JP2019135925A - ヒートポンプシステム - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートポンプのメンテナンスにかかる手間とコストを軽減し得るヒートポンプシステムを提供する。【解決手段】水使用設備３にて使用する水を導入水Ｗ１として前記水使用設備３に導く供給ライン２と、流体である熱源Ｗ２と導入水Ｗ１との間で熱交換を行う熱移送部８とを備え、前記熱移送部８は、圧縮機１０と膨張弁１１との間を熱媒Ｍ１が循環する熱媒循環ライン９を備えたヒートポンプ部１２と、熱媒Ｍ１と導入水Ｗ１との間で熱交換を行う供給側熱交換部１３と、熱媒Ｍ１と熱源Ｗ２との間で熱交換を行う熱源側熱交換部１４とを備え、前記供給側熱交換部１３または前記熱源側熱交換部１４の少なくとも一方は、中間熱媒Ｍ２，Ｍ３が循環する中間熱媒循環ライン１３Ｃ，１４Ｃと、中間熱媒Ｍ２，Ｍ３と熱媒Ｍ１との間で熱交換を行う熱交換器１３Ａ，１４Ａと、中間熱媒Ｍ２，Ｍ３と導入水Ｗ１または熱源Ｗ２との間で熱交換を行う熱交換器１３Ｂ，１４Ｂを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプシステムに関する。

水を扱う各種の設備においては、水の温度が重要となる場合がある。例えば、魚介類等の養殖設備では、水の温度が養殖対象の状態や生育を左右するため、気候、魚種その他の条件によっては、養殖槽内の水を加温する措置が必要となる。

養殖槽内の水を加温する場合、海等から汲み上げた水を化石燃料等により加温したうえで養殖槽に導入し、利用後の排水は前記養殖槽へ循環させずに海等へ廃棄するかけ流し方式が一般的である。このようなかけ流し方式では、排水と共に、導入水に加えられた熱をも廃棄してしまうことになるため、近年の燃料費の高騰に伴い養殖設備における採算が悪化するという問題があった。

水の加温にかかる燃料費を節減し得る技術としては、例えばヒートポンプを利用した熱交換により、温泉水、地下水といった熱源から熱を回収し、養殖槽に導入される水（以下、導入水と称する）に供給する方法がある。こうしたヒートポンプ式の熱交換システム（以下、ヒートポンプシステムと称する）では、例えば、二台の熱交換器の間に熱媒を循環させる熱媒流路を設けると共に該熱媒流路に圧縮機と膨張弁を備え、前記熱媒流路内で熱媒の凝縮と蒸発を繰り返して一方の熱交換器から他方の熱交換器へ熱を運搬する。そして、一方の熱交換器には熱源である温泉水や地下水を通して熱媒に熱を伝達し、他方の熱交換器には導入水を通して熱媒から導入水へ熱を伝達させる。

こうしたヒートポンプシステムでは、外部の熱源を利用するので、かけ流し方式と比較して燃料費を節減することができる。

尚、この種のヒートポンプシステムに関連する先行技術文献としては、例えば、下記の特許文献１等がある。

特開２０１０−２０７１２１号公報

ところで、上述の如きヒートポンプシステムにより熱交換を行う場合、二台の熱交換器にはそれぞれ熱源としての流体、または導入水が通されることになる。ここで、熱源または導入水の状態によっては、前記熱交換器に汚れや腐蝕が生じ、ヒートポンプに関して頻繁な清掃、部品交換等の手間が生じてしまうという問題があった。

本発明は、斯かる実情に鑑み、ヒートポンプのメンテナンスにかかる手間やコストを軽減し得るヒートポンプシステムを提供しようとするものである。

本発明は、水使用設備にて使用する水を導入水として前記水使用設備に導く供給ラインと、流体である熱源と導入水との間で熱交換を行う熱移送部とを備え、前記熱移送部は、圧縮機と膨張弁との間を熱媒が循環する熱媒循環ラインを備えたヒートポンプ部と、熱媒と導入水との間で熱交換を行う供給側熱交換部と、熱媒と熱源との間で熱交換を行う熱源側熱交換部とを備え、前記供給側熱交換部または前記熱源側熱交換部の少なくとも一方は、中間熱媒が循環する中間熱媒循環ラインと、中間熱媒と熱媒との間で熱交換を行う熱交換器と、中間熱媒と導入水または熱源との間で熱交換を行う熱交換器を備えているヒートポンプシステムにかかるものである。

本発明のヒートポンプシステムにおいては、熱源として前記水使用設備からの排水を利用することができる。

本発明のヒートポンプシステムにおいて、中間熱媒と導入水または熱源との間で熱交換を行う前記熱交換器は耐腐食性の素材で構成することができる。

本発明のヒートポンプシステムにおいて、中間熱媒と導入水または熱源との間で熱交換を行う前記熱交換器は、複数の伝熱プレートを積層し、該複数の伝熱プレート同士の間に流体の流路を形成するプレート式の熱交換器としても良い。

本発明のヒートポンプシステムにおいて、中間熱媒と導入水または熱源との間で熱交換を行う前記熱交換器は、シェル内に伝熱管を収容し、該伝熱管内と前記シェル内にそれぞれ導入した流体同士の間で熱交換を行うシェルアンドチューブ式の熱交換器とし、前記伝熱管に中間熱媒を、前記シェルに導入水または熱源を通すようにしても良い。

