WO2012057098A1

WO2012057098A1 - 水処理システム及び水処理方法

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Publication number: WO2012057098A1
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Inventors: 亮輔寺師; 良行高橋; 川田　和彦
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Abstract

　水処理システムのエネルギー効率を高め、安定した温度制御を行う。　水処理システムは、複数の装置１，２，３，４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１１，１２と、少なくとも１つの配管区間１１を吸熱配管区間として吸熱配管区間から吸熱し、吸熱配管区間１１から吸熱した熱を、少なくとも１つの他の配管区間１２を排熱配管区間として、排熱配管区間に排熱するヒートポンプ２１と、を有している。

Description

水処理システム及び水処理方法

　本発明は、水処理システム及び水処理方法に関し、特にエネルギー消費の少ない水処理システムに関する。

　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。

　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付近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。

　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熱交換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。
特開２００９－１８３８００号公報特開２００２－１６０３６号公報特開２００６－０９５４７９号公報

　従来から、水処理システム内を流通する被処理水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。しかし、このようなシステム構成は、エネルギーの利用効率、ひいては二酸化炭素排出量等の環境負荷の面で以下の問題があった。

　すなわち、加熱及び冷却のためのエネルギーは、加熱や冷却の対象部位で個々に投入されている。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エネルギーによって、加熱対象部位よりも高温の温水や蒸気が製造され、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。温度調整に必要な全エネルギーは加熱及び冷却の各対象部位で必要となるエネルギーの総和となる。

　水処理システムにおいて、冷却対象部位から奪われた熱を、加熱対象部位に加えられる熱として利用することは一般に困難である。このようなプロセスを熱交換器によって実現できる場合もあるが、そのためには冷却対象部位が高温側、加熱対象部位が低温側となっている必要がある。しかも高温側と低温側とで相当の温度差がないと効率的な熱移動はできない。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、大きな温度差はなく、また冷却対象部位が高温側、加熱対象部位が低温側という関係が必ずしも成立しているわけではない。従って熱交換器を効率的に使用できる部位は限られている。

　ヒートポンプは、熱交換器と異なり、低温の熱源から高温の熱源に熱を移動することができる。しかし、空気熱などの外部熱源を利用するヒートポンプは、外部の温度条件によって性能が大きく変動する。例えば、低温度の空気から吸熱する場合には吸熱効率が大きく低下する。このように、空気熱などの外部熱源を利用するヒートポンプは外部温度によって影響を受けやすく、水処理システム内の水温を安定的に制御することは困難である。ヒートポンプに過剰な容量を持たせれば外部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。
　本発明はこのような課題に鑑みてなされ、エネルギー効率が高く、しかも安定した温度制御が可能な水処理システム及び水処理方法を提供することを目的とする。

　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、を有している。

　ヒートポンプは吸熱対象部位で熱を奪い、その熱を排熱対象部位まで移動させることができる。従って、水処理システム内に吸熱（冷却）が必要な部位（吸熱配管区間）と排熱（加熱）が必要な部位（排熱配管区間）とがある場合に、ヒートポンプを用いて、吸熱配管区間から排熱配管区間への熱移動を行うことが可能となる。冷却のために棄てた熱を別の部位の加熱に利用することができるため、エネルギー効率が著しく高められる。

　また、吸熱配管区間と排熱配管区間は各々が温度調整部位であると同時に、安定した熱源でもある。すなわち、前述のように吸熱または排熱の一方を外部熱源を用いて行う場合、ヒートポンプ性能は外部熱源の温度変動による影響を受けやすかった。外部の空気を熱源として利用する場合、外気温が低いと吸熱しにくくなりヒートポンプ性能が低下する。地下水や海水を熱源として用いる場合も空気ほどの温度変動は生じないが、同様の問題が生じる。これに対して本発明の場合、水温が制御された水処理システム内の配管区間を熱源（吸熱配管区間または排熱配管区間）として用いているため、熱源の温度変動がほとんど生じない。このため、ヒートポンプ性能が外気温や海水温度などの外部環境に左右されにくく、良好なヒートポンプ性能を安定して維持することが可能となる。なお、空気を熱源としたヒートポンプの場合、外気温が０℃付近まで下がると霜取りが必要となる。また、地下水や海水を熱源としたヒートポンプの場合、排水の処理や腐食対策が必要となる。本発明はこのような問題も発生しない。

　本発明の他の実施態様によれば、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、を有する水処理システムを用いた水処理方法が提供される。この方法は、ヒートポンプによって、少なくとも１つの配管区間を吸熱配管区間として吸熱配管区間から吸熱し、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排熱配管区間に排熱することを含んでいる。

　このように、本発明によれば、エネルギー効率が高く、しかも安定した温度制御が可能な水処理システム及び水処理方法を提供することができる。

本発明の水処理システムの、第１及び第２の実施形態を示す概念図である。図１に示す水処理システムにおいて、中間ループを設けた実施形態を示す概念図である。図１に示す水処理システムにおいて、複数の吸熱配管区間が設けられた実施形態を示す概念図である。図１に示す水処理システムにおいて、複数の吸熱及び排熱配管区間が設けられた実施形態を示す概念図である。図１に示す水処理システムにおいて、補助加熱手段が設けられた実施形態を示す概念図である。図１に示す水処理システムにおいて、第２のヒートポンプが設けられた実施形態を示す概念図である。図１に示す水処理システムにおいて、熱電子式ヒートポンプを用いた実施形態を示す概念図である。水処理システムの構成の一例を示す概略図である。水処理システムの構成の一例を示す概略図である。水処理システムの構成の一例を示す概略図である。水処理システムの構成の一例を示す概略図である。水処理システムの構成の一例を示す概略図である。水処理システムの構成の他の例を示す概略図である。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。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。参考例の構成を示す概略図である。実施例の構成を示す概略図である。実施例の構成を示す概略図である。本発明の第２の実施形態の効果を説明するための線図（モリエル線図）である。本発明の水処理システムの、一実施例を示す概念図である。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。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１４Ａ，１４Ｂ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１４Ａ，１４Ｂ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１４Ａ，１４Ｂ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１４Ａ，１４Ｂ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１４Ａ，１４Ｂ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１４Ａ，１４Ｂ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１４Ａ，１４Ｂ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１４Ａ，１４Ｂ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。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。本発明の水処理システムの、第５の実施形態を示す概念図である。本発明の水処理システムの、第６の実施形態を示す概念図である。実施例の水処理システムの構成を示す概略図である。実施例の過不足熱量の経時変化を示すグラフである。比較例の過不足熱量の経時変化を示すグラフである。比較例の必要熱量の経時変化を示すグラフである。

　（第１の実施形態）
　図１～７を参照して、本発明の水処理システムに係る第１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、本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。

　図１には、互いに隣接する第１及び第２の装置１，２と、これらを接続する第１の配管区間（吸熱配管区間）１１と、が示されている。これらの装置１，２及び配管区間１１には第１の装置１から第２の装置２に向けて、図中右向きに流体（被処理水）が流通している。同様に、図１には、互いに隣接する第３及び第４の装置３，４と、これらを接続する第２の配管区間（排熱配管区間）１２と、が示されている。これらの装置３，４及び配管区間１２にも、第３の装置３から第４の装置４に向けて、図中右向きに流体（被処理水）が流通している。第１～第４の装置１～４はどのようなものであっても構わない。

