. En avgränsning i rapporten var att det bortsågs från vatten på ytan för att förenkla modellen. Resultatet bekräftar att HAP-systemets styrsystem och geometri har stor påverkan på dess energianvändning och snösmältningstid. Generellt ger en hög energianvändning kortare tid med snö på ytan. Det gör att om det är önskvärt att ha ett energisnålt system behöver en avvägning mellan energianvändning och tid med snö på ytan göras. Ett intermittent styrsystem bedöms vara ett bra alternativ då det ger relativt låg energianvändning och kort tid med snö på ytan. Om det inte finns en begränsning i energianvändning finns det flera styrsystem som kan ge en snöfri yta hela året. Ytans temperatur är den bästa styrparametern att använda för att minska både energianvändning och snösmältningstid. Då värmerören placeras grundare ökar energibehovet och tiden med snö på ytan minskar. Det är möjligt att placera värmerören djupare med bibehållen snöfri tid på ytan om styrsystemet anpassas efter djupet. En viktig anpassning är att styrsystemet ger en förvärmningseffekt, exempelvis att vägen börjar värmas då vägytans temperatur understiger 1°C. En ökning av avståndet mellan värmerören, CCrör, minskar energibehovet och tiden med snö på ytan ökar. Det bedöms vara möjligt att öka CCrör till 350 mm utan att generera för stora skillnader i temperaturprofilen över ytan då rördjupet är 100 mm eller 160 mm. Det styrsystem som gynnas mest av att öka CCrör till 350 mm är ”Grundfall”, vilken värmer vägen under hela vinterhalvåret. Energianvändningen minskar då med 132 kWh/m2 (22,9%) och den längsta ihållande tiden med snö på ytan ökar från 0 h till 4 h. Beroende på vad kraven på ytan är kan det vara möjligt att ha 350 mm som CCrör för de andra styrsystemen. HAP-systemet blir resurseffektivare och billigare vid konstruktion ju större CCrör som används, vilket är önskvärt. Resultatet visar att det är en liten minskning i energianvändning och snösmältningstid då isolering är under värmerören jämfört med ingen isolering. Detbedöms därför vara omotiverat ur både energisynpunkt och snösmältningsmässigt att använda isolering under värmerören på det sätt som undersökts i detta arbete. Det är en markant skillnad i energianvändning mellan ett styrsystem som är enklare och ett som är mer komplext. Om styrsystemet ”Intermittent” används i stället för ”Grundfall” vid Hamngatan i Karlstad skulle det generera en minskad energianvändning av 4,37 GWh fjärrvärme (58,5%), vilket motsvarar 199 ton CO2 per år. Resultatet understryker vikten att ett optimalt styrsystem används. Även en liten skillnad i energianvändning kan ge stora energimässiga besparingar eftersom det ofta är stora ytor som värms med ett HAP-system. För att kunna avgöra vilket styrsystem som är bäst lämpat behöver kraven på ytan bestämmas, vilket inte görs i arbetet, utan resultaten hålls generella.