Technologický objav logickej hydrauliky v svetlo-klimatizačnom module Multi-LED

Multi-LED je prvý stropný systém na svete, ktorý spája kvapalinou chladené LED osvetlenie, vykurovanie a klimatizáciu do jedného modulu. Vďaka štyrom ventilom a trom režimom ponúka v jedinom zariadení osem funkcií (multifunkciu) pre celoročnú prevádzku.

Znižuje potrebu samostatných systémov, čím šetrí montážny čas, priestor, náklady aj energiu v budovách a priemyselných objektoch. Využíva nový zdroj tepla zo svetla, takzvané rekuperované teplo z LED čipov, ktoré sa prostredníctvom ventilátora rozvádza do priestoru a vytvára prirodzený pocit mierneho vykurovania osvetlením.

Multi-LED možno využiť aj v mobilných kontajnerových riešeniach, a to kdekoľvek ako celoročné pestovateľské jednotky. Slúžia na komunitné pestovanie, núdzové zásobovanie a znižovanie závislosti od dovozu čerstvých potravín. Mobilita umožňuje zároveň zavádzanie technológie priamo u klienta. Prenájmový model je bez rizika, pretože v prípade neplatenia sa jednotka jednoducho odvezie.

Medzi hlavné technické prínosy patrí zníženie materiálovej náročnosti stavieb, úspora montáže aj rozvodov a predĺženie životnosti LED čipov vďaka ich chladeniu. Odpadové teplo sa premieňa na nízkoteplotný zdroj energie, ktorý môže predhrievať obnoviteľné zdroje, najmä tepelné čerpadlá. Trojrežimová prevádzka umožňuje automatické prispôsobenie systému sezónnym podmienkam.

Pre generačný posun sa odporúča zriadenie prvého výskumno-vývojového centra multifunkčného technického zariadenia (MTZ) na testovanie systému v praxi a pilotná inštalácia v priemyselnom objekte. Na legislatívnej úrovni je vhodné zaviesť technický proces KVST – kombinovanú výrobu svetla a tepla – ako novú kategóriu oprávnenú na čerpanie podpory. Multi-LED má potenciál stať sa slovenským riešením zelenej transformácie v rámci EÚ a zároveň podporiť inovácie, sebestačnosť a export.

Základná hypotéza

Súčasné technické zariadenie budov (TZB, čiže súhrn technických systémov zabezpečujúcich komfort a funkcie vnútorného prostredia interiérov) sa opiera o oddelené systémy osvetlenia, vykurovania, chladenia a vetrania. Takáto fragmentácia vedie k vysokým investičným nákladom, zložitejšej inštalácii a obmedzeným možnostiam ich integrácie. Nové výzvy v oblasti energetickej efektívnosti a multifunkčnosti si preto vyžadujú riešenie, ktoré dokáže tieto systémy zlúčiť do jedného kompaktného celku.

Súčasne rastie tlak na materiálovú efektívnosť. Technické riešenia budúcnosti musia popri energetických úsporách zohľadniť aj globálne riziko nedostatku zdrojov, ktoré rastie v dôsledku preľudňovania planéty. Potreba navrhovať zariadenia z viacúčelových komponentov tak, aby dokázali plniť viac funkcií naraz, sa stáva kľúčovým nástrojom prevencie takzvanej materiálovej chudoby.

Cieľom príspevku je predstaviť technický princíp, hydraulickú logiku a stratégiu uplatnenia modulu Multi-LED s pracovnou kvapalinou (voda, glykol) ako energeticky multifunkčného riešenia pre budovy. Základná hypotéza znie: „Využitie svetelného tepla v kombinácii s hydraulickou logikou znižuje potrebu samostatných systémov a zvyšuje celkovú materiálovú a energetickú efektívnosť TZB.“ Táto hypotéza bude v blízkej budúcnosti overená experimentálne na prototypoch a demonštračnej jednotke.

