夏の管理

ペットボトルで水槽の水温をゆっくり下げる方法

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今回は夏場の暑さ対策として凍らせたペットボトルを利用する場合、より生体への負担を少なくして水温を下げる方法に関する内容です。

なお今回の内容はあらゆる魚種、あらゆる環境で安全であるという検証はおこなっておりません。とりわけ水質に敏感な魚の場合、失敗するリスクもあります。当サイトに掲載された内容によって生じた損害等の一切の責任を負いかねますので、ご了承ください。お試しする場合は読者各自の責任においてお試しください。

なお水温を下げる方法全般はこちらの記事もご覧ください。今回はこの中でも凍らせたペットボトル特化の内容となります。

ペットボトルで水温を下げることの問題点

基本的に凍らせたペットボトルを浮かべるだけでうまくいく場合もあります。我が家はグッピー水槽で生体に問題なく水温を低下させることができました。

しかしながらこの方法はそれなりにリスキーです。

水温が急激に下がって生体ダメージが大きい場合がある

やはり凍らせたペットボトルと水槽内の水の接触面では激しい伝熱現象が生じて、ペットボトル表面がかなり低温になりますし、伝熱量も常にペットボトルの表面全体が伝熱面となり大きくなります。

つまり凍らせたペットボトルの投入は水槽全体の水温の急激な低下と、ペットボトル表面の極端な低温化を生じさせます。

これによる生体ダメージを予防するために凍らせたペットボトルの投入を推奨しないという意見ももっともです。

さらに私の経験上プレコなどの水質に敏感な魚はさらにリスクが高くなります。

以前プレコにペルチェ式水槽用クーラーを使っていたことがあるんですが、3匹いたタイガープレコが全滅したことがあります。もちろんクーラーだけの問題ではないでしょうけど水槽の底で生活するプレコですから、冷えた水が底にたまって、体調を崩したことも原因の一つと思われます。

水槽用クーラーでこの状況ですから、ペットボトルで急激に水温を下げたらいい結果にならないのは容易に想像できます。

そうはいってもお金の問題もある

しかしながら水槽用クーラーの電気代を考えると、凍らせたペットボトルにもコスト的な利点が存在します。

以下は水槽用クーラーの消費電力です。

テトラ クールタワー CR-2 NEW 定格消費電力:140W(テトラ, テトラ クールタワー CR-2 NEW

仮に一日のクーラー稼働時間を午前10時から夕方6時の8時間とします。

すると消費電力合計は

140W×8=1.12kWhとなります。

これを一か月続けると

1.12×30=33.6kWhとなります。

これを電気料金に換算すると仮に1kWhあたりの料金単価が27円/kWhとした場合

33.6×27=907.2円

となります。

今度は500mLのペットボトルを4本凍らせる場合を考えます。

冷凍庫の電気代はひと月に31Lで約286.75円です。(出典:ドコモでんき, 冷凍庫の電気代はいくら?選び方のポイントや節電方法を紹介

500mLのペットボトル4本は2Lなので2Lのペットボトルを凍らせて保管するのにかかるひと月の電気代は単純に考えて

286.75×(2÷31)=18.5円

となります。

つまり水槽用クーラーをひと月稼働させると約900円かかるところ、ペットボトルを凍らせたものを冷却に使えば(500mLボトル一本を2時間使用と想定)約18円で済みます。比率で言えば約50倍ペットボトルのほうが単純に考えてお得です。

なんとかして凍らせたペットボトルを利用できないかと考えてこれから述べる方法を考えました。

水の膜でペットボトルを覆う【ペットボトル二重化】

凍らせたペットボトルを飼育水にドボンと投げ込むときの現象を考えてみます。

仮としてドボン投げ入れ状態の、氷とペットボトルと飼育水だけの伝熱を考えます。この時伝熱素材は薄いペットボトルとなります。

ペットボトルの熱伝導率は0.24[W/m・K]くらいです。さらにペットボトルの厚さは約0.34mmすなわち0.00034mくらいです。ここからペットボトルの熱抵抗値[m2・K/W]は断熱材の厚み÷熱伝導率から

