При расчете и проектировании солнечных домов важную роль играет анализ окружающего ландшафта и рядом расположенных зданий. Они способны создавать преграду для падения прямой солнечной радиации на световоспринимающие поверхности здания, в результате чего резко снижается эффективность использования солнечной энергии.
Так как расположение солнца на небе постоянно изменяется, то и расположение тени так же изменяется, т.е. решением данной задачи будет определение времени, в которое соседнее здание создает преграду. Поэтому для решения данной задачи, целесообразно использовать диаграммы траекторий движения солнц, и решать задачу графически. Для широты 550 такая диаграмма приведена на рисунок 1. Этот способ решения задачи называется методом диаграмм траекторий движения солнца.
Рисунок 1 – Диаграмма траекторий солнца на широте 550.
Расчет производится по следующей методике:
1) Определяются граничные значения углов азимута и высоты солнца, при которых не происходит затенение исследуемой точки. Геометрическую связь между солнечными углами и рассматриваемыми зданиями изобразим на схеме (рисунок 2).
Время затенения определяется следующим способом:
Рисунок 2 – Геометрическая связь между
солнечными углами и рассматриваемыми зданиями.
Из приведенной схемы при известных расстояниях и размеров легко определить интересующие углы.
Граничный угол высоты солнца в 12 часов дня по солнечному времени, при котором не происходит затенения αobs.p, определяется по формуле:
(1)
где h – разница в высоте между высотой затеняющего здания и интересующей точкой С;
l – расстояние между рассматриваемыми зданиями.
Граничные часовые углы солнца, при которых не происходит затенения αobs.1 и αobs.2, находятся из формул:
; (2)
, (3)
где: b1 и b2 – расстояния между восточной стеной здания и проекцией линии солнечного света на землю в 12 часов по солнечному времени.
2) Полученные углы наносятся на диаграмму траекторий движения солнца (рисунок 3);
3) Затем строим ограниченную площадь все углы солнца, которой являются затеняющими для рассматриваемой поверхности.
Рисунок 3 – Схема определения времени затенения здания.
В дальнейшем полученные данные можно использовать для оценки расположения зданий относительно друг друга и выбора оптимального расстояния между ними.
Пример расчета тени создаваемой объектом-помехой
В лабораторной работе здание помеха будет располагаться на расстоянии 3, 5, 8 см в южном направлении от исследуемого здания. Воспользовавшись методом диаграмм траекторий движения солнца, определим время затененности рабочей поверхности исследуемого здания. Для решения задачи расположим макет здания гранью А в южном направлении, в качестве основания будем использовать грань F.
В задаче будем рассматривать 3 основные положения по вертикали:
1) нижние фотоэлементы частично затенены;
2) нижний фотоэлемент полностью затенен, верхний частично;
3) все фотоэлементы затенены.
И два положения по горизонтали:
1) тень падает на правый элемент;
2) тень падает на правый элемент.
Покажем эти положения и на схеме рисунок 4.
Рисунок 4 – Исследуемые положения на южной стене
моделируемого здания и их основные размеры.
По формуле 1 определим минимальный угол высоты солнца в полдень, когда исследуемая точка еще не затенена. Рассчитаем эти значения для всех трех точек:
;
;
.
Граничные азимутальные углы солнца, при которых не происходит затенения формул 2 и 3, для всех трех точек по вертикали они будут одинаковыми:
;
;
;
.
Перенесем все интересующие положения на диаграмму траекторий движения солнца для широты 550 (рисунок 1) согласно методике изложенной выше. Полученную диаграмму изобразим на рисунке 5.
На рисунке 5 фиолетовой области соответствует состояние, когда тень падает и на левые и на правые фотоэлементы, розовой – только на левый (западный) вертикальный ряд фотоэлементов, голубой – только правый (восточный) ряд фотоэлементов. Очевидно, что фиолетовой области зоны 3 соответствует минимальная выработка электроэнергии фотоэлементами, т.к. все они затенены полностью, голубая и розовая часть зоны 3, а так же фиолетовая зона 2 соответствует частичному попаданию на солнечный свет отдельных элементов, и так далее.
Рисунок 5 – Время затененности различных частей объекта
(1)
; (2)
, (3)
;
;
.
;
;
;
.