Článok slúži ako odborný podklad na prípravu experimentálneho prototypu Multi-LED a jeho budúce normotvorné schválenie pre reálne budovy. Technológia Multi-LED je vhodná nielen na trvalú inštaláciu v budovách, ale aj ako základ pre spomenuté mobilné pestovateľské jednotky, ktoré umožňujú flexibilné pestovanie plodín podľa sezónnych a logistických potrieb na rôznych miestach.

Slovník skratiek a odborných pojmov

FCU – Ide o konvenčný výmenník tepla/chladu s ventilátorom (z anglického Fan Coil Unit).

TCO – Celkové náklady na vlastníctvo technického zariadenia budov, najmä stropných systémov (z anglického Total Cost of Ownership). 

Multi-LED

Produktové označenie pre systémové osvetľovacie zariadenie novej generácie – technickú vec „nad hlavou“, ktorá neslúži len ako svietidlo, ale popri svetelnej funkcii integruje aj riadenú distribúciu nízkoteplotného tepla vznikajúceho počas svietenia v pracovnom režime 3.

Využíva technológiu LED (polovodičový svetelný zdroj z anglického Light Emitting Diode) a ventilátorový systém fungujúci na princípe fan-coil jednotky (FCU), no v kompaktnej svetelnej forme. Zariadenie nie je určené pre maloobchodný predaj, pretože si vyžaduje odborný návrh ako súčasť komplexného riešenia TZB. 

Systém Multi-LED

Produktové označenie pre technologický podstropný potrubný systém zložený nielen z osvetľovacích zariadení. Nepatrí medzi bežné osvetľovacie systémy, ale predstavuje novú integrálnu súčasť technického zariadenia budov, teda zlúčeného súboru systémov pre osvetlenie, vykurovanie, chladenie, ventiláciu a ich energetické riadenie. 

Energetická multifunkčnosť

Technická schopnosť jediného zariadenia (modulu) zabezpečiť súčasne niekoľko energetických funkcií (svetlo, teplo, chlad, vzduch) bez potreby viacerých samostatných systémov. Znižuje spotrebu technických materiálov a zvyšuje prevádzkovú efektívnosť prostredníctvom LED osvetľovania integrovaného v module. 

Technický proces – KVST [5]

Slovenská skratka pre „Kombinovanú výrobu svetla a tepla“. Ide o nový proces, ktorý využíva teplo generované elektrickým odporom zapnutých polovodičových LED prvkov ako nový energetický minizdroj, čím premieňa pôvodne odpadové teplo na užitočnú energiu.

Logická hydraulika

Sústava štyroch elektricky riadených ventilov zapojených v sériovo-paralelnom usporiadaní v rámci štvorventilového modulu. Umožňuje automatické prepínanie medzi tromi pracovnými režimami bez potreby fyzických zásahov alebo výmeny komponentov. Predstavuje základ riadenia energeticky multifunkčných – štvorventilových modulov v jednom stropnom systéme. 

Svetelné teplo (teplo z umelého svetla)

Odčerpateľná tepelná zložka vznikajúca počas prevádzky LED čipov, ktorá sa zachytáva pracovnou kvapalinou v chladiacom okruhu a je ďalej využiteľná ako nízkoteplotný zdroj (minizdroj) energie na vykurovanie alebo predohrev. Predstavuje nový tepelný zisk pre energetickú multifunkčnosť a novú tepelnú bilanciu Multi-LED systému v troch pracovných režimoch. 

Pracovný režim PR1

Základný svetelný režim so zapnutým LED osvetlením alebo aj ventiláciou cez integrovaný dvojitý radiálny ventilátor v module. LED čipy sú aktívne chladené pracovnou kvapalinou priamym prietokom cez základnú časť modulu (základňu), čím sa zabezpečuje ich stabilita a predlžuje životnosť polovodičov. Svetelné teplo z tohto pracovného režimu je využiteľné ako podpora pri príprave teplej vody (TV). Prevádzka pracovného režimu PR1 je vhodná v prechodnom období, keď nie je potrebná zmena teploty v priestore. 

