ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΣ ΤΟΜΕΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑ ΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ & ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΣ ΤΟΜΕΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑ ΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ & ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΕΜΠΕΙΡΙΚΟΥ ΚΑΝΟΝΑ ΓΙΑ ΤΗ ΜΕΛΕΤΗ ΕΝΣΩΜΑΤΩΣΗΣ ΑΠΕ ΚΑΙ ΗΛΙΟΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ ΣΕ ΑΣΤΙΚΑ ΚΤΙΡΙΑ ΗΜΗΤΡΙΟΣ ΑΛΕΞΑΝ ΡΟΣ ΖΗΣΙΜΟΠΟΥΛΟΣ Α.Ε.Μ.: 4216 ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΑΓΙΣ ΠΑΠΑ ΟΠΟΥΛΟΣ ΑΡΜΟ ΙΟΙ ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗΣ: ΜΑΡΙΝΟΣ ΚΑΡΤΕΡΗΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ ΙΟΥΛΙΟΣ 2011

2 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΣ ΤΟΜΕΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑ ΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ 5. Υπεύθυνος: Καθ. Άγις Μ. ΠΑΠΑ ΟΠΟΥΛΟΣ 6. Αρµόδιος Παρακολούθησης: ΜΑΡΙΝΟΣ ΚΑΡΤΕΡΗΣ 7. Τίτλος εργασίας: ΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΕΜΠΕΙΡΙΚΟΥ ΚΑΝΟΝΑ ΓΙΑ ΤΗ ΜΕΛΕΤΗ ΕΝΣΩΜΑΤΩΣΗΣ ΑΠΕ ΚΑΙ ΗΛΙΟΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ ΣΕ ΑΣΤΙΚΑ ΚΤΙΡΙΑ 8. Ονοµατεπώνυµο φοιτητή: ΖΗΣΙΜΟΠΟΥΛΟΣ ΗΜΗΤΡΙΟΣ - ΑΛΕΞΑΝ ΡΟΣ 9. Αριθµός µητρώου: Θεµατική περιοχή: Παραγωγή και Χρήση Ενέργειας 14. Περίληψη: 11. Ηµεροµηνία έναρξης: 09/ Ηµεροµηνία παράδοσης: 07/2011 Παρακολουθώντας την επιβάρυνση του περιβάλλοντος στην σύγχρονη εποχή, η παρούσα διπλωµατική εργασία έχει ως κύριο σκοπό τη διερεύνηση της δυνατότητας αξιοποίησης Ανανεώσιµων Πηγών Ενέργειας και της ανάγκης για εγκατάσταση συστηµάτων ηλιοπροστασίας στις προσόψεις υφιστάµενων κτιρίων στο αστικό περιβάλλον. Η µελέτη πραγµατοποιείται µε τη βοήθεια των οδηγιών ΤΟΤΕΕ, που αποτελούν το βασικό εργαλείο για την εφαρµογή του Κανονισµού Ενεργειακής Απόδοσης Κτιρίων (ΚΕΝΑΚ). Ειδικότερα, στην παρούσα εργασία αρχικά εκτιµήθηκε η δυνατότητα αξιοποίησης της ηλιακής ακτινοβολίας, µέσω της τοποθέτησης Φ/Β πλαισίων και ηλιοθερµικών συστηµάτων παραπάνω διερεύνηση πραγµατοποιήθηκε για την 21 η στις προσόψεις των κτιρίων. Η εκεµβρίου (χειµερινό ηλιοστάσιο), διότι τη συγκεκριµένη ηµέρα του έτους, ο ήλιος παρουσιάζειι το χαµηλότεο ηλιακό ύψος, ώστε τα κτίρια να εµφανίζουν το µεγαλύτερο ετήσιο ποσοστό σκίασης. Επίσης, διερευνήθηκε κατά την 21 η Μαρτίου (εαρινή ισηµερία), η κατάλληλη χωροθέτηση και ο προσανατολισµός των κτιρίων στο αστικό περιβάλλον, ώστε να µελετηθεί η ανάγκη για τη λήψη µέτρων ηλιοπροστασίας τους. Για µια πιο ρεαλιστική αποτίµηση των συµπερασµάτων που εξήχθησαν βάσει των παραπάνω, έγινε επιπρόσθετα µελέτη τεσσάρων υφιστάµενών κτιρίων, τριών στην Καλαµαριά και ενός στη Θεσσαλονίκη µε τη χρήση του σχεδιαστικού προγράµµατος Google Sketch Up Pro. Η διάρθρωση της διπλωµατικής έγινε µε γνώµονα την καλύτερη κατανόηση και την ορθότερη ακολουθία των σταδίων µελέτης. Στο πρώτο, δεύτερο και τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα γενικά χαρακτηριστικά των ΑΠΕ, των συστηµάτων ηλιοπροστασίας και οι κανόνες που διέπουν την κεφάλαιο γίνεται µια περιγραφή της µεθοδολογίας ηλιακή τεχνική. Στο τέταρτο που ακολουθήθηκε και του εµπειρικού κανόνα που αναπτύχθηκε για την εύρεση των διαθέσιµων επιφανειών για την εγκατάσταση ΑΠΕ ή επιφανειών που απαιτούν ηλιοπραστασία στις προσόψεις κτιρίων. Στο επόµενο κεφάλαιο, το πέµπτο, παρουσιάζεται εκτενής µελέτη σεναρίων που εκπονήθηκαν και αφορούν τόσο την υφιστάµενη κατάσταση των προς µελέτη κτιρίων, όσο και την ιδανική χωροθέτησή τους στο δοµηµένο περιβάλλον. Στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσµατα που προέκυψαν από την εφαρµογή της µεθοδολογίας. Τέλος, στο έβδοµο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα τελικά συµπεράσµατα της έρευνας. 13. Αριθµός εργασίας: 15. Στοιχεία εργασίας: Αρ. Σελίδων: 132 Αρ. Εικόνων: 45 Αρ. ιαγραµµάτων: 15 Αρ. Πινάκων: 34 Αρ. Παραρτηµάτων: 2 Αρ. Παραποµπών: 16. Λέξεις κλειδιά: Σκίαση, Φ/Β, ΑΠΕ, ηλιοπροστασία 17. Σχόλια: 18. Συµπληρωµατικές παρατηρήσεις: 19. Βαθµός:

3 i Πρόλογος Το ενεργειακό πρόβληµα αποτελεί ένα από τα σηµαντικότερα προβλήµατα που καλείται να αντιµετωπίσει η ανθρωπότητα. Γι αυτό το λόγο η ικανοποιητική προσέγγιση του ενδεχοµένου χρήσης τεχνολογίας Ανανεώσιµων Πηγών Ενέργειας, στο αστικό δοµηµένο περιβάλλον, είναι ουσιώδης για την προώθηση της συγκεκριµένης τεχνολογίας. Οι τεχνολογίες των Ανανεώσιµων Πηγών Ενεργειας που είναι ενσωµατωµένες σε κτίρια είναι σήµερα µια βιώσιµη επιλογή µε σηµαντικά -ενεργειακά και µη- πλεονεκτήµατα: πράσινη ενέργεια, οικονοµία, τεχνολoγική καινοτοµία, αρχιτεκτονική αισθητική και µείωση εκποµπών του θερµοκηπίου. Μπορούν να ενσωµατωθούν σε νέα ή παλαιά κτίρια. Με την ενσωµάτωσή τους στο αστικό περιβάλλον, µπορούν να καλύψουν τη ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας. Επιπλέον µπορούν να παρέχουν στο κτίριο επιπλέον χαρακτηριστικά -«λειτουργίες», όπως η θερµική προστασία, η µόνωση, η ηλιοπροστασία και η ηχοµόνωση κ.α. Αποτελούν αναµφισβήτητα το µέλλον για τις πόλεις. Όµως όπως γίνεται εύκολα αντιληπτό, δεν είναι µόνο η τοποθέτηση ΑΠΕ που βοηθάει στην εξοικονόµηση ενέργειας. Με την τοποθέτηση συστηµάτων ηλιοπροστασίας, ειδικά τους θερινούς µήνες, γίνεται σηµαντική µείωση στην χρήση ενέργειας για ψύξη, διότι εµποδίζεται µεγάλο ποσοστό της ηλιακής αντινοβολίας να εισέλθει στα κτίρια. Έτσι κρίνεται επιβεβληµένο, σε χώρες όπως η Ελλάδα, µε µεγάλη ηλιοφάνεια η χρήση παντός τύπου συστηµάτων ηλιοπροστασίας. Στο σηµείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω τον καθηγητή κ. Άγι Μ. Παπαδόπουλο του Εργαστηρίου Μετάδοσης Θερµότητας και Περιβαλλοντικής Μηχανικής, για την ανάθεση της παρούσας διπλωµατικής εργασίας καθώς και για τη σηµαντική συµβολή και την αµέριστη συµπαράστασή του κατά την εκπόνησή της. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω θερµά τον υποψήφιο διδάκτορα κ. Μαρίνο Καρτέρη, για το πλούσιο βιβλιογραφικό υλικό που µου παρείχε, τη συνεχή παρακολούθηση, τις υποδείξεις και την επίβλεψη της διπλωµατικής µου εργασίας καθώς και τη γενική και διαρκή συµπαράσταση και συµβολή του προκειµένου να ολοκληρωθεί η εκπόνησή της.

