JP2011242011A - サーバ用空調システム - Google Patents

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Tomoyuki Kinoshita
朋行 木下
Yuichi Hanada
雄一 花田
Hideyoshi Otani
秀吉 大谷
Hiroyuki Morimoto
博之 森本
Yasufumi Takahashi
康文 高橋
Yasuo Takagi
康夫 高木
Masaru Murayama
大 村山
Miwa Yamai
美和 山井
Tsutomu Kubo
力 久保
Hideaki Kawashima
英明 川島
Akihiro Hashimoto
明大 橋本
Kiyotaka Domae
清隆 堂前
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Abstract

【課題】容易に構築可能であるとともにサーバ数の変更にフレキシブルに対応することができ、省エネ効果の高い空調制御を実行することが可能なサーバ用空調システムを提供する。
【解決手段】分離されたコールドエリア11とホットエリア12とを有し、コールドエリア11とホットエリア12との間に複数のサーバが格納されたサーバラック13−1〜13−8が設置され、コールドエリア11に流入した冷気がサーバの発熱により加熱されてホットエリア12から還気として流出するように気流が形成されたサーバ格納容器10と、このサーバ格納容器10に還気ダクト21および給気ダクト26により接続され、外気温度計測値および外気湿度計測値に基づいて給気温度設定値および給気湿度設定値を設定し、この給気温度設定値および給気湿度設定値に基づいてシステム内の各機器の動作を制御する空調システム20とを備える。
【選択図】図1

Description

本発明の実施形態は、複数のサーバを設置し、集中して空調を管理するサーバ用空調システムに関する。
近年、様々な分野でIT化が進むにつれ、ネットワークへの接続回線や保守・運用サービスなどを顧客に提供するデータセンターの必要性が高まってきている。
一般的にデータセンターでは、多数のサーバが設置されているため発熱量が多く、これらのサーバを正常に稼動させるためには適切に空調を行って所定範囲の環境条件に保つ必要がある。
データセンターのように多数のコンピュータが設置された室内を冷却するための技術として、室内の下部空間から吸い込んだ空気を上部空間において吹き出すことにより、該空気がサーバラックの上部に吸い込まれるように構成した空調システムがある。
この技術を利用することにより室内全体の温度勾配を少なくするとともに給気温度のばらつきを少なくして効率のよい空調制御を行うことが可能になる。
特開2005−172309号公報
しかし、上述したような従来の空調システムは既存のビルの室内に構築されるため、建設コストが多大である、増設が困難でありサーバ数の増加にフレキシブルに対応することができない、という問題があった。
またデータセンターは、米国空調学会(ASHRAE)の規定(ASHRAE2004)により室内環境を「温度:20〜25℃、湿度40〜55%」の条件に保つことが定められ、この条件に対しては省エネ効果の高い外気冷房を行うことが困難であったが、2008年の改定でこの規定が「温度:18〜27℃、絶対湿度0.0056〜0.0107kg/kg且つ相対湿度60%以下」の条件に緩和されたことにより、外気冷房の実現性が高まってきていた。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、容易に構築可能でありサーバ数の変更にフレキシブルに対応することができ、省エネ効果の高い空調制御を実行することが可能なサーバ用空調システムを提供することを目的とする。
上記目的を達成するための一実施形態によるサーバ用空調システムは、分離された第1空間と第2空間とを有し、前記第1空間と前記第2空間との間に複数のサーバが設置され、前記第1空間に流入した冷気が前記サーバの発熱により加熱されて前記第2空間から還気として流出するように気流が形成されたサーバ格納容器と、このサーバ格納容器に還気ダクトおよび給気ダクトにより接続された空調システムとを備えることを特徴とする。
一実施形態によるサーバ用空調システムの構成を示す全体図である。 一実施形態によるサーバ用空調システムの空調制御装置の構成を示すブロック図である。 一実施形態によるサーバ用空調システムの空調制御装置で設定する給気温度設定値および給気湿度設定値の範囲を示すグラフである。
