Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2011, № 6. Часть 1

Министерство образования и науки Российской Федерации 
 
Федеральное государственное бюджетное 
образовательное учреждение 

высшего профессионального образования 
 
«Тульский государственный университет» 
 

 
 
ISSN 2071-6168 
 
 
 
ИЗВЕСТИЯ 
ТУЛЬСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО 
УНИВЕРСИТЕТА 
 
 
 
 
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ 
 
 
Выпуск 6 
 
 
Часть 1 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Тула 
Издательство ТулГУ 
2011 

ISSN 2071-6168 
 
 
УДК 621.86/87 
 
Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 6: в 2 ч. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. 
Ч. 1. 292 с. 
 
Рассматриваются научно-технические проблемы в области энергоресурсосбережения, энергобезопасность в энергосберегающих технологиях и оборудовании, и, 
контроль за реализацией энергоэффективных мероприятий, вопросы подготовки и переподготовки инженерных и научных кадров в области энергоресурсосбережения. 
Настоящий сборник составлен по результатам и докладам конференций: Международная научно-техническая конференция «Энергосбережение-2011», Тула, 2011, 8ая Международная семинар-выставка «Силовая Электроника и Энергетика», Москва, 
2011. 
Материалы предназначены для научных работников, преподавателей вузов, 
студентов и аспирантов, специализирующихся в проблематике технических наук. 
 
 
Редакционный совет 
 
М.В. ГРЯЗЕВ – председатель, В.Д. КУХАРЬ – зам. председателя, 
В.В. ПРЕЙС – главный редактор, А.А. МАЛИКОВ – отв. секретарь, 
И.А. БАТАНИНА, О.И. БОРИСКИН, В.И. ИВАНОВ, Н.М. КАЧУРИН, 
Е.А. ФЕДОРОВА, А.К. ТАЛАЛАЕВ, В.А. АЛФЕРОВ, В.С. КАРПОВ, 
Р.А. КОВАЛЁВ, А.Н. ЧУКОВ 
 
Редакционная коллегия 
 
О.И. Борискин (отв. редактор), А.Н. Карпов (зам. отв. редактора), 
Р.А. Ковалев (зам. отв. редактора), А.Н. Чуков (зам. отв. редактора), 
С.П. Судаков (выпускающий редактор), Б.С. Яковлев (отв. секретарь), 
И.Е. Агуреев, А.Н. Иноземцев, С.Н. Ларин, Е.П. Поляков, В.В. Прейс, 
А.Э. Соловьев 
 
 
Подписной индекс 27851 
по Объединённому каталогу «Пресса России» 
 
«Известия ТулГУ» входят в Перечень ведущих научных 
журналов и изданий, выпускаемых в Российской Федерации, 
в которых должны быть опубликованы научные результаты 
диссертаций на соискание учёной степени доктора наук 
 
 
© Авторы научных статей, 2011 
© Издательство ТулГУ, 2011 

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ В СИСТЕМАХ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ 
 
 
 
УДК 620.97(075.8) 
Г.И. Бабокин, д-р техн. наук, проф., зам. директора, (848762) 6-13-83, 
prorector.science@nirhtu.ru 
(Россия, Новомосковск, РХТУ им. Д.И. Менделеева) 
Ю.А. Луценко, д-р техн. наук, проф., (848762) 6-13-83, 
prorector.science@nirhtu.ru 
(Россия, Новомосковск, РХТУ им. Д.И. Менделеева) 
 
ОЦЕНКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА ИСТОЧНИКОВ 
НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОГО ТЕПЛА ТУЛЬСКОЙ ОБЛАСТИ 
 
Дана оценка энергетического потенциала источников низкопотенциального 
тепла Тульской области: тепла грунта и водоемов, тепла сбросных сточных вод, 
сбросного тепла тепловых электростанций, теплосистем оборотного водоснабжения. 
Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, источники низкопотенциального тепла, оценка. 
 
