JP2016109340A - 雪氷利用空調システム - Google Patents

Abstract

【課題】間接外気冷房機と雪氷冷水冷房機とにより構成される、省エネ効果が高い空調システムを提供する【解決手段】間接外気冷房機に係わる構成は、顕熱交換器１１、顕熱交換器２１、ポンプ２２、ファン２３、配管１４である。また、雪氷冷水冷房機に係わる構成は、熱交換器１２、冷水ポンプ３１、冷水三方弁３２、冷水管３３と、雪山などである。制御装置４０は、間接外気冷房機と雪氷冷水冷房機を併用運転するモードと、何れか一方を単独運転するモードとを、状況に応じて使い分ける。【選択図】図１

Description

本発明は、雪氷を利用する空調システムに関する。

近年、降雪地域等において冬季における降雪から雪山を作成しておき、冬季以外にこの雪山の冷熱を利用する空調システムが、考えられている。
例えば、特許文献１に記載の従来技術は、室外に、雪を堆積した雪貯蔵部を備えている。そして、外気通路に外気ＯＡと雪冷外気ＳＯＡと切り換えて導き、冷却コイルに雪冷水の冷熱を導くようにしている。

特開２０１２−１４５２８９号公報

特許文献１によれば、室内に大量の熱を発生する機器があり室内温湿度許容範囲が狭く管理が厳しい空調対象室内に外気を直接利用した直接外気冷房を行っており、大量の外気を混合することによる給気に対する加湿不足を防止するため、加湿手段を設けて加湿する必要がある。

本発明の課題は、雪氷を利用する空調システムであって、冷凍機を使用せず、間接外気冷房機と雪氷冷水冷房機とにより構成される、省エネ効果が高い空調システムを提供するものであって、特に間接外気冷房機と雪氷冷水冷房機とを効率的に運用することで、より高い省エネ効果が得られる雪氷利用空調システム等を提供することである。

本例の雪氷利用空調システムは、空調対象空間からのリターン空気である還気を、外気を利用して冷却する間接外気冷房機と、雪氷冷水冷房機と、制御装置とを有する。
雪氷冷水冷房機は、雪山によって生成される冷水を第１熱交換器に供給する為の冷水管及び第１ポンプと、該冷水が供給されているときには前記間接外気冷房機を通過後の前記還気と前記冷水とを熱交換させる前記第１熱交換器を有する雪氷冷水冷房機とを有する。

該制御装置は、前記間接外気冷房機が単独で運転する第１モード、前記間接外気冷房機と前記雪氷冷水冷房機を併用運転する第２モードと、前記雪氷冷水冷房機単独で運転する第３モードの各モードを用いて、前記間接外気冷房機と前記雪氷冷水冷房機を制御する。

本発明の雪氷利用空調システム等によれば、雪氷を利用する空調システムであって、冷凍機を使用せず、間接外気冷房機と雪氷冷水冷房機とにより構成される、省エネ効果が高い空調システムを提供する。更に、特に間接外気冷房機と雪氷冷水冷房機とを効率的に運用することで、より高い省エネ効果が得られるようにできる。

本例の雪氷利用空調システムの構成図である。 本例の空調システムの運用方法を、概略的に示す図である。 本例の空調システムの制御処理例を示す図である。 モード遷移表である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本例の雪氷利用空調システムの構成図である。
本例の雪氷利用空調システム（以下、単に空調システムと記す場合もあるものとする）は、間接外気冷房機（以下、単に外気冷房機と記す場合もあるものとする）と雪氷冷水冷房機を併用する空調機である。本例の雪氷利用空調システムは、蒸気圧縮冷凍サイクルによる冷房機（圧縮機、蒸発器等より構成される冷房機；一般冷凍機と記すものとする）は、備えていない。この様に、冷凍機（一般冷房機）を使用せず、間接外気冷房機と雪氷冷水冷房機とにより構成され、間接外気冷房機で能力が足りるうちは雪氷冷水冷房機を運転せず、間接外気冷房機では能力が足りなくなったら、足りなくなった分だけ雪氷冷水冷房機を運転するように制御すれば、雪氷の持つ冷熱エネルギーを温存することのできる、省エネ効果が高い空調システムを提供することができる。

図１において、間接外気冷房機に係わる構成は、顕熱交換器１１、顕熱交換器２１、ポンプ２２、ファン２３、配管１４である。また、雪氷冷水冷房機に係わる構成は、熱交換器１２、冷水ポンプ３１、冷水三方弁３２、冷水管３３と、雪山などである。また、間接外気冷房機と雪氷冷水冷房機とに共通の構成として、ファン１３が設けられている。更に、図示の空調システム全体を制御する制御装置４０が、設けられている。

制御装置４０は、図示の外気温度センサ２４、還気温度センサ１６、給気温度センサ１５等と、不図示の通信線を介して接続している。そして、制御装置４０は、これら各種センサから通信線を介して、外気温度センサ２４による外気ＯＡの温度計測値、還気温度センサ１６による還気ＲＡの温度計測値、給気温度センサ１５による給気ＳＡの温度計測値を、随時入力している。

また、制御装置４０は、不図示の通信線を介して、ファン２３、ファン１３、ポンプ２２、冷水ポンプ３１、冷水三方弁３２等と接続している。そして、この通信線を介して、これら各構成を制御している。つまり、制御装置４０は、例えば、ファン２３、ファン１３の起動／停止や、ファン回転数の制御を、不図示の通信線を介して実行する。あるいは、制御装置４０は、例えば、ポンプ２２、冷水ポンプ３１の起動／停止や、ポンプ回転数の制御を、不図示の通信線を介して実行する。あるいは、制御装置４０は、例えば、冷水三方弁３２の弁開度の制御を、不図示の通信線を介して実行する。