本発明のヒートポンプシステムにおいて、前記水使用設備は生物の養殖を行う養殖槽とすることができる。

本発明のヒートポンプシステムによれば、ヒートポンプのメンテナンスにかかる手間とコストを軽減し得るという優れた効果を奏し得る。

本発明の第一実施例によるヒートポンプシステムを示す概要構成図である。 本発明の第二実施例によるヒートポンプシステムを示す概要構成図である。 本発明の第三実施例によるヒートポンプシステムを示す概要構成図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

図１は本発明の実施によるヒートポンプシステムの形態の一例を示している。図示しない海、湖、河川、地下水等の水源から給水槽１に汲み上げられた導入水Ｗ１は、供給ライン２を通して水使用設備３に導かれ、該水使用設備３にて使用される。本第一実施例では、水使用設備３として魚介類等の生物の養殖を行う養殖槽を想定している。水使用設備３で使用された後の導入水Ｗ１は、水使用設備３に隣接する排出部４に排水Ｗ２として排出され、排出ライン５から外部に捨てられる。

本第一実施例の場合、排出ライン５として第一の排出ライン６と、第二の排出ライン７とを備えている。第一の排出ライン６は、排出部４の排水Ｗ２をそのまま外部へ排出する水路である。一方、第二の排出ライン７と供給ライン２との間には熱移送部８が設置されており、第二の排出ライン７を流通する排水Ｗ２を熱源として利用し、供給ライン２を流通する導入水Ｗ１と、熱源である排水Ｗ２との間で熱交換を行うことができるようになっている。尚、本第一実施例では熱源として排水Ｗ２を利用しているが、本発明を実施する上で、熱源としては排水Ｗ２以外にも種々の流体を適宜利用することが可能である。

熱移送部８は、熱媒Ｍ１が循環する熱媒循環ライン９の途中に圧縮機１０と膨張弁１１を備えたヒートポンプ部１２と、熱媒循環ライン９を流通する熱媒Ｍ１と導入水Ｗ１または排水Ｗ２との間でそれぞれ熱交換を行う熱交換部１３，１４を備えている。

ヒートポンプ部１２は、圧縮機１０と膨張弁１１との間を熱媒循環ライン９で接続して構成されている。環状の熱媒循環ライン９においては、圧縮機１０と膨張弁１１とを互いに接続する流路が２通り存在することになるが、該２つの流路の各々の途中には、熱交換部１３，１４のそれぞれ一部を構成する熱交換器（第一の供給側熱交換器１３Ａ、第一の熱源側熱交換器１４Ａ）が配置される。そして、圧縮機１０で圧縮して凝縮させた熱媒Ｍ１を２台の熱交換器１３Ａ，１４Ａの一方に送り込んで熱交換させた後、膨張弁１１で膨張して気化させ、熱交換器１３Ａ，１４Ａの他方で熱交換させてから圧縮機１０にて再度圧縮するようになっている。こうして、熱交換器１３Ａ，１４Ａの一方から他方へ、熱媒Ｍ１を介して熱を搬送するようになっている。

圧縮機１０の出側にあたる流路と入側にあたる流路は、それぞれ流路切替器である四方弁１５を介し、第一の供給側熱交換器１３Ａ側の流路または第一の熱源側熱交換器１４Ａ側の流路のいずれかと接続されるようになっている。圧縮機１０の出側の流路が第一の供給側熱交換器１３Ａ側の流路と接続される時には、圧縮機１０の入側の流路は第一の熱源側熱交換器１４Ａ側の流路に接続され、圧縮機１０の出側の流路が第一の熱源側熱交換器１４Ａ側の流路と接続される時には、圧縮機１０の入側の流路は第一の供給側熱交換器１３Ａ側の流路に接続される。四方弁１５を操作することにより、これら２通りの接続関係を切り替えることができる。圧縮機１０の出側の流路を第一の供給側熱交換器１３Ａ側に、入側の流路を第一の熱源側熱交換器１４Ａ側の流路に接続した場合には、圧縮機１０の出側が第一の供給側熱交換器１３Ａの上流となる。よって、圧縮機１０で圧縮された熱媒Ｍ１が第一の供給側熱交換器１３Ａに送り込まれ、膨張弁１１で膨張させられた熱媒Ｍ１が第一の熱源側熱交換器１４Ａに送り込まれる。圧縮機１０の出側の流路を第一の熱源側熱交換器１４Ａ側に、入側の流路を第一の供給側熱交換器１３Ａ側の流路に接続した場合には、圧縮機１０の出側が第一の熱源側熱交換器１４Ａの上流となる。よって、圧縮機１０で圧縮された熱媒Ｍ１が第一の熱源側熱交換器１４Ａに送り込まれ、膨張弁１１で膨張させられた熱媒Ｍ１が第一の供給側熱交換器１３Ａに送り込まれる。このように、四方弁１５の操作により、熱媒循環ライン９を流れる熱媒Ｍ１の向きを逆転させ、熱を移送する向きを変更することができる。