В настоящее время энергетика в основном базируется на невозобновляемых источниках энергии. Это, прежде всего, газ, нефть, уголь, сланцы, ядерное топливо. Помимо того, что их запасы ограничены и истощаются, их использование приводит к острейшим экологическим проблемам. 
Именно поэтому во всем мире все большее внимание уделяется использованию возобновляемых источников энергии (ВИЭ). 
ВИЭ – это источники энергии на основе постоянно существующих 
или периодически возникающих процессов в природе, а также жизненном 
цикле растительного и животного мира и жизнедеятельности человеческого общества. 

Известия ТулГУ. Технические науки. 2011. Вып. 6. Ч. 1 
 

 
4

Источники низкопотенциального тепла относятся к ВИЭ. Это – тепло грунта и водоемов, тепло сбросных сточных вод, сбросное тепло тепловых электростанций, тепло систем оборотного водоснабжения. Энергию 
этих источников можно использовать, например, с помощью тепловых насосов. 
Для решения вопроса о целесообразности использования энергии источников низкопотенциального тепла необходимо, прежде всего, оценить 
их энергетический ресурс или потенциал. 
Различают следующие виды ресурсов или энергетических потенциалов ВИЭ: валовый, технический и экономический [1,2,3]. 
Валовый (теоретический) энергетический потенциал – годовой 
объем энергии, содержащийся в данном виде ВИЭ при полном ее превращении в полезно используемую энергию. 
Технический энергетический потенциал – часть валового потенциала, преобразование которого в полезную энергию возможно при существующем уровне развития технических средств и соблюдении требований 
по охране природной среды. 
Экономический энергетический потенциал – часть технического 
потенциала, преобразование которого в полезную используемую энергию 
экономически целесообразно при данном уровне цен на ископаемое топливо, тепловую и электрическую энергию, оборудование, материалы, транспортные услуги, оплату труда и т.д. 
Валовый энергетический ресурс, или потенциал, имеет теоретическое значение. Технический и экономический энергетические потенциалы 
имеют практическое значение. Экономический энергетический потенциал 
рассчитывается при разработке конкретных проектов использования ВИЭ. 
При прогнозных оценках имеет значение только технический энергетический потенциал. 
Валовый, технический и экономический энергетические потенциалы низкопотенциального тепла принято оценивать как объемы экономии 
органического топлива [3]. 
Оценка энергетического потенциала грунта и водоемов. Тепло 
грунта и водоемов можно использовать путем применения тепловых насосов. При использовании этих технологий говорить о валовом ресурсе нет 
смысла, так как использовать все тепло, содержащееся в грунте всей поверхности территории региона, не представляется возможным. Имеет 
смысл говорить о техническом потенциале с учетом экологических и технических ограничений. 
В соответствии с техническими данными для отопления дома с 
нормальной теплоизоляцией необходима мощность порядка 80 Вт/м2 [1,2]. 
Для семьи из 4 человек необходим коттедж площадью 100…200 м2, т. е. 
среднее 
значение 
удельной 
теплопроизводительности 
должно 
быть 
2…4 кВт/чел. Принимаем 
4
=
q
 кВт/чел. 

Энергосбережение в системах теплоснабжения 
 

 
5

Предполагаем, что таким видом теплоснабжения может воспользоваться до 10 % населения. Население Тульской области 1540,4 тыс. чел. 
[4], тогда 
04
,
154
=
n
 тыс. чел. Длительность отопительного сезона T  в нашем регионе 4500 часов в год. С учетом этого можно определить количество теплоты, которое необходимо вырабатывать тепловыми насосами в 
год: 
8
5
10
73
,
27
4500
4
10
5404
,1
⋅
=
⋅
⋅
⋅
=
⋅
⋅
=
T
q
n
Q
кВт·ч = 

3
8
10
86
,0
10
73
,
27
−
⋅
⋅
⋅
=
Гкал = 
5
10
85
,
23
⋅
Гкал. 
Количество замещаемого органического топлива определяется по 
формуле [3] 

