JP2013245913A

JP2013245913A - サーバー室の空調設備

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Publication number: JP2013245913A
Application number: JP2012121876A
Authority: JP
Inventors: Yasuyoshi Amada; 靖佳天田; Masaaki Go; 正明郷; Motoaki Yamazaki; 元明山▲崎▼; Yasushi Yazawa; 安矢沢
Original assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Priority date: 2012-05-29
Filing date: 2012-05-29
Publication date: 2013-12-09

Abstract

【課題】サーバー室を対象として高度の温度制御が可能であり、かつ全外気による冷房運転も可能として十分な省エネルギー効果も得られる有効適切な空調設備を提供する。
【解決手段】サーバー室１における冷房負荷に応じて温度を制御可能な空調機３と排気ファン７とによってサーバー室に対する全外気冷房運転を可能に構成し、外気を導入するために外気シャフト６には外気を直接導入するための第１経路をダンパー機構１２を介して接続するとともに、外気をクールチューブ（たとえば免震ピット２）に通して地中熱との熱交換により温度を低下させてから導入するための第２経路をダンパー機構によって第１経路と切り換え可能に接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は、データセンターや電算センター等のコンピューター関連施設における空調設備に関わり、特にサーバー室を対象とする空調設備に関する。

この種の空調設備としては、たとえば特許文献１に示されるように、サーバー室の床を二重床（フリーアクセスフロア）とするとともに天井を二重天井として、室内あるいは室外に設置した空調機からの冷気を二重床を通してサーバー室に供給するとともに、サーバー室からの還気を二重天井を通して空調機に戻すように循環させる形式のものが一般的である。

また、この種の空調設備においては、省エネルギーの観点から外気温度条件によっては全外気による冷房運転を行うことが好ましいとされている。
そのような全外気冷房運転を行う場合の空調システムとして、たとえば特許文献２には、床下に設けた配管ピットを利用してそれをいわゆるクールチューブとして機能せしめることにより、導入外気を配管ピットに通して冷却してから供給するという外気負荷低減システムが提案されている。なお、従来よりカルバートをクールチューブとして利用することも行われている。

特開２００９−２３６３３５号公報特開２００２−２４３２５３号公報

近年、この種の施設の大規模化や高密度化に伴ってサーバー室においては高度の温度制御が必要とされるようになってきている。たとえばサーバー室においてはサーバー吸気温度がサーバー効率に影響を及ぼすことから、最適な温度条件がASHRAE TC9.9 において推奨されており、空調機からサーバー室に供給する冷気の温度はその範囲で厳密に制御することが必要とされている。

しかし、上述したような全外気冷房運転を行う場合には厳密な温度制御を行うことは必ずしも容易ではなく、したがって上記のようにサーバー効率を考慮してASHRAE TC9.9 において推奨されているような厳密な温度制御を行う必要がある場合には全外気による効率的な冷房運転を行い難く、高度の温度制御と省エネルギーとを両立できないという問題がある。

上記事情に鑑み、本発明はサーバー室を対象として高度の温度制御が可能であり、かつ全外気による冷房運転も可能として十分な省エネルギー効果も得られる有効適切な空調設備を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、データセンターや電算センター等のコンピューター関連施設におけるサーバー室を対象とする空調設備であって、前記サーバー室における冷房負荷に応じて当該サーバー室の温度を制御可能な空調機を具備するとともに、前記空調機は外気シャフトを通して外気を導入して前記サーバー室に供給可能とされ、かつ当該サーバー室から排気するための排気ファンを具備して、前記空調機および前記排気ファンとによって前記サーバー室に対する全外気冷房運転を可能に構成してなり、前記外気シャフトには外気を直接導入するための第１経路をダンパー機構を介して接続するとともに、当該外気シャフトに外気をクールチューブに通して土中熱との熱交換により温度を低下させてから導入するための第２経路を前記ダンパー機構によって前記第１経路と切り換え可能に接続してなることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載のサーバー室の空調設備であって、前記クールチューブは前記コンピューター関連施設の基礎部に設けられた免震ピットであることを特徴とする。