そして、２箇所の熱交換部１３，１４のうち、供給側熱交換部１３は熱媒循環ライン９を流通する熱媒Ｍ１と供給ライン２を流通する導入水Ｗ１との間で熱交換を行う。熱源側熱交換部１４は、熱媒循環ライン９を流通する熱媒Ｍ１と第二の排出ライン７を流通する排水Ｗ２との間で熱交換を行う。本第一実施例の場合、供給側熱交換部１３および熱源側熱交換部１４にそれぞれ２台の熱交換器１３Ａ，１３Ｂおよび１４Ａ，１４Ｂを備えている。

供給側熱交換部１３は、中間熱媒Ｍ２が循環する中間熱媒循環ライン（供給側の中間熱媒循環ライン）１３Ｃに２台の熱交換器（第一の供給側熱交換器１３Ａ、第二の供給側熱交換器１３Ｂ）を備えており、第一の供給側熱交換器１３Ａと第二の供給側熱交換器１３Ｂとの間で中間熱媒Ｍ２が循環するようになっている。第一の供給側熱交換器１３Ａは上述の如く熱媒循環ライン９に設置され、熱媒Ｍ１と中間熱媒Ｍ２との間で熱交換を行う。第二の供給側熱交換器１３Ｂは供給ライン２に設置され、導入水Ｗ１と中間熱媒Ｍ２との間で熱交換を行うようになっている。

熱源側熱交換部１４は、中間熱媒Ｍ３が循環する中間熱媒循環ライン（熱源側の中間熱媒循環ライン）１４Ｃに２台の熱交換器（第一の熱源側熱交換器１４Ａ、第二の熱源側熱交換器１４Ｂ）を備えており、第一の熱源側熱交換器１４Ａと第二の熱源側熱交換器１４Ｂとの間で中間熱媒Ｍ３が循環するようになっている。第一の熱源側熱交換器１４Ａは上述の如く熱媒循環ライン９に設置され、熱媒Ｍ１と中間熱媒Ｍ３との間で熱交換を行う。第二の熱源側熱交換器１４Ｂは第二の排水ライン７に設置され、排水Ｗ２と中間熱媒Ｍ３との間で熱交換を行うようになっている。

各熱交換器１３Ａ，１３Ｂ，１４Ａ，１４Ｂは、シェルアンドチューブ式の熱交換器とすることもできるし、プレート式の熱交換器とすることもできる。ただし、後に説明するが、第二の供給側熱交換器１３Ｂ、および第二の熱源側熱交換器１４Ｂについては、プレート式の熱交換器を採用すると、清掃の頻度を少なくできるというメリットがある。一方、第二の供給側熱交換器１３Ｂ、第二の熱源側熱交換器１４Ｂとしてシェルアンドチューブ式の熱交換器を採用すると、清掃の作業を容易にできるというメリットがある。尚、シェルアンドチューブ式の熱交換器とは、シェル内に伝熱管を収容し、伝熱管内とシェル内にそれぞれ導入した流体同士の間で熱交換を行う型式の熱交換器を指す。また、プレート式の熱交換器とは、複数の伝熱プレートを積層し、該複数の伝熱プレート同士の間に第一の流体の流路と第二の流体の流路を交互に形成して、流体同士の間で熱交換を行う型式の熱交換器を指す。

また、第一の供給側熱交換器１３Ａ、第一の熱源側熱交換器１４Ａは、例えばステンレス鋼等の安価で一般的な素材で構成することができるが、第二の供給側熱交換器１３Ｂ、および第二の熱源側熱交換器１４Ｂについては、例えばチタン等の耐腐食性を有する素材で構成することが好ましい。

熱媒Ｍ１としては、圧縮機や膨張弁を備えたヒートポンプ装置に熱媒として用いることのできる各種の物質を採用することができる。また、中間熱媒Ｍ２，Ｍ３としては、例えば水を用いることができるが、この他、導入水Ｗ１、排水Ｗ２と中間熱媒Ｍ２，Ｍ３との間で好適に熱交換が可能で且つ腐食性が低く汚れの少ない熱媒であれば種々の流体を採用することができる。

また、本第一実施例では、水使用設備３として生物の養殖槽を想定しているため、導入水Ｗ１は例えば海水であり、排水Ｗ２は養殖に利用した後の汚染度の増した海水である。しかしながら、導入水Ｗ１や排水Ｗ２の種類はこれに限定されない。導入水Ｗ１は河川水、湖水、地下水等の真水であっても良いし、温泉水、下水等であっても良い。排水Ｗ２は、導入水Ｗ１を水使用設備３で利用あるいは処理した後の水であり、導入水Ｗ１や水使用設備３の種類によって異なる。水使用設備３が例えば下水処理設備であれば、導入水Ｗ１は下水、排水Ｗ２は下水を処理した後の水である。その他、本発明は、導入水Ｗ１、排水Ｗ２、水使用設備３の種類を問わず、導入水Ｗ１に関して温度管理が必要な場合に適用することができる。

供給ライン２の途中には供給ポンプ１６が備えられており、給水槽１から第二の供給側熱交換器１３Ｂを経て水使用設備３へ至る導入水Ｗ１の動きが駆動される。また、第二の排出ライン７の途中には排出ポンプ１７が備えられており、排出部４から第二の熱源側熱交換器１４Ｂを経て外部へ排出される排水Ｗ２の動きが駆動される。その他、本第一実施例のシステムの各所には、導入水Ｗ１、排水Ｗ２、熱媒Ｍ１、中間熱媒Ｍ２，Ｍ３といった流体の動きを駆動するポンプ等の機器類が配置されるが、ここでは適宜図示を省略している。