　本実施形態では第１の配管区間１１から吸熱し（符号Ｑ_Ｃ１で示す。）、第２の配管区間１２に排熱される（同じく、符号Ｑ_Ｈ１で示す。）。このような状況は、例えば第１の装置１の出口点水温が第２の装置２の入口点における要求水温よりも高く、被処理水を冷却することが必要であり、かつ第３の装置３の出口点水温が第４の装置４の入口点における要求水温よりも低く、被処理水を加熱することが必要である場合に生じる。一例として、前述のようにＲＯ膜装置は逆浸透膜の標準設計温度が２５℃であるが、入口点における水温がこれより低い場合、ＲＯ膜装置に入る前に被処理水を加熱する必要がある。

　この目的のため、水処理システムには第１の配管区間１１（吸熱配管区間）から吸熱し、第２の配管区間１２（排熱配管区間）に排熱するヒートポンプ２１が設けられている。ヒートポンプ２１は、第１の配管区間１１及び第２の配管区間１２と熱的に接続されている。ヒートポンプ２１は本実施形態では蒸気圧縮式を用いている。具体的には、ヒートポンプ２１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２２と、冷媒を圧縮するコンプレッサ２３と、冷媒を凝縮させる凝縮器２４と、冷媒を膨張させる膨張弁２５、とを備え、これらの要素２２～２５がこの順で閉ループ２６上に配置されている。従って、冷媒は、閉ループ２６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ことになる。蒸発器２２に隣接して第１の配管区間１１が位置しており、冷媒が蒸発した際の気化熱によって、第１の配管区間１１を流れる流体から熱が奪われる（なお、各図において、波線は熱交換が行わる部位であることを示す。）。蒸発した冷媒はコンプレッサ２３で圧縮され、高温高圧の気相となる。冷媒は次に凝縮器２４に送られ、周囲に熱を放出して凝縮する。凝縮器２４に隣接して第２の配管区間１２が位置しており、凝縮の際に放出された凝縮熱が第２の配管区間１２を流れる流体に与えられる。凝縮した冷媒は膨張弁２５を通って減圧冷却される。このようにしてヒートポンプ２１の１サイクルの運転の間に、第１の配管区間１１からの吸熱と、第２の配管区間１２への排熱が行われる。

　ヒートポンプ２１を用いることによって、第１の配管区間１１から奪われた熱の少なくとも一部を第２の配管区間１２に与えることができる。このため、奪われた熱を棄てる必要がなく、第２の配管区間１２に供給する熱を別の装置（ボイラ等）で発生させる必要もない。しかも、ヒートポンプ２１は一般に成績係数（加熱または冷却の能力をＱ、このＱを得るために消費した電力Ｌとしたときに、Ｑ／Ｌで定義される。）が３～５の付近にあり、必要な電気エネルギーが、発生させる熱エネルギーと比べてはるかに小さい。このように、本実施形態の水処理システムでは第１の配管区間１１から奪った熱を第２の配管区間１２に移動させるため、熱エネルギーの無駄が生じにくい。しかも、この熱移動に効率の高いヒートポンプ２１を用いているために、少ないエネルギー消費が実現される。

　また、冷却及び加熱のためにボイラや冷却塔を別途設置する場合、これらの装置は一般に、温度調整が必要な部位から離れたところに設けられる。燃料貯蔵施設など多数の付帯設備が必要なボイラでは、特にこの傾向が強い。このため、冷水や温水、蒸気等を配管で移送する際の熱伝達ロスが大きく、追加の加熱冷却装置を設けるなど、エネルギー効率及びコスト面で不利となりやすい。ボイラや冷却塔は一般に必要エネルギーが大きく、環境負荷が大きいという問題もある。ヒートポンプ２１を第１の配管区間１１と第２の配管区間１２の中間付近に設置することで、熱伝達ロスを最小限に抑えることができる。

　さらに、ヒートポンプ２１は、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。上述の通り、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った。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。本発明では、ヒートポンプ２１を用いているため、第１の配管区間１１と第２の配管区間１２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。

　ヒートポンプの利用形態としては、空気や外部の水を熱源として用いる形態も考えられる。空気を熱源として用いる場合、空気から吸熱し、空気から奪った熱を第２の配管区間１２で排熱すれば、第２の配管区間１２の加熱が可能である。しかし、ヒートポンプは空気が低温になると吸熱効率が下がり、ヒートポンプ能力（成績係数）が低下する。このため、低い空気温度での運転を想定した場合、ヒートポンプの容量を増やしておくことが必要となる。従って、空気温度が高い場合には、性能を抑えて運転する必要が生じる。同様のことはヒートポンプで冷却を行う場合にもあてはまる。この場合は、外気温が高いと排熱効率が落ち、ヒートポンプ能力（成績係数）が低下する。従って、同様にヒートポンプの容量を増やしておくことが必要となる。さらに、外気温度が０℃付近である場合、熱を奪われた空気は０℃以下まで冷却されるため、空気との熱交換部位に凍結が生じる可能性がある。このため、定期的に運転を停止して霜取りをしたり、別途霜取りのための設備を設けておくなどの対処が必要となり、コスト面や運用面で不利となる。

　外部水（海水、地下水、下水等）を熱源として用いる場合も同様の問題が生じる。外部水の場合は空気ほど温度の変動は大きくなく、特に地下水は比較的温度が安定しているが、それでも温度変動の影響は受ける。外部水を用いる場合、大量の排水が発生するため、その処理のために多大の設備やコストが必要となる可能性もある。下水として排出する場合、その料金も必要となる。大量の外部水を必要とする場合、立地面での制約も生じる。さらに海水を用いる場合はスケール対策や塩害、腐食対策が必要となる。

　さらに、このように吸熱または排熱の一方を外部熱源を用いて行うヒートポンプの利用形態は、広い意味では従来のボイラや冷却塔となんら変わらない。ヒートポンプ自体の効率が高いために、ボイラや冷却塔と比べれば電気代などの運転コストは抑えられるが、逆に年間負荷変動への対応のため、ピーク負荷に合わせた過大な容量を持たせるなどの問題もあり、水処理システムへの適用は現実的とはいえない。

　これに対して本実施形態では、熱の移動は熱源の温度が安定した水処理システムの内部で行われるため、外部環境の影響を受けにくい。ただし後述するように、熱源が常温の範囲にあり、温度変動が限られている場合は空気を熱源として用いることも有効である。実際には必要吸熱量と必要排熱量とがバランスすることはほとんどないため、熱量の過不足を調整するために外部熱源を利用している。しかし、外部熱源の利用は最小限度にとどめ、できる限りシステムの内部で熱移動を行っているため、従来と比べ経済的で安定した温度制御が可能となっている。

