水処理システム
【課題】水処理システムにおいて、ヒートポンプ容量の増加を抑制する。
【解決手段】水処理システム１ａは、複数の装置と、互いに隣接する複数の装置同士を接続し、内部を水が流れる複数の配管区間２，２２と、少なくとも１つの配管区間を吸熱配管区間２としてこの吸熱配管区間から吸熱し、この吸熱配管区間２から吸熱した熱を、少なくとも１つの他の配管区間を排熱配管区間２２として、この排熱配管区間２２に排熱するヒートポンプ３と、ヒートポンプ３と吸熱配管区間２との間で熱交換可能な熱量の少なくとも一部、またはヒートポンプ３と排熱配管区間２２との間で熱交換可能な熱量の少なくとも一部を一時的に貯蔵する熱貯蔵手段４，２４と、を有している。
【解決手段】水処理システム１ａは、複数の装置と、互いに隣接する複数の装置同士を接続し、内部を水が流れる複数の配管区間２，２２と、少なくとも１つの配管区間を吸熱配管区間２としてこの吸熱配管区間から吸熱し、この吸熱配管区間２から吸熱した熱を、少なくとも１つの他の配管区間を排熱配管区間２２として、この排熱配管区間２２に排熱するヒートポンプ３と、ヒートポンプ３と吸熱配管区間２との間で熱交換可能な熱量の少なくとも一部、またはヒートポンプ３と排熱配管区間２２との間で熱交換可能な熱量の少なくとも一部を一時的に貯蔵する熱貯蔵手段４，２４と、を有している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水処理システムに関し、特にヒートポンプを用いた水処理システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
純水製造システム等の水処理システムは、水処理のための様々な装置が配管で結ばれて構成されている。これらの装置の例として、イオン交換装置、逆浸透膜（ＲＯ膜）装置、ろ過装置などがある。各装置は性能（不純物の除去特性等）を最大限に発揮させるために、最適な水温の範囲を有している。一方、ユースポイント（使用点）では、例えば２５℃、６０℃、８０℃等の様々な温度が要求されることがある。また、循環運転を行う部位では、循環運転に伴うポンプからの入熱などによって循環水の温度が上昇しやすくなる。このように、水処理システムでは、装置の温度要求、システム要求、システム構成などの様々な要因のために、システム内の様々な個所で温度調整を行う必要がある。
【０００３】
特許文献１には超純水の製造装置が開示されている。原水槽から供給された原水は脱気槽やＲＯ膜装置で処理され、後工程に送られる。ＲＯ膜装置における逆浸透膜の標準設計温度は２５℃であるため、ＲＯ膜装置の入口点における処理水の温度をこの温度に調整するため、原水槽と脱気槽の間にいくつかの熱交換器が設置されている。
【０００４】
特許文献２には、熱交換のために、ヒートポンプを水処理システムに用いた例が開示されている。ヒートポンプは、エネルギー効率の高い水処理システムとして知られている。ヒートポンプは外部熱源から熱を奪い、奪った熱を加熱対象部位に供給し、あるいは冷却対象部位から熱を奪い、奪った熱を外部に放出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１８３８００号公報
【特許文献２】特開２００２−１６０３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来から、水処理システム内を流通する被処理水等の温度調整を行う場合、冷却塔やボイラなどの設備を設けることが一般的であった。例えば、加熱のためにボイラを使用する場合には、ボイラに投入された熱量によって、加熱対象部位よりも高温の温水や蒸気が製造され、熱媒体である温水や蒸気の持つ熱が加熱対象部位に加えられる。冷却のために冷却塔を使用する場合には、冷却対象部位よりも低温の冷却水が製造され、冷却対象部位から熱が奪われる。
【０００７】
水処理システムの場合、多くの部位は常温に近い温度に制御されており、例えばボイラで得られる温水や蒸気の温度は水処理システム内の水温よりはるかに高い。このため、温水や蒸気を配管で輸送する際、大きな放熱ロスが生じる可能性がある。
【０００８】
ヒートポンプは、ボイラなどと異なり、熱媒体を過度の高温まで加熱する必要がないため、水処理システムにおける温度調整手段として有利である。また、ボイラなどと比べエネルギー効率が高く、消費電力を抑えることも容易である。しかし、水処理システム内の水温は、例えば１日の昼夜での温度変化など様々な原因によって変動する。これに対して水処理システム内の様々な装置は最適な水温範囲で作動するように構成されており、温度条件の変動に対してはヒートポンプで適切に対処する必要がある。ユースポイントで要求される温度範囲も、使用用途によっては厳密に管理される。ヒートポンプに過剰な容量（コンプレッサ容量）を持たせれば温度条件の変動による影響を緩和することはできるが、コストに多大の影響が生じる。
【０００９】
本発明はこのような課題に鑑みてなされ、ヒートポンプ容量の増加を抑制することの容易な水処理システム及びこれを用いた水処理システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の水処理システムは、複数の装置と、互いに隣接する複数の装置同士を接続し、内部を水が流れる複数の配管区間と、少なくとも１つの配管区間を吸熱配管区間としてこの吸熱配管区間から吸熱し、この吸熱配管区間から吸熱した熱を、少なくとも１つの他の配管区間を排熱配管区間として、この排熱配管区間に排熱するヒートポンプと、ヒートポンプと吸熱配管区間との間で熱交換可能な熱量の少なくとも一部、またはヒートポンプと排熱配管区間との間で熱交換可能な熱量の少なくとも一部を一時的に貯蔵する熱貯蔵手段と、を有している。
【００１１】
吸熱配管区間または排熱配管区間を流れる水がヒートポンプとの間で授受した熱量は、水の加熱または冷却に必要な熱量に対して不足する場合もあれば過剰となる場合もある。これは主として水の温度変動に基づき生じるが、水の流量、物性（熱容量等）の変化、あるいは水の目標加熱温度（または目標冷却温度）の一時的な変化によっても生じ得る。本実施態様ではヒートポンプと吸熱配管区間との間で熱交換可能な熱量の少なくとも一部、またはヒートポンプと排熱配管区間との間で熱交換可能な熱量の少なくとも一部を一時的に貯蔵する熱貯蔵手段が設けられ、余剰の熱量を貯蔵しておくことができる。従って、熱貯蔵手段が余剰の熱量を貯蔵している場合には、水の温度条件が変化して、水を所望の温度まで変化させるために必要な熱量がヒートポンプによって供給可能な熱量を上回った場合には、熱貯蔵手段に貯蔵されている余剰の熱量を利用することができる。
【発明の効果】
【００１２】
このように、本発明によれば、ヒートポンプ容量の増加を抑制することの容易な水処理システム及びこれを用いた水処理システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の水処理システムの、第１の実施形態を示す概念図である。
【図２】図１に示す水処理システムの作用を概念的に示す模式図である。
【図３】図１に示す水処理システムと他の水処理システムのエネルギー利用効率を示す模式図である。
【図４】本発明の水処理システムの、第２の実施形態を示す概念図である。
【図５】本発明の水処理システムの、第３の実施形態を示す概念図である。
【図６】本発明の水処理システムの、第４の実施形態を示す概念図である。
【図７】水処理システムの構成の一例を示す概略図である。
【図８】水処理システムの構成の他の例を示す概略図である。
【図９】水処理システムの熱水殺菌時のライン構成を示す概略図である。
【図１０】実施例の水処理システムの構成を示す概略図である。
【図１１】実施例と各比較例の過不足熱量の経時変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１〜６を参照して、水処理システムで好適に使用できる本発明の水処理システムに係るいくつかの実施形態について説明する。これらの図は水処理システムを構成する様々な装置のうち、各実施形態に関連する部分だけを抽出して示すものである。実際の水処理システムの例は後述する。本発明は水処理システムで特に好適に使用できるが、流体の温度調整が必要な任意のシステムに適用することができる。
【００１５】
（第１の実施形態）
図１（ａ）を参照すると、水処理システム１ａは、互いに隣接する複数の装置Ｄ１，Ｄ２同士を接続する吸熱配管区間２と、吸熱配管区間２の一部と熱的に接続されたヒートポンプ３と、第１の熱貯蔵手段４と、第１のバイパス管５と、を有している。吸熱配管区間２は水処理システム内の冷却が必要な任意の配管区間である。吸熱配管区間２は通常、水が流れるようにされているが、水以外の液体または気体を含む任意の流体が流れるようにされていてもよい。
【００１６】
水処理システム１ａはさらに、互いに隣接する複数の装置Ｄ３，Ｄ４同士を接続する排熱配管区間２２と、第２の熱貯蔵手段２４と、第２のバイパス管２５とを有している。排熱配管区間２２も水が流れるようにされている。ヒートポンプ３は、吸熱配管区間２の接続部６において吸熱配管区間２と熱的に接続され、吸熱配管区間２を流れる水との間で熱量の授受を行うことができる。ヒートポンプ３は排熱配管区間２２の一部とも、接続部２６において熱的に接続され、排熱配管区間２２を流れる水との間で熱量の授受を行うことができる。このため、ヒートポンプ３を介して吸熱配管区間２と排熱配管区間２２との間で熱量の授受を行うことができる。
【００１７】
ヒートポンプ３は本実施形態では蒸気圧縮式を用いている。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示すヒートポンプ３の部分詳細図である。ヒートポンプ３は、アンモニア、二炭化炭素、フロン類やＲ４１０Ａを始めとする代替フロン類などの冷媒を蒸発させる蒸発器３ａと、冷媒を圧縮するコンプレッサ３ｂと、冷媒を凝縮させる凝縮器３ｃと、冷媒を膨張させる膨張弁３ｄ、とを備え、これらの要素がこの順で閉ループ３ｅ上に配置されている。冷媒は、閉ループ３ｅ内を循環しながら、蒸発、圧縮、凝縮、膨張の熱サイクルを受ける。蒸発器３ａは接続部６で吸熱配管区間２と熱的に接続しており、冷媒が蒸発した際の気化熱によって、吸熱配管区間２を流れる水から熱ＱＣが奪われる。蒸発した冷媒はコンプレッサ３ｂで圧縮され、高温高圧の気相となる。冷媒は次に凝縮器３ｃに送られる。凝縮器３ｃは接続部２６で排熱配管区間２２と熱的に接続しており、凝縮の際に放出された凝縮熱ＱＨが排熱配管区間２２を流れる水に与えられる。凝縮した冷媒は膨張弁３ｄを通って減圧冷却される。このようにしてヒートポンプ３の１サイクルの運転の間に、吸熱配管区間２の冷却と排熱配管区間２２の加熱が行われる。
【００１８】
ヒートポンプ３は蒸気圧縮式に加えて、熱電子式、化学式、吸着式または吸収式のヒートポンプを用いることも可能である。
【００１９】
第１の熱貯蔵手段４は、吸熱配管区間２のヒートポンプ３との接続部６よりも下流側に設けられており、冷却された水の少なくとも一部を一時的に貯蔵する。第１の熱貯蔵手段４としては、一般的なタンクを用いることができる。第１の熱貯蔵手段４の下流側には第１の流量調整手段１１が設けられている。第１の流量調整手段１１としては一般的な流量調整弁を用いることができる。
【００２０】
第１のバイパス管５は接続部６の上流側で吸熱配管区間２から分岐して、第１の熱貯蔵手段４の下流側で吸熱配管区間２と合流している。分岐部には三方弁８が設けられ、吸熱配管区間２と第１のバイパス管５に流れる水の流量比を調整することができる。第１の流量調整手段１１に代えて、第１のバイパス管５と吸熱配管区間２の合流部に三方弁を設けてもよい。
【００２１】
吸熱配管区間２の第１のバイパス管５との合流部より下流側には第１の温度センサ９が設けられている。
【００２２】
第１の制御部１０は、第１の温度センサ９で測定された水の温度Ｔ２に応じて、三方弁８の開度を調整し、第１のバイパス管５へ流入する水の流量を制御するとともに、第１の流量調整手段１１を調整し、第１の熱貯蔵手段４から流出する水の流量を制御する。
【００２３】
第２の熱貯蔵手段２４は、排熱配管区間２２のヒートポンプ３との接続部２６よりも下流側に設けられ、加熱された水の少なくとも一部を一時的に貯蔵する。第２の熱貯蔵手段２４は第１の熱貯蔵手段４と同様、一般的なタンクを用いることができる。第２の熱貯蔵手段２４の下流側には第２の流量調整手段３１が設けられている。第２の流量調整手段３１としては一般的な流量調整弁を用いることができる。
【００２４】
第２のバイパス管２５は接続部２６の上流側で排熱配管区間２２から分岐して、第２の熱貯蔵手段２４の下流側で排熱配管区間２２と合流している。分岐部には三方弁２８が設けられ、排熱配管区間２２と第２のバイパス管２５に流れる水の流量比を調整することができる。第２の流量調整手段３１に代えて、第２のバイパス管２５と排熱配管区間２２の合流部に三方弁を設けてもよい。
【００２５】
