Heat losses from buildings and formation of underground urban heat islands

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Research subject. The underground temperature anomaly created by a typical office building. Aim. To conduct theoretical and experimental studies of conductive heat losses from a building, including those to the underground environment. To assess the morphology and evolution of the underground temperature anomaly and additional heat storage in the sub surface. To evaluate the economic significance and environmental consequences of such a temperature anomaly. Materials and methods. Experimental data were collected by monitoring temperatures and heat fluxes along the internal and external surfaces of the main structural elements of the building of the Institute of Geophysics of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences (Yekaterinburg, Russia). These data were used to calculate the resistance to heat transfer (reciprocal of thermal transmittance) of the building structural elements, annual fluctuations in heat fluxes, and annual heat losses. Numerical simulation was used to describe the distribution, intensity, and evolution of the underground temperature anomaly. Results. The building loses 83% of its heat through external surfaces (walls, windows, roof), with only 17% being lost through the basement walls and floor. Over 40 years of the building operation, the total losses amount to 133 TJ and are determined by the low thermal insulation properties of its structural materials. According to the simulation results, the heat fluxes that penetrated the ground have formed an underground temperature anomaly, which has thus far spread to 15 m to the sides of the building and to 40 m into the depth (by the 2 K isoanomaly). The excess heat storage retained in the subsurface during the period of 40 years amounts to 3.2 TJ or 2.4% of the total conductive heat loss. Conclusions. Heat losses from buildings play a key role in the formation of underground urban heat islands, exceeding the climatic contribution of global warming by 36 times. At the same time, the economic importance of the thermal energy accumulated in the underground environment is low, and the environmental consequences of warming of the sub surface are negligible.

About the authors

D. Yu. Demezhko

Institute of Geophysics, UB RAS

Email: ddem54@inbox.ru

B. D. Khatskevich

Institute of Geophysics, UB RAS

N. R. Fakaeva

Institute of Geophysics, UB RAS

A. A. Gornostaeva

Institute of Geophysics, UB RAS

A. N. Antipin

Institute of Geophysics, UB RAS

References

  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

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Demezhko D.Y., Khatskevich B.D., Fakaeva N.R., Gornostaeva A.A., Antipin A.N.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».