JP2015055417A - 排雪利用型熱供給制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】排雪堆積場の排雪を冷熱源として利用するとともに、データセンタの廃熱を温熱源として利用することにより、冷暖房コストを抑え、エネルギー効率を向上することができる排雪利用型熱供給制御システムを提供することを目的としている。
【解決手段】本発明に係る排雪利用型熱供給制御システム１は、液体熱媒を介して冷熱および温熱の供給を制御する熱供給制御装置２と、排雪堆積場７に堆積された排雪７１から液体熱媒に冷熱を回収する冷熱回収装置３と、複数のサーバ４１が備えられ、各サーバ４１の廃熱から液体熱媒に温熱を回収するデータセンタ４と、データセンタ４で回収された温熱を利用する熱利用施設５とを有し、熱供給制御装置２は、冷熱回収装置３から回収された冷熱をデータセンタ４に供給するとともに、データセンタ４から回収された温熱を熱利用施設５に供給する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、排雪を利用してデータセンタを冷却するとともに、当該データセンタからの廃熱を利用するのに好適な排雪利用型熱供給制御システムに関する。

従来、寒冷地では、多額の除排雪費用をかけて排雪堆積場へ排雪を運搬した後、そのまま放置して融解させており、冷熱エネルギーが無駄になっている。一方、ＩＴ業界では、クラウド化の発展等に伴い、データセンタが増加しているところ、データセンタに配置されるサーバやその他のＩＴ機器等は、動作時に発生する大量の熱によって故障や性能低下が起こるため、これらの熱を処理するための空調管理には多大なコストがかかっている。

なお、空調管理にかかる運用コストを抑えるものとして、例えば、特開２０１２−１８４８６４号公報（特許文献１）には、複数種類の熱源機器が混在する空調システムにおいて、サーバ負荷状況や外気状態に応じて全体の運用コストが略最小となるように、動作させる熱源機器の種類と台数を決定して各熱源機器の起動停止等を制御する空調システムが開示されている。

特開２０１２−１８４８６４号公報

しかしながら、特許文献１に開示された空調システムは、サーバ室から排出された温かい空気を冷却してサーバ室に戻す仕組みである。このため、一度温められた空気の冷却に大きなエネルギーが必要であり、大規模なデータセンタ等では莫大な空調コストがかかるという問題がある。また、サーバ室から排出される温かい空気の一部は建物外に排出されており、廃熱が利用されることなく無駄に捨てられる上、地球温暖化など環境に悪影響を及ぼすという問題もある。

さらに、上記空調システムでは、サーバ室の床下から冷却された空気が送出された後、サーバを冷却することによって温められた空気がサーバ室の上部で吸い込まれて排出されている。このため、サーバ室内部の上方と下方とで冷却の程度にムラができてしまい、冷却効率が悪いという問題もある。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、排雪堆積場の排雪を冷熱源として利用するとともに、データセンタの廃熱を温熱源として利用することにより、冷暖房コストを抑え、エネルギー効率を向上することができる排雪利用型熱供給制御システムを提供することを目的としている。

本発明に係る排雪利用型熱供給制御システムは、液体熱媒を介して冷熱および温熱の供給を制御する熱供給制御装置と、排雪堆積場に堆積された排雪から液体熱媒に冷熱を回収する冷熱回収装置と、複数のサーバが備えられ、各サーバの廃熱から液体熱媒に温熱を回収するデータセンタと、データセンタで回収された温熱を利用する熱利用施設とを有し、熱供給制御装置は、冷熱回収装置から回収された冷熱をデータセンタに供給するとともに、データセンタから回収された温熱を熱利用施設に供給する。

本発明の一態様として、熱供給制御装置は、冷熱回収装置から回収された冷熱を熱利用施設に供給して温度制御してもよい。

本発明の一態様として、データセンタに設けられたサーバ室は、サーバが収納されたサーバラックを境にして冷気供給室と暖気回収室とに仕切られており、データセンタは、冷熱によって冷却された空気を冷気供給室に供給するとともに、サーバを冷却して温められた空気を暖気回収室から温熱として回収してもよい。

