Když nastoupí vedra I.

Autor: Roman Rak · 12.6.2007 · Článek #136 ·

Určitě to znáte. Uzavřený horní kryt nádrže osázený osvětlovacími tělesy, která generují značné množství tepla. Ztrátové teplo ve svém důsledku, pokud nepřijmeme účinná opatření, ohřívá obvykle nežádoucím způsobem vodu v nádrži. Zkusme si v tomto článku shrnout, jak můžeme tento jev zmírnit, nebo ho zcela eliminovat!

Popsaná skutečnost je kritická prakticky u všech typů tropických akvárií. Jak u malých nádrží, tak u rostlinných akvárií většího objemu, mořské biotopy nevyjímaje. Chceme-li například dosáhnout relativního výkonu 0,5 W na litr vody, tedy světelných podmínek odpovídajících rostlinám se středními nároky na světlo (alespoň dle obvyklých a osvědčných doporučení), tak se u nádrže s 500 litry dostaneme k úctyhodnému příkonu 250 W v zářivkách!

V závislosti na konkrétních podmínkách řešení odvodu tepla (ventilace) z prostoru horního krytu nádrže a na teplotě okolního prostředí může ztrátové teplo od světelného zdroje zvýšit teplotu v nádrži až o několik stupňů (v praxi často 2 až 8°C). Vyšší teplota v nádrži než 28°C obvykle dlouhodobě neprospívá ani rybám, ani rostlinám (pochopitelně, existují výjimky, kdy je tato teplota žádoucí – například u terčovců). Biologicko-chemické procesy při vyšší teplotě probíhají intenzivněji, je tedy pak mnohem náročnější udržet v nádrži biologickou rovnováhu. Pro mořská akvária je teplota 30°C již nepřijatelná a pro většinu jejich obyvatel dokonce smrtelná.

Výběr světla z pohledu nežádoucího ohřevu vody

Jedním ze základních parametrů, určujících účinnost světelného zdroje, je tzv. světelná účinnost, která se udává v lumenech na watt [lm/W]. Jinými slovy udává, kolik světelného toku vyzáří daný zdroj na jeden watt vstupní elektrické energie.

Teoretické maximum se stoprocentní světelnou účinností je 683 lm/W, tj. veškerá elektrická energie příkonu světelné jednotky je proměněna ve světlo. Čím větší je tedy světelná účinnost, tím více světla získáme z jednoho wattu dodané elektrické energie.

Základní přehled různých zdrojů světla podle jejich světelné účinnosti je uveden v následující tabulce, včetně nového, perspektivního zdroje LED (Light Emitting Diod, což je známá světelná dioda uzpůsobená k intenzivnímu svícení), jež v několika mála letech může způsobit revoluci v osvětlovací technice:

Teoreticky bychom pro akvária, kde potřebujeme velkou světelnou intenzitu, měli vybírat světelné zdroje s co největší světelnou účinností a s co nejvyšší relativní světelnou účinností (tyto zdroje jsou zároveň i ekonomicky nejhospodárnější).

Otázkou je, zda opravdu potřebujeme nádrže tak intenzivně osvětlovat, zda je technicky (včetně bezpečnosti!) i finančně vhodné provozovat právě vybraný typ světelného zdroje. A v neposlední řadě je zde právě ona palčivá otázka, do jaké míry vybraný světelný zdroj a jeho zabudování do celkového technicko-architektonického konceptu nádrže mají vliv na teplotní podmínky v nádrži. Ať už z dlouhodobého pohledu průměrné roční teploty, nebo z pohledu několika mála dní, týdnů či měsíců, kdy letní vedra drasticky mění okolní podmínky a mají přímý, krátkodobý dopad na teplotní poměry v nádrži. V tomto období může vzrůst teplota v nádrži i na 34 a více stupňů.

Na světelný zdroj obecně (tedy i pro akvária) musíme proto nahlížet i jako na zdroj tepelný.

Pokud je horní kryt nádrže uzavřený a nemá dostatečně výkonnou ventilaci, která by teplo odváděla pryč, teplem světelného zdroje se ohřívá horní vrstva vody v nádrži. Ta díky cirkulaci (většina nádrží má u hladiny výtok z vnitřního nebo vnějšího filtru) postupně rovnoměrně ohřívá celý vodní objem.

Ohřev vody v nádrži ztrátovým teplem ze světelného zdroje má pozitivní i negativní dopad. Pokud teplota v místnosti s akváriem je nižší než požadovaná teplota vody, můžeme teplo světelného zdroje použít pro běžný ohřev vody v nádrži. Takovýto ohřev je svým způsobem přirozený, protože v noci dochází k poklesu teploty o několik stupňů. Tepelný rozdíl mezi dnem i nocí může být v přírodě řádově i několik stupňů.