　図２にも、図１と同様のシステムが示されている。本実施形態では、第１の配管区間１１とヒートポンプ２１との間に、第１の配管区間１１からの吸熱をヒートポンプ２１に伝達する第１の中間ループ１５を有している。同様に、第２の配管区間１２とヒートポンプ２１との間に、ヒートポンプ２１からの吸熱を第２の配管区間１２に伝達する第２の中間ループ１６を有している。このように中間ループ１５，１６を設けることで、ヒートポンプ２１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２１が第１の配管区間１１や第２の配管区間１２から離れている場合、これらの配管区間１１，１２をヒートポンプ２１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２の例では、第１及び第２の配管区間１１，１２はそれぞれ、第１の装置１と第２の装置２、第３の装置３と第４の装置４を最短距離で結び、第１及び第２の配管区間１１，１２とヒートポンプ２１の間は圧力損失の小さい中間ループ１５，１６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２１が第１の配管区間１１や第２の配管区間１２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１５と第２の中間ループ１６はいずれか一方だけを設けてもよいし、必要に応じて各中間ループ１５，１６を二重、三重のループとして構成することも可能である。中間ループに用いる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。中間ループ１５，１６にＣＯ_２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。

　図３，４は、複数の部位から吸熱し、あるいは排熱するようにされた水処理システムの実施形態を示している。図３を参照すると、水処理システムは、流体が流通するようにされた、互いに隣接する第５及び第６の装置５，６並びにこれらを接続する第３の配管区間１３（吸熱配管区間）と、第１及び第３の配管区間１１，１３から吸熱するようにされた第１の中間ループ１５と、を有している。図４を参照すると、水処理システムは上記構成に加え、流体が流通するようにされた、互いに隣接する第７及び第８の装置７，８並びにこれらを接続する第４の配管区間１４（排熱配管区間）と、第２及び第４の配管区間１２，１４に排熱するようにされた第２の中間ループ１６と、を有している。

　これらの実施形態に示すように、吸熱側、排熱側とも、熱の授受を行う配管区間は１箇所に限定されず、複数個所であってもよい。つまり、吸熱配管区間と排熱配管区間は単数対単数、単数対複数、複数対単数、複数対複数のいずれの組み合わせも可能である。複数の配管区間が中間ループを介して１台のヒートポンプ２１に接続されているため、ヒートポンプの台数を削減することが可能となる。個々の吸熱及び排熱配管区間の位置関係や移動熱量などを勘案して、水処理システムに複数の中間ループと複数のヒートポンプを設けることもできる。

　一般にヒートポンプ２１のコンプレッサ能力は、吸熱配管区間での吸熱量（冷却）に対応した必要コンプレッサ能力Ｃ_Ｃと排熱配管区間での排熱量（加熱）に対応した必要コンプレッサ能力Ｃ_Ｈとが一致することはなく、いずれかに合わせて決定される。具体的には、以下の４パターンが考えられる。
（パターン１）Ｃ_Ｈ＞Ｃ_Ｃであり、コンプレッサ能力を排熱（加熱）側に合わせてＣ_Ｈとした場合。この場合は、吸熱配管区間での吸熱（冷却）が過剰となるため、吸熱配管区間を加熱する。もしくは吸熱配管区間での吸熱（冷却）が過剰とならないように、熱の一部を吸熱配管区間から奪い、残りを系外から奪う（例えば周囲の空気から熱を奪い、周囲の空気を冷却する。）。これは換言すれば、系外へ過剰分の冷却エネルギーを放出するということでもある。
（パターン２）Ｃ_Ｈ＞Ｃ_Ｃであり、コンプレッサ能力を吸熱（冷却）側に合わせてＣ_Ｃとした場合。この場合は、排熱配管区間での排熱（加熱）が不足するため、排熱配管区間を追加で加熱する。
（パターン３）Ｃ_Ｈ＜Ｃ_Ｃであり、コンプレッサ能力を排熱（加熱）側に合わせてＣ_Ｈとした場合。この場合は、吸熱配管区間での吸熱（冷却）が不足するため、吸熱配管区間から追加で除熱する。
（パターン４）Ｃ_Ｈ＜Ｃ_Ｃであり、コンプレッサ能力を吸熱（冷却）側に合わせてＣ_Ｃとした場合。この場合は、排熱配管区間での排熱（加熱）が過剰となるため、排熱配管区間から除熱する。もしくは排熱配管区間での排熱（加熱）が過剰とならないように、熱の一部を排熱配管区間に排出し、残りを系外へ排出する（例えば周囲の空気に熱を与え、周囲の空気を加熱する。）。これは換言すれば、系外へ過剰分の加熱エネルギーを放出するということでもある。

　このように、どのパターンを選択しても、吸熱配管区間または排熱配管区間のいずれかを除熱または加熱、あるいは水処理システムの系外と熱を授受する必要が生じる。ここでは、これらのパターンのうち、排熱配管区間での排熱（加熱）が不足するパターン２の例と、吸熱配管区間での吸熱（冷却）が過剰となるパターン１の例を、図５，６を参照して説明する。

　図５の実施形態では、ヒートポンプ２１からの第２の配管区間１２への排熱（加熱）の不足分を補うために第２の配管区間１２を加熱する第２のヒートポンプ２７が設けられている。第２のヒートポンプ２７はヒートポンプ２１と基本的な構成は同じであるが、排熱量に応じコンプレッサ能力は適宜設定される。本実施形態では、第２のヒートポンプ２７はヒータとして用いられる。ヒートポンプ２１は第１の配管区間１１から熱量Ｑ_Ｃ１を奪い、熱量Ｑ_Ｈ１を第２の配管区間１２に放出する。ここで、熱量Ｑ_Ｃ１はコンプレッサ能力Ｃ_Ｃと吸熱時の成績係数ＣＯＰ_Ｃの積であり、熱量Ｑ_Ｈ１は、熱量Ｑ_Ｃ１にコンプレッサの圧縮仕事Ｗを加えた値である。すなわち、Ｑ_Ｃ１＝Ｃ_Ｃ×ＣＯＰ_Ｃ、Ｑ_Ｈ１＝Ｑ_Ｃ１＋Ｗであり、排熱時の成績係数ＣＯＰ_Ｈ＝Ｑ_Ｈ１／Ｗ＝Ｑ_Ｃ１／Ｗ＋１＝ＣＯＰ_Ｃ＋１の関係にある。つまり原理的に、熱量Ｑ_Ｈ１は熱量Ｑ_Ｃ１よりもコンプレッサの圧縮仕事Ｗの分だけ大きくなっており、ＣＯＰ_ＨはＣＯＰ_Ｃよりも１だけ大きくなっている。第２のヒートポンプ２７は第２の配管１２に加えられる熱量Ｑ_Ｈ１と熱量Ｑ_Ｃ１との差分の熱量Ｑ２を第２の配管１２に与える。ヒートポンプ２７の吸熱側は水処理システムと接続されていないため、熱量Ｑ２は大気中から奪われる（大気が冷却される）。

　図６の実施形態では、ヒートポンプ２１による第１の配管区間１１からの過剰吸熱を補償するために、ヒートポンプ２１は水熱交換部２１ａと空気熱交換部２１ｂとを備えている。ヒートポンプ２１は水熱交換部２１ａで、第１の配管区間１１（内部の流通水）から熱量Ｑ_Ｃ１を奪い、熱量Ｑ_Ｈ１を第２の配管区間１２に放出する。第２の配管区間１２に与えられる熱量Ｑ_Ｈ１は所望の熱量に一致している。空気熱交換部２１ｂは、熱量Ｑ_Ｃ１と第１の配管区間１１から奪われる吸熱量との差分の熱量Ｑ２を周囲の空気から奪い、第２の配管区間１２に供給する。換言すれば、ヒートポンプ２１は、第１の配管区間１１と大気から熱を奪っていることになる。本実施形態は、第２のヒートポンプ２７が不要であるため、コストの観点からは図５の実施形態よりも有利となることが多い。

