Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Seasonal snow storage for space and process cooling
Luleå University of Technology, Department of Civil, Environmental and Natural Resources Engineering.
2005 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

The world’s cooling demand has increased considerably during the last decades due to increased population, industrialisation, comfort demands, electronic equipment usage and new building technologies. Conventional cooling is often produced by electrically driven devices. One less prime energy-consuming alternative is to use stored winter cold in snow and ice for cooling during the summer. This ancient technique is feasible in large parts of the world. Different systems for seasonal snow and ice storage exist, i.e. the snow/ice can be stored indoors, on the ground, in the ground and underground. This study focuses on in ground storage, in an open pond, where the cold energy is extracted by water that is cooled by direct contact with the snow. Open pond snow storage must be thermally insulated; hence, different insulation alternatives were discussed. Cutter shavings were studied in laboratory experiments and numerical modelling. The surface melt rate of snow covered with cutter shavings increased with increased solar radiation, air velocity, air temperature, and decreased insulation layer thickness. The evaporation rate contributed significantly to the energy balance. The surface melt rate was similar with initially wet and initially dry wood chips. It was concluded that evaporative cooling is an important part of the thermal insulation qualities of wood chips. It was also found that heat transfer from the rain and ground is usually relatively small. The heat transfer from the ground depends on soil and groundwater properties. The Sundsvall Regional Hospital snow cooling plant in Sweden has successfully operated since 1999. Natural and artificial snow is stored in a slightly sloping, shallow pond of watertight asphalt. During these years, the plant has delivered the main part (77-93%) of the cooling, totalling 655-1,345 MWh. The snow was thermally insulated by a 0.1-0.2 m layer of wood chips. The total coefficient of performance, including construction energy, was 2.0-6.6 times greater than that of a conventional chiller system. The environmental impact of a snow cooling plant and a chiller system was compared, for both existing and “environmentally optimised systems”. Of the existing systems, the chillers had the largest impact concerning climate change, acidification and nitrification, while the snow cooling system meant more photochemical ozone emissions. The dominating impact sources of the snow cooling system were fuel and electricity. In the construction phase, ground insulation had the greatest impact. In future open pond storage, a more compact design (deeper storage) is suggested to reduce maintenance and melt loss. Total cooling costs were estimated to be 0.29-0.47 SEK kWh-1 for a new open pond storage, i.e. lower than that of district cooling. The study also comprised mass loss of freezing water, since repeated freezing and thawing during the spring will evaporate large amounts of water. This was estimated to have little effect on Swedish snow storage, though the loss might be considerable at other locations.

Abstract [sv]

Kylanvändningen i världen har ökat markant de senaste decennierna. Detta beror bl.a. på ökande befolkningsmängd, industrialisering och komfortkrav samt fler elektriska apparater. De senaste decenniernas byggnadsutformning har dessutom i många fall lett till ökade kylbehov. Konventionella kylmaskiner drivs vanligen av el. En alternativ kylteknik är att använda lagrad vinterkyla, t.ex. genom att utnyttja kyla som lagrats i snö- och is. Detta är möjligt i stora delar av världen. Snö/is kan lagras både inomhus, på mark, i mark och under mark. Den här studien fokuserar på lagring i mark, i öppna dammar, där kylan utvinns genom att vatten cirkuleras genom snön. I öppna lager är det nödvändigt att isolera snön för att minska smältförlusterna. Olika isoleringsalternativ diskuteras och laboratorieexperiment och numerisk modellering har genomförts på kutterspån. Smältförlusten ökade med ökande solstrålning, vindhastighet och lufttemperatur, samt då lagertjockleken minskade. Smälthastigheten var ungefär lika stor för torra och blöta spån. Avdunstningen från spånlagret bidrar markant till träspånets goda värmeisolerande egenskaper på snö. Smältningen p.g.a. värmeflöde från mark och regn befanns vara liten för de flesta förhållanden. Snökylanläggningen vid Regionsjukhuset i Sundsvall har varit i framgångsrik drift sen 1999/2000. Naturlig och konstgjord snö lagras i en grund, svagt sluttande bassäng av vattentät asfalt. Anläggningen har sedan dess levererat 77-93% av det totala kylbehovet under somrarna (655-1345 MWh). Snön har isolerats med 0.1-0.2 m tjockt lager av träflis. Anläggningens årliga totala kylfaktor (COP), som inkluderade energin för att bygga anläggningen, var 2.0-6.6 gånger bättre än den för ett konventionellt kylmaskinsystem. Miljöpåverkan av en snökylanläggning och ett kylmaskinsystem jämfördes, både för det existerande systemet och för ett ”miljöoptimerat” system. Av de existerande systemen hade kylmaskinsystemet störst påverkan på kategorierna klimat, försurning och övergödning, medan snökylan påverkade kategorin ozonemissioner mest. Den största föroreningskällan från snökylanläggningen var motorbränsle och driftelektricitet, medan markisoleringen gav störst negativ påverkan från själva anläggningen. I nya snökylanläggningar bör man sträva efter att göra lagret mer kompakt, d.v.s. djupare, för att minska smältningen och underlätta driften. Kylkostnaden för en ny anläggning av samma typ som i Sundsvall uppskattas till 0.29-0.47 SEK kWh-1, vilket är lägre än motsvarande (erhållna) priser för fjärrkyla. I arbetet ingick också en studie av de anmärkningsvärda massförluster som uppkommer då vatten fryser till is. Vid varje frystillfälle försvinner vatten motsvarande 2.5-10% av ismängden. Fenomenet studerades eftersom stora mängder vatten försvinner på detta sätt vid upprepad tining/frysning. Frysförlusterna bedömdes ha liten effekt på snölagers funktion under svenska förhållanden, men på andra platser kan det medföra stora förluster.

Place, publisher, year, edition, pages
Luleå: Luleå tekniska universitet, 2005. , 70 p.
Series
Doctoral thesis / Luleå University of Technology 1 jan 1997 → …, ISSN 1402-1544 ; 2005:30
National Category
Water Engineering
Research subject
Water Resources Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:ltu:diva-17076Local ID: 1728eaf0-6f61-11db-962b-000ea68e967bOAI: oai:DiVA.org:ltu-17076DiVA: diva2:990071
Note
Godkänd; 2005; 20061001 (ysko)Available from: 2016-09-29 Created: 2016-09-29 Last updated: 2017-11-24Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(3363 kB)129 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 3363 kBChecksum SHA-512
cc52a8605504b5fb0ccd93bd98e11359f10e84b7f862be64ee1c1f425f6cd06d3d970329668303cf2fb3acbe407fd143443ffdfcf9e40266e556093d784bc227
Type fulltextMimetype application/pdf

Search in DiVA

By author/editor
Skogsberg, Kjell
By organisation
Department of Civil, Environmental and Natural Resources Engineering
Water Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 129 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 472 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf