采用深井水削减夏季用电高峰诌议

刘锦章，吴湘徳，沈志相，赵国庆

（上海市纺织系统，上海 200090）

采用深井水削减夏季用电高峰诌议

刘锦章*，吴湘徳，沈志相，赵国庆

（上海市纺织系统，上海 200090）

本文简述了在上世纪（1960～1990）年代煤、电紧缺情况下的冬灌夏用措施。该方法在夏天以冬灌的深井水为冷源，可以实现工作环境的空调。为了适应当前城市职能转变，直接采用“冬灌夏用”方法，已不合适。然而，可运用“机冷打底，井水填峰”的原理，合理地使用低温深井水冷源来削减夏季的高峰用电。在冬季缩短回灌期，减少冬灌量和夏季抽水量，并用机械制冷进行夜间蓄冷灌井来补充白天的高峰用冷，可以实现削减用电高峰的目的。

冬灌夏用；夜蓄冷；防止沉降

0　引言

我国经济高速发展导致能源消耗飙升，节能环保成为影响可持续发展的突出问题。其中用电，尤其是夏季出现的空调制冷用电高峰，成了各区电网的调度难题。我国气候冬寒夏暑，中南和东部沿海在夏副热带高压控制下酷暑难耐，夏日空调已逐步普及扩展，必须按国情依靠科技，研究有效解决对策。

建国初，纺织系统曾利用天然深井水（温度20 ℃～21 ℃）冷却送风解决车间夏季高温［1-3］。上世纪 60年代后期又在上海市委领导下，地质、供水部门大力协同下，试验、研究深井冬灌（蓄冷）夏用取得成功［1-4］既补充了地下水源，缓解了地面沉降，也扩大了冷源，配合生产的发展实现了全市 50万工人的工作环境空调现代化（≤30℃）的要求。水文地质部门通过大规模试验场的地下含水层储能（冷）的测试研究分析、取得了大量科学理论数据，有关工厂也积累了许多可贵实践经验。然而这一世界领先的技术成就，随着纺织厂退出上海市区，数百口冷井（每口井的制冷能力相当于300 kW电力）一旦丢弃，将造成浪费。

我们曾多次试验将“冬灌夏用”技术转用于舒适空调。为了适应城市职能的转变，曾通过学会、协会开展学术讨论，不断探讨新形势、新条件下的使用途径和最佳方案。

近来，从报刊获悉为防止上海市区地沉，有关方面重启回灌，已在周边开凿一批专用回灌井［5］。据文献［6］报道上海已建设了 100多口应急供水深井，平时作为回灌井，在特殊应急状态下，作为应急供水水源。这三方面完全可以结合起来，本文将对其进行讨论和分析。

1　“冬灌夏用”的机理、特征和应用

冬灌（冷）夏用的实质是冬蓄冷，夏季可用冷量取决于冬储。纺织车间要求严格控制湿度，温度按保健要求小于等于 30℃。劳动密集型工厂、机械发热量大、全天候运行（四班三运转），冷负荷大且使用时间长是特点。实际运行数据为每口冷井最大抽水能力100 m3/h，夏用水温10℃～12℃，按利用温差10℃计，制冷能力300冷吨（Rt）相当用电机组约 300 kW。夏季总抽水量（8～10）万m3，冬灌水量（10～12）万m3。

对比舒适空调，大型冷水机组（离心制冷和溴化锂吸收制冷）供冷水 7℃左右，利用温差5℃，用冷时间少。例如办公楼每周 5天，8小时工作，只占全天候的23.8%，而且集中在白天，是造成下午用电高峰的源头。