0.00034÷0.24≒0.0014

くらいとなります。熱抵抗値は値が大きいほうが断熱性能が高く、熱が伝わりにくくなります。

ここで考えたいのが、凍らせたペットボトルをそれより大きなペットボトルに入れ子にして「氷」と「冷やされた水」と「水」にした場合の伝熱です。

水が1cm(0.01m)の厚みだった場合の熱抵抗値を求めてみます。つまりペットボトルを二重にして隙間に飼育水を満たした場合。

水の熱伝導率は0.6[W/m・K]くらいなので、同様に計算して熱抵抗値は

0.01÷0.6≒0.017

つまり比較すると

0.017÷0.0014≒12

12倍ほど水1cmのほうがペットボトルの薄い膜より熱抵抗値に関しては熱が伝わりにくいといえます。

先ほどの話でペットボトルを凍らせた場合のデメリットは水温が急減する点だと言いました。

しかし水の膜で凍らせたペットボトルを覆うと、伝熱量が減ります。

つまり熱の伝わり方がゆっくりになるため水温の急減が緩やかになります。

熱抵抗値は断熱材の厚み÷熱伝導率で算出されるので、もっとゆっくり伝熱させたいならもっと大きな容器に飼育水を満たしてそこに凍らせたペットボトルを入れれば、断熱材の厚みが増えるのでさらにゆっくり熱が伝わるはずです。

この仕組みを飼育水に応用したらどうなるだろう、というのが今回の記事の趣旨となります。

簡単に言うと「蔵」の仕組みと同じです。蔵は壁が厚いので外気温が高くても断熱性能が高くなり、熱くなりにくいという仕組みを利用しています。

実際に作成したもの

今回は40cmHigh水槽(30cm×30cm×40cm)のカージナルテトラのいる水槽と60cm規格水槽のコリドラスがいる水槽で実験しました。

用意するのは100均で購入したプラスチックボックスです。これにS字フックを通して、水槽に引っ掛けます。

ボックスの中に飼育水をある程度入れ、そこに凍らせたペットボトル500mLを入れます。

High水槽に引っ掛けたのが以下となります。

次がコリドラス水槽。

水槽に備え付けた水温計とキッチン温度計を用いて以下の6点の水温を測りました。

  • High水槽水温計:水槽内に備え付けていた水温計。ある程度ボックスから離してある
  • High水槽貯水池内:ボックス内の飼育水の水温
  • High水槽貯水池脇右:ボックス外のボックスすぐ脇(右側)の本水槽の飼育水の水温
  • コリドラス水槽水温計
  • コリドラス水槽貯水池内
  • コリドラス水槽貯水池脇左:ボックス外のボックスすぐ脇(右側)の本水槽の飼育水の水温

ボックスのすぐ脇の水温の変化が小さければ本水槽の水温の変化は緩やかとみなせます。以上の6点の水温を気温が高くなり室温が高くなったある日に計測してみました。

場所High水槽水温計High水槽貯水池内High水槽貯水池脇右
30分経過28℃24.3℃29.8℃
60分経過28℃22.9℃29.2℃
90分経過28℃23.628.7℃
120分経過28℃27.2℃28.7℃
室温は全体の時間を通して約30.6℃であった
場所コリドラス水槽水温計コリドラス水槽貯水池内コリドラス水槽貯水池脇左
30分経過29℃22.9℃29.2℃
60分経過29℃21.4℃28.9℃
90分経過28.5℃22.9℃28.7℃
120分経過28℃26.6℃28.7℃
室温は全体の時間を通して約30.6℃であった

ボックス内の水温はかなり低温になりますが、ボックスすぐ脇の水温はかなり緩やかに低下しているのがわかると思います。水量の多いコリドラス水槽のほうが、同じ冷却能力で大量の水を冷却する必要があるので水温の低下が抑えられています。

またペットボトルの冷気が維持できる時間が2時間程度というのも計算通りです。

本水槽全体の水温は28℃程度をキープするか、29℃から28℃に緩やかに低下するくらいでした。High水槽の水温計の温度が水槽すぐ脇の水温とズレていますが、水温計のメモリが大きく、2℃間隔だったので、変化が見えにくかったのかもしれません。コリドラス水槽の水温計は1℃刻みだったので、より正確な値が読み取れたと思われます。

