JP2016121861A - 雪氷利用空調システム、その制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】長期間での雪山の効果的な利用を実現でき、以って長期間での優れた省エネ効果が得られるようにできる。
【解決手段】閾値記憶部５１は、予め雪氷冷房機、冷凍式冷房機、外気利用型冷房機の運転切換え判定の為の閾値であって、外気温度に係わる閾値を記憶する。設計値記憶部５２は、予め各期間の雪氷残存量の設計値を記憶する。判定部５３は、外気温度計測値と、測定された雪氷残存量と、閾値と、設計値とに基づいて、雪氷冷房機、冷凍式冷房機、外気利用型冷房機の何れを運転させるのかを判定する。
【選択図】図１０

Description

本発明は、冷凍式冷房機と雪氷冷房機を有する雪氷利用空調システムに関する。

昨今、主に寒冷地のデータセンター等に係わる空調システムとして、省エネ化を目的として、従来型の圧縮機による冷凍式冷房設備（以下、冷凍式冷房機）に、外気利用型空調設備（以下、外気利用型冷房機）や雪氷冷房設備（以下、雪氷冷房機）を併設して成る空調システムが、提案されている。雪氷冷房機は、冬季において降雪を用いて雪山を作成しておき、他の季節（春季、夏季、秋季）において、この雪山の冷熱を利用して冷房を行うものである。

この様な空調システムでは、例えば、外気温度が冷房対象空間（サーバ室等）の温度条件よりも低い場合には外気利用型冷房機を運転し、サーバ室等の温度条件を上回る場合には冷凍式冷房機もしくは雪氷冷房機を運転する制御が、実行される。尚、通常、雪山は外気利用型冷房機が使えない期間まで保存される。例えば、通常、夏季は、外気温度が高いので外気利用型冷房機は使えない（運転すると逆効果になる；つまり、室内空気を外気によって暖めることになる）。

一般に、同じ冷房能力に対してその消費電力は外気利用型冷房機、雪氷冷房機、冷凍式冷房機の順に大きくなる。つまり、冷凍式冷房機が最も消費電力が大きいので、冷凍式冷房機は出来るだけ運転しないようにすることが、省エネの観点からは望ましいことになる。

また、冷凍式冷房機は、外気温度が高いほど成績係数が悪いため、電力を多く消費する。つまり、冷凍式冷房機は、夏季に運転すると、成績係数が悪いため電力を多く消費する。よって、省エネの観点からは、夏季は、出来るだけ冷凍式冷房機を運転しないようにすることが望ましいことになる。

また、例えば特許文献１の従来技術が知られている。
特許文献１の発明は、中間期や冬季において外気を利用した外気冷房を効果的に行いつつ給気の加湿不足を防止し、中間期や夏季の冷房負荷が大きい時に運転エネルギの大幅低減が図れるようにするものである。

特許文献１の技術では、例えば、機械室２には、外気導入口３に連通する外気通路４と、還気取入口５を介し空調対象室６に連通する還気通路７と、外気通路４及び還気通路７に区画して連通する混合部９と、混合部９と区画して連通し且つ給気風路１０を介し空調対象室６に連通する給気通路１１とを備える。また、室外には、雪を堆積した雪貯蔵部３０を備え、還気通路７には還気ＲＡを断熱加湿する１段目加湿器１２を設置する。また、給気通路１１には、冷却コイル１５と混合気ＭＡを断熱加湿する２段目加湿器１４と給気ファン１９とを設置する。また、外気通路４には外気ファン２３、空調対象室６には排気ファン２７を夫々設置し、外気通路４に外気ＯＡと雪冷外気ＳＯＡを切り換えて導き、冷却コイル１５に雪冷水３６の冷熱を導くようにする。

特開２０１２−１４５２８９号公報

冷房対象空間（サーバ室等）の冷房負荷に対して雪山に十分な容量があれば、冷凍式冷房機を運転する必要はないが、雪山を構築するための十分な広さの土地がない、あるいは雪氷冷房機を構築する費用に制限がある場合などは、雪山の量が縮小され、冷凍式冷房機が併設される。

このような場合、上述したことから、外気温度のピーク時期以外は冷凍式冷房機を運転し、外気温度のピーク時期は冷凍式冷房機を停止して雪氷冷房機を運転する方が省エネ運転となる。上記の通り、夏季等の外気温度ピーク時期に冷凍式冷房機を運転することは、省エネの観点からは最も効率が悪い運転方法であるからである。

図１１に、運転例を示す。
図１１は、横軸は１年分の月日、縦軸は外気温度（℃）であり、１年間の外気温度の推移を、実線で示してある。これは、過去の１０年分や２０年分の外気温度の平均値を示すものである。

図示のように、外気温が低い時期（１月〜５月の冬季、春季；１０月〜１２の秋季、冬季）には、外気利用型冷房機を運転させる。換言すれば、外気利用型冷房機が機能する環境であれば、最も消費電力が少ない冷房機である外気利用型冷房機を運転させる。そして、外気温が高くなって外気利用型冷房機では冷房対象空間（サーバ室等）を十分に冷却できない状況になったら（ここでは１８℃以上の環境下では）、雪氷冷房機または冷凍械式冷房機を運転する。これは、上記のことから、外気温度のピーク時期（夏季）は雪氷冷房機を運転することが、省エネの観点からは望ましい。これより、図示の例では、外気温が１８℃以上の環境において、外気温が２０℃以上のときには（特に夏季等のピーク時期においては）雪氷冷房機を運転し、２０℃未満のときには冷凍械式冷房機を運転する。図示の例では、７月始めから９月中頃までの２．５ヶ月間、雪氷冷房機を運転している。これは、雪山の構築量が、２．５ヶ月分あるものであり、９月中頃の時点で雪山は消滅している。

任意の年の外気温が、図１１に実線で示す平均外気温度とほぼ同一であるならば、その年の運転状況はほぼ図１１に示す通りとなるはずである（その様になるように、雪山の量などに応じて上記運転切換え判定の為の閾値（２０℃）を、予め設定している）。つまり、外気温度のピーク時期（夏季）に雪氷冷房機を運転することができ、以って全体としての電力消費量を軽減することができる。

