JP2012237468A - 空調設備 - Google Patents

Abstract

【課題】外気を有効利用することで、さらなる省エネルギーを図る空調設備を提供する。
【解決手段】空調機３に冷水を供給する複数の冷凍機４と、これら各冷凍機にそれぞれ接続されて冷凍機との間で水を循環させて冷凍機を冷却する複数の冷却塔５とを備える空調設備である。外気の状況に応じて、冷凍機を作動させて冷凍機によって空調機に供給する冷水を得る第１運転モードと、冷凍機を作動させることなく複数の冷却塔を直列に接続してこれら直列に接続した冷却塔から直接空調機に供給する冷水を得る第２運転モードとを択一的に選択する運転モード選択手段１８を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、サーバー等の高発熱の電子装置が多数設置されたデータセンターのコンピュータ室のような部屋を空調するのに適した空調設備に関する。

従来の一般的な空調設備においては、空調域が広い場合、複数の空調機に冷水を供給する複数の冷凍機と、これら各冷凍機にそれぞれ接続され該冷凍機との間で水を循環させて該冷凍機を冷却する複数の冷却塔とを備えている。

ところで、複数の冷却塔を有する場合、下記特許文献１には、省エネルギーの観点から冷却塔を並列に接続するとともに、冷却水流量の測定結果に基づいて、各冷却塔のファンの回転数を冷却塔ごとに制御することが提案されている。

特開２００７ー３３３３６１号公報

前記特許文献１に開示された技術では、一応の省エネルギー対策が採られているものの、空調設備全体を勘案した場合、満足が得られる結果を得られてはいない。
ところで、サーバー等の高発熱の電子装置が多数設置されるようなコンピュータ室の空調を行う場合は、夏季に限らず春や秋の中間季あるいは冬季においても、冷房が必要になることがある。中間季や冬季では夏季に比べて外気温度が低いため、外気を有効に利用できれば、前記特許文献１に開示された技術に比べ、さらなる省エネルギーを図れることが期待できる。
本発明は、上記事情を考慮し、外気を有効利用することで、さらなる省エネルギーを図ることができる空調設備を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１の発明の空調設備は、空調機に冷水を供給する複数の冷凍機と、これら各冷凍機にそれぞれ接続されて該冷凍機との間で水を循環させて該冷凍機を冷却する複数の冷却塔とを備える空調設備において、外気の状況に応じて、前記冷凍機を作動させて該冷凍機によって前記空調機に供給する冷水を得る第１運転モードと、前記冷凍機を作動させることなく前記複数の冷却塔のうち少なくともいくつかを直列に接続してこれら直列に接続した冷却塔から直接前記空調機に供給する冷水を得る第２運転モードとを択一的に選択する運転モード選択手段を備えることを特徴とする。

本発明によれば、夏季のような外気温度が高い場合には、第１運転モードに切り換えて、冷凍機を作動させてこの冷凍機によって空調機に供給する冷水を得る。また、中間季あるいは冬季では、第２運転モードに切り換えて、冷凍機を作動させることなく複数の冷却塔のうち少なくともいくつかを直列に接続してこれら直列に接続した冷却塔から直接前記空調機に供給する冷水を得る。
ここでは、複数の冷却塔を直列に接続しているため、これら冷却塔を得た後の冷却水温度は、ただ一つの冷却塔によって冷却する場合に比べて、より低い温度の冷却水が得られる。このため、外気温度がそれほど低くない中間季においても、第２運転モードを採用できる。

請求項２の発明は、請求項１に記載の空調設備において、前記冷却塔として密閉式冷却塔を用いることを特徴とする。

この場合、冷却塔に供給される冷却水が外気と直接接触しないため、冷却水が空気中の不純物等によって汚染されることがない。このため、直接冷却水を供給する空調機内の熱交換器での腐食やスケールが付着するのを防止できる。加えて、第１運転モードに切り換えた際に、冷却塔からの冷却水が、冷凍機の空調機側の循環管路に混入する場合でも、それらに付随する熱交換での腐食やスケールが付着するのを防止できる