上記のように、制御装置４０は、本例の雪氷利用空調システムを制御する制御装置である。制御装置４０による具体的な処理例については、後に図２、図３、図４等を用いて説明する。

間接外気冷房機に関しては、配管１４内には冷媒が流れ、ポンプ２２によって配管１４を介して顕熱交換器１１と顕熱交換器２１とに冷媒が循環する構成となっている。なお、冷媒はプロピレングリコール水溶液等の不凍液である。

雪氷冷水冷房機に関しては、冷水ポンプ３１の圧送によって冷水管３３内を冷水が循環しており、冷水が熱交換器１２に供給される場合もある。冷水が熱交換器１２に供給されている間は、還気ＲＡは熱交換器１２によって冷却されることになる。

熱交換器１２への冷水の供給量は、冷水三方弁３２によって調整される。すなわち、冷水三方弁３２は、冷水ポンプ３１から圧送されて流入する冷水を、任意の割合（０：１０から１０：０）で、熱交換器１２に供給する方向と、熱交換器１２をバイパスする方向とに流出させる。つまり、熱交換器１２への冷水の供給量を、流入量の０％〜１００％の間の任意の割合に調整することができる。

上記冷水は、例えば雪山の雪解け水を、冷水管３３内に流入させたものである。但し、この例に限らない。配管内に水を循環させて、この水を雪山の冷熱で冷却することで、冷水とする構成であってもよい。

また、上記構成の多くは、２つの筐体の何れか一方の内部に設けられるようにしてもよい。２つの筐体とは、図示の内気ユニット１０と外気ユニット２０である。内気ユニット１０は、空調対象空間（サーバルーム等）がある任意の建物内に設けられ、この建物の外に外気ユニット２０が設けられる。内気ユニット１０内には、内気（建物内の空気；特に還気ＲＡ）が通過し、外気ユニット２０内には外気が通過する。

図示の例の場合、内気ユニット１０内には、上記顕熱交換器１１、熱交換器１２、ファン１３が設けられている。また、顕熱交換器１１に冷媒を供給する為の配管１４の一部や、熱交換器１２に冷水を供給する為の冷水管３３の一部が、内気ユニット１０内に設けられることになる。

ファン１３は、内気ユニット１０内に還気ＲＡを取り込んで、これを顕熱交換器１１→熱交換器１２の順に通過させた後、給気ＳＡとして送出するという空気の流れを形成する。還気ＲＡは、不図示の空調対象空間からのリターン空気である。還気ＲＡは、顕熱交換器１１、熱交換器１２を通過することで基本的には冷却されて冷気となって、この冷気が上記給気ＳＡとして上記空調対象空間に供給される。

上記空調対象空間は、例えば一例としは、サーバルーム、データセンタなどであり、稼動中は発熱体となるコンピュータ装置等の電子機器が、多数設置されている空間である。この空調対象空間に供給された上記冷気（給気ＳＡ）は、コンピュータ装置等を冷却し、それによって温度上昇して暖気となる。この暖気が上記還気ＲＡとして内気ユニット１０内に吸い込まれることになる。

また、図示の例では、外気ユニット２０内に、上記顕熱交換器２１、ポンプ２２、ファン２３、冷水三方弁３２等が設けられており、上記配管１４、冷水管３３の一部も設けられている。冷水管３３の他の一部は、外気ユニットの外にも設けられており、雪山を通過する。

尚、ファン２３は、稼動時には、外気ＯＡを外気ユニット２０内に取り込んで、顕熱交換器２１を通過させてから、図示の排気ＥＡとして外気ユニット２０外へ排出するという、空気の流れを形成するファンである。

上記構成の本例の空調システムの運用方法（制御装置４０による制御処理）について、以下に説明する。
ここで、図２は、図１の空調システムの運用方法を、概略的に示す図である。尚、詳細な制御方法の一例は、図３、図４を用いて後に説明するものとする。ここでは、まず、図２を用いて、概略的に説明するものとする。

ここで、まず、図２に示すグラフは、横軸が“外気温度−還気温度”である。この外気温度は、図１に示す外気温度センサ２４で測定される、外気ＯＡの温度である。また、還気温度は、図１に示す還気温度センサ１６で測定される、還気ＲＡの温度である。尚、還気温度が一定であるとした場合には、上記“外気温度−還気温度”の変化は実質的に“外気温度”の変化と見做してもよいと考えられる。これより、以下の説明では、横軸は“外気温度”であるものとして説明する。

また、図２に示すグラフの縦軸は、冷房能力である。そして、図上点線で示すものは、横軸（外気温度）に応じた上記間接外気冷房機の冷房能力である。この点線で示すように、外気温度が低いほど、間接外気冷房機の冷房能力は高くなる。ここで、上記給気ＳＡの温度を設定温度とする為に必要となる冷房能力が、図示の必要冷房能力である。

そして、図２に点線で示す通り、外気温度がある程度低い状況では、間接外気冷房機の冷房能力は、必要冷房能力より大きい。よって、この状況では、間接外気冷房機単独で運転するモード（図示の（１）外気冷房単独運転）とする。このモード（１）では、雪氷冷水冷房機は運転停止することになる。具体的な制御例は、図３、図４を用いて後に説明するものとする。

また、外気温度がある程度高くなると、図２に点線で示すように、間接外気冷房機の冷房能力が、必要冷房能力より小さくなる。この状況では、間接外気冷房機と雪氷冷水冷房機とを併用運転するモード（図示の“（２）外気冷房＋冷水冷房（併用運転）”）とすることで、冷房能力の不足分を補うようにする。このモード（２）では、雪氷冷水冷房機の冷房能力が、図示の必要冷房能力とそのときの外気温度に応じた外気冷房の冷房能力との差分となるように、調整制御する。この冷房能力の調整は、冷水三方弁３２の弁開度を制御して、熱交換器１２への冷水の供給量を調整することで、実現する。