在舒适空调条件下，对“冬灌夏用”稍作调整，可发挥其更好的优势。首先，要获得 7℃水温并不难。参阅冬灌储冷示意图（见图 1），冬灌冷水压入地下含水层后向四周渗透扩散，不断把井边原水逐出外圈，同时与砂砾进行热交换，也有混合及对流作用。最终，形成的等温线蔟的形状，在垂直剖面上如瓶壶状，在水平剖面上如椭圆状，影响范围在半径 50 m以内。由于上海的地理位置，等温线的间距是东半边的比西半边的大。经过停灌至夏，地下水流动并不大，中心位移只数米。因此，深井是一个天然保温蓄冷水库。

图1　冬灌储冷示意图

原来纺织厂用水量大，冬灌水量（10～12）万m3，而且灌水效率低，每小时只能灌注 30 m3，冬灌时间长（11月至 3月甚至 4月初）而且后期水温高，使井边低温水再升高。上海自来水温每年12月和3月平均9.7 ℃，最低5 ℃，1月和2月平均 6.4℃，最低可在 3 ℃或以下，4月可达 13℃～16℃。这就是纺织厂夏季冷水温度不可能进一步降低的原因。办公大楼等舒适空调夏季用冷时间减少，按抽水总量（4～5）万 m3、冬灌（6～8）万m3计，就可集中在（1～2）月份最低水温时结束冬灌。夏季可得 7 ℃甚至更低水温，相应井水使用效率潜力更大。

由于地下水的开采受到严格控制，灌用手续比较繁复，加上近年来水费的大幅上涨，“资源费”的收取，灌用水费上扬数十近百倍。从利用角度言，最大的问题是用水量过大过集中，难以消化。

2　结合机械制冷减少用水量

纺织空调曾推广“机冷打底，井水填峰”的措施。即增添部分机械制冷以补冬灌水的不足，可使井水更好用到尖峰负荷时，大幅减少总抽水量。

制冷机械在酷暑天因冷却水温上升，制冷能力下降，设计不周时还可能失去制冷能力；而冬灌井水天气越热，制冷能力越高，用于初夏和入秋反而要降低制冷能力。配备部分机冷打底，冬灌水使用时间可大大缩短。总用水量更成倍缩减。

以办公大楼夏季空调为例，全夏用冷时间约600小时。配备机冷时，如机冷比为50%，冬灌冷水用量可减至1/3；而机冷比为80%，冬灌冷水用量减到1/10。如表1所示。

表1　配备机冷时的冬灌水用量

这样的组合，冬灌冷水就可集中用于最热天气，发挥最大制冷作用，例如一口井 450 Rt，配合组成若干组。机冷比 80%组成 5组计 2，250 Rt。100 m3回水在22℃左右还可加以利用，或用于掺和冷却水降低机组冷却水温度，提高机组制冷率。值得注意的是总抽水量可减少一半左右（5×10%），即2万m3上下，有可能全部获得有效利用。

3　结合夜蓄冷削减夏季用电高峰

采取夜蓄冷供白天使用，可有效削减白天用电峰值，已为世界各国利用，有的如日本、美国已立法强制执行。夜蓄冷对办公楼、公共娱乐场所和商场等白天空调用电完全转到夜间，也可 24小时制冷减小制冷机容量，大致上如表2所示。

表2　夜蓄冷配置制冷机容量

蓄冷手段最简单的方式是水蓄冷，冰蓄冷可减小容积但操作较复杂。日本朝日新闻社在一旁扩建新大楼，利用原有总容量 2，200 Rt制冷机组（离心800 Rt×2 + 300 Rt×2）在地下三层车库旋转滑道间设计了深 20 m温度分层蓄冷水槽3，000 m3，节省白天用电负荷超过2，000 kW。

对旅馆、饭店全天候空调，可按负荷日变化规律，配备必要的蓄冷水池调节，也能取得显著效果。利用冷负荷的日夜差异，日蓄冷填补白天下午高峰，使空调制冷在平均负荷下进行。我国西北干旱地区、日夜温差大，甚至可利用夜间外气蒸发冷却制冷水利用。