(
)
тн
тр
т
К
К
в
Q
В
1
1
−
⋅
=
 т у.т./год, 
 
 
(1) 

где Q  − количество вырабатываемого тепла в год традиционным источником тепла (принимаем Q  равным количеству тепла, вырабатываемому тепловыми насосами), Гкал; в  − удельный расход условного топлива на производство тепловой энергии традиционным источником тепла, т у.т./год; 

тр
К
 − коэффициент использования топлива традиционного источника те
пла (котельной); 
µ
⋅
=
ээ
тн
К
К
 − коэффициент использования первичной 
энергии тепловых насосов с электроприводом; µ – коэффициент преобразования теплового насоса; 
ээ
К
 − коэффициент преобразования первичной 
энергии (топлива) при производстве электроэнергии. 
Принимая 
для 
Тульского 
региона 
параметры 
[2,3,4] 
1428
,0
=
в
 т у.т./Гкал; 
;8,0
=
тр
К
 
32
,0
=
ээ
К
; 
4
=
µ
, получаем соотношение 

для определения технического энергетического ресурса в виде экономии 
органического топлива 

3
5
10
8,
159
10
85
,
23
067
,0
067
,0
⋅
=
⋅
⋅
=
=
Q
Вт
 т у.т. 

Оценка энергетического потенциала тепла сбросовых сточных 
вод. Технический энергетический потенциал тепла сточных вод принят 
равным валовому потенциалу, который может быть определен по формуле 

)
(
1
2
i
i
m
Q
−
=
, 
 
 
 
 
(2) 

где m  − вес сточных вод, кг; 2i  − энтальпия воды на входе очистных сооружений и станций аэрации, кДж/кг; 1i  − энтальпия воды на выходе очистных сооружений и станций аэрации, кДж/кг. 
Среднюю температуру входной воды очистных сооружений принимаем равной 20 °С и соответствующая ей энтальпия воды 
91
,
83
2 =
i
 кДж/кг, 
выходной воды 
С
o
10
−
 и 
04
,
42
1 =
i
 кДж/кг. 
Объем сточных вод в Тульской области в 2007 г. [4] составил 
6
10
39
,
216
⋅
 м3. Удельный вес сточных вод принимаем равным 1 т/м3. 

Известия ТулГУ. Технические науки. 2011. Вып. 6. Ч. 1 
 

 
6

Учитывая это, технический энергетический потенциал тепла сточных вод региона 
12
9

2
10
06
,9
)
04
,
42
91
,
83
(
10
39
,
216
⋅
=
−
⋅
=
Q
кДж 
6
10
164
,2
⋅
=
Гкал. 
Объем замещения органического топлива за счет этого вида энергии, определяемый по (1), 
3
6

2
10
99
,
144
10
164
,2
067
,0
067
,0
⋅
=
⋅
⋅
=
⋅
=
Q
В
т у.т. 
Так как бытовые стоки получаются в основном в городах и поселках и концентрируются на их очистных сооружениях, далее дана оценка 
технического энергетического потенциала населенных пунктов региона. 
При расчете объема сточных вод для городов и поселков принято, 
что для населения объем сточных вод составляет 300 кг/сут на человека. В 
таблице представлены расчетные данные технического энергетического 
потенциала тепла бытовых сточных вод с учетом численности населения 
городов и поселков, определенных по формуле (2). 
 
Технический энергетический потенциал низкопотенциального 
тепла бытовых стоков 
 
№ 
п/п 
Наименование 
города, поселка 
Население, 
тыс. 
чел. 

Количество 
городов, 
поселков, 
шт. 

Средняя 
масса бытовых отходов в 
год, 
млн т 

Технический 
энергетический потенциал, 
кДж·1012 

Объем замещения 
органического топлива, 
тыс. т у.т. 