Pracovný režim PR2

Kombinovaný režim s cirkuláciou teplonosnej pracovnej kvapaliny cez integrované výmenníky tepla, ktoré umožňujú vykurovanie alebo chladenie modulom aj počas prevádzky LED osvetlenia. Pracovná kvapalina zároveň odoberá sekundárne svetelné teplo z LED čipov, integrovaných v hliníkovej základni modulu. Dochádza tak k takzvanej dvojitej tepelnej výmene v jednom integračnom module. Prevádzka pracovného režimu PR2 je vhodná na letné klimatizovanie aj vykurovanie počas silnej zimy. 

Dvojitá tepelná výmena v pracovnom režime PR2

Prevádzkový stav modulu, pri ktorom pracovná kvapalina najskôr cirkuluje cez výmenníky tepla na úpravu teploty vzduchu (vykurovanie alebo chladenie) a následne absorbuje sekundárne svetelné teplo generované zapnutými LED čipmi, uložené v spodnej časti dutej trojuholníkovej základne modulu.

Tento proces sa realizuje pomocou systémového čerpadla a zvyšuje energetickú efektívnosť. V zimnom pracovnom režime umožňuje svetlom predhrievanie vody pre hlavný zdroj tepla (kotol) pomocou svetelného tepla z LED, zatiaľ čo v lete zvyšuje efektívnosť klimatizácie aktívnym odvádzaním svetelného tepla z klimatizovaného priestoru. 

Nový pracovný režim PR3

Autonómny režim temperovania priestoru výlučne pomocou svetelného tepla z LED čipov pri uzavretom hydraulickom okruhu modulu, ktorý je zabezpečený dvomi krajnými ventilmi. Svetelné teplo je odvádzané vnútorným prúdením vody pomocou integrovaného modulového miničerpadla priamo do modulových výmenníkov tepla.

Následne dochádza k distribúcii svetelného tepla do priestoru zhora nadol pomocou zapnutého modulového ventilátora – vždy počas osvetľovania v tomto pracovnom režime. Umelé osvetlenie tak vytvára takzvaný rekuperačný efekt modulmi pod stropom, podobne ako v pracovnom režime PR2, avšak bez potreby aktivácie hlavného zdroja tepla v kotolni. Prevádzka pracovného režimu PR3 je vhodná najmä počas miernej zimy. 

Energeticky multifunkčný modul (prvá úroveň Multi-LED hardvéru HW1)

Technické zariadenie novej generácie typu Multi-LED, ktoré integruje LED osvetlenie, teplovzdušné vykurovanie, stropnú klimatizáciu a ventiláciu do jedného funkčného celku. Tento celok pracuje so štvorventilovou logikou svojej hydrauliky v troch rôznych pracovných režimoch pre všetky sezóny v roku. Trojrežimový modul predstavuje jedinú integračnú náhradu za dva samostatné systémy TZB (LED + FCU). 

Energeticky multifunkčný stropný systém z modulov (druhá úroveň Multi-LED hardvéru HW2)

Sústava modulov typu Multi-LED zapojených v paralelnom potrubnom systéme a napojených na dva zdroje tepla – vykurovacie teplo (napríklad z tepelného čerpadla – TČ) a svetelné teplo generované LED čipmi v moduloch. Elektrické napájanie a dátová komunikácia sú centralizované z jedného elektrického rozvádzača, označeného ako Multi-LED rozvádzač. Tento celok tvorí plnohodnotné technické zariadenie budovy so zjednoteným ovládaním, zníženou spotrebou elektroinštalačného materiálu a s potenciálom pre adaptívnu automatickú prevádzku. 