本発明によれば、サーバー室に対して空調機および排気ファンによる全外気冷房運転が可能であり、しかも外気導入経路を、クールチューブを通すことなく直接導入する第１経路と、クールチューブを通してから導入する第２経路とに切り換え可能に構成したので、外気温度条件に応じて年間を通じて最適な外気冷房運転が可能であり、その結果、サーバー室に対する高度の温度制御と省エネルギーの両立を実現することが可能である。

本発明の実施形態である空調設備の概略構成を示す系統図である。同、外気導入経路の切り換えパターンの一例を示す図である。

図１は本発明の実施形態である空調設備の概略構成を示す系統図である。
本実施形態の空調設備はデータセンターや電算センター等のコンピューター関連施設におけるサーバー室１を対象とするものであるが、図示例のデータセンターにおける建屋は地上３階建てとされ、１階にＵＰＳ室および高圧電気室が設置され、２階および３階にサーバー室１が設置されているものである。
また、この建屋は免震構造とされていて、基礎部に設けられている免震ピット２内において積層ゴム等の免震装置（図示略）により建屋全体が免震支持されたものとなっている。

本実施形態の空調設備は、特許文献１に示されているような従来一般的な空調設備と同様に、サーバー室１に隣接している空調機械室内にサーバー室１における冷房負荷に応じて温度を制御可能な空調機３を設置し、その空調機３により温度を調整した給気（ＳＡ）をサプライチャンバー４から二重床を通してサーバー室１に供給するとともに、サーバー室１からの還気（ＲＡ）を二重天井からミキシングチャンバー５に吸い込んで空調機３に戻すように循環させることを基本とするものである。

加えて、本実施形態の空調設備は、上記の空調機３によって外気（ＯＡ）を外気シャフト６を通して導入してサーバー室１に供給可能とし、かつサーバー室１から排気を行うための排気ファン７を具備しており、外気温度条件によってはそれら空調機３と排気ファン７とによる全外気冷房運転も可能とされている。

なお、図示例では各階のサーバー室１用の排気ファン７を屋上に２台ずつ並設しており、排気ダクト８は建屋の外周部に設けたダクトシャフト内に設置している。
また、１階のＵＰＳ室および高圧電気室においては、室内に設置した空調機３から直接給気するとともに直接還気するようにし、かつ排気ファン７により排気するようにしているが、ＵＰＳ室および高圧電気室に対してもサーバー室１と同様に全外気冷房運転が可能とされている。
さらに、一般にこの種のサーバー室１は潜熱負荷が殆どないので、上記の空調機３は顕熱処理のみを行うもので通常は十分であるが、必要であれば一般的な空調機と同様に潜熱処理（除湿および加湿）も可能として温度のみならず温湿制御を行うように構成しても勿論良い。

そして、本実施形態の空調設備では、サーバー室１に対する全外気冷房運転を年間を通じて効率的に行って十分な省エネルギー効果が得られるように、かつ外気冷房運転時においてもサーバー室１の温度制御を支障なく精度良く行うために、空調機３への外気導入経路として、外気を屋外から外気シャフト６に直接導入するための第１経路と、外気を屋外から免震ピット２を通して温度を低下させてから外気シャフト６に導入するための第２経路とを具備しており、外気温度条件に応じて外気導入経路を第１経路から第２経路に切り換え可能に構成されている。

具体的には、建屋の外周部には上記の外気シャフト６が各階の空調機械室に面する位置において免震ピット２から最上階まで立ち上げて設けられていて、その外気シャフト６と各空調機３のミキシングチャンバー５とは外気ダクト９が接続されている。

外気シャフト６の底部には、外気ガラリ１１が設けられた主外気取り入れシャフト１０がダンパー機構１２を介して接続されていて、そのダンパー機構１２を開いた状態においては、図中に細矢印で示すような第１経路、すなわち外気が外気ガラリ１１から吸引されて主外気取り入れシャフト１０から外気シャフト６をに直接的に導入されるという外気導入経路が形成されるようになっている。

