エネルギーへの道、環境設計 蒸発冷却塔の節水クレジット

気化冷却塔は、従来の空調システムを補完または置き換える際にエネルギー消費を大幅に削減し、それによって二酸化炭素排出量と運用コストを削減することで、環境に優しい建物において重要な役割を果たします。 気化冷却はエネルギーの節約に優れていますが、ある程度の水を消費しますが、エネルギー節約による利点は、場所によっては希少資源である水の使用量を上回ります。

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したがって、節水は水冷装置の設計および運用において最優先事項であり、USGBC のエネルギーおよび環境設計におけるリーダーシップ (LEED) 認証およびその他の持続可能性プログラムにおいて重要な役割を果たしています。 LEED は水の使用量を削減するためにクレジット ポイントを割り当てます。

冷却塔の飲料水消費量を削減するための LEED オプションは、次の 2 つの戦略に分けることができます。

飲料水をもっと活用しましょう。最初の戦略は、冷却塔の濃度サイクル (COC) を最適化することで、蒸発冷却に使用される飲料水 1 ガロン当たりの使用量と価値を最大化することを目的としています。 この戦略の成功とその実施の容易さは、利用可能な飲料水の品質に大きく依存します。

非飲料水の代替。 LEED が推奨する 2 番目の戦略は、最初の戦略と組み合わせることができますが、消費される総水量の一部を HVAC 凝縮水や雨水などの非飲料水に置き換えることです。 化石燃料の消費を代替または補完する「代替エネルギー」源として太陽光や風力を使用するのと同様に、非飲料水の使用は、潜在的に不足する飲料水に代わる「代替水」源として機能します。 明らかに、このアプローチの実現可能性は、利用可能な非飲料水源の種類に依存します。

これらの設計方針の一部では、飲料水の使用量の望ましい削減を達成するには、潜在的な副作用や、評価して対処する必要がある新たな課題が伴います。 たとえば、地元の水の硬度が高い場合、COC を高めることはより困難になります。 もう 1 つの例は、HVAC の凝縮水と雨水であり、多くの場合、非飲料水として自然に軟らかい優れた選択肢となります。 これらは、生物の増殖を促進する浮遊微粒子や冷却装置の腐食性という潜在的な問題を引き起こすことに注意する必要があります。

COC の原理を理解するには、一歩下がって冷却塔内の水の損失の原因を理解する必要があります。

蒸発。水蒸気は蒸発冷却の主な副産物であり、環境保護庁 (EPA) は、1 トン時間の冷却ごとに約 1.8 ガロンの水が蒸発すると推定しています。 EPA によると、「蒸発は冷却塔の主な機能であり、冷却塔システムから熱を除去する方法です。蒸発量は冷却効果に影響するため、通常、水効率の対象にはなりません。」

出典: EPA: 水効率管理ガイド – 機械システム、2017 年 11 月

ドリフト、漏れ、オーバーフロー。蒸発は水分損失の必要かつ許容できる原因であると考えられていますが、他の水分損失の手段は慎重に制御する必要があります。

ドリフトとは、有益な冷却効果がほとんどまたはまったくないまま、冷却塔から吹き飛ばされる霧または水滴の形の少量の水です。 機器メーカーは、冷却塔を通る水流量の 0.05 ～ 0.2 % の間でドリフト損失を制御するドリフトエリミネーターを組み込むことでこの問題に対処しています。 1500 gpm の流量で公称 500 トンの用途の場合、ドリフト損失は最大 3 gpm になる可能性があります。これはクロスフロー ユニットでは一般的で、総水使用量の約 1% に相当します。

適切に運転および維持されている冷却塔では、漏れやオーバーフローが定期的に発生してはなりません。 漏れやオーバーフローの問題を迅速に解決するには、配管および建築基準法で通常義務付けられているように、オーバーフロー警報器をオーバーフロー排水口に設置する必要があります。

倒す。これにより、水分損失の原因が 1 つ残ります。 ブリードはブリードとも呼ばれ、循環冷却水中の溶解固体の濃度を許容範囲内に保つためにシステムから排出される水です。 水が蒸発すると、水は逃げますが、他の分子のほとんどは残ります。 このプロセスにより、システムの水に残るカルシウム、マグネシウム、塩化物、シリカなどの総溶解固形分 (TDS) の濃度が上昇します。 高濃度ではスケールの形成や腐食の原因となる可能性があり、その結果、システムの効率が低下し、故障やメンテナンスの問題が発生することがあります。 浮遊微粒子やその他の発生源からの浮遊固体の濃度も増加し、生物学的ファウリングを促進し、細菌の増殖の危険をもたらします。

簡単に言えば、TDS と浮遊物質の濃度はブローダウン水を除去することによって制御されます。 システム内の最適な水量を維持するために、このブローダウンと蒸発によって失われる水の総量は「補給水」によって置き換えられます（ドリフト、漏れ、オーバーフローによる損失がないと仮定します）。

