intechnguВестник НГУ. Серия: Информационные технологииVestnik NSU. Series: Information Technologies1818-79002410-0420НГУ10.25205/1818-7900-2024-22-2-20-32intechngu-268Research ArticleСтатьиИнформационные технологии для расчета антропогенного потока тепла в условиях городской застройкиInformation Technologies for Calculating Anthropogenic Heat Flux in Urban Areashttps://orcid.org/0000-0003-4793-2975ЕвсиковИ. А.EvsikovI. A.

Евсиков Игорь Александрович, старший преподаватель кафедры информатики; сотрудник 

Санкт-Петербург

Igor A. Evsikov, Senior Lecturer, Department of Computer Science

Saint Petersburg

ievsikov@lan.spbgasu.ruСанкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет; Главная геофизическая обсерватория им. А. И. ВоейковаРоссияSaint Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering; Voeikov Main Geophysical ObservatoryRussian Federation2024101020242222032Copyright © Евсиков И.А., 20242024Евсиков И.А.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://intechngu.elpub.ru/jour/article/view/268

Современные города сталкиваются с необходимостью эффективного управления энергоресурсами и минимизацией воздействия человеческой деятельности на окружающую среду. Одним из значимых аспектов антропогенного воздействия является тепловой поток, порождаемый зданиями, транспортом и промышленностью. В статье представлен комплекс программ для оценки антропогенного потока тепла (АПТ), вызванного теплопотерями зданий в отопительный период. Исследование основано на пространственной геометрической модели города, построенной с использованием данных OpenStreetMap. Теплофизические свойства ограждающих конструкций и удельные характеристики расхода тепловой энергии получены из строительных норм. Предложенный метод включает этапы моделирования зданий, фильтрации, дополнения информации из Яндекс Карт и ГИС ЖКХ, устранения коллизий, присвоения удельных характеристик и расчета АПТ. Реализация метода осуществлена через скрипты для платформы Rhinoceros, известной своим широким функционалом и визуальной средой программирования Grasshopper. Предложенный подход позволяет эффективно анализировать и визуализировать антропогенный поток тепла в городах, что является ключевым шагом в разработке стратегий устойчивого управления энергоресурсами и снижения негативного воздействия на окружающую среду.

Modern megalopolis face challenges in effectively managing energy resources and minimizing the impact of human activities on the environment. One of the significant aspects of anthropogenic impact is the heat flow generated by buildings, transport and industry. This article presents a set of programs for assessing anthropogenic heat flow (AHF) caused by heat loss from buildings during the heating season. The study is based on a spatial geometric model of the city constructed using OpenStreetMap data. The thermophysical properties of enclosing structures and specific characteristics of thermal energy consumption are obtained from building codes. The proposed method includes the stages of buildings modeling, filtering, supplementing information from Yandex Maps and State Information System of Housing and Communal Services, eliminating collisions, assigning specific characteristics and calculating AHF. The method is implemented through scripts for the Rhinoceros platform, known for its wide functionality and visual programming environment Grasshopper. The proposed approach allows us to effectively analyze and visualize anthropogenic heat flow in cities, which is a key step in developing strategies for sustainable energy management and reducing negative environmental impacts.

