JP2011158219A - 空調制御方法および装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】給気温度を下げて、その分、給気風量を削減して、省エネルギーを図る。
【解決手段】データセンタ1内に露点温度センサ9を設ける。空調制御装置4Aにおいて、露点温度センサ9によって測定される露点温度(室内の露点温度)trpvより、データセンタ1内において結露が発生する虞のない給気温度の下限値を算出し、この算出した給気温度の下限値に基づいて空調機2からのデータセンタ1内への給気温度の設定値および給気風量の設定値を決定する。なお、室内の露点温度に代えて、データセンタ1内からの排気の露点温度、外調機5からのデータセンタ1内への給気の露点温度、外気の露点温度を用いるようにしてもよい。
【選択図】 図1

Description

この発明は、結露によって物理的損傷を生じる虞がある機器が設置された室を制御対象室とし、この制御対象室への空調機からの給気温度および給気風量を制御する空調制御方法および装置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、データセンタ内における機器の排熱を空調機からの給気によって処理するようにしている(例えば、特許文献1,2参照)。
図10にその概略を示す。同図において、1はデータセンタ(制御対象室)、2はデータセンタ1内に設けられた空調機(冷却装置)、3はデータセンタ1内に設置されたサーバなどの電子機器を収容したラック、4は空調機2に対して設けられた空調制御装置、5は外気の温度および湿度を調整してデータセンタ1内へ供給する外調機、6はデータセンタ1内からの排気の排出を行う排気ファン、7は空調機2からのデータセンタ1内への給気の温度を検出する給気温度センサ、8は空調機2への冷媒の循環量を調節する冷媒循環量調節装置である。
なお、冷媒循環量調節装置8としては、コンプレッサ(COMP)、膨張弁、ホットガスバイパス弁など種々の操作対象があるが、この例ではその一例として冷媒循環量調節装置8としてコンプレッサ(COMP)を用いた例を示している。以下、冷媒循環量調節装置8をCOMP8と呼ぶ。
このシステムにおいて、空調機2は冷却コイル2−1とファン2−2とを備え、ラック3にはファン3−1が内蔵されている。COMP8は冷却コイル2−1への冷媒の循環通路に設けられている。また、空調機2において、ファン2−2の風量(給気風量)は100%固定とされている。空調制御装置4は、給気温度センサ7からのデータセンタ1内への給気温度の測定値tspvを入力とし、この給気温度の測定値tspvと予め定められている給気温度の設定値tsspとが一致するように、COMP8へのインバータ出力(COMPINV)を調整する。すなわち、給気温度の測定値tspvと給気温度の設定値tsspとが一致するように、COMP8へのインバータ出力の%値を調整することによって、冷却コイル2−1への冷媒の供給量を制御する。
このようにして、データセンタ1では、空調機2からの給気風量を100%固定として、また給気温度を一定として、ラック3に収容されているサーバなどの電子機器の排熱を空調機2からの給気によって処理するようにしている。
データセンタ1において、空調機2からの給気の温度が低すぎると、結露が生じ、データセンタ1内の電子機器に物理的損傷を与えてしまう虞がある。このため、このシステムでは、外調機5によって外気を除湿してデータセンタ1へ取り入れる一方、データセンタ1内で結露が生じない余裕をもった給気温度の設定値tsspを事前に決め、この給気温度の設定値tsspを固定値として、空調機2からの給気温度の一定制御を行うようにしている。なお、この給気温度の一定制御に類似した技術として、特許文献1では、ラックの側面に冷却パネルを設け、このパネル表面が結露しないように、冷却パネルに供給する熱媒の温度を制御するようにしている。
特開2003−35441号公報 特開2009−140421号公報
しかしながら、図10に示したシステムでは、給気温度の設定値tsspを余裕をもって高めに設定し、この高めに設定した給気温度の設定値tsspを固定として給気温度の一定制御を行うようにしているため、また、空調機2からの給気風量を100%固定としているため、消費されるエネルギーのロスが大きいという問題があった。
