(57)【要約】【課題】装置全体としてエネルギーを有効利用することができる排熱利用空気調和装置を提供する。【解決手段】室外機熱交換器２５を有する室外機２１、室内機熱交換器４１を有する室内機４０及び室外機熱交換器２５及び室内機熱交換器４１に冷媒を循環させる冷媒回路Ｌを備えるヒートポンプ式空気調和設備２０と、排水処理場１０にて、流入する排水を所定範囲内の温度に制御して処理する生物処理設備１３により処理された排水を放流する放流設備１６に設けられた熱交換器５１と、熱交換器５１を室外機熱交換器２５に並列接続して冷媒を放流設備１６の排水の排熱と熱交換させる接続配管５６とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷房運転時は冷媒の凝縮器として機能し暖房運転時は冷媒の蒸発器として機能する室外機熱交換器を有する室外機、冷房運転時は冷媒の蒸発器として機能し暖房運転時は冷媒の凝縮器として機能する室内機熱交換器を有する室内機、及び前記室外機熱交換器及び室内機熱交換器に冷媒を循環させる冷媒回路を備えるヒートポンプ式空気調和設備と、
排水処理場にて、流入する排水を所定範囲内の温度に制御して処理する生物処理設備により処理された排水を放流する放流設備に設けられた熱交換器と、
前記熱交換器を前記室外機熱交換器に並列接続して冷媒を前記放流設備の排水の排熱と熱交換させる接続配管とを備えたことを特徴とする排熱利用空気調和装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排熱利用空気調和装置に係り、詳しくは排水処理場の排水の排熱を利用する排熱利用空気調和装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、排熱利用空気調和装置としては、例えば特許文献１に記載されたものが知られている。この排熱利用空気調和装置は、冷凍設備（ショーケース）から発生する排熱を建物内の空気調和設備における暖房熱源として利用するものである。
【特許文献１】特開２００２−１９５６８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、特許文献１のように冷凍設備等の機械設備から発生する排熱を空気調和設備の熱源として利用するものにあっては、当該機械設備から発生する排熱量がその稼動状態に応じて大きく変動する。そのため、空気調和設備からみて熱量が必要なときに機械設備側の排熱が得られなかったり、反対に、空気調和設備からみて熱量が不要であるときに機械設備側で排熱が発生したりしている場合があり、装置全体としてエネルギーが必ずしも有効に利用されていない状況である。
【０００４】
本発明の目的は、装置全体としてエネルギーを有効利用することができる排熱利用空気調和装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
冷房運転時は冷媒の凝縮器として機能し暖房運転時は冷媒の蒸発器として機能する室外機熱交換器を有する室外機、冷房運転時は冷媒の蒸発器として機能し暖房運転時は冷媒の凝縮器として機能する室内機熱交換器を有する室内機、及び前記室外機熱交換器及び室内機熱交換器に冷媒を循環させる冷媒回路を備えるヒートポンプ式空気調和設備と、排水処理場にて、流入する排水を所定範囲内の温度に制御して処理する生物処理設備により処理された排水を放流する放流設備に設けられた熱交換器と、前記熱交換器を前記室外機熱交換器に並列接続して冷媒を前記放流設備の排水の排熱と熱交換させる接続配管とを備えたことを要旨とする。
【０００６】
一般に、生物処理設備に流入する排水の温度は、季節を問わず所定範囲内（例えば２５〜３５°Ｃ）に制御されており、その下流側となる放流設備の排水も若干の放熱分の温度低下を伴うものの所定範囲内（例えば２０〜３０°Ｃ）に安定して推移する。同構成によれば、例えば冷房運転時、前記室外機熱交換器における冷媒の凝縮に係る外気温度が放流設備の排水温度よりも高いとき、前記熱交換器により冷媒を放流設備の排水の排熱と熱交換させてこれを凝縮させることで、必要なエネルギー消費量を削減することができる。また、暖房運転時、前記室外機熱交換器における冷媒の蒸発に係る外気温度が放流設備の排水温度よりも低いとき、前記熱交換器により冷媒を放流設備の排水の排熱と熱交換させてこれを蒸発させることで、必要なエネルギー消費量を削減することができる。