Článok stručne opisuje, ako efektívne prepojiť elektrické a tepelné inžinierstvo, aby sa zvýšila efektívnosť energeticky pasívnych stavieb, ktoré využijú aj stratové teplo z osvetľovacích telies využívajúcich svetelné zdroje LED.

Svetlo je neodmysliteľnou súčasťou nášho životného a pracovného prostredia. Ako jeden zo základných fyzikálnych faktorov má nenahraditeľnú funkciu pre zabezpečenie funkčného využitia architektonického prostredia. Nedostatok denného svetla v interiéroch sa rieši inštaláciou osvetľovacích telies (svietidiel), ktoré patria do veľkej skupiny tzv. technických zariadení budov (TZB). Technické zariadenia budov zabezpečujú rozličné funkcie, ktorými často napĺňajú niektorú zo základných ľudských potrieb. Napríklad ide o tepelnú pohodu, svetelnú pohodu, výmenu vzduchu a najmä bezpečnosť. Zmena klímy a extrémne prejavy počasia v 21. storočí, ale aj snaha o energetickú efektívnosť si vyžadujú funkčné prepojenie TZB s obnoviteľnými zdrojmi energie (OZE) [1, 2]. Je nevyhnutné identifikovať, kde sa energiou plytvá, znižovať energetické straty, využívať energeticky efektívne systémy a odpadovú energiu na to, aby sme dokázali budovať energeticky pasívne stavby budúcnosti.

Slnko je nevyčerpateľný a zároveň nevyhnutný zdroj energie pre ľudskú populáciu a všetok život. Počas celej existencie človek a príroda využívajú „duálny energetický potenciál“ slnečného žiarenia, teda je zdrojom svetla a tepla zároveň. Keďže v technike sa viackrát osvedčilo, že inšpiráciou úspešného technického riešenia boli poznatky a fakty z prírodných javov, nemalo by to byť inak ani pri využívaní duálneho energetického potenciálu umelých svetelných zdrojov v budovách.

MODERNÝ LED ZDROJ SVETLA A TEPLA 

V súčasnosti je vo svetelnej technike najpoužívanejším svetelným zdrojom luminiscenčná dióda (light-emitting diode), čiže svetelný zdroj LED. Z pohľadu energetickej efektívnosti a životnosti je to síce zatiaľ bezkonkurenčný zdroj umelého osvetlenia, ale z pohľadu využitia spotrebovanej elektrickej energie dokáže premeniť asi len 30 % dodanej elektriny na elektromagnetické žiarenie vo viditeľnom spektre, čiže na svetlo. Zvyšných 70 % energie sa premení na odpadové teplo, ktoré nepriaznivo vplýva na technické parametre LED a na tepelnú pohodu človeka v uzavretých priestoroch. Odpadové teplo sa však dá vnímať ako vedľajší energetický produkt, ktorý čaká na svoje využitie, aj keď vývoj v oblasti LED stále napreduje. Neustále sa zlepšuje merný výkon LED (lúmen/watt). Pri rovnakom príkone sa z čipu LED neustále dosahuje vyšší svetelný tok (meraný v lúmenoch), čo znamená postupnú nápravu pomeru produkcie svetla a tepla. Ide však o elektrický spotrebič, ktorý bude mať vždy elektrický odpor, teda odpadové teplo bude vznikať naďalej. To je príležitosť na jeho využitie v praxi.

Štandardne sa používajú pasívne chladiče svietidiel LED z hliníka, ibaže výrobcovia hľadajú úsporu výrobných nákladov podcenením množstva použitého hliníka. Poddimenzovanie rozmerov pasívneho chladiča znižuje výrobné náklady na svietidlo. Prehrievanie svetelného zdroja počas prevádzky však veľmi výrazne skracuje jeho životnosť, čo sa prejavuje nekvalitným osvetlením a zvýšenou chybovosťou LED. Tieto dôsledky sa však prejavia až po určitom čase používania. Úroveň schopnosti pasívneho chladenia sa odzrkadľuje aj prehrievaním okolitého prostredia pri prevádzke štandardných LED svietidiel. V horúcich letných dňoch môže dôjsť k prekročeniu dovolených parametrov prostredia.