Energeticky multifunkčné dielo v budove

Komplexný technický celok, ktorý pozostáva z centrálneho Multi-LED rozvádzača, zo systému vzájomne prepojených modulov s tepelne zaizolovaným potrubím (párom) napojeným na hlavný zdroj tepla alebo chladu a zo systému merania a regulácie (MaR). Súčasťou tejto funkčnej sústavy vykurovaco-osvetľovacieho diela je aj systém prípravy teplej vody (TV) so zásobníkom tepla a systémovým výmenníkom.

Celé dielo je riadené softvérovo cez dotykový panel MaR a monitorované sústavou svetelných a teplotných senzorov. Predstavuje plnohodnotný a energeticky optimalizovaný systém technického zariadenia budovy, ktorý zabezpečuje celoročné svetelné a tepelné požiadavky (komfort) s jednotným napájaním, riadením a diagnostikou. 

Služba celoročného komfortu

Nová energetická služba, ktorú možno poskytovať  podľa zákona č. 321/2014 Z. z. o energetickej efektívnosti [7] oprávnenou právnickou osobou na báze technológie Multi-LED, potvrdená prvým Osvedčením [1]. Služba zahŕňa poskytovanie svetelného, tepelného a klimatizačného komfortu počas celého roka ako integrovaného riešenia pre budovy. 

Teória štyroch ventilov (2 + 2 ventily)

Nový technický jazyk v oblasti technického zariadenia stropov budov novým alternatívnym spôsobom – multifunkčne. Multifunkčné technické zariadenie (MTZ) predstavuje potenciál pre novú éru výstavby a zabezpečovania stropov budov a skleníkov jednoduchším a efektívnejším spôsobom.

Technológia s inteligentnou adaptívnou vlastnosťou umožňuje efektívnejšie využívanie technických materiálov podľa aktuálneho ročného obdobia. Novoobjavená teória sezónnych zmien voľného smeru prúdenia pracovnej kvapaliny modulom prináša zároveň novú kombinatoriku užívateľských funkcií modulu F1 až F8 (tab. 1). 

Mobilné pestovateľské jednotky

Kontajnerové alebo modulárne riešenia vybavené jednou technológiou Multi-LED, ktoré umožňujú celoročné a energeticky efektívne pestovanie rastlín mimo klasických skleníkov a budov s možnosťou flexibilného umiestnenia podľa sezónnych a logistických potrieb. 

Potravinová batéria

Metaforické označenie mobilnej alebo stacionárnej pestovateľskej jednotky s technológiou Multi-LED, ktorá akumuluje energiu vo forme biomasy (rastlinnej produkcie) a zároveň slúži ako flexibilný regulačný prvok na podporu stability elektrickej Smart siete a štartu z tmy [15, 16]. 

MESLED

Akronym používaný autorom ako interné pomenovanie výskumného startupu, pod ktorým vznikla technológia Multi-LED. Nepredstavuje obchodnú značku technického riešenia.

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

Pracovný režim	Názov pracovného režimu	Cirkulácia pracovnej kvapaliny (vody) zdrojom	Kombinatorika multifunkčnej prevádzky Multi-LED systému z modulov typu F8
			Osem užívateľských funkcií	Označ.
PR1	Základný svetelný režim	Prietok vody systémovým čerpadlom cez modulovú základňu s LED čipmi	Ventilácia	F1
			Osvetlenie	F2
			Osvetlenie s ventiláciou	F3
PR2	Kombinovaný režim svetlo + teplo	Prietok vody systémovým čerpadlom cez výmenníky tepla a následne aj cez systémovú základňu s LED čipmi	Teplovzdušné vykurovanie	F4
			Vykurovanie s osvetlením	F5
			Stropná klimatizácia	F6
			Klimatizácia s osvetlením	F7
PR3	Autonómny režim teplo zo svetla	Uzavretý cirkulačný okruh pracovnej vody modulovým miničerpadlom	Nízkoteplotné temperovanie s generovaným teplom z LED čipov osvetlenia	F8