例えばモード（１）で運転している状態において、間接外気冷房機だけでは給気ＳＡの温度を設定温度に維持することが出来なくなった場合には（給気温度＞設定温度の場合）、上記モード（２）へとモード変更する。そして、上記のように、冷水三方弁３２の弁開度を制御して熱交換器１２への冷水の供給量を調整することで、給気ＳＡの温度（給気温度）を設定温度に維持する。

そして、外気温度が更に高くなり、間接外気冷房機の冷房能力が‘０’以下になる状況では、間接外気冷房機を運転する意味が無くなるので、間接外気冷房機を運転停止する。つまり、雪氷冷水冷房機を単独運転するモードとする（図示の（３）冷水冷房単独運転）。このモード（３）では、間接外気冷房機を運転停止する為に、例えば、ポンプ２２とファン２３を停止する。なお、ファン１３は雪氷冷水冷房機と共有する構成であるので、停止しない。

上記本例の空調システムの制御方法について、図３、図４に示す具体例を用いて、以下、更に詳細に説明する。
この例では、まず、上記モード（１）、モード（２）、モード（３）の３つのモードのうち、モード（１）を更に細かく分類するものとする。つまり、図３に示すように、モード（１）は、モード“A0-2”、モード“A0-1”、モードＡ１、モードＡ２の４つのモードに分割する。

上記モード（１）に係わる４つのモードと、モード（２）とモード（３）の各モードにおける各構成の運転内容を、図３に示す。また、これら６つのモードのモード遷移の為の判定条件を、図４に示す。換言すれば、図３は、本例の空調システムの制御処理例を示す図であり、図４は、モード遷移表である。

尚、図４に示すように、モード遷移における遷移先は、現在のモードに隣接するモードに限られる。隣接するモードとは、図３に下側に示すように、例えばモードＡ１に隣接するモードは、モード“A0-2”とモードＡ２である。

また、図３に示すように、ここでは上記モード（２）はモードＣと記し、モード（３）はモードＤと記すものとする。
まず、図３を参照して、上記各モードにおける運転方法について説明する。

尚、図３には、給気温度や還気温度の具体例や、外気ＯＡの温度の具体例も図示しているが、これらについては特に説明しない。
まず、図３には、同図における上段に外気ファンの運転、中段にポンプの運転、下段に冷水三方弁の運転を示すが、外気ファンは図１のファン２３であり、ポンプは図１のポンプ２２である。

そして、図３に示すように、上記モード“A0-1”では、外気ファン（ファン２３）は停止状態であり、ポンプ２２を間欠運転している。つまり、ＯＮ／ＯＦＦを繰り返して運転している。尚、この間欠運転における運転時には、ポンプ２２の回転数は最低にしている。また、逐一述べないが、モード“A0-1”に限らずモード（１）に係わる全モードにおいて、冷水三方弁３２は、熱交換器１２側の弁開度を０％としている。つまり、熱交換器１２側の弁は完全に閉じており、したがって熱交換器１２には冷水は一切供給されていない状態となっている。あるいは、冷水ポンプ３１を停止している。

また、図３に示すように、上記モード“A0-2”では、ポンプ２２は上記最低回転数一定の状態であり、外気ファンは間欠運転している。尚、この間欠運転における運転時には、外気ファンの回転数は最低にしている。

尚、モード“A0-2”とモード“A0-1”とを比較した場合、モード“A0-2”の方が、消費電力が大きく、且つ、冷房能力が高い。
また、図３に示すように、モードＡ１では、外気ファンを最低回転数一定で運転すると共に、ポンプ２２をＰＩＤ制御する。このＰＩＤ制御は、一般的な制御であり、給気ＳＡの温度（給気温度）が、設定温度となるように制御する。例えば、「給気温度＞設定温度」であればポンプ２２の回転数を上げるが、ポンプ２２の回転数を最大にしても「給気温度≦設定温度」とならない場合には、モードＡ２へと遷移することになる。

尚、上記給気温度は、図１に示す給気温度センサ１５の計測値を、随時、取得するものである。
また、図３に示すように、モードＡ２では、ポンプ２２を最大回転数一定で運転すると共に、外気ファンをＰＩＤ制御する。勿論、この場合も、給気温度が設定温度となるようにＰＩＤ制御する。例えば、「給気温度＞設定温度」であればファン２３の回転数を上げるが、ファン２３の回転数を最大にしても「給気温度≦設定温度」とならない場合には、モードＣへと遷移することになる。

また、図３に示すように、モードＣでは、外気ファンとポンプ２２の両方を最大回転数一定で運転すると共に、雪氷冷水冷房機を運転状態にする。つまり、冷水ポンプ３１が運転状態で、冷水三方弁３２の弁開度に係わるＰＩＤ制御を行う。勿論、この場合も、給気温度が設定温度となるようにＰＩＤ制御する。

尚、モードＡ２からモードＣに遷移したときには冷水ポンプ３１を起動し、その逆にモードＣからモードＡ２に遷移したときには冷水ポンプ３１を停止するようにしてもよい。
ここで、外気温度（ＯＡ温度）が、還気温度（ＲＡ温度）より高くなった場合には、間接外気冷房機を運転する意味がなくなる。よって、この様な場合には、モードＤにする。