Obr. 1. Problémy súčasného stavu svetelnej techniky

AKTÍVNE KVAPALINOVÉ CHLADENIE PRE LED

V posledných rokoch sa predovšetkým pri pestovaní rastlín pod umelým osvetlením začínajú objavovať také technické systémy, ktoré majú osvetľovacie telesá so zdrojom LED chladené cirkulujúcou kvapalinou (vodou). Takto získané teplo možno následne využiť. Ide o pomerne jednoduché technické riešenie, ktoré si však vyžaduje podstatne vyššiu investíciu pre zvýšenú technickú zložitosť (rozvody na cirkuláciu pracovnej kvapaliny). Pracovná kvapalina cirkuluje len počas svietenia, čo v prípade pestovania rastlín pod umelým osvetlením znamená často nepretržitú prevádzku. Pre bežné pracovné prostredie by to však bola ekonomicky nenávratná aplikácia. Investičné náklady na rozvody kvapaliny by boli rádovo vyššie ako celkový viacročný prínos v podobe získaného tepla počas svietenia svetelnými zdrojmi LED. Treba hľadať vhodný spôsob, ako nevyhnutnosť inštalácie rozvodov pracovnej kvapaliny využiť aj na inú užitočnú aplikáciu. Jednou z možností je zabezpečenie tepelnej pohody interiéru, čiže vykurovanie v zimnom období a chladenie v letnom období.

Navrhované riešenie pomocou jednej pracovnej kvapaliny bude do pracovného priestoru privádzať teplo (chlad) a po výmene tepla s priestorom pracovná kvapalina zabezpečí prenos odpadového tepla zo svetelných zdrojov LED. Tým istým obehovým cyklom pracovnej kvapaliny je zabezpečená nielen celoročná tepelná pohoda, ale aj dostatočné chladenie svetelného zdroja LED. Takýto pracovný obeh má viacúčelové využitie počas celého roka.

Obr. 2. Viacúčelové využitie pracovnej kvapaliny

KONCEPT MULTIFUNKČNÉHO A ENERGETICKY EFEKTÍVNEHO SYSTÉMU (SYSTÉM „MESLED“)

Vonkajšie podmienky obývateľnosti budov sa v priebehu roka menia. Samotná multifunkčná vlastnosť pracovnej kvapaliny je preto nedostatočná. Je nevyhnutné, aby bol multifunkčný aj technický systém, respektíve jeho jednotlivé zariadenia. Tie musia byť schopné prispôsobiť svoj pracovný režim aktuálnemu ročnému obdobiu. Zároveň musia byť schopné využiť získané odpadové teplo počas svietenia LED priamo v priestore vo forme teplého vzduchu (tzv. temperovanie) [3, 4]. Len tak je možné zabezpečiť využitie odpadového tepla priamo na mieste, kde bolo „vyrobené“, čím sa ušetria tepelné straty, ktoré by vznikli počas prenosu vykurovacieho tepla, vyrobeného štandardným spôsobom.

Obr. 3. Viacúčelové využitie pracovnej kvapaliny pomocou multifunkčného zariadenia

Tepelný výkon odpadového tepla z LED je schopný zabezpečiť temperovanie priestoru v prechodných ročných obdobiach a v prípade vyšších priestorov zabezpečí „tepelnú bariéru“ pre sálavé vykurovacie teplo, čím sa opäť znížia tepelné straty. Počas vykurovacieho obdobia zariadenie/systém Mesled distribuuje do priestoru privedené vykurovacie teplo v pracovnej kvapaline a následne odoberá odpadové teplo z LED svetelných zdrojov, čo zabezpečuje výhodný predohrev pracovnej kvapaliny pomocou toho istého zariadenia.

MULTIFUNKČNÁ VLASTNOSŤ

Pre každú budovu vieme rozdeliť ročnú prevádzku na tri hlavné časti. Jednak je to obdobie, keď síce netreba meniť okolitú teplotu, ale treba svietiť a mať dostupnú teplú vodu TV (pracovný režim PR1). Potom je to obdobie tepelnej výmeny, keď sa privedené teplo/chlad pomocou výmenníkov tepla v nových zariadeniach odovzdá do priestoru a následne pracovná kvapalina odoberá a odvádza odpadové teplo z LED (PR2). V prípade chladenia v lete je takýmto spôsobom možné znížiť náklady na prípravu chladu, keďže privedený chlad nemusí vykompenzovať aj generované odpadové teplo zo svietenia v budove. Nakoniec je to prechodné obdobie pred vykurovacou sezónou a po nej, keď sa priestor „temperuje“ len pomocou odpadového tepla z LED. Nové zariadenia obsahujú svoj vlastný integrovaný zdroj vzduchu (ventilátor), zdroj tepla/chladu (tepelný výmenník) a zdroj svetla (LED). Pomocou týchto troch zdrojov a troch pracovných režimov možno skombinovať až 8 rôznych funkcií, a tak zabezpečiť všetky možné dopytové situácie v roku.

