Multi-LED: Nový slovenský štandard pre zelené budovy

Článok nadväzuje na objav trojrežimovej prevádzky multifunkčného stropného modulu typu F8 [17], založeného na novej logike štyroch elektricky riadených ventilov (2 + 2). Predstavuje návrh nového slovenského systémového štandardu a priblížený bol v minulom čísle TZB Haustechnik. Na základe SWOT analýzy, technickej konfigurácie 2 × TZB a princípu kvapalinového chladenia LED čipov autor rozvíja v pokračovaní koncept KVST – svetelnoklimatizačného riešenia [17], ktoré spája osvetlenie, chladenie, vykurovanie a ventiláciu do jedného stropného zariadenia [1]. Zároveň načrtáva obchodný model, návratnosť investícií, experimentálne overovanie a výhľad na uplatnenie tejto úplne novej technológie v praxi.

Poznáte výhody Klubu ASB? Stačí bezplatná registrácia a získate sektorové analýzy slovenského stavebníctva s rebríčkami firiem ⟶

Článok nadväzuje na predchádzajúce výsledky výskumu [4, 5, 6] a prináša rozšírenú SWOT analýzu systémového riešenia Multi-LED, ktoré je založené na multifunkčnom module typu F8 [17]. Tento modul je základom v úžitkovom vzore číslo 8104 s názvom Energeticky multifunkčný modul a energeticky multifunkčný systém [1].

Pod stropom integruje vodou chladené LED osvetlenie, stropnú klimatizáciu, teplovzdušné vykurovanie a ventiláciu vlastným (špeciálnym) ventilátorom do jedného modulu – viacúčelového stropného zariadenia (vymyslené pre novšie TZB systémy typu 2 × TZB). Všetko vďaka novej logike štyroch ventilov (2 + 2 = 4Vent) v moduloch, čo predstavuje základ tejto technológie.

Autor ju navrhuje ako slovenský štandard svetelnoklimatizačných systémov novej generácie „M“ (multifunkčná). Cieľom nového spojitého zariadenia typu F8 je zabezpečiť celoročný komfort v interiéroch, nižšiu spotrebu tepelnej energie svietením, menej použitého technického materiálu, kratší celkový inštalačný čas a novú mieru takzvanej multifunkčnosti v strope pod jednou značkou KVST LightHeat®.

SWOT analýza uplatnenia MULTI-LED systému v konfigurácii 2 × TZB – novým typom F8

Po ukončení základného výskumu [4, 5, 6] a pred spustením samotného vývoja novej stropnej technológie typu all-in-one bola vypracovaná SWOT analýza trhovej uskutočniteľnosti. Nižšie sú uvedené všetky silné a slabé stránky, príležitosti a ohrozenia, ktoré sa viažu na toto nové riešenie Multi-LED [17]. Analýza zohľadňuje doterajšie poznatky k objavu sezónnej trojrežimovej schémy so štyrmi elektricky riadenými ventilmi pre technické vyhotovenie až osemkrát rôzne funkčného podstropného zariadenia typu F8 (2 × TZB), tab. 1.

Silné stránky (Strengths)

• Zvýšená požiarna bezpečnosť (prevencia) vďaka kvapalinovému chladeniu LED polovodičov
• Jednotné projektovanie a obstarávanie pre osvetlenie, vykurovanie aj klimatizáciu v jednom zariadení
• Úspora elektroinštalačného materiálu: káble, lišty, svorky a iné
• Odstránenie potreby aspoň jedného elektrického rozvádzača
• Najvýznamnejšia úspora ľudskej práce – montážnikov
• Zlúčená údržba technického vybavenia stropu v rámci jedného výjazdu k „multifunkčnému stropu“
• Predĺžená životnosť LED polovodičov a ich aktívna ochrana pred klimatickými vplyvmi
• Štandardizácia letnej klimatizácie cez nové multifunkčné LED osvetlenie charakteru 4 v 1 podľa [1]
• Zvyšujúca sa ekonomická výhodnosť multifunkčných riešení v budovách a skleníkoch vzhľadom na rastúce ceny hliníka a medi
• Výhoda centralizovaného riadenia viacerých funkcií, napríklad cez jeden touch panel alebo AI