外部から給水槽１へ導入水Ｗ１を引き込む取水ライン１８の途中にはボイラ１９が設置されており、給水槽１へ引き込まれる導入水Ｗ１を必要に応じて加温できるようになっている。また、水使用設備３には、供給ライン２から供給される導入水Ｗ１の温度を測定する温度センサ２０が設けられている。

温度センサ２０の計測値は、温度信号２０ａとして制御装置２１に入力される。制御装置２１は、システムの全体を監視し、管理する装置であり、温度センサ２０の計測値に基づいてボイラ１９、ヒートポンプ部１２の圧縮機１０のほか、供給ポンプ１６、排出ポンプ１７やその他の機器類の運転を制御している。

次に、上記した本第一実施例の作動を説明する。

冬季等において、水使用設備３に導入される導入水Ｗ１を加温したい場合には、ボイラ１９を稼働させ、温めながら取水ライン１８から引き込んだ導入水Ｗ１を給水槽１に貯留する。加温された給水槽１内の導入水Ｗ１は、供給ライン２から水使用設備３へ供給される。

水使用設備３で使用された後の導入水Ｗ１は、排水Ｗ２として隣接する排出部４へ排出される。排出部４の排水Ｗ２は、排出ライン５のうち第一の排出ライン６から外部へ排出することもできるが、排水Ｗ２を熱源として利用して導入水Ｗ１を加温したいときは、熱移送部８を稼働させ、排水Ｗ２と導入水Ｗ１との間で熱交換を行うことができる。この場合、排水Ｗ２の一部または全部を第二の排出ライン７から排出する。

熱移送部８では、圧縮機１０を稼働させ、熱媒循環ライン９内で熱媒Ｍ１を循環させる。このとき、四方弁１５は、圧縮機１０の出側の流路が第一の供給側熱交換器１３Ａ側の流路と接続され、圧縮機１０の入側の流路が第一の熱源側熱交換器１４Ａ側の流路に接続される位置とする。同時に、供給側および熱源側の中間熱媒循環ライン１３Ｃ，１４Ｃ内で中間熱媒Ｍ２，Ｍ３を循環させる。

このようにすると、ヒートポンプ部１２では熱源側（図１中左側）から供給側（図１中右側）へと熱を移送するように熱媒Ｍ１が熱媒循環ライン９を循環する。供給側熱交換部１３では、圧縮機１０で圧縮された熱媒Ｍ１が第一の供給側熱交換器１３Ａにて中間熱媒Ｍ２と熱交換し、中間熱媒Ｍ２が熱媒Ｍ１から熱を受け取る。熱媒Ｍ１から熱を受け取った中間熱媒Ｍ２は、第二の供給側熱交換器１３Ｂにて導入水Ｗ１と熱交換し、導入水Ｗ１が加温される。

また、熱源側熱交換部１４では、膨張弁１１で膨張させられた熱媒Ｍ１が第一の熱源側熱交換器１４Ａにて中間熱媒Ｍ３と熱交換し、中間熱媒Ｍ３から熱媒Ｍ１へ熱が受け渡される。熱媒Ｍ１へ熱を受け渡した中間熱媒Ｍ３は、第二の熱源側熱交換器１４Ｂにて排水Ｗ２と熱交換し、排水Ｗ２から熱を受け取る。

こうして、導入水Ｗ１を加温したい場合には、排水Ｗ２から中間熱媒Ｍ３、熱媒Ｍ１、中間熱媒Ｍ２、さらに導入水Ｗ１へと熱を移送することができる。従来のかけ流し方式であれば、導入水Ｗ１の加温に使われた熱エネルギーは排水Ｗ２と共にそのまま捨てられていたが、本第一実施例のヒートポンプシステムによれば、排水Ｗ２に含まれる熱エネルギーの一部を回収して再利用することができるのである。

ここで、加温されて水使用設備３へ供給される導入水Ｗ１は、無論、水使用設備３での使用に適した温度（水使用設備３が養殖槽である場合、養殖対象である生物の生存や生育に適した温度）に調整されているが、水使用設備３から排出される排水Ｗ２の温度も通常、導入水Ｗ１と同じか、近い温度である。つまり、熱交換にあたり、熱源である排水Ｗ２の温度が、水使用設備３における導入水Ｗ１の適温と大きく異なることがなく、例えば排水Ｗ２の熱を導入水Ｗ１に移したい場合に排水Ｗ２の温度が極端に低いといったような事態が生じない。よって、ヒートポンプ部１２による熱交換の効率が著しく低下することがなく、安定した熱交換効率を保つことができる。

