Široké spektrum odborných článkov a prezentácie spoločností, odborníkov pôsobiacich v oblasti stavebníctva, dopravy, strojárstva, ťažby surovín a environmentálnych technológií vo všetkých odvetviach priemyselnej výroby.

POTENCIÁL A MOŽNOSTI VYUŽITIA GENEROVANÉHO ODPADOVÉHO TEPLA PRI SVIETENÍ S MODERNÝMI LED ZDROJMI


Štandardné LED svietidlá poskytujú pre používateľa umelé osvetlenie len zhruba z 30-percentného podielu elektrickej energie, ktorú tento moderný svetelný zdroj spotrebuje. Majoritný podiel spotrebovanej elektriny sa transformuje na nežiadané odpadové teplo, ktoré je príčinou viacerých nevýhod a problémov.

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


Obr. 1. Generované odpadové teplo zo svetelných zdrojov

 

Moderné LED svietidlá s pasívnym chladičom 

V súčasnosti je vo svetelnej technike najpoužívanejším svetelným zdrojom vo svietidlách luminiscenčná dióda (light-emitting diode), čiže LED svetelný zdroj. Z pohľadu energetickej efektívnosti a životnosti je to síce bezkonkurenčný zdroj umelého svetla, ale z pohľadu využitia spotrebovanej elektrickej energie dokáže LED premeniť približne len 30-percentný podiel na elektromagnetické žiarenie vo viditeľnom spektre, čiže na žiadané svetlo. Zvyšná 70-percentná energetická spotreba predstavuje formu generovaného odpadového tepla, čiže energetické straty, ktoré nepriaznivo vplývajú na samotný LED čip [1]. Ide však o vedľajší energetický produkt, ktorý sa využíva minimálne, aj keď vývoj v oblasti LED stále napreduje a pomer podielu generovaného svetla a tepla sa mení k lepšiemu. Pre elektrický odpor LED čipu bude však generované odpadové teplo stále príliš vysoké na to, aby mohlo byť iniciátorom možnosti jeho využitia v prospech človeka a jeho potrieb.

Samotné chladenie (tepelný manažment) má najväčšiu dôležitosť z pohľadu rýchlosti starnutia polovodiča, čo poznáme pod pojmom „životnosť LED“. Je preto logické, že výrobcovia štandardných LED svietidiel s pasívnym chladením podmieňujú tento údaj v podobe maximálnej dovolenej okolitej teploty počas prevádzky, ktorá sa priemerne pohybuje okolo 45 °C. V starších priemyselných halách bez tepelnej izolácie strechy a bez systému chladenia je v letnom období táto hranica však veľmi ľahko prekročená, čo môže mať negatívny dosah na budúci proces reklamácie, keďže smart elektronika v LED svietidle dokáže už aj merať a zaznamenávať túto okolitú teplotu. Vplyvom globálneho otepľovania a meniacej sa klímy pasívne chladenie LED svietidiel by už v budúcnosti nemuselo byť všade dostačujúce. Množstvo použitého hliníkového materiálu pre pasívne chladenie je hlavným faktorom pri cenotvorbe svietidla, dôsledkom čoho je široký rozsah dostupnej (ne)kvality na trhu, čo má za následok „naoko“ veľmi zaujímavé hodnoty návratností investície. Rýchlosť poklesu svetelného toku v čase (životnosť) nie je možné zaznamenať voľným okom. Je plne závislá od pasívneho chladenia LED svietidla, ktoré používateľ vie málokedy ovplyvniť. Generované odpadové teplo negatívne vplýva na tepelnú pohodu v letnom období a v prípade inštalovaného systému chladenia jeho výkon a spotreba musia byť zvýšené, aby pokryli aj tento nežiadaný tepelný príspevok zo svietenia. V zimnom období je jeho pozitívny vplyv skoro zanedbateľný, keďže vplyvom tepelnej gravitácie sa odpadové teplo zo svietenia udržiava len pod úrovňou stropu.


Budúcnosť LED svetelného zdroja v technike

Aby LED svetelný zdroj mohol byť v aplikovanej svetelnej technike udržateľne efektívnym svetelným zdrojom, je potrebné udržiavať jeho vysoký merný výkon (lúmen/watt) a životnosť zároveň, čo znamená zabezpečiť najlepší možný tepelný manažment pre LED čip [1].