本発明の一態様として、排雪利用型熱供給制御システムは、外気から液体熱媒を介して冷熱を回収する外気熱交換部を有しており、熱供給制御装置は、外気温度がサーバ室の設定温度よりも高い場合には、排雪から回収された冷熱を供給し、外気温度が設定温度よりも低い場合には、外気熱交換部によって回収された冷熱を供給してもよい。

本発明によれば、排雪利用型熱供給制御システムが、排雪堆積場の排雪を冷熱源として利用するとともに、データセンタの廃熱を温熱源として利用することにより、冷暖房コストを抑え、エネルギー効率を向上することができる。

本発明に係る排雪利用型熱供給制御システムにおけるエネルギー供給を示すブロック図である。 本発明に係る排雪利用型熱供給制御システムの実施形態を示す全体図である。

以下、本発明に係る排雪利用型熱供給制御システム１の一実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明において、排雪とは、除排雪作業によって排雪堆積場に堆積された雪のみならず氷も含む概念である。

本実施形態に係る排雪利用型熱供給制御システム１は、図１および図２に示すように、主として、冷熱および温熱の供給を制御する熱供給制御装置２と、排雪７１から冷熱を回収する冷熱回収装置３と、サーバ４１の廃熱から温熱を回収するデータセンタ４と、データセンタ４で回収された温熱を利用する熱利用施設５とから構成されている。以下、本実施形態に係る構成について詳細に説明する。

本実施形態に係る熱供給制御装置２には、図２に示すように、冷水回路２１と温水回路２２とが配管されているとともに、これら各回路２１，２２に複数の熱交換器２３ａ〜２３ｇが設けられている。冷水回路２１および温水回路２２は、液体熱媒が封入された管状部材で構成されている。また、熱供給制御装置２は、温度制御装置２４を備えており、この温度制御装置２４が循環ポンプ２５や自動制御弁２６を制御することにより、各回路２１，２２内の液体熱媒を循環させるとともに、冷熱回収装置３、データセンタ４および熱利用施設５に対して冷熱および温熱の供給を制御するようになっている。なお、本発明において、液体熱媒とは液体状の熱媒体全般を含むものであり、本実施形態では不凍液を用いている。

熱供給制御装置２による制御のもと、冷水回路２１では、冷熱回収装置３で回収された冷熱が熱交換器２３ａによって液体熱媒を介して熱交換されて回収されるとともに、その回収された冷熱が熱交換器２３ｂを介してデータセンタ４へ供給される。一方、温水回路２２では、データセンタ４で回収された温熱が熱交換器２３ｃによって液体熱媒を介して熱交換されて回収されるとともに、その回収された温熱が熱交換器２３ｄを介して熱利用施設５に供給される。また、本実施形態において、熱供給制御装置２は、冷熱回収装置３で回収された冷熱を熱交換器２３ｅによって熱利用施設５に供給し、温度制御を行うようになっている。

また、本実施形態に係る冷熱回収装置３は、図２に示すように、途中に熱交換管３１ａを備える冷熱伝搬管３１を有している。具体的には、冷熱伝搬管３１は、液体熱媒が封入されており、温度制御装置２４により制御された循環ポンプ２５によって熱供給制御装置２と排雪堆積場７との間を循環するように配管されている。また、排雪堆積場７の下部には、排雪７１が解けた冷水のみが通過し、排雪７１に含まれる土砂などの不純物を除去する浸透性舗装７２を表面にもつ冷水槽７３が設置されている。そして、この冷水槽７３の底部に、複数の熱交換管３１ａが敷設されている。

以上の構成において、本実施形態では、熱交換管３１ａ内の液体熱媒によって冷水槽７３内の冷水から冷熱が回収される。また、冷熱を回収した液体熱媒は、冷熱伝搬管３１内を移送されて熱供給制御装置２に供給され、熱交換器２３ａによって熱交換されて冷熱を冷水回路２１に供給する。さらに、熱交換を終えて温くなった液体熱媒は、冷熱伝搬管３１内を移送されて再び熱交換管３１ａに流入するように構成されている。なお、図２において、実線部分は冷熱が伝搬されており、破線部分は温熱が伝搬されていることを示す。

