JPH07116641A - 下水熱を利用した恒温水の供給及び利用システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 都市部の大規模ビルから個人住宅を含めて、
冷暖房・給湯に係るエネルギーを大幅に削減し、都市部
の冷房シーズン時に起こるヒートアイランド現象の緩
和、昼夜間電力負荷平準化を図る。 【構成】 水処理場２には管５０からの下水との熱交換
器であるヒートポンプを具備し、ヒートポンプサイクル
により年間を通してほぼ一定温度の熱源を製造し、該熱
源により浄水場１から送出されてくる水の温度を年間を
通してほぼ一定温度に保持して、管３１により需要側３
へ送水する。需要家３は管３１流れる水を冷暖房空調機
の熱源として用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は下水熱を利用した恒温水
の供給及び利用システムに関し、特に、下水の有する熱
を有効に利用し、年間を通してほぼ一定温度の恒温水を
需要側へ供給しかつ需要側において該恒温水を冷暖房・
給湯並びに加熱・加温・保温システム等に利用すること
により、省エネルギー化を図るとともに、現存する都市
環境問題の解決、取分け、都市部の温暖化であるヒート
アイランド現象の緩和を図ることを可能とした下水熱を
利用した恒温水の供給及び利用システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】産業の発達に伴い生産は大規模化しその
結果として生じる廃熱量は膨大なものとなり、さらに各
家庭での冷暖房の結果として生じる廃熱量も膨大な量と
なっている。それらの廃熱は、都市部においてはヒート
アイランド現象の発現として社会問題化している。

【０００３】その一助として、近年、設備の大型化によ
る機器効率の向上と集約化による稼働率の向上が図られ
ることから地域冷暖房熱供給システムが急速に普及して
きており、当該システムは、該システムの熱機関の稼働
に必要な冷熱源又は温熱源として河川水や下水等の所謂
都市部の未利用熱エネルギーを用いることが可能なこと
から、都市部のヒートアイランド現象の緩和と省エネル
ギー対策に有効なものとなっている。

【０００４】しかしながら、現状の地域冷暖房熱供給シ
ステムは近接して得られる未利用熱エネルギーのみの利
用に留まっており、また、地域冷暖房熱供給システムか
らの熱で冷暖房を実施している熱需要家は一般に事務所
ビル等の業務地区、デパート等の商業地区並びにホテ
ル、病院等であり、都市部の大部分を占める個人住宅を
対象としてはいない。

【０００５】すなわち、ほとんどの個人住宅における冷
暖房は電気やガス等を動力源として個別に行っており、
冷房時には室内の熱を戸外の大気へ排出し、暖房時には
戸外の大気を熱源として昇温し室内に放出する従来から
の方法である。該方法は、冷房時には高い温度の戸外へ
熱を排出し、また、暖房時には低い温度の戸外から熱を
汲み揚げることから、熱機関の成績係数（入力に対する
出力の比）は必然的に低下する。該成績係数低下は電力
消費量を増大させ、今日の昼間電力負荷増大の一因とな
っており、さらに、冷房時の戸外排出熱は、産業排出熱
と共に前記した都市部等でのヒートアイランド現象の元
凶となっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前記のように、都市部
におけるヒートアイランド現象の緩和は社会的に取り組
むべき課題であるものの、現状の地域冷暖房熱供給シス
テムにおいては未利用熱エネルギー活用による省エネル
ギー効果は極一部に限られており、また個々の家庭での
冷暖房用熱機関の成績係数の低下に対する対策も特にな
されておらず、広域で取り組むことで達成されるヒート
アイランド現象の緩和には十分とはいえない。

【０００７】本発明は、上記のような現存する都市環境
問題を解決することを目的としており、より具体的に
は、前述した未利用熱エネルギを個人住宅を含めて広域
的に且つ簡便に利用できるようにすることにより、冷暖
房・給湯に係るエネルギー消費量を削減しそれによりヒ
ートアイランド現象などの都市環境問題を緩和すること
を目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決しかつ
目的を達成するために、本発明においては、都市部の個
人住宅にはほぼ１００％普及している上水道並びに下水
道を積極的に利用する。すなわち、本発明による下水を
利用した恒温水の供給及び利用システムは、基本的に、
熱あるいは水需要側から排出される下水との熱交換手段
を有するヒートポンプサイクルにより年間を通してほぼ
一定温度の熱源を製造し、該熱源により浄水場から送出
されてくる水の温度を年間を通してほぼ一定温度に保持
して需要側へ送水することにより、前記課題を達成しよ
うとするものである。

