JP2013092298A - 外気冷房システムおよびデータセンタ - Google Patents

Abstract

【課題】外気冷房システムにおいて、外気の湿度が急激に変動した場合でも、外調機から室内への給気の湿度が急激に変動しないように制御し、室内環境の最適化を達成する。
【解決手段】給気２０６が所定の温湿度になるよう、予め設定された複数の運転モードから最適なモードを判定し、ダンパー（１１６〜１１９）、冷水バルブ１５６、加湿給水バルブ１５４の開度を調整するにあたって、外気２０１、給気２０６、還気２０７の温湿度を計測し、モード境界を超えるかどうかを判定し、境界を越えれば見極め時間を設定する。更に境界を越える前のモードで運転したときの給気２０６の湿度を予測し、予測値が許容湿度範囲の上限値もしくは下限値を超えるかを判定し、超える場合は即時にモードを変更する。見極め時間が経過した後、一度も境界を越える前のモードに戻らなければモードを変更し、一度でも境界を越える前のモードに戻ればモードは変更しない。
【選択図】 図１

Description

本発明は、冬期および中間期（春・秋）に外気を活用する外気冷房方式を有する空調システム（外気冷房システム）とこのような外気冷房システムを備えたデータセンタに係り、特に、年間を通じて冷房運転が必要となるデータセンタなど、高発熱負荷を有する環境における外気冷房システムとこのような外気冷房システムを備えたデータセンタに係る。

地球温暖化問題に対する関心が高まる中、情報通信分野においてもグリーンＩＴによる省電力化が緊急の課題となっている。特に、飛躍的に増加する情報を柔軟かつ豊富なコンピューティングリソースを用いて処理するクラウドコンピューティングにおいては、統合や仮想化によるＩＴプラットフォームの集約、高集積化がその効率的運用に不可欠である。このような背景において、ＩＴプラットフォームの根幹をなすデータセンタの需要は世界規模で急速に拡大しており、データセンタ全体の電力消費量の増大が課題となっている。

国内におけるデータセンタ消費電力の平均的な内訳は、ＩＴ機器４９％、空調設備２９％、給電設備１５％、その他（照明など付帯設備）７％であり、設備機器（空調および給電）がＩＴ機器に匹敵する電力を消費している。したがって、ＩＴ機器のみならず設備機器、特に総電力の約３０％を占める空調設備の省電力化が求められている。

データセンタでは年間を通して冷房運転となるため、冬期ならびに中間期（春・秋）等の外気温度が比較的低温な時に、外気を直接サーバ室へ導入し冷房に利用する外気冷房方式による空調電力の削減が近年注目されている。

このような外気冷房方式による空調システムについては、例えば特許文献１や特許文献２に提案されている。

例えば特許文献１では、還流する室内空気の温度とその室内空気の絶対湿度から外気冷房で吹き出される給気の温度と絶対湿度を設定し、他方導入する外気の温度と絶対湿度の状態から還流空気の加湿量を決定すると共に還流空気と外気の混合量を制御している。

また、特許文献２では、上流からフィルター、冷却コイル、送風ファンと、冷却コイルの上流又は下流に加湿器とが順次配置される電算室用空気調和機において、戸外から外気を取り入れて冷却コイル或いは加湿器で空調するとともに、外気が電算室に適する雰囲気の場合にはそのまま電算室に導入し戸外に排出し、外気の温度が所定値よりも低い場合であって外気のエンタルピが所定値よりも大きい場合、及び、外気の温度が所定値よりも高い場合であって外気のエンタルピが所定値よりも大きい場合以外は外気を導入している。

特開２００３−１４８７８２号公報 特開２０１０−２６１６９６号公報

しかし、特許文献１，２において提案されている方法では、以下の課題を解決することができない。

例えば、外気冷房運転中に外気の湿度が急激に変動をした場合に、この影響により外調機からサーバ室へ吹出す給気の湿度も変動をしてしまう。
具体的には、突発的な豪雨により外気の湿度が急激に上昇をした場合、外調機からサーバ室へ吹き出される給気の湿度も上昇し、サーバ室内の管理許容湿度範囲の上限値を逸脱することになる。高湿な外気がサーバ室内へ給気されると、外気中に含まれる塵埃や海塩粒子などの浮遊粒子や二酸化硫黄ガスや硫化水素ガスといった腐食性ガスがＩＴ機器内の回路基板上に付着し、相対湿度が１００％に満たない環境であっても、化学凝縮による結露現象により回路基板上で電解質溶液を生成し腐食を引き起こす。回路基板の腐食はＩＴ機器の信頼性を大幅に損なうことになる。
一方、外気の湿度が急激に低下した場合は、外調機からサーバ室へ吹き出される給気の湿度も低下してしまい、サーバ室内の管理許容湿度範囲の下限値を逸脱することになる。低湿な外気がサーバ室内へ給気されると、ＩＴ機器内の回路基板上で静電気放電を引き起こし、ＩＴ機器の誤作動の原因となってしまう。

