采用深井水削減夏季用電高峰謅議

劉錦章，吳湘徳，沈志相，趙國(guó)慶

（上海市紡織系統(tǒng)，上海 200090）

采用深井水削減夏季用電高峰謅議

劉錦章*，吳湘徳，沈志相，趙國(guó)慶

（上海市紡織系統(tǒng)，上海 200090）

本文簡(jiǎn)述了在上世紀(jì)（1960～1990）年代煤、電緊缺情況下的冬灌夏用措施。該方法在夏天以冬灌的深井水為冷源，可以實(shí)現(xiàn)工作環(huán)境的空調(diào)。為了適應(yīng)當(dāng)前城市職能轉(zhuǎn)變，直接采用“冬灌夏用”方法，已不合適。然而，可運(yùn)用“機(jī)冷打底，井水填峰”的原理，合理地使用低溫深井水冷源來削減夏季的高峰用電。在冬季縮短回灌期，減少冬灌量和夏季抽水量，并用機(jī)械制冷進(jìn)行夜間蓄冷灌井來補(bǔ)充白天的高峰用冷，可以實(shí)現(xiàn)削減用電高峰的目的。

冬灌夏用；夜蓄冷；防止沉降

0　引言

我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展導(dǎo)致能源消耗飆升，節(jié)能環(huán)保成為影響可持續(xù)發(fā)展的突出問題。其中用電，尤其是夏季出現(xiàn)的空調(diào)制冷用電高峰，成了各區(qū)電網(wǎng)的調(diào)度難題。我國(guó)氣候冬寒夏暑，中南和東部沿海在夏副熱帶高壓控制下酷暑難耐，夏日空調(diào)已逐步普及擴(kuò)展，必須按國(guó)情依靠科技，研究有效解決對(duì)策。

建國(guó)初，紡織系統(tǒng)曾利用天然深井水（溫度20 ℃～21 ℃）冷卻送風(fēng)解決車間夏季高溫［1-3］。上世紀(jì) 60年代后期又在上海市委領(lǐng)導(dǎo)下，地質(zhì)、供水部門大力協(xié)同下，試驗(yàn)、研究深井冬灌（蓄冷）夏用取得成功［1-4］既補(bǔ)充了地下水源，緩解了地面沉降，也擴(kuò)大了冷源，配合生產(chǎn)的發(fā)展實(shí)現(xiàn)了全市 50萬工人的工作環(huán)境空調(diào)現(xiàn)代化（≤30℃）的要求。水文地質(zhì)部門通過大規(guī)模試驗(yàn)場(chǎng)的地下含水層儲(chǔ)能（冷）的測(cè)試研究分析、取得了大量科學(xué)理論數(shù)據(jù)，有關(guān)工廠也積累了許多可貴實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。然而這一世界領(lǐng)先的技術(shù)成就，隨著紡織廠退出上海市區(qū)，數(shù)百口冷井（每口井的制冷能力相當(dāng)于300 kW電力）一旦丟棄，將造成浪費(fèi)。

我們?cè)啻卧囼?yàn)將“冬灌夏用”技術(shù)轉(zhuǎn)用于舒適空調(diào)。為了適應(yīng)城市職能的轉(zhuǎn)變，曾通過學(xué)會(huì)、協(xié)會(huì)開展學(xué)術(shù)討論，不斷探討新形勢(shì)、新條件下的使用途徑和最佳方案。

近來，從報(bào)刊獲悉為防止上海市區(qū)地沉，有關(guān)方面重啟回灌，已在周邊開鑿一批專用回灌井［5］。據(jù)文獻(xiàn)［6］報(bào)道上海已建設(shè)了 100多口應(yīng)急供水深井，平時(shí)作為回灌井，在特殊應(yīng)急狀態(tài)下，作為應(yīng)急供水水源。這三方面完全可以結(jié)合起來，本文將對(duì)其進(jìn)行討論和分析。

1　“冬灌夏用”的機(jī)理、特征和應(yīng)用

冬灌（冷）夏用的實(shí)質(zhì)是冬蓄冷，夏季可用冷量取決于冬儲(chǔ)。紡織車間要求嚴(yán)格控制濕度，溫度按保健要求小于等于 30℃。勞動(dòng)密集型工廠、機(jī)械發(fā)熱量大、全天候運(yùn)行（四班三運(yùn)轉(zhuǎn)），冷負(fù)荷大且使用時(shí)間長(zhǎng)是特點(diǎn)。實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)為每口冷井最大抽水能力100 m3/h，夏用水溫10℃～12℃，按利用溫差10℃計(jì)，制冷能力300冷噸（Rt）相當(dāng)用電機(jī)組約 300 kW。夏季總抽水量（8～10）萬m3，冬灌水量（10～12）萬m3。

