水槽の冷却　その1

夏がく〜れば思い出す〜・・・水槽の冷却に関する話です。
「アクアなチラシの裏」としては珍しくマニュアル的解説のページを作ってみました。例を交えて、分かりやすくしようとしたつもりが、力及ばず分かりづらくなってしまってガックリきていますが、以降に水槽の冷却について、冷却ファンのことを中心に知っていること／調べたことを掲載しました。冷却ファンの使用が自分の使用環境に合っているか考える際の参考にしていただければと思います。

水槽用クーラーと冷却ファンのどちらを選べばよいのか
先ず一般的に言われている水槽用クーラーと冷却ファンの特徴はこのようになっています。

（上記は一般的に言われていることなので、例外ももちろんあります。例えば冷涼な地域では冷却ファンでも結構冷却能力が大きくなりますし、工作能力が高い人はファンを使用していても色々隠蔽する対策が取れるので、スッキリ設置することが可能など）

上の表からおおよその特徴が分かったと思いますが、冷却能力を絶対とするのでしたらやはりクーラーを選ぶことになるでしょう。コストを優先すれば冷却ファンの方が有利なのですが、冷却ファンでは冷却能力が足りず、生体の調子を崩してしまうようでしたら元も子もありません。
それでは冷却ファンはだめかというと、もちろんそんなことはなく、クーラーに比べ導入敷居が圧倒的に低く、また工夫次第で冷却能力を補うことが可能です。
だから多くの人が冷却ファンを利用し、管理人自身も冷却ファンを利用しています。
使用環境も価値観も違う訳ですから、単純にこちらにすればと言い切れない訳で、色々な情報を掻き集めて、納得した方を選択するのがベストだと思います。

冷却ファンの風は水槽のガラス面に当てればいいの？
「水槽の冷却にファンを使用する」ということを聞いてファンを購入したものの、水槽のガラス面に風を当てていて全然冷えなかったなんて話しがあるそうです。私たちも扇風機に当たって涼みますから、直接水槽に風を当てればいいのかな、そう考えてしまっても不思議ではありません。でも夏場の水槽はこのやり方では冷えないのです。
それではなぜ冷えなかったのでしょうか。水槽の水温を26℃に維持したいという設定で考えてみます。

例えば夏場に気温が30℃になって、水温が上がり気味なのでファンを使用してガラス面に対して風を送ったとします。風の温度は気温と同じ30℃なので、それより低い温度である水槽内の水を冷やすことができません。それどころか風の熱を水槽に与えてしまい逆に暖めてしまいます。冷えないのでムキになって大型の扇風機で強風なんて送ったら、ますます伝熱が良くなるのでよりいっそう暖めることになり、水温を風と同じ温度30℃に近づけることになるでしょう。

水温より気温が低い場合は、ガラス面に風を送って冷やすことは出来ても、気温のほうが高くなってしまっては冷やすことは出来ません。（注１）
では夏場はどうやって冷却ファンで水温を下げるのでしょうか。

（注１）ガラス面ではなく、ライト自体に風を当てることは、ライトの熱を放熱させることと、ライトと水槽間のこもった熱を逃がすことには効果があります。

冷却ファンの冷却の仕組み（原理）
夏場に冷却ファンで水温を下げるには、水面に風を当てて水を蒸発させる必要があります。プールから上がった後濡れた体に風が当たると普段より寒く感じますよね。それは気化熱が関係していて、体についている水滴が風に当たって乾く時に体の熱を奪っていくからです。水槽の水温を下げる場合も一緒なのです。

水面に風を当てる理由ですが、これは空気と水を接触させることにより積極的に水を蒸発させるためです。水槽内の水が蒸発した場合、1L当たり約580kcalの熱を奪っていきます。60cm規格水槽の場合、概略60Lの水量なので、1L蒸発させれば10℃程度温度を下げることになります。これならクーラーはいらないじゃないかと言われるかもしれませんが、上の話しは時間のファクターが含まれていません。瞬時に1L蒸発させればという仮定の話なのです。実際は1L蒸発させるのには何時間もかかります。その間に水槽のガラス面から吸熱しますし、ライティングから放射された熱の影響も受けるし、水中ポンプから発せられる熱の影響も受けてしまい、結果として数度しか下がらないのです。
なお、上の話は単純にするために水の熱容量しか考慮していませんが、実際は水に接触しているもの（水槽、ホース、ろ過フィルター、底砂など）全ての温度を下げる必要があります。

