ВИЗНАЧЕННЯ КІЛЬКІСНИХ І ЯКІСНИХ АСПЕКТІВ ЗАБРУДНЕННЯ ДОВКІЛЛЯ ТЕПЛОВОЮ ЕНЕРГІЄЮ ВІД ЕНЕРГОУСТАНОВОК З ПОРШНЕВИМ ДВИГУНОМ ВНУТРІШНЬОГО ЗГОРЯННЯ
Кондратенко Олександр Миколайович
Національний університет цивільного захисту України, Черкаси, Україна
https://orcid.org/0000-0001-9687-0454
Колосков Володимир Юрійович
Національний університет цивільного захисту України, Черкаси, Україна
https://orcid.org/0000-0002-9844-1845
Колоскова Ганна Миколаївна
Національний аерокосмічний університет «Харківський авіаційний інститут», Харків, Україна
https://orcid.org/0000-0001-7118-0115
Литвиненко Ольга Олександрівна
Національний університет цивільного захисту України, Черкаси, Україна
https://orcid.org/0000-0003-3322-8805
DOI: 10.52363/2522-1892.2025.1.1
Ключові слова: технології захисту навколишнього середовища, екологічна безпека, енергоустановки, пожежна та аварійно-рятувальна техніка, поршневі двигуни внутрішнього згоряння, теплове забруднення, комплексне критеріальне оцінювання, збройна агресія, повоєнна відбудова
Анотація
У статті наведено результати власних досліджень авторів, метою яких було удосконалення методики врахування параметрів викидів теплової енергії в навколишнє середовище як полютанта при комплексному критеріальному оцінюванні рівня екологічної безпеки (ЕБ) експлуатації таких енергоустановок (ЕУ), особливо з урахуванням реалій функціонування підрозділів і органів ДСНС України та їх одиниць пожежної та аварійно-рятувальних транспортних засобів (ПАРТ) в умовах збройної агресії та в перспективі післявоєнної відбудови критичної інфраструктури та економіки нашої країни. Послідовно вирішувалися наступні задачі: розробка методики розрахунку значень комплексного паливно-екологічного критерію з урахуванням викидів теплової енергії в навколишнє середовище при експлуатації ЕУ з ПДВЗ; отримання комплексу вихідних даних для проведення розрахункового дослідження для стандартизованого стаціонарного випробувального циклу ESC та автотракторного дизеля 2Ч10.5/12, розрахункова оцінка значень комплексного паливно-екологічного критерію з урахуванням викидів теплової енергії в навколишнє середовище при експлуатації ЕУ з ПДВЗ. Проблемою дослідження є недосконалість існуючих методів критеріальної оцінки рівня ЕБ експлуатації ЕУ з ПДВЗ, особливо з огляду на реалії функціонування установ і підрозділів ДСНС України та їх одиниць ПАРТ в умовах збройної агресії та в перспективі післявоєнної відбудови критичної інфраструктури та економіки нашої країни. Ідея дослідження полягає в удосконаленні методики визначення значень критерію Kfe шляхом розширення числа чинників ЕБ, що враховуються його математичним апаратом, зокрема, викидів теплової енергії в навколишнє середовище. Основним завданням дослідження є визначення кількісних та якісних аспектів ефекту врахування викидів теплової енергії в навколишнє середовище при комплексному критеріальному оцінюванні рівня ЕБ процесу експлуатації таких ЕУ, зокрема одиниць ПАРТ, з використанням стаціонарного стандартизованого випробувального циклу ESC (відповідно до Правил ЄЕК ООН № 49) на основі вдосконаленого математичного апарату комплексного паливно-екологічного критерію. Об’єктом дослідження є ЕБ процесу експлуатації ЕУ з ПДВЗ, зокрема одиниць ПАРТ, з урахуванням негативного техногенного впливу теплової енергії на компоненти навколишнього середовища. Предметом дослідження є внесок у числові значення показників об'єкта дослідження викидів теплової енергії в навколишнє середовище. Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що набув подальшого розвитку метод врахування викидів теплової енергії в навколишнє середовище від ЕУ з ПДВЗ, зокрема одиниць ПАРТ, у комплексному критеріальному оцінюванні показників рівня ЕБ під час їх експлуатації. Практична цінність отриманих результатів полягає в тому, що отримані результати придатні для кількісної та якісної оцінки досліджуваних впливів і розробки на цій основі технічних рішень і організаційних заходів щодо їх зменшення або усунення шляхом розробки відповідної технології захисту навколишнього середовища з виконавчими пристроями на методологічній основі системи управління ЕБ.