對(duì)比舒適空調(diào)，大型冷水機(jī)組（離心制冷和溴化鋰吸收制冷）供冷水 7℃左右，利用溫差5℃，用冷時(shí)間少。例如辦公樓每周 5天，8小時(shí)工作，只占全天候的23.8%，而且集中在白天，是造成下午用電高峰的源頭。

在舒適空調(diào)條件下，對(duì)“冬灌夏用”稍作調(diào)整，可發(fā)揮其更好的優(yōu)勢(shì)。首先，要獲得 7℃水溫并不難。參閱冬灌儲(chǔ)冷示意圖（見圖 1），冬灌冷水壓入地下含水層后向四周滲透擴(kuò)散，不斷把井邊原水逐出外圈，同時(shí)與砂礫進(jìn)行熱交換，也有混合及對(duì)流作用。最終，形成的等溫線蔟的形狀，在垂直剖面上如瓶壺狀，在水平剖面上如橢圓狀，影響范圍在半徑 50 m以內(nèi)。由于上海的地理位置，等溫線的間距是東半邊的比西半邊的大。經(jīng)過停灌至夏，地下水流動(dòng)并不大，中心位移只數(shù)米。因此，深井是一個(gè)天然保溫蓄冷水庫。

圖1　冬灌儲(chǔ)冷示意圖

原來紡織廠用水量大，冬灌水量（10～12）萬m3，而且灌水效率低，每小時(shí)只能灌注 30 m3，冬灌時(shí)間長(zhǎng)（11月至 3月甚至 4月初）而且后期水溫高，使井邊低溫水再升高。上海自來水溫每年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月可達(dá) 13℃～16℃。這就是紡織廠夏季冷水溫度不可能進(jìn)一步降低的原因。辦公大樓等舒適空調(diào)夏季用冷時(shí)間減少，按抽水總量（4～5）萬 m3、冬灌（6～8）萬m3計(jì)，就可集中在（1～2）月份最低水溫時(shí)結(jié)束冬灌。夏季可得 7 ℃甚至更低水溫，相應(yīng)井水使用效率潛力更大。

由于地下水的開采受到嚴(yán)格控制，灌用手續(xù)比較繁復(fù)，加上近年來水費(fèi)的大幅上漲，“資源費(fèi)”的收取，灌用水費(fèi)上揚(yáng)數(shù)十近百倍。從利用角度言，最大的問題是用水量過大過集中，難以消化。

2　結(jié)合機(jī)械制冷減少用水量

紡織空調(diào)曾推廣“機(jī)冷打底，井水填峰”的措施。即增添部分機(jī)械制冷以補(bǔ)冬灌水的不足，可使井水更好用到尖峰負(fù)荷時(shí)，大幅減少總抽水量。

制冷機(jī)械在酷暑天因冷卻水溫上升，制冷能力下降，設(shè)計(jì)不周時(shí)還可能失去制冷能力；而冬灌井水天氣越熱，制冷能力越高，用于初夏和入秋反而要降低制冷能力。配備部分機(jī)冷打底，冬灌水使用時(shí)間可大大縮短?？傆盟扛杀犊s減。

以辦公大樓夏季空調(diào)為例，全夏用冷時(shí)間約600小時(shí)。配備機(jī)冷時(shí)，如機(jī)冷比為50%，冬灌冷水用量可減至1/3；而機(jī)冷比為80%，冬灌冷水用量減到1/10。如表1所示。

表1　配備機(jī)冷時(shí)的冬灌水用量

這樣的組合，冬灌冷水就可集中用于最熱天氣，發(fā)揮最大制冷作用，例如一口井 450 Rt，配合組成若干組。機(jī)冷比 80%組成 5組計(jì) 2，250 Rt。100 m3回水在22℃左右還可加以利用，或用于摻和冷卻水降低機(jī)組冷卻水溫度，提高機(jī)組制冷率。值得注意的是總抽水量可減少一半左右（5×10%），即2萬m3上下，有可能全部獲得有效利用。

3　結(jié)合夜蓄冷削減夏季用電高峰

采取夜蓄冷供白天使用，可有效削減白天用電峰值，已為世界各國(guó)利用，有的如日本、美國(guó)已立法強(qiáng)制執(zhí)行。夜蓄冷對(duì)辦公樓、公共娛樂場(chǎng)所和商場(chǎng)等白天空調(diào)用電完全轉(zhuǎn)到夜間，也可 24小時(shí)制冷減小制冷機(jī)容量，大致上如表2所示。