また、排水Ｗ２を熱源とする場合、熱の供給先である水使用設備３と、熱源が貯留され流通される排出部４や第二の排水ライン７が互いに近接することになる。仮に、熱交換により導入水Ｗ１を加温するにあたり、温泉水、地下水といった外部の熱源を利用しようとすると、熱源が水使用設備３の近傍に存在しているとは限らない。熱源が水使用設備３から隔たっていれば、熱源を水使用設備３の近傍まで導くための配管の総距離が長くなり、設置にかかる材料費や工費が高くなってしまう。また、地下水等を水使用設備３まで輸送するにあたり必要なポンプの出力も大きくなってエネルギー消費の増大を招くほか、輸送途中での熱損失が大きくなってしまう可能性もある。本第一実施例では、水使用設備３の近傍にある排水Ｗ２を熱源として利用することにより、こうした諸問題を解決しているのである。

このような熱移送部８を介した熱移送により、導入水Ｗ１の温度調整に必要な熱量が賄える場合には、ボイラ１９の稼働を停止しても良い。ボイラ１９によらず、熱移送部８を介した熱移送によって導入水Ｗ１の温度を調整する場合、必要なエネルギーは、仮にボイラ１９のみによって導入水Ｗ１の温度調整を行う場合と比較して著しく少ない。前者の場合に熱移送部８の稼働に要するエネルギーは、後者の場合にボイラ１９で消費されるエネルギーの１／５〜１／６程度である。こうして、本第一実施例では、従来のかけ流し方式と比較して消費エネルギー量を大幅に削減することが可能である。

熱移送部８を介して交換される熱量や、ボイラ１９から導入水Ｗ１に供給される熱量は、温度センサ２０の計測値に応じ、導入水Ｗ１が適当な温度となるように調整すれば良い。尚、温度センサ２０はここに示したように水使用設備３ではなく、給水槽１に設けても良い。ただし、水使用設備３における導入水Ｗ１の温度を監視しつつ熱移送部８やボイラ１９の運転を調整する方が、水使用設備３における温度状態を熱移送部８やボイラ１９の運転に直接反映することができるので、水使用設備３における導入水Ｗ１の温度を微調整するには有利である。

また、本第一実施例の場合、四方弁１５を切り替えることにより、導入水Ｗ１の冷却を行うこともできる。このとき、四方弁１５は、圧縮機１０の出側の流路が第一の熱源側熱交換器１４Ａ側の流路と接続され、圧縮機１０の入側の流路が第一の供給側熱交換器１３Ａ側の流路に接続される位置とする。この場合、図１中に破線の矢印で示す如く熱媒Ｍ１が熱媒循環ライン９を循環することにより、熱源としての排水Ｗ２から熱移送部８を介し、導入水Ｗ１へ冷熱が受け渡されることになる。

供給側熱交換部１３では、膨張弁１１で膨張させられた熱媒Ｍ１が第一の供給側熱交換器１３Ａにて中間熱媒Ｍ２と熱交換し、中間熱媒Ｍ２が熱媒Ｍ１から冷熱を受け取る。熱媒Ｍ１から冷熱を受け取った中間熱媒Ｍ２は、第二の供給側熱交換器１３Ｂにて導入水Ｗ１と熱交換し、導入水Ｗ１が冷却される。

熱源側熱交換部１４では、圧縮機１０で圧縮された熱媒Ｍ１が第一の熱源側熱交換器１４Ａにて中間熱媒Ｍ３と熱交換し、中間熱媒Ｍ３から熱媒Ｍ１へ冷熱が受け渡される。熱媒Ｍ１へ冷熱を受け渡した中間熱媒Ｍ３は、第二の熱源側熱交換器１４Ｂにて排水Ｗ２と熱交換し、排水Ｗ２から冷熱を受け取る。

このように、本第一実施例では、熱媒循環ライン９に流路切替器として四方弁１５を備えることにより、排水Ｗ２を熱源として導入水Ｗ１の加温だけでなく、冷却をも行うことができる。

本第一実施例の如きヒートポンプシステムは、例えば以下の如く構築することができる。熱媒循環ライン９に圧縮機１０、膨張弁１１、第一の供給側熱交換器１３Ａ、第一の熱源側熱交換器１４Ａを備えたヒートポンプ部１２には、ヒートポンプ装置として販売されている一般的な製品を利用することができる。そして、ヒートポンプ部１２の一側の熱交換器（第一の供給側熱交換器１３Ａ）の出入口に、供給側の中間熱媒循環ライン１３Ｃを介して第二の供給側熱交換器１３Ｂを外付けし、２台の熱交換器１３Ａ，１３Ｂを備えた供給側熱交換部１３を形成する。また、他側の熱交換器（第一の熱源側熱交換器１４Ａ）の出入口に、熱源側の中間熱媒循環ライン１４Ｃを介して第二の熱源側熱交換器１４Ｂを外付けし、２台の熱交換器１４Ａ，１４Ｂを備えた熱源側熱交換部１４を形成する。

さらに、第二の供給側熱交換器１３Ｂに供給ライン２を接続し、導入水Ｗ１が流通するようにする。また、第二の熱源側熱交換器１４Ｂに第二の排出ライン７を接続し、排水Ｗ２が流通するようにする。

