1、概述： 　　可持續(xù)發(fā)展理論已成為世界各國制定國民經濟發(fā)展戰(zhàn)略的行動綱領和理論基礎，其目標任務主要強調“人類對自然資源的利用及損毀速度小于其再生速度（可再生資源）；人類的消費需求及其變換過程中都要努力減少對能源和物質的長遠消耗；”要努力維護人類生態(tài)系統(tǒng)的長久活力，保持其良性的循環(huán)。而水資源和能源是一種寶貴的自然資源，是人類生存和發(fā)展的物質基礎，是可持續(xù)發(fā)展的重要保障。隨著我國人口急劇增長，經濟迅速發(fā)展以及消費水平的提高，人們對水資源和能源的需求量大幅度的增加，而盲目的追求經濟發(fā)展的傳統(tǒng)生產模式造成了嚴重的水環(huán)境污染和能源的浪費。再加上我國能源利用率十分低，更加劇了這種供需矛盾。目前資源危機和生態(tài)環(huán)境惡化已成為世界各國共同面臨的問題。在世界能源危機和環(huán)境污染的雙重壓力下，世界各國人們都開始從生態(tài)系統(tǒng)的源頭考慮人類與環(huán)境的關系，積極修復與補償被破損的生態(tài)環(huán)境，尋找清潔、高效、可替代的新能源（如：太陽能、風能、潮汐能）來改善能源結構，減少一次能源的消耗與污染排放。據資料表明，在新能源家族中地熱能是新能源家族中最為現實的能源，在整個能源系統(tǒng)中的地位與日俱增。其中利用地下水作為中低溫地熱源來采暖和制冷等，目前在美國、日本、德國等發(fā)達國家發(fā)展十分迅速，我國發(fā)展還比較緩慢。 　　　然而，城市地下水參與水環(huán)境系統(tǒng)的循環(huán)，在自然循環(huán)系統(tǒng)中水體通過蒸發(fā)，將雨水和地面徑流與大氣聯(lián)系起來；另外，城市運行中，除了有部分水量消耗外，主要發(fā)生的是水質變化，水體與地下水通過土壤滲透和地下水補給運動聯(lián)系起來。城市水資源利用的人工循環(huán)系統(tǒng)由城市給水、排水和處理系統(tǒng)組成。城市水環(huán)境系統(tǒng)又是整個流域水文的一部分，參與整體的水文循環(huán)過程。因此，在合理開發(fā)利用新能源，對地下水進行利用的過程中，必須考慮水系循環(huán)的各個生態(tài)鏈，防止因為不適當利用導致系統(tǒng)環(huán)節(jié)發(fā)生問題，引起城市水文生態(tài)系統(tǒng)的失調，帶來人為的災害。 　　總之，維持良好的生態(tài)環(huán)境，實現人類社會可持續(xù)發(fā)展，是我們面臨的全新課題。本文以某礦山井下水優(yōu)化設計為例進行了初步的嘗試和研究。 2、將傳統(tǒng)的生產工藝與生態(tài)設計相結合，合理開發(fā)利用井下水的低位能源　 　　我國礦產資源豐富，礦山企業(yè)較多，在膠東半島尤為突出。在礦山的生產過程中，為了采掘作業(yè)的順利進行，不可避免的要進行多項安全保衛(wèi)措施，其中排除與隔絕地下水就是必須采取的措施之一，原有的排水系統(tǒng)只是將井下水提升到沉淀池，經沉淀池沉淀后直接排入大海。造成寶貴的淡水資源嚴重浪費，并且地下水中蘊含有豐富的低品位熱源沒有被開發(fā)利用。更為嚴重的是:地下水不斷的開采和排放，又不能及時地給以補充，加上城市（地表硬質）化導致雨水下滲量的大大減少，致使區(qū)域性地下水位逐年下降并有擴張的趨勢。隨之而來的是海水入侵和地面沉降，給生態(tài)環(huán)境造成很大的破壞。針對這種情況，我們對礦山井下水傳統(tǒng)排水工藝進行分析和研究，為了充分利用地下水所蘊含的寶貴能量，改善生態(tài)環(huán)境，結合企業(yè)的實際情況，采用了生態(tài)工藝設計原理。將生產中排出的廢水作為低溫熱源來采暖與制冷，并循環(huán)使用井下水。