【０００９】

【作用】下水の温度は年間を通して極めて温度変化が小
さいことはよく知られている（例えば、下水道協会誌、
ｖｏｌ．２４．Ｎｏ．２７４．１９８７／３等参照）。
図７は下水の年間温度変化の平均的状況を示したもので
あり、大気の温度が約５〜３５℃と季節により大きく変
動しているのに対して、下水の温度は年間を通して約１
５〜２５℃の間であり、極めて温度変化が小さい。ま
た、下水の量は本質的に人間の活動と連動しており、そ
の結果として常時一定の熱量が確保できる。

【００１０】本発明によるシステムは、上述した下水が
保有する熱的特性を基礎としており、年間を通してほぼ
一定温度と一定量の熱源として下水を活用する。すなわ
ち、下水を熱源としてヒートポンプを駆動して、年間を
通して一定温度の熱源を確保し該熱源で上水または中水
を一定温度に維持して需要側である地域のビルや個人住
宅に配給する。なお、本明細書において、上水とは浄水
場で処理された飲料可能な水をいい、中水とは何らかの
処理施設により処理される水ではあるが前記上水よりも
低質で且つ下水処理水よりは高質の水をいうものとして
用いている。

【００１１】該一定温度の上水又は中水の配給を受けた
ビルや個人住宅では、該供給水を一般用水として用いる
のは勿論のこと、空調機の熱源として用いる。即ち、夏
季にあっては空調機の冷房運転時の冷却水として、冬季
にあっては空調機の暖房運転時の熱源水として活用す
る。下水熱を用いて一定温度の上水又は中水を製造する
こと、及び該水の配給を受けたビルや各個人住宅では該
水を空調機の熱源として用いることにより、第１の作用
として、極めて僅かの付加エネルギーで一定温度の上水
又は中水を製造することが可能となり、また、第２の作
用として、ビルや各個人住宅において前記一定水温の上
水又は中水を利用した冷暖房空調の実施により、省エネ
ルギー化及び地域のヒートアイランド化現象を緩和する
作用がある。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１、図２及び図
３により説明する。図１は本発明から成る下水を利用し
た恒温水の供給及び利用システムの系統図を示し、図２
は図１中に示した水処理場２内の本発明に係る設備を示
したものである。上水は浄水場１から配管１０（以下、
単に管と記す）によって地域１０００の水処理場２へ、
また管２０によって地域２０００の水処理場２へ送水さ
れてくる（以降、地域１０００を代表例として詳述す
る）。水処理場２には地域への送水管３０、戻り管４
０、及び地域内の下水が集約されて流入してくる管５０
が具備され、さらに図２に示すように、ヒートポンプ１
００が設備されている。該ヒートポンプ１００は圧縮機
１１０、熱交換器１２０、１３０から構成されている。

【００１３】大気温度が管５０を流れる下水の温度より
高い場合（一般に夏季に相当する）には、該水処理場２
では、下水を冷却水として利用すべく、熱交換器１２０
に前記管５０を流れる下水を導入し、熱交換器１３０に
は戻り管４０の戻り水を導入する。以上の配管系統とし
た後、熱交換器１２０が冷媒の凝縮器に、また熱交換器
１３０が冷媒の蒸発器となるように圧縮機１１０を作動
して冷凍サイクルを形成し、前記戻り水を冷却する。斯
くして冷却された戻り水は管１０によって導入されてく
る上水と混合されて、約２０℃程度に調整され、送水管
３０によって地域１０００内に送り出される。