また、現在稼働している外気冷房システムでは、外気の温湿度が急変し運転モードを自動で切り替える場合、運転モードの境界を超えた直後には運転モードを変更せず、運転モード境界を超えた後のある一定時間内は運転モードの変更可否を見極める時間帯とし、見極め時間の経過後に運転モードを変更している。この見極め時間の設定により外気変動時の空調運転制御の不安定性を改善するなどしている。
しかしながら、特に外気湿度が急激に変動するような場合には、見極め時間が経過するまでの間は、湿度が高い若しくは低い給気がサーバ室内に供給されてしまうため、特許文献１等と同様に前述のような信頼性を損なうとの問題を解決することができない。

そこで本発明は、冬期および中間期（春・秋）に外気を活用する外気冷房方式を有する空調システムにおいて、外気を用いた冷房運転中に外気の温度または湿度が急激に変動した場合であっても、外調機から室内への給気の湿度が急激に変動しないように制御して、室内環境の最適化を達成することができる外気冷房システムと、このような外気冷房システムを備えたデータセンタを提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決できる外気冷房システムを新たに発明した。

本発明は、外気を清浄化し温度および湿度を調節した給気を室内へ供給するための空調機である外調機と、外気および前記室内からの還気を循環させるための空気搬送ダクトと、屋外からの外気の導入および屋外への排気を行うための外気取入口および排気口と、外気の温度および湿度の状況に応じて外気と還気の混合、外気の除湿、加湿、冷却の少なくとも１つを行う複数の運転モードを予め設定しておき、前記外気取入口から導入した外気の温度および湿度の状況に応じ、運転モードを判定する演算制御装置とを備え、この演算制御装置の運転モードの判定結果に基づいて運転モードを変更し、前記外調機から前記室内に供給される給気を所定の温度および湿度に調整する外気冷房システムにおいて、前記演算制御装置は、前記外気取入口から導入した外気の温度または湿度の状況が変動して現在の運転モードの境界を超えたとき、運転モード変更の見極め時間を設定する第１機能と、前記外気取入口から導入した外気の温度または湿度の状況が変動して現在の運転モードの境界を超えたとき、前記外気の温度および湿度の状況に基づいて、現在の運転モードにおいて前記外調機から前記室内に供給される給気の湿度を予測する第２機能と、前記外気取入口から導入した外気の温度または湿度の状況が変動して現在の運転モードの境界を超えたとき、前記第２機能で予測した給気の湿度が予め設定した室内の管理許容湿度範囲の上限値を超えずかつ下限値を下回らない場合は、前記見極め時間経過後に、運転モードを変更し、前記第２機能で予測した給気の湿度が予め設定した室内の管理許容湿度範囲の上限値を超えるまたは下限値を下回る場合は、前記見極め時間を待たずに、直ちに運転モードを変更する第３機能とを有することを特徴とする。

本発明によれば、冬期および中間期（春・秋）に外気を活用する外気冷房方式を有する空調システムにおいて、外気冷房運転中に外気の温度または湿度が急激に変動した場合であっても、外調機から室内へ吹出す給気の湿度が急激に変動することを抑制することが可能となるため、外気冷房運転時でも室内環境の最適化を図ることができる。

本発明の実施の形態を有する外気冷房システムをデータセンタに適用した場合の構成図である。 本発明の実施の形態を有する外気冷房システムの機能構成の概略図である。 本発明の実施の形態を有する外気冷房システムにおける年間運転モードの一例を、湿り空気線図上に示した説明図である。 本発明の実施の形態を有する外気冷房システムにおける運転フローを示した説明図である。 本発明の実施の形態を有する外気冷房システムにおいて、外気の湿度が急激に変動した場合の運転モードの一例を湿り空気線図上に示した説明図である。 一般的な構成の外気冷房システムを適用したデータセンタを説明するための構成図である。 一般的な構成の外気冷房方式を説明するための湿り空気線図である。 本発明の実施の形態を有する外気冷房システムにおいて、外気湿度が急激に上昇した場合の給気湿度の変動履歴の一例を示した説明図である。 本発明の実施の形態を有する外気冷房システムにおいて、外気湿度が急激に減少した場合の給気湿度の変動履歴の一例を示した説明図である。 本発明の実施の形態を有する外気冷房システムを適用したデータセンタにおいて、外調機から給気をサーバ室内へ直接吹き出す横吹き出し方式を示した構成図である。

