JP5775267B2

JP5775267B2 - Water treatment system

Info

Publication number: JP5775267B2
Application number: JP2010120696A
Authority: JP
Inventors: 亮輔寺師; 良行高橋; 川田　和彦; 和彦川田
Original assignee: Organo Corp
Current assignee: Organo Corp
Priority date: 2010-05-26
Filing date: 2010-05-26
Publication date: 2015-09-09
Anticipated expiration: 2030-05-26
Also published as: JP2011245413A

Description

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。 The present invention relates to a water treatment system and a water treatment method, and more particularly to a water treatment system with low energy consumption.

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。 A water treatment system such as a pure water production system is constituted by connecting various devices for water treatment with pipes. Examples of these devices include ion exchange devices, reverse osmosis membrane (RO membrane) devices, and filtration devices. Each device has an optimal water temperature range in order to maximize performance (impurity removal characteristics, etc.). On the other hand, for use points (use points), various temperatures such as 25 ° C., 60 ° C., and 80 ° C. may be required. Moreover, in the site | part which performs a circulating operation, the temperature of circulating water becomes easy to rise by the heat input from the pump accompanying a circulating operation, etc. As described above, in the water treatment system, it is necessary to adjust the temperature at various points in the system due to various factors such as the temperature requirement of the apparatus, the system requirement, and the system configuration.

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。 Patent Document 1 discloses an apparatus for producing ultrapure water. The raw water supplied from the raw water tank is processed in a degassing tank or RO membrane device and sent to a subsequent process. Since the standard design temperature of the reverse osmosis membrane in the RO membrane device is 25 ° C., in order to adjust the temperature of the treated water at the entrance point of the RO membrane device to this temperature, some heat is generated between the raw water tank and the deaeration tank. An exchange is installed.

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。 Patent Document 2 discloses an example in which a heat pump is used in a water treatment system for heat exchange. Heat pumps are known as energy efficient heat exchange systems. The heat pump takes heat from an external heat source and supplies the taken heat to the heating target part, or takes heat from the cooling target part and releases the taken heat to the outside.

特開２００９−１８３８００号公報JP 2009-183800 A 特開２００２−１６０３６号公報JP 2002-16036 A

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。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。 Conventionally, when adjusting the temperature of the water to be treated that circulates in the water treatment system, it has been common to provide equipment such as a cooling tower and a boiler. However, such a system configuration has the following problems in terms of energy utilization efficiency and, in turn, environmental loads such as carbon dioxide emissions.

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。 That is, the energy for heating and cooling is individually input at the target site for heating and cooling. For example, when a boiler is used for heating, hot water or steam having a temperature higher than that of the heating target part is produced by heat energy input to the boiler, and heat of the hot water or steam is added to the heating target part. . When a cooling tower is used for cooling, cooling water having a temperature lower than that of the cooling target portion is produced, and heat is taken away from the cooling target portion. The total energy required for temperature adjustment is the sum of the energy required for each target part of heating and cooling.

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。勿論、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り、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ため、熱交換器を効率的に使用できる部位は限られている。 In a water treatment system, it is generally difficult to use heat deprived from a cooling target site as heat applied to the heating target site. Of course, there are cases where such a process can be realized by a heat exchanger, but for this purpose, the part to be cooled must be on the high temperature side and the part to be heated must be on the low temperature side. If there is no considerable temperature difference, efficient heat transfer cannot be achieved. In the case of a water treatment system, many parts are controlled at a temperature close to room temperature, there is no large temperature difference, and the relationship that the part to be cooled is the high temperature side and the part to be heated is the low temperature side is not necessarily established. Therefore, the part which can use a heat exchanger efficiently is limited.

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、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、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った。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。 Unlike heat exchangers, heat pumps can transfer heat from a low temperature heat source to a high temperature heat source. However, the performance of the heat pump varies greatly depending on external temperature conditions. For example, when heat is absorbed from air at a low temperature, the heat absorption efficiency is greatly reduced. Thus, the heat pump is easily affected by the external temperature, and it has been difficult to stably control the water temperature in the water treatment system. If the heat pump has an excessive capacity, the influence of fluctuations in external temperature conditions can be mitigated, but it will have a significant impact on costs. The present invention has been made in view of these problems, and is highly energy efficient and stable. An object of the present invention is to provide a water treatment system and a water treatment method capable of controlling the temperature.

本発明の水処理システムは、複数の水処理装置と、互いに隣接する複数の水処理装置同士を接続し、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、吸熱配管区間とヒートポンプとの間に設けられ、吸熱配管区間からの吸熱をヒートポンプに伝達する第１の中間ループと、排熱配管区間とヒートポンプとの間に設けられ、ヒートポンプからの排熱を排熱配管区間に伝達する第２の中間ループと、を有している。排熱配管区間の出口側の水処理装置は逆浸透膜装置、紫外線酸化装置、カートリッジポリッシャー装置、限外ろ過膜装置のいずれかである。
The water treatment system of the present invention connects a plurality of water treatment devices and a plurality of adjacent water treatment devices, a plurality of piping sections through which water flows, and at least one piping section as an endothermic piping section. A heat pump that absorbs heat from the endothermic piping section and exhausts the heat absorbed from the endothermic piping section to at least one other piping section as an exhaust heat piping section; A first intermediate loop that is provided between the heat absorption pipe section and transfers heat absorbed from the heat absorption pipe section to the heat pump; and a first intermediate loop that transfers heat exhaust from the heat pump to the heat discharge pipe section. 2 intermediate loops. The water treatment device on the outlet side of the exhaust heat piping section is any of a reverse osmosis membrane device, an ultraviolet oxidation device, a cartridge polisher device, and an ultrafiltration membrane device.

