(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
生下水を汲み上げるための汲み上げポンプと、該汲み上げポンプにより汲み上げられた生下水からごみを除去するための一次ごみ除去手段と、該手段を通過した生下水と熱利用装置の熱源機器へ熱を運ぶための清水との間の熱交換を行うための熱交換手段とを備えた生下水未利用熱活用システムであって、
洗浄用ボールを含む生下水が入力されたときに前記洗浄用ボールを生下水と分離するためのボール捕集器と、
前記熱交換手段から排出された生下水を前記ボール捕集器へ導くための第１の弁と、
第２の弁と、
前記ボール捕集器により分離された洗浄用ボールが前記第２の弁を介して前記一次ごみ除去手段を通過した生下水に混入するように送り出すためのボール用ポンプと、
前記ボール捕集器から排出された生下水を外部へ排出する経路に設置された第３の弁と、
前記第２及び第３の弁を閉じ、前記ボール用ポンプの運転を停止し、かつ前記熱交換手段から排出された生下水がそのまま外部へ導かれるように前記第１の弁を切り換えて未利用熱の回収を行うところの通常モードによる運転と、
前記第２及び第３の弁を開とし、前記ボール用ポンプを駆動し、かつ前記熱交換手段から排出された生下水が前記ボール捕集器へ入力されるように前記第１の弁を切り換えることにより、前記洗浄用ボールが前記ボール捕集器から前記第２の弁を介して前記熱交換手段へ生下水とともに入力され、該熱交換手段の内部を通過したのち前記第１の弁を介して前記ボール捕集器へ入力され、ここで分離されて再び熱交換手段へと循環され、一方前記ボール捕集器から排出された生下水は前記第３の弁を介して外部へ導かれるようにして未利用熱の回収と前記洗浄用ボールによる前記熱交換手段の洗浄とを同時に行うところのボール循環モードによる運転と、
を切り換え制御するための第１の制御手段と、
を備えたことを特徴とする生下水未利用熱活用システム。
【請求項２】
前記熱交換手段内の生下水の流れの方向を反転させるための第４の弁と、
前記第１の制御手段の制御により前記ボール循環モードによる運転が開始されるときに、該運転に先立って前記第４の弁を制御して前記熱交換手段内の生下水の流れの方向を予め定められた時間だけ反転させるように制御するための第２の制御手段と、
を設けたことを特徴とする請求項１記載の生下水未利用熱活用システム。
【請求項３】
前記熱交換手段の生下水の入口温度と出口温度、及び前記熱交換手段の清水の入口温度と出口温度を検出するための温度検出手段と、
該手段により検出された温度検出値を用いて前記熱交換手段内のチューブ内面の汚れ係数を算出し、該算出した汚れ係数が予め定められた値を越えたときに前記ボール循環モードによる運転の開始指令を前記第１の制御手段に発行するための第３の制御手段と、
を設けたことを特徴とする請求項１または２記載の生下水未利用熱活用システム。
【請求項４】
前記熱交換手段の生下水の入口温度と出口温度、及び前記熱交換手段の清水の入口温度と出口温度を検出するための温度検出手段と、
該手段により検出された温度検出値を用いて前記生下水の入口温度と出口温度の生下水温度平均値と、前記清水の入口温度と出口温度の清水温度平均値とを算出し、さらに前記算出した生下水温度平均値と前記清水温度平均値との温度差が予め定められた値を越えたときに前記ボール循環モードによる運転の開始指令を前記第１の制御手段に発行するための第４の制御手段と、
を設けたことを特徴とする請求項１または２記載の生下水未利用熱活用システム。
【請求項５】
前記熱交換手段の生下水の入口圧力と出口圧力を検出するための圧力検出手段と、
該手段により検出された入口圧力と出口圧力との圧力差を算出し、該算出した圧力差が予め定められた値を越えたときに前記ボール循環モードによる運転の開始指令を前記第１の制御手段に発行するための第５の制御手段と、
を設けたことを特徴とする請求項１または２記載の生下水未利用熱活用システム。
【請求項６】
