JP2011149602A - 冷熱源システム - Google Patents

Abstract

【課題】空調機の熱交換器に冷水を送り冷やすことで空調機で生成される冷気によって発熱密度が高い空間を一定の低温に維持するための冷熱源技術に関し、冷却塔出口側の冷却水温度が室内空調機の要求水温に満たなくとも、冷媒回路の負荷を軽減して省エネを達成する。
【解決手段】予備冷却熱交換器１８は、冷却コイル８から圧縮機９に接続される蒸発器１２に還流する冷水回路上に設置され、冷却水による熱交換を実施する。予備冷却回路は、冷却塔１３からの冷却水を予備冷却熱交換器１８に送流する。制御弁２０ａ及び２０ｂは、冷却塔１３から水冷凝縮器１０を含む冷却水回路に送流される冷却水の流量と、冷却塔１３から予備冷却回路に送流される冷却水の流量を調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発熱密度が高い空間を一定の低温に維持する技術に関し、特に空調機の熱交換器に冷水を送り冷やす冷熱源技術に関する。

インターネットデータセンタなどの電算機室（サーバルーム）は一般に、システム天井及び二重床によって、部屋が天井裏、部屋及び床下の三層に区画され、部屋内部に情報処理機器を上下方向に搭載したラックが整列してラック列をなし、そのようなラック列が複数設置されている。このような部屋は、季節時間を問わず室温を一定温度に維持する必要があり、空調システムが必要となる。

通常このような用途の空調システムとしては、冷却塔の冷却水及び冷凍機を含む冷媒回路によって生成した冷水を室内空調機に循環供給する冷熱源システムが用いられる。
冷熱源システムは一般に、室内空調機に冷水を供給する冷水回路、冷水回路の冷水を冷却する冷媒回路、冷媒回路の冷媒を冷却する冷却水回路とからなる。なお、冷媒回路の一部又は全部を冷凍機と呼称する場合もある。

冷水回路では、冷媒回路の冷媒が供給される蒸発器によって、室内空調機から還流される暖められた冷水を冷却し、室内空調機に循環供給する。
冷媒回路では、冷却水回路の冷却水が供給される水冷凝縮器により、圧縮機で圧縮された気体の冷媒を冷却して圧力が高い液体を作り、膨張弁でその液体の圧力を下げ、上述の蒸発器でその液体を低温で気化させることで、その気化熱により冷水回路の冷水を冷却する。

冷却水回路では、上述の水冷凝縮器から還流される暖められた冷却水を、冷却塔を使って外気により冷却し、水冷凝縮器に循環供給する。
ここで、冷水回路において、室内空調機には、所定温度の冷水が循環供給される。また、冷却水回路において水冷凝縮器に循環供給される冷却水の水温は、外気に基づいて決まる湿球温度に応じて変化するが、冬場には上記所定温度以下になることがある。

従って、冬場のある時期には、冷却水回路において上記所定温度以下の冷却水が生成できているのに、冷媒回路を使って冷水回路の冷水を所定温度に冷却するのは、エネルギーの無駄を発生させていることになる。

そこで、このような無駄を無くすために、冷却水回路と冷水回路を直接連通させ、冷媒回路に接続される水冷凝縮器へ冷却水を送流する通常冷却回路と、直接室内空調機へと冷却水を送流する冷却塔利用回路とを切り替える従来技術が知られている。

この従来技術では、冬場に冷却塔にて生成される冷却水の水温が所定温度を下回ったときに、通常冷却回路が遮断されて冷媒回路の動作が止められ、また冷水回路において冷水の室内空調機への循環供給が止められる。一方、冷却塔からの冷却水が、冷却塔利用回路を介して直接室内空調機へ循環供給される。

これにより、冬場のある時期において、冷媒回路の各機器の動作によるエネルギーの無駄遣いを無くすことを可能としている。

特開２００２−１６８４７９号公報

しかし、上記従来技術では、冷却塔出口側の冷却水温度が、室内空調機の要求水温を下回る冬場などの一定期間のみしか、省エネを達成することができないという問題点を有していた。

