JP2011043291A - 外気冷房システム - Google Patents

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Abstract

【課題】小規模の構成とする。外気取り込みによる加湿コストの増加やフィルタコストの増加を避ける。
【解決手段】顕熱交換器3−3を用いた外気冷房装置3を設ける。外気冷房装置3は、第1の通路3Aと第2の通路3Bとを有し、第1の通路3Aに給気ファン3−1が設けられ、第2の通路3Bに外気ファン3−2が設けられている。給気ファン3−1はデータセンタ1からの還気RAの全量を給気SAとしてデータセンタ1へ戻す。外気ファン3−2は外界から取り入れられる外気OAの全量を排気EXAとして外界へ戻す。顕熱交換器3−3はデータセンタ1へ給気SAとして戻される前の還気RAと外界へ排気EXAとして戻される前の還気RAとの間の顕熱の交換を行う。これにより、データセンタ1に外気OAを導入せずに、データセンタ1の外気冷房が行われる。なお、還気RAの一部を外界へ排出したり、外気OAの一部を少しだけ給気SA側に混ぜるようにしたりしてもよい。
【選択図】 図1

Description

この発明は、外気を利用して被空調空間の冷房を行う外気冷房システムに関するものである。
従来より、サーバなどの電子機器が設置されたデータセンタでは、電子機器が発する熱で暖められた空気をエネルギー(主に電力)を使用して冷却している。このデータセンタ内の空気の冷却は、冬期など外気が低い時期でも、同様にして行われる。すなわち、冬期など外気が低い時期でも、わざわざ、エネルギーを使用して空気を冷却している。
これに対して、ビルなどの空調システムでは、夏期や冬期に至る前の中間期において、外の冷たい外気を利用して被空調空間の冷房が行われている(例えば、特許文献1参照)。この外気を利用した冷房を外気冷房と呼んでいる。
この外気冷房では、被空調空間からの還気の一部を外気と合わせ、この還気と外気との混合空気を空調機へ戻すことによって、空調機の省エネルギー運転が行われる。この外気冷房をデータセンタでも行うようにすれば、冬期など外気が低い時期において、わざわざエネルギーを使用して空気を冷却しなくてもよくなり、省エネルギーが図られる。
特開平8−271027号公報
しかしながら、上述した従来の外気冷房をデータセンタで行うようにした場合、外界から取り入れた外気がデータセンサ内に導入されるため、冬期において、データセンサ内が低湿度となり、加湿コストが増加するという問題が生じる。
また、塩分など外気に含まれる物質がサーバなどの電子機器に悪影響を及ぼす可能性があり、それを取り除くためのフィルタを必要とし、フィルタの設置コストが増加する。また、フィルタを定期的に交換しなければならず、フィルタ交換コストも増加する。以下、フィルタの設置コストとフィルタ交換コストを合わせて、フィルタコストと呼ぶ。
なお、水を媒体にして外気冷熱を取得するフリークーリングシステムと呼ばれるシステムもあるが、冷凍機(空調機への冷水を生成する熱源機)へ冷却水を供給するための冷却塔を屋外に設置しなければならず、設備が大掛かりとなり、既設のデータセンタの改修や小規模のデータセンタには不向きである。
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、小規模の構成とし、外気取り込みによる加湿コストの増加やフィルタコストの増加を避けることができる外気冷房システムを提供することにある。
このような目的を達成するために本発明は、被空調空間からの還気を給気として被空調空間へ戻す給気ファンと、外界から取り入れられる外気を排気として外界へ戻す外気ファンと、被空調空間へ給気として戻される前の還気と外界へ排気として戻される前の外気との間の顕熱の交換を行う顕熱交換器と、被空調空間への給気が還気として戻されるまでの通路中に定められた所定の位置の温度を検出する温度センサと、この温度センサが検出する温度と予め定められている温度の設定値とが一致するように外気の取入量を制御するコントローラとを設けたものである。
