Η εφαρμογή παθητικών ηλιακών σε κτίρια αποτελεί βασική απαίτηση του Κανονισμού ΕΝεργειακής Απόδοσης Κτιρίων (Κ.ΕΝ.Α.Κ.) από το 2010 που τέθηκε σε ισχύ. Ακόμα περισσότερο από 1/6/2021 όπου τίθεται σε ισχύ η απαίτηση για νέα κτίρια της ενεργειακής κατηγορίας Α ο βιοκλιματικός σχεδιασμός κτιρίων αποτελεί το πρώτο μέλημα μιας ορθής κατασκευής. Το παθητικό ηλιακό άμεσου κέρδους, που είναι και το μοναδικό που συνεκτιμάται τουλάχιστον με το λογισμικό του ΤΕΕ σήμερα, δεν είναι τίποτα παραπάνω από ανοίγματα στη νότια όψη του κτιρίου ώστε να αυξάνεται το άμεσο κέρδος από την ηλιακή ακτινοβολία που δέχεται μια κατασκευή το χειμώνα. Για να περιοριστεί αυτό το κέρδος το καλοκαίρι χρησιμοποιούνται πρόβολοι, τέντες ή άλλα συστήματα σκίασης στη νότια όψη.
Σε απλά λόγια η θέση του ήλιου είναι ψηλότερα το καλοκαίρι και χαμηλότερα το χειμώνα έτσι ώστε το καλοκαίρι που δεν χρειάζεται να θερμανθεί η κατασκευή να χρησιμοποιούνται πρόβολοι για την προστασία της νότιας όψης, να προστατεύεται από το ήλιο ο εσωτερικός χώρος, ενώ το χειμώνα όπου η θέρμανση είναι απαραίτητη με τον ήλιο σε χαμηλότερη θέση να υπάρχει θερμικό κέρδος και να είναι έντονο το φαινόμενο της απολαβής.
Τρισδιάστατη απεικόνιση
Η θέση του ήλιου περιγράφεται στην ΤΟΤΕΕ-20701-3 ενώ μια βιβλιοθήκη της javascript, η suncalc.js δίνει σχετικά ακριβή αποτελέσματα. Η περιγραφή της ηλιακής τροχιάς είναι σχετικά σύνθετη υπόθεση και γι' αυτό χρησιμοποιήσαμε την three.js για την αποτύπωση μιας γραμμής για την ηλιακή τροχιά για κάθε μήνα βρίσκοντας τη θέση του ήλιου κάθε ώρα. Η sunclac.js δινει το ύψος και το αζιμούθιο, έτσι από το σημείο 0,0,0 των αξόνων και για μια σταθερή απόσταση (πχ 50) στην βιβλιοθήκη three.js υπολογίζεται το σημείο (x,y,z) οπου βρίσκεται ο ήλιος κάθε φορά δίνοντας τη γραμμή solarpath.
Η συντεταγμένη Ζ κάθε σημείου από το ημίτονο της γωνίας με βάση το ηλιακό ύψος ενώ τα X,Y από την προβολή του σημείου στο επίπεδο 0 και έπειτα χρησιμοποιώντας το ημίτονο και συνημίτονο της γωνίας για το αζιμούθιο.
Ο ίδιος υπολογισμός έγινε για κάθε ώρα της ημέρας όπου υπάρχει ηλιακό φως (μεταξύ ανατολής - δύσης), δηλαδή όσο βρισκόμαστε πάνω από το επίπεδο 0, για την ίδια ώρα πχ 12:00 και για κάθε μήνα του έτους δίνοντας την γραμμή analema στο διάγραμμα. Έτσι προέκυψε το παρακάτω διάγραμμα:
Δείτε το ΕΔΩ.
Η three.js σχετικά εύκολα μπορεί να χειριστεί αρχεία 3d από άλλες εφαρμογές, έτσι δημιουργήσαμε ένα ορθογώνιο κτίσμα στο sweet home 3d, σε αρχείο obj και φορτώθηκε στη θέση 0,0,0.