4 ii Περίληψη και διάρθρωση κεφαλαίων Παρακολουθώντας την επιβάρυνση του περιβάλλοντος στην σύγχρονη εποχή, η παρούσα διπλωµατική εργασία έχει ως κύριο σκοπό τη διερεύνηση της δυνατότητας αξιοποίησης Ανανεώσιµων Πηγών Ενέργειας και της ανάγκης για εγκατάσταση συστηµάτων ηλιοπροστασίας στις προσόψεις υφιστάµενων κτιρίων στο αστικό περιβάλλον. Η µελέτη πραγµατοποιείται µε τη βοήθεια των οδηγιών ΤΟΤΕΕ, που αποτελούν το βασικό εργαλείο για την εφαρµογή του Κανονισµού Ενεργειακής Απόδοσης Κτιρίων (ΚΕΝΑΚ). Ειδικότερα, στην παρούσα εργασία αρχικά εκτιµήθηκε η δυνατότητα αξιοποίησης της ηλιακής ακτινοβολίας, µέσω της τοποθέτησης Φ/Β πλαισίων και ηλιοθερµικών συστηµάτων στις προσόψεις των κτιρίων. Η παραπάνω διερεύνηση πραγµατοποιήθηκε για την 21η εκεµβρίου (χειµερινό ηλιοστάσιο), διότι τη συγκεκριµένη ηµέρα του έτους, ο ήλιος παρουσιάζει το χαµηλότεο ηλιακό ύψος, ώστε τα κτίρια να εµφανίζουν το µεγαλύτερο ετήσιο ποσοστό σκίασης. Επίσης, διερευνήθηκε κατά την 21η Μαρτίου (εαρινή ισηµερία), η κατάλληλη χωροθέτηση και ο προσανατολισµός των κτιρίων στο αστικό περιβάλλον, ώστε να µελετηθεί η ανάγκη για τη λήψη µέτρων ηλιοπροστασίας τους. Για µια πιο ρεαλιστική αποτίµηση των συµπερασµάτων που εξήχθησαν βάσει των παραπάνω, έγινε επιπρόσθετα µελέτη τεσσάρων υφιστάµενών κτιρίων, τριών στην Καλαµαριά και ενός στη Θεσσαλονίκη µε τη χρήση του σχεδιαστικού προγράµµατος Google SketchUp Pro. Η διάρθρωση της διπλωµατικής έγινε µε γνώµονα την καλύτερη κατανόηση και την ορθότερη ακολουθία των σταδίων µελέτης. Στο πρώτο, δεύτερο και τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα γενικά χαρακτηριστικά των ΑΠΕ, των συστηµάτων ηλιοπροστασίας και οι κανόνες που διέπουν την ηλιακή τεχνική. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται µια περιγραφή της µεθοδολογίας που ακολουθήθηκε και του εµπειρικού κανόνα που αναπτύχθηκε για την εύρεση των διαθέσιµων επιφανειών για την εγκατάσταση ΑΠΕ ή επιφανειών που απαιτούν ηλιοπραστασία στις προσόψεις κτιρίων. Στο επόµενο κεφάλαιο, το πέµπτο, παρουσιάζεται εκτενής µελέτη σεναρίων που εκπονήθηκαν και αφορούν τόσο την υφιστάµενη κατάσταση των προς µελέτη κτιρίων, όσο και την ιδανική χωροθέτησή τους στο δοµηµένο περιβάλλον. Στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσµατα που προέκυψαν από την εφαρµογή της µεθοδολογίας. Τέλος, στο έβδοµο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα τελικά συµπεράσµατα της έρευνας. Θεσσαλονίκη, 2011

5 iii Περιεχόµενα σελ. Πρόλογος i Περίληψη και διάρθρωση κεφαλαίων iii Περιεχόµενα iiiii Κατάλογος Πινάκων v Κατάλογος Εικόνων ix Κατάλογος ιαγραµµάτων xi 1. Εισαγωγή Γενικά Σκοπός Μελέτης Σχετικές έρευνες 3 2. Ηλιακή τεχνική Ο Ήλιος Η Ενέργεια από τον ήλιο Ηµερήσια ενεργειακή απολαβή από τον ήλιο Ηλιασµός Κτιρίου Ηλιακή Απόκλιση Ωριαία γωνία του ήλιου(ω) Υπολογισµός της θέσης του ήλιου Ηλιακοί χάρτες Γωνία αζιµούθιου(γ) και κλίση συλλέκτη(β) Γωνία πρόσπτωσης(θ) Γωνία ζενίθ(θz) του ήλιου Ανανεώσιµες Πηγές Ενέργειας Τα Φωτοβολταϊκά Συστήµατα 34

6 iv Προσανατολισµ ς φωτοβολταϊκ ν πλαισ ων Απόδοση Φωτοβολταικών Συστηµάτων Φ/Β σε προσόψεις κτιρίων Είδη Φωτοβολταϊκών Πλαισίων Επένδυση στη Φ/Β Ενέργεια στην Ελλάδα Εξασφαλισµένη Απόδοση Νοµοθεσία Φ/Β στα κτίρια Ηλιοθερµικά συστήµατα Χρήση Ηλιοθερµικών συστηµάτων Είδη Ηλιοθερµικών συστηµάτων Ηλιοθερµικά συστήµατα για θέρµανση νερού: µια δυναµική αγορά Ηλιοπροστασία Μόνιµα εξωτερικά σκίαστρα Κινητά σκίαστρα Ειδικοί υαλοπίνακες Βλάστηση Μεθοδολογική Προσέγγιση Μαθηµατικό µοντέλο µελέτης Εύρεση βέλτιστης απόστασης για διαφορετικές γωνίες σκιασµού και ύψους κτιρίων Εύρεση θέσης ήλιου Υπολογισµός οριζόντιας(ηsa) και κατακόρυφης γωνίας σκίασης(vsa) Υπολογισµός τετραγωνικών µέτρων για τοποθέτηση Φ/Β και Ηλιοπροστασίας Παραγωγή ενέργειας από Φ/Β πλαίσια Παραγωγή ενέργειας από Ηλιοθερµικά Συστήµατα Eφαρµογή µεθοδολογίας Yπό εξέταση κτίρια Σενάρια Μελέτης Περιγραφή κτιρίων Υφιστάµενη Κατάσταση Συνεχές κτίριο του 1970 στην οδό Αγίου ηµητρίου στη Θεσσαλονίκη Κτίριο πανταχόθεν ελεύθερο, κτισµένο το 1997 στην οδό Παπαπέτρου στην Καλαµαριά Συνεχές κτίριο του 1985 στην οδό Καλαβρύτων στη Θεσσαλονίκη 69

7 v Κτίριο πανταχόθεν ελεύθερο, ανεγερµένο το 1970 στην οδό Αργοναυτών και Κουσκουρά στην Καλαµαριά Ιδανική Κατάσταση Συνεχές κτίριο του 1970 στην οδό Αγίου ηµητρίου στη Θεσσαλονίκη Κτίριο πανταχόθεν ελεύθερο, κτισµένο το 1997 στην οδό Παπαπέτρου στην Καλαµαριά Συνεχές κτίριο του 1985 στην οδό Καλαβρύτων στη Θεσσαλονίκη Κτίριο πανταχόθεν ελεύθερο, ανεγερµένο το 1970, στη συµβολή των οδών Αργοναυτών και Κουσκουρά στην Καλαµαριά Αποτελέσµατα Απόσταση δρόµου ανάµεσα σε δύο κτίρια, µε βάση τον κανονισµό του ΚΕΝΑΚ Ηλιακό ύψος, γωνία ζενίθ και ηλιακό αζιµούθιο Οριζόντια (HSA) και κατακόρυφη γωνία(vsa) Επιφάνειες των κτιρίων που δέχονται ηλιακή ακτινοβολία Παραγωγή ενέργειας από Φ/Β Μελέτη υφιστάµενης κατάστασης 1 ου κτιρίου Μελέτη υφιστάµενης κατάστασης 2 ου κτιρίου Μελέτη υφιστάµενης κατάστασης 3 ου κτιρίου Μελέτη υφιστάµενης κατάστασης 4 ου κτιρίου Ιδανική κατάσταση για το 1 ο και 3 ο κτίριο Παραγωγή ενέργειας από Ηλιοθερµικά Συστήµατα Μελέτη υφιστάµενης κατάστασης 1 ου κτιρίου Μελέτη ιδανικής κατάστασης 1 ου κτιρίου Μελέτη υφιστάµενης κατάστασης 2 ου κτιρίου Μελέτη υφιστάµενης κατάστασης 3 ου κτιρίου Μελέτη ιδανικής κατάστασης 3 ου κτιρίου Μελέτη υφιστάµενης κατάστασης 4 ου κτιρίου Τοποθέτηση ηλιοπροστασίας στα υπό µελέτη κτίρια Σφάλµα εµπειρικού κανόνα σε σχέση µε τις µετρήσεις από το Google SketchUp Pro Σύνοψη αποτελεσµάτων Συµπεράσµατα 109 Βιβλιογραφία 110 Ελληνική 110

8 vi Ξένη 111 Ηλεκτρονική 112 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α 113 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ GOOGLE SKETCHUP PRO 113 Α.1 Εισαγωγικά 114 Α.2 Χαρακτηριστικά γνωρίσµατα του SketchUp Pro 115 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β 116 ΠΙΝΑΚΕΣ ΕΥΡΕΣΗΣ ΑΠΟΣΤΑΣΗΣ ΡΟΜΟΥ ΑΝΑΛΟΓΑ ΜΕ ΤΟ ΥΨΟΣ ΤΩΝ ΚΤΙΡΙΩΝ 116