請求項３の発明は、請求項１または２に記載の空調設備において、前記運転モード選択手段による運転モードの選択が、前記空調機の冷却負荷、前記冷却塔の能力および外気の湿球温度によって決定されることを特徴とする。

この場合、空調機の冷却負荷、冷却塔の能力および外気の湿球温度によって、運転モード選択手段による運転モードの選択が一義的に決定することとなり、運転モード選択手段の構成の容易化が図れる。
なお、実際の制御は、第１運転モードと第２運転モードの切り替えが頻繁に起こらないよう、両者を区分けする部分を含んで中間条件領域を設け、外気の湿球温度等の条件がこの中間条件領域にあるときには、第１あるいは第２運転モードに強制的に設定するようにするのが好ましい。

請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の空調設備において、前記冷凍機から前記空調機へ冷水を移送する往管と、前記空調機から前記冷凍機へ戻る使用後の冷水を移送する還管と、前記冷凍機と前記冷却塔とを接続する冷却管とを備え、前記還管から分岐した分岐還管が、前記直列に接続される前記冷却塔のうち冷却水の流れを基準とした最初の冷却塔に付随する冷却管に接続され、前記往管から分岐した分岐往管が、前記直列に接続される前記冷却塔のうち冷却水の流れを基準とした最後の冷却塔に付随する冷却管に接続されていることを特徴とする。

この場合、第１運転モードと第２運転モードを切り換える場合、往管や還管並びに冷却管の一部を共通して使用することができ、それら使用する管の全長を短くすることができ、結果的にコストダウンが図れる。

請求項１の発明によれば、夏季のような外気温度が高い場合には、第１運転モードに切り換えて、冷凍機を作動させてこの冷凍機によって空調機に供給する冷水を得る。また、中間季あるいは冬季では、第２運転モードに切り換えて、冷凍機を作動させることなく複数の冷却塔を直列に接続してこれら直列に接続した冷却塔から直接前記空調機に供給する冷水を得る。以上のような運転が可能となるため、外気の有効利用が図れ、その結果、さらなる省エネルギーを図ることができる

請求項２の発明によれば、冷却塔に供給される冷却水が外気と直接接触しないため、冷却水が空気中の不純物等によって汚染されることがなく、このため、空調機内の熱交換器での腐食やスケールの付着が防止できる。

請求項３の発明によれば、空調機の冷却負荷、冷却塔の能力および外気の湿球温度によって、運転モード選択手段による運転モードの選択が一義的に決定することとなり、運転モード選択手段の構成の容易化が図れる。

請求項４の発明によれば、第１運転モードと第２運転モードを切り換える場合、往管や還管並びに冷却管の一部を共通して使用することができ、それら使用する管の全長を短くすることができ、結果的にコストダウンが図れる。

本発明の実施形態の空調設備の構成を示す図である。 本発明の実施形態の空調設備の第１運転モードを示す図である。 本発明の実施形態の空調設備の第２運転モードを示す図である。 本発明の実施形態の空調設備の制御部の内容を示すフローチャートである。 本発明の実施形態の空調設備で使用する冷却塔の性能曲線を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明の実施形態の空調設備の構成を示す図である。この空調設備１は、サーバー等の高発熱の電子機器が設置されたデータセンターのコンピュータ室である空調対象室２に配置された空調機３と、これら空調機３に冷水を供給する複数の冷凍機４と、これら冷凍機４にそれぞれ接続されて各冷凍機４との間で水を循環させて冷凍機４を冷却する複数の冷却塔５とを備える。
ここで、個々の冷凍機４と冷却塔５は互いに対をなしており、少なくとも冷却塔５は図１に示すように横一列になるように並んで配置されている。