このように、季節を問わず安定的に放流設備の排水をヒートポンプ式空気調和設備の熱源（冷房熱源、暖房熱源）に利用することで、装置全体としてエネルギーを有効利用することができる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明では、装置全体としてエネルギーを有効利用することができる排熱利用空気調和装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１及び図２は、本実施形態に係る排熱利用空気調和装置を示す回路図である。同図に示されるように、この装置は、例えば下水や雨水、し尿等の排水処理場１０に連係されており、ヒートポンプ式空気調和設備２０と、熱交換ユニット５０とを備えて構成される。
【０００９】
図１に示されるように、排水処理場１０では、排水受入設備１１で排水（処理対象排水）を受け入れ、前処理設備１２で排水中に含まれる夾雑物を除去する。夾雑物を除去された流入排水は、生物処理設備１３内に流入され排水中の有機物が分解される。次に、固液分離設備１４にて固形分が除去され、高度処理設備１５にて砂ろ過、活性炭吸着、オゾン照射等の仕上げ処理をされた後に放流設備１６から放流される。この排水処理場１０は、原則として２４時間稼動しており、従って、放流設備１６からの放流水も２４時間絶えることはない。なお、排水処理場１０は、脱水設備、乾燥設備、焼却設備等の固形物処理設備１９を備える。また、排水処理場１０は、放流設備１６の排水温度Ｔｗを検知するための温度センサＳｗを備える。
【００１０】
ここで、生物処理設備１３内で排水中に含まれる有機物を分解するのは微生物であり生育環境を整える必要がある。特に水温は重要な因子であり、水処理方式により若干異なるが概ね２５〜３５°Ｃに調整する必要がある。流入排水温度は季節の影響を受け、また有機物分解反応は発熱反応であることから水温調整機能が必要になる。そのため、生物処理設備１３は、年間を通して（季節を問わず）水槽温度を所定範囲内（例えば２５〜３５°Ｃ）に制御するための冷却装置１７及び加温装置１８を備えている。つまり、生物処理設備１３は、冷却装置１７及び加温装置１８により、流入する排水を所定範囲内の温度に制御して処理する。そして、冷却装置１７及び加温装置１８のエネルギーにより生物処理設備１３で温度調整された処理水は、固液分離設備１４、高度処理設備１５を経て放流設備（放流水槽）１６に流入した後に放流される。この場合、各水槽はコンクリート水槽で密閉されており、各々の放熱量も少ないことから、放流水は冷却装置１７及び加温装置１８のエネルギーを概ね保有し続け、年間を通して概ね２０〜３０°Ｃの範囲内で安定して推移している。また、施設規模に応じて異なるものの、放流水量及び水質ともに２４時間安定している。
【００１１】
図２に示されるように、ヒートポンプ式空気調和設備２０は、室外機２１と、複数の室内機４０とを備えて構成されている。そして、室外機２１には、適宜の駆動源（ガスエンジン、電動モータなど）により駆動される圧縮機２２が設置されている。この圧縮機２２は、冷媒を圧縮するとともに、冷媒配管２３ａを介して接続された四方弁２４に冷媒を送り出す。四方弁２４は、冷媒配管２３ｂを介して室外機熱交換器２５に接続されるとともに、冷媒配管２３ｃを介してプレート熱交換器２６に接続され、更に冷媒配管２３ｄを介してマニュアルバルブ２７に接続されている。また、四方弁２４は、冷媒配管２３ｅを介してアキュームレータ２８に接続されるとともに、該アキュームレータ２８は、冷媒配管２３ｆを介して前記圧縮機２２に接続されている。そして、室外機２１には、外気温度Ｔａを検知するための温度センサＳａが設けられている。
【００１２】
なお、前記室外機熱交換器２５は、冷房運転時は冷媒の凝縮器として機能し暖房運転時は冷媒の蒸発器として機能するもので、冷媒配管２３ｇを介してマニュアルバルブ２９に接続されている。また、冷媒配管２３ｇには、マニュアルバルブ２９側への冷媒の流れを許容する逆止弁３１が配置されるとともに、該逆止弁３１と並列で電子膨張弁３２ａが配置されている。さらに、前記プレート熱交換器２６は、暖房運転時は冷媒の蒸発器として機能するもので、冷媒配管２３ｈを介してマニュアルバルブ２９に接続されている。そして、冷媒配管２３ｈには、電子膨張弁３２ｂが配置されている。
【００１３】