V posledných rokoch sa predovšetkým v oblasti pestovania rastlín pod umelým osvetlením začínajú objavovať také technické systémy, ktoré majú osvetľovacie telesá s LED zdrojom aktívne chladené cirkulovanou kvapalinou. Takto získané teplo sa následne využíva podľa aktuálnej potreby. Ide o pomerne jednoduché technické riešenie, ktoré si však vyžaduje podstatne vyššiu investíciu pre potrubný systém pre cirkulovanú pracovnú kvapalinu. Tá predstavuje pracovnú látku, ktorá vykonáva prácu len počas svietenia, čo v tomto prípade pri pestovaní rastlín pod umelým osvetlením je (by mala byť) nepretržitá prevádzka. Pre obývateľnosť priestoru človekom by to však bola ekonomicky nevýhodná aplikácia. Investičné náklady na potrebný potrubný systém by boli rádovo vyššie ako prínos v podobe získaného tepla počas svietenia s LED svetelnými zdrojmi. Avšak bez potrubného systému, ktorý zabezpečí transport získaného tepla, je nemožné zabezpečiť jeho budúce využitie podľa potreby. Z toho dôvodu treba hľadať vhodný spôsob, ako túto nevyhnutnosť využiť v prospech danej aplikácie. S tým úzko súvisí zabezpečenie tepelnej pohody v priestore, čiže vykurovanie v zimnom ročnom období, a, naopak, chladenie v letnom ročnom období, ktoré vplyvom klimatických zmien sa stáva v budovách už skôr štandardom ako luxusom.

Z ekologického a ekonomického hľadiska treba nájsť taký spôsob, keď pomocou jednej a tej istej pracovnej kvapaliny bude do obývaného priestoru privedené teplo/chlad a po tepelnej výmene s priestorom táto cirkulovaná pracovná kvapalina zabezpečí aj zber a prenos generovaného odpadového tepla z LED svetelných zdrojov. Tým istým obehovým cyklom pracovnej kvapaliny by mohla byť zabezpečená nielen celoročná tepelná pohoda, ale aj dostatočné chladenie LED zdroja a prínos pre človeka v podobe získaného tepla [2]. Dalo by sa definovať, že takáto pracovná kvapalina má viacúčelové (multifunkčné) využitie počas celého ročného obdobia.


Obr. 2. Viacúčelové využitie pracovnej kvapaliny

 

Koncept nového multifunkčného energetického systému s LED (MESLED)

Vyššia energetická efektívnosť systému na využívanie generovaného odpadového tepla z LED počas svietenia, môže byť dosiahnutá len v prípade, ak integrované zariadenia dokážu prispôsobiť svoju prevádzku aktuálnemu ročnému obdobiu alebo potrieb používateľa (pracovné režimy PR1, PR2 a PR3) [3]. Kľúčová je teda schopnosť voľby použiť získané odpadové teplo buď priamo v priestore vo forme teplého prúdeného vzduchu smerom zhora nadol (vykurovanie pred a po hlavnej vykurovacej sezóne), alebo ho pracovnou kvapalinou, ktorá zároveň privádza teplo/chlad do priestoru, odobrať a následne využiť podľa potreby (príprava teplej úžitkovej vody TÚV, predohrev pre hlavný zdroj tepla alebo pre procesné teplo vo výrobe).


Obr. 3. Celoročná práca s generovaným odpadovým teplom z LED


Ekonomická výhodnosť takéhoto MESLED systému však musí byť zabezpečená, keďže len tepelný zisk z generovaného odpadového tepla z LED nedokáže „splatiť“ potrebnú investíciu za potrubný systém v prijateľnom čase. Preto integrované zariadenia systému obsahujú svoje vlastné zdroje všetkých potrieb, čiže zdroj svetla (LED), zdroj tepla/chladu (výmenník tepla) a zdroj prúdenia vzduchu (ventilátor) [3]. Tým je zabezpečená nielen schopnosť poskytnúť pre používateľa všetky potrebné podmienky v priestore, ale aj existencia možnosti dokonalej interaktívnej regulácie výkonu všetkých poskytovaných podmienok v priestore, čiže ďalší potenciál na dosiahnutie dodatočných energetických úspor, keď náklady na energie môžu dokonale kopírovať kondíciu/obsadenosť výroby v priemysle. Tak vzniká možnosť individuálneho nastavenia celkového komfortu pre používateľa/robota, nezávisle do ostatných používateľov. Budúca automatizácia v priemysle môže mať za následok aj dodatočné energetické úspory, keďže robot nepotrebuje žiadne podmienky na to, aby fungoval. Prítomnosť pracovnej kvapaliny v takýchto „multifunkčných“ MESLED zariadeniach, ktoré poskytujú pre používateľa aj umelé osvetlenie, môže predstavovať vhodný spôsob pre plánované čistenie povrchu optickej časti, cez ktorú je emitované svetlo z LED zdrojov distribuované do priestoru, a tak zabezpečiť udržateľnú svetelnú efektivitu počas dlhodobej prevádzky aj v priestoroch s vyšším znečistením ovzdušia. Integrované elektricky riadené ventily zas predstavujú možnosť využiť pracovnú kvapalinu aj na hasenie požiaru predovšetkým v tých priestoroch, kde legislatíva nevyžaduje autonómny požiarny systém (mimo obdobia vykurovacej sezóny, keď by teplota pracovnej látky prekročila horný teplotný limit hasiacej kvapaliny).

 

Obr. 4. Dizajn multifunkčného MESLED zariadenia aj s prídavnými funkciami


Vďaka vzájomnej kombinácii troch zdrojov základných potrieb a troch možných pracovných režimov dokážu multifunkčné MESLED zariadenia pre používateľa poskytnúť až osem rôznych základných funkcií (tzv. základná funkcionalita), a tak efektívne a spoľahlivo zabezpečiť všetky možné dopytové situácie, ktoré môžu nastať počas roka v danom priestore [2,5].