前記第１の制御手段は、前記ボール循環モードによる運転を予め定められた時間間隔毎に周期的に実行することを特徴とする請求項１または２記載の生下水未利用熱活用システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生下水のもつ未利用熱を活用するための、生下水未利用熱活用システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
河川水、処理水などのもつ未利用熱を活用するためのヒートポンプシステムにおいては、そのシステム内のチューブの汚れを定期的に除去する必要があり、そのためにブラシ洗浄方式あるいはボール洗浄方式が一般に用いられている。このうちのブラシ洗浄方式では、熱交換器チューブの両側に、内部を往復するブラシを受けるバスケットを取り付け、水流方向を周期的に切り換えて洗浄する。このブラシ洗浄方式については、例えば、東京都下水道局発行のパンフレット「アーバン・ヒート下水熱利用システム」で紹介されている。また、ボール洗浄方式では、処理水配管途中よりボールを投入して熱交換器内を通過させ、下流に設けられたボール捕集器によりボールを分離して取り出し、その汚れを除去する。そしてこのボールを再循環させて洗浄を行うもので、公知例としては例えば、特開平５−１２６４９１号に開示されたものがある。
【０００３】
一方、近年都市近郊での地域冷暖房に未処理の生下水の熱を利用する計画が増加している。この理由は、終末処理場が都心から離れており、処理水を利用する上で導管のコストが問題となるが、未処理の生下水は都市内の中継場より取り出しが可能であり、対象地域への供給が比較的容易であるためである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
生下水の未利用熱活用システムに於いても、生下水に含まれる大小のごみの除去とともに、メンテナンス性のよい熱交換器のチューブ洗浄方式が不可欠である。しかし現状では、小規模の生活排水で、かつ下水上流側に繊維状ごみを捕集する除去装置を設けたボール洗浄装置が開発されているだけで、大規模な生下水の未利用熱活用システムに適用した熱交換器のチューブ洗浄方法は開発されていない。また上記した河川水や処理水等を対象としたブラシ洗浄方式では、繊維状のごみがブラシ及びバスケットに絡み動作不良を起こす問題があり、かつメンテナンスのためには水室カバーを毎回開放しなければならないという問題が生じる。また、ボール洗浄方式に於いても、前記公知例（特開平５−１２６４９１号）の方法で生下水に使用すると、常時ボール補集器を生下水が通過するため、繊維状のごみが絡まって堆積し、ボールの分離効果が低下し機能しなくなる恐れがあり得る。
【０００５】
本発明の目的は、その熱交換器チューブの洗浄性能が高く、かつメンテナンス性の優れた洗浄機構を備えた生下水の未利用熱活用システムを提供するにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は、
生下水を汲み上げるための汲み上げポンプと、該汲み上げポンプにより汲み上げられた生下水からごみを除去するための一次ごみ除去手段と、該手段を通過した生下水と熱利用装置の熱源機器へ熱を運ぶための清水との間の熱交換を行うための熱交換手段とを備えた生下水未利用熱活用システムであって、
洗浄用ボールを含む生下水が入力されたときに前記洗浄用ボールを生下水と分離するためのボール捕集器と、
前記熱交換手段から排出された生下水を前記ボール捕集器へ導くための第１の弁と、
第２の弁と、
前記ボール捕集器により分離された洗浄用ボールが前記第２の弁を介して前記一次ごみ除去手段を通過した生下水に混入するように送り出すためのボール用ポンプと、
前記ボール捕集器から排出された生下水を外部へ排出する経路に設置された第３の弁と、前記第２及び第３の弁を閉じ、前記ボール用ポンプの運転を停止し、かつ前記熱交換手段から排出された生下水がそのまま外部へ導かれるように前記第１の弁を切り換えて未利用熱の回収を行うところの通常モードによる運転と、前記第２及び第３の弁を開とし、前記ボール用ポンプを駆動し、かつ前記熱交換手段から排出された生下水が前記ボール捕集器へ入力されるように前記第１の弁を切り換えることにより、前記洗浄用ボールが前記ボール捕集器から前記第２の弁を介して前記熱交換手段へ生下水とともに入力され、該熱交換手段の内部を通過したのち前記第１の弁を介して前記ボール捕集器へ入力され、ここで分離され得て再び熱交換手段へと循環され、一方前記ボール捕集器から排出された生下水は前記第３の弁を介して外部へ導かれるようにして未利用熱の回収と前記洗浄用ボールによる前記熱交換手段の洗浄とを同時に行うところのボール循環モードによる運転と、