これより、モードＤは、図３に示すように、外気ファン及びポンプ２２を停止状態として、雪氷冷水冷房機の単独運転とする。雪氷冷水冷房機の運転制御は、モードＣのときと同様、冷水三方弁３２の弁開度に係わるＰＩＤ制御を行う。勿論、この場合も、給気温度が設定温度となるようにＰＩＤ制御する。

以下、図４のモード遷移表を参照して、上記モード遷移の判定処理について説明する。
尚、制御装置４０には、予め、例えば図４のモード遷移表に準じたモード遷移判定処理が、組み込まれている。

図４のモード遷移表は、上から順に、外気温度が低い状態から外気温度が上昇していき最終的にモードＤとなるまでの各モード遷移を示し、更に、モードＤから外気温度が下降しておき最終的にモード“A0-1”となるまでの各モード遷移を示す。以下、上から順に説明していく。

まず、図４のモード遷移表の最も上には、モード“A0-1”からモード“A0-2”への遷移の為の判定条件を示す。ここで、判定条件は、「温度」と「機器」の２種類の判定条件から成り、両方の判定条件が成立しないと、モード遷移は実行されない。但し、モード“A0-1”からモード“A0-2”への遷移に関する「機器」の判定条件は、現在のモードがモード“A0-1”であることを確認する意味に過ぎず、従って無くてもよい。これは、モード“A0-2”からモードＡ１への遷移に関しても同様である。

上記モード“A0-1”からモード“A0-2”への遷移の為の判定条件における「温度」条件は、図示のように、「ＳＡ温度＞ＳＡ設定値＋α」である。尚、これは、基本的には、「ＳＡ温度＞ＳＡ設定値」であり、＋αは必須ではない。但し、＋αは、後述する「ＳＡ温度＞ＳＡ設定値−β」と共に、主にハンチング防止の為に用いられる。この場合のハンチングとは、「“A0-1”から“A0-2”への遷移」と「“A0-2”から“A0-1”への遷移」とが、短時間のうちに何度も繰り返される現象が、生じることである。

尚、上記のことから、以下の説明では、上記α、βを考慮せずに、基本的な判定条件としての「ＳＡ温度＞ＳＡ設定値」や「ＳＡ温度＜ＳＡ設定値」を用いて説明する場合があるものとする。また、尚、ＳＡ温度は、上記図１の給気温度センサ１５によって計測される給気温度である。ＳＡ設定値は、このＳＡ温度に関してユーザ等が任意に設定した設定温度である。ＳＡ設定値は、任意のメモリ領域に記憶される。また、ユーザが、ＳＡ設定値を変更することも起こり得る。

上記のことから、ここでは、モード“A0-1”からモード“A0-2”への遷移の為の「温度」判定条件は、「ＳＡ温度＞ＳＡ設定値」であるものとする。また、この遷移の為の「機器」の判定条件は、図示の通りであるが、上記の通り、これは確認的な意味であり、現在のモードがモード“A0-1”であればこの条件は満たすはずである。尚、当然、制御装置４０は、現在のモードは認識できるものである。

上記のことから、現在のモードがモード“A0-1”である場合において「ＳＡ温度＞ＳＡ設定値」となった場合、すなわち給気ＳＡの温度が、設定温度より高くなった場合には、モード“A0-1”からモード“A0-2”へと遷移する。つまり、上記のように、ポンプ２２は間欠運転から最低回転数一定とし、ファン２３は停止状態から間欠運転状態にする。

上記と同様にして、モード“A0-2”からモードＡ１への遷移に関しても、現在のモードがモード“A0-2”である場合において「ＳＡ温度＞ＳＡ設定値」となった場合、すなわち給気ＳＡの温度が、設定温度より高くなった場合には、モード“A0-2”からモードＡ１へと遷移する。

続いて、モードＡ１からモードＡ２への遷移に関しては、図４に示すように、「温度」判定条件は上記と同じ「ＳＡ温度＞ＳＡ設定値」である。また、「機器」判定条件は、「外気ファン回転数下限」且つ「ポンプ回転数上限」である。但し、モードＡ１は外気ファンを最低回転数一定で運転するモードであるので、「外気ファン回転数下限」はモードＡ１であることの確認的な意味であり、必須ではない。一方、「ポンプ回転数上限」の条件は必須である。これより、モードＡ１からモードＡ２への遷移条件は、「ＳＡ温度＞ＳＡ設定値」且つ「ポンプ回転数上限」であると見做しても構わない。

上記の通り、モードＡ１ではポンプ２２のＰＩＤ制御を行う。これより、例えば「ＳＡ温度＞ＳＡ設定値」の状態となったら、ポンプ２２の回転数を上げることで、ＳＡ温度がＡ設定値を維持するように制御している。しかし、ポンプ２２を最大回転数で運転している状態で「ＳＡ温度＞ＳＡ設定値」となったら、モードＡ１では対応できないことになる。これより、ポンプ２２が最大回転数の状態で「ＳＡ温度＞ＳＡ設定値」となったら、モードＡ１からモードＡ２へと遷移する。

モードＡ２からモードＣへの遷移に関しては、図４に示すように、「温度」判定条件は上記と同じ「ＳＡ温度＞ＳＡ設定値」である。また、「機器」判定条件は、「外気ファン回転数上限」である。

上記の通り、モードＡ２では、ポンプ２２を最大回転数一定で運転すると共に、ファン２３をＰＩＤ制御している。例えば「ＳＡ温度＞ＳＡ設定値」の状態となったら、ファン２３の回転数を上げることで、ＳＡ温度がＳＡ設定値を維持するように制御している。しかし、ファン２３を最大回転数で運転している状態で「ＳＡ温度＞ＳＡ設定値」となったら、モードＡ２では対応できないことになる。これは、間接外気冷房機の単独運転では対応できない状況になったことを意味している。