【００１４】大気温度が管５０を流れる下水の温度より
低い場合（一般に冬季に相当する）には、該水処理場２
では、下水を熱源水として利用すべく、熱交換器１２０
に前記管５０を流れる下水を導入し、熱交換器１３０に
は戻り管４０の戻り水を導入する。以上の配管系統とし
た後、熱交換器１２０が冷媒の蒸発器に、また熱交換器
１３０が冷媒の凝縮器となるように圧縮機１１０を作動
してヒートポンプサイクルを形成し、前記戻り水４０を
加温する。斯くして加温された戻り水４０は管１０によ
って導入されてくる上水と混合されて、約２０℃程度の
温度に調整され、送水管３０によって地域１０００内に
送り出される。

【００１５】管４１は管３０の上水の温度と量を調整す
るための管で、後述するように水需要家において、熱が
比較的多く消費された時は管４１を流れる流量を減少さ
せ、逆に上水としての利用量が大きい時は管４１を流れ
る流量を増加させて地域へ送水する。管６０は各地域の
水処理場２で熱利用された下水を下水処理場４へ流すた
めの管であり、さらに、管７０は下水処理水の放流管で
ある。

【００１６】地域１０００内に存在する水需要家３（個
人住宅、集合住宅、ビル等を含む）は、送水管３０、送
水枝管３１によって上水の供給を受ける。図３は水需要
家３に具備されている水を冷却水又は熱源水として作動
する冷暖房空調機３００の詳細を示している。該送水管
３０を流れる上水は前述したように約２０℃の温度に調
整されており、前記水需要家３に係る区域（例えば、室
内、家屋内、ビル内等）を冷房する場合には、前記約２
０℃に調整された上水を管３１より熱交換器３３０に導
入して冷却水とし、圧縮機３１０によって室内等から汲
み揚げられた熱３４０は熱交換器３２０を介して、前記
冷却水によって室内等から持ち出され、この作用によ
り、水需要家３に係る区域は冷房される。

【００１７】一般に、室内の冷房設定温度は２３〜２８
℃が適当であるとされており、この時の外気温は当然２
８℃以上である。仮に、外気温を３０℃とし、室内冷房
設定温度を２５℃としたとき、温度差は５℃である。室
内から外気へ熱を汲みだす操作が冷房操作であるから、
空調機３００にあっては、先ず熱交換器３２０における
冷媒の温度を２５℃以下（仮に、該温度を１０℃とす
る）として室内から熱３４０を受け取る。次に受け取っ
た熱を３０℃である外気に排出するために圧縮機３１０
によって、前記冷媒を３０℃以上（仮に、該温度を冷媒
温度プラス１５℃の４５℃とする）に断熱圧縮する。し
たがって、該条件下では前記圧縮機３１０には冷媒を１
０℃から４５℃にするための動力、すなわち、冷媒を３
５℃（４５−１０＝３５）昇温するための動力が必要で
ある。さらに、外気にはヒートアイランド現象の元凶で
ある４５℃の熱が排出されることになる。

【００１８】以上の従来例に対し本発明では、先ず熱交
換器３２０における冷媒の温度を前述と同様に２５℃以
下（仮に、該温度を１０℃とする）として室内から熱を
受け取る。次に受け取った熱は、本発明から成る２０℃
の冷却水に排出するために圧縮機３１０によって、前記
冷媒を２０℃以上（前記同様、冷媒温度プラス１５℃の
３５℃となる）に断熱圧縮する。したがって、該条件下
では前記圧縮機３１０には冷媒を１０℃から３５℃に要
する動力、すなわち、冷媒を２５℃（３５−１０＝２
５）昇温するための動力で済む事になると共に、外気へ
の排熱は無い。斯くして、熱を受け取った上水は戻り管
４１、４０を経て水処理場２へ戻り、前述と同様に管５
０を流れる下水を冷却水として駆動されているヒートポ
ンプ１００によって、２０℃に冷却され、再び管３０に
よって地域内に給水される。

