深層水源冷却

深層水源冷却（DWSC）または深層水空気冷却は、ヒートシンクとして大量の天然の冷たい水を使用するプロセスおよび快適な空間冷却用の空気冷却の一種です。湖、海、帯水層、または川の深部から汲み上げた4〜10℃の水を使用し、熱交換器の片側からポンプで送ります。熱交換器の反対側では、冷却された水が生成されます。^[1]

標準大気圧では、水は 3.98 °C (39.16 °F) で最も密度が高くなります (海水の場合はそうではありません)。したがって、水が 3.98 °C 以下に冷えると密度が増し、それ以下の温度に沈みます。温度が 3.98 °C 以上に上昇すると、水の密度も低下して水位が上昇します。これが、夏に湖の表面が暖かくなる理由です。この 2 つの効果の組み合わせにより、赤道地域からかなり離れた場所にあるほとんどの深海底の水温は、常に 3.98 °C です。

エアコンはヒートポンプです。夏季、外気温が建物内の気温よりも高くなると、エアコンは電気を使用して、建物内の涼しい内部から暖かい外部の周囲に熱を移動させます。このプロセスでは電気エネルギーが使用されます。

住宅用エアコンとは異なり、現代の業務用エアコンシステムのほとんどは、熱を外気に直接伝達しません。蒸発冷却を利用することで、システム全体の熱力学的効率を向上させることができます。蒸発冷却では、冷却水の温度が冷却塔での蒸発によって湿球温度近くまで下げられます。この冷却された水は、ヒートポンプのヒートシンクとして機能します。

深層湖水冷却は、湖の底から汲み上げた冷水を気候制御システムのヒートシンクとして使用します。ヒートシンクが冷えるほどヒートポンプの効率が向上するため、深層湖水冷却は、利用可能な場合、大規模な冷却システムの電力需要を削減できます。概念的には現代の地熱シンクに似ていますが、適切な水源があれば、一般的に構築が簡単です。

深層湖水冷却は、周囲の湿球温度よりも低い冷たい深層湖水を使用することで、より高い熱力学的効率を実現します。効率が高いため、使用する電力が少なくなります。多くの建物では、湖水は十分に冷たいため、環境条件によっては空調システムの冷却部分を停止し、建物内部の熱を湖水のヒートシンクに直接伝達できます。これは「フリークーリング」と呼ばれますが、実際にはポンプとファンが稼働して湖水と建物の空気を循環させるため、無料ではありません。

深層湖水冷却のもう一つの魅力は、夏の午後など、電力網全体の負荷のかなりの部分が空調であるピーク負荷時にエネルギーを節約できることです。

深層水源冷却はエネルギー効率が非常に高く、従来の冷却システムに必要な平均エネルギーの1/10しか必要としません。^[1]その結果、ランニングコストも大幅に低くなることが期待できます。

エネルギー源は非常にローカルで、完全に再生可能です。ただし、環境に排出される水と熱（多くの場合、同じ湖または近くの川）が自然のサイクルを乱さない限りです。オゾン層を破壊する 冷媒は一切使用していません。

建物の冷却需要と現地の天候にもよりますが、深水源冷却は建物の冷却需要の完全部分を満たすことができ、チラーを介した機械的冷却への建物の依存をなくすことができます。これにより、建物の電力需要 (または吸収冷凍を使用するアプリケーションの場合は蒸気需要)が削減されるだけでなく、致命的な細菌であるレジオネラ・ニューモフィラを潜ませることが多い蒸発冷却塔への依存も抑えられます。ただし、建物の管理者は、深水源冷却が建物の冷却需要を満たすことができた涼しい日に休止状態のままになった冷却塔を再起動する前に、正しい消毒手順を順守して実施する必要があります。

ニーズと水温に応じて、加熱と冷却を組み合わせることが考えられます。たとえば、最初に水から熱を抽出して（水温を下げ）、次に同じ水を冷却ユニットに循環させて、さらに効果的な冷気生成に使用することができます。

これらのシステムによって湖の水温が大きく変化することはめったにありません。ヨーロッパでは、湖を利用した暖房と冷房によって年間0.8TWhを節約でき、イタリア、ドイツ、トルコ、スイスでは最も有望です。^[2]

深水源冷却には、周囲に大量の深い水が必要です。3～6 °C (37～43 °F) の範囲の水を得るには、地域の状況に応じて、通常 50～70 m (160～230 フィート) の深さが必要です。

システムのセットアップには費用と労力がかかります。また、システムの構築と配置には大量の原材料も必要です。

一部の文献では深水源冷却は「フリークーリング」と呼ばれていますが、配管や熱交換器での摩擦損失や小さな損失を克服するのに十分な揚程でポンプを動作させるには、かなりの量のエネルギー（通常は電気）が消費されます。

ある研究によると、ヨーロッパの湖は、近隣地域の冷房需要の約17％と暖房と冷房を合わせた需要の7％しか経済的に供給できないことが分かりました。^[2]

コーネル大学の湖水源冷却システムは、カユガ湖をヒートシンクとして利用し、同大学のキャンパスの中央冷水システムを稼働させ、またイサカ市学区に冷房を供給している。^[3]このシステムは2000年の夏から稼働しており、5,500万～6,000万ドルの費用をかけて建設された。14,500トン（51メガワット）の負荷を冷却する。システムの取水管は長さ3,200メートル（10,500フィート）、管径1,600ミリメートル（63インチ）で、深さ229メートル（751フィート）に設置されており、3～5℃（37～41°F）の水温にアクセスできる。水は長さ780メートル（2,560フィート）の1,200ミリメートル（47インチ）の排水管を通って湖に戻される。このプロジェクトに選ばれたパイプは、高密度ポリプロピレン (HDPE) 製の Sclairpipe です。従来の電気冷却システムを稼働させるのに必要だった化石燃料の 80% が削減されると推定されます。