これより、ファン２３が最大回転数の状態で「ＳＡ温度＞ＳＡ設定値」となったら、モードＡ２からモードＣへと遷移する。つまり、間接外気冷房機と雪氷冷水冷房機との併用運転を開始する。その為に、例えば、冷水ポンプ３１を起動すると共に、冷水三方弁３２の弁開度に係わるＰＩＤ制御を行う。つまり、例えば、「ＳＡ温度＞ＳＡ設定値」となったら、弁開度を増加することでＳＡ温度がＳＡ設定値を維持するように制御している。尚、間接外気冷房機に関しては引き続き最大能力で運転させる。尚、逐一述べないが、弁開度は、基本的に、熱交換器１２側の弁の開度を意味する。よって、弁開度を大きくすれば、熱交換器１２への冷水供給量が増加することになる。

また、図４に示すように、モードＣで運用中に「ＲＡ温度＜ＯＡ温度」となったら、モードＤへと遷移する。モードＤで運用中に「ＲＡ温度＞ＯＡ温度」となったら、モードＣへと遷移する。尚、ＲＡ温度は還気ＲＡの温度の計測値であり、上記図１の還気温度センサ１６によって随時計測する。ＯＡ温度は、外気ＯＡの温度の計測値であり、例えば図１に示す外気温度センサ２４による計測値である。

また、モードＣからモードＡ２への遷移条件は、「ＳＡ温度＜ＳＡ設定値」且つ「冷水三方弁閉」（弁開度０％）である。つまり、モードＣで運用中に、冷水三方弁３２の弁開度を０％（最低）にした状態にしても「ＳＡ温度＜ＳＡ設定値」となったら、モードＣからモードＡ２に遷移する。尚、上記のことから、弁開度０％のときには、熱交換器１２への冷水供給量がゼロとなる。

冷水三方弁３２の弁開度が０％の状態では、実施的に雪氷冷水冷房機は機能していない状態であるので、この状態で給気ＳＡの温度が設定値未満となる場合、間接外気冷房機の単独運転で対応可能な状況になったと見做せる。これより、モードＣからモードＡ２に遷移する。

尚、図示の具体例では、「温度」判定条件は「ＳＡ温度＜ＳＡ設定値−β」となっている。これによって、上記「ＳＡ温度＞ＳＡ設定値＋α」と共に、ハンチング防止するものである。すなわち、仮に、モードＡ２において「ＳＡ温度＞ＳＡ設定値＋α」になったことからモードＣに遷移したが、直後にＳＡ温度が多少低下して「ＳＡ温度＜ＳＡ設定値＋α」となったとしても、「ＳＡ温度＜ＳＡ設定値−β」となる可能性は低いので、モードＡ２に戻らないで済むことになる。

また、モードＡ２からモードＡ１への遷移条件は、実質的に、「ＳＡ温度＜ＳＡ設定値」且つ「外気ファン回転数下限」である。つまり、モードＡ２では上記のようにファン２３の回転数可変制御を行っており、「ＳＡ温度＜ＳＡ設定値」となったらファン２３の回転数を下げることで対応している。しかしながら、ファン２３の回転数を最低まで下げた状態で「ＳＡ温度＜ＳＡ設定値」となったら、モードＡ２からモードＡ１に遷移する。尚、遷移条件には更に図示の「ポンプ回転数上限」もあるが、上記の通りモードＡ２ではポンプ２２を最大回転数一定で運転しているので、この条件は確認的な意味となり、必須ではない。

また、モードＡ１からモード“A0-2”への遷移条件は、実質的に、「ＳＡ温度＜ＳＡ設定値」且つ「ポンプ回転数下限」である。つまり、モードＡ１では上記のようにポンプ２２の回転数可変制御を行っており、「ＳＡ温度＜ＳＡ設定値」となったらポンプ２２の回転数を下げることで対応している。しかしながら、ポンプ２２の回転数を最低まで下げた状態で「ＳＡ温度＜ＳＡ設定値」となったら、モードＡ１からモード“A0-2”に遷移する。尚、遷移条件には更に図示の「外気ファン回転数下限」もあるが、上記の通りモードＡ１ではファン２３を最低回転数一定で運転しているので、この条件は確認的な意味となり、必須ではない。

また、モード“A0-2”からモード“A0-1”への遷移条件は、実質的に、「ＳＡ温度＜ＳＡ設定値」である。尚、図示の「機器」判定条件は、上記モード“A0-1”からモード“A0-2”への遷移条件の場合と同様、確認的な意味に過ぎず、必須ではない。

上述した各モードの運転内容とモード遷移について、以下、まとめて簡単に説明する。尚、以下の説明では、外気温が低く、それ故に間接外気冷房機の単独運転モードとなっている状態から、外気温が上昇していき、併用運転となり、更にその後に雪氷冷水冷房機の単独運転となり、その後、外気温が低下していく場合を想定している。

外気温が低く、間接外気冷房機だけで給気ＳＡの温度を設定温度に維持することができる間は、間接外気冷房機の単独運転モードとし、外気ユニット２０のポンプ２２やファン２３の回転数を制御することで給気ＳＡの温度を設定値付近に維持させるようにする。

外気温が高くなり、外気ユニット２０のポンプ２２とファン２３の両方の回転数を最大にしても、すなわち間接外気冷房機を最大能力で運転しても、ＳＡ温度を設定温度に維持できない場合は（ＳＡ温度＞ＳＡ設定値）、雪氷冷水冷房機を起動して、間接外気冷房機と雪氷冷水冷房機の併用運転モードへと移行する。この併用運転モード中は、例えば、間接外気冷房機は常に最大能力で運転し、雪氷冷水冷房機に関しては冷水三方弁３２の弁開度を制御することで、ＳＡ温度を設定値付近に維持させる。