しかしながら、任意の年の外気温が、例えば図１２に点線で示すように、上記平均外気温度よりも高い場合、問題となる。特に、図１２に点線で示すように、夏季になる前に外気温が平年より高い状態が続くと、図１２に示すように、図１１で示す例よりも早い時期から雪氷冷房機の運転を行うことになる。上記の制御例では、２０℃以上のときには雪氷冷房機を運転する為、点線で示す例では５月中に２０℃以上となって、雪氷冷房機の運転を行うことになる。

ここで、上記のようにこの一例では、雪山は２．５ヶ月分しかないので、上記のように通常より早い時期から雪氷冷房機を運転する状況になると、通常よりも早い時点で（図示の例では８月上旬）、雪山を使い切ってしまうことになる。つまり、外気温度のピーク時期の途中で、雪山が無くなってしまい、その後は、１８℃以上の環境では冷凍式冷房機を運転せざるを得なくなる。この為、図示のように、外気温度のピーク時期であっても（２０℃以上の環境下でも）冷凍式冷房機を運転することになってしまう。上記の通り、冷凍式冷房機は、外気温度が高いと成績係数が悪いため、電力消費量が増大する。

この様に、外気温度が平年より高い年には、外気温度がピーク時期（夏季）を迎える前やピーク時期の途中で、雪山を使い切ってしまい、消費電力が大きい冷凍式冷房機を夏季等に運転することになるという問題が生じる。

一方、冷凍式冷房機を優先すると雪山を残すことになってしまい雪氷冷房機を有効に活用できない。
少なくとも雪氷冷房機と冷凍械式冷房機が併設された空調システムに関して、上記のような問題を解消し、高い省エネ効果が得られるようになることが期待されている。

本発明の課題は、冷凍式冷房機と雪氷冷房機を有する空調システムにおいて、外気温度が平年より高い年もしくは低い年でも、雪山を効果的に利用でき且つ有効に使い切り、省エネ運転となるように制御できる空調システム等を提供することである。

本発明の雪氷利用空調システムは、雪山を用いる雪氷冷房機と、冷凍式冷房機と外気利用型冷房機とを備え、該各冷房機の運転切換え制御を行う制御装置を有する雪氷利用空調システムであって、外気温度を計測する外気温計測手段と、前記雪山の雪氷残存量を測定する雪氷残存量計測手段とを有する。

そして、前記制御装置は、以下の各機能手段を有する。
・予め前記雪氷冷房機、冷凍式冷房機、外気利用型冷房機の運転切換え判定の為の閾値であって前記外気温度に係わる閾値を記憶する閾値記憶手段；
・予め各期間毎の雪氷残存量の設計値を記憶する設計値記憶手段；
・前記外気温度計測値と、前記測定された雪氷残存量と、前記閾値と、前記設計値とに基づいて、前記雪氷冷房機、冷凍式冷房機、外気利用型冷房機の何れを運転させるのかを判定する判定手段。

以上説明したように、本発明によれば、冷凍式冷房と外気利用型冷房と雪氷冷房とを備える空調システムにおいて、外気温度が平年より高い年もしくは低い年でも、雪山を効果的に利用でき且つ有効に使い切り、省エネ運転となるように制御できる。

本例の雪氷利用空調システムの構成図である。 本例の雪氷利用空調システムの他の例の構成図である。 運転制御の処理フローチャート図である。 設計雪山残存量割合データの具体例である。 外気温が平年より高い年における本手法による概略的な運転内容を示す図である。 外気温が平年より低い年における本手法による概略的な運転内容を示す図である。 雪氷残存量検出処理の具体例（その１）を示す図である。 雪氷残存量検出処理の具体例（その２）を示す図である。 本例の雪氷利用空調システムの他の構築例である。 本例の雪氷利用空調システムの機能ブロック図である。 従来の運転例（その１）である。 従来の運転例（その２）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は、冷凍式冷房機と外気利用型冷房機と雪氷冷房機とを備える空調システムである。尚、本発明の雪氷利用空調システムは、少なくとも冷凍式冷房機と雪氷冷房機とを備える空調システムである。

図示の例では、まず、上記冷凍式冷房機の構成として、図示の蒸発器１１、圧縮機１４、凝縮器１３、膨張弁１２が備えられている。配管１５を介してこれら各構成１１〜１４を冷媒が循環する。冷凍式冷房機は、これらの一般的な構成を用いた一般的な蒸気圧縮式冷凍サイクルによる冷房装置であるので、詳細には説明しないものとする。

また、上記外気利用型冷房機の構成としては、図示の内気熱交換器２１、外気熱交換器２２、ポンプ２３が備えられている。配管２４を介して、ポンプ動力によって、任意の冷媒が内気熱交換器２１と外気熱交換器２２とを循環する。これによって、冷媒を介して間接的に、外気ＯＡと還気ＲＡとの熱交換が行われる構成である。これより、図示の外気利用型冷房機は、間接外気利用型冷房機などと呼ばれている。間接外気利用型冷房機も、既存の構成であるので、これ以上詳細には説明しない。

ここで、図示の一例の場合、上記各構成は、室内側に設けられる室内ユニット２内、室外側に設けられる室外ユニット３内の何れか一方に設けられている。尚、ここでは、任意の建物の壁１を境にして、建物内が室内側、建物外が室外側とする。尚、室内ユニット２、室外ユニット３は、例えば直方体の形状の筐体を有するものであるが、この例に限らない。

室内ユニット２内には、上記蒸発器１１、内気熱交換器２１や、図示の内気ファン３１などが設けられる。尚、図示の例では上記膨張弁１２も内気ユニット２内にあるが、膨張弁１２は必ずしも内気ユニット２内に設けなくても構わない。

