Když nastoupí vedra II.

Autor: Roman Rak · 15.7.2007 · Článek #142 ·

Tak nám to pěkně vyšlo. S druhým dílem vámi zatím hojně čteného článku o tom, jak se připravit na letní vedra, přicházíme ve chvíli, kdy nastupují tepla vpravdě tropická. Možná vás potěší i informace o tom, že autor článku má již teď rozepsaný díl třetí...

Ohřev vody ztrátovým teplem osvětlení

Abychom si udělali orientační představu, o kolik nám světelný zdroj může v maximální hodnotě zvýšit teplotu v nádrži, můžeme si vzít na pomoc běžně používané tabulky na ohřev vody pomocí ponorného elektrického ohřívače - topení.

Jako pomůcku využijeme tabulku kterou před více jak 40 lety publikoval tehdejší akvaristický guru prof. Günter Sterba ve své knize Akvaristika [1] (str.62), jež je biblí mnoha generací akvaristů. Je zde uváděna jednoduchá metoda, jak při znalosti objemu akvária a požadovaného ohřátí vody ve stupních Celsia zvolit příkon ponorného ohřívače.
Nezbytný příkon topného tělesa [W] v závislosti na objemu nádrže o požadovaném ohřátí

Pro ty mladší jen jako zajímavost uvádím, že v 60. letech minulého století se topení s termostatem v dnešní podobě vůbec nepoužívala a proto bylo nutné vypočítat (graficky určit) požadovaný příkon a pořídit topení s "watáží" nejblíže podobnou se získanými zaokrouhlenými hodnotami. Tato tabulka dnes pořád platí, i když ji nikdo zřejmě už nepoužívá. Stačí jen odhadnout požadovaný příkon topítka, ten předimenzovat a koupit ohřívač s termostatem (jen běda, selže-li termostat...).

Tabulku použijeme pro obrácenou úlohu. Známe množství vyzařovaného tepla od světelných zdrojů a objem nádrže. V nádrži je dostatečná cirkulace vody (výkonný externí nebo interní filtr), takže se voda rovnoměrně ohřívá v celé nádrži. Horní kryt nádrže je uzavřený a nepropouští teplo. První podmínka je reálná, druhá sice teoretická, neboť určité teplo je vždy odváděno alespoň v minimální míře. Tato modelová situace nám ale dokáže určit, o kolik by se zvýšila maximální teplota v nádrži za krajně nepříznivých okolností a ukáže nám nutnost řešit odvod tepla z prostoru horního víka nádrže.

Modelový příklad:
Předpokládejme, že máme osmdesátilitrovou rostlinnou nádrž s uzavřeným horním krytem a chceme pěstovat rostliny náročnější na světlo. Zkusme porovnat zářivky T8 a T5 s klasickou i elektronickou předřadnou jednotkou, a to v případech, kdy předřadná jednotka je umístěna pod horním krytem a mimo něj. Jako příklad uvedeme zářivku T8 o příkonu 58 W a T5 s příkonem 54 W. Přidáme i hypotetickou HQI lampu s příkonem 50 W taktéž umístěnou kompletně pod horním krytem.

Pro výpočet použijeme procentuální tepelné ztráty na samotné trubici zářivky a na předřadníku z tabulky Tab. 3:

Zářivka T8 s klasickou předřadnou jednotkou pod nevětraným krytem nádrže:
Ztrátový tepelný výkon pro T8 58 W je 58 x (0.50+0.30) = 46,4 W

Zářivka T8 s klasickou předřadnou jednotkou mimo kryt nádrže:
Ztrátový tepelný výkon pro T8 58 W je 58 x (0.50+0) = 29 W

Zářivka T5 s elektronickou předřadnou jednotkou mimo kryt nádrže:
Ztrátový tepelný výkon pro T5 54 W je 54 x (0.40+0) = 21,6 W

Podobně provedeme ostatní výpočty a výsledné tepelné ztráty uvedeme v následující přehledné tabulce:

Výpočtem jsme zjistili množství ztrátového tepla světelného zdroje, které je "uzavřeno" pod horním krytem nádrže pro různé varianty typu osvětlení. Nyní, za předpokladu, že všechno ztrátové teplo ohřeje vodu v nádrži, určíme výsledný tepelný rozdíl ohřevu.