更に外気温が高くなり、外気温が還気温度を超えるようなったら、外気冷房は逆効果となるので、間接外気冷房機を運転停止する。これは、例えば、ポンプ２２とファン２３を停止する。これによって、雪氷冷水冷房機の単独運転モードへと移行する。雪氷冷水冷房機は、上記併用運転モードと同様、引き続き冷水三方弁３２の弁開度を制御することで、ＳＡ温度を設定値付近に維持させる。

雪氷冷水冷房機の単独運転モード中に、外気温が低くなって、外気温が還気温度を下回るようなったら、再び間接外気冷房機を運転させる。これは、例えば、ポンプ２２とファン２３を起動する。これによって、再び上記併用運転モードに移行する。

更に外気温が低くなり、冷水コイル（熱交換器１２）に冷水を流すと給気温度（ＳＡ温度）が下がり過ぎるようになったら、雪氷冷水冷房機の運転を停止する。これは、例えば、冷水ポンプ３１を停止する。あるいは、冷水三方弁３２における冷水コイル側の弁開度を全閉（弁開度＝０％）とすることで、冷水コイルに冷水が流れないようにする。

これによって、再び、間接外気冷房機の単独運転モードとし、例えば最初は上記モードＡ２にして、外気ユニット２０のファン２３の回転数を制御することで、給気温度を設定温度付近に維持する。

そして、更に外気温度が下がって、外気ユニット２０のファン２３の回転数を最低にしても給気温度が下がり過ぎるようになったら、次は外気ユニット２０のポンプ２２の回転数を制御することで給気温度を設定温度付近に維持する（モードＡ１）。

更に外気温度が下がって、外気ユニット２０のポンプ２２の回転数を最低にしても給気温度が下がり過ぎるようになったら、ポンプ２２の回転数はそのまま最低のままにして、ファン２３をON/OFF（間欠運転）しながら給気温度を設定温度に維持する（モード“A0-2”）。

更に外気温度が下がって、ファン２３のON/OFFでも給気温度が下がり過ぎるようになったら、ファン２３は停止させ、ポンプ２２のON/OFFで給気温度を設定温度に維持する（モード“A0-1”）。

尚、上記「外気温が還気温度を超える」や「外気温が還気温度を下回る」には、多少のマージンが含まれる場合もあってよい。すなわち、「外気温が還気温度を超える」とは、「外気温＞還気温度」に限らず、例えば「外気温＞還気温度−γ」等であっても構わない。「外気温＞還気温度−γ」とする場合には、未だ外気温が還気温度に達していない段階で、γ℃の分だけ余裕を見て早めに間接外気冷房機を停止することができる。尚、γ℃は、例えば一例としては２℃程度であるが、この例に限らない。

同様に、「外気温が還気温度を下回る」とは、「外気温＜還気温度」に限らず、例えば「外気温＜還気温度＋ε」等であっても構わない。「外気温＜還気温度＋ε」とする場合には、外気温が高い状態から低下していく状況を想定した場合、未だ外気温が還気温度を下回っていない段階で、ε℃の分だけ余裕を見て早めに間接外気冷房機を再起動することができる。尚、ε℃は、例えば一例としては２℃程度であるが、この例に限らない。

上記のように２℃程度の余裕を見て早めに停止、再開を行うほうが、間接外気冷房機のポンプ動力を考慮すれば合理的であると考えられる。尚、実際の運用の際には、例えば「外気温＞還気温度−γ」を間接外気冷房機の停止判定に用いる場合には、間接外気冷房機の再開の判定には例えば「外気温＜還気温度−γ」等とすることで、制御に矛盾が生じないように調整する必要があるが、これは設計的事項であり、ここでは特に説明しない。

また、例えば、上記冷水三方弁３２の代わりに二方弁を用いて、冷水コイルへの冷水流量を制御する構成であっても構わない。尚、この場合、二方弁の開度によって冷水の通流抵抗が変化するため、複数台の空調機へ１台の冷水ポンプで冷水を供給する場合に、ある空調機での二方弁の開度が変わることで、別の空調機への冷水供給量が変化しやすいという問題が生じる可能性はある。

尚、制御装置４０は、例えば、ＣＰＵ／ＭＰＵ等の演算プロセッサ、メモリ等の記憶部、入出力インタフェース等を有している。記憶部には予め所定のアプリケーションプログラムが記憶されている。上記演算プロセッサが、このアプリケーションプログラムを実行することにより、例えば図２、図３、図４等で説明した処理が実現される。

上記本例の雪氷利用空調システムは、例えば下記のように説明することもできる。
本例の雪氷利用空調システムは、まず、空調対象空間（サーバルーム、データセンタ等）からのリターン空気である還気ＲＡを、外気を利用して冷却する外気冷房機を有する。この外気冷房機は、上述した一例では間接外気冷房機であるが、この例に限らず、直接外気冷房機であってもよい。間接外気冷房機は、図１で説明したように、冷媒を介して間接的に、外気ＯＡと還気ＲＡとの熱交換を行う冷房機である。これに対して、直接外気冷房機は、特に構成等は図示しないが、外気ＯＡを例えば空調対象空間に供給する等するものである。間接外気冷房機も直接外気冷房機も、既存の構成であるので、これ以上詳細には説明しない。

本例の雪氷利用空調システムは、更に、雪氷冷水冷房機も有する。
雪氷冷水冷房機は、例えば、雪山によって生成される冷水を第１熱交換器に供給する為の冷水管及び第１ポンプと、該冷水が供給されているときには前記還気と前記冷水とを熱交換させる前記第１熱交換器を有する。