本発明の実施の形態を、本発明の外気冷房システムをデータセンタに適用した場合を参照して以下に説明する。

図１は本発明の実施の形態を有する外気冷房システムをデータセンタに適用した場合の構成図、図２は本発明の実施の形態を有する外気冷房システムの機能構成の概略図である。

システムの機器構成は、外気２０１を清浄化して、更に温湿度を調節した冷気（給気２０６）をサーバ室１０１へ供給するための空調機である外調機１５１、外気２０１およびサーバ室１０１内のラック１０６内に搭載されたＩＴ機器からの還気２０７を循環させるための空気搬送ダクト（１０９〜１１３）、屋外から外気２０１を導入するための外気取入口１１４、屋外へ還気２０７を排気２０２するための排気口１１５、外調機１５１へ冷水１５８を供給するための冷凍機１６１および冷水ポンプ１５７等から成る。外調機１５１内には塵埃フィルター１６０、冷却コイル（熱交換器）１５５、水気化式の加湿器１５３および送風ファン１５２が装備される。

外調機１５１から送風される冷気（給気２０６）は、二重床（フリーアクセス）１０４の床下を経由して床面１００に設けた開口部（グレーチング）１０５からコールドアイル１０２へ吹出され、ラック１０６内のＩＴ機器へ供給される。そのＩＴ機器背面からの暖気は、コールドアイル１０２と分離されたホットアイル１０３内から循環ファン１０８により排出される。サーバ室１０１内に複数のラック１０６の列を配置する際、ラック１０６前面（入気側）を互いに向き合わせた冷気エリアであるコールドアイル１０２とラック１０６背面（排気側）を互いに向き合わせた暖気エリアであるホットアイル１０３を交互に配列させ、空調効率を向上させている。

空気搬送ダクト（１０９〜１１３）には循環風量を調整するためのダンパー（１１６〜１１９）が設けられている。また、外調機１５１内の冷却コイル（熱交換器）１５５へ供給される冷水の流量を調整するため、冷水バルブ１５６が設けられており、水気化式の加湿器１５３には加湿給水の流量切換えを行うための加湿給水バルブ１５４が設けられている。

また、外気取入口１１４とダンパー１１６との間（外気位置）、外調機１５１の入口側、外調機１５１の出口側（給気位置）、循環ファン１０８の上流側（還気位置）に温湿度計（２５１〜２５４）を設置し、さらに、外調機１５１の出口側（給気位置）には、露点温度計２５５を設置している。

演算制御装置３００は、温湿度演算装置３０１、給気湿度予測装置３０２、運転モード判定装置３０３から構成される。

図２に示すように、本実施形態では、外気用温湿度計２５１、外気と還気を混合したものの温湿度を測定する温湿度計２５２、給気用温湿度計２５３および還気用温湿時計２５４から、外気２０１、外気と還気を混合したもの、給気２０６ならびに還気２０７の温度および湿度を計測し、演算制御装置３００の温湿度演算装置３０１により温度（乾球温度、湿球温度、露点温度）、湿度（相対湿度、絶対湿度）に加えて、比エンタルピを算出する。

給気湿度予測装置３０２では、温湿度演算装置３０１で算出された外気、給気および還気の温湿度ならびに比エンタルピに基づき、運転モード境界を越える前の運転モードにより運転した場合の給気２０６の湿度を予測する。また、外気２０１の湿度が急変した場合には、変動後の外気２０１を利用して現行の運転モードで運転した場合の給気２０６の湿度が運転モードの境界を超えるかどうかを判定し、更には運転モード境界を超えた後のある一定時間内は運転モードの変更可否を見極める時間帯とするため、見極め時間を設定する。

温湿度演算装置３０１で得られた外気、給気および還気の温湿度ならびに比エンタルピと、給気湿度予測装置３０２で得られた給気の予測湿度から、運転モード判定装置３０３によって、予測値が予め設定したサーバ室１０１内の管理許容湿度範囲の上限値を超えずかつ下限値を下回らないときは、見極め時間経過後に、変動後の状態に適した運転モードが維持されていれば、変動後の状態に適した運転モードに変更するよう判定し、見極め時間中に一度でも運転モード境界を越える前の運転モードに戻っていれば、運転モードの変更は行わず、運転モード境界を越える前の運転モードを継続するよう判定する。また予測値が予め設定したサーバ室１０１内の管理許容湿度範囲の上限値を超えるまたは下限値を下回るときは、見極め時間の経過を待たずに直ちに運転モードを変更するよう判定する。この運転モードは、サーバ室１０１内へ供給する給気が所定の温度および湿度になるように、予め設定されている複数の運転モードのうち、最も適した運転モードを選択するように判定する。

その後、その判定結果を給気温湿度制御装置３０４および給気露点温度制御装置３０５へ送信し、所定の給気２０６の温湿度設定値になるよう、ダンパー（１１６〜１１９）、冷水バルブ１５６および加湿給水バルブ１５４の開度を調整する。

なお、本実施形態では、温湿度演算装置３０１、給気湿度予測装置３０２および運転モード判定装置３０３が演算制御装置３００を構成する。また、給気湿度予測装置３０２が第１機能，第２機能を有し、運転モード判定装置３０３が第３機能を有する。サーバ室１０１内に供給される給気を所定の温度および卒戸に調整することを給気温湿度制御装置３０４および給気露点温度制御装置３０５が担う。しかし、本発明はこの態様に限定されるものではない。