排熱配管区間２２の第２のバイパス管２５との合流部より下流側には第２の温度センサ２９が設けられている。
【００２６】
第２の制御部３０は、第２の温度センサ２９で測定された水の温度Ｔ２’に応じて、第２のバイパス管２５へ流入する水の流量と、第２の熱貯蔵手段２４から流出する水の流量とを制御する。第２の制御部３０は第１の制御部１０と共通の制御部として構成することができる。
【００２７】
次に、以上述べた水処理システム１ａの作動について説明する。ここでは簡単な例として、温度Ｔ１’の水が一定流量で排熱配管区間２２に流入し、三方弁２８で排熱配管区間２２と第２のバイパス管２５とに分岐し、その後合流して温度Ｔ２’の温水として供給される場合を考える。温度Ｔ２’は一定の目標温度となるように制御される。これに対して温度Ｔ１’は、時間の経過に従い変動すると仮定する。また、ヒートポンプ３から加えられる供給熱量ＱＨは一定とし、水処理システム１ａ内の熱交換効率や第２の熱貯蔵手段２４での放熱は無視する。
【００２８】
まず初期状態として、排熱配管区間２２と第２のバイパス管２５への流入比率が所定の値となるように三方弁２８を調整しておく。ここでは簡単のために、第２のバイパス管２５への流入は全くないと仮定する。第２の熱貯蔵手段２４の第２の流量調整手段３１は流量調整を行わない状態、すなわち水の全量がそのまま第２の熱貯蔵手段２４を通過する状態としておく。その後ヒートポンプ３を起動し、水を温度Ｔ１’で供給し、第２の温度センサ２９で出口側での水の温度Ｔ２’を連続的に測定する。
【００２９】
温度Ｔ２’が目標温度を超えている場合には以下の操作を行う。まず、三方弁２８を調整し、水の一部を第２のバイパス管２５に流入させる。しかしこれだけでは、排熱配管区間２２を流れる水の温度が上昇し、第２のバイパス管２５を流れる水と合流して温度Ｔ２’に戻るだけであるため、温度Ｔ２’は変わらない。そこで、第２の熱貯蔵手段２４の出口側に設けられた第２の流量調整手段３１によって第２の熱貯蔵手段２４の出口側での流量を絞り、第２の流量調整手段３１を通過した水と、第２のバイパス管２５を通過した水とを混合させる。これによって、合流後の水に与えられる総熱量が下がったのと同じ効果が得られ、温度Ｔ２’を下げ、温度Ｔ２’を目標温度となるように制御することができる。以上の操作を行った結果、第２の熱貯蔵手段２４には温水、すなわち熱量が貯蔵されていく。
【００３０】
次に、温度Ｔ２’が目標温度から下がった場合を考える。この場合には、温度Ｔ２’を目標温度に維持するために必要な熱量が不足しているため、第２の流量調整手段３１を制御して、第２の熱貯蔵手段２４から流出する流量を増加させる。途中で温度Ｔ２’が目標温度に回復した場合はその状態を維持する。温度Ｔ２’が目標温度に達しない場合は、第２の熱貯蔵手段２４から流出する流量をさらに増加させる。この際、第２の熱貯蔵手段２４の貯蔵量が減少していく場合が起こり得る。これは、第２の熱貯蔵手段２４に貯蔵されていた熱量を解放し、不足分の熱量を補うことを意味する。このようにして、ヒートポンプ３から加えられる供給熱量ＱＨ以上の熱量を水に与えて、温度Ｔ２’を目標温度となるように制御することができる。
【００３１】
図２は以上説明したことを模式的に示している。図２（ａ）は時間と温度Ｔ１’の関係を、図２（ｂ）は時間と第２の熱貯蔵手段２４内における温水の貯蔵量の関係を示している。温度Ｔ１’が高い場合は余剰の加熱量が生じるため、第２の熱貯蔵手段２４に貯蔵される温水の量が増加していく（すなわち、熱量が貯蔵される）。つまり第２の貯蔵手段２４は、ヒートポンプ３と排熱配管区間２２との間で熱交換可能な熱量の一部を一時的に貯蔵することができる。温度Ｔ１’によっては、熱交換可能な熱量の全量を一時的に貯蔵する場合もあり得る。温度Ｔ１’が低くなると加熱量が不足するため、第２の熱貯蔵手段２４に貯蔵される温水の量が減少していく（すなわち、熱量が消費されていく）。
【００３２】
吸熱配管区間２の温度Ｔ２についても同様に制御することができる。入口側の温度Ｔ１が低い場合は冷却して温度の下がった水の一部を第１の熱貯蔵手段４に貯蔵しておき、温度Ｔ２が高い場合は第１の熱貯蔵手段４に貯蔵されていた低温の水を放出し、所望の温度まで水を冷却する。第１の熱貯蔵手段４は、ヒートポンプ３と吸熱配管区間２との間で熱交換可能な熱量の少なくとも一部（すなわち、一部または全量）を一時的に貯蔵することができる。第１の熱貯蔵手段４に実際に貯蔵されているのは冷水であるが、この冷水は吸熱配管区間２を流れる水から熱量を奪うことができる。従って、第１の熱貯蔵手段４には冷却のための熱量が貯蔵されているということができる。
【００３３】
ヒートポンプ３は冷媒の蒸発時の気化熱と凝縮時の凝縮熱を利用しているため、吸熱側及び排熱側の温度とは無関係に熱移動を行うことができる。つまり、吸熱側の水温と排熱側の水温がほとんど同じ場合や、排熱側の水温が吸熱側の水温より高い場合でも熱移動が可能である。水処理システムでは、例えば発電システムなどと異なり、システム内で極端な温度差が生じることはあまりなく、一般的な熱交換器を有効利用することは困難である。このため、冷却には冷水等を、加熱には蒸気等を個別に供給する方式が一般的であったが、本発明では、ヒートポンプ３を用いているため、冷却対象の配管区間と加熱対象の配管区間の温度に拘わらず、これらの間で必要な熱量の移動が可能となっている。
【００３４】
本実施形態のように、水処理システム内で一つの配管区間から吸熱しその熱で他の配管区間を加熱する方式を、熱貯蔵手段と組み合わせることで、エネルギー効率を大幅に高めることができる。この点について図３を参照して説明する。
【００３５】
図３（ａ）は、左側に加熱が必要な配管区間における必要加熱熱量を、右側に冷却が必要な配管区間における必要吸熱熱量を示している。簡単のために、必要加熱熱量は時間に従い変動し、必要吸熱熱量は時間によらず一定とする。水処理システムにおいて必要加熱熱量が変動する原因としては、原水温度の昼夜での変動などが考えられる。
【００３６】
図３（ｂ）は、必要加熱熱量の最低値にあわせてヒートポンプ３を構成した場合を示している。冷却対象から熱量ＱＣを奪い、これをヒートポンプ３によって移送し、加熱対象に熱量ＱＨを与えるため、個別に冷却及び加熱を行った場合と比べてエネルギー効率が高まる。しかし、この例では吸熱熱量ＱＣは必要吸熱熱量よりも小さいため、図３（ｃ）に示すように、不足分の吸熱熱量ＱＣ’を他の冷却手段で補う必要がある。同様に、不足分の加熱熱量ＱＨ’も他の加熱手段で補う必要がある。
【００３７】
図３（ｄ）は、必要加熱熱量の平均値にあわせてヒートポンプ３を構成した場合を示している。この例では、ヒートポンプ３によって移送する熱量が増加するため、図３（ｂ）に示すケースよりもさらにエネルギー効率が高まる。しかしこの例でも、吸熱熱量ＱＣは依然として必要吸熱熱量よりも小さいため、図３（ｅ）に示すように、不足分の吸熱熱量ＱＣ”は他の冷却手段で補う必要がある。同様に、不足分の加熱熱量ＱＨ”も他の加熱手段で補う必要がある。さらに、過剰の加熱熱量ＱＨ'''は廃棄しなければならず、エネルギー効率の低下の要因となる。
【００３８】
図３（ｆ）は、図３（ｄ）の例において廃棄されていた過剰の加熱熱量ＱＨ'''を蓄熱し、不足分の加熱熱量ＱＨ"を過剰の加熱熱量ＱＨ'''で補う例を示している。この例は過剰の加熱熱量ＱＨ'''と不足分の加熱熱量ＱＨ"とが一致している理想的な場合を示しており、加熱のために他の加熱手段を併用する必要はない。しかし、仮に一致していなくても、過剰の加熱熱量ＱＨ'''の少なくとも一部を不足分の加熱熱量ＱＨ"の少なくとも一部として利用することができるため、エネルギー効率の向上は可能である。吸熱熱量ＱＣ”は他の冷却手段で補う必要があるが、全体としてみればエネルギーの利用効率は最も高く、エネルギー効率の大幅な向上が可能になる。
【００３９】
（第２の実施形態）
図４を参照すると、第２の実施形態の水処理システム１ｂは、第１の実施形態に加えて、第１の熱貯蔵手段４から、接続部６の上流側でかつ第１のバイパス管５の分岐部より下流側の吸熱配管区間２に水を還流させる第１の還流管１５を有している。第１の還流管１５は吸熱配管区間２とともに循環ループを構成する。この循環ループでは常にヒートポンプ３による吸熱を行うことができる。第１の熱貯蔵手段４に貯蔵された冷水は周囲との熱交換によって温度が上昇する場合がある。ヒートポンプ３の冷却能力に余裕がある場合に第１の熱貯蔵手段４に貯蔵された水の再冷却を行うことで、余剰の冷却能力を維持することができる。
【００４０】
第２の熱貯蔵手段２４についても同様の還流管を設けることができる。図４を参照すると、排熱配管区間２２の接続部２６の上流側でかつ第２のバイパス管２５の分岐部より下流側の排熱配管区間２２に水を還流させる第２の還流管３５が設けられている。第２の熱貯蔵手段２４に貯蔵された温水は周囲との熱交換によって温度が低下する場合があるため、第２の還流管３５によって温度の低下した水をヒートポンプ３によって再加熱することで、第２の熱貯蔵手段２４に貯蔵された余剰の加熱能力を維持することができる。
【００４１】
第２の熱貯蔵手段２４において、第２の還流管３５への流出部Ｌは排熱配管区間２２からの流入部Ｈよりも下方に位置していることが望ましい。特に排熱配管区間２２からの流入部Ｈは第２の熱貯蔵手段２４の最上部に、第２の還流管３５への流出部Ｌは第２の熱貯蔵手段２４の底部に設けることが望ましい。第２の熱貯蔵手段２４に水が貯蔵されている状態でヒートポンプ３の運転を開始すると、ヒートポンプ３によって加熱された温水が上側に位置する流入部Ｈから第２の熱貯蔵手段２４に流入し、それによって、第２の熱貯蔵手段２４に貯蔵されていたこれより低温の水が下部に移動する。第２の熱貯蔵手段２４に高温水と低温水とが成層化された状態が一時的に生じるため、低温の水が効率的に第２の熱貯蔵手段２４からヒートポンプ３に供給され、加熱効率を高めることができる。
【００４２】
（第３の実施形態）
第３の実施形態は、第１、２の実施形態と同様、一つの配管区間から吸熱し、その熱で他の配管区間を加熱する場合に適用されるが、中間ループを有している点でこれらの実施形態と異なる。図５を参照すると、水処理システム１ｃは、第１の実施形態と同様、水が流れるようにされた吸熱配管区間２と、ヒートポンプ３と、を有している。本実施形態では、水処理システム１ｃは第１の中間ループ１２を有している。第１の中間ループ１２は、吸熱配管区間２の一部及びヒートポンプ３と、それぞれ接続部６，１６において熱的に接続されている。第１の中間ループ１２は、吸熱配管区間２を流れる水とヒートポンプ３との間で熱量の授受を行うための第１の熱媒体が流れるようにされている。第１の熱媒体に特に制約はなく、腐食性の強い流体やスケールの発生しやすい流体を使う必要性はない。第１の中間ループ１２にＣＯ2を充填すれば、水を充填する場合よりも効率的に熱を運搬できる。
【００４３】
水処理システム１ｃは、第１の中間ループ１２から三方弁１８で分岐し、その下流で第１の中間ループ１２と合流する第１の中間ループバイパス管１４を有している。具体的には、第１の中間ループバイパス管１４は、第１の熱媒体の流れる方向に沿ってヒートポンプ３側の接続部１６の下流側で第１の中間ループ１２から分岐して、吸熱配管区間２側の接続部６の上流側で第１の中間ループ１２と合流している。第１の中間ループバイパス管１４には、第１の中間ループ１２を流れる第１の熱媒体の少なくとも一部を一時的に貯蔵する第３の熱貯蔵手段１３が設けられている。第３の熱貯蔵手段１３の、第１の熱媒体の流れ方向に沿った下流側には第１の流量調整手段１１が設けられている。
【００４４】
吸熱配管区間２の第１の中間ループ１２との接続部６より下流側には、第１の温度センサ９が設けられている。
【００４５】
第１の制御部１０は、第１の温度センサ９で測定された水の温度に応じて第１の中間ループバイパス管１４へ流入する第１の熱媒体の流量と、第３の熱貯蔵手段１３から流出する第１の熱媒体の流量とを制御する。
【００４６】
水処理システム１ｃはさらに、排熱配管区間２２と、第２の中間ループ３２と、第４の熱貯蔵手段３３と、第２の中間ループバイパス管３４と、を有している。第２の中間ループ３２は、排熱配管区間２２の一部及びヒートポンプ３と、それぞれ接続部２６，３６において熱的に接続されている。第２の中間ループ３２は、排熱配管区間２２を流れる水とヒートポンプ３との間で熱量の授受を行うための第２の熱媒体が流れるようにされている。これによって、ヒートポンプ３を介して、吸熱配管区間２と排熱配管区間２２との間で熱量の授受が行われる。利用可能な第２の熱媒体は、第１の熱媒体と同様に考えることができる。
【００４７】
水処理システム１ｃは、第２の中間ループ３２から三方弁３８で分岐し、その下流で第２の中間ループ３２と合流する第２の中間ループバイパス管３４を有している。具体的には、第２の中間ループバイパス管３４は、第２の熱媒体の流れる方向に沿ってヒートポンプ３側の接続部３６の下流側で第２の中間ループ３２から分岐して、排熱配管区間２２側の接続部２６の上流側で第２の中間ループ３２と合流している。第２の中間ループバイパス管３４には、第２の中間ループ３２を流れる第２の熱媒体の少なくとも一部を一時的に貯蔵する第４の熱貯蔵手段３３が設けられている。第４の熱貯蔵手段３３の、第２の熱媒体の流れ方向に沿った下流側には第２の流量調整手段３１が設けられている。