冬灌冷水与机冷组合，提高机冷比，冬灌水量可大大减少，机冷比提高至 90%，抽水量甚至可降到1万m3。如24小时抽水蓄冷、白天8小时利用，就可扩大制冷能力3倍（12小时空调扩大2倍）。这样的冬灌蓄冷加上夜蓄冷对削减夏日用电高峰的作用，效果估算如表3所示。

表3　冬灌冷水与机冷组合加上夜蓄冷的效果

每口井的组合综合削峰能力，加上冷却水温的降低，以及制冷机组效率提高等，按机冷比 4/5可达5，000 kW，而按机冷比9/10更高达10，000 kW。200口井可望削减白天 200万 kW用电高峰。

4　结语

当前“冬灌夏用”冷源要代替机械制冷已不现实，必须发挥其独特优势。用于填峰可能是最佳选择。当前，上海金融服务大厦楼群平地兴起，空调制冷机组用电多在数千 kW，若配备冬灌井填峰将使经济效益大增。蓄冷容积要求大，最好在新建设计时考虑；既有建筑也可充分利用消防水池等设施。并且，冬灌夏用完全可以结合防止沉降和建立应急水源的需要。多灌少用可以提高地下水位，防止沉降。应急备用井置于居民集中区较为合理，可与空调冷源结合，有灌有用，既可应急又能充分利用井水资源。

［1］ 王茜， 颜苏芊， 黄翔. 浅谈纺织厂车间温湿度调节［J］. 制冷空调与电力机械， 2008， 29:53-55.

［2］ 袁国平， 顾晓乐， 魏学昶， 等. 一种低碳、绿色的冷源——深井冬灌储存低温自来水在夏季空调制冷的新应用［J］. 制冷技术， 2010， 30（2）: 32-34.

［3］ 魏学昶. 空调用冬灌夏用深井的使用与保养方法的探索［J］. 制冷技术， 2007， 27（4）: 39-41，53.

［4］ 周荣， 顾爱辉， 顾用红. 冬灌夏用在空调中的应用与节水分析［J］. 中国西部科技， 2012，（1）:12-14.

［5］ 陈正卿， 大上海制服地面沉降［N］. 新民晚报， 2014-03-10（B16）； 2014-03-11（A29）.

［6］ 赵维光. 自来水回灌出地下“应急水库”［N］. 文汇报，2013-02-22（1）.

Discussion on Reducing Electric Peak Consumption in Summer by Deep Well Water

LIU Jin-zhang*， WU Xiang-de， SHEN Zhi-xiang， ZHAO Guo-qing
（Shanghai Textile System， Shanghai 200090， China）

In the present study， the measures of “injection in winter and using in summer” used in case of lack of coal and power during 1960s ～ 1990s were introduced. By injecting water into deep well in winter and using the water as cold source in summer， the air conditioning for working area was realized. Nowadays in order to adapt the transformation of the function of the city， it is not suitable for directly using the method of “injection in winter and using in summer”. However， the mechanical refrigeration can be used as the base， and the cold source of low temperature well water can be used to cut down the peak of the electricity consumption in summer. The objective for decreasing the electricity consumption can be realized by the measures of shortening the injection period in the winter， reducing the water injection and withdraw quantity， and such as to shorten the injection period in the winter，to reduce the water quantity of injection in winter and using in summer， and to use injection with mechanical refrigeration for cold storage at night as a complement to the peak of the cooling load in the daytime.

Injection in winter and using in summer； Cold storage in night； Prevent sedimentation

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.04.208

*刘锦章（1926-），男，原上海市纺织工业局基建处原动科长，教授级高工。联系地址：平凉路 2771弄 4号，邮编：200090。联系电话电话：021-65669277；吴湘徳（1925-），男，原上海市毛蔴工业公司，高工；沈志相（1932-），男，原上海市国棉一厂，高工；赵国庆（1930-），男，原上海市国棉七厂副总工，高工。