                 Obr. 4. Celoročné využívanie získaného odpadového tepla z LED

TABUĽKA FUNKCIÍ MESLED 

SYNERGICKÝ EFEKT MEDZI DENNÝM A UMELÝM SVETLOM V PRÍPADE SYSTÉMU MESLED 

Každý zdroj svetla je zároveň zdrojom tepla, čo vytvára synergický efekt v prípade využitia duálneho energetického potenciálu umelých svetelných zdrojov (svetlo a teplo). Cez deň, keď máme dostatočné slnečné žiarenie, nepotrebujeme až tak intenzívne svietiť, ale ani vykurovať, keďže využívame solárnu energiu slnka. Zatiaľ čo v nočných hodinách je vyšší dopyt nielen po svetle, ale aj po teple, ktorý vplyvom využívania odpadového tepla z LED by mohol byť výrazne nižší. Spojitá práca s elektrickou a s tepelnou energiou v jednom multifunkčnom systéme Mesled predstavuje možnosť integrovať všetky typy OZE. Vyššie spomenutý predohrev pomocou odpadového tepla dokáže zvýšiť tzv. vykurovací faktor (COP – Coefficient Of Performance) tepelných čerpadiel, čím by sa tento energeticky efektívny zdroj stal ešte viac efektívnym. Predohrev pre solárne kolektory alebo koncentrátor by zabezpečil ich vyššiu efektivitu v zimnom období, keď je vyšší dopyt po umelom osvetlení, a teda je vyššia produkcia odpadového tepla, ktorá sa dnes nevyužíva. Synergicky efekt medzi prírodným a umelým svetelným zdrojom LED sa zároveň vytvára aj z pohľadu fotovoltických panelov (FVE). Ten predstavuje obnoviteľný zdroj s najvýznamnejším uplatnením v budúcnosti. FVE produkujú jednosmerný prúd, vhodný na napájanie LED, čo môže predstavovať investičnú výhodu v prípade priameho prepojenia (nie je potrebný usmerňovač striedavého prúdu) [5].

Obr. 5. Synergický efekt medzi prírodným a umelým svetlom

ZÁVER

Kombinovaná výroba svetla a tepla pomocou svetelných zdrojov LED je jedna z budúcich možností, ako zvýšiť energetickú efektívnosť budov vďaka celoročnému využívaniu odpadového tepla. Kvapalinové chladenie svetelných zdrojov LED zvyšuje ich tepelnú odolnosť pri bežnej prevádzke, ale aj v životne dôležitých prípadoch, teda počas vzniku požiaru, pričom už samotná cirkulovaná pracovná kvapalina predstavuje vysokú prevenciu jeho vzniku. Multifunkčná vlastnosť nového systému Mesled dokáže zabezpečiť nižšie investičné náklady voči súčtu viacerých porovnávaných investícií za individuálne technické systémy. Výstavba jedného multifunkčného technického systému nepožaduje kvalitný projektový manažment ako v prípade viacerých individuálnych systémov. Je možné ušetriť čas nielen pri tejto výstavbe, ale aj pri samotnej budúcej údržbe. Rozvody pracovného média pod stropom môžu predstavovať ešte vyššie využitie (funkcionalitu) pracovnej kvapaliny, ktorá môže slúžiť aj na hasenie požiaru (mimo vykurovacej sezóny), predovšetkým v tých priestoroch, kde legislatíva nepožaduje samostatný autonómny hasiaci systém. Tým, že systém Mesled výrazne podporuje integráciu OZE, zvyšuje nízkouhlíkovú výrobu elektriny, ba dokonca zabezpečuje ich bezpečnú integráciu do elektrickej sústavy, a to vďaka aplikáciám v pestovateľských objektoch (skleník/fóliovník a pod.). V nich predstavuje systém Mesled efektívny riadený spotrebič (tzv. „demand response“), ktorý „prebytočnú“ elektrinu z OZE, ktorá by mohla spôsobiť problémy v sieti, efektívne spotrebuje na svetlo na podporu fotosyntézy a na teplo, ktoré sa použije podľa aktuálnej potreby (akumulácia a využitie v nočných hodinách, predohrev alebo temperovanie). Keďže ľudská populácia narastá, rastie aj dopyt po potravinách a energiách. Konceptom, ktorý prepája systémové aplikácie Mesled pre človeka a pestovanie rastlín, vieme eliminovať negatívne dôsledky zmeny klímy (chladenie LED, chladenie pre človeka a pestovateľské objekty), čím sa zároveň dosiahne vysokoúčinné nápravné opatrenie, teda energetická efektívnosť, a to nielen na strane spotreby (LED) a výroby (FVE), ale aj pri prenose elektriny, keďže batérie, elektromobily, elektronika a mnohé domáce spotrebiče pracujú tiež s jednosmerným elektrickým prúdom, ktorý predstavuje budúcnosť pre decentralizovanú energetiku (smart a micro grid) [6].

