aariПроблемы Арктики и АнтарктикиArctic and Antarctic Research0555-26482618-6713Государственный научный центр Российской Федерации Арктический и антарктический научно-исследовательский институт10.30758/0555-2648-2025-71-2-123-146aari-712Research ArticleМЕТЕОРОЛОГИЯ И КЛИМАТОЛОГИЯMETEOROLOGY AND CLIMATOLOGYАнтропогенный поток тепла, выделяемый в атмосферу и почву в течение отопительного периода зданиями северных городов РФAnthropogenic heat flux into the atmosphere and soil created by settlements located in the north of Russiahttps://orcid.org/0000-0002-0302-2083ФролькисВ. А.FrolkisV. A.

Санкт-Петербург

 St. Petersburg

vfrolkis@voeikovmgo.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4793-2975ЕвсиковИ. А.EvsikovI. A.

Санкт-Петербург

 St. Petersburg

Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова; Санкт-Петербургский государственный экономический университет; Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университетРоссияVoeikov Main Geophysical Observatory; Saint Petersburg State Economic University; Saint Petersburg State University of Architecture and Civil EngineeringRussian FederationГлавная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова; Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университетРоссияVoeikov Main Geophysical Observatory; Saint Petersburg State University of Architecture and Civil EngineeringRussian Federation202506072025712123146Copyright © Фролькис В.А., Евсиков И.А., 20252025Фролькис В.А., Евсиков И.А.Frolkis V.A., Evsikov I.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.aaresearch.science/jour/article/view/712

Представлены оценки доли антропогенного потока тепла, обусловленные отоплением, при предположении, что он зависит от температуры наружного воздуха, а здания удовлетворяют теплофизическим нормам, приведенным в строительных правилах. На основе веб-картографической платформы OpenStreetMap, сервиса Яндекс Карты и ГИС ЖКХ построены модели застройки 12 городов и поселений, расположенных на севере России. Рассчитаны объемы и площади ограждающих конструкций всех зданий. Рассмотрены три различных алгоритма вычисления антропогенного потока тепла. Первый алгоритм использует понятие нормируемого сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций; второй основан на нормируемом значении удельной теплозащитной характеристики здания; третий использует нормируемую удельную характеристику расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания. Предлагается использовать усредненную оценку антропогенного потока тепла, полученную по всем алгоритмам. Антропогенный поток тепла определяли с административной и урбанизированной территории. Приведены оценки выделяемой за отопительный период антропогенной энергии с административной и урбанизированной территорий. С административной территории генерируемое количество тепла находится в интервале (в ПДж) для Сургута 8,29–20,7; Якутска 9,57–23,6; Архангельска 7,37–15,4; Мурманска — 5,16–11,6; Норильска — 2,99–9,09; Воркуты, Апатитов и Салехарда — 1,29–4,80; Нарьян-Мара — 0,961–1,92; Дудинки — 0,537–1,42; Тикси и Диксона — 0,247–0,681. Плотность потока тепла в направлении к подстилающей поверхности от нижней границы зданий в среднем в течение отопи тельного периода находится в интервале 1,20–1,96 Вт/м2. Приведены значения антропогенной энергии, усредненные за отопительные периоды 2013–2018 и 2018–2023 гг.

Estimates are presented for the share of anthropogenic heat flux caused by heating, based on assuming that anthropogenic heat flux depends on outdoor air temperature and that buildings comply with the thermophysical standards specified in the construction regulations. Using the OpenStreetMap web mapping platform, the Yandex Maps service, and GIS housing and communal services, building models were constructed of 12 cities and settlements located in northern Russia. The volumes of all buildings and the surface areas of their enclosing structures were calculated. Three algorithms for estimating the anthropogenic heat flux are considered. The first algorithm uses the concept of normative heat transfer resistance of enclosing structures. The second is based on the normalized value of the specific heat protection characteristic of a building. The third uses the normalized specific characteristic of heat energy consumption for heating and ventilation of the building. It is proposed to use the average anthropogenic heat flux estimate obtained by all algorithms. anthropogenic heat flux is estimated from an administrative and urbanized area. During the heating period the anthropogenic heat flux density from the urbanized area per 1°C difference between indoor and outdoor air temperatures ranges from 0.31 to 1.75 W/(m²·°C). The anthropogenic heat fluxdensity from the urbanized area for the average heating period temperature is located within the range where the lower boundary is estimated between 9.60 and 19.5 W/m², and the upper boundary between 30.0 and 61.2 W/m², depending on the settlement. In this case the total emitted anthropogenic energy (in PJ) from the administrative area is equal to 8.29–20.7 for Surgut; for Yakutsk 9.57–23.6; Arkhangelsk 7.37–15.4; Murmansk — 5.16–11.6; Norilsk — 2.99–9.09; Vorkuta, Apatite and Salekhard — 1.29–4.80; Naryan-Mar — 0.961–1.92; Dudinka — 0.537–1.42; Tiksi and Dixon’s — 0.247–0.681. The anthropogenic heat flux density directed downward toward the underlying surface during the heating season is in the range of 1.20–1.96 W/m². Values of anthropogenic energy averaged over the heating periods 2013–2018 and 2018–2023 are given. Maps of the spatial distribution of the anthropogenic heat f lux density for Vorkuta and Apatite are presented.