【００４８】
排熱配管区間２２の第２の中間ループ３２との接続部２６より上流側には、第２の温度センサ２９が設けられている。
【００４９】
第２の制御部３０は、第２の温度センサ２９で測定された水の温度Ｔ２’に応じて第２の中間ループバイパス管３４へ流入する第２の熱媒体の流量と、第４の熱貯蔵手段３３から流出する第２の熱媒体の流量を制御する。
【００５０】
本実施形態は２つの中間ループ１２，３２を備えているが、一方の中間ループを第１の実施形態のような中間ループを設けない構成とすることもできる。
【００５１】
第１の中間ループ１２及び第２の中間ループ３２を設けることで、ヒートポンプ３の設置場所の制約が緩和される場合がある。すなわち、ヒートポンプ３が吸熱配管区間２等から離れている場合、これらの配管区間をヒートポンプ３まで引きまわす必要が生じる。水処理システムでは一般に、膜装置やイオン交換装置など圧力損失の大きい装置が多数設置されているため、圧力損失を抑えることが重要である。図５の例では、例えば吸熱配管区間２は最短の配管長で設置し、吸熱配管区間２とヒートポンプ３の間は圧力損失の小さい第１の中間ループ１２で接続すればよいので、水処理システムの圧力損失を抑えることが可能である。この利点は、ヒートポンプ３が吸熱配管区間２等から離れている場合に、特に大きい。図示は省略するが、第１の中間ループ１２は、必要に応じ二重、三重のループとして構成することも可能である。第２の中間ループ３２についても同様である。
【００５２】
さらに図示は省略するが、第１の中間ループ１２と第２の中間ループ３２の少なくともいずれかは、複数の配管区間と熱的に接続していていてもよい。例えば第２の中間ループ３２に沿って加熱の必要な他の配管区間を設け、排熱配管区間２２とともに加熱するようにしてもよい。中間ループはルートの制約が少ないため、１台のヒートポンプで複数の配管区間を同時に冷却し、複数の配管区間を同時に加熱することが容易である。
【００５３】
次に、以上述べた水処理システム１ｃの作動について説明する。ここでは簡単な例として、温度Ｔ１’の水が一定流量で排熱配管区間２２に流入し、温度Ｔ２’の温水として供給される場合を考える。温度Ｔ２’は一定の目標温度となるように制御される。これに対して温度Ｔ１’は、時間の経過に従い変動すると仮定する。ヒートポンプ３から加えられる熱量ＱＨは一定とし、水処理システム１ｃ内の熱交換効率や第４の熱貯蔵手段３３での放熱は無視する。第２の中間ループ３２はヒートポンプ３と熱的に接続されており、第２の中間ループ３２を流れる第２の熱媒体は、ヒートポンプ３によって加熱され、排熱配管区間２２を流れる水と熱交換して冷却される。
【００５４】
まず初期状態として、第２の中間ループバイパス管３４への流入比率が所定の値となるように三方弁３８を調整しておく。ここでは簡単のために、第２の中間ループバイパス管３４への流入は全くないと仮定する。第４の熱貯蔵手段３３の出口側に設けられた第２の流量調整手段３１は閉止状態としておく。その後ヒートポンプ３を起動し、水を温度Ｔ１’で供給し、第２の温度センサ２９で出口側での水の温度Ｔ２’を連続的に測定する。
【００５５】
温度Ｔ２’が目標温度を超えている場合には以下の操作を行う。まず、三方弁３８を調整し、第２の熱媒体の一部を第２の中間ループバイパス管３４に流入させる。これによって、第２の中間ループ３２を循環する第２の熱媒体の流量が低下し、水に単位時間に与えられる熱量が下がる。この結果、温度Ｔ２’を下げ、温度Ｔ２’を目標温度となるように制御することができる。以上の操作を行った結果、第４の熱貯蔵手段３３には昇温した第２の熱媒体、すなわち熱量が貯蔵されていく。
【００５６】
次に、温度Ｔ２’が目標温度から下がった場合を考える。この場合には、温度Ｔ２’を目標温度に維持するために必要な熱量が不足しているため、第２の流量調整手段３１を制御して、第４の熱貯蔵手段３３に貯蔵された第２の熱媒体を所定の流量で放出させる。放出させる流量は不足する熱量に依存し、温度Ｔ２’の測定結果に基づき決定することができる。このようにして、第４の熱貯蔵手段３３に貯蔵されていた熱量を解放し、不足分の熱量を補うことができるため、温度Ｔ２’を目標温度となるように制御することができる。
【００５７】
吸熱配管区間２についても同様である。吸熱配管区間２は、入口側の温度Ｔ１が低い場合は冷却して温度の下がった第１の熱媒体の一部が第３の熱貯蔵手段１３に貯蔵され、温度Ｔ１が高い場合は第３の熱貯蔵手段１３に貯蔵されていた低温の第１の熱媒体が放出されて、水を所望の温度まで冷却する。
【００５８】
（第４の実施形態）
図６を参照すると、水処理システム１ｄは、吸熱配管区間２及びヒートポンプ３の各々と熱的に接続され、吸熱配管区間２を流れる水とヒートポンプ３との間で熱量の授受を行うための第１の熱媒体が流れるようにされた第３の中間ループ１７を有している。水処理システム１ｄはさらに、第１の熱媒体の少なくとも一部を一時的に貯蔵する第３の熱貯蔵手段１３を有している。第３の中間ループ１７は、第３の熱貯蔵手段１３を挟んで第１の循環ループ１７ａと第２の循環ループ１７ｂとに区画されている。第１の循環ループ１７ａは、接続部６で吸熱配管区間２と熱的に接続されており、第３の熱貯蔵手段１３を介して第１の熱媒体が循環するようにされている。第２の循環ループ１７ｂは、接続部１６でヒートポンプ３と熱的に接続されており、第３の熱貯蔵手段１３を介して第１の熱媒体が循環するようにされている。第２の循環ループ１７ｂは第１の熱媒体を補給するための補給管１９ａを備えている。
【００５９】
同様に、水処理システム１ｄは、排熱配管区間２２及びヒートポンプ３の各々と熱的に接続され、排熱配管区間２２を流れる水とヒートポンプ３との間で熱量の授受を行うための第２の熱媒体が流れるようにされた第４の中間ループ３７と、第２の熱媒体の少なくとも一部を一時的に貯蔵する第４の熱貯蔵手段３３と、を有している。第４の中間ループ３７は、第４の熱貯蔵手段３３を挟んで第３の循環ループ３７ａと第４の循環ループ３７ｂとに区画されている。第３の循環ループ３７ａは、接続部２６で排熱配管区間２２と熱的に接続されており、第４の熱貯蔵手段３３を介して第２の熱媒体が循環するようにされている。第４の循環ループ３７ｂは、接続部３６でヒートポンプ３と熱的に接続されており、第４の熱貯蔵手段３３を介して第２の熱媒体が循環するようにされている。第４の循環ループ３７ｂは第２の熱媒体を補給するための補給管３９ａを備えている。
【００６０】
排熱配管区間２２の入口側の温度Ｔ１’が高い場合は、加熱して温度の上がった第２の熱媒体の熱の一部が第４の熱貯蔵手段３３に貯蔵され、温度Ｔ１’が低い場合は第２の流量調整手段３１が調整され、第４の熱貯蔵手段３３に貯蔵されていた高温の第２の熱媒体が放出されて、水を所望の温度まで加熱する。
【００６１】
吸熱配管区間２の入口側の温度Ｔ１が低い場合は、冷却して温度の下がった第１の熱媒体の熱の一部が第３の熱貯蔵手段１３に貯蔵され、温度Ｔ１が高い場合は第１の流量調整手段１１が調整され、第３の熱貯蔵手段１３に貯蔵されていた低温の第１の熱媒体が放出されて、水を所望の温度まで冷却する。
【００６２】
第４の熱貯蔵手段３３において、第４の循環ループ３９への流出部Ｌは第４の循環ループからの流入部Ｈよりも下方に位置していることが望ましい。特に、第４の循環ループからの流入部Ｈは第４の熱貯蔵手段３３の最上部に、第４の循環ループへの流出部Ｌは第４の熱貯蔵手段３３の低部に位置していることが望ましい。その理由は第３の実施形態と同様である。
【００６３】
以上説明したように、本発明の各実施形態では、ヒートポンプ３から供給される熱量が、配管区間の加熱または冷却に必要な熱量に対して余った場合、これを熱貯蔵手段で貯蔵し、必要な熱量が不足した場合にこれを有効利用している。従って、熱量が余っても、負荷変動に対応するためにヒートポンプの無駄な待機や抑制運転を行う必要がなく、一方熱量が不足した場合に備えてヒートポンプの容量を増加する必要もない。
【００６４】
次に、以上述べた水処理システムが適用される水処理の具体例について説明する。本発明が適用される水処理システムは、超純水製造装置、排水処理装置、排水回収装置などの様々な装置（ユニット）から構成することができる。ただし、これらの装置の構成は純水の要求水質、原水や排水の水質等によって様々であり、以下に示す例はあくまで一例であることに留意されたい。
【００６５】
図７（ａ）は、水処理システムのうち、超純水製造装置の概略構成の一例を示している。原水の温度は設置場所や季節によっても異なるが、ここでは１５℃であると仮定する。純水を製造するには、原水を除濁膜１０８に通して懸濁物などを除去し、さらに活性炭塔１０９を通した後、加熱ポイント１０１で加熱してＲＯ膜装置１１０に送る。加熱するのはＲＯ膜装置１１０に用いられる逆浸透膜の標準設計温度が２５℃であるためであり、原水の温度によってはこの加熱工程は不要である。ＲＯ膜装置１１０を出た原水はイオン交換装置１１１でイオン成分を除去され、一次純水タンク１１２に貯蔵される。イオン交換装置１１１に用いられる樹脂の再生のため、イオン交換装置１１１には薬品供給ラインが設けられており、アルカリ薬液を加熱ポイント１２７で加熱してイオン交換装置１１１に供給し、アルカリ薬液の廃液を冷却ポイント１２８で冷却した後、中和槽１１３において酸廃液と中和させる。廃液は、中和された後も必要に応じて中和槽内１１３で冷却される。
【００６６】
一次純水タンク１１２に貯蔵された純水は紫外線酸化装置１１４、カートリッジポリッシャー装置（混床イオン交換樹脂が充填された非再生型イオン交換ユニット）１１５及び限外ろ過膜（ＵＦ膜）装置１１６を通って、各ユースポイント１１７において使用される。使用されなかった純水は循環ループ１１８を通って一次純水タンク１１２に回収され、さらに循環運転を続ける。この際、図示しないポンプからの入熱などによって循環中の純水の温度が上昇するため、ユースポイント１１７での温度要求に応じて純水を冷却する。本例では紫外線酸化装置１１４の入口側に冷却ポイント１１９が設けられている。一方、使用目的によっては６０〜８０℃程度の高温超純水が必要とされる場合もある。本例では、純水タンク１１２から高温超純水供給ライン１２０が分岐しており、加熱ポイント１２１で昇温された後、紫外線酸化装置１２２、カートリッジポリッシャー装置１２３及び限外ろ過膜装置１２４を通って、ユースポイント１２５まで送られる。使用されなかった高温超純水は一次純水タンク１１２に戻る前に冷却ポイント１２６で冷却される。
【００６７】
図７（ｂ）〜（ｅ）は様々な排水処理装置の例を示している。排水は水処理システム内で発生したものでもよく、水処理システム外で発生したものでもよい。また、処理された排水はそのまま水処理システム外に放出されてもよく、図７（ａ）に示す超純水製造装置で再利用されてもよい（図中の※印）。
【００６８】
図７（ｂ）は排水に嫌気性処理及び好気性処理を行うプロセスを示している。嫌気性処理と好気性処理は各々、嫌気性微生物と好気性微生物を用いた排水処理であるが、本例では嫌気性処理（メタン発酵）の最適温度が３６〜３８℃（中温発酵）、５３〜５５℃（高温発酵）と比較的高温であるため、予め加温する必要がある。一方、好気性処理の適正温度は３０℃程度であるため、嫌気性処理が終わった排水を冷却する必要がある。図７（ｃ）は好気性処理のみを行う例を示したものであり、好気性処理の最適温度である３０℃程度まで、排水が加温される。
【００６９】
図７（ｄ）は排水をストリッピング処理するプロセスを示している。ストリッピング処理とは、遊離アンモニアに蒸気や空気を吹き込んで、遊離アンモニアを排水中から除去する処理である。この処理は排水が比較的高温で供給されることが望ましいため、ストリッピング装置の入口側に加熱ポイントが設けられている。
【００７０】
以上説明した嫌気性処理、好気性処理及びストリッピング処理が終了した後は、排水の温度調整は不要である。しかし、他の加熱ポイントにおいて必要とされる熱量を得るために、上記処理を受けた排水から必要に応じて吸熱することができる。そこで、これらの装置の出口側に、吸熱が可能なポイントであるという意味で冷却ポイントが設けられている。また、これらのポイントを逆に、必要に応じてヒートポンプにて吸熱した熱の排出先として利用してもよい。
【００７１】
図７（ｅ）は、超純水が使用されたシステムから回収された排水の処理システムを示している。使用可能な排水としては、例えば半導体製造の際にウエハのリンスで用いた純水など、比較的清浄なものが挙げられる。排水は、過酸化水素が混合された後に紫外線酸化装置１０１に送られ、主に排水中のＴＯＣ(total organic carbon)成分が除去される。次に排水は、冷却ポイント１０２で冷却された後、活性炭塔１０３で有機物や臭気成分を除去され、イオン交換装置１０４に送られる。紫外線酸化装置１０１では、排水が数時間滞留し、温度がかなり上昇することがある。そこで、紫外線酸化装置１０１の出口側に冷却ポイント１０２が設けられている。