　ヒートポンプ２１は蒸気圧縮式に加えて、熱電子式を用いることもできる。図７は熱電子式ヒートポンプ２１’を用いた実施形態を示している。同図は図１に示す蒸気圧縮式ヒートポンプ２１を熱電子式ヒートポンプ２１’に置き換えた点を除き、図１と同様であるので、ヒートポンプ２１’以外の説明については上述の説明を参照されたい。熱電子式ヒートポンプ２１’は、いわゆる熱電素子（ペルチェ素子）の原理を用いたヒートポンプである。基板３４，３５上に設けられたｐ型半導体２９とｎ型半導体３０とが電極３３を介して直列に接続されており、ｐｎ接合部に電流を流すと、電流の向きに沿ってｎ型からｐ型となる接合部分３１では吸熱現象が、ｐ型からｎ型になる接合部分３２では放熱現象が発生する。ｎ型からｐ型になる接合部分３１は第１の配管区間１１側に、ｐ型からｎ型になる接合部分３２は第２の配管区間１２側となるようにｐ型半導体２９とｎ型半導体３０が配置されている。図７では、３つのｐ型半導体２９及び３つのｎ型半導体３０が示されているが、さらに多数のｐ型及びｎ型半導体を交互に配置することもできる。熱電子式ヒートポンプ２１’は構造がシンプルであり、また機械的な作動部分がないため、静音性に優れている。熱電子式ヒートポンプ２１’は特に小型のヒートポンプとして利用することが望ましい。

　さらに、図示は省略するが、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。例えば、化学式ヒートポンプは塩化カルシウム、酸化カルシウムなどの水和物が充填された反応室と、連通管を介して反応室と接続された凝縮室と、を備えている。第１の配管区間１１は反応室に隣接して位置し、第２の配管区間１２は凝縮室に隣接して位置している。反応室に充填された塩化カルシウム等の水和物は第１の配管区間１１から吸熱し、それによって水和物の水分子が水蒸気となって水和物から離脱し、凝縮室に移行する。凝縮室に移行した水蒸気は凝縮して液化し、隣接して位置する第２の配管区間１２に排熱する。

　次に、以上述べたヒートポンプ２１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。図８Ａ～１０Ｂに示す例は本発明の全ての実施形態に係る水処理システムと組み合わせることができる。

　図８Ａ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℃であるためである。２５℃の標準設計温度は透過水量の確保、塩類付着防止等の観点から設けられている。ＲＯ膜装置１１０出口での水温は、２５℃程度からこれよりやや低い２３℃程度の間の範囲とすることが望ましい。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。

　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。紫外線酸化装置１１４の入口側での水温は２０～３０℃程度とすることが望ましい。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。なお、カートリッジポリッシャー装置１２３内のイオン交換樹脂は高温に弱いため、加熱ポイント１２１に代えて、カートリッジポリッシャー装置１２３と限外ろ過膜装置１２４の間に加熱ポイント１２１’を設けることがより望ましい。

　図８Ｂ～８Ｅ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８Ａに示す超純水製造装置で再利用されてもよい（図中の＊印）。

　図８Ｂ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。中温発酵の場合は３０～３５℃の範囲とすることもできる。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８Ｃ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２０～３０℃程度まで、排水が加温される。

　図８Ｄ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。アンモニアストリッピング処理はｐＨが高いほど効率が良く、最適温度は２０～３５℃程度である。

　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。

　図８Ｅ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。

　図９は、以上説明した装置のうち、図８Ａで説明した超純水製造装置と図８Ｅ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。

　図１０Ａ，１０Ｂ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１０Ａ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１０Ｂ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。熱水は冷却されて排水される。熱殺菌後のブロー水（冷却熱交への流入水）は高温水であるため、ヒートポンプの熱源として使用することができる。

　図８Ａ～１０Ｂにおいては排熱配管区間と吸熱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、様々な排熱配管区間及び吸熱配管区間が存在している。

　次に、以上説明した第１の実施形態に係る水処理システムを、実施例によってさらに詳細に説明する。図１１Ａ～１１Ｃは図９のＡ部を切り出して示した模式図である。図１１Ａは従来技術に従い、排熱配管区間と吸熱配管区間を別々の装置（例えば熱交換器）で加熱冷却する場合を示している。以降の説明では、排熱配管区間を流れる流体の流量は１００ｔ／ｈ（毎時トン）、加熱前の水温は２８８Ｋ、加熱後の温度は２９８Ｋとし、吸熱配管区間を流れる流体の流量は１００ｔ／ｈ（毎時トン）、冷却前の水温は３０３Ｋ、冷却後の温度は２９８Ｋとする。水の比熱は４．２Ｊ／ｇ・Ｋとする。

　以上の条件で必要エネルギーを求めると、排熱配管区間での必要エネルギーは約１．１７×１０^３ｋＷ、吸熱配管区間での必要エネルギーは約５．８×１０^２ｋＷであり、合計約１．８×１０^３ｋＷのエネルギーが必要となる。

　図１１Ｂ，１１Ｃは、本実施形態に従い、ヒートポンプによって吸熱配管区間から吸熱し、排熱配管区間に排熱する場合を示しており、各々図５，６に対応している。図１１Ｂは、吸熱側の必要除熱量でヒートポンプ２１（図中ではＨＰ１と表記）のコンプレッサの容量を決定し、排熱側で不足する熱量を第２のヒートポンプ２７（図中ではＨＰ２と表記）で補う構成である。図１１Ｃは排熱側の必要熱量でコンプレッサ２１の容量を決定し、吸熱側では一部の熱を大気から吸熱する構成である。ここでは、水温１５℃～２５℃の範囲でのヒートポンプ２１，２７の成績係数は、加温で５、冷却で４とした。

　図１１Ｂの場合（実施例１）、吸熱側で必要な除熱量約５．８×１０^２ｋＷを得るための必要コンプレッサ能力は約１．４６×１０^２ｋＷである。このコンプレッサ能力では、排熱側で約７．３×１０^２ｋＷの排熱量が得られる。排熱側における実際に必要な排熱量約１．１７×１０^３との差分（約４．４×１０^２ｋＷ）は第２のヒートポンプ２７で補われる。第２のヒートポンプの必要コンプレッサ能力は約０．８８×１０^２ｋＷであり、合計約２．３×１０^２ｋＷの電気エネルギーが必要となる。これは図１１Ａに示す比較例（従来例）の１／７である。

　同様に、図１１Ｃの場合（実施例２）、排熱側での必要な排熱量約１．１７×１０^３を得るための必要コンプレッサ能力は約２．３×１０^２ｋＷである。このコンプレッサ能力では、吸熱側は必要な除熱量約５．８×１０^２ｋＷ以上に除熱されることになるが、余剰分は大気冷却に用いられる。よって、必要電気エネルギーは図１１Ｂの場合と同様、約２．３×１０^２ｋＷとなる。