9 vii Κατάλογος πινάκων Πίνακας 3.1: Ορολογία Φωτοβολταϊκών 35 Πίνακας 3.2: Πίνακας απόδοσης Φ/Σ σε διάφορες κλίσεις και προσανατολισµούς 38 Πίνακας 3.3 : Παραγόµενη ενέργεια ανά γεωγραφική περιοχή 47 Πίνακας 4.1 : Συντελεστής Σκίασης από ορίζοντα Fhor 53 Πίνακας 4.2 : Μέρες κάθε µήνα 55 Πίνακας 4.3 : Γωνία ώρας 56 Πίνακας 5.1 : Ποσοστιαία διαθέσιµη επιφάνεια(m 2 ), επί της επιφάνειας(m 2 ) της πρόσοψης, που δέχεται ηλιακή ακτινοβολία για το 1 ο κτίριο 67 Πίνακας 5.2 : Ποσοστιαία διαθέσιµη επιφάνεια(m 2 ), επί της επιφάνειας(m 2 ) της πρόσοψης, που δέχεται ηλιακή ακτινοβολία για το 2 ο κτίριο 68 Πίνακας 5.3 : Ποσοστιαία διαθέσιµη επιφάνεια(m 2 ), επί της επιφάνειας(m 2 ) της πρόσοψης, που δέχεται ηλιακή ακτινοβολία για το 3 ο κτίριο 69 Πίνακας 5.4 : Ποσοστιαία διαθέσιµη επιφάνεια(m 2 ), επί της επιφάνειας(m 2 ) της πρόσοψης, που δέχεται ηλιακή ακτινοβολία για το 4 ο κτίριο 70 Πίνακας 6.1 : Εύρεση απόστασης δρόµου ανάλογα µε το ύψος των κτιρίων για γωνίες α=5 o και α=10 o 75 Πίνακας 6.2 : Εύρεση απόστασης δρόµου ανάλογα µε το ύψος των κτιρίων για γωνίες α=15 o και α=20 o 76 Πίνακας 6.3 : Ηλιακά ύψη για 21 η Μαρτίου και 21 η εκεµβρίου 77 Πίνακας 6.4 : Γωνία ζενίθ για 21 η Μαρτίου και 21 η εκεµβρίου 77 Πίνακας 6.5 : Ηλιακό αζιµούθιο για 21 η Μαρτίου και 21 η εκεµβρίου 77 Πίνακας 6.6 : Υπολογισµός οριζόντιας (HSΑ) και κατακόρυφης γωνίας σκίασης (VSA) για 21 η Μαρτίου για τα προς µελέτη κτίρια 78 Πίνακας 6.7 : Υπολογισµός οριζόντιας (HSΑ) και κατακόρυφης γωνίας σκίασης (VSA) για 21 η εκεµβρίου 79 Πίνακας 6.8 : ιαθέσιµη επιφάνεια(m 2 ) που δέχεται ηλιακή ακτινοβολία, για τοποθέτηση Φ/Β και ηλιοθερµικών, για το 1 ο κτίριο 80 Πίνακας 6.9 : ιαθέσιµη επιφάνεια(m 2 ) που δέχεται ηλιακή ακτινοβολία, για τοποθέτηση Φ/Β και ηλιοθερµικών, για το 2 ο κτίριο 81 Πίνακας 6.10 : ιαθέσιµη επιφάνεια(m 2 ) που δέχεται ηλιακή ακτινοβολία, για τοποθέτηση Φ/Β και ηλιοθερµικών, για το 3 ο κτίριο 82 Πίνακας 6.11 : ιαθέσιµη επιφάνεια(m 2 ) που δέχεται ηλιακή ακτινοβολία, για τοποθέτηση Φ/Β και ηλιοθερµικών, για το 4 ο κτίριο 83

10 viii Πίνακας 6.12 : Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και ποσό ηλιακής ακτονοβολίας, που δέχεται το εγκατεστηµένο σύστηµα, για το 1 ο κτίριο και για προσανατολισµό γ=0 ο 84 Πίνακας 6.13 : Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και ποσό ηλιακής ακτονοβολίας, που δέχεται το εγκατεστηµένο σύστηµα, για το 2 ο κτίριο και για προσανατολισµό γ=-45 ο 85 Πίνακας 6.14 : Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και ποσό ηλιακής ακτονοβολίας, που δέχεται το εγκατεστηµένο σύστηµα, για το 2 ο κτίριο και για προσανατολισµό γ=45 ο 88 Πίνακας 6.15: Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και ποσό ηλιακής ακτονοβολίας, που δέχεται το εγκατεστηµένο σύστηµα, για το 3 ο κτίριο και για προσανατολισµό γ=0 ο 90 Πίνακας 6.16 : Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και ποσό ηλιακής ακτονοβολίας, που δέχεται το εγκατεστηµένο σύστηµα, για το 4 ο κτίριο και για προσανατολισµό γ=-45 ο 92 Πίνακας 6.17 : Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και ποσό ηλιακής ακτονοβολίας, που δέχεται το εγκατεστηµένο σύστηµα, για το 4 ο κτίριο και για προσανατολισµό γ=45 ο 94 Πίνακας 6.18 : Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και ποσό ηλιακής ακτονοβολίας, που δέχεται το εγκατεστηµένο σύστηµα, για το 1 ο και το 3 ο κτίριο και για προσανατολισµό γ=0 ο 96 Πίνακας 6.19 : Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και ποσοστό κάλυψης των αναγκών σε ΖΝΧ του 1 ου κτιρίου 98 Πίνακας 6.20 : Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και ποσοστό κάλυψης των αναγκών σε ΖΝΧ του 1 ου κτιρίου 99 Πίνακας 6.21 : Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και ποσοστό κάλυψης των αναγκών σε ΖΝΧ του 2 ου κτιρίου 100 Πίνακας 6.22 : Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και ποσοστό κάλυψης των αναγκών σε ΖΝΧ του 3 ου κτιρίου 101 Πίνακας 6.23 : Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και ποσοστό κάλυψης των αναγκών σε ΖΝΧ του 3 ου κτιρίου 103 Πίνακας 6.24 : Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και ποσοστό κάλυψης των αναγκών σε ΖΝΧ του 4 ου κτιρίου 103 Πίνακας 6.25 : Ποσοστιαίο σφάλµα εµπειρικού κανόνα σε σχέση µε τις µετρήσεις που εξήχθησαν από το Google SketchUp Pro 107

11 ix Κατάλογος εικόνων Εικόνα 2.1 : Ο Ήλιος 4 Εικόνα 2.2 : Ηλιακή ακτινοβολία στην ατµόσφαιρα 6 Εικόνα 2.3 : Ηλιακή ακτινοβολία 8 Εικόνα 2.4 : Χάρτης ετήσιας ηλιακής ακτινοβολίας των χωρών της Ευρώπης 9 Εικόνα 2.5 : (α) ετήσια ποσότητα ενέργειας (kwh/m2) που προέρχεται από την πρόσπτωση της ηλιακής ακτινοβολίας σε φωτοβολταϊκούς συλλέκτες σε οριζόντια θέση (β) και υπό άριστη γωνία κλίσης. 10 Εικόνα 2.6 : Ετήσια παραγόµενη ηλεκτρική ενέργεια εκφρασµένη σε kwh από φωτοβολταϊκό σύστηµα, µε συλλέκτες πυριτίου (c-si) ισχύος 1kWp υπό άριστηγωνία κλίσης 10 Εικόνα 2.7 : Καταγραφή της πυκνότητας ισχύος της ηλιακής ακτινοβολίας 12 Εικόνα 2.8 : Παγκόσµιος χάρτης κατανοµής των τιµών της µέσης ετησίως ηµερήσιας πυκνότητας ενέργειας ηλιακής ακτινοβολίας, σε οριζόντιο επίπεδο, σε kwh/m 2 *d 12 Εικονα 2.9 : Σχηµατική αναπαράσταση των φαινόµενων τροχιών του ήλιου 14 Εικόνα 2.10 : Οι γωνίες ύψους και αζιµούθιου ορίζουν τη θέση του ήλιου - Ορθή προβολή των φαινόµενων τροχιών του ήλιου στον ηλιακό χάρτη 14 Εικόνα 2.11 : Απεικόνιση ηλιακής απόκλισης 15 Εικόνα 2.12 : Απεικόνιση υπολογισµού ηλιακής απόκλιση 17 Εικόνα 2.13 : Η ωριαία γωνία του Ήλιου 18 Εικόνα 2.14 : Απεικόνιση γωνίας αζιµούθιου (γ ς ) και γωνίας (α) 19 Εικόνα 2.15 : Σκαρίφηµα τοπογραφικού διαγράµµατος κτιρίου που ζητείται ο ηλιασµός, σκιασµός του από τον περιβάλλοντα χώρο και προεξοχές 22 Εικόνα 2.16 : Ηλιασµός και σκιασµός από τον περιβάλλοντα χώρο και από προεξοχές, για νότια προσανατολισµενη επιφάνεια µε 10 o απόκλιση προς τη ύση, στις 12:00 το µεσηµέρι το εκέµβριο, για γεωγραφικό πλάτος 38 o Β 22 Εικόνα 2.17 : Ηλιακοί χάρτες για Βόρεια γεωγραφικά πλάτη 36 o και 40 o αντίστοιχα 23 Εικόνα 2.18 : Μετρητής σκιασµού για τον προσδιορισµό της σκίασης από τον περιβάλλοντα χώρο-κτίρια, δέντρα 25 Εικόνα 2.19 : Ταύτιση ηλιακού χάρτη µε τον µετρητή σκιασµού για γωνία 45ο δυτικότερα του Νότου 26 Εικόνα 2.20 : Η χρήση του ηλιακού χάρτη για τον προσδιορισµό του σκιασµού από το περιβάλλον κτήρια, δέντρα 27 Εικόνα 2.21 : Έλεγχος ηλιασµού κατοικιών, τον εκέµβρη για ύψος ήλιου 30 o 27 Εικόνα 2.22 : Απεικόνιση γωνίας αζιµούθιου (γ) και κλίσης (β) συλλέκτη 29 Εικόνα 2.23 : Βέλτιστη κλίση συλλέκτη για κάθε εποχή 31