Tato skutečnost ale nemusí platit u velkých nádrží (v řádu stovek litrů vody), protože vodní masa má obrovskou tepelnou inercii (setrvačnost), takže nemusí tak rychle vychladnout jako malá nádrž, takže voda si po určitém čase drží stejnou teplotu ve dne i v noci.

Je-li ovšem pokojová teplota na úrovni požadované teploty vody (což například v panelových bytech obvykle bývá), nedostatečně řešený odvod tepla od světelného zdroje může zvyšovat teplotu v akváriu nad požadovanou hranici. To je případ právě teplých jarních či letních měsíců.

Jak minimalizovat teplo od světelných zdrojů?

Než začneme odpovídat na položenou otázku, musíme si říci, že se jedná o komplexní úlohu, kde je nutné si prvořadě uvědomit, k jakému účelu chceme osvětlení nádrže použít – zda se jedná o rostlinou či společenskou nádrž, výsek zvoleného biotopu, mořskou nádrž reefového typu, vytírací nebo odchovné akvárium. Z toho vyplývají technická specifika a volba vhodného světelného zdroje (správně zvolené spektrum, světelná účinnost [lumen/Watt], příkon, doba svícení apod.), který zaručuje vhodné světelné podmínky daného typu nádrže (s ohledem na konkrétní druhy rostlin, ryb či ostatních živočichů).

Od zvoleného typu světelného zdroje se ale také odvíjí množství generovaného ztrátového tepla, které musíme následně regulovat. Základní filosofický přístup regulace tepla ze světelného zdroje je znázorněn na níže uvedené myšlenkové mapě.

Výběr typu světelného zdroje a umístění jeho komponent

Množství tepla, vyzařovaného samotným světelným zdrojem, které v konečném důsledku může ohřívat vodu v nádrži nežádoucím způsobem, můžeme ovlivnit i volbou osvětlovací technologie a časem, po který světelný zdroj pracuje – tedy svítí a zároveň ohřívá. Lze též využít kombinaci předchozího, tj. použití různých světelných zdrojů, pracujících v různých časových intervalech. Tímto přístupem můžeme dosáhnout i různých prostorových vzhledů nádrže během dne.

Doba, kdy jsme nádrže osvětlovali žárovkami, je za námi. Dnes je osvětlujeme zejména zářivkami v provedení T8 (starší provedení, průměr trubice 26 mm) nebo T5 (nové provedení s průměrem trubice 16 mm).

Velké, hluboké nádrže nebo ty, kde potřebujeme vysokou intenzitu světla, tedy rostlinné nádrže, mořská reefová akvária či výstavní nádrže v posledních letech osvětlujeme metal halidovými (HQI - Halogen Quartz Iodine) výbojkovými lampami. U malých nádrží se můžeme setkat s úspornými kompaktními zářivkami s klasickým šroubovacím závitem E14 nebo E27.

Výbojky HQI jsou k dostání s různým příkonem (obvykle pro akvaristické potřeby 80, 150, 250, 450 W, pro potřeby průmyslové se jedná o kilowattové příkony, osvětovací lampy pro filmaře mají příkon i kolem 20 kW) a svým světelným spektrem vyhovují i těm nejnáročnějším akvaristickým potřebám.

Na první pohled je však zjevné, že díky vysokému příkonu a tedy vyzařovanému teplu tyto světelné zdroje nejsou zcela vhodné pro malé uzavřené prostory. Obvykle a především proto se vyrábějí ve stropním zavěšení nad nádrží v otevřeném prostoru, takže rostliny mohou vyrůstat volně i nad hladinu, což uvítají milovníci rostlinných nádrží, zejména pěstitelé echinodorů. Rostliny pak i lépe kvetou, na květních stvolech se mohou vyvíjet i dceřinné rostliny. HQI lampy se doporučuje zavěsit minimálně 20 cm nad hladinu vodní plochy.

Při použití závěsných lamp (tedy osvětlení bez kapotáže nádrže) stojí za to ale zvážit, zda nás intenzivní světlo nad hladinou nádrže umístěné například v obývacím pokoji nebude rušit ve večerních hodinách. Třeba při sledování televize - anebo nebude jinak ovlivňovat intimnější náladu méně osvícené (či spíše potemnělé) místnosti s nádrží při relaxaci.

Výbojky generují značné množství tepla – obecně pouze o 25% méně, než stejně výkonná žárovka. V mnoha technických konstrukcích výbojkovou lampu chrání krycí sklo poměrně silné tloušťky (i kolem 10 mm) ve svítidle. V případě, že by toto sklo prasklo, od odletujících, horkých střepů může dojít k požáru. V některých řešeních může být proto použita ještě ochranná kovová mřížka/síťka, jejíž účelem je zabránit rozletu střepů. U různých dodavatelů můžeme nalézt různá řešení.