各室内機４０に設置された室内機熱交換器４１は、冷媒配管４２ａを介して前記マニュアルバルブ２７に接続されるとともに、冷媒配管４２ｂを介して前記マニュアルバルブ２９に接続されている。そして、冷媒配管４２ｂには、電子膨張弁４３が配置されている。なお、前記室内機熱交換器４１は、冷房運転時は冷媒の蒸発器として機能し暖房運転時は冷媒の凝縮器として機能する。冷媒配管４２ａ，４２ｂは、冷媒配管２３ａ〜２３ｇ等とともに冷媒回路Ｌを構成する。
【００１４】
図１及び図２に示されるように、前記熱交換ユニット５０は、放流設備１６内に設置されて内部の排水の排熱と熱交換する熱交換器５１を備えるとともに、冷媒配管２３ｇに熱交換器５１の一方の出入口を接続する冷媒配管５２を備え、更に冷媒配管２３ｂに熱交換器５１の他方の出入口を接続する冷媒配管５３を備える。つまり、冷媒配管５２は、電子膨張弁３２ａ，３２ｂ及びマニュアルバルブ２９間で冷媒配管２３ｇから分岐されており、冷媒配管５３は、四方弁２４及び室外機熱交換器２５間で冷媒配管２３ｂから分岐されている。そして、冷媒配管５２，５３には、電子膨張弁５４，５５がそれぞれ配置されている。この熱交換ユニット５０は、放流設備１６の安定した放流水の熱を利用するためのものである。なお、これら冷媒配管５２，５３は、熱交換器５１を室外機熱交換器２５に並列接続する接続配管５６を構成する。
【００１５】
なお、室外機２１、室内機４０及び熱交換ユニット５０は、それぞれの電子膨張弁を開閉制御するための制御装置を備えている。特に、電子膨張弁５４，５５は、排水温度Ｔｗ及び外気温度Ｔａに基づいて開閉制御される。
【００１６】
ここで、ヒートポンプ式空気調和設備２０の空気調和に係る動作について説明する。
冷房運転時、熱交換ユニット５０の電子膨張弁５４，５５が閉状態にあると、圧縮機２２を出た冷媒は、四方弁２４を通過した後、凝縮器として機能する室外機熱交換器２５に導かれる。室外機熱交換器２５において、冷媒は室外の空気（外気）により熱を奪われ、凝縮・液化する。その後、逆止弁３１、マニュアルバルブ２９を介して室内機４０に導かれた冷媒は、電子膨張弁４３において減圧されるとともに、蒸発器として機能する室内機熱交換器４１において、室内の空気の熱を奪い気化する。その後、冷媒は、マニュアルバルブ２７、四方弁２４及びアキュームレータ２８を介して圧縮機２２に戻る。以上の過程を経ることで、室内が冷房される。
【００１７】
一方、冷房運転時、例えば室外機熱交換器２５における冷媒の凝縮に係る外気温度Ｔａよりも放流設備１６の排水温度Ｔｗが低いとき、熱交換ユニット５０の電子膨張弁５４，５５が開状態に切り換えられる。この場合、圧縮機２２を出た冷媒は、四方弁２４を通過した後、凝縮器として機能する熱交換器５１に導かれる。熱交換器５１において、冷媒は放流設備１６の排水により熱を奪われ、凝縮・液化する。その後、マニュアルバルブ２９を介して室内機４０に導かれた冷媒は、同様に電子膨張弁４３において減圧されるとともに、蒸発器として機能する室内機熱交換器４１において、室内の空気の熱を奪い気化する。その後、冷媒は、マニュアルバルブ２７、四方弁２４及びアキュームレータ２８を介して圧縮機２２に戻る。以上の過程を経ることで、室内が冷房される。
【００１８】
ここで、冷房運転時、外気温度Ｔａが高くなった場合には、室外機熱交換器２５から外気への放熱が停滞することから、冷媒凝縮圧力が上昇して圧縮機２２の吐出圧力が上昇し、結果として同じ冷房能力を確保するための燃料消費量が増加する。しかしながら、外気温度Ｔａよりも排水温度Ｔｗが低い場合には、熱交換器５１から放流水へと放熱して冷媒を凝縮させることで冷媒凝縮圧力を低下させることができ、圧縮機２２の吐出圧力が低下して燃料消費量を減少させることができる。このように、排水処理場１０で特にエネルギー消費量を増やすことなく室外機２１の燃料消費量を低減させることができるため、施設全体としてエネルギーの有効利用を図ることができる。
【００１９】
また、暖房運転時、熱交換ユニット５０の電子膨張弁５４，５５が閉状態にあると、圧縮機２２を出た冷媒は、四方弁２４を通過した後、マニュアルバルブ２７を介して室内機４０に導かれる。そして、冷媒は、凝縮器として機能する室内機熱交換器４１において、室内の空気に熱を放出し、凝縮・液化する。その後、電子膨張弁４３において減圧された冷媒は、マニュアルバルブ２９を介して、電子膨張弁３２ａにおいて更に減圧されて室外機熱交換器２５に導かれ、あるいは電子膨張弁３２ｂにおいて更に減圧されてプレート熱交換器２６に導かれる。室外機熱交換器２５及びプレート熱交換器２６に導かれる冷媒量は、電子膨張弁３２ａ，３２ｂによりそれぞれ制御される。そして、冷媒は、蒸発器として機能する室外機熱交換器２５において室外の空気の熱を吸収し、あるいは蒸発器として機能するプレート熱交換器２６において適宜の媒体（例えば冷却液）の熱を吸収し、気化する。その後、室外機熱交換器２５からの四方弁２４を介した冷媒とプレート熱交換器２６からの冷媒とが合流し、アキュームレータ２８を介して圧縮機２２に戻る。以上の過程を経ることで、室内が暖房される。