また、室外ユニット３内には、上記凝縮器１３、外気熱交換器２２や、図示の外気ファン３２が設けられる。尚、図示の例では、上記ポンプ２３や圧縮機１４も外気ユニット３内に設けられているが、これらの各構成（２３，１４）は、必ずしも外気ユニット３内に設けなくても構わない。

データセンター等である上記建物内には、不図示の冷房対象空間（例えばサーバ室等）が、設けられている。上記室内ユニット２には、この冷房対象空間からのリターン空気（暖気）である図示の還気ＲＡが流入し、これを上記蒸発器１１、内気熱交換器２１を通過させて上記冷媒と熱交換させることで冷気にする。そして、この冷気が図示の給気ＳＡとして冷房対象空間に供給される。この様な空気の流れは、上記内気ファン３１によって形成される。

また、室外ユニット３には、建物外の空気（外気ＯＡ）が流入されて、凝縮器１３や外気熱交換器２２等と熱交換させて、図示の排気ＥＡとして排出する。この様な空気の流れは、外気ファン３２によって形成される。

また、雪氷冷房機の構成としては、図示の熱交換器４１、熱交換器４２、二次側冷水ポンプ４３、一次側冷水ポンプ４４、三方弁４５、二次側配管４６、一次側配管４７等がある。一次側配管４７内には、雪山によって生成される冷水（例えば雪解け水など）が流れており、この冷水が一次側冷水ポンプ４４によって熱交換器４２に供給される。また、熱交換器４２への冷水供給量は、三方弁４５の弁開度制御によって調整される。

また、二次側配管４６内には水が流れており、この水が二次側冷水ポンプ４３によって熱交換器４１と熱交換器４２を循環している。雪氷冷房機を運転中には、この水が熱交換器４２において上記一次側の冷水によって冷却されて冷水となり、この冷水が熱交換器４１に供給されることになる。そして、熱交換器４１において、この冷水によって外気ＯＡを冷却することになる。

ここで、図示の例では、熱交換器４１は、外気の流れの上流側（外気熱交換器２２より上流側）に設けられており、外気ＯＡは、まず熱交換器４１を通過した後に、外気熱交換器２２等を通過することになる。よって、雪氷冷房機を運転中には、外気ＯＡは、熱交換器４１によって冷却されて温度低下して、外気熱交換器２２等に供給されることになる。

外気利用型冷房機は、上記のことから、実質的に単純に外気ＯＡと還気ＲＡとの熱交換を、間接的に行うものと見做して構わない。よって、外気熱交換器２２に供給される外気ＯＡの温度が、還気ＲＡの温度以上である場合には、外気利用型冷房機は、実質的に機能しない。しかしながら、この様な状態においても、上記雪氷冷房機を運転状態にして外気ＯＡの温度が還気ＲＡの温度未満まで下がれば、外気利用型冷房機は機能することになる。

これより、図１の構成例の場合、雪氷冷房機を運転状態とするときには、基本的に、外気利用型冷房機も運転状態とするものとする。但し、これは図１の構成例の場合の話であり、図２の他の構成例の場合には、雪氷冷房機のみを単独で運転させるようにしてもよい。

図２に、他の構成例を示す。
図２については、図１と異なる点についてのみ説明するものとする。
図２が図１と異なる点は、上記熱交換器４１の設置箇所である。

すなわち、図２に示すように、熱交換器４１を、内気ユニット２内に設けている。そして、これによって、熱交換器４１において、上記二次側の冷水と、上記還気ＲＡとの熱交換を行わせる構成となっている。よって、雪氷冷房機を運転中には、熱交換器４１によって還気ＲＡが冷却されて冷気となって、この冷気が上記給気ＳＡとして上記冷房対象空間に供給されることになる。

また、図２では省略して示しているが、図２においても図１と同様、上記冷凍式冷房機の構成、すなわち蒸発器１１、圧縮機１４、凝縮器１３、膨張弁１２が、備えられている。そして、図示はしないが、蒸発器１１は、熱交換器４１の下流側に設けられる。つまり、内気ユニット２内に流入した還気ＲＡは、内気熱交換器２１→熱交換器４１→蒸発器１１の順に通過して、給気ＳＡとして送出されることになる。

これより、冷凍式冷房機を運転中には、蒸発器１１によって還気ＲＡが冷却されて冷気となって、この冷気が上記給気ＳＡとして上記冷房対象空間に供給されることになる。
勿論、外気利用型冷房機を運転中には、内気熱交換器２１によって還気ＲＡが冷却されて冷気となって、この冷気が上記給気ＳＡとして上記冷房対象空間に供給されることになる。

ここで、図１、図２の何れの構成の場合にも、図示の雪氷空調システムは、図示の制御装置５０によって制御される。制御装置５０は、不図示の通信線を介して、例えば上記圧縮機１４、ポンプ２３、二次側冷水ポンプ４３、一次側冷水ポンプ４４の起動／停止制御や、三方弁４５の弁開度の調整制御等を行う。これによって、制御装置５０は、冷凍式冷房機、外気利用型冷房機、雪氷冷房機それぞれの運転開始／運転停止の制御を行う。あるいは、制御装置５０は、内気ファン３１、外気ファン３２の回転数の制御等も行い、これによって給気ＳＡの温度が所定の設定温度となるように調整する。

制御装置５０は、例えば不図示のＣＰＵ／ＭＰＵ等の演算プロセッサやメモリ等の記憶部や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で、本説明における制御装置５０の各種制御処理が実現されるものであり、特に後述する図３の処理が実現されるものである。

ここで、本手法では、基本的に、冷凍式冷房機、外気利用型冷房機、雪氷冷房機の併用運転は、行わないものとする。例えば、雪氷冷房機を運転中は、冷凍式冷房機と外気利用型冷房機は、運転停止状態とするものとする。但し、例外として、上記図１のような構成とした場合には、雪氷冷房機を運転中、外気利用型冷房機も運転状態とするものとする。但し、これは例外であるので、以下の説明では、この点は特に言及しないものとする。