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、給気温度を下げて、その分、給気風量を削減して、省エネルギーを図ることができる空調制御方法および装置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、本発明に係る空調制御方法は、制御対象室の露点温度を測定するステップと、測定された露点温度に基づいて制御対象室において結露が発生する虞のない給気温度の下限値を算出するステップと、算出された給気温度の下限値に基づいて給気温度の設定値を決定するステップと、算出された給気温度の下限値に基づいて給気風量の設定値を決定するステップとを備えることを特徴とする。
この発明では、制御対象室の露点温度を測定し、この露点温度の測定値(trpv)に基づいて制御対象室において結露が発生する虞のない給気温度の下限値(tsmin1)を算出する。例えば、余裕分をαとし、tsmin1=trpv+αとして給気温度の下限値tsmin1を算出する。
そして、算出した給気温度の下限値tsmin1に基づいて給気温度の設定値tsspを決定する。例えば、空調機の能力によって制約される給気温度の下限値を機器制約給気温度下限値tsmin2とし、この機器制約給気温度下限値tsmin2と算出された給気温度の下限値tsmin1とを比較し、高い方の給気温度の下限値を給気温度の設定値tsspとする。
また、算出した給気温度の下限値tsmin1に基づいて給気風量の設定値Qsspを決定する。例えば、算出した給気温度の下限値tsmin1に基づいて給気温度の設定値tsspを決定し、この決定した給気温度の設定値tsspより、Qssp(CMH)=定格能力(kW)×3600/{(想定吸込み温度−tssp)×比重量(kg/m3))}として給気風量の設定値Qsspを決定する。
本発明において、制御対象室の露点温度を測定するステップに代えて、制御対象室からの排気の露点温度、外調機からの給気の露点温度を測定するステップを設けるようにしてもよい。すなわち、本発明では、制御対象室からの排気の露点温度に基づいて給気温度の下限値を算出するようにしてもよく、外調機からの給気の露点温度に基づいて給気温度の下限値を算出するようにしてもよい。また、本発明において、外調機は必ずしも設けなくてもよく、外調機を設けない場合、外気の露点温度に基づいて給気温度の下限値を算出するようにすることも考えられる。また、本発明は、上述した空調制御方法を適用した空調制御装置としても構成することが可能である。
本発明によれば、制御対象室の露点温度(或いは、排気の露点温度、外調機からの給気の露点温度、外気の露点温度)を測定し、この測定した露点温度に基づいて制御対象室において結露が発生する虞のない給気温度の下限値を算出し、この算出した給気温度の下限値に基づいて給気温度の設定値および給気風量の設定値を決定するようにしたので、給気温度を下げて、その分、給気風量を削減して、省エネルギーを図ることができるようになる。
本発明に係る空調制御方法を適用した空調制御システムの一実施の形態(実施の形態1)の概略を示す図である。 実施の形態1の空調制御システムにおける空調制御装置の要部を示す機能ブロック図である。 本発明に係る空調制御方法を適用した空調制御システムの他の実施の形態(実施の形態2)の概略を示す図である。 実施の形態2の空調制御システムにおける空調制御装置の要部を示す機能ブロック図である。 実施の形態2の空調制御システムで用いる給気温度の設定特性Iおよび給気風量の設定特性IIを例示する図である。 給気温度の下限値が高い場合と低い場合とで異なる給気温度の設定特性Iおよび給気風量の設定特性IIを対比して示す図である。 露点温度センサをデータセンタ内からの排気の排出通路に設けた例を示す図である。 露点温度センサをデータセンタ内への外調機からの給気の供給通路に設けた例を示す図である。 外調機を設けない場合に露点温度センサをデータセンタ内への外気の供給通路に設けた例を示す図である。 従来の空調制御システムの概略を示す図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
〔実施の形態1〕