1 
Тула 
504 
1 
55,19 
2,31 
36,96 

2 
Новомосковск 
125 
1 
13,69 
0,57 
9,12 

3 
Алексин, Донской, Узловая. 
Щекино 

60…65 
4 
27,37 
1,15 
18,4 

4 
Богородицк, Ефремов, Кимовск, 
Киреевск, Суворов 

20…30 
5 
13,69 
0,57 
9,12 

5 
Белев, Венев, 
Плавск, Ясногорск 

15…20 
4 
7,66 
0,32 
5,12 

6 
Товарковский, 
Дубовка, Первомайский, Грицовский, Болохово, Липки, 
Ленинский, Сокольники 

7…10 
9 
8,37 
0,35 
5,60 

7 
Поселки: Дубна 
и т.д. 
5…6 
7 
4,22 
0,18 
2,88 

Энергосбережение в системах теплоснабжения 
 

 
7

Окончание 
 
№ 
п/п 
Наименование 
города, поселка 
Население, 
тыс. 
чел. 

Количество 
городов, 
поселков, 
шт. 

Средняя 
масса бытовых отходов в 
год, 
млн т 

Технический 
энергетический потенциал, 
кДж·1012 

Объем замещения 
органического топлива, 
тыс. т у.т. 

8 
Поселки 
3…4 
5 
1,92 
0,08 
1,28 

9 
Поселки 
2 
2 
0,44 
0,02 
0,32 

10 
Тульская область 
 
132,55 
5,54 
88,57 

 
Как следует из таблицы, валовый энергетический потенциал низкопотенциального тепла бытовых стоков городов и поселков 
12
10
54
,5
⋅
=
г
Q
кДж
1325
=
 тыс. Гкал. 
Очевидно, использование тепла сточных вод целесообразно в первую очередь начинать в крупных городах. 
Разница в энергетических потенциалах 
г
Q
Q
Q
−
=
∆
2
 соответствует 
энергетическому потенциалу сточных вод промышленных предприятий 
(пищевой, сельскохозяйственной и др.). 
Оценка энергетического потенциала сбросового тепла тепловых 
электростанций. Низкопотенциальное тепло тепловых станций сбрасывается с охлаждающей водой конденсаторов турбин и с дымовыми газами. 
Охлаждающая вода имеет температуру 20…40 °С и охлаждается до 15 °С в 
градирнях либо в прудах-охладителях, либо сбрасывается в водоемы. 
Большая часть электростанций Тульской области входит в состав ОАО 
«ТГУ-4» - филиал ОАО «Тульская региональная генерация»: Щекинская 
ГРЭС, Новомосковская ГРЭС, Первомайская ТЭЦ, Алексинская ТЭЦ, Ефремовская ТЭЦ, 25 котельных Новомосковских тепловых сетей, Ефремовское тепловое хозяйство. Общая установленная мощность филиала: электрическая − 1028 МВт, тепловая − 
2,
2907
 Гкал/ч. 
Черепетская ГРЭС входит в состав ОАО «ОГК-3» («Оптовая генерирующая компания N3»). Установленная электрическая мощность Черепетской ГРЭС − 1500 МВт. 
Таким образом, общая установленная мощность всех электростанций Тульской области: электрическая−2528 МВт, тепловая − 2907,2 Гкал/ч. 
Валовый годовой энергетический ресурс низкопотенциального тепла электростанций, равный техническому, определяем следующим образом. 
Находим массу охлаждающей воды конденсаторов турбин всех 
ТЭЦ и ГРЭС региона исходя из нормы 243 т/МВт, приняв удельный вес 
воды 1 т/м3: 

Известия ТулГУ. Технические науки. 2011. Вып. 6. Ч. 1 
 

 
8

707379
2911
243
=
⋅
=
Т
т
 т. 
Валовый энергетический потенциал низкопотенциального тепла 
сбросовых вод тепловых станций при использовании его теплонасосными 
установками определяем по формуле (2): 