【００１９】圧縮機１１０において１０℃の冷媒を断熱
圧縮して昇温するとき、冷媒の昇温後の温度と圧縮に要
する動力の関係を図４に示す。図４は昇温後の冷媒温度
が４５℃の時（前述した従来例の冷媒温度）を１として
示してある。図４から分かるように、外気に熱を排出す
る従来例の場合より、昇温後の冷媒温度を３５℃に下げ
ることができる本発明の適用により、図４中に破線で示
すように、動力比を0.７程度にまで削減できることにな
る。換言すれば３０％の省エネが可能となる。さらに、
従来例では外気温度が上昇して、冷媒温度をさらに上昇
させる必要があるときは図４から分かるように、ますま
す圧縮機に要する動力が増大して電力需要が急増する。
このように、外気温によって電力消費量が急激に増加す
ることは電力供給側にとっては最大の問題点となってお
り、全国の電力網による電力融通操作、延いては発電設
備の新設・増設問題へと発展する根源である。これに対
し、冷却水の温度が常に一定である本発明を適用するこ
とにより、圧縮機に要する動力は冷房負荷に左右される
のみであり、従来例ほどの変化は無くほぼ一定の圧縮機
動力で済むことになる。

【００２０】さらに他の実施例としては、図５に示した
ように、ヒートポンプを用いることなく、充分余裕のあ
る伝熱面積を有する熱交換器３５０によって管３０、３
１により供給される約２０℃の上水と室内の熱３４０と
を熱交換して室内を冷房することも可能であることは言
うまでもない。次に、前記水需要家３に係る区域（例え
ば、室内、家屋内、ビル内等）を暖房する場合には、前
記約２０℃に調整された上水を図３に示す熱交換器３３
０に導入して熱源水とし、圧縮機３１０によって該熱を
汲み揚げ、熱交換器３２０を介して室内の熱３４０を加
熱する。暖房の場合も前述した冷房の場合と同様に、本
発明から成る下水熱利用都市熱供給システムを適用する
ことにより、従来例よりも大幅な省エネルギーが可能と
なる。

【００２１】一般に室内の暖房温度は２０〜２５℃が適
当とされており、例えば当該暖房温度を２５℃、外気温
度５℃としたとき、圧縮式ヒートポンプサイクルの冷媒
はマイナス５℃（５−１０＝−５）から３５℃（２５＋
１０＝３５）まで昇温することになる。これに対して本
発明を適用することにより、冷媒の温度は１０℃（２０
−１０＝１０）から３５℃までの昇温で済む事になる。
即ち、昇温幅を従来例の４０℃（３５−（−５）＝４
０）から２５℃（３５−１０＝２５）へと減少させるこ
とが可能であり、前述と同様に圧縮機に要する動力を約
４０％削減できる。

【００２２】水需要家３では上述した他に、管３２によ
って一般用水（炊事、洗濯、風呂、飲料及びトイレ用
水）として使用される。これらに供された水は管５１に
より各個から集められて管５０により、水処理場２へ戻
る。図６は本発明の他の実施例を示す系統図である。１
ｂは図１に示した上水を製造する浄水場に対して、上水
よりも低質の水である中水を製造する施設である。該施
設からの中水は管１０ｂ、２０ｂによって水処理施設２
ｂに導入される。水処理施設２ｂでは、前記中水の一部
を上水にまで水質を向上して管３０から地域に送水する
施設、および管８０によって前記中水を年間を通して一
定温度で地域に送水するヒートポンプ施設とから成って
いる。また、水需要家３にあっては、上水の導入管３
１、一定温度の中水導入管８１、熱利用済中水の戻り管
４１及び下水管５１とから成っている。

【００２３】本実施例によれば、厨房飲料や風呂で直接
人体に接して使用する水のみ管３１からの上水を使用
し、冷暖房に係る冷却水並びに熱源水および他の一般用
水（トイレ水、洗濯用水等）は管８０からの中水を用い
ることができる。その結果、上水としての水質確保が保
証され、水処理場と各戸を循環する水の量を減少させ、
ポンプ動力を低減する効果がある。

【００２４】本発明において、需要側において、浄水場
あるいは上水よりも低質の水である中水を製造する施設
から送出されてくる水の温度が自然熱（すなわち、大気
温、河川水温度、海水温度等）の温度より低い時にの
み、その水をヒートポンプ冷媒の冷却に供し、さらに、
前記水の温度が自然熱の温度より高い時にのみ、ヒート
ポンプ冷媒の加熱に供するようにしてもよく、その場合
にも初期の目的は達成さりる。

