Теплопотери зданий и формирование подземного городского острова тепла.

Объект исследования. Подземная температурная аномалия, создаваемая типовым офисным зданием. Цель исследования. Экспериментально и теоретически изучить кондуктивные тепловые потери здания, в том числе в подземную среду. Оценить морфологию и эволюцию подземной температурной аномалии, количество избыточного тепла, поступившего в недра. Оценить экономическое значение и экологические следствия температурной аномалии. Материалы и методы. Экспериментальные данные получены в ходе мониторинга температур и тепловых потоков на внутренних и внешних поверхностях главных конструктивных элементов здания Института геофизики УрО РАН в Екатеринбурге. На их основании рассчитаны сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций, годовые колебания тепловых потоков и годовые тепловые потери. Численное моделирование использовалось для описания размеров, интенсивности и эволюции подземной температурной аномалии. Результаты. Основную часть тепла (83%) здание теряет через внешние конструктивные элементы – стены, окна, крышу – и лишь 17% – через стены и пол подвала. Суммарные потери за 40 лет эксплуатации здания составляют 133 ТДж и определяются низкими теплоизоляционными свойствами конструктивных элементов. По данным моделирования направленные в грунт потоки тепла сформировали подземную температурную аномалию, к настоящему времени распространившуюся на 15 м в стороны от здания и на 40 м в глубину (по изоаномале 2 К). Избыточное тепло, сохранившееся в недрах за 40 лет, составило 3.2 ТДж, или 2.4% от суммарных кондуктивных теплопотерь. Выводы. Утечки тепла из зданий играют ключевую роль в формировании подземного городского острова тепла, в 36 раз превышая климатический вклад, обусловленный глобальным потеплением. При этом экономическое значение накопленной в подземной среде тепловой энергии невелико, а экологические следствия потепления недр несущественны

1. Адушкин В.В., Спивак А.А., Овчинников В.М., Соловьев С.П., Спунгин В.Г. (1995) Геоэкологический контроль за геофизическими полями мегаполиса. Геоэкология, (2), 44-56.

2. Анохин А.А., Житин Д.В., Краснов А.И., Лачининский С.С. (2014) Современные тенденции динамики численности населения городов России. Вестн. Санкт-Петербургского ун-та. Науки о Земле, (4), 167-179.

3. Белоусова А.П., Проскурина И.В. (2008). Принципы районирования территории по степени опасности и рисков загрязнения подземных вод. Водные ресурсы, 35(1), 110-122.

4. Ватин Н.И., Немова Д.В., Рымкевич П.П., Горшков А.С. (2012) Влияние уровня тепловой защиты ограждающих конструкций на величину потерь тепловой энергии в здании. Инженерно-строительный журнал, (8), 4-14. https://doi.org/10.5862/MCE.34.1

5. Горностаева А.А., Демежко Д.Ю., Хацкевич Б.Д., Вдовин А.Г., Факаева Н.Р. (2024) Влияние зданий на под земное тепловое поле г. Екатеринбург. Геофизиче ские процессы и биосфера, 23(2), 12-24. https://doi.org/10.21455/GPB2024.2-2

6. Демежко Д.Ю., Горностаева А.А., Хацкевич Б.Д., Вдовин А.Г., Факаева Н.Р. (2024) Подземный городской остров тепла Екатеринбурга. Литосфера, 24(3), 566-581. https://doi.org/10.24930/2500-302X-2024-24-3-566-581

7. Коридалин В.Е., Кузьмина Н.В., Осика В.И., Попов Е.И., Токмаков В.А. (1985) Сейсмические шумы индустриального города. Докл. АН СССР, 280(5), 1094-1097.

8. Спивак А.А., Локтев Д.Н., Рыбнов Ю.С., Соловьев С.П., Харламов В.А. (2016) Геофизические поля мегаполиса. Геофизические процессы и биосфера, 15(2), 39-54.

9. Шулейкин В.Н. (2014) Пары воды, атмосферное элек тричество и поступление радона в приповерхностные слои грунта и атмосферу. Геофизические процессы и биосфера, 13(3), 31-41.