また、本実施形態に係る冷熱回収装置３は、冷熱伝搬管３１のみならず、図１に示すように、直接冷水が移送されることにより冷熱が伝搬される冷水移送管３２を有している。具体的には、冷水槽７３の下部には、一定量の冷水が貯められる集水枡７４が設けられており、この集水枡７４から冷水が移送された場所に、さらに一定量の冷水が貯められる採水枡７５が設けられている。そして、この採水枡７５と熱供給制御装置２の間には、冷水が移送される冷水移送管３２が配管されており、採水枡７５から水中ポンプ３３によって移送された冷水が、熱供給制御装置２の熱交換器２３ｆによって熱交換され、冷熱を冷水回路２１に供給する。

また、冷水槽７３の上流側には、図２に示すように、冷水槽７３内に通ずる環水口７３ａが設けられており、採水枡７５から熱供給制御装置２まで配管された冷水移送管３２は、さらに熱供給制御装置２の熱交換器２３ｆから環水口７３ａにまで至るように配管されている。そして、採水枡７５から移送された冷水は、熱供給制御装置２の熱交換器２３ｆにおいて、液体熱媒と熱交換されて温められ、環水口７３ａに移送される。環水口７３ａに移送された温水は、環水口７３ａから冷水槽７３内に流入し、再び集水枡７４に至るまでの間に冷水槽７３内の雪塊によって熱を奪われて冷却される。なお、冷水槽７３では、冷水の水位を一定に保持するため、水位が所定の高さを超えると、オーバーフロー水が排出口７３ｂから排出されるようになっている。

また、本実施形態に係る排雪堆積場７では、図２に示すように、特に夏季においても雪山表面の排雪７１が解けてしまわないように、断熱材であるチップ材７６で覆われている。この断熱材はチップ材７６に限定されるものではなく、他の素材を採用してもよいし、必要であれば大型の仮設建物を構築して覆うようにしてもよい。

つぎに、本実施形態に係るデータセンタ４は、複数のサーバ室４２を有しており、各サーバ室４２には、複数のサーバ４１が収納されたサーバラック４３が備えられている。そして、各サーバ室４２は、図２に示すように、サーバラック４３を境にして冷気供給室４４と暖気回収室４５とに仕切られている。具体的には、サーバラック４３は、筐体前面４３ａを冷気供給室４４に向け、筐体背面４３ｂを暖気回収室４５に向けるようにして設置されている。この冷気供給室４４の床面には、冷気供給室４４に対して冷気を供給する冷気供給口４４ａが設けられており、暖気回収室４５の側壁上方には、暖気を回収する暖気回収口４５ａが設けられている。なお、各サーバ室４２に設けられるサーバラック４３の数は１架であっても、複数架であってもよい。

また、データセンタ４には、熱供給制御装置２と各サーバ室４２との間を循環ポンプ２５によって循環する、液体熱媒が封入された冷熱供給管４６および温熱回収管４７がそれぞれ配管されている。冷熱供給管４６内の液体熱媒は、熱供給制御装置２の冷水回路２１に設けられた熱交換器２３ｂによって冷却され、データセンタ４に供給される。また、冷熱供給管４６の途中であって、各サーバ室４２の下方位置には、冷熱を放熱するための放熱コイル４６ａが設けられている。この放熱コイル４６ａは、放熱しやすくするために冷熱供給管４６の一部がコイル状に形成されたものであり、この放熱コイル４６ａにより、データセンタ４内に取り入れられた空気が冷却され、冷気供給室４４の冷気供給口４４ａから冷気となって吹き出される。そして、放熱コイル４６ａによって放熱して温くなった冷熱供給管４６内の液体熱媒は、再び熱供給制御装置２の熱交換器２３ｂへと移送される。

一方、温熱回収管４７の途中には、暖気回収室４５の暖気回収口４５ａから回収された暖気から温熱を回収するための熱回収コイル４７ａが設けられている。この熱回収コイル４７ａは、熱回収しやすくするために温熱回収管４７の一部がコイル状に形成されたものであり、この熱回収コイル４７ａによって回収された温熱は、熱供給制御装置２の熱交換器２３ｃによって温水回路２２に供給される。そして、熱交換によって温熱を奪われた温熱回収管４７内の液体熱媒は、データセンタ４へ再び移送される。