該原理是一種嶄新的生態(tài)經濟觀念，是運用生態(tài)學中物質循環(huán)再生原理和系統(tǒng)工程的優(yōu)化方法，來設計對物質能源的多層分級利用的工程體系。即，用生態(tài)工藝理念來代替對自然資源掠奪式開采和無節(jié)制排放污染的傳統(tǒng)工藝，進行無廢料生產；以閉合循環(huán)和綜合生產的形式，把生產全過程納入生物圈的物質循環(huán)系統(tǒng)，實現物質和能量的多層分級利用，無污染排放和維護水文生態(tài)系統(tǒng)等多功能利用的完全代謝系統(tǒng)[1]。本研究礦山井下水的新工藝流程如圖1所示。 Fig. 1. New design flowchart 2.1 工程應用情況 　　該礦山井下每日排水量為3000～4000m3/d，即為125～166m3/h。井深約600米，常年水溫10～12℃左右，水量較大且蘊含著豐富的低品位熱源。水質報告如下： 　　CL-=5901.18mg/L,Ca2+=1515.20mg/L,Mg2+=85.08 mg/L, Fe3+=1.12 mg/L,PH=7.1,總礦化度= 11694.5mg/L,懸浮物為35.60 mg/L。而精煉廠廠房平時工作溫度為30～40℃，面積約2000平方米。為了改善工作環(huán)境，要求將室內溫度降至26～28℃，要求冷量329KW。根據現場實際情況，采用全循環(huán)多層分級利用的方案，從上圖中可以看出：由礦井水泵從蓄水池中抽水（10℃），輸送到除砂器（兼作儲水池），經除砂后利用地熱熱泵技術直接將低品位熱源轉換為高品位熱源來制冷，換熱后供選冶車間洗礦用水，用后廢水經處理后回灌地下，如此循環(huán)往復。其中主要參數的確定和設備選型如下： 冷卻水量： Vw=3600×Q /[1000×0.7×Cw（T2-T1）] =3600×329/[1000×0.7×4.19×（16～10）] =67.3m3/h<125m3/h 其中： Q—需冷量，329KW Cw—水的比熱，4.19KJ/Kg·℃ 0.7—熱效率（三個循環(huán)系統(tǒng)） 制冷系數計算： 壓縮機輸入功率：W=√3UICOSФ=76.7KW 其中：U—電壓（V），I—電流（A）， COSФ—功率因子，0.8 供冷量:Q=1000CpVΔT/3600（KW） =4.19×50×（12-6）/3.6 =349.2KW 其中：Cp—定壓比熱,4.19KJ/Kg·℃， V—室內循環(huán)流量（50m3/h） ΔT——-蒸發(fā)器進出口溫差（12/6℃） 3）制冷系數:COP=Q/W W=76.7KW, Q=349.2KW, COP=4.55 　　通過計算選用DZ-LC-160型地熱熱泵2臺，單臺制冷量為167.5kw,輸入功率為45kw。空調循環(huán)水泵兩臺（一用一備），以及其他配套設施。經過幾個月的試運行，精煉廠房內的工作溫度由以往的30～40℃降低到28℃以下，大大改善了工作環(huán)境，提高了工作效率。 2.2熱泵技術的原理和特點 　　熱泵技術是一種能將熱能從低溫轉換為高溫熱源，也可將高溫熱源轉換為低溫熱源的技術。地熱熱泵技術則是利用井中的地下水或直接利用與土壤耦合垂直的熱交換器進行熱交換[2]。本文研究的對象是直接利用地下水的低溫熱作為熱源進行熱交換。冬天室內需要供暖，利用熱泵封閉系統(tǒng)中運轉的低沸點液體在蒸發(fā)器中氣化吸熱的功能，從井下水中吸取大量低溫位熱對室內供暖。在夏天，則依靠熱泵設備內熱量，依靠電力驅動，把吸收的低溫熱轉化為高冷媒的反向流動，使原來的吸熱與放熱功能轉換，把廠房內多余的熱量轉移到井下水中，利用地下水的冷熱源，進行熱交換；從而達到調節(jié)室內溫度的目的。地熱利用型熱泵技術與我們普遍采用的普通空調器相比具有明顯的優(yōu)點： 　　（1）環(huán)保性：普通空調器是采用一種被稱為空氣源的熱泵技術，天冷時它可以把室外空氣中的熱量轉移到室內，而天熱時則把室內空氣中的廢熱全部轉移到了室外，對大氣環(huán)境產生熱污染。