Není nutno připomínat, že výbojkové lampy se v žádném případě nedotýkáme holou rukou. Náš pot je pro použitý materiál banky lampy velmi agresivní a při vysokých teplotách dokáže lampu doslova rozleptat, takže dojde ve finále k jejímu zničení. Škoda se pak může pohybovat v řádech stovek až tisíců korun.

Nezanedbatelným faktem pro pořizování HQI lamp a světelných ramp je jejich vysoká cena, jež se pohybuje i v řádech desítek tisíc korun.

Zářivky (v provedení T8 a T5) jsou dnes nejrozšířenějším světelným zdrojem v akvaristické praxi. Vyrábějí se ve vhodných spektrálních oblastech, podporujících růst rostlin, oživujících barevnost ryb a splňujících náročné požadavky i pro mořskou akvaristiku.

Nejrozšířenější platformou je T8 (průměr trubice 26 mm). Oproti klasickým žárovkám vyzařují podstatně méně tepla, větší podíl elektrické energie je přeměňován na světlo. Přesto, tyto světelné zdroje (trubice i předřadné jednotky) generují dostatek tepla, které ohřívá vodu v nádrži, pokud světelné rampy či jiné technické řešení v uzavřeném horním krytu nádrže jsou bez dostatečně vyřešené ventilace.

Zářivky T8 jsou dodávány jak s klasickými předřadnými jednotkami (startér, tlumivka), které mimo jiné někdy nepříjemně hučí a generují taktéž značné ztrátové teplo, nebo s bezhlučnými elektronickými předřadníky, s podstatně menší produkcí ztrátového tepla.

Zářivky v provedení T5 (průměr 16 mm) jsou novou, dynamicky nastupující produktovou platformou na trhu světelných zdrojů, vhodných i pro akvaristické potřeby. Zářivky T5 jsou dodávány pouze s elektronickými předřadníky. Další výhodou (kromě bezhlučnosti, a nižší hřejivosti) těchto předřadníků je skutečnost, že provoz T5 trubic není nikterak ovlivněn častým vypínáním či zapínáním, tak jak to bylo běžné u starých zářivek T8.

Počet startů bez poškození nebo dalšího vlivu na životnost je v řádu miliónů cyklů! Zejména v posledních době se na trhu dokonce objevují T5 zářivky s regulovatelným výkonem, což u klasických zářivek T8 je nemyslitelné. Životnost předřadné jednotky mnohonásobně převyšuje životnost světelné trubice.

Životnost moderních zářivkových trubic dosahuje 15-20 tisíc hodin. Během této doby klesá účinnost přibližně o 5-15% na každých nasvícených 5000 hodin (dle typu a provedení zářivky). Moderní zářivky mívají menší pokles světelného výkonu. Výměnu zářivek by si měl zvolit každý akvarista tak, aby výměna trubic za nové neznamenala příliš velký nárůst světelného toku.

Zářivky T5 jsou až o 20% hospodárnější než T8 zářivky, umožňují vyrábět velmi štíhlá svítidla. Mají až o 50% menší objem a jsou i kratší. Světelný tok T5 zářivky o příkonu 54 W, o délce 114,9 cm a průměru 16 mm dosahuje stejné hodnoty jako zářivka T8 s příkonem 58W, průměrem 26 mm a délkou 150 cm.

V poslední době se na trhu objevují zářivky T5 s elektronickou předřadnou jednotkou, u kterých je možná dokonce regulace světelného toku v rozmezí 1-100% výkonu, s úsporou až 70% elektrické energie (např. OSRAM ECOPACK – FD DIM). To u zářivek s klasickou předřadnou jednotkou není principielně možné. Regulace intenzity osvětlení u zářivek je svým způsobem revoluční záležitostí, která bude v akvaristické praxi velmi přínosná.

Elektronická předřadná jednotka může být společná pro více zářivek. Výhodou je úspora elektrické energie i menší množství generovaného tepla. Platí, že předřadná jednotka společná např. pro dvě zářivkové trubice spotřebovává méně elektrické energie a vyzařuje méně tepla než dvě samostatné předřadné jednotky dohromady.

Společné předřadné jednotky pro více zářivek mají jednu jedinou nevýhodu – porouchá-li se jediná zářivka, žádná ze zbývajících napojených na společnou předřadnou jednotku se nerozsvítí, dokud neodstraníme vadnou zářivku.

Z pohledu generování tepla můžeme zářivková svítidla rozdělit do dvou základních kategorií:

1) Kompaktní světelné rampy (výrobce ATMAN, Arcadia, Geisemann apod.), ve kterých jsou zabudovány jak zářivkové trubice, tak předřadné jednotky. Výhodou tohoto řešení je kompaktnost a estetičnost, v závislosti na konkrétních podmínkách i lehká manipulovatelnost.