2004年8月以来、オンタリオ州トロントではEnwave Energy Corporationが深層湖水冷却システムを運用している。^{[4]このシステムは}オンタリオ湖から長さ5キロメートル（3.1マイル）のチューブを通して湖に水を引いて、水深83メートル（272フィート）まで達させ、そこで水温はサーモクラインと呼ばれる上部の水層によって保護され、常に4℃に保たれている。深層湖水冷却システムはトロントの金融街をカバーする統合地域冷房システムの一部であり、59,000トン（207MW）の冷却能力がある。このシステムは現在、40,000,000平方フィート（ ^3,700,000m2）のオフィススペースを冷却するのに十分な容量を持っている。^[5]

設置された深湖冷却水取水管は、直径 1,600 mm (63 インチ)、長さ 15,000 m (49,000 フィート) で、水深 85 m (279 フィート) に設置されており、3 ～ 5 ℃ (37 ～ 41 ℉) の水温にアクセスできます。選択されたパイプは、高密度ポリエチレン (HDPE) 樹脂製の Sclairpipe でした。

オンタリオ湖の深部から汲み上げた水は、建物内のターミナル空調ユニットに直接循環されるわけではありません。その代わりに、湖の水は一連の閉ループ熱交換器を通して循環され、建物から湖の水に戻る熱伝達流体からの熱エネルギーを正味で伝達できるようにします。建物内の冷水は閉ループ地域冷房システムの一部であり、熱交換器が設置されている中央の場所からポンプで送り出され、建物に戻されます。そこで、潜熱および顕熱空間冷却を提供するために設置されたファンコイルユニットから熱を吸収します。

エンウェーブ システムでオンタリオ湖の深層から汲み上げられた冷水は、熱交換システムを通った後、湖に直接戻されることはありません。代わりに、市の浄水場に送られ、処理されて住宅や商業施設の利用者に配給されます。

このバージョンは海洋水冷却としても知られています。ボラボラ島のインターコンチネンタルリゾート アンド タラソ スパでは、建物の空調に海水空調 (SWAC) システムを使用しています。このシステムでは、冷たい海水を熱交換器に通し、閉ループ システムで淡水を冷却します。この冷たい淡水は建物にポンプで送られ、直接冷却に使用されます。電気への変換は行われません。同様のシステムは、香港のエクセルシオールホテル^[6]や香港上海銀行本館、ハワイ州自然エネルギー研究所にも導入されています。^[7]

1960年代に商業用空調システムが登場して以来、シドニーのサーキュラーキーや港内の著名な建物では塩水空調システムが使用されてきた。これらには、文化遺産に登録されているAMP「パームコーブ」ビル（1962年建設）やシドニーオペラハウスなどが含まれる。^{[8] [9]}

インターコンチネンタルリゾートは、現在までに最大の海水空調システムですが、他にもいくつかのより大規模なシステムが計画されています。^[10]ホノルルシーウォーターエアコンは、海水空調を使用してホノルルダウンタウンエリアの商業施設と住宅に再生可能な冷房を提供することを目的としたプロジェクトでした。^[11] 2020年12月19日、ホノルルシーウォーターエアコンは開発を終了し、2021年1月末までに営業を終了すると発表しました。 ^{[12]ホノルルシーウォーターエアコンは、} eBay創設者ピエールオミダイアのウルポノイニシアチブが過半数を所有しています。^[13]

• 地域暖房 – 集中熱供給システム
• 地域冷房 – 冷房が必要な建物への冷水の供給
• フリークーリング – 外気温度の低さを利用して水を冷却する
• 地熱ヒートポンプ – 地中から熱を移動させるシステム
• 海水エアコン
• 季節的熱エネルギー貯蔵 – 数か月間にわたる熱または冷気の貯蔵
• ソーラーポンド – 太陽熱エネルギー
• 海洋エネルギー – 海洋から得られるエネルギー
• 海洋温度差エネルギー変換 – 海からエネルギーを抽出する

• Sudick, Jennifer (2008 年 1 月 15 日)。「新しい海水冷却プラントが建設中」。Honolulu Star-Bulletin 誌、第 13 巻、第 15 号。2008 年 11 月 20 日時点のオリジナルよりアーカイブ。2008年 4 月 26 日閲覧。
• ゴッドヴィン、タラ (2005 年 4 月 7 日)。「冷水海水を空調に利用」。ロングビーチ プレス テレグラム。AP 通信 – NewsBank 経由。

• 湖の深みから、消費者に涼しさを吹き込む
• コーネル大学レイクソースクーリングの概要と仕組みの詳細
• Geocean Archived 2020-07-21 at the Wayback Machineは、フランス領ポリネシアの Brando Hotel 向けに SWAC システムの設計と設置を実施しました。
• Makai Ocean Engineering は、Wayback Machineに 2014-02-01 にアーカイブされています。同社は、ボラボラ島 (設置済み)、コナ (設置済み)、ホノルル、ハワイ、レユニオン、キュラソー、バハマの SWAC システムと、コーネル大学とトロント (両方とも設置済み) の DWSC システムを設計しました。