модель городской застройкигеоинформационные системыOpenStreetMapЯндекс КартыГИС ЖКХстроительные нормы и правилаUrban development modelgeographic information systemsOpenStreetMapYandex MapsState Information System of Housing and Communal Servicesbuilding codes and regulationsИсследование выполнено при поддержке важнейшего инновационного проекта государственного значения (ВИПГЗ) «Единая национальная система мониторинга климатически активных веществ» (распоряжение Правительства РФ от 29 октября 2022 г. № 3240–р) в рамках НИР «Расширение 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 research was carried out with the support of the most important innovative project of state importance “Unified national system for monitoring of climatically active substances substances” (Russian Federation Government Order No. 3240-p dated October 29, 2022) within the framework of the R&D “Expansion of the system of climatic and environmental monitoring and Expansion of 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”.ReferencesVarentsov M., Konstantinov P., Baklanov A., Esau I., Miles V., Davy R. Anthropogenic and natural drivers of a strong winter urban heat island in a typical Arctic city // Atmos. Chem. Phys. 2018. Vol. 18(23). Р. 17573–17587. DOI: 10.5194/acp-18-17573-2018Varentsov M., Konstantinov P., Baklanov A., Esau I., Miles V., Davy R. Anthropogenic and natural drivers of a strong winter urban heat island in a typical Arctic city. Atmos. Chem. Phys., 2018, vol. 18(23), pp. 17573–17587. DOI: 10.5194/acp-18-17573-2018.Varentsov M., Samsonov T., Demuzere M. Impact of Urban Canopy Parameters on a Megacity’s Modelled Thermal Environment // Atmosphere. 2020. Vol. 11(12).Varentsov M., Samsonov T., Demuzere M. Impact of Urban Canopy Parameters on a Megacity’s Modelled Thermal Environment. Atmosphere, 2020, vol. 11(12).Hidalgo J., Masson V., Baklanov A., Pigeon G. and Gimeno L. Advances in Urban Climate Modeling // Annals of the New York Academy of Sciences. 2008. Vol. 1146(1). P. 354–374. DOI: 10.1196/annals.1446.015Hidalgo J., Masson V., Baklanov A., Pigeon G. and Gimeno, L. Advances in Urban Climate Modeling. Annals of the New York Academy of Sciences, 2008, Vol. 1146(1), pp. 354–374. DOI:10.1196/annals.1446.015.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. Vol. 177. DOI: 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, vol. 177. DOI: 10.1016/j.resconrec.2021.105996.Jin LX., 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. Vol. 178(2). Р. 249–281. DOI: 10.1007/s10546-020-00569-yJin LX., 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, vol. 178(2), pp. 249–281. DOI: 10.1007/s10546-020-00569-y.Фролькис В. А., Гинзбург А. С., Евсиков И. А. Оценка антропогенного потока тепла, создающего городской покрывающий слой, на основе «OpenStreetMap» // Атмосферная радиация и динамика (МСАРД–2021): Сб. тр. Международ. симпозиума, СПб., 29 июня – 02 июля 2021 года. СПб.: ВВМ, 2021. С. 128–134.Frolkis V. A., Ginsburg A. S., Evsikov I. A. Estimation of anthropogenic heat fluxes creating the urban canopy based on “OpenStreetMap”. International Symposium “Atmospheric Radiation and Dynamics”: Proceedings of the International Symposium, St. Petersburg, June 29 – July 2, 2021. St. Petersburg, 2021, pp. 128–134. (in Russ.)Фролькис В. А., Евсиков И. А., Мовсесова Л. В., Мотылев А. Д. Моделирование антропогенного потока тепла и острова тепла в мегаполисах России // Атмосферная радиация и динамика (МСАРД–2023): Сб. тр. Международ.о симпозиума, СПб., 21–24 июня 2023 года. СПб.: ВВМ, 2023. С. 197–201.Frolkis V. A., Evsikov I. A., Movsesova L. V., Motylev A. D. Modeling anthropogenic heat fluxes and heat islands in Russian megacities. Atmospheric Radiation and Dynamics: Proceedings of the International Symposium, St. Petersburg, June 21–24, 2023. St. Petersburg., 2023, pp. 197–201. (in Russ.)