そこで、本発明では、冷却塔出口側の冷却水温度が室内空調機の要求水温に満たなくとも、冷媒回路の負荷を軽減して省エネを達成する冷熱源システムを提供することを目的とする。

態様の一例では、データセンタ内の室内空調機から還流される暖められた冷水を蒸発器により冷却しその室内空調機に循環供給する冷水回路と、圧縮機で圧縮された気体の冷媒を水冷凝縮器で冷却して圧力が高い液体を作り、膨張弁でその液体の圧力を下げ、蒸発器でその液体を低温で気化させることで冷水回路の冷水を冷却する冷媒回路と、水冷凝縮器から還流される暖められた冷却水を冷却塔より供給される冷却水により冷却し水冷凝縮器に循環供給する冷却水回路とを含む冷熱源システムとして実現され、以下の構成（制御弁、予備冷却回路）を有する。

制御弁は、冷却塔から冷却水回路に送流される冷却水を分流する。
予備冷却回路は、制御弁により分流された冷却水を送流する。
そして、予備冷却回路は、蒸発機より前段で室内空調機から還流される暖められた冷水を分流された冷却水により熱交換する予備冷却熱交換器を有する。

予備冷却熱交換器が働くことにより、冷媒回路内でも消費電力の大きい機器である圧縮機や冷水送水ポンプの出力を下げ又は停止することが可能となる。この結果、冬場以外の時期で、冷却塔の出口側の冷却水温度が室内空調機の要求水温に満たなくとも、冷凍機の負荷を軽減して省エネを達成することが可能となる。

本実施形態の冷熱源システムの構成例を示す図である。 本実施形態の制御動作を示す動作フローチャートである。 通常運転状態における本実施形態の動作状態説明図である。 予備冷却状態における本実施形態の動作状態説明図である。 冷媒回路の停止状態における本実施形態の動作状態説明図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本実施形態のシステム構成図である。
空調の対象となるデータセンタルーム５は、床下１、部屋２、天井裏３からなり、部屋２内に発熱源となるサーバコンピュータやその周辺機器が搭載されるラック６が設置されている。

データセンタルーム５内の機械室４には、冷熱源システムから供給される冷水によって、部屋２内のラック６の発熱源から天井裏３に還流される暖気を冷却する冷却コイル８と、冷却コイル８によって生成される冷気を、床下１から部屋２内に還流させる送風機７か
らなる室内空調機が設置される。

本実施形態による冷熱源システムは、冷却コイル８に冷水を供給する冷水回路、冷水回路の冷水を冷却する冷媒回路、冷媒回路の冷媒を冷却する冷却水回路を有する。更に、冷却水回路からの冷却水を分流させて、冷却コイル８から冷水回路に還流される復路冷水を予備冷却する予備冷却回路を有する。

冷水回路は、蒸発器１２、冷水送水ポンプ２１、冷水往路配管２２、冷水復路配管２３、予備冷却熱交換器１８、及び冷水復路配管２４とで構成される。この冷水回路では、冷却コイル８から還流される暖められた冷水は、冷媒回路の冷媒が供給される蒸発器１２によって室内空調機の要求水温に冷却される。その結果得られる冷水は、冷水送水ポンプ２１及び冷水往路配管２２を経由して、冷却コイル８に供給する。また、冷却コイル８から冷水復路配管２３を経由して還流される暖められた冷水は、冷却塔１３から供給される冷却水が供給される予備冷却熱交換器１８によって予備冷却される。予備冷却された冷水は、冷水復路配管２４を経由して蒸発器１２に送流される。