この冷水管の一例が図１の冷水管３３であり、この第１ポンプの一例が図１の冷水ポンプ３１である。また、この第１熱交換器の一例が図１の熱交換器１２である。
本例の雪氷利用空調システムは、更に、制御装置を有する。

この制御装置は、例えば、上記外気冷房機単独で運転する第１モード、上記外気冷房機と上記雪氷冷水冷房機を併用運転する第２モードと、上記雪氷冷水冷房機単独で運転する第３モードの各モードを用いて、上記外気冷房機と上記雪氷冷水冷房機を制御する。この制御装置の一例が上記制御装置４０である。

また、上記第１モードの一例が上記図２等で説明したモード（１）（外気冷房単独運転）であり、上記第２モードの一例が上記モード（２）（“外気冷房＋冷水冷房（併用運転）”であり、上記第３モードの一例が上記モード（３）（冷水冷房単独運転）である。

上記外気冷房機は、上記のように一例が間接外気冷房機である。
間接外気冷房機は、例えば、外気ＯＡと冷媒とを熱交換させる第２熱交換器と、空調対象空間からのリターン空気である還気ＲＡと上記冷媒とを熱交換させる第３熱交換器と、上記第２熱交換器と第３熱交換器とに上記冷媒を循環させる為の配管及び第２ポンプを有する。

上記第１熱交換器の一例が上記図１の顕熱交換器２１であり、上記第３熱交換器の一例が図１の顕熱交換器１１である。また、上記配管及び第２ポンプの一例が、上記図１の配管１４及びポンプ２２である。

上記還気ＲＡは、まず、第３熱交換器を通過し、その後、第１熱交換器を通過する構成となっている。そして、第１熱交換器を通過後の空気が上記給気ＳＡとして上記空調対象空間へ供給されることになる。

間接外気冷房機と雪氷冷水冷房機の両方が、運転状態である場合には（機能している場合には）、還気ＲＡは、まず、第３熱交換器によって冷却されて、その後、第１熱交換器によって更に冷却されて上記給気ＳＡとなることになる。つまり、第１熱交換器は、第３熱交換器に対して、空気（還気）の流れの下流側に設けられている。

間接外気冷房機の単独運転状態である場合には、実質的に、還気ＲＡが第３熱交換器によって冷却されたものが、上記給気ＳＡとなることになる。雪氷冷水冷房機の単独運転状態である場合には、実質的に、還気ＲＡは、第３熱交換器によって冷却されることなく、第１熱交換器によって冷却されて上記給気ＳＡとなることになる。

制御装置４０は、例えば、上記第１モードで運転中に上記間接外気冷房機の最大冷房能力で運転しても給気ＳＡの温度（給気温度）を設定値に維持できない場合には、上記第２モードに切り換える制御を行う。尚、図１の例では、給気温度は上記給気温度センサ１５によって計測される。

制御装置４０は、例えば、上記第２モードで運転中に外気温度が還気温度を越えた場合には、間接外気冷房機を運転停止して上記第３モードへ移行する制御を行う。尚、図１の例では、外気温度は外気温度センサ２４によって計測され、還気温度は還気温度センサ１６によって計測される。

制御装置４０は、例えば、上記第３モードで運転中に上記外気温度が上記還気温度を下回った場合には、上記間接外気冷房機を運転再開して上記第２モードへ移行する制御を行う。

制御装置４０は、例えば、上記第１モードで運転中は、上記第１熱交換器への冷水供給を停止する。これは、一例としては、上記冷水三方弁３２の第１熱交換器側への弁の弁開度を０％（弁を完全に閉じる）ことで実現するが、この例に限らず、冷水ポンプ３１を停止するようにしてもよい。尚、冷水三方弁３２は、第１熱交換器への冷水供給量を調整する為の三方弁の一例である。但し、上記の通り、三方弁に限らず、二方弁等であっても構わない。

制御装置４０は、例えば、第２モードまたは第３モードで運転中は、該三方弁を制御して、給気温度が設定温度となるように第１熱交換器への冷水供給量を調整する。
制御装置４０は、例えば、第１モードで運転中は、給気温度が設定温度となるように第２ポンプの回転数またはファン２３の回転数を制御する。尚、ファン２３は、外気ＯＡを第１熱交換器に供給する為のファンである。

また、第１モードは、例えば、ファン２３を最低回転数一定とし且つ第２ポンプの回転数を制御するモードであるＡ１モードと、第２ポンプを最大回転数一定とし且つファンの回転数を制御するＡ２モードを有するものであってもよい。そして、制御装置４０が、該Ａ１モードとＡ２モードの何れか一方のモードで運転制御する場合があるように構成してもよい。尚、上記Ａ１モードの一例が上記モードＡ１であり、上記Ａ２モードの一例が上記モードＡ２である。

そして、制御装置４０は、例えば、Ａ１モードで運転中、第２ポンプの回転数を最大にしても給気温度が設定温度を超える場合には、Ａ２モードに移行する制御を行う。
また、制御装置４０は、例えば、Ａ２モードで運転中、ファン２３の回転数を最大にしても給気温度が設定温度を超える場合には、第２モードに移行する制御を行う。