12 x Εικόνα 2.24 : Βέλτιστη κλίση συλλέκτη 31 Εικόνα 2.25 : Απεικόνιση γωνίας Πρόσπτωσης θ 32 Εικόνα 2.26 : Απεικόνιση γωνίας (θ z ) 33 Εικόνα 3.1 : Τρόποι κίνησης φωτοβολταϊκού πλαισίου 36 Εικόνα 3.2 : Κλίση ηλιακών συλλεκτών ανάλογα µε τον προσανατολισµό 37 Εικόνα 3.3 : Συλλέκτες κενού 44 Εικόνα 3.4 : Συγκεντρωτικοί συλλέκτες - Γραµµικού Τύπου 44 Εικόνα 3.5 : Συγκεντρωτικοί συλλέκτες Σηµειακής Εστίασης 45 Εικόνα 3.6 : Μόνιµο εξωτερικό σκίαστρο 49 Εικόνα 3.7 : Κινητό σκίαστρο 50 Εικόνα 4.1 : Γραφική απεικόνιση της γωνίας θέασης α που σχηµατίζουν τα εµπόδια για τον υπολογισµό της σκίασης που προκαλούν σε ένα κατακόρυφο αδιαφανές δοµικό στοιχείο 54 Εικόνα 5.1: ορυφορική φωτογραφία του 1 ου κτιρίου (Google Maps) 62 Εικόνα 5.2 : Άποψη 1 ου κτιρίου από το σχεδιαστικό πρόγραµµα Google Sketch Up Pro 63 Εικόνα 5.3: ορυφορική φωτογραφία του 2 ου κτιρίου (Google Maps) 64 Εικόνα 5.4 : Άποψη 2 ου κτιρίου από το σχεδιαστικό πρόγραµµα Google Sketch Up Pro 64 Εικόνα 5.5: ορυφορική φωτογραφία του 3 ου κτιρίου (Google Maps) 65 Εικόνα 5.6 : Άποψη 3 ου κτιρίου από το σχεδιαστικό πρόγραµµα Google Sketch Up Pro 65 Εικόνα 5.7: ορυφορική φωτογραφία του 4 ου κτιρίου (Google Maps) 66 Εικόνα 5.8 : Άποψη 4 ου κτιρίου από το σχεδιαστικό πρόγραµµα Google Sketch Up Pro 66 Εικόνα 6.1 : Σκίαση 2 ου κτιρίου από προβόλους µπαλκονιών, στις 3:00µµ, κατά την εαρινή ισηµερία 105 Εικόνα 6.2 : Σκίαση 4 ου κτιρίου από προβόλους µπαλκονιών, στις 12:00µµ, κατά την εαρινή ισηµερία 106 Εικόνα 6.3 : Σκίαση 4 ου κτιρίου από προβόλους µπαλκονιών, στις 3:00µµ, κατά την εαρινή ισηµερία 107

13 xi Κατάλογος ιαγραµµάτων ιάγραµµα 4.1: Μέθοδος των Καµπυλών f 61 ιάγραµµα 6.1 : Μηνιαία παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας για το 1 ο κτίριο µε γ=0 ο 86 ιάγραµµα 6.2 : Μηνιαία προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία για το 1 ο κτίριο µε γ=0 ο 86 ιάγραµµα 6.3 : Μηνιαία παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας για το 1 ο και το 3 ο κτίριο µε γ=0 ο 98 ιάγραµµα 6.4 : Μηνιαία προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία για το 1 ο και το 3 ο κτίριο µε γ=0 ο 98 ιάγραµµα 6.5 : Μηνιαία παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας για το 2 ο κτίριο µε γ=-45 ο 88 ιάγραµµα 6.6 : Μηνιαία παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας για το 2 ο κτίριο µε γ=-45 ο 88 ιάγραµµα 6.7 : Μηνιαία παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας για το 2 ο κτίριο µε γ=45 ο 90 ιάγραµµα 6.8 : Μηνιαία παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας για το 2 ο κτίριο µε γ=45 ο 90 ιάγραµµα 6.9: Μηνιαία παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας για το 3 ο κτίριο µε γ=0 ο 92 ιάγραµµα 6.10 : Μηνιαία παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας για το 3 ο κτίριο µε γ=0 ο 92 ιάγραµµα 6.11: Μηνιαία παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας για το 4 ο κτίριο µε γ=-45 ο 94 ιάγραµµα 6.12 : Μηνιαία παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας για το 4 ο κτίριο µε γ=-45 ο 94 ιάγραµµα 6.13: Μηνιαία παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας για το 3 ο κτίριο µε γ=-45 ο 96 ιάγραµµα 6.14 : Μηνιαία παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας για το 3 ο κτίριο µε γ=-45 ο 96

14 1 1. Εισαγωγή 1.1 Γενικά Η πλειοψηφία των τεχνολογιών Ανανεώσιµων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ) τροφοδοτείται από τον ήλιο. Το ενεργειακό πρόβληµα αποτελεί ένα από τα σηµαντικότερα προβλήµατα που καλείται να αντιµετωπίσει η ανθρωπότητα. Ένα βιώσιµο ενεργειακά µέλλον είναι δυνατόν να επιτευχθεί µε τη στήριξη σε µεγαλύτερο βαθµό στις ανανεώσιµες πηγές ενέργειας και στην ορθολογικότερη χρήση της ενέργειας. Συµβάλλουν στη µείωση της εξάρτησης από συµβατικούς, µη ανανεώσιµους ενεργειακούς πόρους, στην άµβλυνση του φαινοµένου του θερµοκηπίου, στην ενίσχυση της ενεργειακής ανεξαρτησίας και της ασφάλειας του ενεργειακού εφοδιασµού σε εθνικό επίπεδο. Επιπρόσθετα προσφέρουν τη δυνατότητα ορθολογικής αξιοποίησης των ενεργειακών πόρων, µε διαφορετικές λύσεις για διαφορετικές ενεργειακές ανάγκες (για παράδειγµα χρήση ηλιακής ενέργειας για θερµότητα χαµηλών θερµοκρασιών, χρήση αιολικής ενέργειας για ηλεκτροπαραγωγή κ.ά.). Έχουν χαµηλό λειτουργικό κόστος που δεν επηρεάζεται από τις διακυµάνσεις της διεθνούς οικονοµίας και ειδικότερα των τιµών των συµβατικών καυσίµων και έχουν συνεισφορά στην αναζωογόνηση οικονοµικά και κοινωνικά υποβαθµισµένων περιοχών µε τη δηµιουργία θέσεων εργασίας και την προσέλκυση ανάλογων επενδύσεων (π.χ. καλλιέργειες θερµοκηπίου µε τη χρήση γεωθερµικής ενέργειας). Οι Ανανεώσιµες Πηγές Ενέργειας αποτελούν µια σηµαντική, ανεξάντλητη και φιλική προς το περιβάλλον πηγή ενέργειας, η οποία είναι δυνατό να συµβάλλει σηµαντικά στην ενεργειακή επάρκεια. Η χώρα µας, γεωγραφικά και γεωλογικά, διαθέτει σηµαντικά πλεονεκτήµατα σχετικά µε την εκµετάλλευση των ΑΠΕ [18]. Παράλληλα, όσο οφέλιµη είναι η ηλιακή ακτινοβολία στην παραγωγή ενέργειας, τόσο πρόβληµα δηµιουργεί κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού, ειδικά στην Ελλάδα, στην εξοικονόµηση ενέργειας, καθώς η ηλιακή ακτινοβολία η οποία εισέρχεται µέσα από τα ανοίγµατα αποτελεί τη µεγαλύτερη πηγή θερµότητας µε την αύξηση των θερµικών φορτίων. Γι αυτό το λόγο η χρήση της κρίνεται επιβεβληµένη, µέσω διαφόρων εφαρµογών που έχουν αναπτυχθεί τα τελευταία χρόνια.

15 2 Τα συστήµατα ηλιοπροστασίας δίνουν τη δυνατότητα ρύθµισης του εισερχόµενου φωτός στα επιθυµητά επίπεδα καθ όλη τη διάρκεια της ηµέρας, βοηθούν στον έλεγχο της θερµοκρασίας και εξασφαλίζουν οµοιόµορφες συνθήκες σε κάθε χώρο. Επίσης βελτιώνουν τις συνθήκες διαβίωσης και εργασίας µε τον πιο ευχάριστο, υγιεινό και οικολογικό τρόπο και εξασφαλίζουν οικονοµία από τη µειωµένη χρήση κλιµατισµού[23]. 1.2 Σκοπός Μελέτης Σκοπός της παρούσας διπλωµατικής εργασίας αποτελεί η µελέτη της χωροθέτησης ενός κτιρίου στο αστικό δοµηµένο περιβάλλον, και η δηµιουργία ενός εµπειρκού κανόνα, που να υπολογίζει τα τετραγωνικά µέτρα στις προσόψεις κτιρίων που δέχονται ηλιακή ακτινοβολία, οποιαδήποτε ηµέρα του έτους ζητηθεί. Επιµέρους στόχοι της παρούσας εργασίας αποτελούν, ο υπολογισµός της ετήσιας παραγωγής ενέργειας από την τοποθέτηση Ανανεώσιµων Πηγών Ενέργειας, Φ/Β πλαισίων και ηλιοθερµικών συστηµάτων και του ποσοστού που συνεισφέρουν στην εξοικονόµηση, µε την τοποθέτησή τους στις προσόψεις κτιρίων, καθώς επίσης και η εγκατάσταση συστηµάτων ηλιοπροστασίας για µείωση των θερµικών φορτίων, που προκαλούνται από τα ανοίγµατα. Η παραπάνω διερεύνηση θα γίνει και θεωρητικά, άλλα και τα αποτελέσµατά της θα επαληθευτούν µέσω πρακτικής εφαρµογής, ελέγχοντας δηλαδή την υφιστάµενη κατάσταση τεσσάρων κτιρίων. Επιπλέον µέσω της πρακτικής εφαρµογής θα προσδιορισθεί η ιδανική χωροθέτηση των παραπάνω κτιρίων στο αστικό περιβάλλον, τόσο όσον αφορά τον προσανατολισµό τους, όσο και της απόστασης και ύψους µεταξύ του υφιστάµενου και των απέναντι κτιρίων, έτσι ώστε να υπολογιστούν τα τετραγωνικά της επιφάνειάς τους, που δέχονται ηλιακή ακτινοβολία, για τις δύο διαφορετικές µέρες που θα µελετηθούν και για τις ώρες 9πµ, 12πµ και 3µµ.