　なお、参考例として、図１１Ａの場合で、加熱及び冷却をヒートポンプを用いて行う場合、加熱側における必要な加熱量約１．１７×１０^３と冷却側で必要な除熱量約５．８×１０^２ｋＷは各々別のヒートポンプでまかなわれる。加熱側のヒートポンプの必要コンプレッサ能力は約２．３×１０^２ｋＷ、冷却側のヒートポンプの必要コンプレッサ能力は約１．５×１０^２ｋＷであるから、合計約３．８×１０^２ｋＷの電気エネルギーが必要となる。従って、比較例よりは有利であるが、実施例と比べると６０％以上消費エネルギーが多い結果となった。以上をまとめて表１に示す。

　（第２の実施形態）
　従来、ヒートポンプの熱サイクルは高温状態（凝縮時）と低温状態（蒸発時）の温度差を大きく取るように設計されることが一般的であった。これは、従来の水加温用ヒートポンプはボイラ代替用途であり、ボイラ同様高温水を出湯するよう設計されているからである。

　しかし、一般に水処理システムでは、内部を流通する水の温度は常温付近に維持されることが多く、極端な高温や低温にされることはない。加温する場合は、温度は２０～３５℃となるように制御されることが多い。

　さらに、冷媒の温度差が大きいとコンプレッサの圧縮仕事を増加する必要があり、このことは運転コストの増加に直接的につながる。冷媒の温度差が大きいとヒートポンプの内部からの放熱ロスも大きくなる。冷媒の温度差は必要最小限であることが望ましい。

　第２の実施形態はこのような課題に鑑みて、エネルギー効率が高く、しかも安定した温度制御が可能な水処理システム及び水処理方法を提供する。

　本実施形態では、ヒートポンプ２１として蒸気圧縮式ヒートポンプを用いている。本実施形態では、図１～６に示す第１の実施形態の各例において、第２の配管区間１２（排熱配管区間）のヒートポンプ２１の出口側及び第１の配管区間１１（吸熱配管区間）のヒートポンプ２１の入口側での温度が、上述の温度範囲に制御される。すなわち、本実施形態では、第２の配管区間１２は、ヒートポンプの出口側（より一般的には、第２の配管区間１２の、蒸気圧縮式ヒートポンプとの間で熱の授受が行われる部位１３１の出口側）における水温が２０～３５℃となるようにされている。このような温度条件下でヒートポンプを作動させると、エネルギー効率が飛躍的に高まる。

　図１２は、蒸気圧縮式ヒートポンプの熱サイクルを示すモリエル線図である。上述の通り、蒸気圧縮式ヒートポンプは内部を循環する冷媒が、蒸発、圧縮、凝縮、膨張の熱サイクルを受ける。具体的には、冷媒は点Ａから点Ｂの区間で、冷媒よりも高温の流体と熱交換し（冷媒は加熱され、高温の流体は冷却される）蒸発する。点Ｂから点Ｃの区間ではコンプレッサにより圧縮され、温度及び圧力が上昇する。点Ｃから点Ｄの区間では、冷媒よりも低温の流体と熱交換し（冷媒は冷却され、低温の流体は加熱される）凝縮する。点Ｄから点Ａの区間では、冷媒は膨張弁を通過しながら膨張し、減圧される。冷媒は、点Ａから点Ｂの区間では外部の流体から熱Ｑ_Ｃを奪い（冷却工程）、点Ｂから点Ｃの区間ではコンプレッサによる圧縮仕事Ｗを受け、点Ｃから点Ｄの区間では外部の流体へ熱Ｑ_Ｈを与える（加熱工程）。加熱時の成績係数はＱ_Ｈ／Ｗであり、冷却時の成績係数はＱ_Ｃ／Ｗである。従って、Ｗが小さいほど成績係数は増加し、エネルギー効率が向上する。

　サイクルＡＢＣＤは凝縮温度Ｔ２と蒸発温度Ｔ１に対応している。これに対してサイクルＡＢＣ’Ｄ’は、従来一般的であったより高い凝縮温度Ｔ２’に対応しており（蒸発温度Ｔ１は一定）、Ｑ_ＨはＱ_Ｈ’に増加するが、圧縮仕事ＷもＷ’に増加する。図より明らかな通りＱ_Ｈ／Ｗ≧Ｑ_Ｈ’／Ｗ’であるため、凝縮温度が増加すると加熱時の成績係数が低下する。同様にＱ_Ｃ／Ｗ≧Ｑ_Ｃ／Ｗ’であるため、凝縮温度が増加すると冷却時の成績係数が低下する。

　以上のように、成績係数を上げるには凝縮温度と蒸発温度の差をできるだけ小さくすることが有効である。ところで、水処理システムでは水の温度がシステム内で大きく変動することはなく、常温付近の温度から高々数十度の範囲内で変動するにすぎない。従って、温度制御対象となる水の目標水温を常温付近に設定することで、冷媒の凝縮温度と蒸発温度の差も抑えることができる。水処理システムにおける加温箇所（例えばＲＯ膜装置）は、一般に２０～３５℃程度の範囲で温度制御することが多い。よって、特定の部位の水温を２０～３５℃程度となるように調整すれば、凝縮温度と蒸発温度の差が抑えられ、極めてエネルギー効率の高い運転が可能となる。

　この点について補足すると、一般の水加温、または給湯用蒸気圧縮式ヒートポンプでは、熱源は水と空気に大別される。水の場合、主として冷水を対象としている。空気の場合、外気である。水はもちろん、外気であっても０℃付近では含有水分が凍結する恐れがある。このために凝縮温度は０℃より上、したがって線ＡＢは縦軸方向に下向きには実用上動かせないことになる。これに対して、線ＣＤ（Ｃ’Ｄ’）の位置はコンプレッサの圧縮仕事によって決まる。第２の配管区間１２の、蒸気圧縮式ヒートポンプの出口側における水温を従来よりも低めに設定することで、凝縮温度Ｔ２を下げることができ、その結果コンプレッサの圧縮仕事を減らすことができる。これによって、ヒートポンプの成績係数を上げ、運転効率を高めることができる。

　吸熱配管区間１１のヒートポンプ２１の入口側（より一般的には、第１の配管区間１１の、蒸気圧縮式ヒートポンプとの間で熱の授受が行われる部位１３２の入口側）での温度を２０～３５℃とすると、ヒートポンプ２１の凝縮温度と蒸発温度の差が小さくなる場合があり、さらにエネルギー効率を向上させることができる。

　このように、図１～６に示すいずれの実施形態でも、第２の配管区間１２（または１４）を温度制御対象配管とする場合は、第２の配管区間１２（または１４）の、蒸気圧縮式ヒートポンプとの間で熱の授受が行われる部位１３１の出口側における水温が２０～３５℃となるようにすればよい。

　従来は、中間ループを設ける場合でも、中間ループに用いる媒体が高温となることが多く、中間ループにおける放熱ロスが大きかったが、本実施形態では蒸気圧縮式ヒートポンプの出口側における温度が２０～３５℃と低温であるため、媒体の温度も低く抑えられ、放熱ロスを抑えることができる。

　次に、以上説明した第２の実施形態に係る水処理システムを、実施例によってさらに詳細に説明する。図１３に示すように、出力１．５ｋＷのコンプレッサを備えた蒸気圧縮式ヒートポンプによって、蒸気圧縮式ヒートポンプの出口側における温度が２０～３５℃となるように、第２の配管区間１２を流れる水を加熱した。本実施例では、装置３，４は設けておらず、空気を熱源とした。加熱対象水のヒートポンプ入口側水温は２１℃、周囲の空気温度は２３℃であった。加熱対象水の流量を変化させることでヒートポンプ出口側水温を変化させた。このときの、流量毎の出口側水温、消費エネルギー、成績係数（ＣＯＰ）は以下の通りとなった。