=
−
⋅
=
−
=
)
97
,
62
7,
125
(
10
4,
707
)
(
6

1
2
i
i
m
Q
Т
З
 

6
10
2,
44375
⋅
=
кДж 
6
10
6,
10
⋅
=
Гкал, 
где 
Т
т  – масса охлаждающей воды, кг; 1i  – энтальпия входной воды тепловых насосов с 
30
=
t
 °С, равная 125 кДж/кг; 2i  – энтальпия выходной 
воды  c t = 15 °С, равная 62,97 кДж/кг. 
Объем замещаемого органического топлива за счет сбросового тепла тепловых электростанций, определяемый по формуле (1), 
3
6
10
2,
710
10
6,
10
067
,0
067
,0
⋅
=
⋅
⋅
=
⋅
=
З
З
Q
В
т у.т. 
Оценка энергетического потенциала тепла систем оборотного водоснабжения. Суммарный объем оборотной и повторно-последовательно 
используемой воды в Тульской области в 2005 году в соответствии со ста
тистическими данными за 2006 год составлял 
6
10
8,
270
⋅
 м3 [4]. Будем предполагать, что эта цифра существенно не изменилась, а удельный вес воды 
равен 1 т/м3. 
Температура входной воды принимается равной 30 °С, ее энтальпия 
составляет 
7,
125
 кДж/кг. Температура выходной воды принимается равной 
15 °С, ее энтальпия составляет 
97
,
62
 кДж/кг. 
Технический энергетический потенциал оборотного водоснабжения 
принимаем равным валовому потенциалу: 
12
9

1
2
10
99
,
16
)
97
,
62
7,
125
(
10
8,
270
)
(
⋅
=
−
⋅
=
−
=
i
i
m
Q
 кДж
6
10
057
,4
⋅
=
 Гкал. 
Объем замещения органического топлива за счет этого вида энергии 
3
6
10
8,
271
10
057
,4
067
,0
067
,0
⋅
=
⋅
⋅
=
⋅
=
Q
В
 т у.т. 
Таким образом, общий технический энергетический ресурс, или потенциал, всех видов источников низкопотенциального тепла региона, определяемый как количество замещения органического топлива в год, находим по формуле 

+
⋅
+
⋅
=
+
+
=
3
3

3
2
1
10
53
,
106
10
8,
159
В
В
В
ВТ
 

3
3
3
10
19
,
751
10
8,
271
10
06
,
213
⋅
=
⋅
+
⋅
+
 т у.т. 
Это соответствует добыче и использованию 1878·103 т у.т. или 
1,878 млн т бурого угля в год. 
Экономический потенциал можно принять равным 20 % от техни
ческого потенциала [3]: 
3
3
10
2,
150
2,0
10
19
,
751
2,0
⋅
=
⋅
⋅
=
⋅
=
Т
э
В
В
 т у.т., что 
соответствует добыче и использованию 375,6·103 т бурого угля в год. 

Энергосбережение в системах теплоснабжения 
 

 
9

Список литературы 
 
1. 
Дмитриев 
А.Н., Монастырев 
П.В, 
Сборщиков 
С.Б. Энергосбережение в реконструируемых зданиях. М.: Изд-во АСВ. 
2008. 208 с. 
2. Васильев Г.П. Теплоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли. М.: Изд-во «Красная звезда», 2006. 220 с. 
3. Справочник по ресурсам возобновляемых источников энергии 
России и местным видам топлива (показатели по территориям). М.: ИАЦ 
«Энергия», 2007, 272 с. 
4. Тульский статистический ежегодник. Тула, 2006. 
 
G.I. Babokin, Y.A. Lutsenko 
EVALUATE ENERGETICS POTENTIAL SOURCES LOW POTENTIAL WARMTH 
TULA REGION 
The evaluate energetics potential sources low potential warmth Tula region: warmth 
ground and basins, warmth throws flowing water, throws warmth electric power stations, 
warmth system rotation water-supply was given 
Key words: renewal sources power, sources low potential warmth, eva luate. 
 