また、制御装置４０は、例えば、第２モードで運転中、第１熱交換器への冷水供給量をゼロにしても給気温度が設定温度を下回る場合には、Ａ２モードに移行する制御を行う。
以上説明したように、本例の雪氷利用空調システム等によれば、雪氷を利用する空調システムであって、冷凍機を使用せず、間接外気冷房機と雪氷冷水冷房機とにより構成されることで省エネ効果が高い空調システムを提供する。更に、特に間接外気冷房機と雪氷冷水冷房機とを効率的に運用することで、より高い省エネ効果が得られるようにできる。環境の変化に応じて、例えば外気温等に応じて、間接外気冷房機を単独運転する場合と、雪氷冷水冷房機を単独運転する場合と、間接外気冷房機と雪氷冷水冷房機とを併用運転する場合とを、適切に使い分けることで、高い省エネ効果が得られる。

あるいは、更に、例えば上記Ａ１モード、Ａ２モード等のように、更に詳細なモードを設けて、詳細モードに応じたモード遷移制御等を行うことで、給気温度を設定値に維持しつつより高い省エネ効果を得られるような、適切な運転を行うことが可能となる。

１０ 内気ユニット
１１ 顕熱交換器
１２ 熱交換器
１３ ファン
１４ 配管
１５ 給気温度センサ
１６ 還気温度センサ
２０ 外気ユニット
２１ 顕熱交換器
２２ ポンプ
２３ ファン
２４ 外気温度センサ
３１ 冷水ポンプ
３２ 冷水三方弁
３３ 冷水管
４０ 制御装置

Claims (11)

1. 空調対象空間からのリターン空気である還気を、外気を利用して冷却するための間接外気冷房機と、
   雪山によって生成される冷水を第１熱交換器に供給する為の冷水管及び第１ポンプと、該冷水が供給されているときには前記間接外気冷房機を通過後の前記還気と前記冷水とを熱交換させる前記第１熱交換器を有する雪氷冷水冷房機と、
   制御装置とを有し、
   該制御装置は、前記間接外気冷房機が単独で運転する第１モード、前記間接外気冷房機と前記雪氷冷水冷房機を併用運転する第２モードと、前記雪氷冷水冷房機単独で運転する第３モードの各モードを用いて、前記間接外気冷房機と前記雪氷冷水冷房機を制御することを特徴とする雪氷利用空調システム。
2. 前記第１熱交換器を通過後の空気が給気として前記空調対象空間へ供給され、
   該給気の温度を計測する給気温度計測手段を更に有し、
   前記制御装置は、前記第１モードで運転中に前記間接外気冷房機の最大冷房能力で運転しても前記給気温度を設定値に維持できない場合には、前記第２モードに切り換える制御を行うことを特徴とする請求項１記載の雪氷利用空調システム。
3. 前記外気の温度を計測する外気温度計測手段と、
   前記還気の温度を計測する還気温度計測手段とを更に有し、
   前記制御装置は、前記第２モードで運転中に前記外気温度が前記還気温度を越えた場合には、前記間接外気冷房機を運転停止して前記第３モードへ移行する制御を行うことを特徴とする請求項２記載の雪氷利用空調システム。
4. 前記制御装置は、前記第３モードで運転中に前記外気温度が前記還気温度を下回った場合には、前記間接外気冷房機を運転再開して前記第２モードへ移行する制御を行うことを特徴とする請求項３記載の雪氷利用空調システム。
5. 前記制御装置は、前記第１モードで運転中は、前記第１熱交換器への冷水供給を停止することを特徴とする請求項１記載の雪氷利用空調システム。
6. 前記第１熱交換器を通過後の空気が給気として前記空調対象空間へ供給され、
   該給気の温度を計測する給気温度計測手段を更に有し、
   前記雪氷冷水冷房機は、更に、前記第１熱交換器への冷水供給量を調整する為の三方弁を備え、
   前記制御装置は、前記第２モードまたは前記第３モードで運転中は、該三方弁を制御して、前記給気温度が設定温度となるように前記第１熱交換器への冷水供給量を調整することを特徴とする請求項１記載の雪氷利用空調システム。
7. 前記間接外気冷房機は、外気と冷媒とを熱交換させる第２熱交換器と、空調対象空間からのリターン空気である還気と前記冷媒とを熱交換させる第３熱交換器と、前記第２熱交換器と第３熱交換器とに前記冷媒を循環させる為の配管及び第２ポンプを有する間接外気冷房機であり、
   前記第１熱交換器を通過後の空気が給気として前記空調対象空間へ供給され、
   該給気の温度を計測する給気温度計測手段と、前記外気を前記第２熱交換器に供給する為のファンを有し、
   前記制御装置は、前記第１モードで運転中は、前記給気温度が設定温度となるように前記第２ポンプの回転数または前記ファンの回転数を制御することを特徴とする請求項１記載の雪氷利用空調システム。
8. 前記第１モードは、前記ファンを最低回転数一定とし且つ前記第２ポンプの回転数を制御するモードであるＡ１モードと、前記第２ポンプを最大回転数一定とし且つ前記ファンの回転数を制御するＡ２モードを有し、
   前記制御装置が、該Ａ１モードとＡ２モードの何れか一方のモードで運転制御する場合があることを特徴とする請求項７記載の雪氷利用空調システム。
9. 前記制御装置は、前記Ａ１モードで運転中、前記第２ポンプの回転数を最大にしても前記給気温度が設定温度を超える場合には、前記Ａ２モードに移行する制御を行うことを特徴とする請求項８記載の雪氷利用空調システム。
10. 前記制御装置は、前記Ａ２モードで運転中、前記ファンの回転数を最大にしても前記給気温度が設定温度を超える場合には、前記第２モードに移行する制御を行うことを特徴とする請求項８記載の雪氷利用空調システム。
11. 前記制御装置は、前記第２モードで運転中、前記第１熱交換器への冷水供給量をゼロにしても前記給気温度が設定温度を下回る場合には、前記Ａ２モードに移行する制御を行うことを特徴とする請求項８記載の雪氷利用空調システム。