冷媒回路は、圧縮機９、水冷凝縮器１０、膨張弁１１、及び蒸発器１２とで構成される。この冷媒回路では、冷水回路の冷水を、室内空調機の要求水温に冷却する。まず、蒸発器１２が、液体状の冷媒を低温で気化させることで、その気化熱の吸熱作用により、冷水回路の冷水を冷却する。気化した冷媒は、圧縮機９で圧縮される。その後、水冷凝縮器１０において後述の冷却水回路の冷却水により冷却される。すると、気体の冷媒が冷却されることで圧力が高い液体が生成される。この液体状の冷媒は、例えば図示しない受液器に一度溜めておき、その後、膨張弁１１で絞り膨張させる。即ち、膨張弁を通過後は、液体状の冷媒の圧力と温度とを下げる。そして、蒸発器１２に戻り、以上の動作を繰り返す。

冷却水回路は、冷却塔１３、冷却水送水ポンプ１４、制御弁２０ａ、冷却水往路配管（水冷凝縮器側）１５、水冷凝縮器１０、及び冷却水復路配管（水冷凝縮器側）１６とで構成される。この冷却水回路では、水冷凝縮器１０から冷却水復路配管１６又は後述する冷却水復路配管１９を経由して還流される暖められた冷却水を、冷却塔１３で内部の熱交換器を使って外気により冷却する。その結果得られる冷却水は、冷却水送水ポンプ１４から制御弁２０ａ及び冷却水往路配管１５を経由して水冷凝縮器１０に送流される。水冷凝縮器１０は、冷却水によって、冷媒回路内の冷媒を冷却する。

予備冷却回路は、制御弁２０ｂ、冷却水往路配管（予備冷却熱交換器側）１７、予備冷却熱交換器１８、及び冷却水復路配管（予備冷却熱交換器側）１９とから構成される。この予備冷却回路は、制御弁２０ａ及び２０ｂによって、水冷凝縮器１０側の冷却水回路と並列に設置される。制御弁２０ｂが開けられたときに、冷却水送水ポンプ１４から送出される冷却水は、制御弁２０ｂ及び冷却水往路配管１７を経由して予備冷却熱交換器１８に供給される。予備冷却熱交換器１８は、冷却水によって、冷却コイル８から還流される暖められた冷水を予備冷却する。予備冷却熱交換器１８から送出される暖められた冷却水は、冷却水復路配管１９を経由して冷却塔１３に還流される。

制御コントローラ２５は、冷熱源システムを制御する装置であり、例えばマイクロコンピュータ等によって構成され、特には図示しないメモリ装置に予め記憶されている所定の制御プログラムを特には図示しない中央演算処理装置が実行する。これにより例えば、後述する各温度センサの計測値に基づいて、冷却水送水ポンプ１４、冷水送水ポンプ２１の出力、制御弁２０ａ及び２０ｂの開閉、及び冷媒回路の動作状態を制御する。

上述の実施形態の構成において、制御弁２０ａ及び２０ｂは例えば、電磁弁によって実現される。なお、制御弁２０ａ及び２０ｂの代わりに、冷却水の冷却水回路側への流量と
予備冷却回路側への流量とを一括して制御する１個の三方弁が設置されてもよい。

以上の構成を有する本実施形態の動作について、以下に詳細に説明する。
図２は、本実施形態の制御動作を示す動作フローチャートである。この制御動作は、図１の制御コントローラ２５内の中央演算処理装置が前述した所定の制御プログラムを実行する動作として実現される。この制御プログラムは、内蔵する特には図示しないタイマの制御により、一定時間毎、例えば数分から１０分程度毎に起動され実行される。

まず、予備冷却の可否が判別される（ステップＳ２１）。ここでは、図１の制御コントローラ２５が、図１の温度センサＴ１が検出する冷却塔１３の出口側の冷却水温度と、図１の温度センサＴ２が検出する冷却コイル８の出口側の冷水温度を比較する。

そして、夏場等の暑い時期で温度センサＴ１の温度のほうが温度センサＴ２の温度以上であると判別された場合には、図２に示す通常運転状態が実行される（ステップＳ２１→Ｓ２３）。この状態においては、図１の制御弁２０ａが開かれ、制御弁２０ｂが閉じられて、冷媒回路が運転状態とされる。