　従来のヒートポンプでは、加熱対象水のヒートポンプ出口側水温を高めに設定することが多い。これに対し、加熱対象水のヒートポンプ出口側水温を低めに設定するとＣＯＰが著しく改善される。２０～３５℃の温度範囲では特に高いＣＯＰが得られた。これは、凝縮温度と蒸発温度の差が小さくなっているためであると考えられる。

　（第３の実施形態）
　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。

　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。

　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。

　第３～第６の実施形態は、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方法を提供する。

　図１４Ａを参照すると、水処理システム２０１ａは、互いに隣接する複数の装置Ｄ１，Ｄ２同士を接続する第１の配管区間２０２（吸熱配管区間）と、第１の配管区間２０２の一部と熱的に接続されたヒートポンプ２０３と、第１の熱貯蔵手段２０４と、第１のバイパス管２０５と、を有している。第１の配管区間２０２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。第１の配管区間２０２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。

　水処理システム２０１ａはさらに、互いに隣接する複数の装置Ｄ３，Ｄ４同士を接続する第２の配管区間２２２（排熱配管区間）と、第２の熱貯蔵手段２２４と、第２のバイパス管２２５とを有している。第２の配管区間２２２も水が流れるようにされている。ヒートポンプ２０３は、第１の配管区間２０２の接続部２０６において第１の配管区間２０２と熱的に接続され、第１の配管区間２０２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２０３は第２の配管区間２２２の一部とも、接続部２２６において熱的に接続され、第２の配管区間２２２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２０３を介して第１の配管区間２０２と第２の配管区間２２２との間で熱量の授受を行うことができる。

　ヒートポンプ２０３は本実施形態では蒸気圧縮式を用いている。図１４Ｂは、図１４Ａに示すヒートポンプ２０３の部分詳細図である。ヒートポンプ２０３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２０３ａと、冷媒を圧縮するコンプレッサ２０３ｂと、冷媒を凝縮させる凝縮器２０３ｃと、冷媒を膨張させる膨張弁２０３ｄ、とを備え、これらの要素がこの順で閉ループ２０３ｅ上に配置されている。冷媒は、閉ループ２０３ｅ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２０３ａは接続部２０６で第１の配管区間２０２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、第１の配管区間２０２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２０３ｂで圧縮され、高温高圧の気相となる。冷媒は次に凝縮器２０３ｃに送られる。凝縮器２０３ｃは接続部２２６で第２の配管区間２２２と熱的に接続しており、凝縮の際に放出された凝縮熱ＱＨが第２の配管区間２２２を流れる水に与えられる。凝縮した冷媒は膨張弁２０３ｄを通って減圧冷却される。このようにしてヒートポンプ２０３の１サイクルの運転の間に、第１の配管区間２０２の冷却と第２の配管区間２２２の加熱が行われる。

　ヒートポンプ２０３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。

　第１の熱貯蔵手段２０４は、第１の配管区間２０２のヒートポンプ２０３との接続部２０６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２０４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２０４の下流側には第１の流量調整手段２１１が設けられている。第１の流量調整手段２１１としては一般的な流量調整弁を用いることができる。

　第１のバイパス管２０５は接続部２０６の上流側で第１の配管区間２０２から分岐して、第１の熱貯蔵手段２０４の下流側で第１の配管区間２０２と合流している。分岐部には三方弁２０８が設けられ、第１の配管区間２０２と第１のバイパス管２０５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２１１に代えて、第１のバイパス管２０５と第１の配管区間２０２の合流部に三方弁を設けてもよい。

　第１の配管区間２０２の第１のバイパス管２０５との合流部より下流側には第１の温度センサ２０９が設けられている。

　第１の制御部２１０は、第１の温度センサ２０９で測定された水の温度Ｔ２に応じて、三方弁２０８の開度を調整し、第１のバイパス管２０５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２１１を調整し、第１の熱貯蔵手段２０４から流出する水の流量を制御する。

　第２の熱貯蔵手段２２４は、第２の配管区間２２２のヒートポンプ２０３との接続部２２６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２２４は第１の熱貯蔵手段２０４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２２４の下流側には第２の流量調整手段２３１が設けられている。第２の流量調整手段２３１としては一般的な流量調整弁を用いることができる。

　第２のバイパス管２２５は接続部２２６の上流側で第２の配管区間２２２から分岐して、第２の熱貯蔵手段２２４の下流側で第２の配管区間２２２と合流している。分岐部には三方弁２２８が設けられ、第２の配管区間２２２と第２のバイパス管２２５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２３１に代えて、第２のバイパス管２２５と第２の配管区間２２２の合流部に三方弁を設けてもよい。

　第２の配管区間２２２の第２のバイパス管２２５との合流部より下流側には第２の温度センサ２２９が設けられている。

　第２の制御部２３０は、第２の温度センサ２２９で測定された水の温度Ｔ２’に応じて、第２のバイパス管２２５へ流入する水の流量と、第２の熱貯蔵手段２２４から流出する水の流量とを制御する。第２の制御部２３０は第１の制御部２１０と共通の制御部として構成することができる。

　次に、以上述べた水処理システム２０１ａ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’の水が一定流量で第２の配管区間２２２に流入し、三方弁２２８で第２の配管区間２２２と第２のバイパス管２２５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２０３から加えられる供給熱量ＱＨは一定とし、水処理システム２０１ａ内の熱交換効率や第２の熱貯蔵手段２２４での放熱は無視する。

　まず初期状態として、第２の配管区間２２２と第２のバイパス管２２５への流入比率が所定の値となるように三方弁２２８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２２５への流入は全くないと仮定する。第２の熱貯蔵手段２２４の第２の流量調整手段２３１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２２４を通過する状態としておく。その後ヒートポンプ２０３を起動し、水を温度Ｔ１’で供給し、第２の温度センサ２２９で出口側での水の温度Ｔ２’を連続的に測定する。

　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２２８を調整し、水の一部を第２のバイパス管２２５に流入させる。しかしこれだけでは、第２の配管区間２２２を流れる水の温度が上昇し、第２のバイパス管２２５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２２４の出口側に設けられた第２の流量調整手段２３１によって第２の熱貯蔵手段２２４の出口側での流量を絞り、第２の流量調整手段２３１を通過した水と、第２のバイパス管２２５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２２４には温水、すなわち熱量が貯蔵されていく。

　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２３１を制御して、第２の熱貯蔵手段２２４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２２４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２２４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２２４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２０３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。

　図１５Ａ，１５Ｂは以上説明したことを模式的に示している。図１５Ａは時間と温度Ｔ１’の関係を、図１５Ｂは時間と第２の熱貯蔵手段２２４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２２４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２２４は、ヒートポンプ２０３と第２の配管区間２２２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２２４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）。

　第１の配管区間２０２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２０４に貯蔵しておき、温度Ｔ２が高い場合は第１の熱貯蔵手段２０４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２０４は、ヒートポンプ２０３と第１の配管区間２０２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２０４に実際に貯蔵されているのは冷水であるが、この冷水は第１の配管区間２０２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２０４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。