つぎに、本実施形態に係る熱利用施設５には、図２に示すように、熱供給制御装置２と熱利用施設５内との間を循環ポンプ２５によって循環する熱伝搬管５１が配管されている。熱伝搬管５１には、液体熱媒が封入されており、温度制御装置２４が三方弁等の自動制御弁２６を制御することによって、冷水回路２１の熱交換器２３ｅまたは温水回路２２の熱交換器２３ｄのいずれかと切り替え接続可能に構成されている。そして、熱供給制御装置２の制御によって、冷熱または温熱が熱利用施設５に対して切り替え可能に供給されるようになっている。なお、熱利用施設５としては、住宅・公共施設や植物工場、陸上養殖施設などがあり、熱供給制御装置２によって室温、水温、地温等の温度制御が行われる。

ところで、本実施形態に係る排雪利用型熱供給制御システム１は、排雪７１のみならず、外気から液体熱媒を介して冷熱を回収する外気熱交換部６を有している。具体的には、図２に示すように、熱供給制御装置２と外気熱交換部６との間には、外気用冷熱管６１が配管されている。そして、外気用冷熱管６１内に封入された液体冷媒を循環ポンプ２５によって循環することで、冷水回路２１の熱交換器２３ｇに冷熱を提供するようになっている。

以上の構成において、熱供給制御装置２の温度制御装置２４は、たとえば外気温度がサーバ室４２の設定温度よりも高い夏季、春季や秋季の日中には、冷熱回収装置３によって排雪７１から回収された冷熱をデータセンタ４や熱利用施設５に供給する。一方、外気温度がサーバ室４２の設定温度よりも低い冬季、春季や秋季の夜には、外気熱交換部６によって回収された冷熱をデータセンタ４や熱利用施設５に供給するように制御する。

つぎに、本実施形態に係る排雪利用型熱供給制御システム１の作用について説明する。

冬季に各地域に降り積もった雪が排雪７１として排雪堆積場７に集められ、十分な量の排雪７１によって雪山が形成されると、雪を解けにくくするために、チップ材７６によって雪山が覆われる。排雪堆積場７の下部では、浸透性舗装７２によって排雪７１に含まれる土砂などの不純物が除去されるとともに、排雪７１が解けた冷水のみが通過し、冷水槽７３に冷水が貯留される。ここで、浸透性舗装７２は、排雪に含まれる土砂などの不純物を除去するフィルターとしての役割、かつ冷水槽７３内に敷設された熱交換管３１ａを保護する役割を有している。

つぎに、冷熱回収装置３では、冷水槽７３内に敷設された熱交換管３１ａ内の液体熱媒が冷水槽７３内の冷水と熱交換を行って冷熱を回収する。一方、熱供給制御装置２では、温度制御装置２４が循環ポンプ２５を制御して冷熱伝搬管３１内の液体熱媒を循環させ、熱交換器２３ａで熱交換させる。これにより、排雪７１が保有する冷熱エネルギーが効率よく冷水回路２１に回収される。また、冷水回路２１から熱を受け取った液体熱媒は、冷熱伝搬管３１内を移送されて再び熱交換管３１ａに流入し、冷水槽７３内の冷水から再び冷熱を回収する。

また、本実施形態において、冷熱回収装置３は、水中ポンプ３３を制御することにより、集水枡７４から採水枡７５に移送され貯留された冷水を冷水移送管３２内に採水するとともに、熱供給制御装置２の熱交換器２３ｆへと供給する。これにより、融雪水が保有する冷熱エネルギーが効率よく冷水回路２１に回収される。また、冷水回路２１に冷熱を奪われた水は、冷水移送管３２内を移送されて冷水槽７３の環水口７３ａから流入し、再び集水枡７４に至るまでの間に冷水槽７３内の雪塊によって熱を奪われて冷却される。

つぎに、熱供給制御装置２の温度制御装置２４は、循環ポンプ２５を制御し、冷熱回収装置３から回収した冷熱を有する液体熱媒を冷水回路２１内に循環させるとともに、冷熱供給管４６内の液体熱媒を循環させる。これにより、冷水回路２１内の液体熱媒が有する冷熱が、熱交換器２３ｂによって冷熱供給管４６内の液体熱媒に供給される。