Получено 24.12.11 
 
 
 
 
УДК 620.97(075.8) 
Г.И. Бабокин, д-р техн. наук, проф., зам. директора, 
(848762) 6-13-83, prorector.science@nirhtu.ru 
(Россия, Новомосковск, РХТУ им. Д.И. Менделеева) 
Ю.А. Луценко, д-р техн. наук, проф., (848762) 6-13-83, 
prorector.science@nirhtu.ru 
(Россия, Новомосковск, РХТУ им. Д.И. Менделеева) 
 
ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ СЕЛЬСКОЙ ШКОЛЫ 
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕПЛА ГРУНТА ПРИ ПОМОЩИ 
ТЕПЛОВОГО НАСОСА 
 
Предложено осуществить теплоснабжение сельской школы с использованием 
тепла грунта при помощи теплового насоса. 
Ключевые слова: теплоснабжение, сельская школа, тепло грунта, тепловой 
насос. 
 
Известно [1], что тепло грунта может быть использовано для теплоснабжения зданий с помощью тепловых насосов. Тепловой насос – устрой

Известия ТулГУ. Технические науки. 2011. Вып. 6. Ч. 1 
 

 
10

ство для переноса тепловой энергии от источника низкопотенциальной тепловой энергии (грунта, сбросовых вод и т. д.) к потребителю с более высокой температурой. Термодинамически тепловой насос представляет собой обращенную холодильную машину, в которой конденсатор является 
теплообменным аппаратом, выделяющим теплоту для потребителя, а испаритель – теплообменным аппаратом, забирающим теплоту от источника 
низкопотенциального тепла. 
В работе предложено реализовать теплоснабжение сельской школы 
в д. Савино Новомосковского района Тульской области с использованием 
тепла грунта. Здание сельской школы одноэтажное, общей площадью 
625,4 м2. 
Далее обоснуем параметры системы теплоснабжения. В соответствии с нормативами [2,3] для таких зданий, как выбранная школа, мощность 
на отопление одного м2 должна приниматься равной 80 Вт. Тогда теплопотребность на отопление здания 
50032
4,
625
80
=
⋅
=
Q
 Вт = 50,032 кВт. 
В школе необходимо предусмотреть горячее водоснабжение. С учетом этого теплопотребность необходимо увеличить примерно на 10 % и 
общая теплопотребность будет 55 кВт. Пиковое же потребление горячей 
воды должно быть скомпенсировано накопительным бойлером. 
В настоящее время теплоснабжение школы осуществляется электронагревателями. Для обогрева здания школы выбираем тепловой насос 
Budrurs Logatherm WPS 60 мощностью 60 кВт (ближайший больший типоразмер), затрачивающий на нагрев фреона 13,3 кВт. 
В качестве источника тепла выбираем поверхостный слой грунта. 
Для отбора тепла из грунта могут использоваться два типа коллекторов: 
горизонтальный и вертикальный [2]. При горизонтальном коллекторе металлопластиковые трубы укладываются в горизонтальные траншеи глубиной 1,5…2 м. Теплосъем с каждого метра трубы при этом зависит от типа 
грунта, но в среднем принимается равным 20 Вт/м [2]. При вертикальном 
коллекторе металлопластиковые трубы погружаются в вертикальные 
скважины глубиной от 20 до 100 м. Теплосъем с каждого метра трубы при 
этом способе можно принять равным 50 Вт/м [2]. При втором варианте потребуется в 2,5 раза меньше труб, чем при первом, но второй вариант получается существенно дороже первого из-за высокой стоимости сооружения скважин. Вертикальный коллектор применяется тогда, когда нет 
свободных площадей вокруг здания. В данном случае вокруг здания школы имеется достаточно свободных площадей, где можно разместить коллектор, поэтому выбираем горизонтальный коллектор. 
В качестве теплоносителя первичного контура выбираем антифриз 
– 25 %-ный раствор гликоля. Теплоемкость раствора гликоля при температуре 0 °С составляет 3,7 кДж/(кг·К), плотность – 1,05 г/см3. 
Требуемая тепловая мощность коллектора