16 3 1.3 Σχετικές έρευνες Η ηλιακή ενέργεια, ως ανανεώσιµη πηγή, µπορεί να χρησιµοποιηθεί από τον άνθρωπο για την κάλυψη των αναγκών του. Η ιδιότητα αυτή του ήλιου έχει φέρει πλήθος επιστηµόνων στην προσπάθεια αξιοποίησής της, είτε µελετώντας την παραγωγή ενέργειας από τις κεκλιµένες στέγες των κατοικιών, είτε από τις προσόψεις, αλλά και ακόµα από τον ιδανικό σχεδιασµό των κτιρίων στο αστικό περιβάλλον. Έχουν πραγµατοποιηθεί έρευνες για την αξιοποίηση της ηλιακής ακτινοβολίας σε πλήθος περιοχών, τόσο σε ευρωπαϊκό, όσο και σε παγκόσµιο επίπεδο. Στην περιοχή της Ανδαλουσίας έχει διερευνήθει το ενεργειακό δυναµικό στις κεκλιµένες στέγες των σπιτιών, από τη χρήση Φ/Β πάνελς [20,23]. Αλλά η αντίστοιχη διερεύνηση έγινε και σε επίπεδο Ευρωπαϊκής Ένωσης προσφέροντας µία ανάλυση για τη συνεισφορά που θα υπήρχε στις χώρες της Ευρώπης, µε την χρησιµοποίηση Ανανεώσιµων Πηγών Ενέργειας, καθώς επίσης και τα εγκατεστηµένα τετραγωνικά που έχει ανάγκη η κάθε ευρωπαϊκή χώρα, µε σκοπό να παράγεται το 1% της εθνικής απαίτησης σε ηλεκτρισµό[24]. Eπίσης, ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η έρευνα που είχε ως αντικείµενο, το ενδεχόµενο χρήσης της ενέργειας που παράγεται από τον ήλιο σε γειτονιές της Νέας Ζηλανδίας µε σκοπό τη µείωση των εκποµπών του CO 2 µε την αναδιαµόρφωση των κεκλιµένων στεγών των σπιτιών [29]. Παράλληλα, έχει επιπλέον αποτελέσει αντικείµενο µελέτης, η δυνατότητα του ηλιακού δυναµικού να καλύψει τις ανάγκες στο ζέσταµα του νερού χρήσης [19,25]. Η χρήση Φωτοβολταϊκών πάνελς έχει µελετηθεί σε πολύ µεγάλο βαθµό και ειδικά για τις χώρες µε υψηλή ηλιακή ακτινοβολία [26]. Ακόµα αντικείµενο έρευνας αποτελεί και η µελέτη, του πώς η µορφολογία του αστικού περιβάλλοντος, επηρεάζει τη διαθεσιµότητα της ηλιακής ακτινοβολίας [27]. Η παρούσα διπλωµατική εργασία εξετάζει σε αντιδιαστολή µε τις προαναφερθήσες, που αφορούν κυρίως τοποθέτηση Φωτοβολταϊκών πάνελς στις κεκλιµένες στέγες, την παραγωγή ενέργειας από τις προσόψεις των κτιρίων, τόσο απο Φ/Β, όσο και από ηλιοθερµικά. Κάτι ανάλογο παρουσιάζεται και σε µελέτη που διερευνά την ποσοτικοποίηση της ηλεκτροπαραγωγής από τοποθέτηση στις προσόψεις Φ/Β πλαισίων [28].

17 4 Σε πιο γενικό πλαίσιο, όχι σε δερεύνηση διαθέσιµων επιφανειών -πρόσοψης και κεκλιµένης σκεπής-, κινήθηκε η έρευνα, η οποία διατυπώνει µία µαθηµατική προσέγγιση στη συσχέτιση της ηλιακής ενέργειας και της πλυθησµιακής πυκνότητας στην Ευρώπη. ιεξήχθη στη Βεστφαλία της Γερµανίας, όµως µε τη υιοθέτησή της, σε επίπεδο Ευρώπης, είναι εφικτό να δώσει λεπτοµερή εποπτεία σε διαθέσιµες επιφάνειες, προσόψεων και κακλιµένων σκεπών, κτιρίων στην Ευρώπη [21].

18 5 2. Ηλιακή τεχνική 2.1 Ο Ήλιος Ο ήλιος αποτελείται ως επί το πλείστον από το υδρογόνο (70%), το ήλιον (28%) και το υπόλοιπο 2% από βαρέα στοιχεία. Είναι το µόνο αστέρι αρκετά κοντά στη Γη, ώστε να εξετάσουµε τα εξωτερικά και τα εσωτερικά στρώµατά του λεπτοµερώς. Είναι το µόνο άστρο που επηρεάζει φανερά τη ζωή µας, όχι µόνο την ηµέρα αλλά και τη νύκτα, µε ηλιοφάνεια αλλά και τις νεφοσκεπείς ηµέρες. Παράγει και ακτινοβολεί τεράστιες ποσότητες ενέργειας. Σε κάθε δευτερόλεπτο που περνά, ο ήλιος εκπέµπει ενέργεια ίση µε µερικές εκατοντάδες δισεκατοµµύρια τρισεκατοµµυρίων κιλοβατώρες. Και µας παρέχει σχεδόν όλη την ενέργεια που χρησιµοποιούµε στη Γη. Εικόνα 2.1 : Ο Ήλιος [2,4] Ο ήλιος εκπέµπει ενέργεια ίση µε 386 δισεκατοµµύρια Μegawatts και κάθε δευτερόλεπτο τόνοι υδρογόνου µετατρέπονται σε τόνους ηλίου και τόνους σε ενέργεια µε τη µορφή ακτίνων γάµµα. Καθώς ταξιδεύει προς την επιφάνεια ακτινοβολία συνεχώς απορροφάται και επανεκπέµπεται σε ολοένα µικρότερη θερµοκρασία έτσι ώστε όταν φτάσει στην επιφάνεια να γίνει κυρίως ορατή ακτινοβολία. Οι επιστήµονες εκτιµούν πως ο ήλιος θα συνεχίσει να παράγει ενέργεια από τη σύντηξη του υδρογόνου για 5 περίπου δισεκατοµµύρια χρόνια ακόµα [2,4].

19 6 2.2 Η Ενέργεια από τον ήλιο Με µια καλή προσέγγιση, ο ήλιος ενεργεί ως µια τέλεια πηγή ακτινοβολίας σε µια θερµοκρασία κοντά στους Κ. Η πρoσπίπτoυσα ροή ενέργειας πάνω σε µια µονάδα επιφάνειας κάθετη προς τη διεύθυνση της δέσµης έξω από τη γήινη ατµόσφαιρα είναι γνωστή ως η ηλιακή σταθερά: S=1376 W/τµ. Γενικότερα, η ολική ισχύς από µια πηγή ακτινοβολίας που πέφτει πάνω στη µονάδα επιφάνειας ονοµάζεται ένταση ακτινοβολίας. Όταν η ηλιακή ακτινοβολία εισέρχεται στη γήινη ατµόσφαιρα, όπως φαίνεται στην εικόνα 2.2, ένα µέρος της προσπίπτουσας ενέργειας αναιρείται λόγω της σκέδασης ή της απορρόφησης από τα µόρια του αέρα, τα σύννεφα και το υλικό που συνήθως αναφέρεται ως aerosols. Εικόνα 2.2 : Ηλιακή ακτινοβολία στην ατµόσφαιρα [23]

20 7 Κατά τη διέλευση των ηλιακών ακτίνων, από τη γήινη ατµόσφαιρα, η ένταση τους ελαττώνεται, καθώς τα φωτόνια σκεδάζονται αφενός στα µόρια της ατµόσφαιρας και στα πολύ µικρής διαµέτρου d, σωµατίδια, αφετέρου, στα µεγαλύτερης διαµέτρου αιωρήµατα της, δηλαδή, τους υδρατµούς, τη σκόνη και τον καπνό. Ένα άλλο µέρος της ακτινοβολίας απορροφάται από ορισµένα συστατικά της ατµόσφαιρας. Παραδείγµατος χάριν, η υπεριώδης ακτινοβολία απορροφάται από τα µόρια του όζοντος, στα ανώτερα στρώµατα της κύριας µάζας της ατµόσφαιρας, έτσι ώστε η ένταση των ακτίνων αυτών, στην επιφάνεια της γης, να είναι εξαιρετικά µειωµένη και η καρκινογόνος δράση της αρκετά περιορισµένη. Οµοίως οι υδρατµοί απορροφούν, το CO 2, τα οξείδια του αζώτου κ.α, σε άλλες περιοχές του φάσµατος. Τέλος, µέρος της σκεδαζόµενης ακτινοβολίας φτάνει στην επιφάνεια της γης. Συνεπώς, σε κάθε τόπο της επιφάνειας της γης, φτάνουν δύο συνιστώσες του ηλιακού φωτός: η απευθείας, ή άµεση B (Beam) και η σκεδαζόµενη στα µόρια του αέρα, η οποία ονοµάζεται διάχυτη D (Diffuse). Γενικά,λοιπόν, η προσπίπτουσα ακτινοβολία σε ένα συλλέκτη ή έναν αισθητήρα, αποτελείται από την απευθείας, τη διάχυτη και την ανακλώµενη από το έδαφος. Η συνολική αυτή ακτινοβολία αναφέρεται ως ολική ακτινοβολία σε κεκλιµένο ή οριζόντιο συλλέκτη και συµβολίζεται µε G (Global Irradiation). Η ανακλώµενη εξαρτάται από τη µορφολογία και το χρώµα του εδάφους ή της επικάλυψης του (γρασίδι ή χιόνι) και την πυκνότητα των νεφών, ενώ η ολική, απευθείας και διάχυτη,εξαρτώνται, σε γενικές γραµµές από τους επόµενους παράγοντες: a. τη σύσταση - κατάσταση της ατµόσφαιρας, τη δεδοµένη χρονική στιγµή (υγρασία και γενικά, τα αιωρήµατα της ατµόσφαιρας), b. την ηµέρα κατά τη διάρκεια του έτους, c. τη γωνία πρόσπτωσης των ηλιακών ακτίνων στη συλλεκτική επιφάνεια (ύψος του ήλιου κατά τη διάρκεια της ηµέρας). Κατά την ανατολή του ήλιου, η ζενίθια γωνία του ήλιου ( z=90 ο -EL, EL (Elevation) το ύψος του ήλιου) είναι z=90 ο και άρα η ολική οριζόντια πυκνότητα ισχύος της ακτινοβολίας G, καθορίζεται, κυρίως, από τη διάχυτη συνιστώσα, D. Καθώς το ύψος του ήλιου αυξάνει, µέσα σε µια αίθρια ηµέρα, η απευθείας κάθετη ακτινοβολία, αυξάνει µέχρι το ηλιακό µεσηµέρι, µετά το οποίο ελαττώνεται, περίπου κατά συµµετρικό τρόπο.