を切り換え制御するための第１の制御手段と、
を備えたことを特徴とする生下水未利用熱活用システムを開示する。
【０００７】
また、本発明は、前記熱交換手段内の生下水の流れの方向を反転させるための第４の弁と、
前記第１の制御手段の制御により前記ボール循環モードによる運転が開始されるときに、該運転に先立って前記第４の弁を制御して前記熱交換手段内の生下水の流れの方向を予め定められた時間だけ反転させるように制御するための第２の制御手段と、
を設けたことを特徴とする生下水未利用熱活用システムを開示する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明になる生下水の未利用熱活用システムの構成例を示すもので、比較的大粒径のごみも生下水とともに吸い込む事ができる生下水取水ポンプ１、所定の粒径以上のごみを排除するためのオートストレーナ２、排除されたごみを別の処理施設に導くための配管３と自動弁１２、生下水と清水の間で熱交換するためのシェルアンドチューブ式熱交換器４、熱交換器４の洗浄後に流出するボールを捕集し循環させるためのボール捕集器５及びメンテナンスの際にボールを回収するためのボール回収器６を備えたボール洗浄装置７、生下水の水流を切り換えて熱交換器４に流入する方向を切り換えるための四方切り換え弁８、ボール洗浄装置７への生下水の通水、閉止を切り換える三方切り換え弁１３、熱交換器４から流出する生下水を別の処理施設に導くための配管９、熱交換器４で取り込まれた生下水熱を清水に取り込み導くための配管１０、熱源機器としてのヒートポンプ１１等より構成されている。制御装置１６は、四方切り換え弁８、三方切り換え弁１３等の制御を行う。
【０００９】
図２はボール捕集器５の構造図で、同図（ａ）は縦断面でみた構造を示し、そのＡ−Ａ面で切った横断面が同図（ｂ）に示されている。熱交換器４の洗浄時に三方切り換え弁１３からボールを含んだ水が配管５１へと流入し、櫛状の格子５４でボールが分離されていてノズル５３から吐出される。ここでボールは、例えば２０ｍｍφのスポンジ製のもので、櫛状の格子５４の間隔はこのスポンジの径よりも小さいものとする。格子５４を通過した水はノズル５２から吐出される。板５６は、アクチュエータ５５により上下方向に駆動され、格子５４に付着した繊維状のごみをかきとる。ボール回収器６についても、その基本的な構成はボール捕集器５と同様である。
【００１０】
図３は、熱交換器４ので入口周辺の詳細を示しており、温度検知用センサー４１〜４４及び圧力検知用センサー４５、４６が設けられている。これら各センサーの出力は、制御装置１６へ入力される。
【００１１】
次に、上記したシステムの動作を、図４のタイムチャートと合わせて説明する。まず、運転の開始時には、制御装置１６により四方切り換え弁８は図１の点線矢印８Ａ、８Ｂで示した流路を形成するように設定され、また三方切り換え弁１３は点線矢印１３Ａで示した流路を形成するように設定される。さらに弁１４、１５はともに閉とされる。この状態でポンプ井より取水ポンプ１を介して生下水の汲み上げを開始すると（図４の時刻ｔ１）、その生下水はオートストレーナ２に導かれる。オートストレーナ２には所定のメッシュからなるスクリーンが設けられており、これによってごみを濾過する。そして濾過されたごみがスクリーンに堆積するとスクリーン前後の差圧が増加し、この差圧が所定の域値に達すると差圧スイッチ（図１では省略）が作動し、スクリーンの２次側（出口側）から１次側（入口側）への逆洗が行われ、スクリーンの１次側に付着しているごみが自動弁１２の方へ押し出される。これと同時に自動弁１２が開かれ、スクリーンから押し出されたごみは配管３を介して除去される。ここでのオートストレーナ２及び自動弁１２の動作は図示を省略したが、オートストレーナ２の制御系により制御され、図４の時刻ｔｓ１、ｔｓ２・・・ｔｓｎで示したように前記差圧がその域値に達する事に繰り返される。