本発明の一実施形態によるサーバ用空調システムの構成について、図1を参照して説明する。
本実施形態によるサーバ用空調システム1は、サーバ格納容器10と、空調システム20とを備える。
サーバ格納容器10は、例えば容易に構築可能なコンテナであり、第1空間としての冷気を含んだコールドエリア11と、第2空間としての暖気を含んだホットエリア12とを有し、コールドエリア11とホットエリア12との間には複数のサーバ(図示せず)が格納されたサーバラック13−1〜13−8が設置され、サーバ収納容器10への入出扉14とコールドエリア11、ホットエリア12及びサーバラック13−1〜13−8との間には外気遮断エリア15を有している。
この複数のサーバは、内蔵するファン(図示せず)が稼動することにより同一方向に気流が発生するようにサーバラック13−1〜13−8に格納される。そして、コールドエリア11に流入した冷気が、サーバラック13―1〜13−8内の複数のサーバのファン稼動により取り込まれ、サーバ内の発熱により加熱されてホットエリア12から還気として流出するように気流が形成される。そしてこのような気流が形成されることで、サーバの熱が冷却されて正常に稼動される。
また、入出扉14とコールドエリア11、ホットエリア12及びサーバラック13−1〜13−8との間には、扉を有する仕切りが設置されることで、外気遮断エリア15が存在し、メンテナンス等で人が入退出する際の外気の流入出を遮断することができ、メンテナンス対象以外のサーバが稼動している状態で急激な温湿度変化が生じることを防止することができる。
空調システム20は、還気ダクト21と、還気ファン22と、排気用ダンパ23と、室内ユニット24と、室外ユニット25と、給気ダクト26と、外気温度センサ27と、外気湿度センサ28と、コールドエリア温度センサ29と、コールドエリア湿度センサ30と、還気温度センサ31と、空調制御装置32とを有する。
還気ダクト21は空気を通す管であり、サーバ格納容器10のホットエリア12と空調システム20の室内ユニット24とを接続する。
還気ファン22は、サーバ格納容器10のホットエリア12の還気を、還気ダクト21内に流出させる。
排気用ダンパ23は、外部に排出する還気量を、外気導入量に基づいて開度により調整する。
室内ユニット24は、還気導入用ダンパ241と、外気導入用ダンパ242と、フィルタ243と、冷気生成装置としての加湿器244、冷却コイル245、給気ファン246とを有する。
還気導入用ダンパ241は、外気と混合する還気量を、開度により調整する。
外気導入用ダンパ242は、室内ユニット24内に導入する外気量を、開度により調整する。
フィルタ243は、外気導入用ダンパ242が開状態にされたときに導入される外気、および還気導入用ダンパ241が開状態にされたときに還気ダクト21から導入される還気から、塵埃を除去する。
加湿器244は、フィルタ243で塵埃が除去された外気および還気を、必要に応じて加湿する。
冷却コイル245は、フィルタ243で塵埃が除去された外気および還気を、必要に応じて冷却して冷気を生成する。
給気ファン246は、加湿器244により必要に応じて加湿され、また冷却コイル245により必要に応じて冷却されて生成された冷気を、給気ダクト26からサーバ格納容器10のコールドエリア11に流入させる。
室外ユニット25は、冷却コイル245に接続され、冷却コイル245で冷気を生成する際に利用される冷媒を供給する。
給気ダクト26は空気を通す管であり、室内ユニット24とサーバ格納容器10のコールドエリア11とを接続する。
外気温度センサ27は、外気温度を計測し、計測値を空調制御装置32に送信する。外気湿度センサ28は、外気湿度を計測し、計測値を空調制御装置32に送信する。コールドエリア温度センサ29は、コールドエリア内の温度を計測し、計測値を空調制御装置32に送信する。コールドエリア湿度センサ30は、コールドエリア内の湿度を計測し、計測値を空調制御装置32に送信する。還気温度センサ31は、還気温度を計測し、計測値を空調制御装置32に送信する。
空調制御装置32は、図2に示すように、外気温湿度計測値取得部291と、コールドエリア温湿度計測値取得部292と、還気温度計測値取得部293と、給気温湿度設定部294と、機器制御部295とを有する。
外気温湿度計測値取得部291は、外気温度センサ27で計測された外気温度計測値、および外気湿度センサ28で計測された外気湿度計測値を取得する。