図３は、通常運転状態における本実施形態の動作状態の説明図である。
通常運転状態では、冷却塔１３の出口側の冷却水温度が冷却コイル８の出口側の冷水温度以上で、予備冷却熱交換器１８により冷水を予備冷却することができない。この場合には、図１の制御弁２０ｂが閉じられることにより、図３の一点鎖線で示されるように、予備冷却回路は働かず、予備冷却熱交換器１８は冷水を予備冷却しない。

通常運転状態では、制御コントローラ２５は、冷却塔１３の出口側で計測される温度センサＴ１の冷却水温度が冷却塔１３で計測される温度センサＴ０の外気温に等しくなるように、冷却塔１３中の図示しない冷却ファンの運転状態を制御する。即ち、冷却塔１３内において還流した冷却水と外気との間で熱交換が行なわれるが、この熱交換の効率は冷却ファンの動作出力の大小に依存する。温度センサＴ１の温度と温度センサＴ０の温度との間に乖離が大きい場合は、冷却ファンの動作を強める。一方で、温度差が予め設定しておいた所定の値より小さい場合は、冷却ファンの動作を弱めて構わない。

また、制御コントローラ２５は、冷却コイル８の出口側で計測される温度センサＴ２の冷水温度が所定の設定値Ｔ２′に等しくなるように、冷水送水ポンプ２１の運転流量を制御する。更に、制御コントローラ２５は、蒸発器１２の出力側で計測される温度センサＴ４の冷水温度が所定の設定値Ｔ４′（例えば室内空調機の要求水温）に等しくなるように、冷媒回路の運転出力を制御する。

加えて、制御コントローラ２５は、水冷凝縮器１０の出力側で計測される温度センサＴ５の冷却水温度が所定の設定値Ｔ５′に等しくなるように、冷却水送水ポンプ１４の運転流量を制御する。以上の動作は、通常の冷熱源システムの動作の一例である。尚、設定値Ｔ２′、設定値Ｔ４′、設定値Ｔ５′は、制御コントローラ２５から参照できるメモリに予め設定しておく。

次に、図２の制御動作において、夏場以外等の時期で外気温が下がり温度センサＴ１の温度が温度センサＴ２の温度より低くなったと判別された場合には、冷媒回路の停止の可否が判別される（ステップＳ２２）。ここでは、図１の制御コントローラ２５が、図１の温度センサＴ３が検出する予備冷却熱交換器１８の出口側の冷却水温度と、所定の冷水設定温度（所定の設定値Ｔ３′）とを比較する。

そして、夏場と冬場の間等の時期で予備冷却熱交換器１８の動作が最大効率であっても
、温度センサＴ３の温度が所定冷水設定温度以上であると判別された場合には、図２に示す予備冷却状態が実行される（ステップＳ２２→Ｓ２４）。この状態においては、図１の制御弁２０ａ及び２０ｂが共に開かれ、冷媒回路が運転状態とされる。尚、設定値Ｔ３は、制御コントローラ２５から参照できるメモリに予め設定しておく。

図４は、予備冷却状態における本実施形態の動作状態の説明図である。
予備冷却状態では、冷却塔１３の出口側の冷却水温度が冷却コイル８の出口側の冷水温度より低くなり、予備冷却熱交換器１８により冷水を予備冷却することができる。しかし、予備冷却熱交換器１８の働きは冷水を所定の冷水設定温度以下に冷やし切るには至っていないため、冷却水回路及び冷媒回路も動作する。

予備冷却状態では、制御弁２０ａ及び制御弁２０ｂが共に開けられることにより、冷却水送水ポンプ１４から送出される冷却水が、水冷凝縮器１０側に送流されると共に、冷却水往路配管１７を経由して予備冷却熱交換器１８に送流される。この結果、冷却コイル８から冷水復路配管２３を経由して還流される暖められた冷水は、冷却塔１３から供給される冷却水が供給される予備冷却熱交換器１８によって予備冷却される。