【００７２】
図８は、以上説明した装置のうち、図７（ａ）で説明した超純水製造装置と図７（ｅ）で説明した排水処理システムを一つの水処理システムとして構成した例を示している。個々の要素については上述の説明を参照されたい。
【００７３】
図９は、水処理システムのメンテナンスの際に熱水殺菌を行う場合のプロセスを示している。ここでは、処理水を軟化（ＣａイオンやＭｇイオンの除去）し、活性炭処理して原水とし、その原水をＲＯ膜装置、イオン交換装置（電気式脱イオン水製造装置（ＥＤＩ））に通した後に、フィルタ処理と紫外線酸化を行うシステムの例を示している。図９（ａ）は活性炭とＲＯ膜を熱水殺菌する場合の例であり、通常時にはラインから隔離されている熱水源をラインに接続し、熱水源から破線で示すルートで熱水を供給し、ＲＯ膜装置と活性炭塔とが熱水殺菌される。処理が終了すると、熱水は冷却されて排水される。図９（ｂ）はＥＤＩ、フィルタ及び紫外線酸化装置を熱水殺菌する場合の例であり、通常時にはラインから隔離されている熱水源（加熱熱交）をラインに接続し、熱水源から破線で示すルートで熱水を供給し、ＥＤＩが熱水殺菌される。処理が終了すると、熱水は冷却されて排水される。
【００７４】
図７〜９においては加熱及び冷却対象の配管区間を太線で示しているが、以上説明したように、水処理システムにおいては通常運転時、メンテナンス時を問わず、様々な加熱及び冷却対象の配管区間が存在している。本発明の水処理システムは、加熱及び冷却対象の配管区間に、個別に適用してもよいし、加熱対象の配管区間と冷却対象の配管区間とを適宜組み合わせて適用してもよい。
【００７５】
（実施例）
図１０に示す、中間ループを持つシステムを用いて以下の測定を行った。熱貯蔵手段としては容量５ｍ3のタンクを用い、ヒートポンプとしてはコンプレッサ動力７．５ｋＷ、成績係数４（加温時）のものを用いた。負荷に応じたヒートポンプの調整運転は行わず、供給熱量は３０ｋＷ（＝７．５ｋＷ×成績係数４）で一定とした。ヒートポンプの出口温度（出湯温度）Ｔ４は６５℃とした。排熱配管区間における加熱対象水の入口温度Ｔ１は１日の中で時間帯によって変動するものとし、出口温度Ｔ２は２５℃となるように制御した。熱貯蔵手段からの熱媒体の放出流量は温度センサでの測定結果に基づき制御した。
【００７６】
水の入口温度Ｔ１と出口温度Ｔ２は表１の通りとした。
【００７７】
【表１】
【００７８】
このときの水処理システムにおける２時間毎の各種パラメータの変化を表２に示している。表中、「流量（Ｌ／ｈ）」は水の供給流量であり、６５００Ｌ／ｈの一定値とした。「必要熱量（ｋＷ）」は水を２５℃まで加温するのに必要な熱量を示しており、時間（すなわち入口温度Ｔ１）によって変動している。「過不足熱量（ｋＷ）」は、ヒートポンプの供給熱量と必要熱量との差分であり、熱量が余る場合を正、不足する場合を負としている。「貯蔵熱量（ｋＷｈ）」は、熱貯蔵手段に貯蔵されている熱量である。ヒートポンプの供給熱量３０ｋＷのうち余剰分がある場合には、熱貯蔵手段に貯蔵されていくため、余剰の状態が続くと、貯蔵熱量は増加していく。図１１（ａ）は、実施例における過不足の熱量の経時的変化をグラフに示した。
【００７９】
【表２】
【００８０】
表３には、中間ループにおける各種パラメータの変化を示している。温度Ｔ３は水の出口温度Ｔ２に等しいとした。「第１の熱貯蔵手段貯水量（Ｌ／ｈ)」は時間当たりに熱貯蔵手段に貯蔵された熱媒体の量を示し、「熱貯蔵手段放水量（Ｌ／ｈ)」は時間当たりに熱貯蔵手段から放出された熱媒体の量を示している。これに対し、表２の「貯蔵熱量（ｋＷｈ）」は熱貯蔵手段にそれまでに蓄積された熱量の累積値である。
【００８１】
【表３】
【００８２】
実施例では、「貯蔵熱量（ｋＷｈ）」が徐々に増加していき、その後温度Ｔ１が下がるとともに徐々に消費されていき、最終的に０になる。従って、他の熱源で不足分を補う必要はなく、トータルの必要加熱熱量は７２０ｋＷｈであった。実際に消費したエネルギーは、コンプレッサの電力に換算して１８０ｋＷｈとなった。ヒートポンプからの供給熱量３０ｋＷは、ヒートポンプと排熱配管区間との間で熱交換可能な熱量ということができる。１０時からの２０時までの間は、熱交換可能な熱量の一部だけが熱交換に用いられ、残りの熱量は熱貯蔵手段に一時的に貯蔵される。２２時から８時までの間は、熱貯蔵手段に一時的に貯蔵された熱量が、排熱配管区間への排熱の不足分を補填するために用いられている。
【００８３】
（比較例１）
実施例の装置構成で熱貯蔵手段を設けない場合について同様の測定を行った。結果を表４に示す。図１１（ｂ）は、比較例１における過不足の熱量の経時的変化をグラフに示した。「他の熱源からの供給熱量（ｋＷ）」は、加熱熱量が不足する場合に他の手段（ボイラ等）で補うべき熱量であり、不足する場合を負としている。前半はヒートポンプの供給熱量が必要熱量を上回るため、他の熱源からの熱供給は不要であるが、余った熱は棄てられることになる。後半ではヒートポンプの供給熱量が必要熱量を下回るため、他の熱源からの熱供給が必要となる。不足分は全て他の熱源から供給する必要がある。これに要する熱量は９０ｋＷｈであった。仮に、この熱量をボイラで供給する場合、トータルの必要エネルギーは１８０ｋＷｈ（ヒートポンプの必要エネルギー）に９０ｋＷｈを加えた２７０ｋＷｈとなる。従って、第１の熱貯蔵手段を設けることでトータルの必要エネルギーを節約することが可能となる。
【００８４】
【表４】
【００８５】
（比較例２）
実施例の装置構成でヒートポンプをボイラ等の熱源に置換した構成を用いて同様の測定を行った。結果を表５に示す。図１１（ｃ）は、比較例２における過不足の熱量の経時的変化をグラフに示した。この場合、実施例と同様、トータルの必要熱量は７２０ｋＷｈとなるが、必要エネルギーも７２０ｋＷｈであり、実施例と比べて４倍のエネルギーを必要とする。
【００８６】
【表５】
【符号の説明】
【００８７】
１ａ〜１ｄ 水処理システム
２ 吸熱配管区間
３ ヒートポンプ
４ 第１の熱貯蔵手段
５ 第１のバイパス管
６，１６，２６，３６ 接続部
８，１８，２８，３８ 三方弁
９ 第１の温度センサ
１０ 第１の制御部
１１ 第１の流量調整手段
１２ 第１の中間ループ
１３ 第１の熱貯蔵手段
１４ 中間ループバイパス管
２２ 排熱配管区間
２４ 第２の熱貯蔵手段
２５ 第２のバイパス管
２９ 第２の温度センサ
３０ 第２の制御部
３１ 第２の流量調整手段
３２ 第２の中間ループ
３３ 第２の熱貯蔵手段
３４ 第２の中間ループバイパス管
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水処理システムに関し、特にヒートポンプを用いた水処理システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
純水製造システム等の水処理システムは、水処理のための様々な装置が配管で結ばれて構成されている。これらの装置の例として、イオン交換装置、逆浸透膜（ＲＯ膜）装置、ろ過装置などがある。各装置は性能（不純物の除去特性等）を最大限に発揮させるために、最適な水温の範囲を有している。一方、ユースポイント（使用点）では、例えば２５℃、６０℃、８０℃等の様々な温度が要求されることがある。また、循環運転を行う部位では、循環運転に伴うポンプからの入熱などによって循環水の温度が上昇しやすくなる。このように、水処理システムでは、装置の温度要求、システム要求、システム構成などの様々な要因のために、システム内の様々な個所で温度調整を行う必要がある。
【０００３】
特許文献１には超純水の製造装置が開示されている。原水槽から供給された原水は脱気槽やＲＯ膜装置で処理され、後工程に送られる。ＲＯ膜装置における逆浸透膜の標準設計温度は２５℃であるため、ＲＯ膜装置の入口点における処理水の温度をこの温度に調整するため、原水槽と脱気槽の間にいくつかの熱交換器が設置されている。
【０００４】
特許文献２には、熱交換のために、ヒートポンプを水処理システムに用いた例が開示されている。ヒートポンプは、エネルギー効率の高い水処理システムとして知られている。ヒートポンプは外部熱源から熱を奪い、奪った熱を加熱対象部位に供給し、あるいは冷却対象部位から熱を奪い、奪った熱を外部に放出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１８３８００号公報
【特許文献２】特開２００２−１６０３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来から、水処理システム内を流通する被処理水等の温度調整を行う場合、冷却塔やボイラなどの設備を設けることが一般的であった。例えば、加熱のためにボイラを使用する場合には、ボイラに投入された熱量によって、加熱対象部位よりも高温の温水や蒸気が製造され、熱媒体である温水や蒸気の持つ熱が加熱対象部位に加えられる。冷却のために冷却塔を使用する場合には、冷却対象部位よりも低温の冷却水が製造され、冷却対象部位から熱が奪われる。
【０００７】
水処理システムの場合、多くの部位は常温に近い温度に制御されており、例えばボイラで得られる温水や蒸気の温度は水処理システム内の水温よりはるかに高い。このため、温水や蒸気を配管で輸送する際、大きな放熱ロスが生じる可能性がある。
【０００８】
ヒートポンプは、ボイラなどと異なり、熱媒体を過度の高温まで加熱する必要がないため、水処理システムにおける温度調整手段として有利である。また、ボイラなどと比べエネルギー効率が高く、消費電力を抑えることも容易である。しかし、水処理システム内の水温は、例えば１日の昼夜での温度変化など様々な原因によって変動する。これに対して水処理システム内の様々な装置は最適な水温範囲で作動するように構成されており、温度条件の変動に対してはヒートポンプで適切に対処する必要がある。ユースポイントで要求される温度範囲も、使用用途によっては厳密に管理される。ヒートポンプに過剰な容量（コンプレッサ容量）を持たせれば温度条件の変動による影響を緩和することはできるが、コストに多大の影響が生じる。
【０００９】
本発明はこのような課題に鑑みてなされ、ヒートポンプ容量の増加を抑制することの容易な水処理システム及びこれを用いた水処理システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の水処理システムは、複数の装置と、互いに隣接する複数の装置同士を接続し、内部を水が流れる複数の配管区間と、少なくとも１つの配管区間を吸熱配管区間としてこの吸熱配管区間から吸熱し、この吸熱配管区間から吸熱した熱を、少なくとも１つの他の配管区間を排熱配管区間として、この排熱配管区間に排熱するヒートポンプと、ヒートポンプと吸熱配管区間との間で熱交換可能な熱量の少なくとも一部、またはヒートポンプと排熱配管区間との間で熱交換可能な熱量の少なくとも一部を一時的に貯蔵する熱貯蔵手段と、を有している。
【００１１】
吸熱配管区間または排熱配管区間を流れる水がヒートポンプとの間で授受した熱量は、水の加熱または冷却に必要な熱量に対して不足する場合もあれば過剰となる場合もある。これは主として水の温度変動に基づき生じるが、水の流量、物性（熱容量等）の変化、あるいは水の目標加熱温度（または目標冷却温度）の一時的な変化によっても生じ得る。本実施態様ではヒートポンプと吸熱配管区間との間で熱交換可能な熱量の少なくとも一部、またはヒートポンプと排熱配管区間との間で熱交換可能な熱量の少なくとも一部を一時的に貯蔵する熱貯蔵手段が設けられ、余剰の熱量を貯蔵しておくことができる。従って、熱貯蔵手段が余剰の熱量を貯蔵している場合には、水の温度条件が変化して、水を所望の温度まで変化させるために必要な熱量がヒートポンプによって供給可能な熱量を上回った場合には、熱貯蔵手段に貯蔵されている余剰の熱量を利用することができる。
【発明の効果】
【００１２】
このように、本発明によれば、ヒートポンプ容量の増加を抑制することの容易な水処理システム及びこれを用いた水処理システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の水処理システムの、第１の実施形態を示す概念図である。
【図２】図１に示す水処理システムの作用を概念的に示す模式図である。
【図３】図１に示す水処理システムと他の水処理システムのエネルギー利用効率を示す模式図である。
【図４】本発明の水処理システムの、第２の実施形態を示す概念図である。
【図５】本発明の水処理システムの、第３の実施形態を示す概念図である。
【図６】本発明の水処理システムの、第４の実施形態を示す概念図である。
【図７】水処理システムの構成の一例を示す概略図である。
【図８】水処理システムの構成の他の例を示す概略図である。
【図９】水処理システムの熱水殺菌時のライン構成を示す概略図である。