コールドエリア温湿度計測値取得部292は、コールドエリア温度センサ29で計測されたコールドエリア温度計測値およびコールドエリア湿度センサ30で計測されたコールドエリア湿度計測値を取得する。
還気温度計測値取得部293は、還気温度センサ31で計測された還気温度計測値を取得する。
給気温湿度設定部294は、外気温室度計測値取得部291で取得された外気温度計測値および外気湿度計測値に基づいて、給気温度設定値および給気湿度設定値を設定する。
機器制御部295は、コールドエリア温湿度計測値取得部292で取得されたコールドエリア温度およびコールドエリア湿度と給気温湿度設定部294で設定された給気温度設定値および給気湿度設定値に基づいて、空調システム20内の各機器の動作を制御する。
また、機器制御部295は、還気温度計測値取得部293で取得された還気温度に基づいて、給気ファン246を制御する。
空調制御装置32において、各機器の制御が行われるときの動作について説明する。
まず、外気温湿度計測値取得部291で取得された外気温度計測値および外気湿度計測値が給気温湿度設定部292で取得され、これらに基づいて給気温度設定値および給気湿度設定値が設定される。
この給気温度設定値および給気湿度設定値は、サーバが正常に稼動するために予め設定された温度範囲内且つ予め設定された湿度範囲内、例えば図3のグラフにおいて太線に示した、米国空調学会(ASHRAE)で規定された温度:18〜27℃、絶対湿度0.0056〜0.0107kg/kg且つ相対湿度60%以下の範囲内で、設定される。このとき、この規定の範囲内で最も消費エネルギーが少なくなる場合、または最もコストが低くなる場合の給気温度設定値および給気湿度設定値(相対湿度、絶対湿度、露点温度等)が設定されるようにしてもよい。
このようにして設定された給気温度設定値および給気湿度設定値に基づいて、機器制御部293において、還気ファン22の回転数、排気用ダンパ23の開度、還気導入用ダンパの241開度、外気導入用ダンパ242の開度、加湿器244の制御量、冷却コイル245の制御量、および給気ファン246の回転数を制御する制御信号が生成され、各機器に送信されることにより制御が行われる。
このとき、外気の温度、湿度が所定値よりも低いときには、可能な範囲で積極的に外気が利用されるように制御されることで、省エネ効果が向上する。
例えば、外気(温度、湿度、比エンタルピ)の条件により、以下の5つの運転モードに切り替える。(年間運転時間は、関東地区における試算値)
1.外気条件が、温度と湿度共に適温適湿の場合
外気を取り込み、コンテナへ送風する。
年間運転時間:515h
2.外気条件が、温度が低く、湿度が適湿の場合
外気を取り込み、コンテナから戻る空気と混合して、適温適湿にてコンテナへ送風する。
年間運転時間:2,186h
3.外気条件が、湿度が低く、比エンタルピが所定以下の場合
外気を取り込み、コンテナから戻る空気を必要に応じて加湿して、外気と混合し、もしくは外気とコンテナから戻る空気を混合した空気に対し必要に応じて加湿することで、適温適湿にてコンテナへ送風する。
年間運転時間:2,765h
4.外気条件が、湿度が低く、温度が高いことにより比エンタルピが3の比エンタルピを下限とした所定範囲内の場合
外気を取り込み、外気を加湿により気化冷却して適温適湿にてコンテナへ送風する。
年間運転時間:15h
5.外気条件が、湿度またはエンタルピが高い場合(上記1から4以外)
外気を取り込まず、コンテナから戻る空気を冷却コイルで冷却して適温適湿にてコンテナへ送風する。
このように、外気条件に応じて、外気冷房を活用することによって、年間運転時間8,760hの内、外気冷房運転を5,481h(約60%)とすることができ、空調エネルギーの削減を図ることができる。
また、サーバの稼動状態が変化し、サーバの発熱が大きくなったときは、還気が所定温度以上に上昇することが考えられる。そこで、還気温度計測値取得部293で取得された還気温度計測値が所定値以上になったときは、給気ファン246の回転数を増やすように補正することで、サーバの発熱に応じた制御を行うことができる。
以上の本実施形態のサーバ用空調システムによれば、コンテナ等のサーバ格納容器に複数のサーバを格納することで、従来のデータセンタービル等に比べて複数のサーバを管理する環境を低い建築コストで容易に構築することができ、またこれによりサーバ数の増加に伴ってサーバ格納容器を含むサーバ用空調システムを増設すればよいのでフレキシブルに対応することができる。