図1は本発明に係る空調制御方法を適用した空調制御システムの一実施の形態(実施の形態1)の概略を示す図である。同図において、図10と同一符号は図10を参照して説明した構成要素と同一或いは同等構成要素を示し、その説明は省略する。
この実施の形態1において、図10に示した従来のシステムと異なる点は、空調制御装置4が有する機能にある。この実施の形態1では、空調制御装置4を4Aとし、従来のシステムにおける空調制御装置と区別する。
また、この実施の形態1において、データセンタ1には、データセンタ1内の露点温度を測定する露点温度センサ9が設けられており、この露点温度センサ9からの露点温度の測定値trpvを空調制御装置4Aに送るものとしている。
また、この実施の形態1において、空調機2のファン2−2には、その回転数を可変とするインバータINVが付設されており、空調制御装置4AからのインバータINVへのインバータ出力(ファンINV)の%値を調整することによって、ファン2−2の風量(給気風量)を制御するものとしている。
空調制御装置4A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空調機2からのデータセンタ1内への給気温度および給気風量の設定値の決定機能を有している。
図2に空調制御装置4Aの要部の機能ブロック図を示す。以下、この機能ブロック図における各部の機能を交えながら、空調制御装置4Aが有する給気温度および給気風量の設定値の決定機能について説明する。
空調制御装置4Aは、給気温度下限値算出部401と、機器制約給気温度下限値記憶部402と、給気温度設定値決定部403と、給気風量設定値決定部404と、COMPINV出力部405と、ファンINV出力部406とを備えている。
なお、この例では、空調制御装置4AにCOMPINV出力部405とファンINV出力部406を設けた構成としているが、実際のシステムでは空調機2に対して専用のコントローラ(図示せず)が設けられている場合が多く、このような専用のコントローラが空調機2に対して設けられている場合には、その専用のコントローラがCOMPINV出力部405やファンINV出力部406を有する構成とされる。この場合、空調制御装置4Aからは、COMPINV出力部405およびファンINV出力部406が除かれ、給気温度設定値決定部403や給気風量設定値決定部404で決定された設定値が専用のコントローラへ送信されることになる。
給気温度下限値算出部401は、露点温度センサ9からのデータセンタ1内の露点温度(室内の露点温度)の測定値trpvを入力とし、この露点温度の測定値trpvに予め定められている余裕分αを加算して、データセンタ1内で結露が発生する虞のない給気温度の下限値tsmin1(tsmin1=trpv+α)を算出する。すなわち、空調機2からの給気によってデータセンタ1内で除湿(コイル2−1での除湿も含む)が発生する虞のない給気温度の下限値tsmin1を算出する。なお、余裕分αは、室内のCO2濃度から人がどの程度いるかを判断し(室内発生水分量を推定し)、可変とするようにしてもよい。また、CO2濃度だけではなく、セキュリティシステムなどの情報から、どの程度人がいるかを把握するようにしてもよい。
給気温度設定値決定部403は、給気温度下限値算出部401によって算出された給気温度の下限値tsmin1を入力とし、この給気温度の下限値tsmin1と機器制約給気温度下限値記憶部402に記憶されている機器制約給気温度下限値tsmin2とを比較し、高い方の給気温度の下限値を給気温度の設定値tsspとする。ここで、機器制約給気温度下限値tsmin2とは、空調機2の能力によって制約される給気温度の下限値であり、カタログ等に記載されている給気温度範囲の下限値のことを指す。
給気風量設定値決定部404は、給気温度設定値決定部403によって決定された給気温度の設定値tsspを入力とし、Qssp(CMH)=定格能力(kW)×3600/{(想定吸込み温度−tssp)×比重量(kg/m3))}として給気風量の設定値Qsspを決定する。なお、この給気風量の設定値Qsspの算出式において、「想定吸込み温度」とは、空調機2の定格運転時に想定されている吸込み温度のことで、カタログ等に記載されている定格時吸込み温度のことの指す。また、「定格能力」とは空調機2の定格冷却能力である。