10. Arning E., Kölling M., Schulz H.D., Panteleit B., Reich ling J. (2006) Einfluss oberflachennaher Warmegewin nung auf geochemische Prozesse im Grundwasserleiter. Grundwasser, 11(1), 27-39.

11. Attard G., Rossier Y., Winiarski T., Eisenlohr L. (2016) Deterministic modeling of the impact of underground structures on urban groundwater temperature. Sci. Total Env., 572, 986-994. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2016.07.229

12. Bayer P., Attard G., Blum P., Menberg K. (2019) The geo thermal potential of cities Renew. Sustain. Energy Rev., 106, 17-30. https://doi.org/10.1016/j.rser.2019.02.019

13. Bayer P., Rivera J.A., Schweizer D., Schärli U., Blum P., Ry bach L. (2016) Extracting past atmospheric warming and urban heating effects from borehole temperature pro files. Geothermics, 64, 289-299. http://doi.org/10.1016/j.geothermics.2016.06.011

14. Benz S.A., Bayer P., Blum P., Hamamoto H., Arimoto H., Taniguchi M. (2018) Comparing anthropogenic heat input and heat accumulation in the subsurface of Osaka, Japan. Sci. Total Env ., 643, 1127-1136. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.06.253

15. Benz S.A., Bayer P., Menberg K., Jung S., Blum P. (2015) Spatial resolution of anthropogenic heat fluxes into ur ban aquifers. Sci. Total Env., 524, 427-439. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2015.04.003

16. Bidarmaghz A., Choudhary R., Soga K., Terrington R.L., Kessler H., Thorpe S. (2020) Large-scale urban under ground hydro-thermal modelling – а case study of the Royal Borough of Kensington and Chelsea, London.Sci. Total Env., 700, 134955. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.134955

17. Blum P., Menberg K., Koch F., Benz S.A., Tissen C., Hem merle H., Bayer P. (2021) Is thermal use of groundwater a pollution? J. Contaminant hydrol., 239, 103791. https://doi.org/10.1016/j.jconhyd.2021.103791

18. Brielmann H., Griebler C., Schmidt S.I., Michel R., Lueders T. (2009) Effects of thermal energy discharge on shallow groundwater ecosystems. FEMS Microbiol. Ecol., 68(3), 273-286. https://doi.org/10.1111/j.1574-6941.2009.00674.x

19. Brons H.J., Griffioen J., Appelo C.A.J., Zehnder A.J.B. (1991) (Bio)geochemical reactions in aquifer material from a thermal energy storage site. Water Res ., 25(6), 729-736.

20. Castiello G., Florio G., Grimaldi M., Fedi M. (2010) En hanced methods for interpreting microgravity anomalies in urban areas. First Break, 28(8), 93-98. http://doi.org/10.3997/1365-2397.28.8.40741

21. Chandler T.J. (1976) The Climate of the British Isles. Boston: Addison–Wesley Longman Ltd, 390 p.

22. Chu Z., Loria A.F.R. (2024) Modeling underground climate change across a city based on data about a building block. Sustain. Cities Soc., 114, 105775. https://doi.org/10.1016/j.scs.2024.105775

23. Dědeček P., Šafanda J., Rajver D. (2012) Detection and quantification of local anthropogenic and regional climatic transient signals in temperature logs from Czechia and Slovenia. Climatic change, 113, 787-801. https://doi.org/10.1007/s10584-011-0373-5

24. Ferguson G., Woodbury A.D. (2004) Subsurface heat flow in an urban environment. J. Geophys. Res., 109, B02402. https://doi.org/10.1029/2003JB002715

25. Hähnlein S., Bayer P., Ferguson G., Blum P. (2013) Sustain ability and policy for the thermal use of shallow geo thermal energy. Energy Policy, 59, 914-925. https://doi.org/10.1016/j.enpol.2013.04.040

26. Hemmerle H., Ferguson G., Blum P., Bayer P. (2022) The evolution of the geothermal potential of a subsurface ur ban heat island. Env. Res. Lett., 17(8), 084018. https://doi.org/10.1088/1748-9326/ac7e60

27. Jung N., Paiho S., Shemeikka J., Lahdelma R., Airaksinen M. (2018) Energy performance analysis of an office build ing in three climate zones. Energy and Buildings, 158, 1023-1035. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2017.10.030

