За какое время замерзнет вода в пластиковой бутылке объемом 5 л,?

Единственный способ быстро изменить температуру тела - это увеличить площадь поверхности, в случае с бутылкой это не пройдет, тогда поставить вентилятор - это резко ускорит теплообмен с окружающей средой. Кстати, вентилятору при минус 20 ничего не будет, не переживай, только перед тем, как его с балкона доставать, выключи, и уже в комнате дай несколько часов отпотеть.

Как рассчитать время замерзания не знаю, тут будет фактор геометрии бутылки. а ускорить замерзание - поставить туда, где лучше продувается балкон+на материал с хорошей теплопроводностью, например алюминиевую пластину. Алюминиевый тазик есть? )

это науке неизвестно, при том что она может вообще не замерзнуть.