COMPINV出力部405は、給気温度センサ7からのデータセンタ1内への給気温度の測定値tspvと給気温度設定値決定部403によって決定された給気温度の設定値tsspとを入力とし、給気温度の測定値tspvと給気温度の設定値tsspとが一致するように、COMP8へのインバータ出力(COMPINV)を調整する。
ファンINV出力部406は、給気風量設定値決定部404によって決定された給気風量の設定値Qsspを入力とし、ファン2−2からの給気風量QsをQsspとするように、インバータINVへのインバータ出力(ファンINV)を調整する。
このようにして、本実施の形態では、露点温度センサ9によって測定されるデータセンタ1内の露点温度trpvより、可能な限り低い値として、データセンタ1内で結露が発生する虞のない給気温度の設定値tsspが決定されるものとなり、またその給気温度の設定値tsspに適した給気風量の設定値Qsspが決定されるようになり、給気温度を下げて、その分、給気風量を削減して、省エネルギーを図ることができるようになる。
なお、本実施の形態において、給気風量の設定値Qsspを算出する際、この算出される給気風量の設定値Qsspに少し安全を見込んだ値を足しこむようにしてもよい。ラック3に収容されている電子機器の負荷によっては、データセンタ1内が暑くなりすぎるという虞があるが、給気風量の設定値Qsspに少し安全を見込んだ値を足しこむようにすることにより、データセンタ1内が暑くなりすぎるという問題を改善することが可能となる。
〔実施の形態2〕
図3は本発明に係る空調制御方法を適用した空調制御システムの他の実施の形態(実施の形態2)の概略を示す図である。この実施の形態2において、データセンタ1には、データセンタ1内の露点温度を測定する露点温度センサ9に加え、ラック3の入口側の温度を現在温度として測定する温度センサ10が設けられており、露点温度センサ9からの露点温度の測定値trpvおよび温度センサ10からの現在温度の測定値tpvを空調制御装置4(4B)へ送るようにしている。
また、この実施の形態2においても、実施の形態1と同様、空調機2のファン2−2には、その回転数を可変とするインバータINVが付設されており、空調制御装置4BからのインバータINVへのインバータ出力(ファンINV)の%値を調整することによって、ファン2−2の風量(給気風量)を制御するようにしている。
図4に空調制御装置4Bの要部の機能ブロック図を示す。以下、この機能ブロック図における各部の機能を交えながら、空調制御装置4Bが有する給気温度および給気風量の設定値の決定機能について説明する。
空調制御装置4Bは、給気温度下限値算出部411と、機器制約給気温度下限値記憶部412と、給気温度下限値決定部413と、要求温度記憶部414と、給気温度設定値決定部415と、給気風量設定値決定部416と、COMPINV出力部417と、ファンINV出力部418とを備えている。なお、要求温度記憶部414には、温度センサ10が測定する現在温度tpvに対する要求値が要求温度tspとして記憶されている。
給気温度下限値算出部411は、実施の形態1における給気温度下限値算出部401と同様にして、露点温度センサ9からのデータセンタ1内の露点温度(室内の露点温度)の測定値trpvを入力とし、この露点温度の測定値trpvに予め定められている余裕分αを加算して、データセンタ1内で結露が発生する虞のない給気温度の下限値tsmin1(tsmin1=trpv+α)を算出する。
給気温度下限値決定部413は、給気温度下限値算出部411によって算出された給気温度の下限値tsmin1を入力とし、この給気温度の下限値tsmin1と機器制約給気温度下限値記憶部412に記憶されている機器制約給気温度下限値tsmin2とを比較し、高い方の給気温度の下限値を給気温度の下限値tsminとする。
給気温度設定値決定部415は、給気温度下限値決定部413によって決定された給気温度の下限値tsminと温度センサ10からの現在温度tpvと要求温度記憶部414に記憶されている要求温度tspとを入力とし、図5に示す給気温度の設定特性Iに従って給気温度の設定値tsspを決定する。
すなわち、給気温度の下限値tsminを制御パラメータとして利用し、現在温度tpvがtxよりも高い範囲では、給気温度の設定値tsspを給気温度の下限値tsminとして固定する一方、現在温度tpvがtxよりも低い範囲では、要求温度tspとの差が広がるにつれ、給気温度の設定値tsspを上げて行く。