【図１０】実施例の水処理システムの構成を示す概略図である。
【図１１】実施例と各比較例の過不足熱量の経時変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１〜６を参照して、水処理システムで好適に使用できる本発明の水処理システムに係るいくつかの実施形態について説明する。これらの図は水処理システムを構成する様々な装置のうち、各実施形態に関連する部分だけを抽出して示すものである。実際の水処理システムの例は後述する。本発明は水処理システムで特に好適に使用できるが、流体の温度調整が必要な任意のシステムに適用することができる。
【００１５】
（第１の実施形態）
図１（ａ）を参照すると、水処理システム１ａは、互いに隣接する複数の装置Ｄ１，Ｄ２同士を接続する吸熱配管区間２と、吸熱配管区間２の一部と熱的に接続されたヒートポンプ３と、第１の熱貯蔵手段４と、第１のバイパス管５と、を有している。吸熱配管区間２は水処理システム内の冷却が必要な任意の配管区間である。吸熱配管区間２は通常、水が流れるようにされているが、水以外の液体または気体を含む任意の流体が流れるようにされていてもよい。
【００１６】
水処理システム１ａはさらに、互いに隣接する複数の装置Ｄ３，Ｄ４同士を接続する排熱配管区間２２と、第２の熱貯蔵手段２４と、第２のバイパス管２５とを有している。排熱配管区間２２も水が流れるようにされている。ヒートポンプ３は、吸熱配管区間２の接続部６において吸熱配管区間２と熱的に接続され、吸熱配管区間２を流れる水との間で熱量の授受を行うことができる。ヒートポンプ３は排熱配管区間２２の一部とも、接続部２６において熱的に接続され、排熱配管区間２２を流れる水との間で熱量の授受を行うことができる。このため、ヒートポンプ３を介して吸熱配管区間２と排熱配管区間２２との間で熱量の授受を行うことができる。
【００１７】
ヒートポンプ３は本実施形態では蒸気圧縮式を用いている。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示すヒートポンプ３の部分詳細図である。ヒートポンプ３は、アンモニア、二炭化炭素、フロン類やＲ４１０Ａを始めとする代替フロン類などの冷媒を蒸発させる蒸発器３ａと、冷媒を圧縮するコンプレッサ３ｂと、冷媒を凝縮させる凝縮器３ｃと、冷媒を膨張させる膨張弁３ｄ、とを備え、これらの要素がこの順で閉ループ３ｅ上に配置されている。冷媒は、閉ループ３ｅ内を循環しながら、蒸発、圧縮、凝縮、膨張の熱サイクルを受ける。蒸発器３ａは接続部６で吸熱配管区間２と熱的に接続しており、冷媒が蒸発した際の気化熱によって、吸熱配管区間２を流れる水から熱ＱＣが奪われる。蒸発した冷媒はコンプレッサ３ｂで圧縮され、高温高圧の気相となる。冷媒は次に凝縮器３ｃに送られる。凝縮器３ｃは接続部２６で排熱配管区間２２と熱的に接続しており、凝縮の際に放出された凝縮熱ＱＨが排熱配管区間２２を流れる水に与えられる。凝縮した冷媒は膨張弁３ｄを通って減圧冷却される。このようにしてヒートポンプ３の１サイクルの運転の間に、吸熱配管区間２の冷却と排熱配管区間２２の加熱が行われる。
【００１８】
ヒートポンプ３は蒸気圧縮式に加えて、熱電子式、化学式、吸着式または吸収式のヒートポンプを用いることも可能である。
【００１９】
第１の熱貯蔵手段４は、吸熱配管区間２のヒートポンプ３との接続部６よりも下流側に設けられており、冷却された水の少なくとも一部を一時的に貯蔵する。第１の熱貯蔵手段４としては、一般的なタンクを用いることができる。第１の熱貯蔵手段４の下流側には第１の流量調整手段１１が設けられている。第１の流量調整手段１１としては一般的な流量調整弁を用いることができる。
【００２０】
第１のバイパス管５は接続部６の上流側で吸熱配管区間２から分岐して、第１の熱貯蔵手段４の下流側で吸熱配管区間２と合流している。分岐部には三方弁８が設けられ、吸熱配管区間２と第１のバイパス管５に流れる水の流量比を調整することができる。第１の流量調整手段１１に代えて、第１のバイパス管５と吸熱配管区間２の合流部に三方弁を設けてもよい。
【００２１】
吸熱配管区間２の第１のバイパス管５との合流部より下流側には第１の温度センサ９が設けられている。
【００２２】
第１の制御部１０は、第１の温度センサ９で測定された水の温度Ｔ２に応じて、三方弁８の開度を調整し、第１のバイパス管５へ流入する水の流量を制御するとともに、第１の流量調整手段１１を調整し、第１の熱貯蔵手段４から流出する水の流量を制御する。
【００２３】
第２の熱貯蔵手段２４は、排熱配管区間２２のヒートポンプ３との接続部２６よりも下流側に設けられ、加熱された水の少なくとも一部を一時的に貯蔵する。第２の熱貯蔵手段２４は第１の熱貯蔵手段４と同様、一般的なタンクを用いることができる。第２の熱貯蔵手段２４の下流側には第２の流量調整手段３１が設けられている。第２の流量調整手段３１としては一般的な流量調整弁を用いることができる。
【００２４】
第２のバイパス管２５は接続部２６の上流側で排熱配管区間２２から分岐して、第２の熱貯蔵手段２４の下流側で排熱配管区間２２と合流している。分岐部には三方弁２８が設けられ、排熱配管区間２２と第２のバイパス管２５に流れる水の流量比を調整することができる。第２の流量調整手段３１に代えて、第２のバイパス管２５と排熱配管区間２２の合流部に三方弁を設けてもよい。
【００２５】
排熱配管区間２２の第２のバイパス管２５との合流部より下流側には第２の温度センサ２９が設けられている。
【００２６】
第２の制御部３０は、第２の温度センサ２９で測定された水の温度Ｔ２’に応じて、第２のバイパス管２５へ流入する水の流量と、第２の熱貯蔵手段２４から流出する水の流量とを制御する。第２の制御部３０は第１の制御部１０と共通の制御部として構成することができる。
【００２７】
次に、以上述べた水処理システム１ａの作動について説明する。ここでは簡単な例として、温度Ｔ１’の水が一定流量で排熱配管区間２２に流入し、三方弁２８で排熱配管区間２２と第２のバイパス管２５とに分岐し、その後合流して温度Ｔ２’の温水として供給される場合を考える。温度Ｔ２’は一定の目標温度となるように制御される。これに対して温度Ｔ１’は、時間の経過に従い変動すると仮定する。また、ヒートポンプ３から加えられる供給熱量ＱＨは一定とし、水処理システム１ａ内の熱交換効率や第２の熱貯蔵手段２４での放熱は無視する。
【００２８】
まず初期状態として、排熱配管区間２２と第２のバイパス管２５への流入比率が所定の値となるように三方弁２８を調整しておく。ここでは簡単のために、第２のバイパス管２５への流入は全くないと仮定する。第２の熱貯蔵手段２４の第２の流量調整手段３１は流量調整を行わない状態、すなわち水の全量がそのまま第２の熱貯蔵手段２４を通過する状態としておく。その後ヒートポンプ３を起動し、水を温度Ｔ１’で供給し、第２の温度センサ２９で出口側での水の温度Ｔ２’を連続的に測定する。
【００２９】
温度Ｔ２’が目標温度を超えている場合には以下の操作を行う。まず、三方弁２８を調整し、水の一部を第２のバイパス管２５に流入させる。しかしこれだけでは、排熱配管区間２２を流れる水の温度が上昇し、第２のバイパス管２５を流れる水と合流して温度Ｔ２’に戻るだけであるため、温度Ｔ２’は変わらない。そこで、第２の熱貯蔵手段２４の出口側に設けられた第２の流量調整手段３１によって第２の熱貯蔵手段２４の出口側での流量を絞り、第２の流量調整手段３１を通過した水と、第２のバイパス管２５を通過した水とを混合させる。これによって、合流後の水に与えられる総熱量が下がったのと同じ効果が得られ、温度Ｔ２’を下げ、温度Ｔ２’を目標温度となるように制御することができる。以上の操作を行った結果、第２の熱貯蔵手段２４には温水、すなわち熱量が貯蔵されていく。
【００３０】
次に、温度Ｔ２’が目標温度から下がった場合を考える。この場合には、温度Ｔ２’を目標温度に維持するために必要な熱量が不足しているため、第２の流量調整手段３１を制御して、第２の熱貯蔵手段２４から流出する流量を増加させる。途中で温度Ｔ２’が目標温度に回復した場合はその状態を維持する。温度Ｔ２’が目標温度に達しない場合は、第２の熱貯蔵手段２４から流出する流量をさらに増加させる。この際、第２の熱貯蔵手段２４の貯蔵量が減少していく場合が起こり得る。これは、第２の熱貯蔵手段２４に貯蔵されていた熱量を解放し、不足分の熱量を補うことを意味する。このようにして、ヒートポンプ３から加えられる供給熱量ＱＨ以上の熱量を水に与えて、温度Ｔ２’を目標温度となるように制御することができる。
【００３１】
図２は以上説明したことを模式的に示している。図２（ａ）は時間と温度Ｔ１’の関係を、図２（ｂ）は時間と第２の熱貯蔵手段２４内における温水の貯蔵量の関係を示している。温度Ｔ１’が高い場合は余剰の加熱量が生じるため、第２の熱貯蔵手段２４に貯蔵される温水の量が増加していく（すなわち、熱量が貯蔵される）。つまり第２の貯蔵手段２４は、ヒートポンプ３と排熱配管区間２２との間で熱交換可能な熱量の一部を一時的に貯蔵することができる。温度Ｔ１’によっては、熱交換可能な熱量の全量を一時的に貯蔵する場合もあり得る。温度Ｔ１’が低くなると加熱量が不足するため、第２の熱貯蔵手段２４に貯蔵される温水の量が減少していく（すなわち、熱量が消費されていく）。
【００３２】
吸熱配管区間２の温度Ｔ２についても同様に制御することができる。入口側の温度Ｔ１が低い場合は冷却して温度の下がった水の一部を第１の熱貯蔵手段４に貯蔵しておき、温度Ｔ２が高い場合は第１の熱貯蔵手段４に貯蔵されていた低温の水を放出し、所望の温度まで水を冷却する。第１の熱貯蔵手段４は、ヒートポンプ３と吸熱配管区間２との間で熱交換可能な熱量の少なくとも一部（すなわち、一部または全量）を一時的に貯蔵することができる。第１の熱貯蔵手段４に実際に貯蔵されているのは冷水であるが、この冷水は吸熱配管区間２を流れる水から熱量を奪うことができる。従って、第１の熱貯蔵手段４には冷却のための熱量が貯蔵されているということができる。
【００３３】
ヒートポンプ３は冷媒の蒸発時の気化熱と凝縮時の凝縮熱を利用しているため、吸熱側及び排熱側の温度とは無関係に熱移動を行うことができる。つまり、吸熱側の水温と排熱側の水温がほとんど同じ場合や、排熱側の水温が吸熱側の水温より高い場合でも熱移動が可能である。水処理システムでは、例えば発電システムなどと異なり、システム内で極端な温度差が生じることはあまりなく、一般的な熱交換器を有効利用することは困難である。このため、冷却には冷水等を、加熱には蒸気等を個別に供給する方式が一般的であったが、本発明では、ヒートポンプ３を用いているため、冷却対象の配管区間と加熱対象の配管区間の温度に拘わらず、これらの間で必要な熱量の移動が可能となっている。
【００３４】
本実施形態のように、水処理システム内で一つの配管区間から吸熱しその熱で他の配管区間を加熱する方式を、熱貯蔵手段と組み合わせることで、エネルギー効率を大幅に高めることができる。この点について図３を参照して説明する。
【００３５】
図３（ａ）は、左側に加熱が必要な配管区間における必要加熱熱量を、右側に冷却が必要な配管区間における必要吸熱熱量を示している。簡単のために、必要加熱熱量は時間に従い変動し、必要吸熱熱量は時間によらず一定とする。水処理システムにおいて必要加熱熱量が変動する原因としては、原水温度の昼夜での変動などが考えられる。
【００３６】
図３（ｂ）は、必要加熱熱量の最低値にあわせてヒートポンプ３を構成した場合を示している。冷却対象から熱量ＱＣを奪い、これをヒートポンプ３によって移送し、加熱対象に熱量ＱＨを与えるため、個別に冷却及び加熱を行った場合と比べてエネルギー効率が高まる。しかし、この例では吸熱熱量ＱＣは必要吸熱熱量よりも小さいため、図３（ｃ）に示すように、不足分の吸熱熱量ＱＣ’を他の冷却手段で補う必要がある。同様に、不足分の加熱熱量ＱＨ’も他の加熱手段で補う必要がある。
【００３７】
図３（ｄ）は、必要加熱熱量の平均値にあわせてヒートポンプ３を構成した場合を示している。この例では、ヒートポンプ３によって移送する熱量が増加するため、図３（ｂ）に示すケースよりもさらにエネルギー効率が高まる。しかしこの例でも、吸熱熱量ＱＣは依然として必要吸熱熱量よりも小さいため、図３（ｅ）に示すように、不足分の吸熱熱量ＱＣ”は他の冷却手段で補う必要がある。同様に、不足分の加熱熱量ＱＨ”も他の加熱手段で補う必要がある。さらに、過剰の加熱熱量ＱＨ'''は廃棄しなければならず、エネルギー効率の低下の要因となる。
【００３８】
図３（ｆ）は、図３（ｄ）の例において廃棄されていた過剰の加熱熱量ＱＨ'''を蓄熱し、不足分の加熱熱量ＱＨ"を過剰の加熱熱量ＱＨ'''で補う例を示している。この例は過剰の加熱熱量ＱＨ'''と不足分の加熱熱量ＱＨ"とが一致している理想的な場合を示しており、加熱のために他の加熱手段を併用する必要はない。しかし、仮に一致していなくても、過剰の加熱熱量ＱＨ'''の少なくとも一部を不足分の加熱熱量ＱＨ"の少なくとも一部として利用することができるため、エネルギー効率の向上は可能である。吸熱熱量ＱＣ”は他の冷却手段で補う必要があるが、全体としてみればエネルギーの利用効率は最も高く、エネルギー効率の大幅な向上が可能になる。