前記冷凍機４から空調機側へは冷凍機側の往側枝管６及び還側枝管７がそれぞれ延びていて、それら往側枝管６と還側枝管７は集合して往管８と還管９に接続される。往管８は、その先端が前記空調機３に接続される空調機側の往側枝管１０に接続され、この往側枝管１０を介して冷凍機４側から空調機３へ冷水を供給する。また、還管９は、その先端が前記空調機３に接続される空調機側の還側枝管１１に接続され、この還側枝管１１を介して空調機３から冷凍機４側へ冷水が戻される。

互いに対応する前記冷凍機４と前記冷却塔５は、往側冷却管１２および還側冷却管１３によってそれぞれ接続されている。前記横一列に並んで配置される冷却塔５のうち隣接する冷却塔の往側冷却管１２と還側冷却管１３同士は連通管１４により連通されている。また、往側冷却管１２、還側冷却管１３および連通管１４には開閉弁が介装されており、これらの開閉弁を開閉操作することにより、前記対をなす冷凍機４と冷却塔５同士が接続された状態と、複数の冷却塔５同士が直列に接続された状態との切り換えが可能になっている。なお、開閉弁の開閉操作については後に詳しく説明する。

一方、前記往管８からは分岐往管１５が分岐されていて、この分岐往管１５は、直列に接続される前記冷却塔５のうち冷却水の流れを基準とした最後の冷却塔（図１における右端の冷却塔）に付随する往側冷却管１２Ａに接続されている。一方、前記還管９からは分岐還管１６が分岐されていて、この分岐還管１６は、直列に接続される冷却塔のうち冷却水の流れを基準とした最初の冷却塔（図１における左端の冷却塔）に付随する還側冷却管１３Ａに接続されている。

前記往管８と分岐往管１５の接続部には、往管８に空調機側の開閉弁８Ａおよび冷凍機側の開閉弁８Ｂが、また分岐往管１５に開閉弁１５Ａがそれぞれ介装されている。一方、前記還管９と分岐還管１６の接続部には、還管９に空調機側の開閉弁９Ａおよび冷凍機側の開閉弁９Ｂが、また分岐還管１６に開閉弁１６Ａがそれぞれ介装されている。

分岐往管１５と往側冷却管１２Ａとの接続部には、分岐往管１５に開閉弁１５Ｂが、また分岐往管１２Ａに冷凍機側の開閉弁１２Ｂおよび冷却塔側の開閉弁１２Ｃがそれぞれ介装されている。一方、分岐還管１６と還側冷却管１３Ａとの接続部には、分岐還管１６に開閉弁１６Ｂが、また分岐還管１３Ａに冷凍機側の開閉弁１３Ｂおよび冷却塔側の開閉弁１２Ｃがそれぞれ介装されている。

往側冷却管１２と連通管１４との各接続部には、往側冷却管１２に冷凍機側の開閉弁１２Ｄおよび冷却塔側の開閉弁１２Ｅが、また連通管１４に開閉弁１４Ａがそれぞれ介装されている。一方、還側冷却管１３と連通管１４との各接続部には、還側冷却管１３に冷凍機側の開閉弁１３Ｄおよび冷却塔側の開閉弁１３Ｅが、また連通管１４に開閉弁１４Ｂがそれぞれ介装されている。

上記の各開閉弁は制御部（運転モード選択手段）１８からの信号により開閉され、これにより、冷凍機４を作動させて冷凍機４によって空調機３に供給する冷水を得る第１運転モードと、冷凍機４を作動させることなく複数の冷却塔５を直列に接続してこれら直列に接続した冷却塔５から空調機３に供給する冷水を得る第２運転モードとが択一的に選択される。