Гинзбург А. С., Евсиков И. А., Фролькис В. А. Зависимость антропогенного потока тепла от температуры воздуха (на примере Санкт-Петербурга) // Известия РАН. Сер.: Физика атмосферы и океана. 2021. Т. 57, № 5. С. 526–538. DOI: 10.31857/S0002351521050060Ginsburg 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, vol. 57, no. 5, pp. 461–471. DOI: 10.1134/S0001433821050066Фролькис В. А. Евсиков И. А. Гинзбург А. С. Моделирование антропогенного потока тепла в течение отопительного периода в крупных городах России // Известия РАН. Сер.: Физика атмосферы и океана. 2024. (в печати)Frolkis V. A. Evsikov I. A. Ginsburg A. S. Modeling of anthropogenic heat fluxes during the heating season in major cities of Russia. Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics, 2024. In print. (in Russ.)Фролькис В. А., Евсиков И. А. Оценка антропогенного потока тепла в течение отопительного периода в городах Российской Федерации с населением не менее полумиллиона человек // Тр. Главной геофизической обсерватории им. А. И. Воейкова. 2024. (в печати)Frolkis V. A., Evsikov I. A. Estimation of anthropogenic heat fluxes during the heating season in cities of the Russian Federation with a population of at least half a million people. Proceedings of the Main Geophysical Observatory named after A. I. Voeikov, 2024. In print. (in Russ.)Левенштейн В. И. Двоичные коды с исправлением выпадений, вставок и замещений символов // Докл. АН СССР. 1965. Т. 163 (4). С. 845–848.Levenshtein V. I. Binary codes with correction of deletions, insertions, and substitutions. Rep. Acad. Sci. USSR, 1965, vol. 163 (4), pp. 845–848. (in Russ.)Guttman А. R-Trees: A Dynamic Index Structure for Spatial Searching // ACM SIGMOD International Conference on Management of Data. ACM. 1984. Vol. 14. Р. 47–57.Guttman А. R-Trees: A Dynamic Index Structure for Spatial Searching. ACM SIGMOD International Conference on Management of Data. ACM, 1984, vol. 14, pp. 47–57.СП 50.13330.2012 Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-02- 2003. М.: Минрегион России, 2012. 96 с.SP 50.13330.2012 “Thermal Protection of Buildings.” Updated edition of SNiP 23-02-2003. Ministry of Regional Development of Russia. 2012, 96 p. (in Russ.)Фролькис В. А., Евсиков И. А. Расчет антропогенного потока тепла за период отопительного сезона в мегаполисе (на примере Санкт-Петербурга) // ENVIROMIS 2022. Томск: Томский центр научно-технической информации, 2022. С. 395–398.Frolkis V. A., Evsikov I. A. Calculation of anthropogenic heat flux during the heating season in a metropolis (using St. Petersburg as an example). ENVIROMIS 2022. Tomsk, 2022, pp. 395–398. (in Russ.)Гинзбург А. С., Белова И. Н., Расплетина Н. В. Антропогенные потоки тепла в городских агломерациях // ДАН. 2011. Т. 439, № 2. С. 256–259.Ginsburg A. S., Belova I. N., Raspeltina N. V. Anthropogenic heat fluxes in urban agglomerations. Doklady Earth Sciences, 2011, vol. 439, no. 2, pp. 256–259. (in Russ.)Гинзбург А. С., Докукин С. А. Влияние теплового загрязнения атмосферы на климат города (оценки с помощью модели COSMO-CLM) // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2021. Т. 57, № 1. С. 53–66. DOI 10.31857/S0002351521010053Ginsburg A. S., Dokukin S. A. Influence of thermal air pollution on the urban climate (estimates using the COSMO-CLM model). Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics, 2021, vol. 57, no. 1, pp. 47–59. DOI: 10.1134/S0001433821010059Гинзбург А. С., Решетарь О. А., Белова И. Н. Влияние климатических факторов на энергопотребление в отопительный сезон // Теплоэнергетика. 2016. № 9. С. 20–27. DOI: 10.1134/S0040363616080063Ginsburg A. S., Reshetar O. A., Belova I. N. Influence of climatic factors on energy consumption during the heating season. Thermal Engineering, 2016, no. 9, pp. 20–27. DOI:10.1134/S0040363616080063. (in Russ.)

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