 

Technický princíp systému multi-LED s modulmi typu F8

Osvetľovaco-tepelný modul predstavuje technickú inováciu v oblasti zabezpečenia vnútorného prostredia budov, ktorá v jednom kompaktnom zariadení integruje štyri základné funkcie TZB – osvetlenie, vykurovanie, chladenie a ventiláciu (4 v 1 podľa [1]). Zariadenie je pri pohľade v reze navrhnuté v charakteristickom trojuholníkovom tvare, ktorý umožňuje efektívne rozmiestnenie LED čipov, výmenníkov tepla, prietokových ventilov a ventilátora.

Základnou inováciou je využitie kvapalinového chladenia LED čipov, ktoré počas prevádzky generujú odpadové svetelné teplo. Toto teplo sa aktívne odčerpáva cez pracovnú kvapalinu (napríklad voda alebo glykol), ktorá prechádza základňou modulu. Tým sa zabezpečuje nielen ochrana LED čipov, ale aj transformácia svetelného tepla na nový zdroj nízkoteplotnej energie (minizdroj).

Jadro hydraulického systému tvorí logická hydraulika štyroch elektricky riadených ventilov v sériovo-paralelnom zapojení podľa obr. 1. Tieto ventily umožňujú inteligentné prepínanie medzi tromi hlavnými pracovnými režimami bez potreby mechanických zásahov alebo výmeny komponentov. Hlavné pracovné režimy sú:

• PR1 (Základný svetelný režim): LED osvetlenie a ventilácia s aktívnym chladením LED čipov pracovnou kvapalinou,
• PR2 (Kombinovaný režim): konvenčné vykurovanie alebo chladenie s prídavným ziskom tepla zo zapnutých LED čipov,
• PR3 (Autonómny režim): uzavretý okruh temperovania priestorov iba pomocou svetelného tepla z LED čipov.

Modul na obr. 2 je vybavený dvojitým radiálnym ventilátorom so stredovým elektromotorom, ktorý zabezpečuje efektívnu výmenu vzduchu a distribúciu tepla a chladu do priestoru. Vďaka tejto konštrukcii s tromi pracovnými režimami je modul schopný pokrývať potreby interiérov počas celého roka bez nutnosti používania samostatných zariadení pre každú funkciu zvlášť.

Technický princíp modulu Multi-LED systému tak ponúka nový štandard technického zabezpečenia stropov budov s výraznou úsporou priestoru, nákladov a potenciálne nízkou energetickou spotrebou.

Komerčný potencál svetelného tepla a priemyselná stratégia využitia

LED technológia je dnes uznávaná ako najefektívnejší zdroj umelého osvetlenia v priemyselných budovách. Technológia Multi-LED nie je určená pre bežný maloobchodný predaj, ide o systémové riešenie, ktoré presahuje kategóriu štandardného osvetľovacieho tovaru a vyžaduje si odborný návrh v rámci celku TZB. Popri svetelnom výstupe však LED čipy generujú teplo, ktoré sa bežne považuje za „odpadové“.

Prvým zásadným faktom je, že toto takzvané odpadové teplo sa v technickom návrhu Multi-LED [1] premieňa na nový zdroj užitočnej energie podľa aktuálneho ročného obdobia. V prechodných obdobiach sa svetelné teplo v pracovnom režime PR1 aktívne odvádza systémovým čerpadlom s nízkymi nárokmi na výkon, zatiaľ čo v pracovnom režime PR2 počas silnej zimy alebo klimatizovania sa zapája aj hlavný zdroj tepla/chladu.

Počas miernej zimy sa svetelné teplo distribuuje priamo vzduchom v pracovnom režime PR3 prostredníctvom ventilátorov v moduloch, čím vzniká nový fyzikálny pocit „konvenčného svetelného tepla“ na pokožke. To je hlavným dôvodom komercializácie tohto riešenia 4 v 1 podľa [1].

