9-1-4 — Сонячний потенціал і зовнішні умови

У цьому уроці ти:

• остаточно перевіриш затінення будинку від сусіда, дерева й затінення сусіда від будинку;
• розрахуєш козирок, сонячні панелі та порядок величин теплових втрат;
• зведеш кліматичні навантаження (сніг, вітер, температура) у проєктні рішення;
• складеш «кліматично-сонячний паспорт» проєкту.

📖 1. Сонячні дані проєкту

Для ділянки М (φ = 50°) ми вже знаємо:

О 9:00 у рівнодення Сонце на висоті ≈ 27° (азимут ≈ 128°), а взимку о 9:00 — лише ≈ 6°.

📖 2. Тінь від сусіда (на будинок)

Південний сусід (гребінь 6 м) стоїть на y = −4, а південна стіна варіанта Б — на y = 12, тобто відстань D = 12 + 4 = 16 м.

• Кут перешкоди: tg α = 6 : 16 = 0,375, α ≈ 20,6°.
• Взимку опівдні Сонце на 16,5°, тобто α > 16,5°: нижня частина стіни в тіні. Висота тіні на стіні: 6 − 0,30 · 16 = 1,2 м.
• У рівнодення о 9:00 Сонце на 27° > 20,6°: тіні немає. Влітку теж.

Порівняємо з іншими варіантами:

Висновок: чим далі від сусіда, тим менше тіні. Саме тому в оптимізації переміщення на північ вигідне.

Дах не затінений. Перевір кут від карниза (5,5 м) до гребеня сусіда (6 м) за 16,5 м: tg = 0,5 : 16,5 ≈ 0,03, α ≈ 1,7°: далеко менше за 16,5°. Тож південний схил даху (місце для панелей) від сусіда не затінюється.

📖 3. Тінь від груші

Груша заввишки 9 м на (30; 12). Перевіримо ранок рівнодення о 9:00: висота Сонця 27°, азимут 128°.

1. Довжина тіні: L = 9 : tg 27° = 9 : 0,51 ≈ 17,7 м.
2. Тінь падає в протилежний бік: азимут 128° + 180° = 308°. Орт напрямку: (sin 308°; cos 308°) = (−0,79; 0,62).
3. Північно-східний кут будинку (18; 20) відносно стовбура: (−12; +8). Відстань уздовж осі тіні: 12 · 0,79 + 8 · 0,62 ≈ 14,4 м (< 17,7 м: тінь сягає кута). Відстань від кута до осі тіні (по перпендикуляру): ≈ 1,1 м, що менше за радіус крони 4 м.

Отже, північно-східний кут будинку близько 9:00 у рівнодення опиняється в тіні груші. Взимку опівдні тінь падає прямо на північ уздовж x = 30, тобто далеко від будинку, а о 15:00 в рівнодення вона йде на північний схід, також не на будинок. Висновок: вплив малий і короткочасний, його можна прийняти.

📖 4. Тінь від нашого будинку на сусіда

Взимку опівдні тінь від карниза (5,5 м) сягає 18,3 м на північ від північної стіни (y = 20): аж до y ≈ 38. Це далеко за межею ділянки (y = 25). Тобто у цей час наш будинок затінює частину ділянки на північ: охоронну зону ЛЕП і далі територію сусідів.

Для проєкту це означає:

• існують санітарні вимоги до тривалості сонячного освітлення (інсоляції) приміщень і територій, їх перевіряють за чинними нормами та місцевими правилами;
• за потреби зменшують висоту будівлі чи змінюють нахил даху, або з’ясовують, що саме затінено (територія без житла чи вікна).

У навчальному проєкті достатньо визнати вплив, оцінити його та записати в реєстр вимог.

📖 5. Сонячна енергія: козирок і панелі

Козирок над південними вікнами

Вікно висотою 1,5 м: потрібна глибина козирка d = 1,5 : 2,0 = 0,75 м (повне літнє затінення). Узимку тінь 0,75 · 0,30 ≈ 0,23 м: вікно майже відкрите (85 % світла). Тому звис південного схилу даху робимо 0,75 м (на інших сторонах — 0,5 м). Це спрацює для вікон другого поверху. Для першого поверху — окремий навіс над терасою.

Панелі

• Площа південного схилу: довжина 10 м, ширина по схилу 4 : cos 35° ≈ 4,88 м, тобто 48,8 м².
• Придатна площа (≈ 70 %): 34 м²; панель 1,9 м², отже, до 18 панелей ≈ 8,1 кВтп і до 8900 кВт·год на рік (за 1100 кВт·год/кВтп).
• Для споживання родини 3600 кВт·год потрібно 3600 : 1100 ≈ 3,3 кВтп, тобто 8 панелей. Із запасом на майбутнє пропонуємо 10 панелей (4,5 кВтп).

Сонячні панелі на південному схилі практично не затінені сусідом (розділ 2) і не затінені грушею (розділ 3).