　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１６Ａ～１６Ｆを参照して説明する。

　図１６Ａ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。

　図１６Ｂは、必要加熱熱量の最低値にあわせてヒートポンプ２０３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２０３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１６Ｃ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。

　図１６Ｄは、必要加熱熱量の平均値にあわせてヒートポンプ２０３を構成した場合を示している。この例では、ヒートポンプ２０３によって移送する熱量が増加するため、図１６Ｂ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１６Ｅ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。

　図１６Ｆは、図１６Ｄ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。

　（第４の実施形態）
　図１７を参照すると、第４の実施形態の水処理システム２０１ｂは、第３の実施形態に加えて、第１の熱貯蔵手段２０４から、接続部２０６の上流側でかつ第１のバイパス管２０５の分岐部より下流側の第１の配管区間２０２に水を還流させる第１の還流管２１５を有している。第１の還流管２１５は第１の配管区間２０２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２０３による吸熱を行うことができる。第１の熱貯蔵手段２０４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２０３の冷却能力に余裕がある場合に第１の熱貯蔵手段２０４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。

　第２の熱貯蔵手段２２４についても同様の還流管を設けることができる。図１７を参照すると、第２の配管区間２２２の接続部２２６の上流側でかつ第２のバイパス管２２５の分岐部より下流側の第２の配管区間２２２に水を還流させる第２の還流管２３５が設けられている。第２の熱貯蔵手段２２４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２３５によって温度の低下した水をヒートポンプ２０３によって再加熱することで、第２の熱貯蔵手段２２４に貯蔵された余剰の加熱能力を維持することができる。

　第２の熱貯蔵手段２２４において、第２の還流管２３５への流出部Ｌは第２の配管区間２２２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２の配管区間２２２からの流入部Ｈは第２の熱貯蔵手段２２４の最上部に、第２の還流管２３５への流出部Ｌは第２の熱貯蔵手段２２４の底部に設けることが望ましい。第２の熱貯蔵手段２２４に水が貯蔵されている状態でヒートポンプ２０３の運転を開始すると、ヒートポンプ２０３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２２４に流入し、それによって、第２の熱貯蔵手段２２４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２２４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２２４からヒートポンプ２０３に供給され、加熱効率を高めることができる。

　（第５の実施形態）
　第５の実施形態は、第３，４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１８を参照すると、水処理システム２０１ｃは、第１の実施形態と同様、水が流れるようにされた第１の配管区間２０２と、ヒートポンプ２０３と、を有している。本実施形態では、水処理システム２０１ｃは第１の中間ループ２１２を有している。第１の中間ループ２１２は、第１の配管区間２０２の一部及びヒートポンプ２０３と、それぞれ接続部２０６，２１６において熱的に接続されている。第１の中間ループ２１２は、第１の配管区間２０２を流れる水とヒートポンプ２０３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２１２にＣＯ_２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。

　水処理システム２０１ｃは、第１の中間ループ２１２から三方弁２１８で分岐し、その下流で第１の中間ループ２１２と合流する第１の中間ループバイパス管２１４を有している。具体的には、第１の中間ループバイパス管２１４は、第１の熱媒体の流れる方向に沿ってヒートポンプ２０３側の接続部２１６の下流側で第１の中間ループ２１２から分岐して、第１の配管区間２０２側の接続部２０６の上流側で第１の中間ループ２１２と合流している。第１の中間ループバイパス管２１４には、第１の中間ループ２１２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２１３が設けられている。第３の熱貯蔵手段２１３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２１１が設けられている。

　第１の配管区間２０２の第１の中間ループ２１２との接続部２０６より下流側には、第１の温度センサ２０９が設けられている。

　第１の制御部２１０は、第１の温度センサ２０９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２１４へ流入する第１の熱媒体の流量と、第３の熱貯蔵手段２１３から流出する第１の熱媒体の流量とを制御する。

　水処理システム２０１ｃはさらに、第２の配管区間２２２と、第２の中間ループ２３２と、第４の熱貯蔵手段２３３と、第２の中間ループバイパス管２３４と、を有している。第２の中間ループ２３２は、第２の配管区間２２２の一部及びヒートポンプ２０３と、それぞれ接続部２２６，２３６において熱的に接続されている。第２の中間ループ２３２は、第２の配管区間２２２を流れる水とヒートポンプ２０３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２０３を介して、第１の配管区間２０２と第２の配管区間２２２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。

　水処理システム２０１ｃは、第２の中間ループ２３２から三方弁２３８で分岐し、その下流で第２の中間ループ２３２と合流する第２の中間ループバイパス管２３４を有している。具体的には、第２の中間ループバイパス管２３４は、第２の熱媒体の流れる方向に沿ってヒートポンプ２０３側の接続部２３６の下流側で第２の中間ループ２３２から分岐して、第２の配管区間２２２側の接続部２２６の上流側で第２の中間ループ２３２と合流している。第２の中間ループバイパス管２３４には、第２の中間ループ２３２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２３３が設けられている。第４の熱貯蔵手段２３３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２３１が設けられている。

　第２の配管区間２２２の第２の中間ループ２３２との接続部２２６より上流側には、第２の温度センサ２２９が設けられている。

　第２の制御部２３０は、第２の温度センサ２２９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２３４へ流入する第２の熱媒体の流量と、第４の熱貯蔵手段２３３から流出する第２の熱媒体の流量を制御する。

　本実施形態は２つの中間ループ２１２，２３２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。

　第１の中間ループ２１２及び第２の中間ループ２３２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２０３が第１の配管区間２０２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２０３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１８の例では、例えば第１の配管区間２０２は最短の配管長で設置し、第１の配管区間２０２とヒートポンプ２０３の間は圧力損失の小さい第１の中間ループ２１２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が第１の配管区間２０２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２１２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２３２についても同様である。

　さらに図示は省略するが、第１の中間ループ２１２と第２の中間ループ２３２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２３２に沿って加熱の必要な他の配管区間を設け、第２の配管区間２２２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。

　次に、以上述べた水処理システム２０１ｃ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’の水が一定流量で第２の配管区間２２２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２０３から加えられる熱量ＱＨは一定とし、水処理システム２０１ｃ内の熱交換効率や第４の熱貯蔵手段２３３での放熱は無視する。第２の中間ループ２３２はヒートポンプ２０３と熱的に接続されており、第２の中間ループ２３２を流れる第２の熱媒体は、ヒートポンプ２０３によって加熱され、第２の配管区間２２２を流れる水と熱交換して冷却される。

　まず初期状態として、第２の中間ループバイパス管２３４への流入比率が所定の値となるように三方弁２３８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２３４への流入は全くないと仮定する。第４の熱貯蔵手段２３３の出口側に設けられた第２の流量調整手段２３１は閉止状態としておく。その後ヒートポンプ２０３を起動し、水を温度Ｔ１’で供給し、第２の温度センサ２２９で出口側での水の温度Ｔ２’を連続的に測定する。

　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２３８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２３４に流入させる。これによって、第２の中間ループ２３２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２３３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。

　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２３１を制御して、第４の熱貯蔵手段２３３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２３３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。

　第１の配管区間２０２についても同様である。第１の配管区間２０２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２１３に貯蔵され、温度Ｔ１が高い場合は第３の熱貯蔵手段２１３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。