湿球温度って何だろう
「冷却ファンの冷却の仕組み」では実は重要なことに触れていません。それは湿球温度（Wet Bulb Temp.）です。
温度計が2本並んでいて、片側の感温部にガーゼが巻かれている温度計セットを見たことはありませんか。それのことを(簡易型)乾湿計と言います。2本の温度計のうち、感温部にガーゼが巻かれた側の温度計を湿球と言い、ガーゼで覆われていない普通の温度計を乾球と言います。ガーゼの一端は水の入った容器に浸かっていて、毛細管現象でガーゼ全体を濡らしています。
乾球側は普通の気温（乾球温度）を測ります。一方湿球側は湿球温度というものを測ります。
湿球温度は、感温部に巻かれている濡れたガーゼから乾いた大気へ水が絶えず蒸発し、一方その蒸発に必要な熱は廻りの空気から絶えず供給され、水の蒸発と熱の移動がちょうどバランスした状態の温度を表しています。

それでは湿球温度と乾球温度はどのような関係なのかというと、以下の表をご覧下さい。

この表は通風型の乾湿計を使用した場合に、乾球温度と湿球温度から湿度を求めるのに使用する湿度表です。（湿球温度を正確に測る場合は通風して測定する必要があります。乾湿計の説明は見かける機会が多いであろう簡易型乾湿計で説明しましたが、湿度表は通風型用を掲載しました。）

表中の数値は相対湿度(%)で、例えば乾球温度25℃、湿球温度18℃のとき、乾球温度と湿球温度の温度差が7℃あるので、湿度は50%となります。
乾球温度と湿球温度の関係は表をみれば分かるように、湿度が100%でない限りは、湿球温度のほうが低く、湿度が高くなるほど乾球温度と湿球温度の温度差は小さくなります。そして大気の湿度が100%の場合は、ガーゼからの蒸発が行われないため、乾球温度と湿球温度は等しくなります。

乾球温度（気温）と湿球温度のことが分かると、もう少し冷却ファンによる冷却のことを深く知ることが出来ます。

水温より暖かい空気を送ってもなぜ冷えるのか
水と暖かい空気を接触させると、水温と気温が徐々に等しくなるのですが、これだけでは気温は下がりますが、水温は上がってしまいます。そうならないのは、同時に空気は水蒸気により徐々に飽和に達していくからです。飽和に達するということは水が蒸発した訳で、蒸発に必要な熱量（蒸発潜熱）と空気が水に与えた顕熱分の熱量が等しくなる温度でバランスすることになります。このときの温度と通風して計測した湿球温度は同じと考えて良いのです。ここで先ほどの湿度表をみてみることにします。

気温30℃、湿度50%の風を水面に当て、26℃の水温を冷却させる場合を考えてみましょう。この場合の湿球温度は（30-8）℃＝22℃となるので、この温度で気温と水温がバランスすることになり、理論上は22℃まで冷却出来ることになります。水温より暖かい風を水面に当てても、湿度さえ低ければ水槽が冷やせるのです。

冷却ファンでどこまで冷やせるのか
先ほど理論上は冷却出来ると書いたのですが、単純に冷却ファンで水面に風を当てたぐらいでは、空気が飽和に達する程接触時間はとれないので、実際は湿球温度まで下げられないのです。
でもどこまで下げることが出来るかの一つの目安として、湿球温度は重要だということは分かりましたよね。
また今までの話しで、冷却ファンで水槽温度を冷却する場合は、気温だけでなく湿度に影響を受けるということが分かったと思います。つまり同じ気温でも湿度が高いと水温は下がりにくく、湿度が低くさらさらしている場合は水温が下がりやすいのです。

冷却ファンで水温が充分下がるか下がらないかという話しは、その時の気象条件によっても変わりますし、住んでいる地域によっても変わってきます。また風の当て方（水と空気の接触）によっても異なりますし、当然使用している機器からの入熱もありますので、充分冷やせるのかということに答えを出すことは難しく、ケースバイケースになってしまいます。
極端な話では、例え同じ水槽でも午前中までは無事に冷やせていた水槽が、午後からは湿った風になったため充分冷やせなくなったということが起こり得ます。このようなことから、冷却ファンはクーラーに比べると冷却能力が不安定と言われるのです。

ちなみに気象庁によりますと、東京の8月の最高気温の平均は30.8℃、相対湿度の平均は72%（1971〜2000年）となっています。この条件の場合、上の湿度表の乾球温度30℃に近いのでそこの値を使用すると、乾球と湿球の温度差は概略4.2℃となるので、湿球温度は26.6℃となります。従ってどんなに頑張っても26.6℃までしか下げられないことになります。
実際にはもっと条件が厳しく、34℃なんて気温の日もありますし、水槽廻りはもっと温度が高かったりします。こんな条件の場合は水温30℃に到達することも充分あり得ます。その場合は冷却能力を高めたり、入熱量を減らすなど色々な工夫をこらすことが必要となります。

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