📖 6. Клімат у розрахунках

Сніг

Горизонтальна проєкція даху зі звисами: 11 м × 9 м = 99 м². Снігове навантаження 150 кг/м²: 14,85 т ≈ 15 т. Це близько 8 % від маси будинку (180 т). Дах і стіни мають це витримувати; ухил 35° допоможе сходити снігу, але потрібні снігозатримувачі над входом.

Вітер

Розрахункова швидкість 25 м/с: q = 0,6 · 25² = 375 Па. Площа західної стіни разом із фронтоном: 8 · 5,5 + ½ · 8 · 2,8 = 44 + 11,2 = 55,2 м². Сила: F = 375 · 55,2 ≈ 20,7 кН ≈ 2,1 т. Західний фронтон найбільше навантажений зимовими вітрами, тому вікна на ньому зменшують, а вхід розташовують із західного боку під захистом (ґанок із козирком).

Порядок величин теплових втрат

Інженери оцінюють втрати тепла через огородження за формулою Q = U · A · Δt, де U — коефіцієнт теплопередачі (Вт/(м²·К)), A — площа, Δt — різниця температур. Беремо розрахункову зовнішню температуру −20 °C, а всередині +20 °C (Δt = 40 К). Навчальні значення U (реальні норми змінюються): стіни 0,25; вікна 1,1; дах 0,15; підлога 0,3.

З урахуванням вентиляції додамо приблизно 25 %: ≈ 5 кВт. Цікаво, що вікна займають лише 15 % площі стін (30 з 198 м²), а втрачають близько 32 % тепла. Тому вони стають головним об’єктом оптимізації: на півночі й заході їх зменшують, на півдні збільшують (там вони приносять сонячне тепло). Орієнтовно 12 м² південного скління в ясну зимову погоду здатні давати додатково близько пів-кіловата тепла, що пов’язує орієнтацію з енергетикою.

📖 7. Кліматично-сонячний паспорт

🧪 Спробуй сам

1. Варіант В. Для кута (11; 9): D, висота тіні взимку, кут перешкоди α. Чи затінює сусід навіть у рівнодення о 9:00?
2. Груша. Яку довжину має тінь груші взимку опівдні? У якому напрямку вона падає?
3. Козирок. Вікно висотою 1,8 м: потрібна глибина козирка й тінь узимку.
4. Панелі. Споживання 4200 кВт·год на рік; виробіток 1100 кВт·год/кВтп; панель 0,45 кВтп. Скільки панелей?
5. Сніг. Дах 12 м × 9 м зі снігом 150 кг/м²: маса снігу?
6. Тепловтрати. Зменши площу вікон до 20 м² (стіни стануть 178 м²). Перерахуй Q. На скільки відсотків зменшилися втрати?

Відповіді: 1) D = 9 + 4 = 13; тінь 6 − 3,9 = 2,1 м; tg α = 6 : 13 = 0,46, α ≈ 24,8° < 27°: у рівнодення о 9:00 не затінює. 2) 9 : 0,30 = 30 м, на північ. 3) d = 1,8 : 2,0 = 0,9 м; узимку 0,9 · 0,30 = 0,27 м. 4) 4200 : 1100 ≈ 3,8 кВтп; 3,8 : 0,45 ≈ 8,5, отже, 9 панелей. 5) 12 · 9 · 150 = 16 200 кг = 16,2 т. 6) Стіни: 0,25 · 178 · 40 = 1780; вікна: 1,1 · 20 · 40 = 880; дах 586; підлога 480; разом 3726 Вт; зменшення (4066 − 3726) : 4066 ≈ 8 %.

🔑 Ключові слова

• Кут перешкоди — кут, під яким видно верх перешкоди.
• Інсоляція — освітлення прямим сонячним світлом.
• Козирок — виступ над вікном для затінення.
• кВтп — паспортна потужність панелі.
• Коефіцієнт теплопередачі (U) — показник того, як швидко огородження пропускає тепло.

✅ Перевір себе

1. Як перевірити, чи затінює сусід південну стіну взимку опівдні?
2. Як визначити напрямок і довжину тіні від дерева в потрібний час?
3. Як розрахувати глибину козирка над вікном?
4. Як визначити кількість панелей для заданого споживання?
5. Чому вікна, займаючи небагато площі, дають значну частку тепловтрат?
6. Яке снігове навантаження припадає на дах і чому воно важливе?

📌 Коротко запам’ятай

Затінення перевіряють розрахунком: висота тіні = H − tg h · D. Різні варіанти розміщення суттєво відрізняються за затіненням. Козирок підбирають так, щоб улітку він затіняв, а взимку пропускав сонце. Панелі, сніг, вітер і теплові втрати оцінюють за простими формулами, а вікна — головний чинник енергоефективності, який пов’язує орієнтацію з енергетикою.