ただし、外気利用型冷房機が運転している状態において、給気ＳＡの温度が所定の設定値より高い場合には、給気ＳＡの温度を所定の設定値まで低下させるために冷凍式冷房機を併用運転させても良い。また、雪氷冷房機が運転している状態において、給気ＳＡの温度が所定の設定値より高い場合には、給気ＳＡの温度を所定の設定値まで低下させるために冷凍式冷房機を併用運転させても良い。

また、図１、図２中には図示していないが、各種センサが設けられており、特に外気ＯＡの温度を計測する不図示の温度センサが、設けられている。制御装置５０は、不図示の信号線を介して、この外気温度計測値を随時入力する。勿論、不図示の他のセンサの計測値も入力するが、これについては特に説明しない。

そして、制御装置５０は、予め登録されている“設計雪山残存量割合データ”と、上記外気温度計測値等に基づいて、図３の処理を実行する。図３の処理は、定期的に（本例では１分毎に）実行される。図３の処理は、上記冷凍式冷房機、外気利用型冷房機、雪氷冷房機の何れを運転状態とするのかを決定する処理である。

ここで、図４に上記“設計雪山残存量割合データ”の具体例を示す。
図３の処理の説明の前に、まず、この“設計雪山残存量割合データ”の具体例について説明する。尚、例えば図４に示すような“設計雪山残存量割合データ”は、予め雪氷冷房機設計者等によって任意に作成されて、例えば上記不図示の記憶部等に記憶されている。

図４に示す例の“設計雪山残存量割合データ”は、１月〜１２月の各月の月末における雪山残存量割合（％）の設計値が示されていると共に、６月〜８月に関しては更に中間（１５日）における雪山残存量割合（％）の設計値も示されている。換言すれば、各期間に、その期間に対応する雪山残存量割合（％）の設計値が、図示の「雪氷残存量割合」の欄に示されている。図示の例では、３月に雪山を構築しており、このときの雪の量を１００（％）として、各月の月末や中間における雪山残存量を、割合（％）で示している。但し、この例に限らず、雪山残存量（ｍ^３）そのものを用いても構わないが、本説明では基本的には雪山残存量割合（％）を用いる例で説明するものとする。

上記各期間は、図４に示す一例の場合には、６月〜８月に関しては半月単位（各月の前半、後半）となり、それ以外の月に関しては一ヶ月単位となる。図示の「雪氷残存量割合」の欄には、各期間の最終日が示されている。つまり、例えば、図示の７月１５日は、７月の前半の期間、すなわち７月１日〜７月１５日の期間を意味している。そして、図４の例では、７月前半の期間に対応する雪山残存量割合（％）の設計値は、８０％となっている。

尚、上記各期間に対応する雪山残存量割合（％）の設計値は、例えば上記図１１等において実線で示した過去の平均外気温度と、例えば３月に構築した雪山の量などに基づいて、雪氷冷房機設計者等が、任意に決定しているものである。尚、上記雪山残存量割合（％）の設計値を、設計雪山残存量割合と記す場合もあるものとする。

本手法では、上記各期間に、実際の雪山残存量割合が、その期間に対応する上記設計雪山残存量割合（％）未満とならないように、制御する。これより、図４に示す一例の場合には、例えば７月前半の期間に関しては、この期間内に実際の雪山残存量割合が８０％未満とならないように制御することになる。

本手法では、基本的には、外気温度が１８℃未満のときには外気利用型冷房機を運転させ、外気温度が１８℃以上且つ２０℃未満の場合には冷凍式冷房機を運転させ、外気温度が２０℃以上の場合には雪氷冷房機を運転させる。勿論、この制御も上記制御装置５０が実行する。ただし、外気利用型冷房機が運転している状態において、給気ＳＡの温度が所定の設定値より高い場合には、給気ＳＡの温度を所定の設定値まで低下させるために冷凍式冷房機を併用運転させても良い。また、雪氷冷房機が運転している状態において、給気ＳＡの温度が所定の設定値より高い場合には、給気ＳＡの温度を所定の設定値まで低下させるために冷凍式冷房機を併用運転させても良い。

外気温度がある程度低くないと、外気利用型冷房機が有効に機能せず、冷房対象空間を設定温度に維持することが困難となる為、外気温度が１８℃以上になったら少なくとも外気利用型冷房機の単独運転は行わないものとする。また、上記の通り、主に夏季において、つまり、外気温が非常に高い状況において、冷凍式冷房機を運転すると、成績係数が悪いため電力を多く消費する為、上記の通り外気温度が２０℃以上の場合には雪氷冷房機を運転させる。

しかしながら、例えば任意の期間中、雪氷冷房機を運転させていたが、当該期間中のある時点において、実際の雪山残存量割合が、その期間に対応する上記設計雪山残存量割合（％）になったら、その期間中はそれ以降、雪氷冷房機の運転を停止し、基本的には冷凍式冷房機を運転させる。勿論、この場合でも、外気温度が１８℃未満のときには外気利用型冷房機を運転させる。

図４の例では、例えば図示の７月１５日に対応する設計雪山残存量割合（％）は８０％であるので、７月１日〜７月１５日の期間中に、雪氷冷房機の運転を行った為に実際の雪山残存量割合（％）が減少していってある時点で８０％になったら、この期間中の残りの間は、外気温度が２０℃以上であっても雪氷冷房機は運転しない。代わりに、外気温度が１８℃以上の場合には冷凍式冷房機を運転する。

図３は、上記運転制御の処理フローチャート図である。
尚、この運転制御は制御装置５０が実行する。
制御装置５０は、定期的に（図示の例では１分毎に）、外気温度の読み込みを行う（ステップＳ１１）。読み込む外気温度は、図示の例では、移動平均値とする。すなわち、制御装置５０または他の不図示の計測装置等は、所定周期で（図示の例では１分毎に）、不図示の外気温度センサによる外気ＯＡの温度の計測値を取得する（ステップＳ３１）。そして、１分毎に、この１０分間の計測結果に基づいて、１０分間の外気温度計測値の移動平均を演算する（ステップＳ３２）。この例では、上記ステップＳ１１で、この演算結果（外気温度計測値の移動平均）を取得することになる。