このように構成された本第一実施例のヒートポンプシステムでは、熱媒Ｍ１と導入水Ｗ１との間で熱交換を行うにあたり、第一の供給側熱交換器１３Ａに導入水Ｗ１が流通しない。第一の供給側熱交換器１３Ａには導入水Ｗ１ではなく中間熱媒Ｍ２が流通し、熱媒Ｍ１と中間熱媒Ｍ２との間で熱交換が行われる。導入水Ｗ１は、第一の供給側熱交換器１３Ａではなく第二の供給側熱交換器１３Ｂに送り込まれ、熱媒Ｍ１と熱交換した後の中間熱媒Ｍ２から熱を受け取る。こうして、導入水Ｗ１は中間熱媒Ｍ２を介して間接的に熱媒Ｍ１から熱を受け取る。同様に、熱媒Ｍ１と排水Ｗ２との熱交換に際し、第一の熱源側熱交換器１４Ａには排水Ｗ２が流通せず、排水Ｗ２は中間熱媒Ｍ３を介して間接的に熱媒Ｍ１へ熱を受け渡す。

このようにすると、ヒートポンプ部１２を構成する第一の供給側熱交換器１３Ａと第一の熱源側熱交換器１４Ａが、導入水Ｗ１、排水Ｗ２により汚染されたり、腐蝕したりすることを防止することができる。例えば第一の供給側熱交換器１３Ａと第一の熱源側熱交換器１４Ａがステンレス製であり、水使用設備３が海水を利用する養殖槽である場合、導入水Ｗ１、排水Ｗ２を第一の供給側熱交換器１３Ａ、第一の熱源側熱交換器１４Ａに通すと、素材が腐蝕する可能性がある。また、海水中に含まれる異物や、養殖対象から排出される老廃物等が第一の供給側熱交換器１３Ａや第一の熱源側熱交換器１４Ａを汚染することも考えられる。そこで本第一実施例の如く、ヒートポンプ部１２の構成要素である熱交換器１３Ａ，１４Ａには腐食性が低く汚れの少ない中間熱媒Ｍ２，Ｍ３を導入し、該中間熱媒Ｍ２，Ｍ３を介して間接的に熱交換を行うようにすれば、熱交換器１３Ａ，１４Ａの汚染や腐食を防止できる。よって、第一の供給側熱交換器１３Ａと第一の熱源側熱交換器１４Ａに関しては、清掃や部品交換等のメンテナンスにかかる手間やコストを著しく低減することができる。

導入水Ｗ１、排水Ｗ２が導入される第二の供給側熱交換器１３Ｂおよび第二の熱源側熱交換器１４Ｂについては、上述の如くチタン等の耐腐食性の素材で構成すれば、メンテナンスにかかる手間を最小限とすることができる。また、第二の供給側熱交換器１３Ｂおよび第二の熱源側熱交換器１４Ｂとしてプレート式の熱交換器を採用すれば、内部を流通する導入水Ｗ１、排水Ｗ２の流速を大きくすることができる。このため、導入水Ｗ１、排水Ｗ２に汚れが含まれていたとしても、第二の供給側熱交換器１３Ｂ、第二の熱源側熱交換器１４Ｂの内部で汚れが滞留しにくいので、必要な清掃の頻度が少なくなる。一方、第二の供給側熱交換器１３Ｂおよび第二の熱源側熱交換器１４Ｂとしてシェルアンドチューブ式の熱交換器を採用した場合には、伝熱管に中間熱媒Ｍ２，Ｍ３を、シェルに導入水Ｗ１または排水Ｗ２を通すようにする。このようにすれば、導入水Ｗ１、排水Ｗ２由来の汚れが熱交換器１３Ｂ，１４Ｂ内に溜まった際、前記シェルを開ければ汚れの蓄積した部位にアクセスすることができるので、清掃の作業を容易に行うことができる。

また、仮に部品交換や清掃、修理といったメンテナンスの必要が生じた場合には、第二の供給側熱交換器１３Ｂおよび第二の熱源側熱交換器１４Ｂとして別の熱交換器をヒートポンプ部１２に接続すれば良い。このようにすれば、ヒートポンプ部１２およびヒートポンプシステム全体の運転を続行しつつ、第二の供給側熱交換器１３Ｂおよび第二の熱源側熱交換器１４Ｂのメンテナンスを行うことができる。第二の供給側熱交換器１３Ｂ、第二の熱源側熱交換器１４Ｂのメンテナンスにあたり、システム全体の使用を長期にわたって中断するような必要がないので、メンテナンスに伴って生じるコストをさらに低減することができる。

以上のように、上記本第一実施例においては、水使用設備３にて使用する水を導入水Ｗ１として前記水使用設備３に導く供給ライン２と、流体である熱源Ｗ２と導入水Ｗ１との間で熱交換を行う熱移送部８とを備え、前記熱移送部８は、圧縮機１０と膨張弁１１との間を熱媒Ｍ１が循環する熱媒循環ライン９を備えたヒートポンプ部１２と、熱媒Ｍ１と導入水Ｗ１との間で熱交換を行う供給側熱交換部１３と、熱媒Ｍ１と熱源Ｗ２との間で熱交換を行う熱源側熱交換部１４とを備え、前記供給側熱交換部１３または前記熱源側熱交換部１４の少なくとも一方は、中間熱媒Ｍ２，Ｍ３が循環する中間熱媒循環ライン１３Ｃ，１４Ｃと、中間熱媒Ｍ２，Ｍ３と熱媒Ｍ１との間で熱交換を行う熱交換器１３Ａ，１４Ａと、中間熱媒Ｍ２，Ｍ３と導入水Ｗ１または熱源Ｗ２との間で熱交換を行う熱交換器１３Ｂ，１４Ｂを備えている。ヒートポンプ部１２の構成要素（第一の供給側熱交換器１３Ａと第一の熱源側熱交換器１４Ａ）に腐食性が低く汚れの少ない中間熱媒Ｍ２，Ｍ３を導入し、該中間熱媒Ｍ２，Ｍ３を介して間接的に熱交換を行うことで、第一の供給側熱交換器１３Ａと第一の熱源側熱交換器１４Ａの汚染や腐食を防止することができる。よって、ヒートポンプ部１２の構成要素に関し、清掃や部品交換等のメンテナンスにかかる手間やコストを著しく低減することができる。