このような給気温度の設定特性Iとすることにより、データセンタ1内での負荷が減って、現在温度tpvがtxよりも低くなると、給気温度の設定値tsspがアップされ、空調機2の能力が下げられる。これにより、データセンタ1内での過冷却が防がれ、省エネルギーとなる。
給気風量設定値決定部416は、給気温度下限値決定部413によって決定された給気温度の下限値tsminと温度センサ10からの現在温度tpvと要求温度記憶部414に記憶されている要求温度tspとを入力とし、図5に示す給気風量の設定特性IIに従って給気風量の設定値Qsspを決定する。
すなわち、給気温度の下限値tsminを制御パラメータとして利用し、給気温度の設定値tsspがtsminに固定される前は、予め定められた下限値に給気風量の設定値Qsspを固定する一方、給気温度の設定値tsspがtsminに固定された後は、要求温度tspとの差が広がるにつれ、給気風量の設定値Qsspを上げて行く。
このような給気風量の設定特性IIとすることにより、データセンタ1内での負荷が小さい場合には、給気風量の設定値Qsspが下限値に固定されて省エネルギーが図られる一方、データセンタ1内での負荷が増え、現在温度tpvがtxよりも高くなると、給気風量の設定値Qsspが上げられて行き、データセンタ1内が暑くなることが防がれる。
COMPINV出力部417は、給気温度センサ7からのデータセンタ1内への給気温度の測定値tspvと給気温度設定値決定部415によって決定された給気温度の設定値tsspとを入力とし、給気温度の測定値tspvと給気温度の設定値tsspとが一致するように、COMP8へのインバータ出力(COMPINV)を調整する。
ファンINV出力部406は、給気風量設定値決定部416によって決定された給気風量の設定値Qsspを入力とし、ファン2−2からの給気風量QsをQsspとするように、インバータINVへのインバータ出力(ファンINV)を調整する。
図6に給気温度の下限値tsminを制御パラメータとして変化する給気温度の設定特性Iおよび給気風量の設定特性IIを示す。特性IHおよびIIHは給気温度の下限値tsminが高い場合の給気温度の設定特性および給気風量の設定特性を示し、特性ILおよびIILは給気温度の下限値tsminが低い場合の給気温度の設定特性および給気風量の設定特性を示す。このような設定特性の変化からも、給気温度の下限値tsminを低くすれば、同程度の冷房要求でも、給気風量(ファンINVの出力)を抑えることができることが分かる。
なお、上述した実施の形態1,2では、データセンタ1内に露点温度センサ9を設け、室内の露点温度を測定するようにしたが、データセンタ1内からの排気ファン6による排気の露点温度を測定するようにしてもよく、データセンタ1内への外調機5からの給気の露点温度を測定するようにしてもよい。
すなわち、実施の形態1を例とした場合、図7に示すように、データセンタ1内からの排気ファン6による排気の排出通路に露点温度センサ9を設け、この露点温度センサ9からの露点温度の測定値trpvより給気温度の下限値tsmin1を算出するようにしてもよく、図8に示すように、データセンタ1内への外調機5からの給気の供給通路に露点温度センサ9を設け、この露点温度センサ9からの露点温度の測定値trpvより給気温度の下限値tsmin1を算出するようにしてもよい。
また、上述した実施の形態では、外調機5を設けるようにしたが、外調機5は必ずしも設けなくてもよい。外調機5を設けない場合、例えば実施の形態1において、図9に示すように、データセンタ1内への外気の供給通路に露点温度センサ9を設け、この露点温度センサ9からの露点温度の測定値trpvより給気温度の下限値tsmin1を算出するようにすることも考えられる。
また、上述した実施の形態では、露点温度センサ9を設けて露点温度を測定するようにしたが、温度と湿度を測定するようにし、この測定した温度と湿度から露点温度を算出するようにしてもよい。本発明において、露点温度を測定するという概念には、測定した温度と湿度から露点温度を算出することも含まれる。
また、上述した実施の形態では、冷媒循環量調節装置8をコンプレッサ(COMP)としているが、前述したとおり、膨張弁、ホットガスバイパス弁など種々の操作対象が冷媒循環量調節装置8として考えられることは言うまでもない。