表2　夜蓄冷配置制冷機(jī)容量

蓄冷手段最簡(jiǎn)單的方式是水蓄冷，冰蓄冷可減小容積但操作較復(fù)雜。日本朝日新聞社在一旁擴(kuò)建新大樓，利用原有總?cè)萘?2，200 Rt制冷機(jī)組（離心800 Rt×2 + 300 Rt×2）在地下三層車庫旋轉(zhuǎn)滑道間設(shè)計(jì)了深 20 m溫度分層蓄冷水槽3，000 m3，節(jié)省白天用電負(fù)荷超過2，000 kW。

對(duì)旅館、飯店全天候空調(diào)，可按負(fù)荷日變化規(guī)律，配備必要的蓄冷水池調(diào)節(jié)，也能取得顯著效果。利用冷負(fù)荷的日夜差異，日蓄冷填補(bǔ)白天下午高峰，使空調(diào)制冷在平均負(fù)荷下進(jìn)行。我國(guó)西北干旱地區(qū)、日夜溫差大，甚至可利用夜間外氣蒸發(fā)冷卻制冷水利用。

冬灌冷水與機(jī)冷組合，提高機(jī)冷比，冬灌水量可大大減少，機(jī)冷比提高至 90%，抽水量甚至可降到1萬m3。如24小時(shí)抽水蓄冷、白天8小時(shí)利用，就可擴(kuò)大制冷能力3倍（12小時(shí)空調(diào)擴(kuò)大2倍）。這樣的冬灌蓄冷加上夜蓄冷對(duì)削減夏日用電高峰的作用，效果估算如表3所示。

表3　冬灌冷水與機(jī)冷組合加上夜蓄冷的效果

每口井的組合綜合削峰能力，加上冷卻水溫的降低，以及制冷機(jī)組效率提高等，按機(jī)冷比 4/5可達(dá)5，000 kW，而按機(jī)冷比9/10更高達(dá)10，000 kW。200口井可望削減白天 200萬 kW用電高峰。

4　結(jié)語

當(dāng)前“冬灌夏用”冷源要代替機(jī)械制冷已不現(xiàn)實(shí)，必須發(fā)揮其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。用于填峰可能是最佳選擇。當(dāng)前，上海金融服務(wù)大廈樓群平地興起，空調(diào)制冷機(jī)組用電多在數(shù)千 kW，若配備冬灌井填峰將使經(jīng)濟(jì)效益大增。蓄冷容積要求大，最好在新建設(shè)計(jì)時(shí)考慮；既有建筑也可充分利用消防水池等設(shè)施。并且，冬灌夏用完全可以結(jié)合防止沉降和建立應(yīng)急水源的需要。多灌少用可以提高地下水位，防止沉降。應(yīng)急備用井置于居民集中區(qū)較為合理，可與空調(diào)冷源結(jié)合，有灌有用，既可應(yīng)急又能充分利用井水資源。

［1］ 王茜， 顏蘇芊， 黃翔. 淺談紡織廠車間溫濕度調(diào)節(jié)［J］. 制冷空調(diào)與電力機(jī)械， 2008， 29:53-55.

［2］ 袁國(guó)平， 顧曉樂， 魏學(xué)昶， 等. 一種低碳、綠色的冷源——深井冬灌儲(chǔ)存低溫自來水在夏季空調(diào)制冷的新應(yīng)用［J］. 制冷技術(shù)， 2010， 30（2）: 32-34.

［3］ 魏學(xué)昶. 空調(diào)用冬灌夏用深井的使用與保養(yǎng)方法的探索［J］. 制冷技術(shù)， 2007， 27（4）: 39-41，53.

［4］ 周榮， 顧愛輝， 顧用紅. 冬灌夏用在空調(diào)中的應(yīng)用與節(jié)水分析［J］. 中國(guó)西部科技， 2012，（1）:12-14.

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

［6］ 趙維光. 自來水回灌出地下“應(yīng)急水庫”［N］. 文匯報(bào)，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

*劉錦章（1926-），男，原上海市紡織工業(yè)局基建處原動(dòng)科長(zhǎng)，教授級(jí)高工。聯(lián)系地址：平?jīng)雎?2771弄 4號(hào)，郵編：200090。聯(lián)系電話電話：021-65669277；吳湘徳（1925-），男，原上海市毛蔴工業(yè)公司，高工；沈志相（1932-），男，原上海市國(guó)棉一廠，高工；趙國(guó)慶（1930-），男，原上海市國(guó)棉七廠副總工，高工。