антропогенный поток теплаантропогенный поток тепла к подстилающей поверхностикарты распределения антропогенного потока теплаадминистративная территорияурбанизированная территориягородской остров теплаanthropogenic heat fluxanthropogenic heat flux to the underlying surfaceheating periodanthropogenic heat flux distribution mapsadministrative territoryurbanized territoryurban heat islandИсследование выполнено при поддержке важнейшего инновационного проекта госу дарственного значения (ВИПГЗ) «Единая национальная система мониторинга климатически активных веществ» (распоряжение Правительства РФ от 29 октября 2022 г. № 3240–р) в рамках НИР «Расшире ние системы климатического и экологического мониторинга и прогнозирования на территории России в целях обеспечения адаптационных решений в отраслевом и региональном разрезе, включая борьбу с опустыниванием».The study was carried out with the support of the most important innovative project of state importance (VIPGP) “Unified national system for the monitoring of climatically active substances” (RF Government Order No. 3240-r dated October 29, 2022) within the framework of the R&D “Expanding the system of climatic and environmental monitoring and forecasting on the territory of Russia in order to provide adaptation solutions in the sectoral and regional context, including combating desertification”.ReferencesБудыко М.И. Изменения климата. Л.: Гидрометеоиздат; 1974. 280 с.Будыко М.И. Изменения климата. Л.: Гидрометеоиздат; 1974. 280 с.Van Deelen G. Another hot Arctic year indicates a new climate regime. Eos. 2024;105. https://doi.org/10.1029/2024EO240566Van Deelen G. Another hot Arctic year indicates a new climate regime. Eos. 2024;105. https://doi.org/10.1029/2024EO240566Allen L., Lindberg F., Grimmond C.S.B. Global city scale urban anthropogenic heat flux: model and variability. International Journal of Climatology. 2011;31(13):1990–2005.Allen L., Lindberg F., Grimmond C.S.B. Global city scale urban anthropogenic heat flux: model and variability. International Journal of Climatology. 2011;31(13):1990–2005.Li D., Wang L., Liao W., Sun T., Katul G., BouZeid E., Marong B. Persistent urban heat. Science Advances. 2024;10(15): eadj7398. https://doi.org/10.1126/sciadv.adj7398Li D., Wang L., Liao W., Sun T., Katul G., BouZeid E., Marong B. Persistent urban heat. Science Advances. 2024;10(15): eadj7398. https://doi.org/10.1126/sciadv.adj7398Пененко В.В., Алоян А.Е. Модели и методы для задач охраны окружающей среды. Новосибирск: Наука, Сибирское отделение; 1985. 255 с.Пененко В.В., Алоян А.Е. Модели и методы для задач охраны окружающей среды. Ново сибирск: Наука, Сибирское отделение; 1985. 255 с.Гинзбург А.С., Евсиков И.А., Фролькис В.А. Зависимость антропогенного потока тепла от температуры воздуха (на примере Санкт-Петербурга). Известия РАН, Физика атмосферы и океана. 2021;57(5):526–538. https://doi.org/10.31857/S0002351521050060Ginzburg, A.S., Evsikov I.A., Frolkis V.A. Dependence of the anthropogenic heat flux on air temperature (using St. Petersburg as an example). Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2021;57(5):461–471. https://doi.org/10.1134/S0001433821050066Гинзбург А.С., Белова И.Н., Расплетина Н.В. Антропогенные потоки тепла в городских агломерациях. Доклады АН. 2011;439(2):256–259.Ginzburg, A.S.; Belova, I.N.; Raspletina, N.V. Anthropogenic heat flows in urban agglomerations. Doklady Akademii nauk. 2011;439(2):256–259. (In Russ.).Makar P. A., Gravel S., Chirkov V., Strawbridge K.B., Froude F., Arnold J., Brook J. Heat flux, urban properties, and regional weather. Atmospheric Environment. 2006;40(15):2750–2766. https://doi:10.1016/j.atmosenv.2005.11.061Makar P. A., Gravel S., Chirkov V., Strawbridge K.B., Froude F., Arnold J., Brook J. Heat flux, urban properties, and regional weather. Atmospheric Environment. 2006;40(15):2750–2766. https://doi:10.1016/j.atmosenv.2005.11.061Offerle B., Grimmond C.S.B., Fortuniak K. Heat storage and anthropogenic heat flux in relation to the energy balance of a central European city centre. International Journal of Climatology. 2005;25(10):1405–1419. https://doi:10.1002/joc.1198Offerle B., Grimmond C.S.B., Fortuniak K. Heat storage and anthropogenic heat flux in relation to the energy balance of a central European city centre. International Journal of Climatology. 2005;25(10):1405–1419. https://doi:10.1002/joc.1198Варенцов М.И., Грищенко М.Ю., Константинов П.И. Сопоставление наземных и космических разномасштабных температурных данных на примере городов Российской Арктики для зимних условий. Исследование Земли из космоса. 