一方、データセンタ４では、冷熱供給管４６内を循環される液体熱媒が、各サーバ室４２の下方に設けられた放熱コイル４６ａによって冷熱を放熱し、データセンタ４内に取り入れた空気を冷却する。これにより、冷気供給室４４の冷気供給口４４ａから冷気が供給されるため、当該冷気がサーバラック４３の筐体前面４３ａから吸引されて、サーバ４１を冷却する。なお、放熱コイル４６ａによって放熱された液体熱媒は、冷熱供給管４６内を循環され、再び熱交換器２３ｂから冷熱が提供される。

また、サーバ４１の廃熱によって温められた暖気が、筐体背面４３ｂから暖気回収室４５に排出されるため、熱回収コイル４７ａが、当該暖気から液体熱媒に温熱を回収する。このように、サーバラック４３を境にしてサーバ室４２を冷気供給室４４と暖気回収室４５とに仕切ることにより、サーバ室４２内において冷気と暖気が混ざりにくくなり、サーバ４１の冷却効率を高められるとともに、暖気回収室４５からより高エネルギーの温熱を回収することができる。さらに、サーバラック４３の筐体前面４３ａが冷気供給室４４側に向いており、サーバ管理者はサーバ４１の操作や管理作業を冷気供給室４４内において行うことができるため、温度管理がし易いし、快適な環境下で作業を行うことができる。

一方、熱供給制御装置２の温度制御装置２４は、循環ポンプ２５を制御し、データセンタ４で回収された温熱を有する液体熱媒を温熱回収管４７内に循環させる。これにより、温熱回収管４７内の液体熱媒に回収された温熱が、熱交換器２３ｃによって温水回路２２内の液体熱媒に供給される。また、温水回路２２へ温熱を提供して冷却された液体熱媒は、再び熱回収コイル４７ａへ移送され温熱を回収する。

また、熱供給制御装置２では、冷熱回収装置３から回収した冷熱またはデータセンタ４から回収した温熱のいずれかを熱利用施設５に供給する。すなわち、温度制御装置２４が、熱伝搬管５１に設けられた自動制御弁２６を切り替えて、冷水回路２１に設けられた熱交換器２３ｅまたは温水回路２２に設けられた熱交換器２３ｄのいずれかに接続することで、熱伝搬管５１内の液体熱媒に冷熱または温熱が供給される。

熱供給制御装置２から冷熱または温熱を供給された液体熱媒は、温度制御装置２４によって制御された循環ポンプ２５によって熱伝搬管５１内を循環し、熱利用施設５に移送される。これにより、例えば、熱利用施設５が住宅・公共施設である場合には、住宅・公共施設内で空調機に設定される温度に基づいて、熱供給制御装置２が冷熱または温熱のいずれを供給するかを決定し、住宅・公共施設に伝搬された冷熱または温熱によって冷暖房制御が行われる。また、熱利用施設５が植物工場である場合には、熱供給制御装置２によって、住宅・公共施設のような冷暖房制御のみならず、地温の温度制御を行うことができる。さらに、熱利用施設５が陸上養殖施設である場合には、熱供給制御装置２によって、水温の温度制御を行うこともできる。

本実施形態に係る排雪利用型熱供給制御システム１では、夏季、春季や秋季の日中のように、外気温度がサーバ室４２の設定温度よりも高い場合には、上述したように、熱供給制御装置２が冷熱回収装置３から回収した冷熱をデータセンタ４や熱利用施設５に供給する。一方、冬季、春季や秋季の夜のように、外気温度がサーバ室４２の設定温度よりも低い場合には、外気熱交換部６が冷たい外気から熱交換により冷熱を回収し、熱供給制御装置２に供給するとともに、熱供給制御装置２からデータセンタ４や熱利用施設５に冷熱が供給される。このように、雪冷房と外気冷却とを組み合わせることにより、さらなる省エネルギー効果を得ることができる。