【００３９】
（第２の実施形態）
図４を参照すると、第２の実施形態の水処理システム１ｂは、第１の実施形態に加えて、第１の熱貯蔵手段４から、接続部６の上流側でかつ第１のバイパス管５の分岐部より下流側の吸熱配管区間２に水を還流させる第１の還流管１５を有している。第１の還流管１５は吸熱配管区間２とともに循環ループを構成する。この循環ループでは常にヒートポンプ３による吸熱を行うことができる。第１の熱貯蔵手段４に貯蔵された冷水は周囲との熱交換によって温度が上昇する場合がある。ヒートポンプ３の冷却能力に余裕がある場合に第１の熱貯蔵手段４に貯蔵された水の再冷却を行うことで、余剰の冷却能力を維持することができる。
【００４０】
第２の熱貯蔵手段２４についても同様の還流管を設けることができる。図４を参照すると、排熱配管区間２２の接続部２６の上流側でかつ第２のバイパス管２５の分岐部より下流側の排熱配管区間２２に水を還流させる第２の還流管３５が設けられている。第２の熱貯蔵手段２４に貯蔵された温水は周囲との熱交換によって温度が低下する場合があるため、第２の還流管３５によって温度の低下した水をヒートポンプ３によって再加熱することで、第２の熱貯蔵手段２４に貯蔵された余剰の加熱能力を維持することができる。
【００４１】
第２の熱貯蔵手段２４において、第２の還流管３５への流出部Ｌは排熱配管区間２２からの流入部Ｈよりも下方に位置していることが望ましい。特に排熱配管区間２２からの流入部Ｈは第２の熱貯蔵手段２４の最上部に、第２の還流管３５への流出部Ｌは第２の熱貯蔵手段２４の底部に設けることが望ましい。第２の熱貯蔵手段２４に水が貯蔵されている状態でヒートポンプ３の運転を開始すると、ヒートポンプ３によって加熱された温水が上側に位置する流入部Ｈから第２の熱貯蔵手段２４に流入し、それによって、第２の熱貯蔵手段２４に貯蔵されていたこれより低温の水が下部に移動する。第２の熱貯蔵手段２４に高温水と低温水とが成層化された状態が一時的に生じるため、低温の水が効率的に第２の熱貯蔵手段２４からヒートポンプ３に供給され、加熱効率を高めることができる。
【００４２】
（第３の実施形態）
第３の実施形態は、第１、２の実施形態と同様、一つの配管区間から吸熱し、その熱で他の配管区間を加熱する場合に適用されるが、中間ループを有している点でこれらの実施形態と異なる。図５を参照すると、水処理システム１ｃは、第１の実施形態と同様、水が流れるようにされた吸熱配管区間２と、ヒートポンプ３と、を有している。本実施形態では、水処理システム１ｃは第１の中間ループ１２を有している。第１の中間ループ１２は、吸熱配管区間２の一部及びヒートポンプ３と、それぞれ接続部６，１６において熱的に接続されている。第１の中間ループ１２は、吸熱配管区間２を流れる水とヒートポンプ３との間で熱量の授受を行うための第１の熱媒体が流れるようにされている。第１の熱媒体に特に制約はなく、腐食性の強い流体やスケールの発生しやすい流体を使う必要性はない。第１の中間ループ１２にＣＯ2を充填すれば、水を充填する場合よりも効率的に熱を運搬できる。
【００４３】
水処理システム１ｃは、第１の中間ループ１２から三方弁１８で分岐し、その下流で第１の中間ループ１２と合流する第１の中間ループバイパス管１４を有している。具体的には、第１の中間ループバイパス管１４は、第１の熱媒体の流れる方向に沿ってヒートポンプ３側の接続部１６の下流側で第１の中間ループ１２から分岐して、吸熱配管区間２側の接続部６の上流側で第１の中間ループ１２と合流している。第１の中間ループバイパス管１４には、第１の中間ループ１２を流れる第１の熱媒体の少なくとも一部を一時的に貯蔵する第３の熱貯蔵手段１３が設けられている。第３の熱貯蔵手段１３の、第１の熱媒体の流れ方向に沿った下流側には第１の流量調整手段１１が設けられている。
【００４４】
吸熱配管区間２の第１の中間ループ１２との接続部６より下流側には、第１の温度センサ９が設けられている。
【００４５】
第１の制御部１０は、第１の温度センサ９で測定された水の温度に応じて第１の中間ループバイパス管１４へ流入する第１の熱媒体の流量と、第３の熱貯蔵手段１３から流出する第１の熱媒体の流量とを制御する。
【００４６】
水処理システム１ｃはさらに、排熱配管区間２２と、第２の中間ループ３２と、第４の熱貯蔵手段３３と、第２の中間ループバイパス管３４と、を有している。第２の中間ループ３２は、排熱配管区間２２の一部及びヒートポンプ３と、それぞれ接続部２６，３６において熱的に接続されている。第２の中間ループ３２は、排熱配管区間２２を流れる水とヒートポンプ３との間で熱量の授受を行うための第２の熱媒体が流れるようにされている。これによって、ヒートポンプ３を介して、吸熱配管区間２と排熱配管区間２２との間で熱量の授受が行われる。利用可能な第２の熱媒体は、第１の熱媒体と同様に考えることができる。
【００４７】
水処理システム１ｃは、第２の中間ループ３２から三方弁３８で分岐し、その下流で第２の中間ループ３２と合流する第２の中間ループバイパス管３４を有している。具体的には、第２の中間ループバイパス管３４は、第２の熱媒体の流れる方向に沿ってヒートポンプ３側の接続部３６の下流側で第２の中間ループ３２から分岐して、排熱配管区間２２側の接続部２６の上流側で第２の中間ループ３２と合流している。第２の中間ループバイパス管３４には、第２の中間ループ３２を流れる第２の熱媒体の少なくとも一部を一時的に貯蔵する第４の熱貯蔵手段３３が設けられている。第４の熱貯蔵手段３３の、第２の熱媒体の流れ方向に沿った下流側には第２の流量調整手段３１が設けられている。
【００４８】
排熱配管区間２２の第２の中間ループ３２との接続部２６より上流側には、第２の温度センサ２９が設けられている。
【００４９】
第２の制御部３０は、第２の温度センサ２９で測定された水の温度Ｔ２’に応じて第２の中間ループバイパス管３４へ流入する第２の熱媒体の流量と、第４の熱貯蔵手段３３から流出する第２の熱媒体の流量を制御する。
【００５０】
本実施形態は２つの中間ループ１２，３２を備えているが、一方の中間ループを第１の実施形態のような中間ループを設けない構成とすることもできる。
【００５１】
第１の中間ループ１２及び第２の中間ループ３２を設けることで、ヒートポンプ３の設置場所の制約が緩和される場合がある。すなわち、ヒートポンプ３が吸熱配管区間２等から離れている場合、これらの配管区間をヒートポンプ３まで引きまわす必要が生じる。水処理システムでは一般に、膜装置やイオン交換装置など圧力損失の大きい装置が多数設置されているため、圧力損失を抑えることが重要である。図５の例では、例えば吸熱配管区間２は最短の配管長で設置し、吸熱配管区間２とヒートポンプ３の間は圧力損失の小さい第１の中間ループ１２で接続すればよいので、水処理システムの圧力損失を抑えることが可能である。この利点は、ヒートポンプ３が吸熱配管区間２等から離れている場合に、特に大きい。図示は省略するが、第１の中間ループ１２は、必要に応じ二重、三重のループとして構成することも可能である。第２の中間ループ３２についても同様である。
【００５２】
さらに図示は省略するが、第１の中間ループ１２と第２の中間ループ３２の少なくともいずれかは、複数の配管区間と熱的に接続していていてもよい。例えば第２の中間ループ３２に沿って加熱の必要な他の配管区間を設け、排熱配管区間２２とともに加熱するようにしてもよい。中間ループはルートの制約が少ないため、１台のヒートポンプで複数の配管区間を同時に冷却し、複数の配管区間を同時に加熱することが容易である。
【００５３】
次に、以上述べた水処理システム１ｃの作動について説明する。ここでは簡単な例として、温度Ｔ１’の水が一定流量で排熱配管区間２２に流入し、温度Ｔ２’の温水として供給される場合を考える。温度Ｔ２’は一定の目標温度となるように制御される。これに対して温度Ｔ１’は、時間の経過に従い変動すると仮定する。ヒートポンプ３から加えられる熱量ＱＨは一定とし、水処理システム１ｃ内の熱交換効率や第４の熱貯蔵手段３３での放熱は無視する。第２の中間ループ３２はヒートポンプ３と熱的に接続されており、第２の中間ループ３２を流れる第２の熱媒体は、ヒートポンプ３によって加熱され、排熱配管区間２２を流れる水と熱交換して冷却される。
【００５４】
まず初期状態として、第２の中間ループバイパス管３４への流入比率が所定の値となるように三方弁３８を調整しておく。ここでは簡単のために、第２の中間ループバイパス管３４への流入は全くないと仮定する。第４の熱貯蔵手段３３の出口側に設けられた第２の流量調整手段３１は閉止状態としておく。その後ヒートポンプ３を起動し、水を温度Ｔ１’で供給し、第２の温度センサ２９で出口側での水の温度Ｔ２’を連続的に測定する。
【００５５】
温度Ｔ２’が目標温度を超えている場合には以下の操作を行う。まず、三方弁３８を調整し、第２の熱媒体の一部を第２の中間ループバイパス管３４に流入させる。これによって、第２の中間ループ３２を循環する第２の熱媒体の流量が低下し、水に単位時間に与えられる熱量が下がる。この結果、温度Ｔ２’を下げ、温度Ｔ２’を目標温度となるように制御することができる。以上の操作を行った結果、第４の熱貯蔵手段３３には昇温した第２の熱媒体、すなわち熱量が貯蔵されていく。
【００５６】
次に、温度Ｔ２’が目標温度から下がった場合を考える。この場合には、温度Ｔ２’を目標温度に維持するために必要な熱量が不足しているため、第２の流量調整手段３１を制御して、第４の熱貯蔵手段３３に貯蔵された第２の熱媒体を所定の流量で放出させる。放出させる流量は不足する熱量に依存し、温度Ｔ２’の測定結果に基づき決定することができる。このようにして、第４の熱貯蔵手段３３に貯蔵されていた熱量を解放し、不足分の熱量を補うことができるため、温度Ｔ２’を目標温度となるように制御することができる。
【００５７】
吸熱配管区間２についても同様である。吸熱配管区間２は、入口側の温度Ｔ１が低い場合は冷却して温度の下がった第１の熱媒体の一部が第３の熱貯蔵手段１３に貯蔵され、温度Ｔ１が高い場合は第３の熱貯蔵手段１３に貯蔵されていた低温の第１の熱媒体が放出されて、水を所望の温度まで冷却する。
【００５８】
（第４の実施形態）
図６を参照すると、水処理システム１ｄは、吸熱配管区間２及びヒートポンプ３の各々と熱的に接続され、吸熱配管区間２を流れる水とヒートポンプ３との間で熱量の授受を行うための第１の熱媒体が流れるようにされた第３の中間ループ１７を有している。水処理システム１ｄはさらに、第１の熱媒体の少なくとも一部を一時的に貯蔵する第３の熱貯蔵手段１３を有している。第３の中間ループ１７は、第３の熱貯蔵手段１３を挟んで第１の循環ループ１７ａと第２の循環ループ１７ｂとに区画されている。第１の循環ループ１７ａは、接続部６で吸熱配管区間２と熱的に接続されており、第３の熱貯蔵手段１３を介して第１の熱媒体が循環するようにされている。第２の循環ループ１７ｂは、接続部１６でヒートポンプ３と熱的に接続されており、第３の熱貯蔵手段１３を介して第１の熱媒体が循環するようにされている。第２の循環ループ１７ｂは第１の熱媒体を補給するための補給管１９ａを備えている。
【００５９】
同様に、水処理システム１ｄは、排熱配管区間２２及びヒートポンプ３の各々と熱的に接続され、排熱配管区間２２を流れる水とヒートポンプ３との間で熱量の授受を行うための第２の熱媒体が流れるようにされた第４の中間ループ３７と、第２の熱媒体の少なくとも一部を一時的に貯蔵する第４の熱貯蔵手段３３と、を有している。第４の中間ループ３７は、第４の熱貯蔵手段３３を挟んで第３の循環ループ３７ａと第４の循環ループ３７ｂとに区画されている。第３の循環ループ３７ａは、接続部２６で排熱配管区間２２と熱的に接続されており、第４の熱貯蔵手段３３を介して第２の熱媒体が循環するようにされている。第４の循環ループ３７ｂは、接続部３６でヒートポンプ３と熱的に接続されており、第４の熱貯蔵手段３３を介して第２の熱媒体が循環するようにされている。第４の循環ループ３７ｂは第２の熱媒体を補給するための補給管３９ａを備えている。
【００６０】
排熱配管区間２２の入口側の温度Ｔ１’が高い場合は、加熱して温度の上がった第２の熱媒体の熱の一部が第４の熱貯蔵手段３３に貯蔵され、温度Ｔ１’が低い場合は第２の流量調整手段３１が調整され、第４の熱貯蔵手段３３に貯蔵されていた高温の第２の熱媒体が放出されて、水を所望の温度まで加熱する。
【００６１】
吸熱配管区間２の入口側の温度Ｔ１が低い場合は、冷却して温度の下がった第１の熱媒体の熱の一部が第３の熱貯蔵手段１３に貯蔵され、温度Ｔ１が高い場合は第１の流量調整手段１１が調整され、第３の熱貯蔵手段１３に貯蔵されていた低温の第１の熱媒体が放出されて、水を所望の温度まで冷却する。
【００６２】
第４の熱貯蔵手段３３において、第４の循環ループ３９への流出部Ｌは第４の循環ループからの流入部Ｈよりも下方に位置していることが望ましい。特に、第４の循環ループからの流入部Ｈは第４の熱貯蔵手段３３の最上部に、第４の循環ループへの流出部Ｌは第４の熱貯蔵手段３３の低部に位置していることが望ましい。その理由は第３の実施形態と同様である。