2021;2:64–76. https://doi.org/10.31857/S0205961421020093Varentsov M.I., Grischenko M.Yu., Konstantinov P.I. Comparison between in situ and satellite multiscale temperature data for Russian arctic cities for winter season. Issledovanie Zemli iz kosmosa. 2021;2:64–76. (In Russ.). https://doi.org/10.31857/S0205961421020093Тарасова М.А. Варенцов М.И., Степаненко В.М. Параметризации взаимодействия атмосферы с городской поверхностью: обзор и перспективы развития. Известия РАН, Физика атмосферы и океана. 2023;59(2):127–148. https://doi.org/10.31857/S0002351523020062Tarasova M.A., Varentsov M.I., Stepanenko V.M. Parameterization of interaction between the atmosphere and the urban surface: current state and Prospects. Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2023;59(2):111–130. https://doi.org/10.1134/S0001433823020068Jin L., Schubert S., Fenner D., Meier F., Schneider C. Integration of a building energy model in an urban climate model and its application. Boundary–Layer Meteorology. 2021;178(2):249–281. https://doi.org/10.1007/s10546-020-00569-yJin L., Schubert S., Fenner D., Meier F., Schneider C. Integration of a building energy model in an urban climate model and its application. Boundary–Layer Meteorology. 2021;178(2):249–281. https://doi.org/10.1007/s10546-020-00569-yФролькис В.А. Евсиков И.А. Гинзбург А.С. Моделирование антропогенного потока тепла в течение отопительного периода в крупных городах России. Известия РАН, Физика атмосферы и океана. 2024;60(4):470–484. https://doi.org/10.31857/S0002351524040051Frolkis V.A., Evsikov I.A., Ginzburga, A.S. Modeling anthropogenic heat flux during the heating season in large cities of the Russian Federation. Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2024;60(4):407–420. https://doi.org/10.1134/S0001433824700361Фролькис В.А., Евсиков И.А. Оценка антропогенного потока тепла в течение отопительного периода в городах Российской Федерации с населением не менее полумиллиона человек. Труды Главной геофизической обсерватории им А.И. Воейкова. 2024;613:76–133.Frolkis V.A., Evsikov I.A. Estimation of anthropogenic heat flux during the heating period in cities of the Russian Federation with a population of at least half a million. Proceedings of the GGO. 2024;613:76–133. (In Russ.).Chen W., Zhou Y., Xie Y., Chen G., Ding K. J., Li D. Estimating spatial and temporal patterns of urban building anthropogenic heat using a bottom–up city building heat emission model. Resources, Conservation and Recycling. 2022;177:105996. https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2021.105996Chen W., Zhou Y., Xie Y., Chen G., Ding K. J., Li D. Estimating spatial and temporal patterns of urban building anthropogenic heat using a bottom–up city building heat emission model. Resources, Conservation and Recycling. 2022;177:105996. https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2021.105996Евсиков И. А. Информационные технологии для расчета антропогенного потока тепла в условиях городской застройки. Вестник НГУ. Серия: Информационные технологии. 2024;22(2):20–32. https://doi.org/10.25205/1818-7900-2024-22-2-20-32Evsikov I. A. Information technologies for calculating anthropogenic heat flux in urban areas. Vestnik NSU. Series: Information Technologies. 2024;22(2):20–32. (In Russ.). https://doi.org/10.25205/1818 7900-2024-22-2-20-32Фролов К.А. Теплопотребление коттеджа в зависимости от его объемно–планировочных параметров. Надежность и безопасность энергетики. 2009;4(7):44–45.Frolov K.A. Heat consumption of a cottage depending on its spatial planning parameters. Reliability and safety of energy. 2009;4(7):44–45. (In Russ.).Подкопаева Е.В., Шехватова А.Н., Семенова Э.Е. Исследование ограждающих конструкций общественных зданий. Инженерные системы и сооружения. 2020;3–4(41–42):6–11.Podkopaeva E.V., Shekhvatova A.N., Semenova E.E. Study of the enclosing structures of public buildings. Engineering systems and structures. 2020; № 3–4(41–42):6–11. (In Russ.).Белан Б.Д., Пелымский О.А., Ужегова Н.В. Исследование антропогенной составляющей теплового баланса горда. Оптика атмосферы и океана. 2009;22(6):558–561.Belan B.D., Pelymskii O.A., Uzhegova N.V. Study of the anthropogenic component of urban heat balance. Optica Atmosfery i Okeana = Atmospheric and Oceanic Optics. 2009;22(4):441–445.Dudorova N.V., Belan B.D. The energy model of urban heat island. Atmosphere. 2022;13(457). https://doi.org/10.3390/atmos13030457Dudorova N.V., Belan B.D. The energy model of urban heat island. Atmosphere. 2022;13(457). https://doi.org/10.3390/atmos13030457

The authors declare that there are no conflicts of interest present.