21 8 Με βάση τις ωριαίες τιµές των συνιστωσών G, B και D, προκύπτουν οι ηµερήσιες µέσες τιµές, οι µηνιαίες µέσες τιµές, καθώς και οι ετήσιες µέσες τιµές των µεγεθών αυτών. Η ολική ακτινοβολία η οποία αποτελείται από αυτά τα τρία στοιχεία ονοµάζεται σφαιρική. Η ποσότητα της ακτινοβολίας η οποία φτάνει στο έδαφος είναι φυσικά άκρως µεταβλητή. Επιπλέον πέρα από την όποια κανονική ηµερήσια και ετήσια µεταβολή λόγω της φαινόµενης κίνησης του ήλιου, ακατάστατες µεταβολές (κάλυψη από σύννεφα) προκαλούνται από τις κλιµατολογικές συνθήκες καθώς επίσης και τη γενικότερη σύνθεση της ατµόσφαιρας. Γι αυτό το λόγo, η σχεδίαση ενός φωτοβολταϊκού συστήµατος βασίζεται στη λήψη µετρούµενων δεδοµένων που λαµβάνονται κοντά στην τοποθεσία της εγκατάστασης. Ένα µέγεθος που χαρακτηρίζει την επίδραση της καθαρής ατµόσφαιρας πάνω στο ηλιακό φως είναι η µάζα αέρος ίση προς το σχετικό µήκος της διαδροµής της απευθείας δέσµης διαµέσου της ατµόσφαιρας. Στη διάρκεια µιας ηλιόλουστης καλοκαιρινής ηµέρας στο επίπεδο της θάλασσας, η ακτινοβολία από τον ήλιο, όταν βρίσκεται στο Ζενίθ, αντιστοιχεί σε µάζα αέρος 1 (συντετµηµένο σε ΑΜ 1). Εικόνα 2.3 : Ηλιακή ακτινοβολία [25] Μολονότι η ένταση µπορεί να φτάσει την τιµή του 1kW, η διαθέσιµη ένταση είναι συνήθως σηµαντικά µικρότερη απ αυτή της µέγιστης τιµής λόγω της περιστροφής της γης και των αντίξοων καιρικών συνθηκών. Η µέγιστη µέση ακτινοβολία σηµειώνεται κοντά στο γεωγραφικό πλάτος των τροπικών του Καρκίνου και του Αιγόκερω, ενώ είναιωµικρότερη στις περιοχές του ισηµερινού λόγω της κάλυψης του από σύννεφα. Σε υψηλότερα γεωγραφικά πλάτη η ηλιακή ακτινοβολία είναι φυσικά ασθενέστερη λόγω της µικρής ηλιακής ανύψωσης.

22 9 Εικόνα 2.4 : Χάρτης ετήσιας ηλιακής ακτινοβολίας των χωρών της Ευρώπης [28] Η χώρα µας συγκαταλέγεται µεταξύ των χωρών υψηλής ακτινοβολίας. Αυτό αποτελεί πλεονέκτηµα στην εφαρµογή των φωτοβολταϊκών συστηµάτων για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Από το Κέντρο Ερευνών της Ευρωπαϊκής Ένωσης έχουν γίνει µελέτες για τη χώρα µας και απεικονίζονται στους χάρτες των ακόλουθων σχηµάτων. Οι χάρτες, αντιπροσωπευτικά παραδείγµατα είναι αυτοί που απεικονίζονται στις εικόνες 2.4, 2.5, 2.6, αντιπροσωπεύουν την ετήσια ποσότητα ενέργειας (kwh/m 2 ) που προέρχεται από την πρόσπτωση της ηλιακής ακτινοβολίας σε φωτοβολταϊκούς συλλέκτες σε οριζόντια θέση, καθώς και υπό τη βέλτιστη γωνία κλίσης και αφορούν διάστηµα 10 ετών και συγκεκριµένα την περίοδο Εναλλακτικά δίνεται χάρτης µε την ετήσια παραγόµενη ηλεκτρική ενέργεια εκφρασµένη σε kwh από φωτοβολταϊκό σύστηµα, µε συλλέκτες πυριτίου (c-si) ισχύος 1kWp υπό βέλτιστη γωνία κλίσης [2,4,10].

23 10 (α) (β) Εικόνα 2.5 : (α) ετήσια ποσότητα ενέργειας (kwh/m2) που προέρχεται από την πρόσπτωση της ηλιακής ακτινοβολίας σε φωτοβολταϊκούς συλλέκτες σε οριζόντια θέση (β) και υπό άριστη γωνία κλίσης [30] Εικόνα 2.6 : Ετήσια παραγόµενη ηλεκτρική ενέργεια εκφρασµένη σε kwh από φωτοβολταϊκό σύστηµα, µε συλλέκτες πυριτίου (c-si) ισχύος 1kWp υπό άριστη γωνία κλίσης [30]

24 Ηµερήσια ενεργειακή απολαβή από τον ήλιο Η ενέργεια ανά m 2, που φτάνει στην επιφάνεια της Γης µέσα σε µια µέρα, εξαρτάται από την κλίση της συλλεκτικής επίπεδης επιφάνειας, το γεωγραφικό πλάτος του τόπου, τη µέρα του χρόνου και από τις συγκεντρώσεις των διαφόρων αερίων, υγρών και στερεών συστατικών και αιωρηµάτων της ατµόσφαιρας, κατά την ηµέρα εκείνη. Οι συλλεκτικές επιφάνειες των µετρητικών οργάνων (αισθητήρων), µπορεί να προσανατολιστούν σύµφωνα µε τις απαιτήσεις του πειράµατος και τις προδιαγραφές των οργάνων αυτών. Προκειµένου, όµως, να υπάρχουν συγκρίσιµα στοιχεία, σε διεθνή κλίµακα, αναφερόµαστε σε µετρήσεις µε αισθητήρες, οι οποίοι τοποθετούνται µε τη συλλεκτική επιφάνεια, οριζόντια. Ενδιαφέρον παρουσιάζουν οι µέσες ηµερήσιες τιµές της πυκνότητας ισχύος της ηλιακής ακτινοβολίας (W/m 2 ), σε οριζόντια επιφάνεια, µέσα σε κάθε µήνα και µέσα στο έτος. Για να αξιοποιηθούν αυτά τα µετεωρολογικά στοιχεία σε πρακτικές εφαρµογές (πχ. σε ενεργειακές µελέτες), απαιτούνται µετρήσεις που να καλύπτουν περίοδο πολλών ετών (πχ. 10 έως 30 ετών). Σε περιπτώσεις που λείπουν στοιχεία µακράς περιόδου για κάποιο τόπο, µπορούν να αξιοποιηθούν στοιχεία που έχουν συλλεχθεί σε µικρότερες χρονικές περιόδους, µε την επιφύλαξη της µικρότερης αξιοπιστίας τους. Η ηµερήσια µεταβολή της πυκνότητας ισχύος της ολικής ηλιακής ακτινοβολίας σε οριζόντιο επίπεδο (G (W/m 2 )), απεικονίζονται στο παρακάτω σχήµα. Στο ίδιο σχήµα σηµειώνονται και οι αντίστοιχες ενεργειακές πυκνότητες H (kwh/m 2 *d), οι οποίες προκύπτουν ως ολοκλήρωµα ή εµβαδόν κάτω από την αντίστοιχη καµπύλη. Σηµειώνεται πάντως, ότι, κατά τη διάρκεια µερικής παρουσίας σύννεφων, γύρω απ' την κατεύθυνση του ήλιου, µπορεί να παρατηρηθούν τιµές της πυκνότητας ισχύος µεγαλύτερες των τιµών που θα καταγράφονταν χωρίς την παρουσία τους. Το παράδοξο αυτό φαινόµενο οφείλεται στο ότι, µε την παρουσία συστάδων από σύννεφα, που δεν καλύπτουν τον ήλιο, πέφτουν στον αισθητήρα µέτρησης της ηλιακής ακτινοβολίας, εκτός απ' τις απευθείας και διάχυτες ηλιακές ακτίνες, που αφορούν σε µια ηλιοφανή µέρα και οι σχετικά ισχυρά σκεδαζόµενες στα σύννεφα.

25 12 Να σηµειώσουµε ότι τα ολοκληρώµατα κάτω από τις καµπύλες του σχήµατος 2.7, ισούνται µε την αντίστοιχη ηµερήσια ενέργεια που προσφέρει ο ήλιος στο συλλέκτη ανά µονάδα επιφάνειας. Εικόνα 2.7 : Καταγραφή της πυκνότητας ισχύος της ηλιακής ακτινοβολίας [31] Σε περιοχές κοντά στον Ισηµερινό, η µέση ετήσια τιµή της είναι µεγαλύτερη (µέχρι και 7 kwh/m 2 *d) και αντίστοιχα, σε περιοχές στα όρια των Εύκρατων ζωνών, είναι µικρότερη (<3 kwh/m 2 *d). Εικόνα 2.8 : Παγκόσµιος χάρτης κατανοµής των τιµών της µέσης ετησίως ηµερήσιας πυκνότητας ενέργειας ηλιακής ακτινοβολίας, σε οριζόντιο επίπεδο, σε kwh/m 2 *d [29]