Επίσης για να είναι γνωστή η θέση χρησιμοποιήσαμε ένα polar helper plane (το δάπεδο) στη βάση του διαγράμματος όπου προσθέσαμε τις γωνίες για το αζιμούθιο στην άκρη των βοηθητικών γραμμών, από το 0 έως το 359.
Τέλος για το εφέ κίνησης του ήλιου αλλά και για να υπάρχει επιφάνεια στην ηλιακή τροχιά για όλους τους μήνες δημιουργήσαμε ένα convexHull στη three.js το οποίο έδωσε ένα αντικείμενο με τον όγκο ενδιάμεσα από το επίπεδο 0 έως και τα σημεία, το οποίο έπειτα κόπηκε μέχρι τις γραμμές της τροχιάς ώστε να παραμείνει μόνο μια διαφανής επιφάνεια εκεί που κινείται ο ήλιος. Θα μπορούσε να κατασκευαστεί εξαρχής ως επιφάνεια όμως κάτι τέτοιο αν και φαντάζει πιο εύκολο απαιτούσε μεγαλύτερους υπολογισμούς (triangulation για τη δημιουργία mesh).
Για να καταλαβαίνουμε το φαινόμενο προσθέσαμε 4 slider (μήνες, ημέρες, ώρες και λεπτά) από τα έτοιμα που έδινε το adminlte ως γραφικό περιβάλλλον και σε κάθε κίνησή τους επανυπολογίζεται η θέση της σφαίρας του ήλιου (όχι όλο το διάγραμμα προφανώς καθώς κάτι τέτοιο θα επιβάρυνε τον υπολογισμό).
Η χρήση datagui και των helpergui της three.js σαν overlay μας δίνει έναν υποτυπώδη έλεγχο ώστε πχ να μπορούμε να σβήσουμε της γραμμές ίδιας ώρας ή κάποιο άλλο στοιχείο του γραφήματος.
Διάγραμμα ηλιακού ύψους
Με την ίδια βιβλιοθήκη (suncalc.js) υπολογίστηκε το ηλιακό ύψος για κάθε ώρα σε 3 βασικές ημερομηνίες όπως ορίζει η ΤΟΤΕΕ-20701-3 (πρόκειται κυρίως για τα ακρότατα αυτού του φαινομένου) και προέκυψε διάγραμμα με χρήση της chart.js. Για να μεταβάλλεται το διάγραμμα προσθέσαμε έναν χάρτη (open layers), ένα δείκτη που σύρεται ώστε κάθε φορά ο επισκέπτης να επιλέγει τη θέση.
Δείτε το ΕΔΩ.
Όλες οι βιβλιοθήκες βρίσκονταν με ελεύθερες άδειες διαθέσιμες στο github (ΜΙΤ και BSD-3) ενώ και ο κώδικας αυτών των παραδειγμάτων όταν βρεθεί χρόνος θα ανέβει μεμονωμένα στο github.
Με τα παραπάνω βλέπουμε και με γραφικό τρόπο πόσο σημαντικό ρόλο παίζει η σκίαση στην ορθή λειτουργία ενός παθητικού ηλιακού και στις συνθήκες διαβίωσης μιας κατοικίας. Επίσης μπορούμε να διαστασιολογήσουμε από πριν το μήκος προβόλων, τεντών, σκιάστρων ώστε να μην καταλήγουμε σε ανομοιομορφίες και να προστατευόμαστε από την ηλιακή ακτινοβολία το καλοκαίρι αλλά να την δεχόμαστε χωρίς εμπόδια το χειμώνα με στόχο τελικά αυτή η απαίτηση του ΚΕΝΑΚ να λειτουργεί θετικά υπερ μιας κατοικίας και όχι απλά ως απαίτηση.