這種現象在大城市中更為嚴重。因為城市中集中了大量的建筑群、綠地面積減少，大量建筑物、道路的混凝土表面的熱輻射比郊區(qū)大得多，加上城市中大量消耗的能量一部分成為廢熱排向大氣。在大氣中的塵埃形成的擋波層及大氣逆溫層的作用下，形成了城市中心的“熱島”現象。而城市中大量空調的使用更加劇了“熱島”現象的形成。而地熱利用型熱泵技術則是將全部的廢熱轉移到井下水中，在使用過程中不產生任何有害的物質，對生態(tài)環(huán)境取很好的保護作用。 　　（2）經濟性：由于利用了井下水中的廢熱，節(jié)約了電能，其運行成本比普通空調的成本要低，且初始投資是溴化鋰機組和其他中央空調的2/3～4/5。以該工程熱泵機組制冷時的運行狀況進行驗算：總輸入功率為80KW，若電價按0.6元/度計算，空調時間100天，每天按12小時計算，則年空調費用：0.7×0.6×80×100×12×0.8=3.23萬元,平均16.2元/m2.a。普通空調是其5.8倍。該工程節(jié)約投資約15.6萬元/年。 　?。?）安全性：使用方便,安全可靠、不存在任何爆炸、燃燒的安全隱患。而且熱泵技術能實現很高的自動化管理，維護、維修工作量很小。（4）節(jié)能性：普通空調所需要的能量全部要靠電能來轉換。目前南方城市最大的能量消耗是夏季空調，隨著人們生活水平的提高，人均擁有空調機臺數會大幅度增加，它將加劇城市用電高峰的緊張局面。如今年夏天，全國許多城市出現了五十年一遇的高溫天氣，使能量的消耗量急劇上升，曾多次出現停水停電等現象，給人們的生產、生活帶來極大的不便。而熱泵系統(tǒng)還可以采用地下蓄熱（冷）槽方式，利用晚上供電低谷時段的低價電能，把提升后的高品 。 Fig. 2.Storage heat pump system in Japan 　　位熱量儲蓄起來，解決白天熱（冷、暖）負荷高峰時段的供給不足問題；達到對城市用電的調峰、節(jié)能作用；同時也獲得可觀的經濟效益。這在日本“光之丘”社區(qū)的集中供冷暖系統(tǒng)中取得了很好的效果（見圖2 所示：利用當地垃圾焚燒工廠的發(fā)電冷卻水與高壓電纜線的冷卻水等低位熱能，由熱泵蓄熱系統(tǒng)利用半夜低價電蓄熱供暖[3]）。本研究把井下水作為低溫熱源的熱泵系統(tǒng)充分利用了地下水中豐富的能量，其能量輸入與輸出之比：供熱狀態(tài)約1:4.2,制冷狀態(tài)約1:5.8，比普通空調節(jié)約能源約4～5倍。而且，地熱利用型熱泵技術的潛在用途比單純用于房屋空調要廣泛的多。在北方或較寒冷地區(qū)，可利用蓄熱式熱泵系統(tǒng)，把數個熱泵串聯(lián)起來，或利用熱泵總站與分站的組合方式，產生一種階梯式的增溫效果，克服單個熱泵供熱量的不足；同時也可納入區(qū)域集中供暖系統(tǒng)中去。這也是本課題今后的研究目標。 　　通過利用低溫地熱，節(jié)約大量的一次能源，以減少大氣污染，也緩解了城市能源不足的緊張局面。 3、回灌補充地下水，健全水文生態(tài)系統(tǒng) 　　水資源是生態(tài)環(huán)境的基本要素，是生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)結構與功能的組成部分。水以其存在形態(tài)與系統(tǒng)內部各要素之間發(fā)生著有機的聯(lián)系，構成生態(tài)系統(tǒng)的形態(tài)結構，并作為營養(yǎng)物質和能量傳遞的載體，構成系統(tǒng)的營養(yǎng)結構[4]。水在生態(tài)系統(tǒng)中永無休止的運動，必然產生系統(tǒng)與外部環(huán)境之間的物質循環(huán)和能量的轉換，因而形成系統(tǒng)功能。水在生態(tài)系統(tǒng)結構與功能中的地位與作用是其他任何物質無法取代的。因此水資源的合理開發(fā)和利用與生態(tài)環(huán)境的保護密切相關。