26 13 Ο χάρτης του σχήµατος 2.8 δείχνει την κατανοµή της µέσης, ετήσιας, ηµερήσιας ενεργειακής απολαβής από τον ήλιο ανά τον κόσµο. Άξιο παρατήρησης είναι η ελαττωµένη τιµή σε περιοχές της Τροπικής Ζώνης (γύρω από τον Ισηµερινό). Η υψηλή υγρασία των περιοχών αυτών, µε την έντονη βλάστηση, έχει ως αποτέλεσµα την ισχυρή ελάττωση της άµεσης ακτινοβολίας [2,4,10]. 2.4 Ηλιασµός Κτιρίου Η ακτινοβολία που εκπέµπεται από την επιφάνεια του ήλιου περιλαµβάνει όλα τα µήκη κύµατος του ηλεκτροµαγνητικού φάσµατος, από τη µεγάλου µήκους θερµική ακτινοβολία, µέχρι την πολύ µικρού µήκους υπεριώδη ακτινοβολία. Το ορατό φως, στο οποίο το ανθρώπινο µάτι είναι ευαίσθητο, αποτελεί το 46% της συνολικής ηλιακής ακτινοβολίας και εµπεριέχει όλο το φάσµα των χρωµάτων. Το 49% της ακτινοβολίας ανήκει στην υπέρυθρη ζώνη, την οποία αισθανόµαστε ως θερµότητα, ενώ η υπόλοιπη ποσότητα (5%) ανήκει στην υπεριώδη και κοσµική ακτινοβολία, την οποία δεν αντιλαµβανόµαστε. Προκειµένου να προσδιοριστεί ο ηλιασµός ενός κτηρίου ή ενός οικοπέδου υιοθετείται η παραδοχή των φαινόµενων τροχιών του ήλιου, δηλαδή θεωρείται ότι η γη παραµένει σταθερή, ενώ ο ήλιος κινείται. Αυτή η παραδοχή διευκολύνει στη γεωµετρική απεικόνιση των φαινόµενων τροχιών του ήλιου, οι οποίες ακολουθούν µια µεγάλη συνεχή σπείρα. Οι φαινόµενες τροχιές του ήλιου ταυτίζονται ανά δύο µήνες εκτός του εκεµβρίου και του Ιουνίου. Ο µήνας εκέµβριος έχει τη χαµηλότερη τροχιά, ενώ ο Ιούνιος την υψηλότερη. Για να συσχετιστούν οι φαινόµενες τροχιές του ήλιου, εικόνα 2.9, µε τα γεωµετρικά χαρακτηριστικά των κτηρίων, κατά το σχεδιασµό τους, πρέπει να είναι γνωστή η θέση του ήλιου στον ουρανό και στον ορίζοντα αντίστοιχα [2,4,8,13].

27 14 Εικονα 2.9 : Σχηµατική αναπαράσταση των φαινόµενων τροχιών του ήλιου [31] Η θέση αυτή προσδιορίζεται από τη στερεά γωνία, η οποία αναλύεται σε δύο επίπεδες γωνίες: τη γωνία ύψους, που ορίζεται από τη θέση του ήλιου στον ουρανό ως προς το οριζόντιο επίπεδο και τη γωνία αζιµούθιου, η οποία ορίζεται από την ορθή προβολή της θέσης του ήλιου στο οριζόντιο επίπεδο σε σχέση µε την πραγµατική κατεύθυνση του νότου. Ο προσδιορισµός του ηλιασµού βασίζεται στη συσχέτιση των γεωµετρικών δεδοµένων του κτηρίου µε τα γεωµετρικά δεδοµένα της εκάστοτε θέσης του ήλιου [2,4,8,13]. Εικόνα 2.10 : Οι γωνίες ύψους και αζιµούθιου ορίζουν τη θέση του ήλιου - Ορθή προβολή των φαινόµενων τροχιών του ήλιου στον ηλιακό χάρτη [23]

28 Ηλιακή Απόκλιση Η ηλιακή απόκλιση, όπως φαίνεται στα σχήµατα 2.11 και 2.12, οφείλεται στο ότι ο άξονας της Γης έχει µια κλίση 23.5 µοιρών. Γι'αυτό έχουµε τις εποχές. Όταν το βόρειο ηµισφαίριο είναι πιο κοντά στον ήλιο, παίρνουµε το καλοκαίρι στο Βορρά. Έπειτα, έξι µήνες αργότερα, το βόρειο ηµισφαίριο αποµακρύνεται από τον ήλιο, και παίρνουµε το χειµώνα στο Βορρά (και το αντίθετο για το νότιο ηµισφαίριο). Η απόκλιση είναι µια µέτρηση της γωνίας µεταξύ των ακτινών του ήλιου και του γήινου ισηµερινού. Η απόκλιση του ήλιου αλλάζει κατά τη διάρκεια του έτους. Κατά τη διάρκεια της άνοιξης η απόκλιση του ήλιου είναι µηδέν. Έπειτα φθάνει στη µέγιστη απόκλιση 23.5 κατά τη διάρκεια του θερινού ηλιοστασίου και τελικά µειώνεται µέχρι κατά την διάρκεια του χειµερινού ηλιοστασίου. Αξίζει να σηµειωθεί ότι χρονικά διαστήµατα του Μάρτη και του Σεπτέµβρη η ηλιακή ενέργεια που καταλήγει στη Γη είναι ίση και στα δύο ηµισφαίρια. Κατά τη διάρκεια του θερινού ηλιοστασίου, µια περιοχή της γης βόρεια του αρκτικού κύκλου λαµβάνει 24 ώρες ηµέρα. Αντίστοιχα η Ανταρκτική λαµβάνει 24 ώρες σκοτάδι [2,4,8,13]. Εικόνα 2.11 : Απεικόνιση ηλιακής απόκλισης [23]

29 16 Υπολογισµός Ηλιακής απόκλισης : Κατά τη διάρκεια ενός έτους, η θέση του ήλιου παίρνει πολύ διαφορετικές τιµές σαν αποτέλεσµα της µεταβολής της απόκλισης (δ), δηλαδή της γωνίας που σχηµατίζεται ανάµεσα στη ευθεία που ενώνει το κέντρο της γης µε το κέντρο του ήλιου, και στο επίπεδο του ισηµερινού. Οι τιµές της απόκλισης του ήλιου είναι θετικές για το βόρειο ηµισφαίριο και αρνητικές για το νότιο. Οι ακραίες της τιµές είναι µοίρες στις 21 Ιουνίου (θερινό ηλιοστάσιο για το βόρειο ηµισφαίριο) και µοίρες στις 21 εκεµβρίου (χειµερινό ηλιοστάσιο). Άµεση συνέπεια των διαφορετικών τιµών της απόκλισής του ήλιου κατά τη διάρκεια του έτους είναι οι κυκλικές τροχιές που διαγράφονται βορειότερα στο ουρανό το καλοκαίρι, µε νωρίτερη ανατολή και αργότερη δύση στο βόρειο ηµισφαίριο, ενώ το χειµώνα συµβαίνει το αντίθετο. Παράλληλα διαµορφώνονται οι αντίστοιχες µετεωρολογικές και κλιµατολογικές συνθήκες που επικρατούν σε διάφορες εποχές του έτους. Ιδιαίτερα χρήσιµα µεγέθη για τη γενική εκτίµηση της καθηµερινής και της εποχιακής διακύµανσης της ακτινοβολίας σε ένα τόπο, είναι η θεωρητική ηλιοφάνεια, δηλαδή το χρονικό διάστηµα από την ανατολή µέχρι τη δύση του ήλιου, καθώς και η µέση πραγµατική ηλιοφάνεια που δείχνει το µέσο όρο των ωρών που ο ήλιος δεν καλύπτεται από σύννεφα. Επίσης, ο αριθµός των ηµερών µε ηλιοφάνεια, στη διάρκεια των οποίων ο ήλιος δεν καλύπτεται από σύννεφα, καθώς και των ανήλιων ηµερών, που ο ήλιος καλύπτεται από σύννεφα σε ολόκληρο το διάστηµα της ηµέρας. Ο τύπος της ηλιακής απόκλισης είναι ο ακόλουθος: ( ) n d δ = sin, όπου nd είναι η µέρες του έτους [2,4,8,13]. 365

30 17 Εικόνα 2.12 : Απεικόνιση υπολογισµού ηλιακής απόκλιση [24]

31 Ωριαία γωνία του ήλιου(ω) Η ηλιακή ώρα σχετίζεται µε τη θέση του ήλιου στον ουρανό, η οποία περιγράφεται από τη γωνία ώρας (ω). Η γωνία ώρας έχει τιµή 0 στο ηλιακό µεσηµέρι, αρνητική τιµή πριν το ηλιακό µεσηµέρι και θετική τιµή µετά το ηλιακό µεσηµέρι. Υπολογίζεται από την ακόλουθη εξίσωση, η οποία βασίζεται στο γεγονός ότι ο ήλιος µετακινείται στον ουρανό κατά 15 µοίρες σε µια ώρα [2,4,8,13]. ω= t s ω cos 1 s= tanϕ tanδ Εικόνα 2.13 : Η ωριαία γωνία του ήλιου[23]

32 Υπολογισµός της θέσης του ήλιου Η θέση του ήλιου στον ουρανό ενός τόπου περιγράφεται συνήθως µε δύο γωνίες : το ύψος του ήλιου (α) και το αζιµούθιο του ήλιου (γ). Η εικόνα 2.14 προβάλλει το ύψος του ήλιου (α), που είναι η γωνία που σχηµατίζεται ανάµεσα στην κατεύθυνση του ήλιου και στον ορίζοντα και το αζιµούθιο γ, που είναι η γωνία που σχηµατίζεται πάνω στο οριζόντιο επίπεδο ανάµεσα στη προβολή της κατεύθυνσης του ήλιου και στον τοπικό µεσηµβρινό βορρά - νότου. Ο όρος προέρχεται από την αραβική λέξη as summut, που σηµαίνει κατεύθυνση. Προς τα δεξιά από τον νότο, το ηλιακό αζιµούθιο παίρνει θετικές τιµές, και προς τα αριστερά αρνητικές τιµές. Κατά την διάρκεια της ηµέρας, το ύψος του ήλιου και το αζιµούθιο µεταβάλλονται συνεχώς καθώς ο ήλιος διατρέχει τον ουρανό. Το αζιµούθιο είναι: 1. Για νότιο προσανατολισµό γ=0 2. Για γωνίες δυτικά από το νότο παίρνει θετικές τιµές. 3. Για γωνίες ανατολικά από το νότο παίρνει αρνητικές τιµές. Εικόνα 2.14 : Απεικόνιση γωνίας αζιµούθιου(γς) και γωνίας(α) [23]