Slabé stránky (Weaknesses)

• Nutnosť súbežného školenia svetelných aj tepelných projektantov a realizátorov
• Požiadavka na paralelné zapojenie modulov do stropného systému s tepelne zaizolovaným potrubím a syst. výmenníkom
• Nevyhnutnosť vývoja novej matrice v hlinikárni s trojuholníkovým prierezom (tvar Δ)
• Potreba vývoja tichého dvojitého radiálneho ventilátora so stredovým elektromotorom (urýchlene)
• Náročnosť návrhu rôznych svetelných kriviek LED pre rôzne výšky aplikácie, napríklad s optickou prizmou
• Obmedzenie max. dĺžky modulu kvôli mechanickému ohybu
• Technická výzva odvádzania kondenzátu tvoreného počas letnej klimatizácie (bez funkcie osvetľovania aj s ňou)
• Nutnosť navrhnúť vhodný spôsob filtrácie nasávaného vzduchu modulom podľa úrovne znečistenia prostredia
• Potreba konštrukčne oddeliť servis svetelnej a hydraulickej časti bez vypúšťania systémovej pracovnej kvapaliny

Príležitosti (Opportunities)

• Rozšírenie základných ôsmich funkcií modulu o UV germicídnu funkciu F9, protipožiarnu ochranu F10, audio výstup hlasových upozornení F11 a potenciál napojenia na vzduchotechniku VZT
• Priama podpora obnoviteľných zdrojov energie, napríklad kombináciou s tepelným čerpadlom ľubovoľného typu
• Zlepšenie výsledkov v energetickej certifikácii budov
• Efektívnejšie využitie investícií vďaka multifunkčnosti jedného stropného zariadenia typu min. F8
• Potenciál znížiť prevádzkové náklady budov
• Vznik novej generácie techniky spájajúcej svetlo, teplo, vzduch a vodu v jednom stropnom systéme
• Podpora vzniku nového multidisciplinárneho vedného odboru v rámci oblasti TZB/stavebníctva
• Budovanie novej obchodnej stratégie pre systém typu 2× TZB a výrobného modelu s globálnym potenciálom
• Vytvorenie novej konkurencie a trhového segmentu v oblasti TZB prostredníctvom multifunkčnej technológie Multi-LED
• Nové alternatívne systémové riešenie pre trh TZB (zo SR)
• Unikátna práca systémového potrubia s dvomi zdrojmi tepla naraz: vykurovacie + odpadové
• Úspora nerastných surovín vďaka viacúčelovému využitiu technických materiálov v budovách a skleníkoch
• Potenciál zapojiť sa do zelených verejných obstarávaní, napríklad cez EÚ fondy alebo plán obnovy
• Príležitosť vytvoriť vzdelávacie programy, napríklad v spolupráci s univerzitami pre nový odbor v TZB (M-TZB)
• Možnosť integrovať celý systém z modulov do konceptu inteligentných Smart budov s automatizovaným riadením a diaľkovým monitoringom
• Možnosť financovať implementáciu Multi-LED riešenia cez EPC kontrakt (garantovaná úspora energie [14])
• Rozvoj konceptu mobilných pestovateľských jednotiek ako flexibilného riešenia pre vidiecke aj mestské farmy či na núdzové zásobovanie so zámerom znížiť dovoz čerstvých potravín a minimalizovať straty spôsobené logistikou a hnilobou
• Využitie mobilných pestovateľských jednotiek s Multi-LED technológiou ako flexibilného regulačného prvku pre podporu elektrickej siete formou nefrekvenčnej podpornej služby (nPpS)

Ohrozenia (Threats)