Посилання
1. Development and Use of the Index of Particulate Matter Filter Efficiency in Environmental Protection Technology for Diesel-Generator with Consumption of Biofuels / O. Kondratenko, V. Andronov, V. Koloskov, O. Strokov. 2021 IEEE KhPI Week on Advanced Technology: Conference Proceedings (13–17 September 2021, NTU «KhPI», Kharkiv). Харків: НТУ «ХПІ», 2021. С. 239–244. DOI: 10.1109/KhPIWeek53812.2021.9570034.
2. Парсаданов І. В. Підвищення якості і конкурентоспроможності дизелів на основі комплексного паливно-екологічного критерію: монографія. Харків: Центр НТУ «ХПІ», 2003. 244 с.
3. Кондратенко О. М. Метрологічні аспекти комплексного критеріального оцінювання рівня екологічної безпеки експлуатації поршневих двигунів енергетичних установок : монографія. Харків: Стиль-Издат (ФОП Бровін О.В.), 2019. 532 с.
4. Указ Президента України «Про Цілі сталого розвитку України на період до 2030 року» від 30.09.2019 р. № 722/2019. URL: https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/722/2019#Text (дата звернення 10.03.2025).
5. Наказ Державної служби України з надзвичайних ситуацій «Про затвердження Положення про організацію екологічного забезпечення ДСНС України» від 20.09.2013 р. № 618 (за основною діяльністю). URL: https://zakon.rada.gov.ua/rada/show/v0618388-13#Text (дата звернення 10.03.2025).
6. Кондратенко О. М. Науково-методологічні основи захисту атмосферного повітря від техногенного впливу енергоустановок з поршневими двигунами внутрішнього згоряння: дис. д-ра техн. наук: спец 21.06.01 – екологічна безпека [Рукопис]. Харків: НУЦЗ України, 2021. 465 с.
7. Uniform provision concerning the approval of compression ignition (C.I.) and natural gas (NG) engines as well as positive-ignition (P.I.) engines fueled with liquefied petroleum gas (LPG) and vehicles equipped with C.I. and NG engines and P.I. engines fuelled with LPG, with regard to the emissions of pollutants by the engine: regulation United Nations Economic and Social Council Economics Commission for Europe Inland Transport Committee Working Party on the Construction of Vehicles of 26 January 2013 year Regulation No. 49, Revision 6, Geneva, UNECE, 2013.
8. ISO 3046-1:2002. Reciprocating internal combustion engines – Performance. ISO, 2022.
9. Двигуни внутрішнього згоряння: серія підручників у 6 томах. Т.5. Екологізація ДВЗ / А. П. Марченко, І. В. Парсаданов, Л. Л. Товажнянський, А. Ф. Шеховцов; за ред. А. П. Марченко та А. Ф. Шеховцова. Харків: Прапор, 2004. 360 с.
10. Інструментальна похибка відомих формул перерахунку показників димності у показники токсичності відпрацьованих газів поршневих ДВЗ / O.М. Кондратенко та ін. Техногенно-екологічна безпека. № 12(2/2022). С. 3–18. DOI: 10.52363/2522-1892.2022.2.1.
11. Kondratenko O. M., Krasnov V. A., Semykin V. M. The place of DPF with a liquid working body in the classification of atmospheric air protection technologies from the complex negative influence of power plants with reciprocation ICE. Technogenic and ecological safety. 2023. No. 14(2/2023). P. 67–91. DOI: 10.52363/2522-1892.2023.2.8.
12. Criteria based assessment of efficiency of conversion of reciprocating ICE of hybrid vehicle on consumption of biofuels / O. Kondratenko, et al. 2020 IEEE KhPI Week on Advanced Technology, KhPI Week 2020. 05–10 October 2020. Conference Proceedings. Kharkiv, Ukraine, 2020. P. 177–182. DOI: 10.1109/KhPIWeek 51551.2020.9250118.
13. Criteria based assessment of the level of ecological safety of exploitation of electric generating power plant that consumes biofuels / O. Kondratenko et al. 2018 IEEE 3rd International International Conference on Intelligent Energy and Power Systems (IEPS–2018): Book of Papers. 10–14 September, 2018. Kharkiv: Ukraine, 2018. P. 57-1–57-6. DOI: 10.1109/IEPS.2018.8559570.
14. Kondratenko O., Lytvynenko O. Exploring the digital landscape: interdisciplinary perspectives. Monograph. Сhapter 5 «Artificial intelligence and innovative educational approaches in digital society». Subsection 5.6. Ecological safety of transport as a component of national security of Ukraine during armed aggression and as a prerequisite for a «green» transition during post-war reconstruction. Katowice: The University of Technology in Katowice Press, 2024. P. 853–869. DOI: 10.54264/M036.