以上のように、本発明によれば、以下のような作用効果を奏することができる。
１．排雪堆積場７の排雪７１を冷熱源として利用するとともに、データセンタ４の廃熱を温熱源として利用することにより、冷暖房コストを低く抑え、エネルギー効率を向上することができる。
２．熱利用施設５に対して、排雪７１による冷熱およびサーバ４１の廃熱による温熱の双方を提供することができる。
３．サーバラック４３を境にしてサーバ室４２を冷気供給室４４と暖気回収室４５とに仕切ることにより、データセンタ４におけるサーバ４１の冷却効率を高めることができ、またサーバ４１の廃熱から高エネルギーの温熱を回収することができる。
４．サーバラック４３の筐体前面４３ａが冷気供給室４４側に向いており、サーバ管理者はサーバ４１の操作や管理作業を冷気供給室４４内において行うことができるため、温度管理がし易いし、快適な環境下で作業を行うことができる。
５．雪冷房と外気冷却とを組み合わせて、省エネルギー効果を向上することができる。

なお、本発明に係る排雪利用型熱供給制御システム１は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜変更することができる。

例えば、上述した本実施形態では、冷水回路２１、温水回路２２、冷熱伝搬管３１、冷熱供給管４６、温熱回収管４７、熱伝搬管５１および外気用冷熱管６１内に封入された熱媒として、不凍液又は真水といった液体熱媒が好ましいが、これらに限定されず、熱媒としての機能を有するものであれば、例えば空気など気体状の熱媒であってもよい。

１ 排雪利用型熱供給制御システム
２ 熱供給制御装置
２１ 冷水回路
２２ 温水回路
２３ａ〜２３ｇ 熱交換器
２４ 温度制御装置
２５ 循環ポンプ
２６ 自動制御弁
３ 冷熱回収装置
３１ 冷熱伝搬管
３１ａ 熱交換管
３２ 冷水移送管
３３ 水中ポンプ
４ データセンタ
４１ サーバ
４２ サーバ室
４３ サーバラック
４３ａ 筐体前面
４３ｂ 筐体背面
４４ 冷気供給室
４４ａ 冷気供給口
４５ 暖気回収室
４５ａ 暖気回収口
４６ 冷熱供給管
４６ａ 放熱コイル
４７ 温熱回収管
４７ａ 熱回収コイル
５ 熱利用施設
５１ 熱伝搬管
６ 外気熱交換部
６１ 外気用冷熱管
７ 排雪堆積場
７１ 排雪
７２ 浸透性舗装
７３ 冷水槽
７３ａ 環水口
７３ｂ 排出口
７４ 集水枡
７５ 採水枡
７６ チップ材

Claims (4)

1. 液体熱媒を介して冷熱および温熱の供給を制御する熱供給制御装置と、
   排雪堆積場に堆積された排雪から前記液体熱媒に冷熱を回収する冷熱回収装置と、
   複数のサーバが備えられ、各サーバの廃熱から前記液体熱媒に温熱を回収するデータセンタと、
   前記データセンタで回収された温熱を利用する熱利用施設とを有し、
   前記熱供給制御装置は、前記冷熱回収装置から回収された冷熱を前記データセンタに供給するとともに、前記データセンタから回収された温熱を前記熱利用施設に供給する排雪利用型熱供給制御システム。
2. 前記熱供給制御装置は、前記冷熱回収装置から回収された冷熱を前記熱利用施設に供給して温度制御する請求項１に記載の排雪利用型熱供給制御システム。
3. 前記データセンタに設けられたサーバ室は、前記サーバが収納されたサーバラックを境にして冷気供給室と暖気回収室とに仕切られており、前記データセンタは、冷熱によって冷却された空気を前記冷気供給室に供給するとともに、前記サーバを冷却して温められた前記空気を前記暖気回収室から温熱として回収する請求項１または請求項２に記載の排雪利用型熱供給制御システム。
4. 前記排雪利用型熱供給制御システムは、外気から前記液体熱媒を介して冷熱を回収する外気熱交換部を有しており、前記熱供給制御装置は、外気温度が前記サーバ室の設定温度よりも高い場合には、前記排雪から回収された冷熱を供給し、前記外気温度が前記設定温度よりも低い場合には、前記外気熱交換部によって回収された冷熱を供給する請求項１から請求項３のいずれかに記載の排雪利用型熱供給制御システム。

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