勿論、これは一例であり、以下の説明ではステップＳ１１で単に外気温度計測値を取得したものとして説明する。
まず、上記ステップＳ１１で取得した外気温度計測値が、１８℃を越えているか否かを判定する（ステップＳ１２）。そして、外気温が１８℃以下である場合には（ステップＳ１２、ＮＯ）、外気利用型冷房機を運転させる。

上記外気温度計測値が、１８℃を越えている場合には（ステップＳ１２，ＹＥＳ）、更に、外気温度計測値が２０℃を越えているか否かを判定する（ステップＳ１３）。
外気温度計測値が２０℃を越えている場合には（ステップＳ１３，ＹＥＳ）、上記の通り、基本的には雪氷冷房機を運転するのであるが、ステップＳ１４、Ｓ１５の処理を行うことで、例外的に冷凍式冷房機を運転させる場合もあり得る。

すなわち、ステップＳ１３の判定がＹＥＳの場合、現在の雪氷の残存量を検出して上記割合（％）を求めて(ステップＳ１４)、この現在の実際の雪山残存量割合が、現時点が含まれる期間に対応する設計雪山残存量割合より大きいか否かを判定する（ステップＳ１５）。例えば、現時点が７月前半（７月１日〜７月１５日）の期間中の任意の日である場合には、この期間に対応する設計雪山残存量割合である８０％を用いることになる。

尚、上記割合ではなく、雪山残存量そのものを用いて、上記ステップＳ１５などの判定を行うようにしてもよい。
そして、現在の実際の雪山残存量割合が、現時点が含まれる期間に対応する設計雪山残存量割合より大きい場合には（ステップＳ１５，ＹＥＳ）、雪氷冷房機を運転する（ステップＳ１６）。そして、ステップＳ１１に戻る。

一方、現在の実際の雪山残存量割合が、現時点が含まれる期間に対応する設計雪山残存量割合以下である場合には（ステップＳ１５，ＮＯ）、冷凍式冷房機を運転する（ステップＳ１９）。この場合は、更に、冷凍冷房機が安定運転に入るまでの時間を確保し、且つ頻繁な運転と停止を避けるためにタイマを起動して（ステップＳ２０）、任意の時間（図示の例では５分）経過するまで待ってから（ステップＳ２１）ステップＳ１１に戻る。

一方、外気温度計測値が２０℃以下である場合（且つ、ステップＳ１２より、１８℃を越えている場合）には（ステップＳ１３，ＮＯ）、上記の通り、基本的には冷凍式冷房機を運転するのであるが、ステップＳ１７、Ｓ１８の処理を行うことで、例外的に雪氷冷房機を運転させる場合もあり得る。

まず、ステップＳ１７の処理は、上記ステップＳ１４の処理と同じである。そして、この処理によって得られる上記現在の実際の雪山残存量割合が、上記現時点が含まれる期間に対応する設計雪山残存量割合より小さいか否かを判定する（ステップＳ１８）。

そして、実際の雪山残存量割合が、設計雪山残存量割合より小さい場合には（ステップＳ１８、ＹＥＳ）、冷凍式冷房機を運転させる(ステップＳ１９)。この場合も、更に、タイマを起動して（ステップＳ２０）、任意の時間（図示の例では５分）経過するまで待ってから（ステップＳ２１）ステップＳ１１に戻る。

一方、実際の雪山残存量割合が、設計雪山残存量割合より大きい場合には（ステップＳ１８、ＮＯ）、雪氷冷房機を運転する（ステップＳ１６）。そして、ステップＳ１１に戻る。

尚、上述した処理は、一例であり、この例に限らない。例えば、他の例として、上記ステップＳ１５、Ｓ１８の判定に用いる設計値を、２種類、用意しておくようにしてもよい。例えば、図４の雪氷残存量割合の欄に示す設計値を第１設計値と記すものとするならば、図示しない第２設計値も更に事前に作成されて、上記“設計雪山残存量割合データ”に含まれているものとする。そして、ステップＳ１５、Ｓ１８の判定の際に、上記第１設計値、第２設計値の何れか一方または両方を用いるようにしてもよい。この様に、ステップＳ１５，Ｓ１８の判定で用いる閾値（設計値）は、１種類とは限らない。

図５に、外気温が平年より高い年における本手法による概略的な運転内容を示す図である。
図５においては、過去の外気温の平均値を実線で示すと共に、ある年の外気温を点線で示す。尚、何れの場合も、１年間（１月〜１２月）について示している。上記実線と点線で示す通り、ある年における外気温は、平年（過去の外気温の平均値）より高くなっている。

この為、上記点線及び実線と、図示の各閾値（１８℃と２０℃）を比較すれば分かるように、外気温が２０℃を越えている期間が、実線に比べて点線の方が非常に長い。基本的には外気温が２０℃を越えているときには雪氷冷房機を運転させるので、それだけでは雪氷冷房機の運転時間が、非常に長くなり、上記図１２に示したように途中で雪山が消滅してしまう。この為、上記図１２に示したように、外気温が非常に高い夏季にも冷凍式冷房機を運転せざるを得なくなり、雪氷利用空調システム全体の１年間トータルの消費電力が増大する。

しかしながら、本手法では、上記図３等のような制御を行うことで、図５に示すように、２０℃を越えているときでも冷凍式冷房機を運転させる場合がある。これは、上記の通り、各期間に実際の雪氷残存量（雪山残存量割合）がほぼ設計値通りとなるように制御した結果であり、これによって外気温がピークとなる時期（夏季など）が始まる時点での雪氷残存量は、夏季に必要な分が残っている。これより、図示のように、外気温のピーク時期（夏季など）に、途中で雪山が消滅してしまうことなく、雪氷冷房機を運転させることができる。