次に運転モードについて説明する。図３は年間を通しての運転モードの一例を、湿り空気線図上に示した説明図である。
これは、サーバ室１０１への給気２０６の乾球温度を２０℃、給気２０６の相対湿度の推奨範囲を４０％以上（下限値）６０％以下（上限値）、サーバ室１０１からの還気２０７の乾球温度を３５℃とした場合の説明図であり、外気２０１の温湿度状況が湿り空気線図上のどの位置にあるかにより、運転モードは以下の（１）〜（５）の５種類に大別される。

（１）外気還気混合・加湿運転モード
（１）は、外気２０１の乾球温度が給気２０６の乾球温度２０℃よりも低く、且つ、外気２０１の絶対湿度が給気２０６の絶対湿度の下限値（相対湿度で４０％に相当）より高く、絶対湿度の上限値（相対湿度で６０％に相当）より低い場合か、または、外気の比エンタルピが給気２０６の比エンタルピの推奨範囲の下限値よりも低く、且つ、外気２０１の絶対湿度が給気２０６の絶対湿度の下限値（相対湿度で４０％に相当）よりも低い場合の運転モードである。
外気２０１の乾球温度が給気２０６の乾球温度２０℃よりも低く、且つ、外気２０１の絶対湿度が給気２０６の絶対湿度の下限値（相対湿度で４０％に相当）より高く、絶対湿度の上限値（相対湿度で６０％に相当）より低い場合は、外気２０１と還気２０７を混合することで給気２０６を所望の温湿度条件に調製する。この場合、ダンパー１１６、１１７および１１８を開き、ダンパー１１９を閉じることにより、外気２０１と還気２０３を混合し、外調機１５１内の送風ファン１５２によりそのままサーバ室１０１内へ給気する。この間、冷凍機１６１ならびに加湿器１５３は稼動させない。
また、外気の比エンタルピが給気２０６の比エンタルピの推奨範囲の下限値よりも低く、且つ、外気２０１の絶対湿度が給気２０６の絶対湿度の下限値（相対湿度で４０％に相当）よりも低い場合は、外気２０１と還気２０３を混合した後、加湿器１５３により加湿を行うことで給気２０６を所望の温湿度条件に調製する。この場合、ダンパー１１６、１１７および１１８を開き、ダンパー１１９を閉じることにより、外気２０１と還気２０３を混合し、外調機１５１内の加湿器１５３により加湿をした後に送風ファン１５２によりサーバ室１０１内へ給気する。この間、冷凍機１６１は稼動させない。

（２）外気冷却除湿・再熱運転モード
（２）は、外気２０１の比エンタルピが還気２０７の比エンタルピの推奨範囲の上限値よりも低く、且つ、外気２０１の絶対湿度が給気２０６の絶対湿度の上限値（相対湿度で６０％に相当）よりも高い場合の運転モードである。
この場合、ダンパー１１６、１１７および１１９を開き、ダンパー１１８を閉じる。外気２０１を外調機１５１内の冷却コイル（熱交換器）１５５により冷却凝縮させることで除湿をし、除湿後の絶対湿度が給気２０６の絶対湿度の上限値に等しくなるまで冷却をする。その後、冷却した外気と還気２０５を混合させることで再熱し、送風ファン１５２によりサーバ室１０１内へ所望の温湿度条件に調整した給気２０６を給気する。

（３）外気冷却・加湿運転モード
（３）は、外気２０１の比エンタルピが給気２０６の比エンタルピの推奨範囲の上限値よりも高く、且つ、還気２０７の比エンタルピの推奨範囲の上限値よりも低く、且つ、外気２０１の絶対湿度が給気２０６の絶対湿度の上限値よりも低い場合の運転モードである。
この場合、ダンパー１１６、１１７を開き、ダンパー１１８、１１９を閉じる。外気２０１を外調機１５１内の冷却コイル（熱交換器）１５５により冷却した後に加湿器１５３により加湿をし、送風ファン１５２によりサーバ室１０１内へ所望の温湿度条件に調整した給気２０６を給気する。

（４）外気加湿運転モード
（４）は、外気２０１の比エンタルピが給気２０６の比エンタルピの推奨範囲の下限値よりも高く、且つ、給気２０６の比エンタルピの推奨範囲の上限値よりも低く、且つ、外気２０１の乾球温度が給気２０６の乾球温度よりも高い場合の運転モードである。
この場合、ダンパー１１６、１１７を開き、ダンパー１１８、１１９を閉じる。外気２０１を外調機１５１内の加湿器１５３により加湿をした後、送風ファン１５２によりサーバ室１０１内へ所望の温湿度条件に調整した給気２０６を給気する。この間、冷凍機１６１は稼動させない。