15. Фізичне і математичне моделювання процесів у фільтрах твердих частинок у практиці критеріального оцінювання рівня екологічної безпеки : монографія / О. М. Кондратенко, В. Ю. Колосков, Ю. Ф. Деркач, С. А. Коваленко. Харків: Стиль-Издат (ФОП Бровін О.В.), 2020. 522 с.
16. Marchenko A. P., Parsadanov I. V. Сriteria for assessing the effectiveness of transport power plants decarbonisation in accordance with implementation of the sustainable development concept. Internal Combustion Engines. 2024. No. 1. P. 3–11. DOI: 10.20998/0419-8719.2024.1.01.
17. Постанова Кабінету Міністрів України «Про затвердження переліку пріоритетних тематичних напрямів наукових досліджень і науково-технічних розробок на період до 31 грудня року, що настає після припинення або скасування воєнного стану в Україні» від 30.04.2024 р. № 476. URL: https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/476-2024-%D0%BF#Text (дата звернення 10.03.2025).
18. Паспорт спеціальності 21.06.01 «Екологічна безпека», затверджений постановою Президії ВАК України № 33-07/7 від 04.07.2001 р. URL: https://zakon.rada.gov.ua/rada/show/va7_7330-01#Text (дата звернення 10.03.2025).
19. 3D Geometry modelling online free system FreeCAD: official web-site. URL: https://www.freecad.org (дата звернення 10.03.2025).
20. Online free system for modeling the working processes of reciprocating internal combustion engines using digital twins Blitz-PRO: official site. URL: http://blitzpro.zeddmalam.com/application/index/signin (дата звернення 10.03.2025).
21. Integration and intensification of thermal processes to increase energy efficiency and mitigate environmental pollution for sustainable development of industry – PRES’22 / P. Kapustenko et al. Thermal Science and Engineering Progress. 2023. Vol. 45. Art. 102148. DOI: 10.1016/j.tsep.2023.102148.
22. Huang X., Li W. Landscape renewal design of industrial sites based on environmental thermal sensing and stereoscopic vision: Space thermal energy utilization. Thermal Science and Engineering Progress. 2025. Vol. 60. Art. 103437. DOI: 10.1016/j.tsep.2025.103437.
23. Estimating environmental impact of rooftop photovoltaic from the perspective of thermal power transmission / M. Shan et al. Environmental Impact Assessment Review. 2025. Vol. 112. Art. 107848. DOI: 10.1016/j.eiar.2025.107848.
24. Ghasempour R., Salehi M., Fakouriyan S. Comprehensive energy, exergy, and environmental evaluation of integrated heat pipe photovoltaic/thermal systems using multi-objective optimization. Applied Thermal Engineering. 2024. Vol. 257, Part C. Art. 124402. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2024.124402.
25. Mitigating urban heat island effects through leadership in energy and environmental design evaluation and blue-green infrastructure: Applying the hazard capacity factor design model for urban thermal resilience / J. Kim, G. Lee, S. Park, J. Kang. Sustainable Cities and Society. 2025. Vol. 124. Art. 106306. DOI: 10.1016/j.scs.2025.106306.
26. Liu Y., Wen Z. Green manufacturing process supply chain management based on thermal efficiency improvement and environmental impact assessment technology. Thermal Science and Engineering Progress. 2024. Vol. 54. Art. 102847. DOI: 10.1016/j.tsep.2024.102847.
27. Environmental and economic scheduling for wind-pumped storage-thermal integrated energy system based on priority ranking / Y. Zhu, Sh. Yao, Y. Zhang, M. Cao. Electric Power Systems Research. 2024. Vol. 231. Art. 110353. DOI: 10.1016/j.epsr.2024.110353.
28. Khatib A., Al-Araj B., Salhab Z. Long-term monitoring of thermal pollution from Baniyas power plant in the Syrian coastal water using Landsat data. Remote Sensing Applications: Society and Environment. 2024. Vol. 36. Art. 101287. DOI: 10.1016/j.rsase.2024.101287.
29. Experimental investigation on thermodynamic and environmental performance of a novel ocean thermal energy conversion (OTEC)-Air conditioning (AC) system / Y. Zhou et al. Energy. 2024. Vol. 313. Art. 133760. DOI: 10.1016/j.energy.2024.133760.
30. Augmentation of thermo-environmental performance of hemispherical distiller utilizing low-cost thermal energy storage materials: A comparative study / S. W. Sharshir et al. Journal of Energy Storage. 2025. Vol. 113. Art. 115619. DOI: 10.1016/j.est.2025.115619.