Pracovný režim multifunkčného zariadenia - FUNKCIA

Zdroj cirkulácie

LED

Zdroj vzduchu

Prac. schéma

1.

Svietenie a získavané teplo

Externý

ON

OFF

PR1

2.

Svietenie, získavané teplo a výmena vzduchu

ON

3.

Svietenie, získavané teplo, výmena vzduchu a vykurovanie

PR2

4.

Svietenie, získavané teplo, výmena vzduchu a chladenie

5.

Svietenie, nízkoteplotné vykurovanie s LED a výmena vzduchu

Vlastný

PR3

6.

Výmena vzduchu

OFF

OFF

x

7.

Výmena vzduchu a vykurovanie

Externý

PR2

8.

Výmena vzduchu a chladenie



Obr. 5. Príklad pomerov poskytovaných funkcií v roku


Oblasti aplikácie

Na základe meraní a svetelno-technických LED návrhov zhruba pre 122 000 m2 (12,2 ha) priemyselnej plochy je preukázaný priemerný špecifický tepelný potenciál s výkonom 3,6 W/m2 vo forme generovaného odpadového tepla z LED zdrojov v priemysle, čo pri veľkých výrobných halách predstavuje nezanedbateľný, ba veľmi zaujímavý celkový tepelný potenciál, ktorý sa dnes vôbec nevyužíva [4]. Účinok tepelnej gravitácie pri chladení priestoru zvrchu predstavuje výhodné riešenie pre kryté športoviská alebo iné sociálno-kultúrne priestory s rázovou obsadenosťou. V pestovateľských objektoch takýto MESLED systém zabezpečuje možnosť celoročnej produkcie vďaka osvetleniu, a to s nižšími celkovými nárokmi na energie, keďže prúdený teplý vzduch zhora vytvára tepelnú bariéru pre sálavé teplo a tak zamedzuje jeho rýchlemu úniku cez steny pestovateľského objektu so skoro nulovou tepelnoizolačnou vlastnosťou. V letnom období zas predstavuje spoľahlivé riešenie pre dodržanie maximálnej dovolenej teploty pre pestovanú rastlinu a tak ju udržiava v ideálnej produkčnej kondícii. Dostatočné umelé osvetlenie pre fotosyntézu zároveň redukuje potrebu zásoby CO2.    

Rôznorodosť prínosov 

Riešením generovaného odpadového tepla z LED svetelných zdrojov je možné dosiahnuť nielen vyššiu energetickú efektivitu budov, ale aj lepšiu udržateľnosť osvetľovacej sústavy a jej spoľahlivosť v čase, predovšetkým počas požiaru, keďže kvapalinou chladené svetelné zdroje majú vyššiu tepelnú odolnosť ako štandardné LED svietidlá s pasívnym chladením. Integrácia zdrojov základných potrieb do jedného zariadenia je energeticky výhodná z pohľadu budúceho nasadzovania robotov v priemysle, čomu sa trend vo výrobe nevyhne. MESLED technické riešenie v pestovateľských objektoch poskytuje energeticky efektívne riešenie s celoročnou možnosťou pestovania, čo má za následok cenovo dostupnejšiu kvalitnú domácu zeleninu počas celého roka. Je zároveň zárukou pre elimináciu rizika dopadu klimatických zmien v podobe kriticky vysokých teplôt, ktoré ohrozujú úrodu. MESLED systém v pestovateľských objektoch predstavujú ideálny riadený spotrebič v elektrickej sieti (tzv. demand response), kde sa stále viac a viac aplikujú intermitentné (neriadené) zdroje elektriny (fotovoltické panely a veterné turbíny), ktoré vyrobia elektrinu aj v čase, keď nie je potrebná, čo spôsobuje výkonové problémy v sieti. Táto prebytočná elektrina musí byť vyregulovaná klasickými zdrojmi, ktoré neboli na takéto dynamické zmeny v minulosti stavané, alebo by mala byť použitá práve v pestovateľských objektoch na výrobu svetla a tepla pomocou MESLED systému [5].


Obr. 6. Demand response spotrebič prebytočnej elektriny v sieti

LED svetelný zdroj v multifunkčných MESLED zariadeniach predstavuje unifikovanosť z pohľadu budúceho a ľahko dostupného svetelného zdroja ako náhradného dielu, keďže výrobcovia štandardných LED svietidiel dnes používajú svoj vlastný dizajn svietidiel, a teda aj formu LED svetelného zdroja v ňom (špecifické elektrické parametre, elektrické pripojenie, rozmery, spôsob uchytenia a pod.), keď zákazník nemá garanciu, že v čase potreby výmeny svetelného zdroja bude ľahko dostupný na trhu v žiadanej forme.



[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_management_of_high-power_LEDs

[2] 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.

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

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

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

 

Ing. Kováč Zoltán, MESLED ENERGY, s. r. o.

Fotogaléria k článku