• Zvýšená hmotnosť potrubného modulárneho systému s pracovnou kvapalinou – možnosť negatívneho ovplyvnenia statiky stavebného objektu
• Zníženie účinnosti konvenčnej tepelnej výmeny s interiérom pri nedostatočnej údržbe nasávacích filtrov modulu
• Možnosť poškodenia LED čipov, napríklad skratom, pri tvorbe kondenzátu priamo v priestore LED čipov
• Netesnosti systémového potrubia predstavujúce riziko pre interiérové vybavenie mimo skleníkového prostredia
• Možnosť negatívneho ovplyvnenia LED čipov vzhľadom na príliš vysokú vstupnú teplotu počas pracovného režimu PR2 (vykurovanie v silnej zime) – vyžadovali by namiesto toho aktívne chladenie
• Nestabilita alebo nízka kvalita dodávateľov kľúčových súčiastok a komponentov, ktorá môže ohroziť plynulosť výroby a spôsobiť výpadky v dodávkach modulov pre Multi-LED systém
• Slabá alebo nedostatočne vybudovaná distribučná sieť, ktorá môže spomaliť komerčný predaj a znížiť rýchlosť adopcie Multi-LED systému na trhu
• Nekompetentné riadenie a nedostatok kvalifikovaných ľudských zdrojov (projektantov, montážnikov, servisného personálu), čo môže spôsobiť chyby vo výrobe, inštalácii a nesprávnu aplikáciu štvorventilovej logiky v pracovných režimoch Multi-LED systému
• Možné ohrozenie udržateľnosti biznis plánu pri vysokých marketingových nákladoch na uvedenie nového produktu na trh
• Riziko nízkej akceptácie pri tradičných projektantoch či remeselníkoch (zvyk na oddelené systémy)
• Riziko pomalej technickej certifikácie a legislatívneho meškania pri schvaľovaní nového typu zariadenia (elektro + voda + vzduch)
• Potenciálne environmentálne obmedzenia pri manipulácii s teplonosnou pracovnou kvapalinou a jej únikmi
• Riziko technologického zastarania v prípade rýchleho pokroku konkurenčných technológií s odlišnou filozofiou, napríklad bez kvapalinového chladenia LED
• Riziko neoprávneného použitia alebo zneužitia tohto know-how, čo môže viesť k strate technologickej exkluzivity a komplikovanému vymáhaniu ušlého zisku právnou cestou

Slovenský nástroj udržateľnej výstavby a inovačnej politiky doma i v zahraničí

Riešenie Multi-LED znižuje materiálovú náročnosť budov, a tým aj ich uhlíkovú stopu (CO₂). Viacúčelové využitie hliníka a medi podporuje cirkulárnu ekonomiku a znižuje tlak na ťažbu nerastných surovín. Zároveň technológia aktívne prispieva k plneniu cieľov smernice EPBD [10] o energetickej hospodárnosti budov [8] a pravidiel EÚ taxonómie [11], pretože znižuje potrebu primárnej energie, zjednodušuje integráciu obnoviteľných zdrojov (OZE) [9] a prispieva k transformácii budov na nízkoemisné a udržateľné objekty [12].

Technológia Multi-LED vytvára príležitosť pre autority SR prezentovať túto inováciu na medzinárodnej úrovni ako domáce riešenie na zníženie energetickej náročnosti a podporu zelenej transformácie. Zároveň tým vzniká možnosť prispieť k rastu HDP Slovenska prostredníctvom rozvoja novej priemyselnej výroby, zníženia závislosti od dovozu technológií a potenciálne aj exportu.

Táto technológia otvára tiež cestu k definovaniu novej typológie multifunkčných stropných prvkov v TZB s ambíciou stať sa priemyselným štandardom a vzorom pre nové normy.

Súhrn vývoja systému MULTI-LED s modulmi typu F8

Táto výskumná práca [5] dokazuje, že možno spojiť dva samostatné systémy do jedného multifunkčného riešenia: LED + FCU = Multi-LED. Tento prístup rozdeľuje po novom hodiny vykurovacieho obdobia na dve časti. Prvá časť predstavuje silný vykurovací pracovný režim PR2 [17, 1]. Druhá časť zodpovedá miernejšiemu vykurovaciemu obdobiu s použitím pracovného režimu PR3 [17, 1], ktorý umožňuje temperovanie svietením bez potreby aktivácie hlavného zdroja tepla. Tento prístup šetrí palivo vďaka využitiu takzvaného svetelného LED tepla [2, 3] a zároveň znižuje opotrebenie hlavného zdroja, napríklad tepelného čerpadla (TČ).