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。 The heat pump can take heat away from the endothermic target site and move the heat to the exhaust heat target site. Therefore, in the water treatment system, when there is a part that needs heat absorption (cooling) (endothermic piping section) and a part that needs exhaust heat (heating) (exhaust heat piping section), use a heat pump to It is possible to transfer heat from the heat exhaust pipe section. Since the heat lost for cooling can be utilized for heating another part, energy efficiency is remarkably improved.

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り、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。 Further, each of the heat absorption pipe section and the exhaust heat pipe section is a temperature adjustment part and at the same time is a stable heat source. That is, as described above, when one of heat absorption or exhaust heat is performed using an external heat source, the heat pump performance is easily affected by temperature fluctuations of the external heat source. When using external air as a heat source, if the outside air temperature is low, heat absorption is difficult and heat pump performance is reduced. Even when groundwater or seawater is used as a heat source, the temperature does not change as much as air, but the same problem occurs. On the other hand, in the case of the present invention, since the piping section in the water treatment system in which the water temperature is controlled is used as the heat source (heat absorption piping section or exhaust heat piping section), the temperature variation of the heat source hardly occurs. For this reason, the heat pump performance is not easily influenced by the external environment such as the outside air temperature or the seawater temperature, and it becomes possible to stably maintain a good heat pump performance. In the case of a heat pump using air as a heat source, defrosting is required when the outside air temperature drops to near 0 ° C., and in the case of a heat pump using groundwater or seawater as a heat source, it is necessary to treat wastewater and take measures against corrosion. The present invention does not cause such a problem.

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。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a water treatment system and a water treatment method that have high energy efficiency and are capable of stable temperature control.

本発明の水処理システムの、基本的な実施形態を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows basic embodiment of the water treatment system of this invention. 本発明の水処理システムの、中間ループを設けた実施形態を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows embodiment which provided the intermediate | middle loop of the water treatment system of this invention. 本発明の水処理システムの、複数の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。It is a conceptual diagram which shows embodiment with the some waste heat piping area | region of the water treatment system of this invention. 本発明の水処理システムの、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。It is a conceptual diagram which shows embodiment with the some heat absorption and waste heat piping area | region of the water treatment system of this invention. 本発明の水処理システムの、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。It is a conceptual diagram which shows embodiment provided with the auxiliary | assistant heating means of the water treatment system of this invention. 本発明の水処理システムの、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。It is a conceptual diagram which shows embodiment with which the 2nd heat pump of the water treatment system of this invention was provided. 本発明の水処理システムの、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。It is a conceptual diagram which shows embodiment using the thermoelectronic heat pump of the water treatment system of this invention. 水処理システムの構成の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of a structure of a water treatment system. 水処理システムの構成の他の例を示す概略図である。It is the schematic which shows the other example of a structure of a water treatment system. 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。It is the schematic which shows the line structure at the time of the hot water sterilization of a water treatment system. 実施例及び参考例の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of an Example and a reference example.

図１〜７を参照して、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。 With reference to FIGS. 1-7, several embodiment which concerns on the water treatment system of this invention is described. These figures extract and show only the part relevant to each embodiment among various apparatuses which comprise a water treatment system. An example of an actual water treatment system will be described later.

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。 FIG. 1 shows first and second devices 1 and 2 that are adjacent to each other, and a first piping section 11 that connects them. In these devices 1 and 2 and the piping section 11, fluid (treated water) flows from the first device 1 to the second device 2 in the right direction in the figure. Similarly, FIG. 1 shows the third and fourth devices 3 and 4 adjacent to each other and the second piping section 12 connecting them. Also in these devices 3 and 4 and the piping section 12, a fluid (treated water) flows from the third device 3 to the fourth device 4 in the right direction in the drawing. The first to fourth devices 1 to 4 may be anything.

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高い場合、ＲＯ膜装置に入る前に被処理水を冷却する必要がある。なお、本明細書では排熱の際のロスは無視しており、吸熱がそのまま１００％排熱されると仮定しているが、実際には吸熱量と排熱量は一致していないことに留意されたい。 In the present embodiment, heat is absorbed from the first piping section 11 (indicated by the symbol Q _c1 ) and exhausted to the second piping section 12 (also denoted by the symbol Q _H1 ). In such a situation, for example, the outlet water temperature of the first device 1 is higher than the required water temperature at the inlet point of the second device 2, and it is necessary to cool the water to be treated, and the third device 3. This occurs when the outlet water temperature is lower than the required water temperature at the inlet point of the fourth apparatus 4 and it is necessary to heat the water to be treated. As an example, the RO membrane device has a standard design temperature of the reverse osmosis membrane of 25 ° C. as described above, but if the water temperature at the entrance point is higher than this, it is necessary to cool the water to be treated before entering the RO membrane device. is there. In this specification, the loss during exhaust heat is ignored and it is assumed that the endotherm is exhausted 100% as it is, but it is noted that the endothermic amount and the exhaust heat amount do not actually match. I want.