Druhým zásadným faktom je, že svetelné teplo nie je konštantou, ale koeficientom k_HEAT, ktorý závisí od svietivosti a aktuálnej trhovej hodnoty účinnosti LED zdrojov (lúmen/Watt). Tento koeficient sa vývojom LED stále znižuje, ale nikdy nedosiahne teoretickú nulu. Prognóza jeho vývoja je nasledujúca [2, 3]:

• rok 2014: k_HEAT ≈ 0,6,
• rok 2019: k_HEAT ≈ 0,5,
• rok 2025: k_HEAT ≈ 0,38,
• rok 2035+: k_HEAT ≈ 0,3 – 0,25.

Teoretická hranica k_{HEAT MIN} ≈ 0,1 sa nedá dosiahnuť. Preto je optimálnou stratégiou nehľadať nulový tepelný výkon LED polovodičov, ale pretvoriť ich tepelné straty na úžitkové teplo, čo predstavuje základ konceptu svetelného tepla v multifunkčnej technológii Multi-LED 4 v 1 podľa [1]. V tomto koncepte svetelné teplo nie je faktorom predaja pre investora, ale používateľským benefitom pre koncového užívateľa, ktorý využíva len jednu technológiu namiesto viacerých [4]. Tento prístup sa označuje ako integračný (all-in-one).

Táto integračná vlastnosť je zásadným faktorom úspechu budúceho predaja potenciálneho dodávateľa Multi-LED systému formou „diela na kľúč“, teda ako kompletnej dodávky technického zariadenia pre takzvanú holostavbu.

Zároveň predstavuje významnú konkurenčnú výhodu pri cenotvorbe celkového diela. Multi-LED umožňuje alternatívne technické zabezpečenie stropov systémom „všetko v jednom“ (4 v 1). Konkurenčnou výhodou nového dodávateľa TZB je nižšia celková obstarávacia cena a vyššia technická životnosť LED osvetlenia s kvapalinovým chladením. Samotné svetelné teplo tu zohráva skôr úlohu marketingového nástroja na využitie inak nevyužitej odpadovej energie než hlavného predajného argumentu.

Z pohľadu energetickej politiky sa týmto otvára nový prístup k definícii technického procesu KVST (Kombinovaná Výroba Svetla a Tepla ) modulom podľa [5] a obr. 3. V tomto procese svetlo z modulu neplní iba osvetľovaciu funkciu, ale stáva sa plnohodnotným nízkoteplotným energetickým komponentom systému budovy.

Obr. 3 vizualizuje pomocou termovízie princíp distribúcie svetelného tepla modulom počas autonómneho pracovného režimu PR3. V tomto novom pracovnom režime modul Multi-LED systému aktívne nasáva chladný stropný vzduch zhora a zároveň sálavé rekuperované teplo z priestoru pod sebou. Obe zložky tepelnej energie sú následne kombinované a vyfukované ventilátorom smerom nadol.

Výsledný prúd z modulu pozostáva z pôvodne chladného vzduchu ohriateho svetelným teplom z LED osvetlenia a späť odovzdaného sálavého tepla. Tento proces predstavuje praktickú realizáciu rekuperácie modulom na základe teórie konvenčného svetelného tepla prostredníctvom princípov logickej hydrauliky v module. Obr. 3 zároveň potvrdzuje funkčnosť konceptu KVST ako nového nízkoteplotného zdroja energie, efektívne využiteľného v reálnych podmienkach budov.

V ďalšom čísle prinesieme pokračovanie článku, ktoré sa bude venovať SWOT analýze systému, súhrnu jeho vývoja a záverečným odporúčaniam. 

TEXT A FOTO:  Ing. Zoltán Kováč, technický odborník s viac ako 15-ročnou praxou v oblasti techniky, svetelnej techniky a EPC projektov s garantovanou úsporou energie

Článok bol uverejnený v časopise TZB Haustechnik 4/2025.