冷却塔の効率の基本的な尺度は、濃縮サイクル (濃縮比とも呼ばれます) です。 濃縮サイクル (COC) は、塔水中の溶解固体 (導電率) と補給液中の溶解固体 (導電率) の比として定義されます。 これは、冷却水の比コンダクタンスを取得し、それを構成のコンダクタンスで割ることによって簡単かつ一般的に決定されます。 計算は、塩化物やシリカなどの化学処理計画の影響を受けない鉱物を使用して行うこともできます。

COC を計算する同様に正確な別の方法は、補給水の量を取り出し、それをブリード量で割ることです。 これは、タワーの補給ラインと排出ラインに水量計が装備されている場合に簡単に行うことができ、これを強くお勧めします。

補給水の品質が良いほど、つまり TDS、懸濁物質、腐食性が低いほど、達成できる COC は高くなり、システムの水質を維持するために必要な COC を維持するために必要なブローダウンは少なくなります。許容範囲内で。 以下では、化粧水の品質を改善するためのさまざまな方法を見ていきます。

TDS、特に水の硬度は、COC を増加させて水を節約する戦略に影響を与える最も重要な要因です。 COC の増加は、米国の北東部、南東部、北西部の一部など、水がもともと軟水である地域では非常に簡単に実施できます。

LEED バージョン 4.0 では、システムが新築、既存の建物、またはデータセンターのいずれ向けであるかに応じて、少なくとも 10 COC を達成すると 2 ～ 4 クレジットを獲得できます。 10 COC 未満を達成する水削減プログラムは、1 ～ 2 クレジットしか獲得できません (補給水の少なくとも 20% が非飲料水のリサイクルである場合を除き、その場合は 2 ～ 4 クレジットを獲得できます)。

LEED バージョン 4.1 は多少異なります。 10 COC のしきい値が削除され、代わりに COC をパーセントで超えた場合にクレジットが付与されます。 補給水の水質改善対策前後のCOCをパーセンテージで比較したものです。 BD+C およびコアおよびシェル プロジェクトの場合、ベースライン COC を 25% 超えると 2 クレジットを獲得でき、コアおよびシェルの場合はベースライン COC を 30% 超えると追加のポイントを獲得できます。

利用可能な場合、非飲料水源は飲料水を節約するための優れた方法であり、2 LEED クレジットを獲得するための手段となります。 非飲料水の 4 つの一般的なカテゴリを見てみましょう。HVAC 凝縮水、雨水と雨水、リサイクルされた都市水、雑排水です。

HVAC 凝縮水。特に米国南東部では、一年のほとんどの間、高湿度と高い冷却負荷により、凝縮水が捕捉される可能性が高くなります。 2021年のASHRAEジャーナルの記事によると、例えば、ワシントンDCでは凝縮水の回収量は年間10ガロン/cfmのOAに達する可能性があり、マイアミでは年間31ガロン/cfmのOAに達する可能性がある。

HVAC 凝縮水は、2 つの理由から冷却塔の補給水の理想的な供給源です。 まず、空調システムからの凝縮水の発生タイミングは、冷却塔の補給水が必要になるタイミングとよく一致しています。 この調整は、貯蔵タンクが必要ない可能性があることを意味します。 第二に、凝縮水は純粋で、溶解ミネラル含有量が非常に低いです。 ただし、HVAC 凝縮水の潜在的な欠点は、銅や鉛などの重金属が含まれる場合があり、補給水として使用する前に処理が必要になる場合があることです。

雨水。雨水や雨水は通常、屋根や路床や駐車場などの硬い表面から採取されます。 このような水の使用に関する規制は州によって異なります。 このマップは、雨水と雨水の回収の実現可能性の初期評価を提供します。 テネシー大学が発表した 2012 年の研究では、雨水では溶解固形分が水道水よりも大幅に少ないため、高い COC を達成できると結論付けています。

ただし、雨水の pH は 6 前後またはそれ以下であることが多いため、腐食や汚染のリスクを最小限に抑えるために、冷却塔で使用する前に pH を緩和する必要があります。 また、採取した雨水を使用する水処理計画には、微生物の増殖の制御を含める必要があります。 集められた雨水に必要な処理レベルは、水源によって異なります。 よくある 2 つの問題は、雨が屋根から採取される場合の鳥の糞と、路床や駐車場から採取される場合の油です。

市水をリサイクル。地方自治体は、処理済み廃水を湖や川に放出するのではなく、再生して（飲料水よりも大幅に安い価格で）販売する能力をますます開発している。 「紫色のパイプ」は、適切な標識とともに、そのような配水システムを飲料水ラインと区別するために使用されます。

この水は多くの場合良質ですが、ミネラル濃度は通常、飲料水よりも高くなります。 利点は、再生水中のシリカ、アルカリ度、硬度、リン酸塩含有量が増加しているため、多くの場合、水道水よりも腐食性が低いことです。 リサイクルされた市水を使用する場合、水質管理チームは市のプロセスからの腐食防止剤が冷却塔補給水の水処理戦略にどのような影響を与えるかを評価する必要があります。