Inštalácia Multi-LED systému pod stropom si vyžaduje vyššiu hustotu osadenia ako tradičné FCU (Fan Coil Unit), aby bola zachovaná rovnomernosť umelého LED osvetlenia. Táto hustota je však nižšia v porovnaní s klasickými LED svietidlami s pasívnym chladením.

Kvapalinové chladenie Multi-LED umožňuje spoľahlivú integráciu výkonnejších LED čipov v trojuholníkovej základni multifunkčného modulu typu F8. Výsledkom je klimatizácia s menej agresívnou teplotou, pretože sa zväčšuje celková plocha odovzdávania tepla a chladu v priestore integrovanými výmenníkmi v moduloch. Tým sa otvára možnosť využívať na chladenie priamo podzemné vody bez potreby kompresorového chladenia, čo ďalej šetrí prevádzkové hodiny TČ aj počas leta.

„Teória 4 ventily“ prináša nový prístup k vytvoreniu samostatného priemyselného segmentu od projektovania až po dodávku riešenia formou „diela na kľúč“. Multifunkčný systém Multi-LED tak predstavuje nový licencovateľný podstropný systém typu F8, navrhnutý pre kombinované využitie LED svetla s jeho odpadovým teplom, tab. 1.

Tab. 1 Pracovné režimy systému Multi-LED a funkcie jeho modulov F8 v konfigurácii 2

Obchodný model a stratégia k návratnosti

Ako ukazuje tab. 1, obchodný model potenciálneho nového dodávateľa Multi-LED systému z modulov typu F8 by mal byť založený na ekvivalentnom cenovom porovnávaní celkového výkazu výmer. Porovnávanie vychádza zo súčtu troch samostatných systémov podľa [1]:

1. Osvetľovacia sústava s bežnými LED svietidlami vrátane kabeláže a rozvádzača
2. Sústava prvkov pre sezónnu distribúciu tepla/chladu vrátane kabeláže, rozvádzača a potrubia
3. Sústava stropných ventilátorov (destratifikátorov) vrátane kabeláže a rozvádzača

Na praktické spracovanie výkazu výmer pre multifunkčný systém Multi-LED možno využiť štandardný rozpočtový softvér CENKROS (napríklad CENKROS4), ktorý umožní objektívne porovnať náklady s bežnými individuálnymi TZB riešeniami.

V ďalšej fáze vývoja sa plánuje experimentálne overenie tepelného zisku a chladiacej účinnosti modulu v skúšobnom objekte (napríklad podľa obr. 1). Tieto údaje sa následne využijú na presnejší výpočet návratnosti investície a optimalizáciu riadiaceho softvérového algoritmu hydrauliky.

Prvá skúšobňa nového zoptimalizovaného svetelného tepla z led čipov [17]

Experimentálne overenie Multi-LED systému sa uskutoční v reálnych podmienkach skúšobne, ilustračne zobrazenej na obr. 1. Merania budú zamerané na svetelný tok (guľovým integrátorom), intenzitu LED osvetlenia, elektrický príkon, generovanie konvenčného svetelného tepla v pracovnom režime PR3, odčerpávanie kvapalinového svetelného tepla v pracovnom režime PR1, výkon hydraulického okruhu a distribúciu chladu a tepla v pracovnom režime PR2 s LED predohrevom.

Cieľom experimentu je optimalizovať parametre svetelného a tepelného komfortu pre rôzne typy budov a prevádzok. Výsledky poslúžia ako podklad pre normotvorné odporúčania a hodnotenie úspory primárnej energie podľa aktuálne platnej legislatívy [7].

Závery

Pojem „multifunkčný“ sa uplatní tam, kde pod stropom rozhoduje funkčnosť a úspora celkových nákladov na vlastníctvo technického zariadenia budov (TCO) vrátane nákupu, inštalácie, prevádzky, údržby a servisu. Náklady na servis možno znížiť vďaka kvapalinovému chladeniu prirodzene sa prehrievajúcich LED polovodičov.