31. Quantitative Evaluation of Environmental Influence of Heat Emission from Lake Water Heat Pump / J. Luo et al. International Journal of Refrigeration. 2025. Vol. 175. P. 288–298. DOI: 10.1016/j.ijrefrig.2025.03.027.
32. Evaluating the environmental performances of thermal power plants: A study on EMAS registered Italian sites / S. Castelluccio, I. Orlandella, S. Fiore, C. Comoglio. Journal of Cleaner Production. 2025. Vol. 490. Art. 144677. DOI: 10.1016/j.jclepro.2025.144677.
33. Qiu Y., Ahmad S. F., Song R. Multi-facet investigation of integrating a multigeneration system and landfill gas-based combustion process using an environmentally friendly thermal design arrangement. Journal of Environmental Chemical Engineering. 2025. Vol. 13, Issue 1. Art. 115241. DOI: 10.1016/j.jece.2024.115241.
34. Shifting gears in thermal power: Displacement efficiency and environmental impact of wind and solar generation in China / Z. Zhu, Zh. Xu, B. Zhang, X. Li. Resources, Conservation and Recycling. 2025. Vol. 212. Art. 107916. DOI: 10.1016/j.resconrec.2024.107916.
35. Flexible biomass-based phase change materials: L-N-Ti for environmentally friendly thermal management / S. Zhang et al. Solar Energy Materials and Solar Cells. 2025. Vol. 285. Art. 113552. DOI: 10.1016/j.solmat.2025.113552.
36. Unravelling key environmental factors influencing urban park visits: Thermal comfort and air quality / F. Rao, P. Xiao, Y. Zhang, D. Lai. Urban Climate. 2024. Vol. 57. Art. 102096. DOI: 10.1016/j.uclim.2024.102096.
37. Castelluccio S., Fiore S., Comoglio C. Environmental reporting in Italian thermal power plants: insights from a comprehensive analysis of EMAS environmental statements. Journal of Environmental Management. 2024. Vol. 359. Art. 121035. DOI: 10.1016/j.jenvman.2024.121035.
38. Multi-thermal recovery layout for a sustainable power and cooling production by biomass-based multi-generation system: Techno-economic-environmental analysis and ANN-GA optimization / M. Zihao et al. Case Studies in Thermal Engineering. 2025. Vol. 65. Art. 105589. DOI: 10.1016/j.csite.2024.105589.
39. Life cycle energy, economic, and environmental analysis for the direct-expansion photovoltaic-thermal heat pump system in China / L. Liu et al. Journal of Cleaner Production. 2024. Vol. 434. Art. 139730. DOI: 10.1016/j.jclepro.2023.139730.
40. Energy, exergy, economic, and life cycle environmental analysis of a novel biogas-fueled solid oxide fuel cell hybrid power generation system assisted with solar thermal energy storage unit / P. Ran, Y. F. Ou, Ch. Y. Zhang, Y. T. Chen. Applied Energy. 2024. Vol. 358. Art. 122618. DOI: 10.1016/j.apenergy.2024.122618.
41. Impacts of environmental conditions on thermal, emissions and economic performance of gas turbine using different types of fuels: An experimental investigation / O. R. Alomar, B. M. Ali, O. M. Ali, A. N. Mustafa. Results in Engineering. 2024. Vol. 24. Art. 103402. DOI: 10.1016/j.rineng.2024.103402.
42. Comprehensive assessment of thermal characteristics, kinetics and environmental impacts of municipal solid waste incineration fly ash during thermal treatment / Ch. Zhao et al. Process Safety and Environmental Protection. 2023. Vol. 175. P. 619–631. DOI: 10.1016/j.psep.2023.05.074.
43. From waste to energy: Comprehensive understanding of the thermal-chemical utilization techniques for waste tire recycling / Sh. Wang et al. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2025. Vol. 211. Art. 115354. DOI: 10.1016/j.rser.2025.115354.
44. Experimental study and performance comparison of a 1 kW-class solar-ocean thermal energy conversion system integrated air conditioning: Energy, exergy, economic, and environmental (4E) analysis / Y. Zhang et al. Journal of Cleaner Production. 2024. Vol. 451. Art. 142033. DOI: 10.1016/j.jclepro.2024.142033.
45. Vig N., Ravindra Kh., Mor S. Environmental impacts of Indian coal thermal power plants and associated human health risk to the nearby residential communities: A potential review. Chemosphere. 2023. Vol. 341. Art. 140103. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2023.140103.