Kompaktní světelnou rampu stačí položit jen na horní lepené příčné výztuhy akvária (nikdy bychom neměli pokládat žádný elektrický spotřebič jen na horní krycí sklo, které může teplem, únavou nebo mechanickým poškozením prasknout), případně uchytit bočními nástavci ke stěnám nádrže ve výšce kolem 10-20 cm. Dobře konstrukčně řešené světelné rampy lze otáčet okolo podélné osy a tím si vytvořit dostatečný prostor pro manipulaci v akváriu.

2) Komplety, kdy zářivkové trubice jsou konstrukčně odděleny od předřadných jednotek. Předřadné jednotky, jak se dočteme dále, jsou rovněž nezanedbatelným tepelným zdrojem. Výhodou tohoto konstrukčního řešení je možnost předřadné jednotky umístit mimo prostor horního krytu nádrže (obvykle za akvarijní stojan či skříň) a tím odstranit kritický tepelný zdroj mimo horní, uzavřený kryt nádrže.

Výrobci uvádějí nutnost umisťovat předřadné jednotky ve vodorovné poloze z důvodu efektivního odvodu tepla větší kontaktní plochou (předřadné jednotky mají tvar protáhlého kvádru, kde délka je několika násobek výšky či šířky). Neměly by tedy svisle viset na přívodním kabelu v prostoru za nádrží či stojanem. Na tuto skutečnost je třeba myslet již při celkovém návrhu nádrže či stojanu. Je účelné předřadnou jednotku umisťovat mimo uzavřený horní kryt nádrže a tím eliminovat zdroj tepla.

Strávil jsem skoro 14 dní brouzdáním po internetu a hledáním tepelných charakteristik různých světelných zdrojů, používaných v akvaristice, studiem komerční technické dokumentace, která je (nebo má být) zákazníkovi běžně dostupná. I zjistil jsem, že ani ti nejrenomovanější výrobci světelných zdrojů (Philips, Osram, Narva, apod.) tepelné charakteristiky neuvádějí.

Ještě větší překvapení bylo, že u zahraničních firem, které se specializují právě na osvětlovací zdroje pro akvaristiku, nejsou na internetu dostupné nejenom charakteristiky, podle kterých bychom mohli usuzovat o množství ztrátového tepla, ale dokonce ani ty nejelementárnější charakteristiky, jako jsou světelný tok (lumen, lm) nebo světelná účinnost (lm/W), jež jsou standardně k dispozici u sortimentu zářivek pro běžné interiérové osvětlení. Tyto poslední údaje lze na webu najít nebo si je spočítat z uváděného světelného toku a příkonu světelného zdroje.

Nezbylo než kontaktovat konkrétní zodpovědné osoby výrobců, jejich zastoupení v České republice. Mé překvapení gradovalo. Potvrdili mi, že údaje o vyzařovaném, ztrátovém teple nemají vůbec k dispozici a nejsou pro prodejní síť dostupné, snad jedině v zahraničí přímo u výrobců. Každý produkt (např. zářivka) je jiný, a je prý velmi těžké zprůměrovat vše, co je na trhu dostupné.

Po dlouhém úsilí, na základě empirických zkušeností a znalostí jednotlivých techniků a specialistů, lze získané údaje shrnout do základního přehledu (viz tabulka Tab.2 níže), který může být výchozím zdrojem pro další úvahy typu "o kolik nám zářivka ohřeje vodu v nádrži, je-li v uzavřeném krytu, bez dostatečné ventilace".

Množství ztrátového tepla světelného zdroje

Podívejme se tedy na to, jak jednotlivé typy běžně používaných světelných zdrojů generují ztrátové teplo a jak mohou ohřát vodu v nádrži. Pro jednoduchost vezměme příklad světelného zdroje, jež má na vstupu např. příkon 100 W (tedy teoreticky trubice, žárovka či lampa s označením 100 W).

Na první pohled je zřejmé, že nejméně vhodným světelným zdrojem pro osvětlení nádrže je žárovka, která ztrácí 90% elektrického příkonu na teplo – odsud i její název – žárovka – žár. Žárovka je ekonomicky nejdražší na provoz, proto se pro osvětlení nádrží více méně již nepoužívají

Naopak nejlépe na tom je zářivka T5 s elektronickým předřadníkem s 50% tepelnými ztrátami a největší světelnou účinností. HQI lampa na tom není nikterak dobře, neboť oproti žárovce vyzařuje přibližně jen o 25% méně tepla, tedy tepelné ztráty budou v našem případě 67,5% (90 x 0,75). Její předností je vyšší světelná účinnost, takže lépe prosvítí hlubší nádrže svým bodovým světlem a bývá jediným řešením u velkých veřejných nádrží, neboť její příkon může být v řádech stovek až tisíců wattů a je to často jediný způsob, jak velké nádrže vůbec uměle osvětlit.

Druhou část článku můžete očekávat již brzy!