（５）還気冷却運転モード
（５）は、外気２０１の比エンタルピが還気２０７の比エンタルピの推奨範囲の上限値よりも高い場合の運転モードである。
この場合、ダンパー１１８のみを開き、ダンパー１１６、１１７、１１９を閉じる。外気２０１の導入量は零であり、還気２０７を全て外調機１５１内の冷却コイル（熱交換器）１５５により冷却をした後、送風ファン１５２によりサーバ室１０１内へ所望の温湿度条件に調整した給気２０６を給気する。

次に外気２０１の湿度が急激に変動をした場合の運転動作について、図４に示す運転フローに基づいて説明する。

外気２０１の湿度が急変した場合において、運転モードの境界を超えるかどうかを演算制御装置３００の給気湿度予測装置３０２にて、判定する（Ｓ１）。
このＳ１で運転モード境界を越えたと判定された場合、Ｓ２に進み、運転モード境界を超えた直後には運転モードを変更せず、運転モード境界を超えた後のある一定時間内は運転モードの変更可否を見極める時間帯とするため、給気湿度予測装置３０２において見極め時間を設定し（Ｓ２）、Ｓ４へ処理を進める。境界を超えない場合は運転モードを変更せずに運転を継続する（Ｓ３）。
その後、給気湿度予測装置３０２により、給気２０６の湿度が、運転モード境界を越える前の運転モードにより運転した場合にどうなるかを予測する（Ｓ４）。
その後、その予測値が給気２０６の管理許容湿度範囲の上限値を超えるかもしくは下限値を下回るか否かを運転モード判定装置３０３で判定する（Ｓ５）。
給気２０６の予測値が給気２０６の管理許容湿度範囲の上限値を超えるかもしくは下限値を下回る場合は、判定結果を給気温湿度制御装置３０４および給気露点温度制御装置３０５へ送信して、ダンパー（１１６〜１１９）、冷水バルブ１５６および加湿給水バルブ１５４の開度を調整して、即時に運転モードを変更する（Ｓ６）。管理許容湿度範囲の上限値を超えずかつ下限値を下回らない場合は、運転モード境界を越える前の運転モードを継続し、見極め時間のカウントを継続する（Ｓ７）。

その後、運転モードの変更可否の見極め時間が経過した後、運転モード境界を越えてから一度も運転モード境界を越える前の運転モードに戻ることなくそのまま変動後の状態に適した運転モードが維持されているかどうか判定する（Ｓ８）。
変動後の状態に適した運転モードが維持されていれば、変動後の状態に適した運転モードに変更する（Ｓ９）。見極め時間中に一度でも運転モード境界を越える前の運転モードに戻っていれば、まだ外気の湿度が安定せずに激しく変動していると判断して、運転モードの変更は行わず、運転モード境界を越える前の運転モードを継続する（Ｓ１０）。
Ｓ３，Ｓ６，Ｓ９，Ｓ１０の後、スタートに戻り、上述の制御を繰り返す。

図５に、上記の運転フローの一例を湿り空気線図上で説明する。外気２０１の湿度が急変する前の状態を図中（ａ１）で示す。このエリアは外気加湿運転モード（４）であるため、外気加湿運転モード（４）で運転した場合の給気２０６の状態（湿度）は、乾球温度を２０℃とすると（ａ２）となる。
このとき、外気２０１が変動して運転モード（外気加湿運転モード（４））の境界を越えた後の状態を（ｂ１）もしくは（ｃ１）とすると、運転モード境界を越える前の運転モード（外気加湿運転モード（４））で運転した場合による給気２０６の湿度の予測値はそれぞれ（ｂ２）および（ｃ２）となる。
ここで、給気２０６の相対湿度の管理許容湿度範囲の上限値および下限値をそれぞれ８０％、２０％とすると、（ｂ２）および（ｃ２）はいずれもこの管理許容湿度範囲を超えていない。よって、運転モード変更可否の見極め時間を経過した後に、外気の状態が（ｂ１）もしくは（ｃ１）であれば、運転モードを外気加湿運転モード（４）から外気冷却・加湿運転モード（３）（外気が（ａ１）→（ｂ１）へ変動した場合）へ、外気還気混合・加湿運転モード（１）（外気が（ａ１）→（ｃ１）へ変動した場合）へ変更をする。

また、外気２０１の湿度が急変して、運転モード（外気加湿運転モード（４））の境界を越えた後の状態が（ｄ１）もしくは（ｅ１）の場合には、運転モード境界を越える前の運転モード（外気加湿運転モード（４））による給気２０６の予測値はそれぞれ（ｄ２）および（ｅ２）となる。
この場合、給気２０６の相対湿度の管理許容湿度範囲の上限値および下限値をそれぞれ８０％、２０％とすると、（ｄ２）および（ｅ２）はいずれもこの管理許容湿度範囲を超えてしまう。したがって、運転モード変更可否の見極め時間が経過するのを待たず、運転モードを即時に変更をする。すなわち、外気２０１の湿度が（ａ１）から（ｄ１）へ変動した場合は、運転モードを外気加湿運転モード（４）から外気冷却除湿・再熱運転モード（２）へ、外気２０１の湿度が（ａ１）から（ｅ１）へ変動した場合は、運転モードを外気加湿運転モード（４）から外気還気混合・加湿運転モード（１）へ即時に変更をする。