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、高温高圧の気体となる。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、吸熱配管区間１１からの吸熱と、排熱配管区間１２への排熱が行われる。 For this purpose, the water treatment system is provided with a heat pump 21 that absorbs heat from the first piping section 11 (endothermic piping section) and exhausts heat to the second piping section 12 (exhaust heat piping section). The heat pump 21 uses a vapor compression type in this embodiment. Specifically, the heat pump 21 includes an evaporator 22 that evaporates a refrigerant such as ammonia and carbon dioxide, a compressor 23 that compresses the refrigerant, a condenser 24 that condenses the refrigerant, an expansion valve 25 that expands the refrigerant, These elements 22 to 25 are arranged on the closed loop 26 in this order. Accordingly, the refrigerant undergoes a thermal cycle of evaporation, compression, condensation, and expansion while circulating in the closed loop 26. The first piping section 11 is located adjacent to the evaporator 22, and heat is taken away from the fluid flowing through the first piping section 11 by the heat of vaporization when the refrigerant evaporates (in each figure, The wavy line indicates the part where heat exchange takes place.) The evaporated refrigerant is compressed by the compressor 23 and becomes a high-temperature and high-pressure gas. The refrigerant is then sent to the condenser 24 where it releases heat and condenses. The second piping section 12 is located adjacent to the condenser 24, and the condensation heat released during the condensation is given to the fluid flowing through the second piping section 12. The condensed refrigerant passes through the expansion valve 25 and is cooled under reduced pressure. Thus, during one cycle of operation of the heat pump 21, heat absorption from the heat absorption pipe section 11 and heat exhaust to the exhaust heat pipe section 12 are performed.

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吸熱配管区間１１から奪った熱を排熱配管区間１２に移動させるため、熱エネルギーの無駄が生じにくく、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。 By using the heat pump 21, at least a part of the heat taken away from the first piping section 11 can be given to the second piping section 12. For this reason, it is not necessary to discard the deprived heat, and it is not necessary to generate heat supplied to the second piping section 12 by another device (boiler, etc.). In addition, the heat pump 21 generally has a coefficient of performance (defined as Q / L, where Q is the heating or cooling capability and L is the power consumed to obtain this Q), The required electrical energy is much smaller than the heat energy that is generated. Thus, in the water treatment system of this embodiment, since the heat taken from the endothermic piping section 11 is moved to the exhaust heat piping section 12, heat energy is hardly wasted, and the heat pump 21 is highly efficient for this heat transfer. Because of the use of a low energy consumption.

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を吸熱配管区間１１と排熱配管区間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。 Moreover, when installing a boiler and a cooling tower separately for cooling and heating, these apparatuses are generally provided in the place away from the site | part which needs temperature control. This tendency is particularly strong in boilers that require a large number of incidental facilities such as fuel storage facilities. For this reason, the heat transfer loss at the time of transferring cold water, hot water, steam, etc. by piping is large, and it tends to be disadvantageous in terms of energy efficiency and cost, such as providing an additional heating and cooling device. In general, boilers and cooling towers require large energy and have a large environmental load. By installing the heat pump 21 near the middle of the heat absorption piping section 11 and the exhaust heat piping section 12, heat transfer loss can be minimized.

さらに、ヒートポンプ２１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。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が、本発明では、ヒートポンプ２１を用いているため、吸熱配管区間１１と排熱配管区間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。 Furthermore, since the heat pump 21 uses the heat of vaporization during evaporation of the refrigerant and the heat of condensation during condensation, the heat pump 21 can perform heat transfer regardless of the temperature on the heat absorption side and the exhaust heat side. That is, heat transfer is possible even when the water temperature on the heat absorption side and the water temperature on the exhaust heat side are almost the same, or when the water temperature on the exhaust heat side is higher than the water temperature on the heat absorption side. As described above, in a water treatment system, unlike a power generation system, for example, an extreme temperature difference does not often occur in the system, and it is difficult to effectively use a general heat exchanger. For this reason, a method of supplying cold water or the like for cooling and steam or the like for heating is generally used. However, in the present invention, since the heat pump 21 is used, the heat absorption pipe section 11 and the exhaust heat pipe section are used. Regardless of the temperature of 12, the required amount of heat can be transferred between them.

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排熱配管区間１２で排熱すれば、排熱配管区間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。 As a use form of the heat pump, a form using air or external water as a heat source is also conceivable. When air is used as a heat source, the exhaust heat piping section 12 can be heated by absorbing heat from the air and exhausting the heat taken away from the air in the exhaust heat piping section 12. However, when the air becomes cold, the heat pump has a lower endothermic efficiency, and the heat pump performance (coefficient of performance) is lowered. For this reason, when the driving | operation at low air temperature is assumed, it is necessary to increase the capacity | capacitance of a heat pump. Therefore, when the air temperature is high, it is necessary to operate with reduced performance. The same applies to cooling with a heat pump. In this case, if the outside air temperature is high, the exhaust heat efficiency decreases, and the heat pump capacity (coefficient of performance) decreases. Therefore, it is necessary to increase the capacity of the heat pump as well. Furthermore, when the outside air temperature is around 0 ° C., the air that has been deprived of heat is cooled to 0 ° C. or less, and thus there is a possibility that freezing will occur at the heat exchange site with the air. For this reason, it is necessary to take measures such as periodically stopping the operation and defrosting, or providing a separate defrosting facility, which is disadvantageous in terms of cost and operation.