46. Optimization of hydrogen production and system efficiency enhancement through exhaust heat utilization in hydrogen-enriched internal combustion engine / M. I. Shahid et al. Energy. 2025. Vol. 319. Art. 135051. DOI: 10.1016/j.energy.2025.135051.
47. Waste heat recovery of a combined internal combustion engine and inverse brayton cycle for hydrogen and freshwater outputs: 4E optimization and comparison / M. Zoghi, N. Hosseinzadeh, S. Gharaie, A. Zare. Energy Nexus. 2025. Vol. 17. Art. 100356. DOI: 10.1016/j.nexus.2024.100356.
48. Comparative analysis of different heat transfer models, energy and exergy analysis for hydrogen-enriched internal combustion engine under different operation conditions / M. I. Shahid et al. Applied Thermal Engineering. 2024. Vol. 247. Art. 123004. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2024.123004.
49. Performance analysis of an internal combustion engine with thermochemical recovery and high temperature proton exchange membrane fuel cell combined power generation system / Sh. Leng et al. Fuel. 2025. Vol. 384. Art. 133913. DOI: 10.1016/j.fuel.2024.133913.
50. A new trend in combustion engine’s deep waste heat recovery by application of condensing economizers in exhaust boilers / V. Kornienko et al. Applied Thermal Engineering. 2025. Vol. 261. Art. 125150. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2024.125150.
51. Response surface methods based in artificial intelligence for superstructure thermoeconomic optimization of waste heat recovery systems in a large internal combustion engine / L. R. de Araújo et al. Energy Conversion and Management. 2022. Vol. 271. Art. 116275. DOI: 10.1016/j.enconman.2022.116275.
52. Proposing a new method for waste heat recovery from the internal combustion engine for the double-effect direct-fired absorption chiller / D. Dadpour et al. Applied Thermal Engineering. 2022. Vol. 216. Art. 119114. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2022.119114.
53. Omara A. A. M. Phase change materials for waste heat recovery in internal combustion engines: A review. Journal of Energy Storage. 2021. Vol. 44, Part B. Art. 103421. DOI: 10.1016/j.est.2021.103421.
54. Asadi M., Deymi-Dashtebayaz M., Rad E. A. Comparing the profitability of waste heat electricity generation of internal combustion engines: An exergoeconomic analysis through optimization of two different organic Rankine cycle scenarios. Applied Thermal Engineering. 2022. Vol. 211. Art. 118443. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2022.118443.
55. Fini A. T., Hashemi S. A., Fattahi A. On the efficient topology of the exhaust heat exchangers equipped with thermoelectric generators for an internal combustion engine. Energy Conversion and Management. 2022. Vol. 268. Art. 115966. DOI: 10.1016/j.enconman.2022.115966.
56. Alklaibi A. M., Lior N. Waste heat utilization from internal combustion engines for power augmentation and refrigeration. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2021. Vol. 152. Art. 111629. DOI: 10.1016/j.rser.2021.111629.
57. Polymeric hollow fibre heat exchanger for reducing vehicle CO2 pollution / J. Vančura et al. Applied Thermal Engineering. 2025. Vol. 270. Art. 126180. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2025.126180.
58. Joint numerical-technical analysis and economical evaluation of applying small internal combustion engines in combined heat and power (CHP) / P. Arbabi, A. Abbassi, Z. Mansoori, M. Seyfi. Applied Thermal Engineering. 2017. Vol. 113. P. 694–704. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2016.11.064.
59. Shu G., Wang X., Tia H. Theoretical analysis and comparison of rankine cycle and different organic rankine cycles as waste heat recovery system for a large gaseous fuel internal combustion engine. Applied Thermal Engineering. 2016. Vol. 108. P. 525–537. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2016.07.070.
60. Raznoshinskaia A. V. The Research of Influence Characteristics of Heat-storage Material on Thermodynamic Process in Heat Storage, Installed in System of Waste-heat Recovery of Internal Combustion Engines. Procedia Engineering. 2015. Vol. 129. P. 140–144. DOI: 10.1016/j.proeng.2015.12.022.
61. Pandey K. K. Study on the integration of hydrogen in a multi-cylinder low heat rejection diesel engine using a ternary blend. Atmospheric Pollution Research. 2024. Vol. 15, Issue 10. Art. 102250. DOI: 10.1016/j.apr.2024.102250.
62. Pandey K. K. Application of acetylene in multi-cylinder low heat rejection diesel engine fueled with ternary blend. Energy. 2024. Vol. 311. Art. 133368. DOI: 10.1016/j.energy.2024.133368.