一方、建屋の１階における外周部には免震ピット２に通じる副外気取り入れシャフト１３が立ち上げられていて、その副外気取り入れシャフト１３にも外気ガラリ１４が設けられており、上記のダンパー機構１２を閉じた状態では、図中に太矢印で示す如く外気ガラリ１４から副外気取り入れシャフト１３を通して免震ピット２に外気が吸引され、その外気が免震ピット２を通って上記の外気シャフト６の底部に至って外気シャフト６に導入されるという第２経路が形成されるようになっている。

本実施形態において上記の第２経路を構成している免震ピット２は地盤面下の基礎部に設けられていることから、特許文献２に示されている配管ピットと同様に内部温度が外気温度に比べて年間を通じて変動し難いものであり、特に夏期においては外気温度よりも十分に低温に維持されるものであるから、この免震ピット２はそれ自体が外気を自然エネルギーにより冷却するためのクールチューブとして機能するものである。
したがって、たとえば夏期において外気を第２経路を通して導入することにより、導入された外気は免震ピット２を通過する間に周囲の躯体および地盤との熱交換（すなわち地中熱との熱交換）によって自ずと冷却されてしまい、したがって第１経路により免震ピット２を通すことなく直接導入する場合に比べて低温の外気を導入することが可能である。

上記構成に基づき、本実施形態の空調設備では、外気温度条件に応じてダンパー機構１２を操作して外気導入経路を切り換えることにより、その時点での最適な外気冷房運転が可能である。
すなわち、たとえば図２に示すように、外気温度が地中温度よりも低い冬期や中間期においては、外気をそのまま導入しても自ずと十分な外気冷房効果が得られるので、その際には（たとえば図２に示すように９月から翌４月までは）ダンパー機構１２を開いて第１経路により外気を主外気取り入れシャフト１０から外気シャフト６に直接導入すれば良い。換言すると、そのような時期に外気を第２経路により導入した場合には、外気が免震ピット２を通過する際に暖められてしまうことになるので、外気冷房効果を得るうえでは逆効果になる。

逆に、外気温度が地中温度よりも高くなる夏期や中間期においては、第１経路により外気をそのまま直接導入することでは十分な外気冷房効果が得られない場合があるので、そのような場合には（たとえば図２に示すように５月から８月までは）、ダンパー機構１２を閉じて第２経路に切り換えることにより、外気を副外気取り入れシャフト１３から免震ピット２に吸引して免震ピット２を通過させる間に十分に冷却してから外気シャフト６に導入すれば良く、それにより十分な外気冷房効果が得られる。

その際、ダンパー機構１２を完全に閉じてしまえば導入するべき外気の全量が免震ピット２に通って冷却されてから導入されることになるが、ダンパー機構１２の開度を調節することにより、ダンパー機構１２での通風抵抗と免震ピット２を通過する際の通風抵抗とのバランスによって双方の経路からの外気が混合されて外気シャフト６に導入されることになるから、そのような操作による導入外気の温度制御も可能となる。
そのためには、上記実施形態のように主外気取り入れシャフト１０と外気シャフト６との間にダンパー機構１２を設けることに加えて、必要であれば免震ピット２と外気シャフト６との間にも同様の他のダンパー機構を設置して、外気温度条件によってそれら双方のダンパー機構の開度をそれぞれ適切に調節するように構成することも考えられる。それにより、第１経路と第２経路の双方から同時に外気を導入可能であるとともに、双方の経路からの外気の混合量を適切に制御することによって、空調機３への導入外気の温度をさらに微妙に制御することも可能となる。

なお、外気冷房を行うことが有効であるか否かの判定、および外気冷房を行う場合の第１経路と第２経路との切り換えのタイミングは、以下の手法により決定しても良い。
外気冷房風量Ｑ(m³/h)、導入外気エンタルピｉ₀(kcal/kg)、還気エンタルピi₁(kcal/kg)、冷水還り温度t_R(℃)、冷水往温度t_S(℃)とすると、外気冷房により節約できる冷水量Ａ(m³)は次式で求められる。