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。 Similar problems arise when using external water (seawater, groundwater, sewage, etc.) as a heat source. In the case of external water, the temperature fluctuation is not as great as that of air, and the temperature of groundwater is relatively stable, but it is still affected by the temperature fluctuation. When external water is used, a large amount of wastewater is generated, so that a large amount of equipment and cost may be required for the treatment. When discharging as sewage, the charge is also required. When a large amount of external water is required, there are restrictions on the location. Furthermore, when seawater is used, measures against scale, salt damage, and corrosion are required.

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。 Furthermore, the utilization form of the heat pump that performs either heat absorption or exhaust heat using an external heat source is not different from a conventional boiler or cooling tower in a broad sense. Because the efficiency of the heat pump itself is high, operating costs such as electricity bills can be reduced compared to boilers and cooling towers, but conversely, in order to cope with annual load fluctuations, an excessive capacity according to the peak load is provided. Because of this problem, application to water treatment systems is not realistic.

これに対して本発明では、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、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。 On the other hand, in the present invention, the heat transfer is performed inside the water treatment system in which the temperature of the heat source is stable, and thus is not easily affected by the external environment. However, as will be described later, since there is almost no balance between the necessary heat absorption amount and the necessary exhaust heat amount, an external heat source is used to adjust the excess or deficiency of the heat amount. However, the use of an external heat source is kept to a minimum and heat transfer is performed inside the system as much as possible, so that economical and stable temperature control is possible compared to the conventional case.

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生じない。中間ループ１５，１６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。 FIG. 2 also shows a system similar to FIG. In the present embodiment, between the first pipe section 11 and the heat pump 21, and the heat absorption from the first pipe section 11 has a first intermediate loop 15 for transmitting the heat pump 21. Similarly, between the second pipe section 12 and the heat pump 21, a second intermediate loop 16 for transmitting the heat absorption from the heat pump 21 to the second pipe section 12. By providing the intermediate loops 15 and 16 in this manner, restrictions on the installation location of the heat pump 21 may be relaxed. That is, when the heat pump 21 is away from the first piping section 11 and the second piping section 12, it is necessary to draw these piping sections 11 and 12 to the heat pump 21. In water treatment systems, in general, many devices with large pressure loss such as membrane devices and ion exchange devices are installed, so it is important to suppress pressure loss. In the example of FIG. 2, the first and second piping sections 11 and 12 connect the first device 1 and the second device 2, the third device 3 and the fourth device 4 with the shortest distance, respectively. Since it is only necessary to connect the first and second piping sections 11 and 12 and the heat pump 21 with the intermediate loops 15 and 16 having a small pressure loss, it is possible to suppress the pressure loss of the water treatment system. This advantage is particularly great when the heat pump 21 is away from the first piping section 11 and the second piping section 12. Although illustration is omitted, only one of the first intermediate loop 15 and the second intermediate loop 16 may be provided, and each intermediate loop 15, 16 is configured as a double or triple loop as necessary. It is also possible to do. The medium used for the intermediate loop is not particularly limited, and there is no need to use a highly corrosive fluid or a fluid that easily generates scale. If the intermediate loops 15 and 16 are filled with CO ₂ , heat can be conveyed more efficiently than when water is filled.

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と、第１及び第３の配管区間１，３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。 3 and 4 show an embodiment of a water treatment system configured to absorb heat or exhaust heat from a plurality of parts. Referring to FIG. 3, the water treatment system includes fifth and sixth devices 5, 6 adjacent to each other and a third piping section 13 connecting them, and first and first fluids. And a first intermediate loop 15 adapted to absorb heat from the three piping sections 1 and 3. Referring to FIG. 4, in addition to the above-described configuration, the water treatment system includes seventh and eighth devices 7 and 8 adjacent to each other, and a fourth piping section 14 connecting them, in which a fluid flows. A second intermediate loop 16 configured to exhaust heat to the second and fourth piping sections 12 and 14.

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。勿論、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。 As shown in these embodiments, both the heat absorption side and the exhaust heat side are not limited to a single piping section for transferring heat, and may be a plurality of places. That is, the heat absorption pipe section and the exhaust heat pipe section can be any combination of single to single, single to multiple, multiple to single, and multiple to multiple. Since a plurality of piping sections are connected to one heat pump 21 via an intermediate loop, the number of heat pumps can be reduced. Of course, the water treatment system can be provided with a plurality of intermediate loops and a plurality of heat pumps in consideration of the positional relationship between individual heat absorption and exhaust heat piping sections, the amount of heat transferred, and the like.