Na Grafu 1 vybereme přímku, odpovídající objemu nádrže 80 litrů. Pro názornost a přehlednost ji překreslíme do Grafu 2.

Na svislé ose ztrátového tepla pod horním krytem nádrže nalezneme bod množství generovaného tepla. Tímto bodem vedeme vodorovnou pomyslnou přímku protínající křivku (přímku) pro objem nádrže 80 litrů. No vodorovné ose pak odečítám teplotu, o kolik se ohřeje voda v nádrži. Na Grafu 2 jsou záměrně z tabulky Tab.4 vzaty dva světelné zdroje – zářivky.

První případ je situace, kdy zářivka T8 s klasickou předřadnou jednotkou pod horním krytem nádrže ohřívá vodu o 5,1 stupně Celsia, zatímco zářivka T5 s elektronickou předřadnou jednotkou mimo horní kryt nádrže pouze o 2.3 stupně Celsia! Rozdíl o téměř celé 3 stupně v letních horkých měsících může být v některých situacích velmi nepříjemný až kritický. Toto porovnání bylo vybráno záměrně, abychom ve dvou mezních případech ukázali výhodnost zářivky T5 nejenom při porovnání světelných a ekonomicko-provozních charakteristik, ale i z pohledu ohřevu vody v nádrži.

Uvažujeme-li zářivku T8 s klasickým nebo elektronickým předřadníkem, který je (v obou případech) mimo horní kryt nádrže, musíme si uvědomit (viz Tab. 4), že množství tepla vyzářeného zářivkovou trubicí je v obou případech stejný (29W) a tedy ohřev vody volbou typu předřadné jednotky nijak neovlivníme a bude stejný. Zůstávají ale všechny ostatní důvody, proč použít elektronický předřadník – vysoká životnost, minimální hlučnost, nízké provozní náklady (ovšem za cenu vyšších počátečních investic).

Doba svícení

Množství ztrátového tepla můžeme regulovat i dobou činnosti světelných zdrojů. Čím dále svítíme, tím více pochopitelně i topíme. Doba svícení je ale určena požadavky rostlin a živočichů, jež v nádrži pěstujeme či chováme. Obvykle to bývá 8 až 12 hodin.

U velkých nádrží bývá řešením více světelných zdrojů (i o různém výkonu), jež postupně zapínáme a zhasínáme, takže světelný tok je podobný jako v přírodě – ráno je intenzita světla menší, postupně se zapínáním dalších osvětlovacích těles narůstá, kulminuje v poledních hodinách. Následně s rostoucím časem ubývá do pozdních večerních hodin, kdy jsou všechny světelné zdroje vypnuty.

Renomovaní výrobci světelných zdrojů pro akvaristiku vyrábějí i světelné rampy, kombinované s nočním osvětlením, napodobujícím svit měsíce dokonce ve všech jeho lunárních fázích. Dokonce lze koupit i zařízení, napodobující bouřkové blesky. Světelné zdroje jsou napojeny přes počítačovou řídící jednotku a propojeny s elektronicky řízenými čerpadly, takže u mořských nádrží dochází i k čeření hladiny či vlnám jako v přírodě. Napodobování přírodních podmínek může být důležité pro importované ryby či korály pro jejich co nejlepší aklimatizaci a následné rozmnožování.

Postupným zapínáním světelných zdrojů se vyvarujeme situace, kde jsou zapnuty všechny světelné zdroje po celou dobu požadovaného osvitu, tj. rovnoměrně vysoké intenzitě světla, která je v průběhu zapnutého osvětlení konstantní. Takto můžeme optimalizovat náklady na elektřinu nebo zabránit nežádoucímu růstu řas, stejně tak zbytečnému tepelnému přetěžování nádrže.