予備冷却状態における制御動作は、制御弁２０ｂが開けられるほかは、図３に示される通常運転状態における制御動作と同じである。
予備冷却状態では、予備冷却熱交換器１８が働くことにより、蒸発器１２における働きを最大にする必要がなくなるため、制御コントローラ２５は、冷媒回路（特に、圧縮機９や冷水送水ポンプ２１）の出力を下げることが可能となる。この結果、冬場以外の時期で、冷却塔１３の出口側の冷却水温度が冷却コイル８の要求水温に満たなくとも、冷媒回路の負荷を軽減して省エネを達成することが可能となる。

次に、図２の制御動作において、冬場等の時期で外気温が更に下がって予備冷却熱交換器１８の動作により、温度センサＴ３の温度が所定冷水設定温度より低くなった場合には、冷媒回路の停止状態に移行する（ステップＳ２２→Ｓ２５）。この状態においては、図１の制御弁２０ａが閉じられ制御弁２０ｂが開く。また、冷媒回路に関する機器である、圧縮機９、水冷凝縮器１０、膨張弁１１、及び蒸発器１２が停止状態とされる。そこで、これらの各機器の動力源等を停止して構わない。

図５は、冷媒回路の停止状態における本実施形態の動作状態の説明図である。
冷媒回路の停止状態では、予備冷却熱交換器１８の動作が最大効率の状態に至っており、加えて冷水を所定の冷水設定温度以下に冷やし切っているので、図５の一点鎖線で示されるように、冷媒回路だけでなく冷却水回路の動作も停止する。

冷却水回路の停止状態では、制御弁２０ａが閉じられ制御弁２０ｂが開けられることにより、冷却水送水ポンプ１４から送出される冷却水は、水冷凝縮器１０側には送流されず、冷却水往路配管１７を経由して予備冷却熱交換器１８にのみ送流される。この結果、冷却コイル８から冷水復路配管２３を経由して還流される暖められた冷水は、冷却塔１３から供給される冷却水が供給される予備冷却熱交換器１８によって予備冷却される。

図５の冷媒回路の停止状態では、制御コントローラ２５は、冷却塔１３の出口側で計測される温度センサＴ１の冷却水温度が冷却塔１３で計測される温度センサＴ０の外気温に等しくなるように、冷却塔１３中の図示しない冷却ファンの運転状態を制御する。また、制御コントローラ２５は、冷却コイル８の出口側で計測される温度センサＴ２の冷水温度が所定の設定値Ｔ２′に等しくなるように、冷水送水ポンプ２１の運転流量と、制御弁２０ｂの開閉状態を制御する。更に、制御コントローラ２５は、予備冷却熱交換器１８の出力側で計測される温度センサＴ３の冷水温度が所定の設定値Ｔ３′（例えば室内空調機の
要求水温）に等しくなるように、冷却水送水ポンプ１４の運転流量と、制御弁２０ｂの開閉状態を制御する。予備冷却中なので、当然、制御弁２０ｂは“開”となる。そこで制御コントローラ２５は、冷却水送水ポンプ１４の運転流量を制御する。温度センサＴ３が温度と所定の設定値Ｔ３´より大きい場合は、運転流量を増大させる。逆に温度センサＴ３が温度と所定の設定値Ｔ３´より小さい場合は、運転流量を減少させる。一方で、温度差無くなるか運転流量の最大値に達した場合は、運転流量を維持させる。この状態では、予備冷却熱交換器１８が最大効率の状態で動作させることにより、冷水を所定の冷水設定温度以下に冷やし切ることができ、冷媒回路の各機器を停止させることが可能となる。この結果、冬場の時期等では、冷媒回路の負荷を無くして省エネを達成することが可能となる。