これより、外気温のピーク時期（夏季など）における冷凍式冷房機の運転時間を最小限に留めることができ、以って高い省エネ効果が得られることになる。
尚、図５等は運転状況を概略的に示しているが、例えば図示の冷凍式冷房機の運転期間中には、冷凍式冷房機だけしか運転していないというわけではない。例えば、一時的に気温が低くなった日があったならば、この日は外気利用型冷房を運転させている場合もあり得る。あるいは、実際の雪氷残存量が設計値となるまでは雪氷冷房機を運転させている場合もあり得る。あるいは、例えば一日のなかで気温は変化するので、例えば早朝等に外気温が１８℃未満となっているときには、外気利用型冷房を運転させている場合もあり得る。

また、図６には、外気温が平年より低い年における本手法による概略的な運転内容を示す図である。
図６においては、過去の外気温の平均値を実線で示すと共に、ある年の外気温を点線で示す。尚、実線は、図５と同じであってよい。

図６の例では、点線で示す外気温は、実線で示す平年の外気温よりも小さい為、例えば７月末における雪氷残存量が、平年の外気温から想定された雪氷残存量設計値よりも多かったものとする。この為、図示のように、７月前半は、外気温が１８℃〜２０℃の範囲内であり本来であれば冷凍式冷房機を運転させる状況においても、雪氷冷房機を運転させる。尚、これによって、雪氷残存量が減少するが、上記設計値以下とならない限りは、雪氷冷房機の運転を続行する。

そして、図示の例では、７月後半は、外気温が非常に低下して１８℃未満となった為、外気利用型冷房を運転させることになった。この為、雪氷が計画通りに消化されず、実際の雪氷残存量が計画（設計値）より多かった為、その後に外気温が１８℃〜２０℃の範囲内であっても、冷凍式冷房機ではなく雪氷冷房機を運転させている。勿論、外気温が２０℃を越えているときには、雪氷冷房機を運転させている。勿論、その期間の途中で実際の雪氷残存量が設計値以下となったら、その期間の残りは外気温が１８℃〜２０℃の範囲では冷凍式冷房機を運転することになる。

その後、秋になり外気温が１８℃未満の時期には、図示のように、外気利用型冷房を運転させることになる。なお、外気利用型冷房機を運転させている状態において、給気ＳＡの温度が所定の設定値より高い場合であって、かつ雪氷残存量が設計値以上の場合には、給気ＳＡの温度を所定の設定値まで低下させるために雪氷冷房機を併用運転させても良い。冷凍冷房機を運転させるよりも、省エネ効果が高いからである。

上記のように、雪氷残存量が計画より多ければ、冷凍式冷房機を運転させる状況であっても雪氷冷房機を運転させることで、年間トータルでの冷凍式冷房機の運転時間を減少させることができ、以って年間トータルの消費電力量を減少させることができる。つまり、雪氷冷房機を出来るだけ有効利用して、高い省エネ効果が得られるようにできる。

以下、上記ステップＳ１４、Ｓ１７の雪氷残存量検出処理の具体例について、図７〜図８を参照して説明する。
図７には具体例１、図４には具体例２を示す。

まず図７を参照して、具体例１について説明する。
具体例１と後述する具体例２は、当初の雪山の冷熱量と、任意のときまでに雪山から取り出した冷熱量（取得冷熱量）の積算値とによって、雪山残存量割合を推定するものである。

その為に、図７に示す具体例１の構成では、例えば図２に示す構成に対して、熱量演算装置６１、流量計６２、出口水温センサ６３、入口水温センサ６４を設けている。
流量計６２は、上記一次側配管４７内を流れる冷水（雪解け水など）の流量を計測する流量計である。この流量計測値が、後述する（１）式におけるＬ（雪山循環水量）として用いられる。

出口水温センサ６３は、この冷水の雪山からの出口側における温度を計測する温度センサである。入口水温センサ６４は、この冷水の雪山への入口側における温度を計測する温度センサである。これら２つの水温センサによる計測温度の差分が、後述する（１）式におけるΔＴとなる。

熱量演算装置６１は、随時、上記各センサ６２，６３，６４による計測結果を取得して、この計測データを用いて例えば下記の（１）式により、雪山から取り出した冷熱量（取得冷熱量）Ｑwを算出する。

Ｑw = L × ΔT × ｃ × ρw ・・・（１）式
Ｑw：取得冷熱量（MJ/h)
L：雪山循環水量（L/h)
ΔT：雪山入口水温と出口水温の温度差（℃)
c：水の比熱（4.186MJ/kg℃)
ρw：水の密度（kg/L)
上記ＬとΔＴは、既に説明したように、上記各センサ６２，６３，６４の計測値を用いる、または計測値から算出されるものである。また、上記ｃとρwの値は、予め設定されている。これら計測値や設定値を用いて、上記（１）式により、１時間当たりの取得冷熱量Ｑwが算出される。なお、（１）式は１時間の取得冷熱量の算出式を示しているが、上記センサー６２,６３,６４による計測周期を短くして加算した方がＱwの精度は高くなる。このＱwをそれまでの雪氷冷房機の運転時間（雪山構築後からのトータルの運転時間）分加算することで、この積算値自体をそれまでの雪氷利用冷熱量Ｑcとする。尚、積算値は、初期値‘０’とする。 一方、構築時の雪山が有する冷熱量Ｑmは、下記の（２）式により算出できる。

Ｑm = Ｖ × ρs × q ・・・（２）式
Ｑm：構築時の雪山冷熱量（MJ)
Ｖ：雪山の体積（ｍ^３)
ρs：雪密度（0.6ｔ/ｍ^３)
q：雪の融解潜熱（335MJ/ｔ)
ただし、雪山が有する冷熱はすべて雪氷利用冷熱に移行するわけではない。自然融解や配管からの熱ロスなど一般的に有効に利用できる割合は３０〜５０％であることが知られている。ここではこの割合を有効利用率と呼ぶ。有効利用率は雪氷設備固有の特性値であるが、１シーズン経過するとその設備の有効利用率を算出することができる。すなわち、雪山が消滅した時点の雪氷利用冷熱量(構築時の雪山の利用可能な冷熱量)Ｑmcを、構築時の雪山冷熱量Ｑmで除した値が真の有効利用率といえる。このことから、この有効利用率をηとすると構築時の雪山が有する利用可能な冷熱量Ｑmcは下記の（３）式より算出できる。