Mechanické časové spínací hodiny dnes pořídíme v ceně pod 100 Kč. Je výhodnější, když můžeme mít více světelných zdrojů a ty regulovat dobou jejich zapnutí.

Pěstujeme-li např. rostliny plovoucí na hladině, můžeme v okamžiku, kdy začínají zarůstat celý její povrch, zapnout přídavné osvětlení, abychom vyrovnali pokles intenzity světla ve spodnějších hloubkách nádrže. Samozřejmě, že nejjednodušší způsob je fyzická redukce (protrhávání nebo odstraňování) rostlinného pokryvu vodní hladiny a/nebo horních vrstev vodního sloupce nádrže. Přisvicováním můžeme napomoci jen časovému oddálení našich "redukčních aktivit".

Existuje ještě jeden důvod, proč kombinovat světelné zdroje. Zářivky pro akvaristické účely se vyrábějí v různých světelných spektrech, přizpůsobených obecně dvěma požadavkům:

na podporu růstu rostlin a na zvýraznění barevnosti ryb a interiéru nádrže. Jestliže pozorujeme život v akváriu především večer (po návratu ze zaměstnání apod.), je účelné přes den svítit zářivkami určenými pro rostliny.

Naopak večer nádrže osvětlujeme zdroji zvýrazňujícími barevnost. Záleží na našich požadavcích na celkový design a výsledný vzhled nádrže. Kombinací světel s různým spektrálním složením a s jejich rozmístěním nad nádrží dosáhneme zajímavých světelných efektů, navíc různě zvýrazníme hloubku (prostorovost) či dynamičnost nádrže. Výrobci zářivkových trubic obvykle doporučují kombinaci obou typů spekter (pro rostliny, barevnost), neboť se vhodně doplňují.

Budoucnost světelných zdrojů

Patřím k těm již dříve v akvaristice narozeným. Pamatuji si knihu Karla Krčka Akvaristická technika. Dodnes ji mám ve své knihovně a s láskou i nostalgií v ní občas listuji. V kapitole o osvětlení se vedla polemika, zda je výhodnější pro akvárium žárovka nebo zářivka. Žárovky tehdy spíše i v běžné každodenní občanské praxi převládaly jako nejrozšířenější světelný zdroj. Zářivky se sice již masově vyráběly, ale nebyly žádné se speciálně určeným spektrem pro akvária. Pro žárovku hovořila vysoká věrnost barevného podání a nižší pořizovací cena oproti zářivce. Zářivku zase upřednostňovaly podstatně nižší provozní náklady. Karel Krček udělal filištínský závěr – záleží na vkusu a potřebám, co nám vyhovuje.

O nějakých pětadvacet let žárovky z akvárií zcela vytěsnily zářivky, dnes označované T8. Na ty jsme si všichni zvykli, stejně jako ti starší na žárovku. Diskutujeme a hádáme se mezi kolegy, jaký výrobce je lepší, která trubice má lepší vlastnosti, spektrum apod.

Malá většina z nás již používá zářivky T5, které s sebou přinášejí zcela nové vlastnosti a tedy možnosti uplatnění. Větší intenzita, pronikavost světla umožňuje stavět nádrže hluboké 60-80 cm, ve kterých nám krásně rostou rostliny. Ekonomičnost provozu je výhodnější oproti zářivkám T8. Jak je to s teplem a ohřevem vody v nádrži, jsem ukázal v tomto příspěvku a myslím, že situace je zde též zcela jasná. Jen ty prvotní pořizovací náklady jsou pořád dost vysoké na to, abychom je běžně všude používali.

Jestliže budeme váhat, zda T5 nebo T8, odpověď je zcela jasná a stejná, jakou již řekl Karel Krček ve své knize při rozhodování mezi žárovkou a zářivkou: záleží na našem vkusu a potřebách. Já dodávám, včetně finančních možností. Časem ale i pořizovací cena modelů T5 bude klesat, takže budoucnost je jasná. Patří T5kám. Ale jelikož jsem technik, jízlivě, abych byl přesný, podotýkám: jen blízké budoucnosti, tak možná pěti let!