本発明によれば、被空調空間からの還気が給気として被空調空間へ戻され、外界から取り入れられる外気が排気として外界へ戻され、被空調空間へ給気として戻される前の還気と外界へ排気として戻される前の外気との間の顕熱の交換が顕熱交換器で行われるものとなる。これにより、外界から取り込まれる外気の全量を排気として戻すものとすれば、被空調空間へ外気を導入することなく、被空調空間の外気冷房が行われるようになり、小規模な構成とし、外気取り込みによる加湿コストの増加やフィルタコストの増加を避けることができるようになる。
本発明に係る外気冷房システムの一実施の形態の概略を示す計装図である。 この外気冷房システムにおけるコントローラが有する外気冷房制御機能を説明するためのフローチャートである。 外気冷房可能時のコントローラからのINV出力(特性I)および冷水バルブへの制御出力(特性II)を示す図である。 外気冷房不能時のコントローラからの冷水バルブへの制御出力を示す図である。
以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明する。図1はこの発明に係る外気冷房システムの一実施の形態の概略を示す計装図である。同図において、1はサーバなどの電子機器12が設置されたデータセンタ(被空調空間)、2はデータセンタ1に付設されている通常の外調機、3は本システム特有の外気冷房装置、4は外気冷房装置3を制御するコントローラである。
外調機2は、冷却用熱交換器(冷却コイル)2−1と、加熱用熱交換器(加熱コイル)2−2と、加湿器2−3と、送風機2−4とを有している。冷却コイル2−1への冷水の供給通路には冷水弁5が設けられ、加熱コイル2−2への温水の供給通路には温水弁6が設けられ、加湿器2−3への加湿水の供給通路には加湿弁7が設けられている。
外気冷房装置3は、データセンタ1からの還気RAの全量が通過する第1の通路3Aと、外界から取り込まれる外気OAの全量が通過する第2の通路3Bと、第1の通路3Aを通過する還気RAの全量を給気SAとしてデータセンタ1へ戻す給気ファン3−1と、第2の通路3Bを通過する外気OAの全量を排気EXAとして外界へ排出する外気ファン3−2と、データセンタ1へ給気SAとして戻される前の還気RAと外界へ排気EXAとして戻される前の外気OAとの間の顕熱の交換を行う顕熱交換器3−3と、第1の通路3Aに設けられた冷水コイル3−4とを備えている。
外気冷房装置3において、顕熱交換器3−3は樹脂など湿気を通さない素材でできており、外気OAからの冷熱を還気RAに移し、還気RAからの温熱を外気OAに移す。この際、熱だけを移し、湿気の交換は行わない。
また、本実施の形態において、外気冷房装置3における給気ファン3−1の回転数は一定とし、外気ファン3−2の回転数は可変とする。このため、外気ファン3−2には、回転数を調整するためのインバータINV1が付設されている。なお、この実施の形態では、説明を分かり易くするために給気ファン3−1の回転数を一定としたが、外気ファン3−2と同様に回転数を可変としてもよい。
また、外気冷房装置3において、第1の通路3Aに設けられた冷水コイル3−4への冷水の供給通路には冷水バルブ8が設けられている。また、データセンタ1から外気冷房装置3に取り込まれる還気RAに対して温度センサ(還気温度センサ)9が設けられ、外気冷房装置3からデータセンタ1へ供給される給気SAに対して温度センサ(給気温度センサ)10が設けられ、外界から外気冷房装置3に取り込まれる外気OAに対して温度センサ(外気温度センサ)11が設けられている。
コントローラ4は、プロセッサや記憶装置からなるハードウェアと、これらのハードウェアと協働して各種機能を実現させるプログラムとによって実現され、本実施の形態特有の機能として外気冷房装置3における外気ファン3−2の回転数および冷水バルブ8の開度を制御する外気冷房制御機能を有している。
コントローラ4には、温度センサ9が検出する還気RAの温度が還気温度trpvとして、温度センサ10が検出する給気SAの温度が給気温度tspvとして、温度センサ11が検出する外気OAの温度が外気温度toutとして与えられる。また、コントローラ4には、給気温度の設定値がtsspとして予め設定されている。この実施の形態では、給気温度の設定値tsspを18℃としている。以下、図2に示すフローチャートに従って、コントローラ4が有する外気冷房制御機能について説明する。
