Група вчених Державного університету штату Аризона виявила, що надлишкове тепло, яке кондиціонери виділяють уночі, є причиною підвищення температури повітря. Це, у свою чергу, викликає ефект локального перегрівання у містах, і населенню доводиться ще більше охолоджувати повітря.

«Ми дійшли до висновку, що максимальну кількість відпрацьованого тепла системи охолодження повітря виділяють вдень, проте його вплив на середню температуру не настільки помітний, як уночі. Натомість упродовж темної пори доби внаслідок надходження цього тепла в атмосферу середня температура повітря у деяких районах міста підвищується більше ніж на 1 °С», — стверджує Франциско Саламанка, науковий співробітник Інституту математичних та статистичних досліджень Державного університету штату Аризона.

Дослідження було опубліковано під назвою «Антропогенний характер підвищення температури повітря у міській місцевості внаслідок використання систем охолодження повітря» у журналі геофізичних досліджень атмосфери.

До складу групи пана Саламанки, головного автора роботи, входять: Матей Георгеску, доцент Інституту географічних досліджень та містобудування Державного університету штату Аризона, старший науковий співробітник Інституту глобального сталого розвитку; Алекс Малахов, почесний професор Інституту математичних та статистичних досліджень Державного університету штату Аризона; Мохамед Мустаї, доцент Інституту математичних та статистичних досліджень Державного університету штату Аризона; Мен Ван, аспірант цього ж інституту. Усі п’ять авторів співпрацюють з Коледжем гуманітарних та технічних наук Державного університету штату Аризона та з Інститутом глобального сталого розвитку.

Дослідники вивчають вплив людської діяльності, зокрема використання кондиціонерів, на зміни температури повітря, а також досліджують процес споживання електроенергії в агломерації міста Фінікс, одній з найбільших агломерацій у США. Місто розташоване у напівпосушливій пустелі Сонора, і через надто спекотні погодні умови для нього характерний значний рівень використання кондиціонерів улітку.

Для того щоб підтримувати оптимальну температуру, системи охолодження повітря (СОП) у найбільш спекотні періоди можуть споживати понад 50 % загальної кількості електроенергії, перевантажуючи електромережі. За прогнозами, потреба подібних до Фінікса агломерацій у кондиціонерах в наступні десятиліття буде лише збільшуватись. Щоб мінімізувати негативні наслідки, до яких можуть призвести такі витрати електроенергії, дослідники вивчають поточні потреби у СОП та здійснюють оцінку кількості надлишкового тепла, яке виділяють такі системи.

Для аналізу впливу тепла від СОП, що надійшло в атмосферу, на температуру повітря було застосовано систему фізичного моделювання. Цей підхід має важливу перевагу: під час розрахунків обсягів споживання енергії враховуються як характеристики міської місцевості, тобто розмір та форма будівель, так і кліматичні фактори, такі як температура повітря та швидкість вітру. Саме такий підхід є необхідним, оскільки СОП мають серйозні недоліки. Наприклад, у спекотні літні ночі потреба у використанні кондиціонерів зростає, викиди відпрацьованого тепла у навколишнє середовище збільшуються, і повітря потрібно охолоджувати знову — коло замикається.

Науковці змоделювали десятиденний відрізок особливо спекотного періоду з 10 по 19 липня 2009 року. Для аналізу впливу СОП на температуру повітря вони використовували негідростатичний варіант моделі метеорологічних досліджень та прогнозування WRF (Weather Research and Forecasting) та моделі земної поверхні LSM (Noah Land Surface Model). Щоб оцінити потужності першої з моделей у відтворенні приповерхневих кліматичних умов, було встановлено 11 метеорологічних станцій під наглядом Національної метеослужби та Метеорологічної мережі штату Аризона.

Дослідження показало, що внаслідок надходження в атмосферу надлишкового тепла температура повітря збільшується і потреба у використанні електроенергії для подальшого охолодження зростає. Для аналізу цього процесу вчені використали модель споживання енергії будівлею та модель атмосфери, динамічно поєднані в одну систему. Модель атмосфери передавала моделі споживання енергії будівлею дані про температуру, вологість повітря та граничні умови для обрахування температури стін та даху будівлі. У свою чергу модель споживання енергії будівлею передавала моделі атмосфери відомості про теплові потоки, утворені внаслідок споживання електроенергії системами охолодження повітря.

Дослідники виявили, що СОП сильніше впливають на довкілля вночі (з раннього вечора до сходу сонця) через обмежену щільність граничного шару атмосфери. Невелика кількість надлишкового тепла, що надходить в атмосферу вночі, піднімає температуру вище, ніж більша кількість тепла вдень.

«Згідно з результатами нашої роботи, вночі СОП підвищують температуру в містах з гарячим та сухим повітрям на 1 °С, тому населення вимушене збільшувати потужність кондиціонерів, — зазначає пан Саламанка. — Дотримання принципів сталого розвитку та потреба в оптимізації споживання електроенергії у містах вимагатиме перетворення надлишкового «непотрібного тепла» від СОП у «корисну енергію», яку можна використовувати всередині будинків для господарських потреб, наприклад, для нагрівання води у бойлерах. Така стратегія мінімізації негативного впливу СОП дозволить реалізувати декілька цілей: обмеження ефекту локального перегріву в містах та зменшення температури на 1 °С вночі; зменшення споживання електроенергії системами кондиціювання у масштабах міста; успішна реалізація проекту покращення кліматичних умов у містах, що може стати вдалим прикладом для наступних проектів».

Згідно з оцінками економічної вигоди проекту, якщо агломерація Фінікс успішно зменшить середнє значення нічної температури повітря, то зможе заощаджувати щодня близько 1 МВт/год. енергії.

Згідно з прогнозами Міністерства енергетики США, через зміну клімату кількість надзвичайно спекотних днів влітку буде збільшуватись, що призведе до труднощів у енергетичному секторі та додаткового навантаження на електромережі. Уряду потрібні надійні методи оцінювання потенційної кількості необхідної енергії для надання інформаційної та організаційної підтримки забезпечення міст стійкими джерелами енергії. 

Джерело: КліматІнфо