上の表を眺めれば、水の膜22℃と30℃くらいの飼育水の伝熱が起きているのがわかります。膜が無いと0℃の氷と30℃の飼育水の伝熱だったはずです。つまり熱の伝達が緩和されています。22℃で30℃を冷ますのと、0℃で30℃を冷ますなら22℃で冷ましたほうが緩やかに冷えますよね。

なお室温が30.6℃だった日の屋外の気温は33℃程度でした。一般に夏の暑い日の気温はこのくらいの場所が多いだろうと仮定して室温30.6℃でのデータを取りました。

二重にしなかった場合との比較

30cmキューブ水槽で実験したかったのですが、余っている水槽がなかったので25cmキューブ水槽を使って実験してみました。

生体のいる水槽で実験するのはリスキーだったので、生体のいない水槽に凍らせたペットボトルを浮かべた結果を載せます。

一応水が循環するようにエアレーションをしました。

水槽はこんな感じです。

ここに凍らせたペットボトルをドボンと入れます。

計測結果は以下のようになりました。

場所水槽水温計ペットボトル近傍1cm室温
開始時29℃29℃30℃
30分経過27℃27.2℃30.5℃
60分経過26℃26.5℃30.9℃
90分経過26℃26.5℃31.2℃
120分経過26℃26.9℃31.2℃

ドボンと凍らせたペットボトルを入れると、開始30分で水温は2℃程度下がり、1時間で3度程度下がりました。上のペットボトル二重化の水の膜方式では2時間で約1℃の減少だったので、ドボンと直接水槽にペットボトルを入れると急激に水温が下がることがわかります。

二重化方式に使用した水槽は25cmキューブ水槽ではなく、それより大きな40cmHigh水槽と60cm規格水槽だったので、実際はもう少し温度変化は緩やかになると考えられますが、それなりに急激に水温が下がると予測できます。実際昨年直接40cmHigh水槽にドボンと凍らせたペットボトルを入れて冷却したときは2時間で水温2℃から3℃の低下でした。

またペットボトル周りはそんなに22℃とかの低温にはなっておらず、水槽全体の温度程度で推移しました。このことからエアレーションやろ過フィルターなどで水が循環すれば、それほど凍らせたペットボトルのすぐ脇が急冷されるという心配はなさそうです。

ただし、水槽全体の水温が急減するので、やはりリスキーではあります。

ペットボトル二重化方式だと二時間で1℃程度の緩やかな冷却となるので、この二重化方式の利点がわかると思います。

補足計算

一応次の三点に関して伝熱計算をして今回の主張がある程度正しいということを述べておきます。

  • 高温の外気(35℃)と水槽の水(28度)の伝熱量[W]
  • 外気と水槽の水の伝熱量から凍らせたペットボトルがどのくらいの時間使用可能か
  • 飼育水(30℃)と凍らせたペットボトル500mL(0℃)の伝熱

高温の外気(35℃)と水槽の水(28度)の伝熱量[W]

伝熱学の「熱通過」の理論を用います。式は以下となります。

\[Q=\frac{A(T_{h} – T_{c})}{\frac{1}{a_{h}}+\frac{\delta}{k}+\frac{1}{a_{c}}}\]

ここで

\(a_{h}\):高温流体と壁との熱伝達率

\(a_{c}\):低温流体と壁との熱伝達率

\(k\):壁の熱伝導率

\(T_{h}\):高温流体の温度

\(T_{c}\):低温流体の温度

\(A\):壁の面積

\(\delta\):壁の厚み

そして各種定数の値は以下となります。

\(a_{h}\):4.65 [W/m2・K] (参考:オリエンタルモーター, 熱通過率、熱伝達率、熱伝導率について

\(a_{c}\):405[W/m2・℃] (参考:日阪製作所, 伝熱促進について(自然対流、蒸発熱伝達、凝縮熱伝達)

\(k\):1.6[W/m・K] (参考:創建ペイント, ガラスの熱伝導率とは?結露の原因?納得解説と対処法まとめ

\(T_{h}\):35[℃]

\(T_{c}\):28[℃]