コントローラ4は、外気温度toutと還気温度trpvとを比較し、外気温度toutが還気温度trpvよりも低ければ、外気冷房が可能であると判断する。この例では、所定の温度幅αを定め、外気温度toutがtout<trpv−αであった場合に(ステップS101のYES)、外気冷房可能と判断し、外気温度toutがtout≧trpv−αであった場合に(ステップS101のNO)、外気冷房不能と判断する。
〔外気冷房可能時:tout<trpv−α〕
コントローラ4は、外気冷房が可能であると判断すると(ステップS101のYES)、給気温度tspvと給気温度の設定値tsspとを比較する(ステップS102)。ここで、コントローラ4は、予め定められた温度幅をβとし、給気温度tspvがtspv<tssp−βであれば(ステップS102のYES)、外気ファン3−2をOFFとする(ステップS103)。
給気温度tspvがtspv≧tssp−βであれば(ステップS102のNO)、コントローラ4は、tspv=tsspとなるようにインバータINV1へ制御出力(INV出力)を送り、外気ファン3−2の回転数を制御する(ステップS104、図3に示す特性I参照)。
この場合、外気ファン3−2の回転数が増大すると、外気OAの取入量が増大し、顕熱交換器3−3によって還気RAに移される外気OAからの冷熱の量が増大する。これにより、顕熱交換器3−3を用いた給気温度制御が実施される。すなわち、給気温度tspvが下げられ、設定値tsspに合わせ込まれるようになる。
給気温度tspvと設定値tsspとの差が大きくなるほどインバータINV1へのINV出力は増大する。コントローラ4は、INV出力が最大となると(ステップS105のYES)、顕熱交換器3−3を用いての給気温度の制御の限界に達したと判断し、冷水バルブ8の開度制御を開始する(ステップS106,図3に示す特性II参照)。この場合、顕熱交換器3−3を用いての給気温度の制御(INV出力を最大としての制御)はそのまま継続し、tspv=tsspとなるように冷水バルブ8の開度制御を行う。なお、冷水バルブ8の開度は、その開度制御が開始されるまでは、全閉状態を維持している。
〔外気冷房不能時:tout≧trpv−α〕
外気冷房が不能であると判断すると(ステップS101のNO)、コントローラ4は、顕熱交換器3−3を用いての給気温度の制御は行わず、冷水バルブ8のみを用いての給気温度の制御を行う(ステップS107)。すなわち、外気ファン3−2を停止させた状態で、tspv=tsspとなるように冷水バルブ8の開度制御を行う(図4参照)。
このようにして、本実施の形態では、外気温度が還気温度よりも低い状況下(tout<trpv−α)において、外気冷房が行われる。この外気冷房では、データセンタ1からの還気RAの全量が給気SAとしてデータセンタ1へ戻され、外界から取り入れられる外気OAの全量が排気EXAとして外界へ戻され、データセンタ1へ給気として戻される前の還気RAと外界へ排気EXAとして戻される前の外気OAとの間の顕熱の交換が顕熱交換器3−3で行われる。これにより、データセンタ1内へ外気OAを導入することなく、データセンタ1内の外気冷房が行われるものとなる。
したがって、本実施の形態では、外気OAによってデータセンタ1内の湿度が低下することがなく、また塩分など外気OAに含まれる物質がデータセンタ1内に入り込むことがなく、外気取り込みによる加湿コストの増加やフィルタコストの増加を避けることができるようになる。また、顕熱交換機3−3を組み込んだ外気冷房装置3をコントローラ4で制御するという小規模な構成で済み、フリークーリングシステムのように設備が大掛かりとならず、既設のデータセンタの改修や小規模のデータセンタへの導入も容易となる。
なお、上述した実施の形態では、データセンタ1からの還気RAの全量を給気SAとしてデータセンタ1へ戻し、外界から取り入れられる外気OAの全量を排気EXAとして外界へ戻すようにしたが、還気RAの一部を外界へ排出したり、外気OAの一部を少しだけ給気SA側に混ぜるようにしたりしてもよい。
また、上述した実施の形態では、外気ファン3−2の回転数を調整することによって外気OAの取入量を制御するようにしたが、外気OAの排出通路や取入通路にダンパを設け、このダンパの開度を調整することによって外気OAの取入量を制御するようにしてもよい。