本実施形態の特徴的な構成による主な効果を、一般的な構成に係る外気冷房システムと比較しながら説明する。

図６は、一般的な構成の外気冷房システムを説明するための構成図である。
システムの機器構成は、外気２０１を清浄化し温湿度を調節した冷気（給気２０６）をサーバ室１０１へ供給するための空調機である外調機１５１、外気２０１およびラック１０６内に搭載されたＩＴ機器からの還気２０７を循環させるための空気搬送ダクト（１０９〜１１３）、屋外からの外気２０１の導入や屋外への排気２０２を行うための外気取入口１１４および排気口１１５、外調機１５１へ冷水１５８を供給するための冷凍機１６１および冷水ポンプ１５７等から成る。外調機１５１内には塵埃フィルター１６０、冷却コイル（熱交換器）１５５、水気化式の加湿器１５３および送風ファン１５２が装備される。なお、温度計や湿度計などのセンサー類は表示を省略している。
外調機１５１から送風される冷気（給気２０６）は、二重床（フリーアクセス）１０４の床下を経由して床面１００に設けた開口部（グレーチング）１０５からコールドアイル１０２へ吹出され、ラック１０６内のＩＴ機器へ供給される。そのＩＴ機器背面からの暖気は、コールドアイル１０２と分離されたホットアイル１０３内から循環ファン１０８により排出される。このような一般的な構成のデータセンタでは、複数のラック１０６の列を配置する際、ラック１０６前面（入気側）を互いに向き合わせた冷気エリアであるコールドアイル１０２とラック１０６背面（排気側）を互いに向き合わせた暖気エリアであるホットアイル１０３を交互に配列させ、空調効率を向上させている。

このような外気冷房システムでは、例えば冬期の場合には、低温外気２０１と高温還気２０７の風量を空気搬送ダクト内のダンパー（１１６〜１１９）で調整することで両者を混合し、さらに加湿器１５３により加湿をすることでサーバ室１０１への所定の給気２０６条件（温度・湿度）にコントロールをする。この間、冷凍機１６１は稼動させる必要がないため、冷房に要する電力は送風ファン１５２および循環ファン１０８の消費電力（空気搬送動力）のみとなる。ここまでは本実施形態の外気冷房システムと略同じである。

図７に一般的構成の外気冷房方式を説明するための湿り空気線図を示す。図７では東京都における年間８７６０時間分の温湿度状況を湿り空気線図上にプロットしてある。
仮に外調機１５１からサーバ室１０１内への給気２０６の乾球温度（コールドアイル１０２内）を２０℃、サーバ室１０１内からの還気２０７の乾球温度（ホットアイル１０３内）を３５℃、還気２０７の相対湿度を３５％とすると（図７中に図示している枠内）、このときのサーバ室１０１からの還気２０７の比エンタルピは約６６ｋＪ／ｋｇとなる。よって、外気２０１の比エンタルピが還気２０７の比エンタルピ６６ｋＪ／ｋｇより低い場合は（冬期および中間期など）、外気２０１を有効に活用することが可能となる。この場合、外気２０１の温湿度状況の変動に応じて、外気２０１と還気２０７の混合、或いは外気２０１の除湿・加湿・冷却といった運転モードを自動で切換え、もしくはこれらを組み合わせることにより、所定の給気２０６の温湿度に調整をする。このように外気２０１を有効活用することにより、冷凍機１６１の運転負荷を低減することができる。また、外気２０１の比エンタルピが還気２０７の比エンタルピよりも高い場合は（夏期など）、外気２０１を導入せず還気２０７を全て外調機１５１へ戻し、冷凍機１６１を常時運転させることで還気２０７を冷却する。
このような一般的な構成の外気冷房システムでは、外気の温湿度が変動した場合、運転モードの境界を超えた直後には運転モードを変更せず、運転モード境界を超えた後のある一定時間内は運転モードの変更可否を見極める時間帯とし、この見極め時間を設定し、見極め時間経過後に運転モードを変更している。

図８に外気２０１の湿度が急激に上昇した場合の給気２０６の湿度の変動履歴の一例を示す。図８上段に示すように、外気２０１の湿度がＨ０で推移しており、時刻ｔ０からｔ２にかけてＨ０からＨ０’へ急激に上昇した場合である。ここでは、図５において外気２０１の湿度が（ａ１）から（ｄ１）へ上昇した場合を想定しており、運転モードは外気加湿運転モード（４）から、外気冷却・加湿運転モードエリア（３）を飛び越えて、外気冷却除湿・再熱運転モード（２）へと切り替わる。