【００１２】
一方、オートストレーナ２である程度の粒度まで濾過された生下水は、四方切り換え弁８の点線矢印８Ａの経路を通って熱交換器４に導かれ、配管１０内の清水との間で熱交換が行われる。これによって清水に与えられた温熱が前記のように熱源機器としてのヒートポンプ１１に入熱される。清水との熱交換後の生下水は、熱交換器４から吐出され、四方切り換え弁８の点線矢印８Ｂの経路を通って三方切り換え弁１３へ導かれ、その点線矢印１３Ａの経路を通って別の処理施設に配管９を介して導かれる。
【００１３】
上記した動作が続くと、生下水の通水により熱交換器４のチューブ内面に汚れが蓄積する。このためにチューブの伝熱性能が低下して熱交換量が減少するとともに、熱交換器４の生下水側で入口温度差が低下していく。また、熱交換器チューブ内の汚れの進行により、熱交換器の圧力損失も増加する。この圧力損失の増加は、取水ポンプ１の特性に応じて生下水の流量に影響する。そこで制御装置１６は、熱交換器４の周辺に設けられた各センサー（図３）の検出値を監視し、チューブ内面の汚れを検出する。この検出方法としては、ここでは熱交換器４の生下水の出入口の圧力差、即ち圧力検知センサー４５、４６の検出圧力の差△Ｐが、予め定められた圧力域値Ｐｔｈ１をこえたか否かで検出するものとする。そしてもし
【数１】
△Ｐ＞Ｐｔｈ１
となったときには、制御装置１６は、四方切り換え弁８内の流路が図１の実線矢印８Ｃ、８Ｄとなるように四方切り換え弁８を設定する。これにより、熱交換器４に流入する生下水の出入り方向が逆に切り換えられ、チューブ内部を生下水が逆流することにより、チューブ入口に付着した繊維状のごみが三方切り換え弁１３を経由して生下水とともに配管９から排出される。これと同時にチューブ内に付着していたごみも逆流によりある程度除去され、次の操作でボールがチューブに入り易くしている。制御装置１６は、この状態を所定の時間続けるとボール捕集器５のかきとり用アクチュエータ２０を駆動するとともに、その駆動完了の信号を受けて再度四方切り換え弁８の流路を点線矢印８Ａ、８Ｂの状態に戻し（時刻ｔ３）、熱交換器の水流方向を元に戻す。アクチュエータ２０の駆動により、ボール捕集器５に付着していたごみを除去してボールの分離効果が維持される。さらに制御装置１６は、四方切り換え弁８を元に戻すと同時に三方切り換え弁１３を切り換えてその流路が図１の実線矢印１３Ｂとなるようにして熱交換器８から排出された生下水をボール洗浄装置７に通水し、弁１４、１５をともに開とする。
【００１４】
ボール洗浄装置７へ流入した生下水はボール捕集器５へ管５１から流入し、前述したように生下水の大部分はノズル５２から吐き出されて弁１４を通り、配管９から排出されるが、一部分は櫛状格子５４を通り、そこにあるボールとともにノズル５３からポンプ１７より引き出される。このポンプ１７はボールを通過させることのできるものである。ボール回収器６の出入口に設けられた三方切り換え弁１８、１９は、通常はボール回収器６をバイパスして水が流れるように設定されているので、ボールの混ざった生下水は弁１５経由で四方切り換え弁８へと送られ、ポンプ井から取り込まれた生下水とともに熱交換器４内のチューブを通過してチューブ内を洗浄する。その後このボールの混ざった生下水は三方切り換え弁１３からボール捕集器５へと送られ、ここでボールが分離されて再び熱交換器４の方へ循環する。
【００１５】
このようにして、ボール循環モードでの運転が行われていると、徐々に熱交換器４内のチューブ洗浄が進み、図４に示したように生下水の差圧△Ｐは低下し始め、やがて予め定められた第２の域値Ｐｔｈ２を下回る（図４の時刻ｔ４）。但しこの域値Ｐｔｈ２は
【数２】
Ｐｔｈ１＞Ｐｔｈ２
となるように定めることにより、上記ボール循環モードでの運転が停止後すぐに起動されないようにしておく。制御装置１６は、
【数３】
△Ｐ≦Ｐｔｈ２
を検出するとボール洗浄装置７のポンプ１７を止め、弁１４、１５を閉じ、さらに三方切り換え弁１３の流路を点線矢印１３Ａに戻してボール循環モードでの運転を終わり、最初の運転状態とする。なお、洗浄用のボール取り替えや取り出しての洗浄を行うときは、三方切り換え弁１８、１９を切り換えてボールを含んだ生下水をボール回収器６へ導き、そこでボールを分離してその取り出し口から取り出す。