以上での説明では、制御弁２０ａ、制御弁２０ｂを“開”と“閉”のオン・オフ制御としたが、開閉度の調整できる弁であっても構わない。
なお、図２の通常運転状態（ステップＳ２３）に示す通り、予備冷却が不可の場合は制御弁２０ｂが閉じられており、よって予備冷却熱交換器１８に冷却水は送水されない。そこで、制御コントローラ２５は、制御弁２０ｂの開状態と予備冷却熱交換器１８の稼動とを連動制御しても構わない。

また、図４の予備冷却状態における本実施形態の動作状態においても、図５の冷媒回路の停止状態と同様に、制御コントローラ２５で冷却水送水ポンプ１４の運転流量を制御しても構わない。

以上のように、本実施形態によれば、年間を通じて冷却塔を利用した省エネ運転を最大限発揮することが可能となる。

１ 床下
２ 部屋
３ 天井裏
４ 機械室
５ データセンタルーム
６ ラック
７ 送風機
８ 冷却コイル
９ 圧縮機
１０ 水冷凝縮器
１１ 膨張弁
１２ 蒸発器
１３ 冷却塔
１４ 冷却水送水ポンプ
１５ 冷却水往路配管（水冷凝縮器側）
１６ 冷却水復路配管（水冷凝縮器側）
１７ 冷却水往路配管（予備冷却熱交換器側）
１８ 予備冷却熱交換器
１９ 冷却水復路配管（予備冷却熱交換器側）
２０ａ、２０ｂ 制御弁
２１ 冷水送水ポンプ
２２ 冷水往路配管
２３ 冷水復路配管
２４ 冷水復路配管
２５ 制御コントローラ
Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５ 温度センサ

Claims (4)

1. データセンタ内の室内空調機から還流される暖められた冷水を蒸発器により冷却し該室内空調機に循環供給する冷水回路と、圧縮機で圧縮された気体の冷媒を水冷凝縮器で冷却して圧力が高い液体を作り、膨張弁で該液体の圧力を下げ、前記蒸発器で該液体を低温で気化させることで前記冷水回路の冷水を冷却する冷媒回路と、前記水冷凝縮器から還流される暖められた冷却水を冷却塔より供給される冷却水により冷却し前記水冷凝縮器に循環供給する冷却水回路とを含む冷熱源システムにおいて、
   前記冷却塔から前記冷却水回路に送流される冷却水を分流する制御弁と、該制御弁により分流された冷却水を送流する予備冷却回路とを設け、
   該予備冷却回路は、前記蒸発器より前段で前記室内空調機から還流される暖められた冷水を分流された前記冷却水により熱交換する予備冷却熱交換器を有する、
   ことを特徴とする冷熱源システム。
2. 前記冷却塔の出口側の冷却水の温度を検知する第１の温度センサと、前記室内空調機の出口の冷水の温度を検知する第２の温度センサと、前記第１、第２の温度センサが検出した各温度に基づいて、前記制御弁、前記冷却水を送流する冷却水送水ポンプ、及び冷媒回路の運転状態を制御する制御コントローラとを更に備え、
   該制御コントローラは、前記冷却塔の出口側の冷却水の温度が前記室内空調機の出口の冷水の温度未満のときは前記制御弁を操作し、前記予備冷却回路への送流を行う、
   ことを特徴とする請求項１に記載の冷熱源システム。
3. 前記予備冷却熱交換器の出口側の冷水の温度を検知する第３の温度センサを備え、
   前記制御コントローラは、前記予備冷却熱交換器の出口側の冷水の温度が予め設定された冷水設定温度未満のときは前記冷媒回路を停止させる
   ことを特徴とする請求項２に記載の冷熱源システム。
4. 前記制御コントローラは、前記冷媒回路が停止状態のときには前記制御弁を制御し、前記冷却水回路側への送流を閉じて、前記予備冷却回路側への送流を増大させる
   ことを特徴とする請求項３に記載の冷熱源システム。