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。 In general, the compressor capacity of the heat pump 21 matches the required compressor capacity C _C corresponding to the heat absorption amount (cooling) in the endothermic piping section and the required compressor capacity C _H corresponding to the exhaust heat quantity (heating) in the exhaust heat piping section. There is nothing, and it is decided according to either. Specifically, the following four patterns can be considered.
(Pattern 1) When C _H > C _C and the compressor capacity is C _H according to the exhaust heat (heating) side. In this case, since the heat absorption (cooling) in the endothermic piping section becomes excessive, the endothermic piping section is heated. Alternatively, in order to prevent excessive heat absorption (cooling) in the endothermic piping section, a part of the heat is taken from the endothermic piping section and the rest is taken out of the system (for example, taking the heat from the surrounding air and cooling the surrounding air) .) In other words, this also means that excessive cooling energy is released out of the system.
(Pattern 2) When C _H > C _C and the compressor capacity is set to C _C according to the endothermic (cooling) side. In this case, since the exhaust heat (heating) in the exhaust heat piping section is insufficient, the exhaust heat piping section is additionally heated.
(Pattern 3) When C _H <C _C and the compressor capacity is C _H according to the exhaust heat (heating) side. In this case, since heat absorption (cooling) in the endothermic piping section is insufficient, heat is additionally removed from the endothermic piping section.
(Pattern 4) When C _H <C _C and the compressor capacity is C _C according to the endothermic (cooling) side. In this case, since the exhaust heat (heating) in the exhaust heat piping section becomes excessive, heat is removed from the exhaust heat piping section. Or, in order to prevent the exhaust heat (heating) in the exhaust heat piping section from becoming excessive, part of the heat is exhausted to the exhaust heat piping section and the rest is exhausted outside the system (for example, heat is applied to the surrounding air to Heat the air.) In other words, this means that excess heating energy is released out of the system.

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。 Thus, no matter which pattern is selected, it is necessary to remove or heat either the heat absorption piping section or the exhaust heat piping section, or to exchange heat with the outside of the water treatment system. Here, among these patterns, an example of pattern 2 in which exhaust heat (heating) in the exhaust heat piping section is insufficient and an example of pattern 1 in which heat absorption (cooling) in the heat absorption piping section is excessive are shown in FIG. , 6 will be described.

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の配管区間１２に加えられるべき熱量Ｑ_H1と熱量Ｑ_C1との差分の熱量Ｑ２を第２の配管区間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）。 In the embodiment of FIG. 5, a second heat pump 27 that heats the second piping section 12 is provided to compensate for the shortage of exhaust heat (heating) from the heat pump 21 to the second piping section 12. . The basic configuration of the second heat pump 27 is the same as that of the heat pump 21, but the compressor capacity is appropriately set according to the amount of heat exhausted. In the present embodiment, the second heat pump 27 is used as a heater. The heat pump 21 takes the heat quantity Q _C1 from the first piping section 11 and releases the heat quantity Q _H1 to the second piping section 12. Here, the heat quantity Q _C1 is the product of the compressor capacity C _C and the coefficient of performance COP _C at the time of heat absorption, and the heat quantity Q _H1 is a value obtained by adding the compression work W of the compressor to the heat quantity Q _C1 . That is, Q _C1 = C _C × COP _C , Q _H1 = Q _C1 + W, and the coefficient of performance COP _H = Q _H1 / W = Q _C1 / W + 1 = COP _C +1 during exhaust heat. That is, in principle, the amount of heat Q _H1 is larger than the amount of heat Q _C1 by the compression work W of the compressor, and COP _H is larger than COP _C by one. The second heat pump 27 gives the second pipe section 12 a heat quantity Q2 that is the difference between the heat quantity Q _H1 and the heat quantity Q _C1 to be applied to the second pipe section 12. Since the heat absorption side of the heat pump 27 is not connected to the water treatment system, the amount of heat Q2 is taken from the atmosphere (the atmosphere is cooled).

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から奪われるべき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。 In the embodiment of FIG. 6, in order to compensate for excessive heat absorption from the first piping section 11 by the heat pump 21, the heat pump 21 includes a water heat exchange unit 21a and an air heat exchange unit 21b. The heat pump 21 is a water heat exchanging portion 21 a that takes the heat quantity Q _C1 from the first piping section 11 (internal circulation water) and releases the heat quantity Q _H1 to the second piping section 12. The amount of heat Q _H1 given to the second piping section 12 matches the desired amount of heat. Air heat exchanger section 21b, deprives heat Q2 of the difference between the endothermic quantity to be deprived heat Q _C1 from the first pipe section 11 from the ambient air is supplied to the second pipe segment 1 2. In other words, the heat pump 21 takes heat from the first piping section 11 and the atmosphere. Since this embodiment does not require the second heat pump 27, it is often more advantageous than the embodiment of FIG. 5 from the viewpoint of cost.

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。 In addition to the vapor compression type, the heat pump 21 can also use a thermionic type. FIG. 7 shows an embodiment using a thermoelectric heat pump 21 ′. The drawing is the same as FIG. 1 except that the vapor compression heat pump 21 shown in FIG. 1 is replaced with a thermoelectric heat pump 21 ′. For the description other than the heat pump 21 ′, refer to the above description. The thermoelectronic heat pump 21 'is a heat pump using the principle of a so-called thermoelectric element (Peltier element). A p-type semiconductor 29 and an n-type semiconductor 30 provided on the substrates 34 and 35 are connected in series via an electrode 33. When a current is passed through the pn junction, the n-type semiconductor 29 starts from the n-type along the direction of the current. An endothermic phenomenon occurs in the p-type junction 31, and a heat dissipation phenomenon occurs in the p-type to n-type junction 32. The p-type semiconductor 29 and the n-type semiconductor are arranged such that the junction portion 31 from the n-type to the p-type is on the first piping section 11 side and the junction portion 32 from the p-type to the n-type is on the second piping section 12 side. 30 is arranged. In FIG. 7, three p-type semiconductors 29 and three n-type semiconductors 30 are shown, but a larger number of p-type and n-type semiconductors may be alternately arranged. The thermoelectric heat pump 21 'has a simple structure and has no mechanical operation part, so that it has excellent silence. The thermoelectric heat pump 21 ′ is preferably used as a small heat pump.