外気冷房を行うことで節約可能な冷水製造動力は、冷水製造に要するエネルギー原単位k₀(kw/m³)とするとＡ×k₀（kW）となるから、それが外気冷房用の排気ファン７の消費電力k_i(kw)よりも大きければ、すなわちＡ×k₀−k_i＞０となる場合には、外気冷房を行うことが有効であると判断できるから、そのような条件で外気冷房を行えば良い。
そして、上式における導入外気エンタルピｉ₀としては、第１経路により直接導入する場合の値と第２経路により免震ピットを通して導入する場合の値のいずれか低い方とすることが当然に有利であるから、その時点の外気温T₀（すなわち外気を第１経路により直接導入する場合の温度）と、免震ピット内の温度T_c（すなわち外気を第２経路により免震ピットを通してから導入する場合の温度）を比較して、いずれか低い方を選択するように導入経路を切り換えれば良い。

勿論、外気温度条件によっては全外気冷房運転を行うのみではサーバー室１の温度を十分に制御できないような場合もあるので、そのような場合には必要に応じて空調機３の部分負荷運転を行い、かつ導入外気量と還気量の風量制御を適切に行うことにより、サーバー室１の温度を最適にかつ効率的に制御することが可能である。

なお、いずれにしても、外気冷房運転を行う際には外気導入量に見合う排気を行う必要があるので、排気ファン７を制御して室圧を適正に維持すれば良く、そのためには排気ダクト８や外気ダクト９に圧力制御用のダンパーを設置しておいて室内外の差圧を監視しつつ最適制御を行えば良い。
勿論、それらの排気ダクト８や外気ダクト９もには、必要に応じて防火ダンパーや排煙ダンパー、逆止ダンパー、リリーフダンパー、ボリュームダンパー等のダンパー類を要所に設置すれば良い。

以上のように本発明によれば、サーバー室１に対して空調機３および排気ファン７による全外気冷房運転が可能であり、しかも外気を直接導入する第１経路からクールチューブとして機能する免震ピット２を通して導入する第２経路に切り換え可能に構成したので、外気温度条件に応じて年間を通じて最適な外気冷房運転が可能であり、その結果、サーバー室１に対する高度の温度制御と省エネルギーの両立を実現することが可能である。

なお、第２経路を形成するためのクールチューブとしては上記実施形態のように免震ピット２を利用することが好ましいが、建屋が免震ピット２を有していない場合（免震建物ではない場合）、あるいはクールチューブとして利用できるような配管ピットや基礎ピット、カルバート等が設けられている場合には、免震ピット２に代えて、あるいは免震ピット２に加えて、それら配管ピットや基礎ピット、カルバート等を第２経路として利用することでも勿論良い。

１サーバー室
２免震ピット（クールチューブ）
３空調機
４サプライチャンバー
５ミキシングチャンバー
６外気シャフト
７排気ファン
８排気ダクト
９外気ダクト
１０主外気取り入れシャフト
１１外気ガラリ
１２ダンパー機構
１３副外気取り入れシャフト
１４外気ガラリ

Claims

データセンターや電算センター等のコンピューター関連施設におけるサーバー室を対象とする空調設備であって、
前記サーバー室における冷房負荷に応じて当該サーバー室の温度を制御可能な空調機を具備するとともに、前記空調機は外気シャフトを通して外気を導入して前記サーバー室に供給可能とされ、かつ当該サーバー室から排気するための排気ファンを具備して、前記空調機および前記排気ファンとによって前記サーバー室に対する全外気冷房運転を可能に構成してなり、
前記外気シャフトには外気を直接導入するための第１経路をダンパー機構を介して接続するとともに、当該外気シャフトに外気をクールチューブに通して地中熱との熱交換により温度を低下させてから導入するための第２経路を前記ダンパー機構によって前記第１経路と切り換え可能に接続してなることを特徴とするサーバー室の空調設備。
請求項１記載のサーバー室の空調設備であって、
前記クールチューブは前記コンピューター関連施設の基礎部に設けられた免震ピットであることを特徴とするサーバー室の空調設備。