本発明の空調制御方法および装置は、結露によって物理的損傷を生じる虞がある機器が設置された室を制御対象室への空調機からの給気温度および給気風量を制御する空調制御方法および装置として、サーバなどの電子機器を設置したデータセンタなど様々な室を制御対象室として適用することが可能である。
1…データセンタ、2…空調機(冷却装置)、2−1…冷却コイル、2−2…ファン、INV…インバータ、3…ラック、3−1…ファン(内蔵ファン)、4(4A,4B)…空調制御装置、5…外調機、6…排気ファン、7…給気温度センサ、8…冷媒循環量調節装置(COMP)、9…露点温度センサ、10…温度センサ、401…給気温度下限値算出部、402…機器制約給気温度下限値記憶部、403…給気温度設定値決定部、404…給気風量設定値決定部、405…COMPINV出力部、406…ファンINV出力部、411…給気温度下限値算出部、412…機器制約給気温度下限値記憶部、413…給気温度下限値決定部、414…要求温度記憶部、415…給気温度設定値決定部、416…給気風量設定値決定部、417…COMPINV出力部、418…ファンINV出力部。

Claims (6)

  1. 結露によって物理的損傷を生じる虞がある機器が設置された室を制御対象室とし、この制御対象室への空調機からの給気温度および給気風量を制御する空調制御方法であって、
    前記制御対象室の露点温度を測定するステップと、
    前記測定された露点温度に基づいて前記制御対象室において結露が発生する虞のない前記給気温度の下限値を算出するステップと、
    前記算出された給気温度の下限値に基づいて前記給気温度の設定値を決定するステップと、
    前記算出された給気温度の下限値に基づいて前記給気風量の設定値を決定するステップと
    を備えることを特徴とする空調制御方法。
  2. 請求項1に記載された空調制御方法において、
    前記給気温度の設定値を決定するステップは、
    前記空調機の能力によって制約される給気温度の下限値を機器制約給気温度下限値とし、この機器制約給気温度下限値と前記算出された給気温度の下限値とを比較し、高い方の給気温度の下限値を給気温度の設定値として決定する
    ことを特徴とする空調制御方法。
  3. 請求項1又は2に記載された空調制御方法において、
    前記制御対象室の露点温度を測定するステップに代えて、前記制御対象室からの排気の露点温度、前記制御対象室へ外気を処理して供給する外調機からの給気の露点温度、外気の露点温度のうち、何れかの露点温度を測定するステップ
    を備えることを特徴とする空調制御方法。
  4. 結露によって物理的損傷を生じる虞がある機器が設置された室を制御対象室とし、この制御対象室への空調機からの給気温度および給気風量を制御する空調制御装置であって、
    前記制御対象室の露点温度を測定する露点温度測定手段と、
    前記測定された露点温度に基づいて前記制御対象室において結露が発生する虞のない前記給気温度の下限値を算出する給気温度下限値算出手段と、
    前記算出された給気温度の下限値に基づいて前記給気温度の設定値を決定する給気温度設定値決定手段と、
    前記算出された給気温度の下限値に基づいて前記給気風量の設定値を決定する給気風量設定値決定手段と、
    を備えることを特徴とする空調制御装置。
  5. 請求項4に記載された空調制御装置において、
    前記給気温度設定値決定手段は、
    前記空調機の能力によって制約される給気温度の下限値を機器制約給気温度下限値とし、この機器制約給気温度下限値と前記算出された給気温度の下限値とを比較し、高い方の給気温度の下限値を給気温度の設定値として決定する
    ことを特徴とする空調制御装置。
  6. 請求項4又は5に記載された空調制御装置において、
    前記制御対象室の露点温度を測定する露点温度測定手段に代えて、前記制御対象室からの排気の露点温度、前記制御対象室へ外気を処理して供給する外調機からの給気の露点温度、外気の露点温度のうち、何れかの露点温度を測定する露点温度測定手段
    を備えることを特徴とする空調制御装置。
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