Navrhované riešenie Multi-LED môže znížiť TCO až o 30 % oproti kombinácii tradičných systémov FCU a LED osvetlenia (odhad autora na základe súčasných údajov). Modul F8 je vhodný pre priemyselné haly, kultúrne domy, obchodné centrá aj skleníky. Pre praktické overenie sa odporúča realizovať pilotnú inštaláciu v reálnom objekte (napríklad priemyselná hala) a vyhodnotiť úspory TCO, životnosť a servisné náklady. Takéto riešenie by mohlo slúžiť ako referencia pre štandardizáciu Multi-LED technológie v energetickej politike.

Oblasť svetelnej techniky sa týmto sériovo-paralelným zapojením štyroch elektrických ventilov podľa SK vzoru č. 8104 rozširuje o udržateľnejšie riešenie. Zároveň oblasť tepelnej techniky získava nový nízkoteplotný zdroj tepla vďaka elektrickému odporu LED čipov. Prelomové spojenie týchto dvoch oblastí v rámci multidisciplinárneho prístupu prispieva k vyššej požiarnej bezpečnosti, keďže kvapalinou chladené LED polovodiče účinne znižujú riziko vzniku požiaru z osvetľovacej sústavy. V prípade požiaru umožňuje kvapalinové Multi-LED dlhšie svietenie v horúcom prostredí, čím uľahčuje únik osôb v zadymenom priestore pod týmto tzv. klimatizačným osvetlením [6].

Príspevok vychádza z vlastného výskumu a experimentálnych poznatkov autora, ktoré sú aktuálne chránené slovenským úžitkovým vzorom č. 8104 [1]. Budúci experiment potvrdí technické parametre Multi-LED systému. Autor pritom pozýva akademickú a podnikateľskú sféru na spoluprácu pri experimentoch a príprave technickej normy STN pre Multi-LED technológiu.

Z pohľadu princípu „Hodnota za peniaze“ [13] ponúka Multi-LED riešenie optimálny pomer medzi obstarávacou a prevádzkovou úsporou pri zachovaní úžitku pre budovy a ich užívateľov. V budúcnosti bude možné systém integrovať do Smart Building riadenia, pričom prediktívny algoritmus optimalizuje jeho výkon podľa aktuálnych podmienok.

Na tento účel sa odporúča zriadenie prvého výskumno-vývojového centra multifunkčného technického zariadenia budov M-TZB na Slovensku. Toto centrum bude historicky prvou platformou na overenie, optimalizáciu a praktickú aplikáciu Multi-LED systému v rôznych typoch objektov doma aj v zahraničí (riešenie reflektuje nový kalendárny rok podľa obr. 2 a nový pracovný režim PR3 s charakteristickou oranžovou farbou pre temperovanie svetlom vo funkcii 8; slangovo sa označuje ako „teplovzdušné osvetľovanie“ a predstavuje novosť podľa rešerše WIPO – World Intellectual Property Organization).

Multi-LED sa tak môže stať vlajkovou loďou pre zelenú transformáciu budov, ktorá spája úsporu, multifunkčnosť a bezpečnosť do jediného slovenského multifunkčného LED riešenia, pripraveného na prax.

Odporúčania

Okrem klasického investičného modelu možno Multi-LED systém implementovať aj formou EPC kontraktu s garanciou úspory prevádzkových nákladov [14]. Výskumno-vývojové Centrum M-TZB môže slúžiť ako pilotná základňa na testovanie mobilných pestovateľských jednotiek s Multi-LED technológiou ako nástroja na zvyšovanie potravinovej sebestačnosti vo vidieckom aj mestskom prostredí.

Zavedením Multi-LED do praxe nevzniká len nový produkt (KVST LightHeat®), ale aj nový princíp systémovej integrácie svetla a tepla v rámci technického zariadenia budov. Tento prístup reaguje na požiadavky decentralizácie, energetickej efektívnosti a multifunkčného využitia stropného priestoru.