このとき、図６、図７に示すような一般的構成の見極め時間を設定した外気冷房システムでは、図８中段に示すように、時刻ｔ０からｔ２にかけて給気２０６の湿度がＨ１からＨ１’に上昇し、外気加湿運転モード（４）エリアを超え、さらに外気冷却・加湿運転モード（３）エリアの境界を越えた時刻ｔ１から運転モード変更可否の見極めが開始される（時刻ｔ３まで）。この間運転モードは外気加湿運転モード（４）を継続し、時刻ｔ３を経過後、外気冷却除湿・再熱運転モード（２）へと変更され、除湿運転が開始される。この場合、給気２０６が高湿な状態（湿度Ｈ１’）が長く続くことになる（時刻ｔ１から時刻ｔ３）。そのため、外気２０１中に含まれる塵埃や海塩粒子などの浮遊粒子や二酸化硫黄ガスや硫化水素ガスといった腐食性ガスが、ＩＴ機器内の回路基板上に付着した際に、化学凝縮による結露現象により回路基板上で腐食を引き起こしてしまう。回路基板の腐食はＩＴ機器の信頼性を大幅に損なうことになる。

一方、本実施形態の外気冷房システムによると、図８下段に示すように、給気２０６の湿度の予測値が給気２０６の管理許容湿度範囲の上限値（図５では相対湿度８０％）になったらすぐに（時刻ｔ５）、運転モードを外気加湿運転モード（４）から外気冷却除湿・再熱運転モード（２）へ変更する。そのため、給気２０６の湿度上昇（Ｈ２→Ｈ２’）を最低限に抑えることが可能となると共に、給気２０６が高湿となる時間が短くなる（時刻ｔ１から時刻ｔ６）。これにより、ＩＴ機器内の回路基板の腐食など機器障害の発生を抑制することが可能となる。

図９に外気２０１の湿度が急激に減少した場合の給気２０６の湿度の変動履歴の一例を示す。図９上段に示すように、外気２０１の湿度がＨ０で推移しており、時刻ｔ０からｔ２にかけてＨ０からＨ０’へ急激に減少した場合である。ここでは、図５において外気２０１の湿度が（ａ１）から（ｅ１）へ減少した場合を想定しており、運転モードは外気加湿運転モード（４）から、外気還気混合・加湿運転モード（１）へと切り替わる。

このとき、図６，７に示す一般的構成の見極め時間を設定した外気冷房システムでは、図９中段に示すように、時刻ｔ０からｔ２にかけて給気２０６の湿度がＨ１からＨ１’に減少し、外気加湿運転モード（４）エリアと外気還気混合・加湿運転モード（１）エリアの境界を越えた時刻ｔ１から運転モード変更可否の見極めが開始される（時刻ｔ３まで）。この間運転モードは外気加湿運転モード（４）を継続し、時刻ｔ３を経過後外気還気混合・加湿運転モード（１）へと変更される。この場合、給気２０６が低湿な状態（湿度Ｈ１’）が長く続くことになる（時刻ｔ１から時刻ｔ３）。そのため、ＩＴ機器内の回路基板上で静電気放電を引き起こし、ＩＴ機器の誤作動の原因となってしまう。

一方、本実施形態の外気冷房システムによると、図９下段に示すように、給気２０６の湿度の予測値が給気２０６の管理許容湿度範囲の下限値（図５では相対湿度２０％）になったらすぐに（時刻ｔ５）、運転モードを外気加湿運転モード（４）から外気還気混合・加湿運転モード（１）へ変更する。そのため、給気２０６の湿度減少（Ｈ２→Ｈ２’）を最低限に抑えることが可能となると共に、給気２０６が低湿となる時間が短くなる（時刻ｔ１から時刻ｔ６）。こうすることにより、ＩＴ機器内の回路基板上の静電気放電といった機器障害の発生を抑制することが可能となる。

以上、本実施の形態により、年間を通じて冷房運転が必要となる高発熱負荷のデータセンタにおいて、外気冷房運転中に外気２０１の湿度が急変した場合であっても（急激な上昇であっても減少であっても）、外調機１５１からサーバ室１０１へ吹出す給気２０６の湿度が外気の急激な変動に引きずられて変動することを抑制することが可能となる。そのため、外気冷房運転時のＩＴ機器回路基板の腐食や静電気放電によるＩＴ機器の故障、誤動作を防止することができる。よってＩＴ機器の信頼性を大幅に低減させる事態が生じることを強く抑制することができ、データセンタにとって最適な環境を実現することができる。

なお、サーバ室１０１内へ冷気（給気２０６）を吹き出す外調機１５１の方式としては、冷凍機１６１から冷水１５８を外調機１５１へ供給する冷水方式だけではなく、フロン系冷媒の蒸発潜熱を利用する直膨方式であってもよい。