　（第６の実施形態）
　図１９を参照すると、水処理システム２０１ｄは、第１の配管区間２０２及びヒートポンプ２０３の各々と熱的に接続され、第１の配管区間２０２を流れる水とヒートポンプ２０３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２１７を有している。水処理システム２０１ｄ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２１３を有している。第３の中間ループ２１７は、第３の熱貯蔵手段２１３を挟んで第１の循環ループ２１７ａと第２の循環ループ２１７ｂとに区画されている。第１の循環ループ２１７ａは、接続部２０６で第１の配管区間２０２と熱的に接続されており、第３の熱貯蔵手段２１３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２１７ｂは、接続部２１６でヒートポンプ２０３と熱的に接続されており、第３の熱貯蔵手段２１３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２１７ｂは第１の熱媒体を補給するための補給管２１９ａを備えている。

　同様に、水処理システム２０１ｄは、第２の配管区間２２２及びヒートポンプ２０３の各々と熱的に接続され、第２の配管区間２２２を流れる水とヒートポンプ２０３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２３７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２３３と、を有している。第４の中間ループ２３７は、第４の熱貯蔵手段２３３を挟んで第３の循環ループ２３７ａと第４の循環ループ２３７ｂとに区画されている。第３の循環ループ２３７ａは、接続部２２６で第２の配管区間２２２と熱的に接続されており、第４の熱貯蔵手段２３３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２３７ｂは、接続部２３６でヒートポンプ２０３と熱的に接続されており、第４の熱貯蔵手段２３３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２３７ｂは第２の熱媒体を補給するための補給管２３９ａを備えている。

　第２の配管区間２２２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２３３に貯蔵され、温度Ｔ１’が低い場合は第２の流量調整手段２３１が調整され、第４の熱貯蔵手段２３３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。

　第１の配管区間２０２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２１３に貯蔵され、温度Ｔ１が高い場合は第１の流量調整手段２１１が調整され、第３の熱貯蔵手段２１３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。

　第４の熱貯蔵手段２３３において、第４の循環ループ２３９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２３３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２３３の低部に位置していることが望ましい。その理由は第５の実施形態と同様である。

　以上説明したように、第３～第６の各実施形態では、ヒートポンプ２０３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。

　（実施例）
　図２０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５ｍ^３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。

　水の入口温度Ｔ１と出口温度Ｔ２は表３の通りとした。

　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４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２１Ａ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。

　表５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。「熱媒体貯蔵手段貯水量（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、「熱媒体手段放水量（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４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。

　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。８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。

　（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６に示す。図２１Ｂ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。

（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７に示す。図２１Ｃ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。

　１～６　第１～６の装置
　１１，１３　第１，第３の配管区間（吸熱配管区間）
　１２，１４　第２，第４の配管区間（排熱配管区間）
　２１，２１’，２１”　ヒートポンプ
　２０２　第１の配管区間（吸熱配管区間）
　２０３　ヒートポンプ
　２０４　第１の熱貯蔵手段
　２２２　第２の配管区間（排熱配管区間）
　２２４　第２の熱貯蔵手段

Claims

　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、
　を有する、水処理システム。
　前記吸熱配管区間からの吸熱の不足もしくは過剰な吸熱、または前記排熱配管区間への排熱の不足もしくは過剰な排熱を補償するために、前記吸熱配管区間または排熱配管区間を加熱または除熱する手段、または水処理システムの系外と熱を授受する手段を有する、請求項１に記載の水処理システム。
　前記手段は第２のヒートポンプである、請求項２に記載の水処理システム。
　前記吸熱配管区間と前記ヒートポンプとの間に設けられ、該吸熱配管区間からの吸熱を前記ヒートポンプに伝達する第１の中間ループと、前記排熱配管区間と前記ヒートポンプとの間に設けられ、前記ヒートポンプからの排熱を該排熱配管区間に伝達する第２の中間ループの少なくともいずれかを有する、請求項１に記載の水処理システム。
　前記吸熱配管区間は複数個所設けられ、該複数の吸熱配管区間と前記ヒートポンプとの間に、該複数の吸熱配管区間からの吸熱を前記ヒートポンプに伝達する第１の中間ループを有する、請求項１に記載の水処理システム。
　前記排熱配管区間は複数個所設けられ、該複数の排熱配管区間と前記ヒートポンプとの間に、前記ヒートポンプからの排熱を該複数の排熱配管区間に伝達する第２の中間ループを有する、請求項１に記載の水処理システム。
　前記ヒートポンプは蒸気圧縮式、吸収式、吸着式、熱電子式または化学式のいずれかである、請求項１に記載の水処理システム。
　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を有する、請求項１に記載の水処理システム。
　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８に記載の水処理システム。
　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８に記載の水処理システム。
　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８に記載の水処理システム。
　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８に記載の水処理システム。
　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８に記載の水処理システム。
　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８に記載の水処理システム。
　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８に記載の水処理システム。
　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８に記載の水処理システム。
　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８に記載の水処理システム。
　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８に記載の水処理システム。
　前記ヒートポンプは蒸気圧縮式ヒートポンプであり、前記排熱配管区間の、前記ヒートポンプの間で熱の授受が行われる部位の出口側における水の温度が２０～３５℃となるように構成されている、請求項１に記載の水処理システム。
　前記吸熱配管区間は、前記ヒートポンプとの間で熱の授受が行われる部位の入口側で温度２０～３５℃の水が流れるようにされている、請求項１９に記載の水処理システム。
　前記ヒートポンプとは別に、前記排熱配管区間または前記吸熱配管区間を加熱または冷却する手段を有する、請求項１９に記載の水処理システム。
　前記排熱配管区間と前記ヒートポンプとの間、または前記吸熱配管区間と前記蒸気圧縮式ヒートポンプとの間の少なくとも一方に設けられ、前記排熱配管区間または前記吸熱配管区間と前記ヒートポンプとの間で熱の授受を行うための中間ループを有する、請求項１９に記載の水処理システム。
　前記ヒートポンプは、逆浸透膜装置の入口側配管区間を流れる水を、水温が２３～２５℃となるように加熱する、請求項１９に記載の水処理システム。
　前記ヒートポンプは、紫外線酸化装置の入口側配管区間を流れる水を、水温が２０～３０℃となるように加熱する、請求項１９に記載の水処理システム。
　前記ヒートポンプは、アンモニアストリッピング装置の入口側配管区間を流れる水を、水温が２０～３５℃となるように加熱する、請求項１９に記載の水処理システム。
　前記ヒートポンプは、好気性処理装置の入口側配管区間を流れる水を、水温が２０～３０℃となるように加熱する、請求項１９に記載の水処理システム。
　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、を有する水処理システムを用いた水処理方法であって、
　ヒートポンプによって、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ことを含む、水処理方法。
　蒸気圧縮式ヒートポンプと熱的に接続された排熱配管区間及び吸熱配管区間に水を通水することと、
　前記排熱配管区間で冷媒の凝縮工程が、吸熱配管区間で前記冷媒の蒸発工程が行われるように前記蒸気圧縮式ヒートポンプを運転することと、
　を含み、
　前記蒸気圧縮式ヒートポンプを運転することは、前記排熱配管区間の、前記蒸気圧縮式ヒートポンプとの間で熱の授受が行われる部位の出口側における水の温度が２０～３５℃となるように制御することを含む、水処理方法。