また、上述した実施の形態では、温度センサ1によって給気温度tspvを計測し、tspv=tsspとなるように給気温度制御を行うようにしたが、還気温度制御としたり、室内温度制御とするようにしてもよい。すなわち、還気温度trpvに対して設定温度trspを定め、trpv=trspとなるように還気温度制御を行うようにしたり、室内温度tRpvに対して設定温度tRspを定め、tRpv=tRspとなるように室内温度制御を行うようにしてもよい。
また、上述した実施の形態では、冷却コイル3−4を顕熱交換器3−3の後段に設けるようにしたが、冷却コイル3−4は必ずしも設けなくてもよい。例えば、外気冷房できない時期は、本システムを停止させておいて、既存の冷房システムで負荷を処理するようにし、外気冷房可能な時期だけ本システムを動かして、外気冷房を行い、既存の冷房システムの負荷を減らし、省エネルギーを実現するようにしてもよい。
本発明の外気冷房システムは、外気を利用して被空調空間の冷房を行う外気冷房システムとして、データセンタのみならず一般のビルなどの空調でも利用することができる。
1…データセンタ、2…外調機、2−1…冷却用熱交換器(冷却コイル)、2−2…加熱用熱交換器(加熱コイル)、2−3…加湿器、2−4…送風機、3…外気冷房装置、3A…第1の通路、3B…第2の通路、3−1…給気ファン、3−2…外気ファン、3−3…顕熱交換器、3−4…冷水コイル、INV1…インバータ、4…コントローラ、5…冷水弁、6…温水弁、7…加湿弁、8…冷水バルブ、9,10,11…温度センサ、12…サーバなどの電子機器。

Claims (6)

  1. 被空調空間からの還気を給気として前記被空調空間へ戻す給気ファンと、
    外界から取り入れられる外気を排気として前記外界へ戻す外気ファンと、
    前記被空調空間へ給気として戻される前の還気と前記外界へ排気として戻される前の外気との間の顕熱の交換を行う顕熱交換器と、
    前記被空調空間への給気が前記還気として戻されるまでの通路中に定められた所定の位置の温度を検出する温度センサと、
    この温度センサが検出する温度と予め定められている温度の設定値とが一致するように前記外気の取入量を制御するコントローラと
    を備えることを特徴とする外気冷房システム。
  2. 請求項1に記載された外気冷房システムにおいて、
    前記被空調空間からの還気が前記給気として前記被空調空間へ戻されるまでの通路中に設けられた冷水コイルと、
    この冷水コイルへの冷水の供給通路に設けられた冷水バルブとを備え、
    前記コントローラは、
    前記外気の取入量を制御する制御出力が最大となった場合、前記冷水バルブの開度制御を開始する
    ことを特徴とする外気冷房システム。
  3. 請求項1又は2に記載された外気冷房システムにおいて、
    前記温度センサは、前記被空調空間への給気の温度を検出する給気温度センサである
    ことを特徴とする外気冷房システム。
  4. 請求項1又は2に記載された外気冷房システムにおいて、
    前記温度センサは、前記被空調空間からの還気の温度を検出する還気温度センサである
    ことを特徴とする外気冷房システム。
  5. 請求項1〜4の何れか1項に記載された外気冷房システムにおいて、
    前記コントローラは、前記温度センサが検出する温度と予め定められている温度の設定値とが一致するように前記外気ファンの回転数を調整することによって前記外気の取入量を制御する
    ことを特徴とする外気冷房システム。
  6. 請求項1〜4の何れか1項に記載された外気冷房システムにおいて、
    前記外界から取り入れられる外気が排気として前記外界へ戻されるまでの通路中に設けられたダンパを備え、
    前記コントローラは、前記温度センサが検出する温度と予め定められている温度の設定値とが一致するように前記ダンパの開度を調整することによって前記外気の取入量を制御する
    ことを特徴とする外気冷房システム。
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