【００６３】
以上説明したように、本発明の各実施形態では、ヒートポンプ３から供給される熱量が、配管区間の加熱または冷却に必要な熱量に対して余った場合、これを熱貯蔵手段で貯蔵し、必要な熱量が不足した場合にこれを有効利用している。従って、熱量が余っても、負荷変動に対応するためにヒートポンプの無駄な待機や抑制運転を行う必要がなく、一方熱量が不足した場合に備えてヒートポンプの容量を増加する必要もない。
【００６４】
次に、以上述べた水処理システムが適用される水処理の具体例について説明する。本発明が適用される水処理システムは、超純水製造装置、排水処理装置、排水回収装置などの様々な装置（ユニット）から構成することができる。ただし、これらの装置の構成は純水の要求水質、原水や排水の水質等によって様々であり、以下に示す例はあくまで一例であることに留意されたい。
【００６５】
図７（ａ）は、水処理システムのうち、超純水製造装置の概略構成の一例を示している。原水の温度は設置場所や季節によっても異なるが、ここでは１５℃であると仮定する。純水を製造するには、原水を除濁膜１０８に通して懸濁物などを除去し、さらに活性炭塔１０９を通した後、加熱ポイント１０１で加熱してＲＯ膜装置１１０に送る。加熱するのはＲＯ膜装置１１０に用いられる逆浸透膜の標準設計温度が２５℃であるためであり、原水の温度によってはこの加熱工程は不要である。ＲＯ膜装置１１０を出た原水はイオン交換装置１１１でイオン成分を除去され、一次純水タンク１１２に貯蔵される。イオン交換装置１１１に用いられる樹脂の再生のため、イオン交換装置１１１には薬品供給ラインが設けられており、アルカリ薬液を加熱ポイント１２７で加熱してイオン交換装置１１１に供給し、アルカリ薬液の廃液を冷却ポイント１２８で冷却した後、中和槽１１３において酸廃液と中和させる。廃液は、中和された後も必要に応じて中和槽内１１３で冷却される。
【００６６】
一次純水タンク１１２に貯蔵された純水は紫外線酸化装置１１４、カートリッジポリッシャー装置（混床イオン交換樹脂が充填された非再生型イオン交換ユニット）１１５及び限外ろ過膜（ＵＦ膜）装置１１６を通って、各ユースポイント１１７において使用される。使用されなかった純水は循環ループ１１８を通って一次純水タンク１１２に回収され、さらに循環運転を続ける。この際、図示しないポンプからの入熱などによって循環中の純水の温度が上昇するため、ユースポイント１１７での温度要求に応じて純水を冷却する。本例では紫外線酸化装置１１４の入口側に冷却ポイント１１９が設けられている。一方、使用目的によっては６０〜８０℃程度の高温超純水が必要とされる場合もある。本例では、純水タンク１１２から高温超純水供給ライン１２０が分岐しており、加熱ポイント１２１で昇温された後、紫外線酸化装置１２２、カートリッジポリッシャー装置１２３及び限外ろ過膜装置１２４を通って、ユースポイント１２５まで送られる。使用されなかった高温超純水は一次純水タンク１１２に戻る前に冷却ポイント１２６で冷却される。
【００６７】
図７（ｂ）〜（ｅ）は様々な排水処理装置の例を示している。排水は水処理システム内で発生したものでもよく、水処理システム外で発生したものでもよい。また、処理された排水はそのまま水処理システム外に放出されてもよく、図７（ａ）に示す超純水製造装置で再利用されてもよい（図中の※印）。
【００６８】
図７（ｂ）は排水に嫌気性処理及び好気性処理を行うプロセスを示している。嫌気性処理と好気性処理は各々、嫌気性微生物と好気性微生物を用いた排水処理であるが、本例では嫌気性処理（メタン発酵）の最適温度が３６〜３８℃（中温発酵）、５３〜５５℃（高温発酵）と比較的高温であるため、予め加温する必要がある。一方、好気性処理の適正温度は３０℃程度であるため、嫌気性処理が終わった排水を冷却する必要がある。図７（ｃ）は好気性処理のみを行う例を示したものであり、好気性処理の最適温度である３０℃程度まで、排水が加温される。
【００６９】
図７（ｄ）は排水をストリッピング処理するプロセスを示している。ストリッピング処理とは、遊離アンモニアに蒸気や空気を吹き込んで、遊離アンモニアを排水中から除去する処理である。この処理は排水が比較的高温で供給されることが望ましいため、ストリッピング装置の入口側に加熱ポイントが設けられている。
【００７０】
以上説明した嫌気性処理、好気性処理及びストリッピング処理が終了した後は、排水の温度調整は不要である。しかし、他の加熱ポイントにおいて必要とされる熱量を得るために、上記処理を受けた排水から必要に応じて吸熱することができる。そこで、これらの装置の出口側に、吸熱が可能なポイントであるという意味で冷却ポイントが設けられている。また、これらのポイントを逆に、必要に応じてヒートポンプにて吸熱した熱の排出先として利用してもよい。
【００７１】
図７（ｅ）は、超純水が使用されたシステムから回収された排水の処理システムを示している。使用可能な排水としては、例えば半導体製造の際にウエハのリンスで用いた純水など、比較的清浄なものが挙げられる。排水は、過酸化水素が混合された後に紫外線酸化装置１０１に送られ、主に排水中のＴＯＣ(total organic carbon)成分が除去される。次に排水は、冷却ポイント１０２で冷却された後、活性炭塔１０３で有機物や臭気成分を除去され、イオン交換装置１０４に送られる。紫外線酸化装置１０１では、排水が数時間滞留し、温度がかなり上昇することがある。そこで、紫外線酸化装置１０１の出口側に冷却ポイント１０２が設けられている。
【００７２】
図８は、以上説明した装置のうち、図７（ａ）で説明した超純水製造装置と図７（ｅ）で説明した排水処理システムを一つの水処理システムとして構成した例を示している。個々の要素については上述の説明を参照されたい。
【００７３】
図９は、水処理システムのメンテナンスの際に熱水殺菌を行う場合のプロセスを示している。ここでは、処理水を軟化（ＣａイオンやＭｇイオンの除去）し、活性炭処理して原水とし、その原水をＲＯ膜装置、イオン交換装置（電気式脱イオン水製造装置（ＥＤＩ））に通した後に、フィルタ処理と紫外線酸化を行うシステムの例を示している。図９（ａ）は活性炭とＲＯ膜を熱水殺菌する場合の例であり、通常時にはラインから隔離されている熱水源をラインに接続し、熱水源から破線で示すルートで熱水を供給し、ＲＯ膜装置と活性炭塔とが熱水殺菌される。処理が終了すると、熱水は冷却されて排水される。図９（ｂ）はＥＤＩ、フィルタ及び紫外線酸化装置を熱水殺菌する場合の例であり、通常時にはラインから隔離されている熱水源（加熱熱交）をラインに接続し、熱水源から破線で示すルートで熱水を供給し、ＥＤＩが熱水殺菌される。処理が終了すると、熱水は冷却されて排水される。
【００７４】
図７〜９においては加熱及び冷却対象の配管区間を太線で示しているが、以上説明したように、水処理システムにおいては通常運転時、メンテナンス時を問わず、様々な加熱及び冷却対象の配管区間が存在している。本発明の水処理システムは、加熱及び冷却対象の配管区間に、個別に適用してもよいし、加熱対象の配管区間と冷却対象の配管区間とを適宜組み合わせて適用してもよい。
【００７５】
（実施例）
図１０に示す、中間ループを持つシステムを用いて以下の測定を行った。熱貯蔵手段としては容量５ｍ3のタンクを用い、ヒートポンプとしてはコンプレッサ動力７．５ｋＷ、成績係数４（加温時）のものを用いた。負荷に応じたヒートポンプの調整運転は行わず、供給熱量は３０ｋＷ（＝７．５ｋＷ×成績係数４）で一定とした。ヒートポンプの出口温度（出湯温度）Ｔ４は６５℃とした。排熱配管区間における加熱対象水の入口温度Ｔ１は１日の中で時間帯によって変動するものとし、出口温度Ｔ２は２５℃となるように制御した。熱貯蔵手段からの熱媒体の放出流量は温度センサでの測定結果に基づき制御した。
【００７６】
水の入口温度Ｔ１と出口温度Ｔ２は表１の通りとした。
【００７７】
【表１】
【００７８】
このときの水処理システムにおける２時間毎の各種パラメータの変化を表２に示している。表中、「流量（Ｌ／ｈ）」は水の供給流量であり、６５００Ｌ／ｈの一定値とした。「必要熱量（ｋＷ）」は水を２５℃まで加温するのに必要な熱量を示しており、時間（すなわち入口温度Ｔ１）によって変動している。「過不足熱量（ｋＷ）」は、ヒートポンプの供給熱量と必要熱量との差分であり、熱量が余る場合を正、不足する場合を負としている。「貯蔵熱量（ｋＷｈ）」は、熱貯蔵手段に貯蔵されている熱量である。ヒートポンプの供給熱量３０ｋＷのうち余剰分がある場合には、熱貯蔵手段に貯蔵されていくため、余剰の状態が続くと、貯蔵熱量は増加していく。図１１（ａ）は、実施例における過不足の熱量の経時的変化をグラフに示した。
【００７９】
【表２】
【００８０】
表３には、中間ループにおける各種パラメータの変化を示している。温度Ｔ３は水の出口温度Ｔ２に等しいとした。「第１の熱貯蔵手段貯水量（Ｌ／ｈ)」は時間当たりに熱貯蔵手段に貯蔵された熱媒体の量を示し、「熱貯蔵手段放水量（Ｌ／ｈ)」は時間当たりに熱貯蔵手段から放出された熱媒体の量を示している。これに対し、表２の「貯蔵熱量（ｋＷｈ）」は熱貯蔵手段にそれまでに蓄積された熱量の累積値である。
【００８１】
【表３】
【００８２】
実施例では、「貯蔵熱量（ｋＷｈ）」が徐々に増加していき、その後温度Ｔ１が下がるとともに徐々に消費されていき、最終的に０になる。従って、他の熱源で不足分を補う必要はなく、トータルの必要加熱熱量は７２０ｋＷｈであった。実際に消費したエネルギーは、コンプレッサの電力に換算して１８０ｋＷｈとなった。ヒートポンプからの供給熱量３０ｋＷは、ヒートポンプと排熱配管区間との間で熱交換可能な熱量ということができる。１０時からの２０時までの間は、熱交換可能な熱量の一部だけが熱交換に用いられ、残りの熱量は熱貯蔵手段に一時的に貯蔵される。２２時から８時までの間は、熱貯蔵手段に一時的に貯蔵された熱量が、排熱配管区間への排熱の不足分を補填するために用いられている。
【００８３】
（比較例１）
実施例の装置構成で熱貯蔵手段を設けない場合について同様の測定を行った。結果を表４に示す。図１１（ｂ）は、比較例１における過不足の熱量の経時的変化をグラフに示した。「他の熱源からの供給熱量（ｋＷ）」は、加熱熱量が不足する場合に他の手段（ボイラ等）で補うべき熱量であり、不足する場合を負としている。前半はヒートポンプの供給熱量が必要熱量を上回るため、他の熱源からの熱供給は不要であるが、余った熱は棄てられることになる。後半ではヒートポンプの供給熱量が必要熱量を下回るため、他の熱源からの熱供給が必要となる。不足分は全て他の熱源から供給する必要がある。これに要する熱量は９０ｋＷｈであった。仮に、この熱量をボイラで供給する場合、トータルの必要エネルギーは１８０ｋＷｈ（ヒートポンプの必要エネルギー）に９０ｋＷｈを加えた２７０ｋＷｈとなる。従って、第１の熱貯蔵手段を設けることでトータルの必要エネルギーを節約することが可能となる。
【００８４】
【表４】
【００８５】
（比較例２）
実施例の装置構成でヒートポンプをボイラ等の熱源に置換した構成を用いて同様の測定を行った。結果を表５に示す。図１１（ｃ）は、比較例２における過不足の熱量の経時的変化をグラフに示した。この場合、実施例と同様、トータルの必要熱量は７２０ｋＷｈとなるが、必要エネルギーも７２０ｋＷｈであり、実施例と比べて４倍のエネルギーを必要とする。
【００８６】
【表５】
【符号の説明】
【００８７】
１ａ〜１ｄ 水処理システム
２ 吸熱配管区間
３ ヒートポンプ
４ 第１の熱貯蔵手段
５ 第１のバイパス管
６，１６，２６，３６ 接続部
８，１８，２８，３８ 三方弁
９ 第１の温度センサ
１０ 第１の制御部
１１ 第１の流量調整手段
１２ 第１の中間ループ
１３ 第１の熱貯蔵手段
１４ 中間ループバイパス管
２２ 排熱配管区間
２４ 第２の熱貯蔵手段
２５ 第２のバイパス管
２９ 第２の温度センサ
３０ 第２の制御部
３１ 第２の流量調整手段
３２ 第２の中間ループ
３３ 第２の熱貯蔵手段
３４ 第２の中間ループバイパス管
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の装置と、
互いに隣接する前記複数の装置同士を接続し、内部を水が流れる複数の配管区間と、
少なくとも１つの前記配管区間を吸熱配管区間として該吸熱配管区間から吸熱し、該吸熱配管区間から吸熱した熱を、少なくとも１つの他の前記配管区間を排熱配管区間として、該排熱配管区間に排熱するヒートポンプと、
前記ヒートポンプと前記吸熱配管区間との間で熱交換可能な熱量の少なくとも一部、または前記ヒートポンプと前記排熱配管区間との間で熱交換可能な熱量の少なくとも一部を一時的に貯蔵する熱貯蔵手段と、
を有する、水処理システム。
【請求項２】
前記吸熱配管区間の前記ヒートポンプとの接続部よりも下流側に設けられた第１の熱貯蔵手段と、