Při studiu materiálů o současných zářivkách na stránkách předních výrobců osvětlovacích trubic jsem narazil na osvětlení pomocí LED.

Je očekáváno, že kolem roku 2010 budou dostupné bílé LED, jež budou vstupovat do přímé konkurence se všemi ostatními zdroji světla a budou v účinnosti současné známé zdroje předbíhat. Cílem je, aby se na trh dostaly cenově přijatelné LED se světelnou účinností 160 lm/W a vyšší.

LEDkám bude patřit další období budoucnosti. Během několika mála let (podle různých zdrojů 3 až 5 let) se budou průmyslově vyrábět LEDky se světelným tokem srovnatelným s výbojkovými lampami, vysokou účinností přeměny elektrické energie ve světlo a tedy, v souvislosti s primární tématem tohoto příspěvku, s minimálním ztrátovým teplem.

A právě technologické problémy s teplem jsou paradoxně zatím limitujícím faktorem pro masové rozšíření. Je totiž nutné vyřešit vnitřní chlazení samotných LEDEk. Stejný problém je u počítačových čipů se stále větší výkonností, kde je na malé ploše integrováno nepředstavitelné množství polovodičových komponent. A stačí si uvědomit, jak jde u počítačových čipů pokrok mílovými kroky kupředu, abychom pochopili, že podobná revoluce nastane i u světelných LED zdrojů.

Ty jsou nejenom ekologické (žádné plyny, jedovaté látky, znečišťující okolí), ale lze vyrobit i světlo emitující diody s předem zadanou vlnovou délkou (na rozdíl od omezeného alchymistického míchání náplní a luminiscentů u zářivek). A to je již krůček ke konstrukci ideálních světel pro pěstební a chovatelské potřeby. LED diody je možné sdružovat podle filosofie RGB (red – green – blue) u obrazovek do světelných polí a jejich složení (světelné spektrum) měnit podle potřeb v čase, tak jak budeme potřebovat či jen si přát.

Závěr

Na závěr příspěvku shrneme základní doporučení ke snížení teploty vody v nádrži, ohřívané ztrátovým teplem světelného zdroje umístěném pod uzavřeným horním krytem nádrže:

1) Doporučuje se používat pouze nezbytně výkonný světelný zdroj.
2) Používáme-li zářivky, je vhodné umisťovat jejich předřadné jednotky mimo prostor horního krytu nádrže. Kompaktní osvětlovací tělesa se zabudovanými předřadnými jednotkami pod krytem nádrže generují podstatně více tepla, než jen samotné zářivkové trubice.
3) Jsou-li předřadné jednotky zářivek umístěny pod krytem nádrže, je výhodné používat společné předřadníky pro více zářivek najednou. Ztrácíme ovšem obvykle možnost zapínání/vypínání jednotlivých trubic. Upřednostňujeme elektronické předřadné jednotky před klasickými.
4) Je výhodnější používat zářivkové trubice T5 než T8.
5) Je lepší mít více světelných zdrojů, které můžeme různě v čase zapínat a vypínat, než jeden neregulovatelný světelný zdroj s plnou intenzitou po celou pracovní dobu osvitu nádrže.
6) Výbojky HQI v uzavřeném prostoru krytu nádrže nepoužívat.
7) Je účelné vhodně architektonicky-technicky řešit horní kryt nádrže.
8) Důležité je zajistit správnou ventilaci či chlazení.

Posledními dvěma body se budeme podrobně zabývat v dalším pokračování tohoto příspěvku.

Literatura:


[1] Gunter Sterba, Akvaristika, nakladatelství Práce, 1972, 368 stran, 2. vydání

Fyzikální veličiny: http://www.fotografovani.cz/...