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。 Furthermore, although not shown, a chemical, adsorption or absorption heat pump can be used. For example, a chemical heat pump includes a reaction chamber filled with a hydrate such as calcium chloride and calcium oxide, and a condensing chamber connected to the reaction chamber via a communication pipe. The first piping section 11 is positioned adjacent to the reaction chamber, and the second piping section 12 is positioned adjacent to the condensation chamber. Hydrate such as calcium chloride filled in the reaction chamber absorbs heat from the first piping section 11, whereby water molecules of the hydrate are separated from the hydrate as water vapor and transferred to the condensation chamber. The water vapor transferred to the condensing chamber is condensed and liquefied, and exhausted to the second piping section 12 located adjacent thereto.

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。 Next, a specific example of water treatment to which the heat pump 21 described above is applied will be described. The water treatment system to which the present invention is applied can be composed of various devices (units) such as an ultrapure water production device, a wastewater treatment device, and a wastewater collection device. However, it should be noted that the configurations of these apparatuses vary depending on the required water quality of pure water, the quality of raw water and waste water, and the examples shown below are only examples.

図８（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。 Fig.8 (a) has shown an example of schematic structure of the ultrapure water manufacturing apparatus among water treatment systems. The temperature of the raw water varies depending on the installation location and season, but here it is assumed to be 15 ° C. In order to produce pure water, raw water is passed through the turbidity membrane 108 to remove suspended matters and the like, and after passing through the activated carbon tower 109, it is heated at the heating point 101 and sent to the RO membrane device 110. The reason for heating is that the standard design temperature of the reverse osmosis membrane used in the RO membrane device 110 is 25 ° C., and this heating step is unnecessary depending on the temperature of the raw water. The raw water exiting the RO membrane device 110 is subjected to ion component removal by the ion exchange device 111 and stored in the primary pure water tank 112. In order to regenerate the resin used in the ion exchange device 111, the ion exchange device 111 is provided with a chemical supply line. The alkaline chemical solution is heated at the heating point 127 and supplied to the ion exchange device 111, and the waste solution of the alkaline chemical solution is obtained. Is cooled at the cooling point 128 and then neutralized with the acid waste liquid in the neutralization tank 113. The waste liquid is cooled in the neutralization tank 113 as necessary even after neutralization.

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。 Pure water stored in the primary pure water tank 112 is converted into an ultraviolet oxidizer 114, a cartridge polisher device (non-regenerative ion exchange unit filled with mixed bed ion exchange resin) 115, and an ultrafiltration membrane (UF membrane) device 116. It is used at each use point 117. The pure water that has not been used is collected in the primary pure water tank 112 through the circulation loop 118, and the circulation operation is continued. At this time, since the temperature of the circulating pure water rises due to heat input from a pump (not shown), the pure water is cooled according to the temperature requirement at the use point 117. In this example, a cooling point 119 is provided on the inlet side of the ultraviolet oxidizer 114. On the other hand, high-temperature ultrapure water of about 60 to 80 ° C. may be required depending on the purpose of use. In this example, the high-temperature ultrapure water supply line 120 is branched from the pure water tank 112, and after being heated at the heating point 121, it passes through the ultraviolet oxidation device 122, the cartridge polisher device 123, and the ultrafiltration membrane device 124. And sent to the use point 125. The high-temperature ultrapure water that has not been used is cooled at the cooling point 126 before returning to the primary pure water tank 112.

図８（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８（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）。 8B to 8E show examples of various wastewater treatment apparatuses. The waste water may be generated inside the water treatment system or may be generated outside the water treatment system. Further, the treated waste water may be discharged as it is outside the water treatment system, or may be reused in the ultrapure water production apparatus shown in FIG. 8A (* in the figure).

図８（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８（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。 FIG.8 (b) has shown the process which performs anaerobic treatment and aerobic treatment to waste_water | drain. The anaerobic treatment and the aerobic treatment are wastewater treatments using anaerobic microorganisms and aerobic microorganisms. In this example, the optimum temperature of the anaerobic treatment (methane fermentation) is 36 to 38 ° C. (medium temperature fermentation), 53 Since it is comparatively high with -55 degreeC (high temperature fermentation), it is necessary to heat beforehand. On the other hand, since the appropriate temperature for the aerobic treatment is about 30 ° C., it is necessary to cool the waste water after the anaerobic treatment. FIG. 8C shows an example in which only the aerobic treatment is performed, and the waste water is heated to about 30 ° C. which is the optimum temperature for the aerobic treatment.

図８（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。 FIG. 8D shows a process for stripping waste water. The stripping treatment is a treatment for removing free ammonia from waste water by blowing steam or air into the free ammonia. In this treatment, since it is desirable that the wastewater is supplied at a relatively high temperature, a heating point is provided on the inlet side of the stripping device.

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。 After the above-described anaerobic treatment, aerobic treatment and stripping treatment are completed, it is not necessary to adjust the temperature of the waste water. However, in order to obtain the amount of heat required at other heating points, heat can be absorbed as needed from the wastewater that has undergone the above treatment. Therefore, a cooling point is provided on the outlet side of these devices in the sense that it is a point capable of absorbing heat. Moreover, you may utilize these points as a discharge destination of the heat | fever which absorbed heat with the heat pump as needed conversely.