\(A\):30cm×40cm×4枚で0.48[m2] ガラスの上下の伝熱は簡単のため無視する

\(\delta\):5[mm]=0.005[m]

ここから熱流量Q[W]は

Q=Q=0.48(35-28)÷((1÷4.65)+(0.005/1.6)+(1÷405))=15.2[W]

凍らせたペットボトルがどのくらいの時間使用可能か

水が0℃から28℃まで上昇するのに必要な熱量は水の比熱を4186[J/kg・K]として500mLのペットボトルを0.5kgとして

4186×28×0.5=58604[J]

さらに氷が水になる潜熱を、0℃の氷が水になる潜熱量を333[kJ/kg]として

333000×0.5=166500[J]

よって氷が28℃の水になるのに必要な熱量は

166500+58604=225104[J]

これをすべてガラスと水槽の水での伝熱で賄うのにかかる時間は

225104[J]/15.2[W]=14800[s]=240[min]=4[h]

実際は水槽上下の伝熱も対流もあるから3時間くらい保てばいいと考えられます。

これは感覚的にペットボトル500mLで2時間という経験に合致するのではないでしょうか。少なくても単位の大きさでは大きく外れていません。

飼育水(30℃)と凍らせたペットボトル500mL(0℃)の伝熱

たいていの場合28℃の飼育水を氷で冷やすというよりは30℃くらいに温まった水を氷で冷やすので水温は30℃とします。

上の熱通過の式の各種定数を氷(0℃の水)と飼育水(30℃)の伝熱として再設定します。

\(a_{h}\):405 [W/m2・K] 

\(a_{c}\):405[W/m2・℃] 

\(k\):0.24[W/m・K] (参考:八光電機, 熱の実験室

\(T_{h}\):30[℃]

\(T_{c}\):0[℃]

\(A\):大体0.044[m2]

\(\delta\):0.34[mm]=0.00034[m] (素材はペットボトル。参考:八光電機, 熱の実験室

ここから

Q=0.044(30-0)÷((1÷405)+(0.00034÷0.24)+(1÷405))=208[W]

これらの計算から言えること

まとめると

  • 高温の空気と飼育水の伝熱量は約15[W]
  • 高温の空気と飼育水の伝熱量を凍らせたペットボトルの冷気で打ち消すのにかかる時間は約3時間
  • 凍らせたペットボトルと飼育水の伝熱量は約208[W]

このことから

  • 経験的に凍らせた500mLペットボトル一本で2時間というのはある程度妥当な結果
  • 凍らせたペットボトルと飼育水の伝熱量のほうが高温空気と飼育水の伝熱量よりはるかに大きい

つまり凍らせたペットボトルと飼育水の伝熱量が多いために水槽では、高温空気の加温を上回るスピードで一気に飼育水が氷で冷やされて急激にかなりの低温になり、氷の冷却能力が溶けて下がってきてから高温空気でじわじわ28℃くらいまで温まっていくというのがある程度理論的に説明できます。

高温空気と飼育水の伝熱はコントロールしにくいので(ただし発泡スチロールやプチプチなどで水槽周りを囲えばそれなりに伝熱スピードは落ちる)、氷と飼育水の伝熱スピードをいかに抑えるかというのが大事だと言えます。

それが今回の「ペットボトルと飼育水の間に水の層を一枚かませる」という手法につながっていきます。

まとめ【ペットボトルを入れ子状にするとゆっくり冷える】

今回はペットボトルで水槽の水温を下げるときに、直接凍らせたペットボトルを投入するよりも緩やかに水槽の飼育水を冷却する方法として、凍らせたペットボトルを入れ子状にするという方法を紹介しました。

ここまでやるなら室内をエアコンで直接冷やしたほうが手間が無いような気もしますが、電気代も値上がりしている昨今、電気代を少しでも減らす方法にも一定の需要があるように思われます。

今回の方法は100均のプラスチック容器に飼育水を入れて、そこに凍らせたペットボトルを浮かべるだけです。方法自体は単純で簡単です。

低予算アクアリウムでの何らかの参考になりましたら幸いに存じます。

夏休みの自由研究みたいだったね。それなりにうまくいってよかったね!