前記接続部の上流側で前記吸熱配管区間から分岐して、前記熱貯蔵手段の下流側で前記吸熱配管区間と合流する第１のバイパス管と、を有している、請求項１に記載の水処理システム。
【請求項３】
前記吸熱配管区間の前記ヒートポンプとの接続部よりも下流側に設けられた第１の熱貯蔵手段と、
前記接続部の上流側で前記吸熱配管区間から分岐して、前記第１の熱貯蔵手段の下流側で前記吸熱配管区間と合流する第１のバイパス管と、
前記第１の熱貯蔵手段から、前記接続部の上流側でかつ前記第１のバイパス管の分岐部より下流側の前記吸熱配管区間に水を還流させる第１の還流管と、を有している、請求項１に記載の水処理システム。
【請求項４】
前記排熱配管区間の前記ヒートポンプとの接続部よりも下流側に設けられた第２の熱貯蔵手段と、
前記排熱配管区間の前記接続部の上流側で前記排熱配管区間から分岐して、前記第２の熱貯蔵手段の下流側で前記排熱配管区間と合流する第２のバイパス管と、を有している、請求項１から３のいずれか１項に記載の水処理システム。
【請求項５】
前記排熱配管区間の前記ヒートポンプとの接続部よりも下流側に設けられた第２の熱貯蔵手段と、
前記排熱配管区間の前記接続部の上流側で前記排熱配管区間から分岐して、前記第２の熱貯蔵手段の下流側で前記排熱配管区間と合流する第２のバイパス管と、
前記第２の熱貯蔵手段から、前記排熱配管区間の前記接続部の上流側でかつ前記第２のバイパス管の分岐部より下流側の前記排熱配管区間に水を還流させる第２の還流管と、を有している、請求項１から３のいずれか１項に記載の水処理システム。
【請求項６】
前記排熱配管区間の前記ヒートポンプとの接続部よりも下流側に設けられた第２の熱貯蔵手段と、
前記排熱配管区間の前記接続部の上流側で前記排熱配管区間から分岐して、前記第２の熱貯蔵手段の下流側で前記排熱配管区間と合流する第２のバイパス管と、
前記第２の熱貯蔵手段から、前記排熱配管区間の前記接続部の上流側でかつ前記第２のバイパス管の分岐部より下流側の前記排熱配管区間に水を還流させる第２の還流管と、を有し、
前記第２の熱貯蔵手段において、前記第２の還流管への流出部は前記排熱配管区間からの流入部よりも下方に位置している、請求項１から３のいずれか１項に記載の水処理システム。
【請求項７】
前記吸熱配管区間及び前記ヒートポンプの各々と熱的に接続され、前記吸熱配管区間を流れる水と前記ヒートポンプとの間で熱量の授受を行うための第１の熱媒体が流れるようにされた第１の中間ループと、
前記第１の熱媒体の流れる方向に沿って前記第１の中間ループの前記ヒートポンプとの接続部の下流側で分岐して、前記吸熱配管区間との接続部の上流側で合流する第１の中間ループバイパス管と、
前記第１の中間ループバイパス管に設けられ、該第１の中間ループを流れる前記第１の熱媒体の少なくとも一部を一時的に貯蔵する第３の熱貯蔵手段と、を有している、請求項１に記載の水処理システム。
【請求項８】
前記吸熱配管区間及び前記ヒートポンプの各々と熱的に接続され、前記吸熱配管区間を流れる水と前記ヒートポンプとの間で熱量の授受を行うための第１の熱媒体が流れるようにされた第３の中間ループと、
前記第１の熱媒体の少なくとも一部を一時的に貯蔵する第３の熱貯蔵手段と、を有し、
前記第３の中間ループは、前記吸熱配管区間と熱的に接続され、前記第３の熱貯蔵手段を介して前記第１の熱媒体が循環するようにされた第１の循環ループと、前記ヒートポンプと熱的に接続され、前記第３の熱貯蔵手段を介して前記第１の熱媒体が循環するようにされた第２の循環ループと、を有している、請求項１に記載の水処理システム。
【請求項９】
前記排熱配管区間及び前記ヒートポンプの各々と熱的に接続され、前記排熱配管区間を流れる水と前記ヒートポンプとの間で熱量の授受を行うための第２の熱媒体が流れるようにされた第２の中間ループと、
前記第２の熱媒体の流れる方向に沿って前記第２の中間ループの前記ヒートポンプとの接続部の下流側で分岐して、前記排熱配管区間との接続部の上流側で合流する第２の中間ループバイパス管と、
前記第２の中間ループバイパス管に設けられ、該第２の中間ループを流れる前記第２の熱媒体の少なくとも一部を一時的に貯蔵する第４の熱貯蔵手段と、を有している、請求項１、７、８のいずれか１項に記載の水処理システム。
【請求項１０】
前記排熱配管区間及び前記ヒートポンプの各々と熱的に接続され、前記排熱配管区間を流れる水と前記ヒートポンプとの間で熱量の授受を行うための第２の熱媒体が流れるようにされた第４の中間ループと、
前記第２の熱媒体の少なくとも一部を一時的に貯蔵する第４の熱貯蔵手段と、を有し、
前記第４の中間ループは、前記排熱配管区間と熱的に接続され、前記第４の熱貯蔵手段を介して前記第２の熱媒体が循環するようにされた第３の循環ループと、前記ヒートポンプと熱的に接続され、前記第４の熱貯蔵手段を介して前記第２の熱媒体が循環するようにされた第４の循環ループと、を有する、請求項１、７、８のいずれか１項に記載の水処理システム。
【請求項１１】
前記排熱配管区間及び前記ヒートポンプの各々と熱的に接続され、前記排熱配管区間を流れる水と前記ヒートポンプとの間で熱量の授受を行うための第２の熱媒体が流れるようにされた第４の中間ループと、
前記第２の熱媒体の少なくとも一部を一時的に貯蔵する第４の熱貯蔵手段と、を有し、
前記第４の中間ループは、前記排熱配管区間と熱的に接続され、前記第４の熱貯蔵手段を介して前記第２の熱媒体が循環するようにされた第３の循環ループと、前記ヒートポンプと熱的に接続され、前記第４の熱貯蔵手段を介して前記第２の熱媒体が循環するようにされた第４の循環ループと、を有し、
前記第４の熱貯蔵手段において、前記第４の循環ループへの流出部は前記第４の循環ループからの流入部よりも下方に位置している、請求項１、７、８のいずれか１項に記載の水処理システム。
【請求項１】
複数の装置と、
互いに隣接する前記複数の装置同士を接続し、内部を水が流れる複数の配管区間と、
少なくとも１つの前記配管区間を吸熱配管区間として該吸熱配管区間から吸熱し、該吸熱配管区間から吸熱した熱を、少なくとも１つの他の前記配管区間を排熱配管区間として、該排熱配管区間に排熱するヒートポンプと、
前記ヒートポンプと前記吸熱配管区間との間で熱交換可能な熱量の少なくとも一部、または前記ヒートポンプと前記排熱配管区間との間で熱交換可能な熱量の少なくとも一部を一時的に貯蔵する熱貯蔵手段と、
を有する、水処理システム。
【請求項２】
前記吸熱配管区間の前記ヒートポンプとの接続部よりも下流側に設けられた第１の熱貯蔵手段と、
前記接続部の上流側で前記吸熱配管区間から分岐して、前記熱貯蔵手段の下流側で前記吸熱配管区間と合流する第１のバイパス管と、を有している、請求項１に記載の水処理システム。
【請求項３】
前記吸熱配管区間の前記ヒートポンプとの接続部よりも下流側に設けられた第１の熱貯蔵手段と、
前記接続部の上流側で前記吸熱配管区間から分岐して、前記第１の熱貯蔵手段の下流側で前記吸熱配管区間と合流する第１のバイパス管と、
前記第１の熱貯蔵手段から、前記接続部の上流側でかつ前記第１のバイパス管の分岐部より下流側の前記吸熱配管区間に水を還流させる第１の還流管と、を有している、請求項１に記載の水処理システム。
【請求項４】
前記排熱配管区間の前記ヒートポンプとの接続部よりも下流側に設けられた第２の熱貯蔵手段と、
前記排熱配管区間の前記接続部の上流側で前記排熱配管区間から分岐して、前記第２の熱貯蔵手段の下流側で前記排熱配管区間と合流する第２のバイパス管と、を有している、請求項１から３のいずれか１項に記載の水処理システム。
【請求項５】
前記排熱配管区間の前記ヒートポンプとの接続部よりも下流側に設けられた第２の熱貯蔵手段と、
前記排熱配管区間の前記接続部の上流側で前記排熱配管区間から分岐して、前記第２の熱貯蔵手段の下流側で前記排熱配管区間と合流する第２のバイパス管と、
前記第２の熱貯蔵手段から、前記排熱配管区間の前記接続部の上流側でかつ前記第２のバイパス管の分岐部より下流側の前記排熱配管区間に水を還流させる第２の還流管と、を有している、請求項１から３のいずれか１項に記載の水処理システム。
【請求項６】
前記排熱配管区間の前記ヒートポンプとの接続部よりも下流側に設けられた第２の熱貯蔵手段と、
前記排熱配管区間の前記接続部の上流側で前記排熱配管区間から分岐して、前記第２の熱貯蔵手段の下流側で前記排熱配管区間と合流する第２のバイパス管と、
前記第２の熱貯蔵手段から、前記排熱配管区間の前記接続部の上流側でかつ前記第２のバイパス管の分岐部より下流側の前記排熱配管区間に水を還流させる第２の還流管と、を有し、
前記第２の熱貯蔵手段において、前記第２の還流管への流出部は前記排熱配管区間からの流入部よりも下方に位置している、請求項１から３のいずれか１項に記載の水処理システム。
【請求項７】
前記吸熱配管区間及び前記ヒートポンプの各々と熱的に接続され、前記吸熱配管区間を流れる水と前記ヒートポンプとの間で熱量の授受を行うための第１の熱媒体が流れるようにされた第１の中間ループと、
前記第１の熱媒体の流れる方向に沿って前記第１の中間ループの前記ヒートポンプとの接続部の下流側で分岐して、前記吸熱配管区間との接続部の上流側で合流する第１の中間ループバイパス管と、
前記第１の中間ループバイパス管に設けられ、該第１の中間ループを流れる前記第１の熱媒体の少なくとも一部を一時的に貯蔵する第３の熱貯蔵手段と、を有している、請求項１に記載の水処理システム。
【請求項８】
前記吸熱配管区間及び前記ヒートポンプの各々と熱的に接続され、前記吸熱配管区間を流れる水と前記ヒートポンプとの間で熱量の授受を行うための第１の熱媒体が流れるようにされた第３の中間ループと、
前記第１の熱媒体の少なくとも一部を一時的に貯蔵する第３の熱貯蔵手段と、を有し、
前記第３の中間ループは、前記吸熱配管区間と熱的に接続され、前記第３の熱貯蔵手段を介して前記第１の熱媒体が循環するようにされた第１の循環ループと、前記ヒートポンプと熱的に接続され、前記第３の熱貯蔵手段を介して前記第１の熱媒体が循環するようにされた第２の循環ループと、を有している、請求項１に記載の水処理システム。
【請求項９】
前記排熱配管区間及び前記ヒートポンプの各々と熱的に接続され、前記排熱配管区間を流れる水と前記ヒートポンプとの間で熱量の授受を行うための第２の熱媒体が流れるようにされた第２の中間ループと、
前記第２の熱媒体の流れる方向に沿って前記第２の中間ループの前記ヒートポンプとの接続部の下流側で分岐して、前記排熱配管区間との接続部の上流側で合流する第２の中間ループバイパス管と、
前記第２の中間ループバイパス管に設けられ、該第２の中間ループを流れる前記第２の熱媒体の少なくとも一部を一時的に貯蔵する第４の熱貯蔵手段と、を有している、請求項１、７、８のいずれか１項に記載の水処理システム。
【請求項１０】
前記排熱配管区間及び前記ヒートポンプの各々と熱的に接続され、前記排熱配管区間を流れる水と前記ヒートポンプとの間で熱量の授受を行うための第２の熱媒体が流れるようにされた第４の中間ループと、
前記第２の熱媒体の少なくとも一部を一時的に貯蔵する第４の熱貯蔵手段と、を有し、
前記第４の中間ループは、前記排熱配管区間と熱的に接続され、前記第４の熱貯蔵手段を介して前記第２の熱媒体が循環するようにされた第３の循環ループと、前記ヒートポンプと熱的に接続され、前記第４の熱貯蔵手段を介して前記第２の熱媒体が循環するようにされた第４の循環ループと、を有する、請求項１、７、８のいずれか１項に記載の水処理システム。
【請求項１１】
前記排熱配管区間及び前記ヒートポンプの各々と熱的に接続され、前記排熱配管区間を流れる水と前記ヒートポンプとの間で熱量の授受を行うための第２の熱媒体が流れるようにされた第４の中間ループと、
前記第２の熱媒体の少なくとも一部を一時的に貯蔵する第４の熱貯蔵手段と、を有し、
前記第４の中間ループは、前記排熱配管区間と熱的に接続され、前記第４の熱貯蔵手段を介して前記第２の熱媒体が循環するようにされた第３の循環ループと、前記ヒートポンプと熱的に接続され、前記第４の熱貯蔵手段を介して前記第２の熱媒体が循環するようにされた第４の循環ループと、を有し、
前記第４の熱貯蔵手段において、前記第４の循環ループへの流出部は前記第４の循環ループからの流入部よりも下方に位置している、請求項１、７、８のいずれか１項に記載の水処理システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−９１１１７（Ｐ２０１２−９１１１７Ａ）
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２４０８１３（Ｐ２０１０−２４０８１３）
【出願日】平成２２年１０月２７日（２０１０．１０．２７）
【出願人】（０００００４４００）オルガノ株式会社 (606)
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月２７日（２０１０．１０．２７）
【出願人】（０００００４４００）オルガノ株式会社 (606)
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