33 20 Ο σκιασµός ή ο ηλιασµός ενός κτηρίου ή ενός στοιχείου του µπορεί να υπολογιστεί, γνωρίζοντας τη γεωµετρία του ήλιου, το γεωγραφικό πλάτος όπου βρίσκεται το κτίριό µας και τον προσανατολισµό των επιφανειών, µε τη βοήθεια της οριζόντιας (HSA) και της κατακόρυφης γωνίας σκίασης (VSA) της επιφάνειας. Η οριζόντια γωνία σκίασης (Α) (σε µοίρες) είναι η γωνία που σχηµατίζεται µεταξύ του αζιµούθιου της επιφάνειας (γ) και του ηλιακού αζιµούθιου, ενώ η κατακόρυφη γωνία σκίασης (Α) (σε µοίρες) είναι η γωνία µεταξύ της διεύθυνσης του ηλίου, σε σχέση µε το επίπεδο της επιφάνειάς µας και το οριζόντιο επίπεδο και εξαρτάται από το ύψος του ήλιου και την οριζόντια γωνία σκίασης. Το αζιµούθιο της επιφάνειας (-180ο γ 180ο) είναι η γωνία που σχηµατίζεται µεταξύ του µεσηµβρινού που περνά από το επίπεδο αναφοράς και την προβολή σε οριζόντιο επίπεδο της καθέτου επί του επιπέδου. Σύµφωνα µε την παραδοχή, για τους υπολογισµούς του ηλιασµού /σκιασµού για επίπεδο µε νότιο προσανατολισµό ισχύει γ=0ο, για δυτικό προσανατολισµό γ=90ο, για ανατολικό προσανατολισµό γ=-90ο και για βόρειο προσανατολισµό γ=180ο. Έτσι, η οριζόντια γωνία σκίασης (HSA) δίνεται από τη σχέση: Και η κατακόρυφη γωνία σκίασης (VSA) δίνεται από τη σχέση: Για παράδειγµα, για γεωγραφικό πλάτος 38 ο Β, στις 12:00 το µεσηµέρι, το ύψος του ήλιου τον Ιούνιο είναι α=77 ο και το εκέµβριο α=29 ο, ενώ και στις δύο περιπτώσεις το αζιµούθιο ισούται µε το µηδέν (γs=0 ο )1, όπως φαίνεται από το ηλιακό διάγραµµα του παραρτήµατος Γ της ΤΟΤΕΕ /2010 ή όπως υπολογίζεται από τις σχέσεις 4.11 και 4.12 της ΤΟΤΕΕ /2010. Για ένα επίπεδο µε απόκλιση 10ο από το νότο προς τη δύση (γ=10ο), η οριζόντια και η κατακόρυφη γωνία σκίασης στις 12:00 το µεσηµέρι, είναι αντίστοιχα:

34 21 Γνωρίζοντας την κατακόρυφη γωνία σκίασης, µπορεί εύκολα να οριστεί ο ηλιασµός και ο σκιασµός από την άµεση ηλιακή ακτινοβολία των επιφανειών του κτηρίου ή/και στοιχείων του, σε συγκεκριµένες χρονικές στιγµές. Για το παράδειγµα του σχήµατος 2.15, όπου φαίνεται το σκαρίφηµα του τοπογραφικού ενός κτηρίου του οποίου ζητείται να υπολογισθεί η σκίαση, του οποίου η νότια επιφάνεια έχει 10ο απόκλιση προς τη ύση, µπορούν να ορισθούν σχηµατικά (στις τοµές που φαίνονται στα Σχήµατα) ο ηλιασµός και η σκίαση του κτηρίου, το µεσηµέρι, τόσο από τον περιβάλλοντα χώρο της, όσο και από τις αρχιτεκτονικές προεξοχές για τον Ιούνιο και το εκέµβριο αντίστοιχα, µε τις γωνίες που υπολογίσθηκαν παραπάνω. Παρατηρείται ότι τον Ιούνιο, που ο ήλιος βρίσκεται ψηλά, η νότια πλευρά του κτηρίου µπορεί να σκιασθεί κυρίως από οριζόντιες προεξοχές. Το εκέµβριο, που ο ήλιος βρίσκεται χαµηλά, τα ψηλά γειτονικά κτήρια µπορεί να εµποδίσουν τον ηλιασµό της νότιας πλευράς του κτηρίου σε µεγάλο βαθµό. Ο χειµερινός ηλιασµός του κτηρίου είναι σηµαντικό να λαµβάνεται υπ όψη κατά τη χωροθέτηση του κτηρίου στο οικόπεδο. Για τη διαστασιολόγηση των αρχιτεκτονικών προεξοχών που προσφέρουν σκιασµό σε νότια ανοίγµατα τη θερινή περίοδο, λαµβάνεται υπ όψη ο θερινός ηλιασµός [2,4,8,13].

35 22 Εικόνα 2.15 : Σκαρίφηµα τοπογραφικού διαγράµµατος κτιρίου που ζητείται ο ηλιασµός, σκιασµός του από τον περιβάλλοντα χώρο και προεξοχές [13] Εικόνα 2.16 : Ηλιασµός και σκιασµός από τον περιβάλλοντα χώρο και από προεξοχές, για νότια προσανατολισµενη επιφάνεια µε 10 o απόκλιση προς τη ύση, στις 12:00 το µεσηµέρι το εκέµβριο, για γεωγραφικό πλάτος 38 o Β [13]

36 Ηλιακοί χάρτες Ηλιακοί χάρτες ονοµάζονται τα διαγράµµατα, τα οποία απεικονίζουν τις φαινόµενες τροχιές του ήλιου στο επίπεδο ορθής προβολής για συγκεκριµένο γεωγραφικό πλάτος. Με τα διαγράµµατα αυτά προσδιορίζεται η θέση -ύψος και αζιµούθιο- του ήλιου για κάθε µήνα -συνήθως την 21η του µήνα- για όλες τις ώρες της ηµέρας. Έχουν δηµιουργηθεί ηλιακοί χάρτες για όλα τα γεωγραφικά πλάτη. Για την Ελλάδα, όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, υπάρχουν διαθέσιµοι ηλιακοί χάρτες στο Παράρτηµα Γ της ΤΟΤΕΕ /2010 «Κλιµατικά εδοµένα Ελληνικών Περιοχών», για γεωγραφικά πλάτη από 35 ο Β έως 40 ο Β, µε βήµα 1 ο. Ηλιακοί χάρτες απεικονίζονται στην εικόνα 2.17, για βόρεια γεωγραφικά πλάτη 36ο και 40 ο αντίστοιχα [2,4,8,13]. Εικόνα 2.17 : Ηλιακοί χάρτες για Βόρεια γεωγραφικά πλάτη 36 o και 40 o αντίστοιχα[13] Σε κάθε ηλιακό χάρτη απεικονίζονται επτά (7) φαινόµενες τροχιές του ήλιου, από τις οποίες αυτή του εκεµβρίου έχει τη χαµηλότερη τροχιά (την 21η εκεµβρίου παρατηρείται το χειµερινό ηλιοστάσιο), ενώ του Ιουνίου έχει τη µεγαλύτερη (την 21η Ιουνίου παρατηρείται το θερινό ηλιοστάσιο).

37 24 Οι υπόλοιπες φαινόµενες τροχιές ανήκουν σε δύο µήνες (Ιανουάριος και Νοέµβριος έχουν την ίδια φαινόµενη τροχιά, αντίστοιχα Φεβρουάριος και Οκτώβριος, Απρίλιος και Αύγουστος, Μάιος και Ιούλιος). Την 21η Μαρτίου και Σεπτεµβρίου παρατηρείται η ισηµερία, εαρινή και φθινοπωρινή, αντίστοιχα. Η εκάστοτε θέση του ήλιου ορίζεται από τη γωνία αζιµούθιου και τη γωνία ύψους. Στην κάτω οριζόντια ευθεία του ηλιακού χάρτη καταγράφονται οι γωνίες αζιµούθιου ως προς τον ηλιακό νότο, που βρίσκεται στο κέντρο, µε γωνία 0 ο. Αριστερά του νότου, στη γωνία των 90 ο ορίζεται η ανατολή και δεξιά, πάλι στηγωνία των 90 ο, ορίζεται η δύση. Η κάθετη ευθεία (τεταγµένη) προσδιορίζει τις γωνίες ύψους του ήλιου, για όλες τις ώρες της ηµέρας και για όλους τους µήνες. Οι διακεκοµµένες καµπύλες προσδιορίζουν τις ηλιακές ώρες, από την ανατολή µέχρι τη δύση. Για παράδειγµα, για να προσδιοριστεί η θέση του ήλιου την 21 η Ιανουαρίου, στις 10:00 πµ., σε ένα τόπο µε 40 ο γεωγραφικό πλάτος (Θεσσαλονίκη), ακολουθείται η εξής πορεία: 1. επιλέγεται ο ηλιακός χάρτης που αντιστοιχεί σε 40 ο Β.Γ.Π. 2. βρίσκεται η τροχιά του ήλιου που αντιστοιχεί στην 21 η Ιανουαρίου και η καµπύλη της 10ης πρωινής ώρας. 3. στο σηµείο όπου τέµνονται η τροχιά του ήλιου και η καµπύλη της ώρας, χαράζεται µία ευθεία κάθετη προς την οριζόντια και διαβάζεται η γωνία αζιµούθιου, η οποία είναι 31 ο ανατολικά του νότου. 4. µε τρόπο ανάλογο προσδιορίζεται και η γωνία ύψους του ήλιου, χαράζοντας µία παράλληλη προς την οριζόντια ευθεία και διαβάζεται το ύψος του ήλιου, το οποίο προκύπτει 23ο επάνω από τον ορίζοντα. Ο µετρητής σκιασµού χρησιµοποιείται για τον προσδιορισµό της σκιάς που δηµιουργούν τα απέναντι ή τα κάθετα προς το κτήριο ή το οικόπεδο εµπόδια, για τα οποία αναζητείται ο ηλιασµός τους σε όλη τη διάρκεια του χρόνου. Οι γωνίες ύψους απεικονίζονται µε τις καµπύλες της εικόνας 2.18, από 0 ο -80 ο και ορίζουν τη γωνία ύψους του/των απέναντι εµποδίων ως προς την οριζόντια ευθεία [13].