【００２０】
一方、暖房運転時、例えば室外機熱交換器２５における冷媒の蒸発に係る外気温度Ｔａよりも放流設備１６の排水温度Ｔｗが高いとき、熱交換ユニット５０の電子膨張弁５４，５５が開状態に切り換えられる。この場合、圧縮機２２を出た冷媒は、四方弁２４を通過した後、マニュアルバルブ２７を介して室内機４０に導かれる。そして、冷媒は、凝縮器として機能する室内機熱交換器４１において、室内の空気に熱を放出し、凝縮・液化する。その後、電子膨張弁４３において減圧された冷媒は、マニュアルバルブ２９を介して、熱交換器５１に導かれる。そして、冷媒は、蒸発器として機能する熱交換器５１において、放流設備１６の排水の熱を吸収し、気化する。その後、熱交換器５１からの四方弁２４を介した冷媒、アキュームレータ２８を介して圧縮機２２に戻る。以上の過程を経ることで、室内が暖房される。
【００２１】
ここで、暖房運転時、外気温度Ｔａが低くなるに従い、室外機熱交換器２５による外気採熱量（暖房熱源の吸収量）が低下することから、暖房能力が低下する。しかしながら、室外機熱交換器２５において採熱ができない場合には、熱交換ユニット５０の電子膨張弁５４，５５を開けて熱交換器５１に冷媒を流すことで放流水の排熱を奪い、これを冷媒蒸発熱として利用して暖房能力の確保に繋げる。このように、排水処理場１０で特にエネルギー消費量を増やすことなく、放流水の保有する熱を室外機２１の暖房熱源として利用できるため、施設全体としてエネルギーの有効利用を図ることができる。
【００２２】
以上詳述したように、本実施形態によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）例えば冷房運転時、室外機熱交換器２５における冷媒の凝縮に係る外気温度Ｔａが放流設備１６の排水温度Ｔｗよりも高いとき、熱交換器５１により冷媒を放流設備１６の排水の排熱と熱交換させてこれを凝縮させることで、必要なエネルギー消費量を削減することができる。また、暖房運転時、室外機熱交換器２５における冷媒の蒸発に係る外気温度Ｔａが放流設備１６の排水温度Ｔｗよりも低いとき、熱交換器５１により冷媒を放流設備１６の排水の排熱と熱交換させてこれを蒸発させることで、必要なエネルギー消費量を削減することができる。このように、季節を問わず安定的に放流設備１６の排水のエネルギーを有効利用することができる。
【００２３】
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・熱交換器５１による放流設備１６の排熱利用（電子膨張弁５４，５５の開閉切替）は、圧縮機２２の吐出圧力又は吸入圧力を監視して行ってもよい。
【００２４】
・冷房運転時若しくは暖房運転時、通常は室外機２１のみで運転を開始して温調運転を継続してもよい。あるいは、排水処理場１０（放流設備１６）における熱交換器５１の熱交換特性（温度調整時の省エネルギー特性）が年間を通して予め把握できるのであれば、当該特性に基づいて熱交換ユニット５０を始めから利用してもよい。
【００２５】
・排熱利用空気調和装置の性能を把握するために、該装置の導入から一定期間は室外機２１のみの運転を継続してもよい。
・前記実施形態において、排水処理場１０（放流設備１６）における熱交換器５１の熱交換特性（温度調整時の省エネルギー特性）が年間を通して予め把握できるのであれば、放流設備１６の温度センサＳｗを割愛してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態を示す回路図。
【図２】同実施形態を示す回路図。
【符号の説明】
【００２７】
Ｌ…冷媒回路、１０…排水処理場、１３…生物処理設備、１６…放流設備、２０…ヒートポンプ式空気調和設備、２１…室外機、２５…室外機熱交換器、４０…室内機、４１…室内機熱交換器、５１…熱交換器、５６…接続配管。
【図１】
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【図２】
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