Ｑmc = Ｑm × η ・・・（３）式
Ｑmc：構築時の雪山の利用可能な冷熱量（MJ)
Ｑm：構築時の雪山冷熱量（MJ)
η：有効利用率
（３）式で求めた構築時の雪山の利用可能な冷熱量Ｑmcからそれまでの雪氷利用冷熱量Ｑcを減算することで、残存冷熱量（雪氷残存量）を求めることができる。さらに、残存冷熱量を構築時の雪山の利用可能な冷熱量Ｑmcで除した値が雪氷残存量割合（％）である。

尚、雪山入口水温と出口水温の温度差ΔT及び雪山循環水量は、雪山構築方法により決定される。雪山構築方法には、図７等のように雪山内部に循環水を散水して循環水を冷却する方法があるが、この例に限らない。たとえば、特に図示しないが、雪山下部の地中に熱交換用の配管を埋め込んで雪解け水で配管内部を循環する水を冷却したりする方法等もある。

雪氷利用冷熱量Ｑcを知る方法としては直接計測できる既存の積算熱量計を、用いるようにしてもよい。
図８は、具体例２の構成であり、積算熱量計を用いる構成である。

図８の構成は、例えば図２に示す構成に対して、積算熱量計７１、出口水温センサ７２、入口水温センサ７３を設けている。出口水温センサ７２、入口水温センサ７３は、上記図７の出口水温センサ６３、入口水温センサ６４と同じであり、ここでは特に説明しない。

積算熱量計７１は、出口水温センサ７２、入口水温センサ７３の計測値を入力して、利用冷熱量を計測する。積算熱量計７１自体は、既存の製品が存在する計測装置であり、その計測動作・処理については特に説明しない。

以上説明したように、本手法によれば、冷凍式冷房と外気利用型冷房と雪氷冷房とを備える雪氷利用空調システムにおいて、外気温度が平年より高い年もしくは低い年でも、雪山を効果的に利用でき且つ有効に使い切り、最も省エネ運転となるように制御できる空調システム等を提供することができる。

なお、外気利用型冷房は、サーバ室に直接外気を導入する方式でも、間接的に外気の冷熱を利用する方法でもよい。
図９は、本例の雪氷利用空調システムの他の構築例である。

図示のように、雪山は、例えば、複数の空調機（例えば冷凍式冷房機と外気利用冷房機とを有する空調機）に共通して利用されるものであってもよい。
図１０に、本例の雪氷利用空調システムの機能ブロック図を示す。

本例の雪氷利用空調システムは、雪山を用いる雪氷冷房機と、冷凍式冷房機と外気利用型冷房機とを備え、該各冷房機の運転切換え制御を行う制御装置を有する空調システムである。この制御装置の一例が上記制御装置５０である。

図１０に示す例では、本例の雪氷利用空調システムは、外気温度を計測する外気温計測部８１と、雪山の雪氷残存量を測定する雪氷残存量計測部８２と、上記制御装置５０等を有する。

外気温計測部１０１は、例えば、図１では不図示の温度センサであって図１に示す外気ＯＡの温度を計測する温度センサなどである。雪氷残存量計測部８２は、例えば具体例は上記図７に示す熱量演算装置６１、流量計６２、入口水温センサ６４、出口水温センサ６３等である。あるいは、雪氷残存量計測部８２は、例えば具体例は上記図８に示す積算熱量計７１、入口水温センサ７３、出口水温センサ７２等である。

そして、制御装置５０は、閾値記憶部５１、設計値記憶部５２、判定部５３等の各種処理機能部を有する。
閾値記憶部５１は、予め雪氷冷房機、冷凍式冷房機、外気利用型冷房機の運転切換え判定の為の閾値であって、外気温度に係わる閾値を記憶する。この閾値の具体例が上記１８℃、２０℃等である。

設計値記憶部５２は、予め各期間の雪氷残存量の設計値を記憶する。この設計値の具体例が、上記図４に示す“設計雪山残存量割合データ”である。
また、判定部５３は、外気温度計測値と、測定された雪氷残存量と、閾値と、設計値とに基づいて、雪氷冷房機、冷凍式冷房機、外気利用型冷房機の何れを運転させるのかを判定する。

判定部５３は、外気温度と閾値とでは雪氷冷房機を運転すると仮判定する場合であっても、測定された雪氷残存量が設計値を用いた所定の条件を満たさない場合には、冷凍式冷房機を運転すると判定する。これは、例えば、上記閾値は、第１閾値と、該第１閾値より大きい第２閾値とから成り、判定部５３は、外気温度計測値が第２閾値より大きい場合には雪氷冷房機を運転すると仮判定するが、測定された雪氷残存量が、現時点が含まれる期間に対応する設計値より小さい場合には、冷凍式冷房機を運転すると判定する。この判定は、上記具体例では、上記ステップＳ１２がＮＯで上記ステップＳ１３がＹＥＳであっても、上記ステップＳ１５がＮＯであれば、ステップＳ１９の冷凍式冷房機運転となるものである。また、上記具体例では、上記１８℃が上記第１閾値に相当し、上記２０℃が上記第２閾値に相当することになる。

尚、上記“設計値より小さい場合”は、“設計値以下”を意味する場合も含むものとする。その逆も同様である。つまり、“以上”であるか“より大きい”であるか、“以下”であるか“未満”であるか等は、どちらでもよいのであり、本質的な話ではない。

また、判定部５３は、外気温度と閾値とでは冷凍式冷房機を運転すると仮判定する場合であっても、測定された雪氷残存量が設計値を用いた所定の条件を満たさない場合には、雪氷冷房機を運転すると判定する。これは、例えば、外気温度計測値が上記第１閾値以上且つ上記第２閾値未満である場合には冷凍式冷房機を運転すると仮判定するが、上記測定された雪氷残存量が、現時点が含まれる期間に対応する設計値より大きい場合には、雪氷冷房機を運転すると判定する。この判定は、上記具体例では、上記ステップＳ１２がＮＯで上記ステップＳ１３がＮＯであっても、上記ステップＳ１８がＮＯであれば、雪氷冷房機を運転すると判定するものである。