図８（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。 FIG. 8E shows a treatment system for wastewater collected from a system in which ultrapure water is used. Usable waste water includes, for example, relatively clean water such as pure water used for rinsing a wafer during semiconductor manufacturing. The waste water is mixed with hydrogen peroxide and then sent to the ultraviolet oxidizer 101 to mainly remove the TOC (total organic carbon) component in the waste water. Next, the waste water is cooled at the cooling point 102, the organic matter and odor components are removed by the activated carbon tower 103, and sent to the ion exchange device 104. In the ultraviolet oxidation apparatus 101, the waste water stays for several hours, and the temperature may rise considerably. Therefore, a cooling point 102 is provided on the outlet side of the ultraviolet oxidation apparatus 101.

図９は、以上説明した装置のうち、図８（ａ）で説明した超純水製造装置と図８（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。 FIG. 9 shows an example in which the ultrapure water production apparatus explained in FIG. 8A and the waste water treatment system explained in FIG. 8E are configured as one water treatment system among the apparatuses explained above. . Refer to the above description for the individual elements.

図１０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１０（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１０（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。 FIG. 10 shows a process in the case of performing hot water sterilization during maintenance of the water treatment system. Here, the treated water is softened (removal of Ca ions and Mg ions), treated with activated carbon to obtain raw water, and the raw water is passed through an RO membrane device and an ion exchange device (electric deionized water production device (EDI)). Later, an example of a system that performs filtering and UV oxidation is shown. Fig. 10 (a) is an example of hot water sterilization of activated carbon and RO membrane. Usually, a hot water source isolated from the line is connected to the line, and hot water is supplied from the hot water source by the route indicated by the broken line. The RO membrane device and the activated carbon tower are sterilized with hot water. When the treatment is completed, the hot water is cooled and drained. FIG. 10 (b) shows an example of hot water sterilization of the EDI, filter and ultraviolet oxidizer. Usually, a hot water source (heating heat exchange) isolated from the line is connected to the line, and the hot water source is indicated by a broken line. Hot water is supplied by the route shown, and the EDI is hot water sterilized. When the treatment is completed, the hot water is cooled and drained.

図８〜１０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。 8 to 10, the exhaust heat piping section and the endothermic piping section are indicated by thick lines. However, as described above, in the water treatment system, various exhaust heat piping sections and normal operation and maintenance can be performed. An endothermic piping section exists.

次に、以上説明した水処理システムを、実施例によってさらに詳細に説明する。図１１は図１のＡ部を切り出して示した模式図である。図１１（ａ）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。 Next, the water treatment system described above will be described in more detail with reference to examples. FIG. 11 is a schematic diagram showing the A portion of FIG. FIG. 11A shows a case where the exhaust heat pipe section and the endothermic pipe section are heated and cooled by separate devices (for example, a heat exchanger) in accordance with the prior art. In the following description, the flow rate of the fluid flowing through the exhaust heat piping section is 100 t / h (tons per hour), the water temperature before heating is 288 K, the temperature after heating is 298 K, and the flow rate of the fluid flowing through the heat absorption piping section is 100 t / h. The water temperature before cooling is 303K, and the temperature after cooling is 298K. The specific heat of water is 4.2 J / g · K.

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１．１７×１０³ｋＷ、吸熱配管区間での必要エネルギーは約５．８×１０²ｋＷであり、合計約１．８×１０³ｋＷのエネルギーが必要となる。 When the required energy is obtained under the above conditions, the required energy in the exhaust heat pipe section is about 1.17 × 10 ³ kW, and the required energy in the heat absorption pipe section is about 5.8 × 10 ² kW, which is about 1 in total. .8 × 10 ³ kW of energy is required.

図１１（ｂ），（ｃ）は、本発明に従い、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１１（ｂ）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１１（ｃ）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。 FIGS. 11B and 11C show a case where heat is absorbed from the heat absorption piping section by the heat pump and exhausted to the exhaust heat piping section according to the present invention, and corresponds to FIGS. In FIG. 11B, the capacity of the compressor of the heat pump 21 (indicated as HP1 in the figure) is determined by the required heat removal amount on the heat absorption side, and the amount of heat deficient on the exhaust heat side is determined by the second heat pump 27 (HP2 in the figure). This is a configuration supplemented with FIG. 11C shows a configuration in which the capacity of the compressor 21 is determined by the required heat amount on the exhaust heat side, and a part of heat is absorbed from the atmosphere on the heat absorption side. Here, the coefficient of performance of the heat pumps 21 and 27 in the water temperature range of 15 ° C. to 25 ° C. is 5 for heating and 4 for cooling.