近年來，由于地表水污染嚴重，人們大量開采地下水，使地下水量急劇減少，地下水位逐年降低；特別是隨著城市化進程的加快，大量城市建筑物及道路構筑了大量的不透水表面，改變了水的自然循環(huán)方式[5]，絕大部分雨水以徑流的形式排入到附近的水體中。徑流量大大增加，下滲量卻大大減少，地下水不能及時得到補充從而導致地質結構發(fā)生了顯著的變化，地基承載力減弱，出現了地面裂縫、沉降等現象。例如，浙江省嘉興市40年來，地面沉降累計達81.4厘米，其周圍城鎮(zhèn)如海寧、桐鄉(xiāng)、海鹽、嘉善等縣城地面沉降也均超過50厘米，沉降總面積達2000平方公里，與蘇、錫、常、滬形成了一個沉降區(qū)。北京自1996年以來，地面正以10-20mm/a的速度下沉。在膠東半島尤為突出，曾多次出現整體房物倒塌，省級公路塌陷，給人們的生命財產造成很大的威脅。這與采礦過程中大量的地下水直接排放，沒有采取任何回灌的措施，有很大的關系。于是，本工程不僅利用地下水所蘊含的熱能來制冷、供暖，更重要的是從生態(tài)學的角度、從水的自然循環(huán)特性出發(fā)，將井下水經過低溫熱利用后的洗礦廢水再處理，重新回灌地下。既避免了對環(huán)境的污染，又及時補充地下水，健全了水文生態(tài)系統(tǒng)，實現了水的全循環(huán)過程。地下水回灌方式很多，有多孔管滲透，滲井、滲渠等。我們結合當地的實際情況和生產工藝，將廢水與井下充填材料混合進行充填，剩下的廢水80m3/h采用滲井與多孔管相結合的回灌方式，其示意圖如下： Fig. 3. Method of water infiltration 　　該礦區(qū)地面標高為33～44米，地下水位25～30米，滲透系數為16m/d。設計下滲水量是80m3/h，滲井直徑為5米、高6米；采用12根Φ159×4.5的無縫鋼管，每根長度為40米，孔口出口平均流速為0.01m/s；經計算每根開孔數是2614個，管上開三排孔，孔眼錯開，孔直徑d=3cm，孔間距為6cm，完成滿足設計要求。 4　可持續(xù)發(fā)展的思考 　　從這個工程實例可以看出，采用生態(tài)學的物質循環(huán)原理和生態(tài)經濟觀念，利用先進的科學技術和人為的基礎設施將生產中出現的廢棄物以再循環(huán)、再利用的方式可以化廢（如低品位能源）為利、化廢為寶。開發(fā)城市能量的“永恒利用”系統(tǒng)，使物質能量在城市內部循環(huán)或綜合利用。通過綜合利用，不僅可以達到節(jié)約能源的目的，而且可以最大限度地減少污染物質的排放。更為重要的是，利用地下水的回灌，使日益匱乏的地下水資源得到了補充，提高了地下水位，阻止或緩解地面下沉，變惡性循環(huán)為良性循環(huán)，使生態(tài)環(huán)境大為改善。以達到保證人類社會可持續(xù)發(fā)展的目的。因此，人們在進行各項生產活動時必須遵循生態(tài)規(guī)律和經濟規(guī)律，將社會經濟發(fā)展的方向和規(guī)模，控制在區(qū)域資源承載力和環(huán)境容量內，真正實現經濟、資源、環(huán)境的協(xié)調發(fā)展。 參考文獻（References）： 1 周鴻.生態(tài)學的歸宿—人類生態(tài)學.安徽科技出版社.1989 Zhou-hong. Direction of Ecology—Human Ecology anthropoecology.[M]. Anhui：Science&Technology Publishing House Anhui.1989.（in Chinese） 2 孫占學.神奇的地熱.清華大學出版社.2001.1 Sun-Zhanxue. Wonderful Ground-heat Source. 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