【００２５】また、以上に述べたシステムにおいて、下
水並びに上水を一端貯留して利用することは、本発明の
範囲である。すなわち、夜間電力を有効に活用すべく、
水処理場２並びに２ｂにおけるヒートポンプ１００の駆
動を、主に夜間に実行して２０℃程度の水を製造して貯
水しておき、昼間に地域に送水する方法は有効である。
この方法により、運転費の大幅な削減と昼夜間電力負荷
の平準化が図れる。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、大規模ビルから個人住
宅を含め、特に都市生活圏における冷暖房・給湯に係る
エネルギー消費を大幅に削減する効果があり、同時に、
冷房シーズン時に発生しがちなヒートアイランド現象を
緩和しまた昼夜間電力負荷を平準化する効果もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明から成る下水を利用した恒温水の供給及
びその利用システムの系統図。

【図２】水処理場内の機器構成を示す図。

【図３】水需要家における水利用状況の詳細を示す図。

【図４】ヒートポンプにおける昇温後の冷媒温度と動力
の関係を示す図。

【図５】図３に示した水需要家における他の実施例を示
す図。

【図６】本発明の他の実施例から成る下水を利用した恒
温水の供給及びその利用システムの系統図。

【図７】下水と大気の年間温度変化を示す図。

【符号の説明】

１…浄水場、２，２ｂ…水処理場、３…水需要家、４…
下水処理場、１０，２０…上水配管、１０ｂ，２０ｂ…
中水配管、３０，３１…・送水管、４０，４１…戻り
管、５０，５１…下水戻り管、６０…下水集合管、７０
…下水処理水放流管、１００，３００，５００…ヒート
ポンプシステム、１２０，１３０，３２０，３３０，３
５０，５２０，５３０…熱交換器、１０００，２０００
…地域

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 下水との熱交換手段を有するヒートポン
   プサイクルにより年間を通してほぼ一定温度の熱源を製
   造し、該熱源により水処理施設から送出されてくる水の
   温度を年間を通してほぼ一定温度に保持して需要側へ送
   水することを特徴とする下水熱を利用した恒温水の供給
   及び利用システム。
2. 【請求項２】 前記水処理施設から送出されてくる水
   が、上水及び／又は中水であることを特徴とする請求項
   １記載の下水熱を利用した恒温水の供給及び利用システ
   ム。
3. 【請求項３】 前記水処理施設から送出されてくる水の
   温度を、夏季の大気温より低く、冬季の大気温より高い
   温度に、設定することを特徴とする請求項１記載の下水
   熱を利用した恒温水の供給及び利用システム。
4. 【請求項４】 需要側において、前記ほぼ一定温度で送
   水されてくる水を、空調用機器の加熱又は冷却の熱源並
   びに一般用水として供することを特徴とする請求項１記
   載の下水熱を利用した恒温水の供給及び利用システム。
5. 【請求項５】 需要側において、前記ほぼ一定温度で送
   水されてくる水を、冷房時にはヒートポンプサイクルの
   冷媒の冷却に供して冷房・除湿サイクルを構成し、暖房
   時並びに給湯時にはヒートポンプサイクルの冷媒の加熱
   に供して暖房・給湯サイクルを構成することを特徴とす
   る請求項４記載の下水熱を利用した恒温水の供給及び利
   用システム。
6. 【請求項６】 需要側において、前記水処理施設から送
   出されてくる水の温度が自然熱の温度より低い時にの
   み、前記水をヒートポンプ冷媒の冷却に供し、前記水の
   温度が自然熱の温度より高い時にのみ、ヒートポンプ冷
   媒の加熱に供することを特徴とする請求項４又は５記載
   の下水熱を利用した恒温水の供給及び利用システム。
7. 【請求項７】 前記水処理施設へ流入する源水が、河川
   水であることを特徴とする請求項１記載の下水熱を利用
   した恒温水の供給及び利用システム。
8. 【請求項８】 下水との熱交換を、下水処理場において
   未処理下水又は処理下水と行うことを特徴とする請求項
   １記載の下水熱を利用した恒温水の供給及び利用システ
   ム。
9. 【請求項９】 下水との熱交換を、下水ポンプ場におい
   て未処理下水と行うことを特徴とする請求項１記載の下
   水熱を利用した恒温水の供給及び利用システム。