すなわち、第１運転モードのとき、開閉弁９Ａ、９Ｂ、１２Ｂ，１２Ｃ、１２Ｄ、１２Ｅ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ、１３Ｅがそれぞれ「開状態」、開閉弁１４Ａ、１４Ｂ、１５Ａ、１５Ｂ、１６Ａ、１６Ｂがそれぞれ「閉状態」になる。これにより、空調機３、冷凍機４および冷却塔５を接続する配管において、図２に示す冷却水、冷水の流れが確保される。また、第２運転モードのとき、開閉弁８Ａ、９Ａ、１２Ｃ、１２Ｅ、１３Ｃ、１３Ｅ、１４Ａ、１４Ｂ、１５Ａ、１５Ｂ、１６Ａ、１６Ｂがそれぞれ「開状態」、開閉弁８Ｂ、９Ｂ、１２Ｂ、１２Ｄ、１３Ｂ，１３Ｄがそれぞれ「閉状態」になる。これにより、空調機３、冷凍機４および冷却塔５を接続する配管において、図３に示す冷水を兼ねた冷却水の流れが確保される。

次に、上記構成の空調設備の作用について図４および図５を参照しながら説明する。図４は、空調設備の制御部の内容を示すフローチャートである。
〔ステップ１〕
まず、冷却塔５の出口から流出する冷却水温度Ｔｗ０を設定する。この冷却水温度Ｔｗ０は、例えば、第２運転モードを採用したときの直列に接続した最後の冷却塔５から流出される冷却水の温度である。

〔ステップ２〕
次に、外気の湿球温度の計測（ｔｗｂ）を行う。この計測は、外気の湿球温度を直接計測しても良く、あるいは、外気の乾球温度と相対湿度を測定し、それらの値から演算によって算出しても良い。

〔ステップ３〕
次に、冷房負荷の計測を行う。ここでは、データセンターのコンピュータ室である空調対象室２に配置されたサーバーの消費電力を計測する。
〔ステップ４〕
上記計測された冷房負荷に対応し得る、必要な冷却水量Ｑ（ｋｗｗＨ／１０）を算出する。

〔ステップ５〕
前記のようにして算出した外気の湿球温度ｔｗｂ、冷却水流量、および冷却塔５の性能曲線から、冷却塔５を直列に並べたときの各冷却塔５ごとに、その出口から流出する冷却水温度Ｔｗ２を演算して算出する。
図５は、本発明の実施形態の空調設備で使用する冷却塔（冷却能力８００ＲＴ、設計水量１０４００ｌ／min、）の性能曲線を示す図である。この図において横軸には外気の湿球温度、縦軸には循環水出口温度つまり出口から流出する冷却水温度をとっている。

例えば、外気の湿球温度が１５°のときに、空調機から戻される冷却水の温度が３７℃の場合には、図５からわかるように、最初の冷却塔から流出する冷却水の温度は２９℃になる。この温度の冷却水では、空調機３に供給したところで冷房負荷に対応できない。この最初の冷却塔から流出する冷却水を２番目の冷却塔へ供給する。以下、順に繰り返し、最終的に５番目の冷却塔へ供給する。このときの冷却水温度を、各冷却塔ごとに調べてみると、２番目の冷却塔へは２９℃の冷却水が供給され、そこから流出する冷却水温度は２４，１℃になる。３番目の冷却塔へは２４．１℃の冷却水が供給され、そこから流出する冷却水温度は２１℃になる。４番目の冷却塔へは２１℃の冷却水が供給され、そこから流出する冷却水温度は１９℃になる。５番目の冷却塔へは１９℃の冷却水が供給され、そこから流出する冷却水温度は１７．６℃になる。

〔ステップ６〕
つまり、例えば５台直列に接続した場合、前記条件下では５番目の冷却塔からは１７．６°の冷却水が得られる。この冷却水温度T ｗ２(ｎ)が、ステップ１で設定した冷却水温度Ｔｗ０に対してその値以下の温度か否か判断する。
〔ステップ７〕
冷却水温度T ｗ２(ｎ)が冷却水温度Ｔｗ０を超える場合には、冷凍機を用いた冷房運転、すなわち、図２に示す第１運転モードが選択される。