また、このサーバ格納容器を含むサーバ用空調システムを屋外に設置することにより、外気冷房に利用したい外気をじかに取り込むことが出来るため、空気搬送動力が低く抑えられる。
また、このサーバ格納容器を利用することで、サーバを管理する際の空調制御対象の空間のうちサーバ以外の余分な空間を極力小さくすることができ、従来のデータセンタービル等に比べて少ないエネルギーで効率の良いサーバ用の空調を行うことができる。
また、サーバ用の空調に関しては、ある程度幅のある温度範囲、湿度範囲内に該当するように制御すればよいため、外気の状態の変化に応じてこの範囲の中で効率の良い給気温度および給気湿度に制御することで省エネ効果の高い空調制御を実行することができる。
尚、上記実施形態では、還気ファン22を設けているが、給気ファン246の運転能力のみでシステム内の空気循環を行うことができる場合は不要である。これにより、更に省エネを図ることができ、また、還気ファン22を削除することにより、空気循環における抵抗を低減することができる。
1…サーバ用空調システム
10…サーバ格納容器
11…コールドエリア
12…ホットエリア
13−1〜13−8…サーバラック
14…扉
15…外気遮断エリア
20…空調システム
21…還気ダクト
22…還気ファン
23…排気用ダンパ
24…室内ユニット
25…室外ユニット
26…給気ダクト
27…外気温度センサ
28…外気湿度センサ
29…コールドエリア温度センサ
30…コールドエリア湿度センサ
31…還気温度センサ
32…空調制御装置
241…還気導入用ダンパ
242…外気導入用ダンパ
243…フィルタ
244…加湿器
245…冷却コイル
246…給気ファン
291…外気温湿度計測値取得部
292…コールドエリア温湿度計測値取得部
293…還気温度計測値取得部
294…給気温湿度設定部
295…機器制御部

Claims (5)

  1. 分離された第1空間と第2空間とを有し、前記第1空間と前記第2空間との間に複数のサーバが設置され、前記第1空間に流入した冷気が前記サーバの発熱により加熱されて前記第2空間から還気として流出するように気流が形成されたサーバ格納容器と、このサーバ格納容器に還気ダクトおよび給気ダクトにより接続された空調システムとを備えたサーバ用空調システム。
  2. 前記空調システムは、
    外気の導入量を調整する外気導入用ダンパと、
    前記サーバ格納容器の第2空間から流出された還気の導入量を調整する還気導入用ダンパと、
    前記サーバ格納容器の第2空間から流出された還気の排気量を調整する排気用ダンパと
    前記外気導入用ダンパが開状態にされたときに導入される外気、および前記還気導入用ダンパが開状態にされたときに前記還気ダクトから導入される還気を調整して冷気を生成する冷気生成装置と、
    前記冷気生成装置で生成された冷気を、前記給気ダクトから前記サーバ格納容器の第1空間に流入させる給気ファンと、
    を備え、
    前記給気ファンにより前記サーバ格納容器に流入した冷気で前記サーバを冷却することを特徴とする請求項1記載のサーバ用空調システム。
  3. 前記冷気生成装置は、
    前記外気導入用ダンパが開状態にされたときに導入される外気、および前記還気導入用ダンパが開状態にされたときに前記還気ダクトから導入される還気を加湿する加湿器と、
    前記還気導入用ダンパが開状態にされたときに前記還気ダクトから導入される還気を冷却する冷却コイルと
    を備えることを特徴とする請求項2記載のサーバ用空調システム。
  4. 前記サーバ収納容器は、
    サーバ収納容器に入退出するための扉部と、
    前記扉部と前記サーバ、前記第1空間及び前記第2空間とを遮断する外気遮断空間とを備えることを特徴とする請求項1乃至3いずれか1項に記載のサーバ用空調システム。
  5. 外気温度計測値および外気湿度計測値を取得する外気温湿度計測値取得部と、前記外気温湿度計測値取得部で取得された外気温度計測値および外気湿度計測値に基づいて、給気温度設定値および給気湿度設定値を設定する給気温湿度設定部と、この給気温湿度設定部で設定された給気温度設定値および給気湿度設定値に基づいて、前記外気導入用ダンパの開度、前記還気導入用ダンパの開度、前記排気用ダンパの開度、前記冷気生成装置の制御量、および、前記給気ファンの回転数を制御する機器制御部とを有する制御装置、
    を備えることを特徴とする請求項2乃至4いずれか1項に記載のサーバ用空調システム。
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