図１１（ｂ）の場合（実施例１）、吸熱側で必要な除熱量約５．８×１０²ｋＷを得るための必要コンプレッサ能力は約１．４６×１０²ｋＷである。このコンプレッサ能力では、排熱側で約７．３×１０²ｋＷ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１．１７×１０³との差分（約４．４×１０²ｋＷ）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０．８８×１０²ｋＷであり、合計約２．３×１０²ｋＷの電気エネルギーが必要となる。これは図１１（ａ）に示す比較例（従来例）の１／７である。 In the case of FIG. 11B (Example 1), the required compressor capacity to obtain a heat removal amount of about 5.8 × 10 ² kW required on the heat absorption side is about 1.46 × 10 ² kW. With this compressor capacity, an exhaust heat amount of about 7.3 × 10 ² kW is obtained on the exhaust heat side. The difference between the actual amount of exhaust heat of about 1.17 × 10 ³ required in heat removal side (about 4.4 × 10 ² kW) is supplemented by a second heat pump 27. The required compressor capacity of the second heat pump is about 0.88 × 10 ² kW, which requires a total electric energy of about 2.3 × 10 ² kW. This is 1/7 of the comparative example (conventional example) shown in FIG.

同様に、図１１（ｃ）の場合（実施例２）、排熱側での必要な排熱量約１．１７×１０³を得るための必要コンプレッサ能力は約２．３×１０²ｋＷ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５．８×１０²ｋＷ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１１（ｂ）の場合と同様、約２．３×１０²ｋＷとなる。 Similarly, in the case of FIG. 11C (Example 2), the required compressor capacity to obtain the required exhaust heat amount of about 1.17 × 10 ³ on the exhaust heat side is about 2.3 × 10 ² kW. . With this compressor capacity, the heat absorption side removes heat to a necessary heat removal amount of about 5.8 × 10 ² kW or more, but the surplus is used for air cooling. Therefore, the required electrical energy is about 2.3 × 10 ² kW, as in the case of FIG.

なお、参考例として、図１１（ａ）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１．１７×１０³と冷却側で必要な除熱量約５．８×１０²ｋＷ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２．３×１０²ｋＷ、冷却側のヒートポンプの必要コンプレッサ能力は約１．５×１０²ｋＷであるから、合計約３．８×１０²ｋＷ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。 As a reference example, in the case of FIG. 11A, when heating and cooling are performed using a heat pump, the required heating amount on the heating side is about 1.17 × 10 ³ and the heat removal amount required on the cooling side is about 5 8 x 10 ² kW is provided by a separate heat pump. The required compressor capacity of the heat pump on the heating side is about 2.3 × 10 ² kW, and the required compressor capacity of the heat pump on the cooling side is about 1.5 × 10 ² kW, so a total of about 3.8 × 10 ² kW of electricity Energy is required. Therefore, although it is more advantageous than the comparative example, the result showed that the energy consumption was more than 60% compared to the example. The above is summarized in Table 1.

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 1-6 First to sixth devices 11,13 First and third piping sections (endothermic piping sections)
12, 14 2nd and 4th piping section (exhaust heat piping section)
21,21 ', 21 "heat pump

Claims

複数の水処理装置と、
互いに隣接する前記複数の水処理装置同士を接続し、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のみ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のみを該排熱配管区間に伝達する第２の中間ループと、を有し、
前記排熱配管区間の出口側の前記水処理装置は逆浸透膜装置、紫外線酸化装置、カートリッジポリッシャー装置、限外ろ過膜装置のいずれかである、水処理システム。 A plurality of water treatment devices;
Connecting the plurality of water treatment devices adjacent to each other, a plurality of piping sections through which water flows, and
At least one of the piping sections is used as an endothermic piping section to absorb heat from the endothermic piping section, and the heat absorbed from the endothermic piping section is used as at least one other piping section as an exhaust heat piping section. A heat pump that exhausts heat,
A first intermediate loop that is provided between the endothermic piping section and the heat pump, and transmits only the endothermic heat from the endothermic piping section to the heat pump;
The heat pipe section and provided between the heat pump, possess a second intermediate loop of transmitting only exhaust heat from the heat pump to the exhaust heat pipe section, and
The exhaust heat is the water treatment device on the outlet side of the pipe section the reverse osmosis membrane apparatus, an ultraviolet oxidation device, the cartridge polisher device, Ru der either ultrafiltration membrane device, the water treatment system.

前記吸熱配管区間は複数個所設けられ、前記第１の中間ループは該複数の吸熱配管区間と前記ヒートポンプとの間に設けられ、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、請求項１に記載の水処理システム。 The heat absorption piping section is provided at a plurality of locations, and the first intermediate loop is provided between the plurality of heat absorption piping sections and the heat pump, and transmits heat absorption from the plurality of heat absorption piping sections to the heat pump. Item 2. A water treatment system according to item 1.

前記排熱配管区間は複数個所設けられ、前記第２の中間ループは該複数の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複数の排熱配管区間に伝達する、請求項１または２に記載の水処理システム。 A plurality of the exhaust heat piping sections are provided, and the second intermediate loop is provided between the plurality of exhaust heat piping sections and the heat pump, and exhaust heat from the heat pump is transferred to the plurality of exhaust heat piping sections. The water treatment system according to claim 1, which transmits.

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から３のいずれか１項に記載の水処理システム。 The water treatment system according to any one of claims 1 to 3, wherein the heat pump is any one of a vapor compression type, an absorption type, an adsorption type, a thermoelectronic type, and a chemical type.

前記吸熱と前記排熱は前記水処理システムの内部の熱移動によって行われる、請求項１から４のいずれか１項に記載の水処理システム。 The water treatment system according to any one of claims 1 to 4, wherein the heat absorption and the exhaust heat are performed by heat transfer inside the water treatment system.