〔ステップ８〕
他方、冷却水温度T ｗ２(ｎ)が冷却水温度Ｔｗ０以下の場合には、冷凍機を作動させることなく複数（例えば５個）の冷却塔を直列に接続し、これら直列に接続した冷却塔から直接前記空調機に供給する冷水を得る、図３に示す第２運転モードが選択される。
例えば、上記図５で示した例であると、５番目の冷却塔から流出される冷却水温度T ｗ２(ｎ)が１７．６°であり、この冷却水温度は、ステップ１で設定した冷却水温度Ｔｗ０の２０℃以下であるため、第２運転モードが選択される。

本発明によれば、夏季のような外気温度が高い場合には、第１運転モードに切り換えて、冷凍機４を作動させてこの冷凍機４によって空調機３に供給する冷水を得る。また、中間季あるいは冬季では、第２運転モードに切り換えて、冷凍機４を作動させることなく複数の冷却塔５を直列に接続してこれら直列に接続した冷却塔５から直接空調機３に供給する冷水を得る。以上のような運転が可能となるため、外気の有効利用が図れ、その結果、大幅な省エネルギーを図ることができる

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、前記実施形態では、空調設備の配管を第１運転モード対応と第２運転モード対応に切り換えるのに配管中に介装した開閉弁を用いているが、これに限られることなく、２方弁あるいは３方弁、さらにはそれらと通常の開閉弁を組み合わせたものを用いてそれぞれの運転モード対応に切り換えるようにしても良い。

また、前記実施形態では、第２運転モードを５台ある冷却塔５をすべて直列に並べてし使用した例を示したが、これに限られることなく、そのうちのうちのいくつか、例えば、４台あるいは３台だけ直列に並べて使用しても良い。さらに、すべての冷却塔を直列に並べるのは図３に示すとおりであるが、そのうちのいくつかの冷却塔のファンを停止した状態で、冷却水を循環させてもよい。

１ 空調設備
２ 空調対象室
３ 空調機
４ 冷凍機
５ 冷却塔
６ 往側枝管
７ 還側枝管
８ 往管
９ 還管
１０ 空調機側枝管
１１ 空調機側枝管
１２ 往側冷却管
１２Ａ 冷却水の流れを基準とした最後の冷却塔に付随する往側冷却管
１３ 還側冷却管
１３Ａ 冷却水の流れを基準とした最初の冷却塔に付随する還側冷却管
１４ 連通管
１５ 分岐往管
１６ 分岐還管
１８ 制御部（運転モード選択手段）

Claims (4)

1. 空調機に冷水を供給する複数の冷凍機と、これら各冷凍機にそれぞれ接続されて該冷凍機との間で水を循環させて該冷凍機を冷却する複数の冷却塔とを備える空調設備において、
   外気の状況に応じて、前記冷凍機を作動させて該冷凍機によって前記空調機に供給する冷水を得る第１運転モードと、前記冷凍機を作動させることなく前記複数の冷却塔のうち少なくともいくつかを直列に接続してこれら直列に接続した冷却塔から直接前記空調機に供給する冷水を得る第２運転モードとを択一的に選択する運転モード選択手段を備えることを特徴とする空調設備。
2. 前記冷却塔として密閉式冷却塔を用いることを特徴とする請求項１に記載の空調設備。
3. 前記運転モード選択手段による運転モードの選択は、前記空調機の冷却負荷、前記冷却塔の能力および外気の湿球温度によって決定されることを特徴とする請求項１または２に記載の空調設備。
4. 前記冷凍機から前記空調機へ冷水を移送する往管と、
   前記空調機から前記冷凍機へ戻る使用後の冷水を移送する還管と、
   前記冷凍機と前記冷却塔とを接続する冷却管とを備え、
   前記往管から分岐した分岐往管が、前記直列に接続される前記冷却塔のうち冷却水の流れを基準とした最後の冷却塔に付随する冷却管に接続され
   前記還管から分岐した分岐還管が、前記直列に接続される前記冷却塔のうち冷却水の流れを基準とした最初の冷却塔に付随する冷却管に接続されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の空調設備。
   

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