また、本第一実施例においては、熱源Ｗ２として前記水使用設備３からの排水を利用している。このようにすれば、導入水Ｗ１の温度調整にあたり、排水Ｗ２に含まれる熱エネルギーの一部を回収して再利用することができる。また、その際、熱源である排水Ｗ２の温度が水使用設備３における導入水Ｗ１の適温と大きく異なることがないため、安定した熱交換効率を保つことができる。さらに、水使用設備３に近接する位置にある排水Ｗ２を熱源として利用することで、配管の設置にかかる材料費や工費の高騰、熱源の輸送に必要なポンプの出力の増大、熱損失の増大といった諸問題も回避される。

また、本第一実施例において、中間熱媒Ｍ２，Ｍ３と導入水Ｗ１または熱源Ｗ２との間で熱交換を行う前記熱交換器１３Ｂ，１４Ｂは耐腐食性の素材で構成することができる。このようにすれば、導入水Ｗ１、排水Ｗ２が導入される熱交換器１３Ｂ，１４Ｂに関し、メンテナンスにかかる手間を最小限とすることができる。

また、本第一実施例において、中間熱媒Ｍ２，Ｍ３と導入水Ｗ１または熱源Ｗ２との間で熱交換を行う前記熱交換器１３Ｂ，１４Ｂは、複数の伝熱プレートを積層し、該複数の伝熱プレート同士の間に流体の流路を形成するプレート式の熱交換器とすることができる。このようにすれば、熱交換器１３Ｂ，１４Ｂの内部で汚れが滞留しにくいので、必要な清掃の頻度を少なくすることができる。

また、本第一実施例において、中間熱媒Ｍ２，Ｍ３と導入水Ｗ１または熱源Ｗ２との間で熱交換を行う前記熱交換器１３Ｂ，１４Ｂは、シェル内に伝熱管を収容し、該伝熱管内と前記シェル内にそれぞれ導入した流体同士の間で熱交換を行うシェルアンドチューブ式の熱交換器とし、前記伝熱管に中間熱媒Ｍ２，Ｍ３を、前記シェルに導入水Ｗ１または排水Ｗ２を通すことができる。このようにすれば、導入水Ｗ１、排水Ｗ２由来の汚れが熱交換器１３Ｂ，１４Ｂ内に溜まった際、前記シェルを開ければ汚れの蓄積した部位にアクセスすることができるので、清掃の作業を容易に行うことができる。

また、本第一実施例において、前記水使用設備３は生物の養殖を行う養殖槽とすることができる。

したがって、上記本第一実施例によれば、ヒートポンプのメンテナンスにかかる手間とコストを軽減し得る。

図２は本発明の実施によるヒートポンプシステムの形態の別の一例を示している。本第二実施例の基本的な構成は上記第一実施例（図１参照）と概ね共通しているが、供給側熱交換部１３に、熱交換器として第一の供給側熱交換器１３Ａの一台のみを備えている点が異なっている。

こうした構成は、例えば導入水Ｗ１が清浄で腐食性の低い真水であり、排水Ｗ２が汚れを含みあるいは腐食性を有する水である場合に有効である。導入水Ｗ１が清浄な真水であれば、ヒートポンプ部１２を構成する第一の供給側熱交換器１３Ａへ導入しても、腐食や汚れといった問題は生じない。よって、供給側については第二の供給側熱交換器１３Ｂを外付けする必要はない。第二の供給側熱交換器１３Ｂを外付けしなければ、設置にかかる費用を節減できるほか、中間熱媒Ｍ２を用いて熱交換を間接的に行うことによる熱交換効率の低下も避けることができる。

一方、汚れや腐食性を有する排水Ｗ２については、上記第一実施例と同様に外付けした第二の熱源側熱交換器１４Ｂに通し、ヒートポンプ部１２を構成する第一の熱源側熱交換器１４Ａの汚染、腐食を防止している。

あるいは逆に、図示は省略するが、第一の供給側熱交換器１３Ａ側にのみ第二の供給側熱交換器１３Ｂを外付けし、第一の熱源側熱交換器１４Ａには排水Ｗ２を通すようにすることも考えられる。例えば水使用設備３が下水等の処理施設である場合等、導入水Ｗ１が腐食性または汚れを含み、排水Ｗ２が清浄である場合に有効である。

このように、本発明を実施する場合、２つの熱交換部１３，１４の両方に熱交換器を２台備える必要はなく、汚れや腐食の懸念されるいずれか一方の熱交換部のみを対象としても良い。