【００１６】
以上に説明したように、図１のシステムによると、熱交換器チューブ内の汚れを検出してその汚れがある程度すすむとボール循環モードでの運転を行ってその汚れを自動的に除去することができ、信頼性が高く保守性のよい未利用熱回収システムを実現できる。
【００１７】
なお、以上の説明では、チューブ内面の汚れを熱交換器４の生下水出入口圧力差から検出するものとしたが、この汚れ検出法の別の例を次に説明する。一般に熱交換器の伝熱性能Ｑは次式で表される；
【数４】
Ｑ＝Ｋ・θｍ・Ａ０＝Ｃｐ・γ・（ｔｇ１−ｔｇ２）・ｗｇ
１／Ｋ＝１／α０＋Ｄ０・ｌｎ（Ｄ０／ＤＩ）／（２・λｗ）＋（Ｄ０／ＤＩ）・（１／αＩ＋γＩ）
ここでチューブの管外及び管内の熱伝達率α０及びαＩ、チューブの外径及び内径Ｄ０及びＤＩ、伝熱面積Ａ０、チューブの熱伝導率λｗは装置で定まっている定数である。生下水の比熱Ｃｐ、比重量γ、生下水量Ｗｇも予め決められる。また、熱交換器の生下水入口温度ｔｇ１、同出口温度ｔｇ２  は図３の温度検知用センサー４１、４２の検出値である。平均温度差θｍ  は、
【数５】
θｍ＝０．５Ｆ・｛（ｔｈ１＋ｔｈ２）−（ｔｇ１＋ｔｇ２）｝
で与えられ、Ｆは予め定めた修正係数、清水の入口温度ｔｈ１  と出口温度ｔｈ２  は温度検知用センサー４３、４４の検出値である。以上から温度検知用センサーの検出値を入力として（数４）（数５）から汚れ係数γＩ  が算出できる。そこで制御装置１６は、上記の各温度センサー出力を取り込み、上記の汚れ係数γＩ  を算出し、施設の運転開始当初の汚れのないときの値を初期値γＩ０として記憶しておく。そして運転中に算出した汚れ係数γＩが、予め定めた定数ａにたいして
【数６】
γＩ＞ａ・γＩ０，ａ＞１
となったとき前述のボール循環モードに切り換えて運転を行い、さらに別に定めた定数ｂに対して
【数７】
γＩ＜ｂ・γＩ０，１＜ｂ＜ａ
となったときボール循環モードの運転を停止するようにする。
【００１８】
さらに別の簡単な汚れ検出法としては、（数６）に示した平均温度差θｍを温度検知用センサー４１〜４４の検出値から求め、この値が所定値をこえたときに汚れがすすんだとみなしてボール循環モードに切り換える方法も可能である。むろんこの場合にもボール循環モード運転を停止する条件は他の場合と同様に定める。あるいはボール循環モード運転を停止する条件として、前記の汚れ係数、平均温度差、または圧力差のいずれの場合も、タイマー等で所定時間後に停止する方法を用いてもよい。あるいはもっと簡単に、温度や圧力の検出値を用いないで、スケジュールタイマ等により定期的にボール循環モード運転を起動するようにしてもよい。
【００１９】
また、繊維質状のごみを上流過程で除去できるストレーナを設けた場合には、四方切り換え弁８は必要とせず、逆流による洗浄を省くこともできる。この場合にも、ボール洗浄装置７の動作条件は、上記と同様である。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、生下水から安定して熱回収ができる、信頼性の高いかつメンテナンス性の良い未利用熱活用システムを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明になる生下水未利用熱活用システムの構成例を示す図である。
【図２】ボール捕集器の構造を示す図である。
【図３】熱交換器周辺の各検知器を示す図である。
【図４】運転制御のタイムチャートである。
【符号の説明】
１  取水ポンプ
２  オートストレーナ
４  熱交換器
５  ボール捕集器
６  ボール回収器
７  ボール洗浄装置
８  四方切り換え弁
１１  ヒートポンプ
１２  自動弁
１３  三方切り換え弁
４１〜４４  温度検知用センサー
４５、４６  圧力検知用センサー
【図１】
0003594211.tif 000002
【図２】
0003594211.tif 000003
【図３】
0003594211.tif 000004
【図４】
0003594211.tif 000005