Obr. 6. Ako integrovať rôzne zdroje energie v energetike budov: „Green Mesled Energy Powerline“

Najväčšou výzvou multifunkčného systému Mesled je priemyselná výroba v budúcnosti, kde sa predpokladá nasadzovanie automatizácie. Tým, že nové zariadenia Mesled obsahujú všetky technické zdroje potrieb (svetlo, teplo, chlad a vzduch), vzniká možnosť ich energetickej interaktívnej regulácie na lokálnom území, čo v budúcností môže mať za následok dodatočné energetické úspory.

Je potrebné využiť slnečné žiarenie na efektívnu výrobu chladu, ktorý možno novým systémom Mesled efektívne odovzdať do pracovného priestoru, a to aj bez nútenej cirkulácie. Mohlo by sa zdať, že kľúčom k tomu, aby sa to dosiahlo, je len nový ľudský technický výtvor (systém Mesled), pričom je to práve jeho prepojenie človeka s prírodou, ktoré to efektívne umožňuje (LED&DC&FVE*). Výzvou je hľadanie spôsobu, ako viac integrovať pestovateľské objekty do nášho života (skleník, fóliovník, botanické centrum oddychu, sociálne pestovanie v zaostalých obciach/mestách a pod.) [7].

* LED – zdroj svetla a tepla; DC – jednosmerný prúd; FVE – fotovoltické elektrárne 

Použitá literatúra

[1] F. Janíček, I. Daruľa, J. Gaduš, E. Regula, M. Smitková, Ľ. Polonec, J. Ľudvík, J. Kubica, M. Michalík, M. Bindzár, “Obnoviteľné zdroje energie 1 Technológie pre udržateľnú budúcnosť“, 2009, ISBN 978-80-89402-04-5.

[2] P. Dušička, M. Hutňan, F. Janíček, V. Kutiš, J. Murín, J. Paulech, M. Perný, V. Šály, P. Šulek, I. Šurina, „Obnoviteľné zdroje energie II BIOMASA – SLNKO – VODA“, 2014, ISBN: 978-80-89402-68-7.

[3] Úžitkový vzor PUV 50003-2017, Energetický multifunkčný modul a energetický multifunkčný systém.

[4] Z. Kováč, F. Janíček, “Waste lighting heat generation as the key process to design the only technical device needed in interiors”, 12-ty ročník medzinárodnej vedeckej konferencie ELEKTRO 2018, May 2018.

[5] Z. Kováč, F. Janíček, R. Dubnička, „Potential of usable waste heat generated from LED light sources in industry“, medzinárodná vedecká konferencia, ENERGETIKA 2018, Jún 2018.

[6] Potenciál a možnosti využitia generovaného odpadového tepla pri svietení s modernými LED zdrojmi, časopis Stroje a mechanizácia, júl 2018.

[7] http://www.mesled.eu/

Ing. Zoltán Kováč - výskumný pracovník zameraný na využitie obnoviteľných zdrojov energie. Riešiteľ viacerých výskumných projektov v elektroenergetike.

prof. Ing. František Janíček, PhD. – profesor elektroenergetiky, riaditeľ Národného centra pre výskum a aplikácie obnoviteľných zdrojov energie, predseda Slovenského výboru Svetovej energetickej rady.

Ing. Juraj Kubica, PhD. – výskumný pracovník zameraný na využitie obnoviteľných zdrojov energie. Riešiteľ viacerých výskumných projektov v elektroenergetike.

MESLED ENERGY, s.r.o.

Slovenská technická univerzita v Bratislave,

Fakulta elektrotechniky a informatiky,

Ústav elektroenergetiky a aplikovanej elektrotechniky