また、図１に示すような外調機１５１から給気２０６を吹き出す方向が二重床１０４の床下である床吹き出し方式だけでなく、図１０に示すような外調機１５１からサーバ室１０１内へ直接吹き出す横吹き出し方式でもよい。
この図１０に示すような横吹き出し方式の外気冷房システムを適用したデータセンタでは、外調機１５１から送風される冷気（給気２０６）は、サーバ室１０１の壁面に設けた開口部からコールドアイル１０２へ直接吹出され、ラック１０６内のＩＴ機器へ供給される。ＩＴ機器背面からの暖気は、コールドアイル１０２と分離されたホットアイル１０３内から循環ファン１０８により排出される構造となっている。その他の構成については、図１に示す床吹き出し方式を適用したデータセンタと同じため、説明は省略する。
このような横吹き出し方式のデータセンタにおいても、床吹き出し方式の場合と同様に、外気２０１の湿度が急変した場合でも給気２０６の湿度の急激な変化を抑制することができる。

また、本発明による外気冷房システムは、データセンタのみならず工場や生産現場など高発熱負荷を有する環境における空調、また、事務所や学校その他公共施設の空調にも適用できるものである。
工場、生産現場、事務所や学校の冷房システムに本発明の外気冷房システムを適用すると、場内や現場環境、室内への給気の湿度の急激な変化が抑制されるため、室内の快適性をより高めることができ、作業性・生産性の向上や、室内機器の健全性を保つことができる。

１００…床面、１０１…サーバ室、１０２…ホットアイル、１０３…コールドアイル、
１０４…二重床（フリーアクセス）、１０５…床面開口部（グレーチング）、
１０６…ラック、１０７…天井スペース、１０８…循環ファン、
１０９，１１０，１１１，１１２，１１３…空気搬送ダクト、
１１４…外気取入口、１１５…排気口、
１１６，１１７，１１８，１１９…ダンパー、
１５１…外調機、１５２…送風ファン、１５３…水気化式加湿器、１５４…加湿給水バルブ、
１５５…冷却コイル（熱交換器）、１５６…冷水バルブ、１５７…冷水ポンプ、
１５８…冷水（往）、１５９…冷水（還）、１６０…塵埃フィルター、
１６１…冷凍機、
２０１…外気、２０２…排気、２０３，２０４，２０５，２０７…還気、２０６…給気、
２５１，２５２，２５３，２５４…温湿時計、２５５…露点温度計、
３００…演算制御装置、
３０１…温湿度演算装置、３０２…給気湿度予測装置、３０３…運転モード判定装置、
３０４…給気温湿度制御装置、３０５…給気露点温度制御装置。

Claims (4)

1. 外気を清浄化し温度および湿度を調節した給気を室内へ供給するための空調機である外調機と、外気および前記室内からの還気を循環させるための空気搬送ダクトと、屋外からの外気の導入および屋外への排気を行うための外気取入口および排気口と、外気の温度および湿度の状況に応じて外気と還気の混合、外気の除湿、加湿、冷却の少なくとも１つを行う複数の運転モードを予め設定しておき、前記外気取入口から導入した外気の温度および湿度の状況に応じ、運転モードを判定する演算制御装置とを備え、この演算制御装置の運転モードの判定結果に基づいて運転モードを変更し、前記外調機から前記室内に供給される給気を所定の温度および湿度に調整する外気冷房システムにおいて、
   前記演算制御装置は、
   前記外気取入口から導入した外気の温度または湿度の状況が変動して現在の運転モードの境界を超えたとき、運転モード変更の見極め時間を設定する第１機能と、
   前記外気取入口から導入した外気の温度または湿度の状況が変動して現在の運転モードの境界を超えたとき、前記外気の温度および湿度の状況に基づいて、現在の運転モードにおいて前記外調機から前記室内に供給される給気の湿度を予測する第２機能と、
   前記外気取入口から導入した外気の温度または湿度の状況が変動して現在の運転モードの境界を超えたとき、前記第２機能で予測した給気の湿度が予め設定した室内の管理許容湿度範囲の上限値を超えずかつ下限値を下回らない場合は、前記見極め時間経過後に、運転モードを変更し、前記第２機能で予測した給気の湿度が予め設定した室内の管理許容湿度範囲の上限値を超えるまたは下限値を下回る場合は、前記見極め時間を待たずに、直ちに運転モードを変更する第３機能とを有することを特徴とする外気冷房システム。
2. 請求項１記載の外気冷房システムにおいて、
   前記外調機から前記給気を前記室内の二重床の床下から吹き出させることを特徴とする外気冷房システム。
3. 請求項１記載の外気冷房システムにおいて、
   前記外調機から前記給気を前記室内へ直接吹き出させることを特徴とする外気冷房システム。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の外気冷房システムを搭載したことを特徴とするデータセンタ。

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