灰色の水。残念ながら、小便器や洗濯物などの一般的な商業雑水源は、さらなる処理を行わなければ直接の非飲用水源として使用するのには適していません。 洗濯物に含まれる石鹸は微生物の増殖の餌源となるため、問題が生じる可能性があります。

利用可能な水の質に応じて、また水処理専門家のテストと推奨に基づいて、水を節約するための戦略には 1 つ以上の緩和方法の導入が必要になる場合があります。 これらの方法は 2 つの基本的なカテゴリに分類されます: (a) 化学処理と濾過による水を改善する方法、および (b) 腐食から高度に保護する構造材料でシステムを保護する方法。

溶けたミネラル。ミネラル含有量が高い水は、高レベルのカルシウム、マグネシウム、アルカリ度、シリカにより伝熱面にスケールが発生するリスクが高まり、システムの性能が急速に低下する可能性があるため、特に困難な場合があります。 一方、高レベルの塩化物や硫酸塩は、冷却水システムに使用されるさまざまな金属の腐食のリスクを高め、メンテナンスコストの増加や資産寿命の短縮につながる可能性があります。 溶解固体を制限することは、濃縮サイクル数の増加を達成するために重要です。 一般的に次の 3 つの軽減方法が使用されます。

化学処理。 スケール防止剤の化学物質は、結晶変性と呼ばれるプロセスを引き起こし、結晶析出物の硬い端を柔らかくして、溶液中に長く留まり、スケールを形成しにくい丸い材料にします。 化学処理には、これらのより柔らかい粒子を合体および凝集させ、親水性および疎水性の力によってこれらの粒子が伝熱面に結合しにくくする分散剤ポリマーも含まれます。 これらの化学処理は機能しますが、現代の化学に基づいた限界があり、ミネラル含有量の高い水に対処するには不十分なことがよくあります。

機械的前処理。 ほとんどの施設では、軟水器システム、部分逆浸透システム、またはその 2 つの組み合わせによる機械的前処理を検討する必要があります。 軟水器は、カルシウムとマグネシウムを収集するイオン交換樹脂と、再生剤として塩を使用するブラインタンクを使用します。 これらのシステムは比較的シンプルで総所有コストは低くなりますが、除去されるのはカルシウムとマグネシウムだけであり、塩化物のような他の溶解固体は除去されません。 そしてアルカリ度を下げることはありません。 軟水器は、濃縮サイクルを約 2 から 4 に増やすことができますが、10 COC に到達するために必要な大幅な飛躍を可能にすることはほとんどありません。

部分逆浸透（RO）の方が効果的です。 水は膜を通過し、すべてのミネラルの 95 ～ 98% が除去されます。 通常、RO は純水を生成するために使用されますが、冷却塔用途には腐食性が強すぎます。 そこでRO水を市営の化粧水とブレンドした部分ROが使用されます。 ミネラル含有量が非常に高い水の場合、最もコスト効率の高い設計は、RO プロセスの前に軟水器を使用して硬度のミネラルを除去することです。

浮遊固体。さまざまな水源や冷却塔に集まる浮遊微粒子からの浮遊物質が集中すると、生物学的ファウリングが促進され、危険な細菌の増殖の危険が生じます。 この用途では、砂ろ過よりもサイクロンろ過の方が効果的であり、メンテナンスも容易です。

最も費用対効果の高い解決策は、盆地スイーパー配管を備えた側流濾過システムを設計して設置することです。 システムは工場で組み立てられ、新しい冷却塔とともに納品される必要があります。 (アフターマーケットシステムでは充填パックを取り外す必要があるため、充填が損傷する危険性が高くなります。)

腐食。節水戦略には、特に部分 RO または HVAC 凝縮水や雨水などの高純度の非飲料水を使用する場合、システム水の腐食性が高まることがよくあります。

代替建設資材。

もう 1 つの緩和戦略は、ステンレス鋼など、腐食からある程度の保護を提供する冷却塔の構造材料を選択することです。 最高レベルの腐食保護を実現するには、ポリウレタン槽コーティングを適用できます。 Baltimore Aircoil Company の TriArmor 腐食保護システムは、工場で塗布されたポリウレタン コーティングを提供します。

スケール、バクテリア、腐食に対処する所有者とオペレーターは、システムの最高効率を維持し、蒸発冷却装置の寿命を延ばすことができます。 次の表は、これらの目的を満たすための設計上の考慮事項をまとめたものです。

これらのさまざまな設計パスにより、既存の建物や新築の建物で LEED ポイントを獲得するための多くのオプションが提供されます。 適切に設計され、適切に維持管理されている冷却塔システムは、エネルギーと飲料水の消費を削減することで、希少な天然資源を節約し、コストを節約します。