また、判定部５３は、例えば、外気温度計測値が上記第１閾値より小さい場合には、外気利用型冷房機を運転すると判定する。
雪氷残存量計測部８２は、図７の例に限らず図８で説明した例を用いても構わない。

以上説明したように、本例の雪氷利用空調システムによれば、冷凍式冷房と外気利用型冷房と雪氷冷房とを備える空調システムにおいて、外気温度が平年より高い年もしくは低い年でも、雪山を効果的に利用でき且つ有効に使い切り、省エネ運転となるように制御できる。長期間での雪山の効果的な利用を実現でき、以って長期間での優れた省エネ効果が得られるようにできる。

尚、具体例を図４に示す上記第１設計値は、例えば、外気温が平年並みである場合において上記基本的な制御（つまり、例えばステップＳ１３がＹＥＳであれば必ず雪氷冷房機運転とする制御）を行った場合の各期間末の雪氷残存量を、推定または実測することで、求められている。

２ 室内ユニット
３ 室外ユニット
１１ 蒸発器
１２ 膨張弁
１３ 凝縮器
１４ 圧縮機
１５ 配管
２１ 内気熱交換器
２２ 外気熱交換器
２３ ポンプ
２４ 配管
３１ 内気ファン
３２ 外気ファン
４１ 熱交換器
４２ 熱交換器
４３ 二次側冷水ポンプ
４４ 一次側冷水ポンプ
４５ 三方弁
４６ 二次側配管
４７ 一次側配管
５０ 制御装置
５１ 閾値記憶部
５２ 設計値記憶部
５３ 判定部
６１ 熱量演算装置
６２ 流量計
６３ 出口水温センサ
６４ 入口水温センサ
７１ 積算熱量計
７２ 出口水温センサ
７３ 入口水温センサ
８１ 外気温計測部
８２ 雪氷残存量計測部

Claims (10)

1. 雪山を用いる雪氷冷房機と、冷凍式冷房機と外気利用型冷房機とを備え、該各冷房機の運転切換え制御を行う制御装置を有する雪氷利用空調システムであって、
   外気温度を計測する外気温計測手段と、
   前記雪山の雪氷残存量を測定する雪氷残存量計測手段と、を有し、
   前記制御装置は、
   予め前記雪氷冷房機、冷凍式冷房機、外気利用型冷房機の運転切換え判定の為の閾値であって前記外気温度に係わる閾値を記憶する閾値記憶手段と、
   予め各期間の雪氷残存量の設計値を記憶する設計値記憶手段と、
   前記外気温度計測値と、前記測定された雪氷残存量と、前記閾値と、前記設計値とに基づいて、前記雪氷冷房機、冷凍式冷房機、外気利用型冷房機の何れを運転させるのかを判定する判定手段と、
   を有することを特徴とする雪氷利用空調システム。
2. 前記判定手段は、前記外気温度と閾値とでは前記雪氷冷房機を運転すると仮判定する場合であっても、前記測定された雪氷残存量が前記設計値を用いた所定の条件を満たさない場合には、前記冷凍式冷房機を運転すると判定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。
3. 前記判定手段は、前記測定された雪氷残存量が、現時点が含まれる期間に対応する前記設計値より小さい場合には、前記冷凍式冷房機を運転すると判定する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. 前記閾値は、第１閾値と、該第１閾値より大きい第２閾値とから成り、
   前記判定手段は、前記外気温度計測値が前記第２閾値より大きい場合には前記雪氷冷房機を運転すると仮判定するが、前記測定された雪氷残存量が、現時点が含まれる期間に対応する前記設計値より小さい場合には、前記冷凍式冷房機を運転すると判定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。
5. 前記判定手段は、前記外気温度計測値が前記第１閾値より小さい場合には、前記外気利用型冷房機を運転すると判定することを特徴とする請求項４記載の雪氷利用空調システム。
6. 前記判定手段は、前記外気温度と閾値とでは前記冷凍式冷房機を運転すると仮判定する場合であっても、前記測定された雪氷残存量が前記設計値を用いた所定の条件を満たさない場合には、前記雪氷冷房機を運転すると判定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. 前記判定手段は、前記測定された雪氷残存量が、現時点が含まれる期間に対応する前記設計値より大きい場合には、前記雪氷冷房機を運転すると判定することを特徴とする請求項６記載の雪氷利用空調システム。
8. 前記閾値は、第１閾値と、該第１閾値より大きい第２閾値とから成り、
   前記判定手段は、前記外気温度計測値が前記第１閾値以上且つ前記第２閾値未満である場合には前記冷凍式冷房機を運転すると仮判定するが、前記測定された雪氷残存量が、現時点が含まれる期間に対応する前記設計値より大きい場合には、前記雪氷冷房機を運転すると判定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。
9. 前記判定手段は、前記外気温度計測値が前記第１閾値より小さい場合には、前記外気利用型冷房機を運転すると判定する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. 雪山を用いる雪氷冷房機と、冷凍式冷房機と外気利用型冷房機とを備え、該各冷房機の運転切換え制御を行う制御装置を有する雪氷利用空調システムにおける該制御装置であって、
    予め前記雪氷冷房機、冷凍式冷房機、外気利用型冷房機の運転切換え判定の為の閾値であって外気温度に係わる閾値を記憶する閾値記憶手段と、
    予め各期間毎の雪氷残存量の設計値を記憶する設計値記憶手段と、
    外気温度の計測値と、測定された雪氷残存量と、前記閾値と、前記設計値とに基づいて、前記雪氷冷房機、冷凍式冷房機、外気利用型冷房機の何れを運転させるのかを判定する判定手段と、
    を有することを特徴とする雪氷利用空調システムの制御装置。