その他の構成や作用効果については上記本第一実施例と同様であるため説明を省略するが、本第二実施例によっても、ヒートポンプのメンテナンスにかかる手間とコストを軽減し得る。

図３は本発明の実施によるヒートポンプシステムの形態のさらに別の一例を示している。本第三実施例の基本的な構成は上記第一実施例（図１参照）と概ね共通しているが、熱源として排水Ｗ２を利用せず、外部から引き込んだ熱源（外部熱源）Ｗ３を利用する点が異なっている。

外部熱源Ｗ３としては、例えば地下水、温泉水、海水、湖水、河川水その他の各種の流体を利用することができる。外部熱源Ｗ３は引込ライン２２を通じて引き込まれ、該引込ライン２２の途中に接続された第二の熱源側熱交換器１４Ｂに導入されて、中間熱媒循環ライン１４Ｃを流通する中間熱媒Ｍ３と熱交換する。中間熱媒Ｍ３と熱交換した後の外部熱源Ｗ３は、引込ライン２２から外部へ排出される。こうした外部熱源Ｗ３の輸送は、引込ライン２２の途中に設置された引込ポンプ２３により駆動される。

このように熱源として外部熱源Ｗ３を利用する場合、導入水Ｗ１と外部熱源Ｗ３が近接するとは限らず、外部熱源Ｗ３の位置によっては、引込ライン２２の総距離が長くなって設置費用の増大、引込ポンプ２３の出力増大、熱損失の増大といった問題が生じ得る。しかしながら、例えば排水Ｗ２が特に強い腐食性を有する等、排水Ｗ２を熱移送部８の熱源として用いることについて不都合が大きい場合には、本第三実施例のように外部熱源Ｗ３を利用することもできる。

その他の構成や作用効果については上記本第一実施例と同様であるため説明を省略するが、本第三実施例によっても、ヒートポンプのメンテナンスにかかる手間とコストを軽減し得る。

尚、本発明のヒートポンプシステムは、上述の実施例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１ 給水槽
２ 供給ライン
３ 水使用設備
４ 排出部
５ 排出ライン
６ 第一の排出ライン
７ 第二の排出ライン
８ 熱移送部
９ 熱媒循環ライン
１０ 圧縮機
１１ 膨張弁
１２ ヒートポンプ部
１３ 供給側熱交換部
１３Ａ 熱交換器（第一の供給側熱交換器）
１３Ｂ 熱交換器（第二の供給側熱交換器）
１３Ｃ 中間熱媒循環ライン（供給側の中間熱媒循環ライン）
１４ 熱源側熱交換部
１４Ａ 熱交換器（第一の熱源側熱交換器）
１４Ｂ 熱交換器（第二の熱源側熱交換器）
１４Ｃ 中間熱媒循環ライン（熱源側の中間熱媒循環ライン）
１５ 流路切替器（四方弁）
１６ 供給ポンプ
１７ 排出ポンプ
１８ 取水ライン
１９ ボイラ
２０ 温度センサ
２０ａ 温度信号
２１ 制御装置
２２ 引込ライン
２３ 引込ポンプ
Ｍ１ 熱媒
Ｍ２ 中間熱媒（供給側の中間熱媒）
Ｍ３ 中間熱媒（排出側の中間熱媒）
Ｗ１ 導入水
Ｗ２ 熱源（排水）
Ｗ３ 熱源（外部熱源）

Claims (6)

1. 水使用設備にて使用する水を導入水として前記水使用設備に導く供給ラインと、
   流体である熱源と導入水との間で熱交換を行う熱移送部とを備え、
   前記熱移送部は、
   圧縮機と膨張弁との間を熱媒が循環する熱媒循環ラインを備えたヒートポンプ部と、
   熱媒と導入水との間で熱交換を行う供給側熱交換部と、
   熱媒と熱源との間で熱交換を行う熱源側熱交換部とを備え、
   前記供給側熱交換部または前記熱源側熱交換部の少なくとも一方は、
   中間熱媒が循環する中間熱媒循環ラインと、
   中間熱媒と熱媒との間で熱交換を行う熱交換器と、
   中間熱媒と導入水または熱源との間で熱交換を行う熱交換器を備えているヒートポンプシステム。
2. 熱源として前記水使用設備からの排水を利用する、請求項１に記載のヒートポンプシステム。
3. 中間熱媒と導入水または熱源との間で熱交換を行う前記熱交換器は耐腐食性の素材で構成されている、請求項１または２に記載のヒートポンプシステム。
4. 中間熱媒と導入水または熱源との間で熱交換を行う前記熱交換器は、複数の伝熱プレートを積層し、該複数の伝熱プレート同士の間に流体の流路を形成するプレート式の熱交換器である、請求項１〜３のいずれか一項に記載のヒートポンプシステム。
5. 中間熱媒と導入水または熱源との間で熱交換を行う前記熱交換器は、シェル内に伝熱管を収容し、該伝熱管内と前記シェル内にそれぞれ導入した流体同士の間で熱交換を行うシェルアンドチューブ式の熱交換器とし、前記伝熱管に中間熱媒を、前記シェルに導入水または熱源を通す、請求項１〜３のいずれか一項に記載のヒートポンプシステム。
6. 前記水使用設備は生物の養殖を行う養殖槽である、請求項１〜５のいずれか一項に記載のヒートポンプシステム。

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