28. Kim S.W., Brown R.D. (2021) Urban heat island (UHI) in tensity and magnitude estimations: A systematic liter ature review. Sci. Total Env., 779, 146389. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.146389

29. Lokoshchenko M.A. (2014) Urban ‘heat island’ in Moscow. Urban Climate, 10, 550-562. https://doi.org/10.1016/j.uclim.2014.01.008

30. Loria A.F.R., Thota A., Thomas A.M., Friedle N., Lautenberg J.M., Song E.C. (2022) Subsurface heat is land across the Chicago Loop district: Analysis of localized drivers. Urban Climate, 44, 101211. https://doi.org/10.1016/j.uclim.2022.101211

31. Luo Z., Asproudi C. (2015) Subsurface urban heat island and its effects on horizontal ground-source heat pump potential under climate change. App. Thermal Eng., 90, 530 537. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2015.07.025

32. Menberg K., Bayer P., Zosseder K., Rumohr S., Blum P. (2013) Subsurface urban heat islands in German cities. Sci. Total Env., 442, 123-133. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2012.10.043

33. Mohajerani A., Bakaric J., Jeffrey-Bailey T. (2017) The urban heat island effect, its causes, and mitigation, with reference to the thermal properties of asphalt concrete. J. Environ. Manage., 197, 522-538. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2017.03.095

34. Oke T.R. (1973) City size and the urban heat island. Atmospheric Env. (1967), 7(8), 769-779. https://doi.org/10.1016/0004-6981(73)90140-6

35. Previati A., Epting J., Crosta G.B. (2022) The subsurface ur ban heat island in Milan (Italy) – A modeling approach covering present and future thermal effects on ground water regimes. Sci. Total Env., 810, 152119. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.152119

36. Schweighofer J.A., Wehrl M., Baumgärtel S., Rohn J. (2021) Detecting groundwater temperature shifts of a subsur face urban heat island in SE Germany. Water, 13(10), 1417. https://doi.org/10.3390/w13101417

37. Smith M., Hargroves K.C., Stasinopoulos P., Stephens R., Desha C., Hargroves S. (2007) Energy Transformed: Sustainable energy solutions for climate change mitiga tion. Brisbane, QUT ePrints, 600 p.

38. Stewart I.D., Krayenhoff E.S., Voogt J.A., Lachapelle J.A., Allen M.A., Broadbent A.M. (2021) Time evolution of the surface urban heat island. Earth’s Future, 9(10), p.e2021EF002178. https://doi.org/10.1029/2021EF002178

39. Taniguchi M. (1993) Evaluation of vertical groundwater fluxes and thermal properties of aquifers based on transient temperature–depth profiles. Water Resources Res., 29(7), 2021-2026. https://doi.org/10.1029/93WR00541

40. Tien P.W., Wei S., Liu T., Calautit J., Darkwa J., Wood C. (2021) A deep learning approach towards the detection and recognition of opening of windows for effective management of building ventilation heat losses and reducing space heating demand. Renewable Energy, 177, 603-625. https://doi.org/10.1016/j.renene.2021.05.155

41. Tzavali A., Paravantis J.P., Mihalakakou G., Fotiadi A., Stigka E. (2015) Urban heat island intensity: A litera ture review. Fresenius Envir. Bull., 24(12b), 4537-4554.

42. Visser P.W., Henk K., Bense V., Emiel B. (2020) Impacts of progressive urban expansion on subsurface temper atures in the city of Amsterdam (The Netherlands). hy drogeol. J., 28(5), 1755-1772. https://doi.org/10.1007/s10040-020-02150-w

43. Westaway R., Scotney P.M., Younger P.L., Boyce A.J. (2015) Subsurface absorption of anthropogenic warming of the land surface: The case of the world’s largest brickworks (Stewartby, Bedfordshire, UK). Sci. Total Env., 508, 585-603. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2014.09.109

44. Zhu K., Blum P., Ferguson G., Balke K.-D., Bayer P. (2010) The geothermal potential of urban heat islands. Environ. Res. Lett., 5, 044002. https://doi.org/10.1088/1748-9326/5/4/044002