Technológia Multi-LED a súvisiaci akronym MESLED sú duševným vlastníctvom autora a súčasťou obchodného názvu jeho startupu. Tento článok zároveň deklaruje vznik ich ďalšej právnej ochrany formou ochrannej známky KVST LightHeat®. V rámci pilotných mobilných pestovateľských jednotiek môže technológia Multi-LED slúžiť ako takzvaná potravinová batéria [17], ktorá umožňuje flexibilné a energeticky efektívne pestovanie rastlín priamo v mieste spotreby. Tým sa znižuje závislosť od externých dodávok a zároveň sa prispieva k stabilite elektrickej smart siete poskytovaním flexibilného odberu a podpory pri štarte z tmy [15, 16].

Táto, druhá časť článku spolu s predchádzajúcim dielom [17] predstavujú prvý odborný základ pre priemyselnú výrobu Multi-LED systémov na Slovensku s potenciálom exportu know-how do zahraničia. Multi-LED systém možno vnímať aj ako odpoveď na dve základné sezónne potreby moderného človeka: v lete klimatizovať a v zime platiť menej za teplo, pričom tieto funkcie spája do jedného zariadenia so zachovaním LED osvetlenia ako hlavnej služby budovy.

Multi-LED systém predstavuje nové rozvojové know-how [1] pre LED osvetlenie chladené pracovnou kvapalinou, ktorá sa v zime využíva na vykurovanie, v lete na klimatizáciu a celoročne na zisk LED svetelného tepla [17]. Celý systém môže byť navyše napojený na centrálne riadený manažment CRM na zber údajov a optimalizáciu výkonov.

Technológia č. 8104 [1] je pripravená na priamu implementáciu developermi ako hlavnými užívateľmi a nositeľmi technologických inovácií v oblasti udržateľných budov. Zároveň predstavuje významný pokrok v oblasti technických zariadení budov, ktorá sa doteraz vyznačovala nízkou mierou integrácie multifunkčných riešení a slabým prepojením medzi akademickou sférou a praxou. Týmto sa otvára cesta pre rozvoj nového odvetvia multifunkčných stropných technológií doma aj v zahraničí. Multi-LED je šanca, aby sa strojárenské Slovensko stalo domovom novej generácie dvojitých technológií pre tzv. celoročný komfort, viď slovník odborných pojmov v [17].

Pozn.: V domácom slangu niektorých technikov sa viacúčelové zariadenie namontované nad hlavou niekedy žartovne označuje aj ako „slovenský kôň F8“. Modul Multi-LED si tento titul vyslúžil vďaka svojej „ťahovej sile“, lebo nesie svetlo, teplo, chlad, vzduch aj sezónnu logiku zároveň.

Právne vyhlásenie a výzva autora

Všetky vyššie uvedené pojmy sú výlučne súčasťou systémovej typológie Multi-LED. Ich použitie je viazané na vývojové zázemie, know-how a duševné vlastníctvo startupu MESLED ENERGY (zaregistrované IČO). Akékoľvek kopírovanie, adaptovanie alebo marketingové využitie týchto pojmov je možné len s výslovným súhlasom autora systému. Technologický rámec a názvoslovné označenia budú ďalej rozpracované v pripravovanom dokumente: Licensing Handbook 1.0 – rámec licenčných a ochranných podmienok pre nové stropné systémy KVST LightHeat®.

Stojí pred nami výzva, ale aj príležitosť urobiť z Multi-LED nielen vlajkovú loď slovenskej zelenej transformácie, ale aj nový európsky štandard technického zabezpečenia stropov budov pre 21. storočie.

In memoriam profesorovi Františkovi Janíčkovi

Ďakujem Ti, pán profesor Fero, že si ako prvý uveril môjmu technickému nápadu. Vtedy sme ho volali „MESLED“, ale dnes ho označujeme KVST LightHeat®. Som Ti vďačný za to, že si mi poskytol prvý kľúčový priestor v odbornej literatúre. Tento, ale aj ten predchádzajúci článok [17], Ti preto venujem s úprimnou vďakou a úctou.

TEXT: Ing. Zoltán Kováč, technický odborník s viac ako 15-ročnou praxou v oblasti techniky, svetelnej techniky a EPC projektov s garantovanou úsporou energie
FOTO: Ing. Zoltán Kováč, Shutterstock
RECENZOVAL: Mgr. Roman Dubnička, PhD.

Článok bol uverejnený v časopise TZB Haustechnik 5/2025