JP4920027B2 - 空調設備とｉｃｔ機器の連係制御方法 - Google Patents

Description

本発明は空調設備とＩＣＴ機器の連係制御方法に係り、特に、情報通信機械室（データセンタ）の空調システムに好適な空調設備とＩＣＴ機器の連係制御方法に関する。

情報通信機械室（データセンタ）の空調方式として、ベース（アンビエント）空調機及び（／又は）ゾーン空調機により、吸い込み空気温度（又は吹き出し温度）に基づいて冷房能力、風量制御を行い、室内のＩＣＴ機器・装置を冷却するシステムが広く用いられている（例えば特許文献１）。
近年、データセンタにおけるＩＣＴ機器・装置の省エネ対策として、「仮想化技術」が注目されている。これは、多数のサーバが低い稼働率で分散処理している場合に、一部のサーバにデータ処理を集約するものであり、サーバ群の消費電力削減に大きく寄与するものである。しかしながら、集中処理の対象となるサーバについては、１ラック当たりの消費電力が１０−２０ｋＷに達することもあり、局所的に発熱密度が極端に高くなるケースが生じうる。一方、対象外のサーバについては発熱密度が極端に低くなる。このようにサーバ負荷（トラフィック）により消費電力が大きく異なり、これに伴い室温上昇の度合いもサーバごとに異なることになる。
このような状況下で、空調機故障時や停電時の室温上昇によるＩＣＴ機器類の高温障害発生リスクを回避するため、冷房温度を過剰に低く設定することが一般的である。
しかしながら、このような制御はサーバ負荷が小さいゾーンに対しては過剰に余裕度を持たせることとなり、省エネ性向上の要請に反する。また、低温による作業環境悪化を招いているという問題もある。
特開平５−２６５００号公報

本発明は、このような課題を解決するためのものであって、故障等による空調機運転停止に伴うＩＣＴ機器の高温障害リスクを回避しつつ、省エネ性向上をも考慮した空調設備とＩＣＴ機器の連係制御方法を提供するものである。

本発明は以下の内容をその要旨とする。すなわち、本発明に係る空調設備とＩＣＴ機器データ処理の連係制御方法は、
（１）情報通信機械室内において、一以上の空調機の運転制御と、それぞれの空調機の冷却対象ゾーンに属する一以上のＩＣＴ機器（以下、対象ＩＣＴ機器群という）のデータ処理制御と、を連係させて制御する連係制御方法であって、当該空調機の冷房設定温度について、所定のタイムスパンごとに対象ＩＣＴ機器群に配分されるデータ処理負荷に対して、当該空調機が運転停止したとしても、標準復旧時間（ｔｒ）内には当該冷却対象ゾーンが許容限界温度（Ｔｘ）を超えない温度（以下、臨界設定温度（Ｔｃ）という）以下に設定する、ことを特徴とする。

本発明において、「一以上の空調機」とは、アンビエント空調機のみ、局所空調機のみ、アンビエント空調機と局所空調機の両方、等の種々の組み合わせを含む概念である。
また、「ＩＣＴ機器」とは、サーバ、ストレージ、ルータ等の情報通信機器・装置を含む。
「臨界設定温度（Ｔｃ）」とは、空調機が運転停止したとしても、標準復旧時間（ｔｒ）内には当該冷却対象ゾーンが許容限界温度（Ｔｘ）を超えない温度をいう。
ここに、空調機の「運転停止」とは、故障や停電などの原因による停止をいい、サーモオフによる停止を除く。
臨界設定温度（Ｔｃ）の設定部位としては、ＩＣＴ装置群の吸い込み温度又は空調機の吹き出し温度を採用することができる。
また、「許容限界温度（Ｔｘ）」とは、この温度を超えるとＩＣＴ機器群の高温障害（稼動停止、破壊）発生リスクが高くなる温度をいう。
空調機の停止原因は大別すると、空調機自体の故障によるものと、空調機への給電が停止（停電）することによるもの、に分類される。さらに空調機自体の故障の態様には、構成部品の致命的な損壊等によるものと、何らの処置を要せず、改めて運転させた場合に支障なく運転復旧できるものと、がある。さらに、停電による空調機の停止についても、予備エンジンを備えず電源の復旧が期待できないため、許容限界温度（Ｔｘ）に達するまでにサービスを適正にシャットダウンしなければならないケース、予備エンジンは備えているが、予備エンジンの起動失敗を考慮すべきケース、予備エンジンが起動することを前提として、予備エンジンの起動時間と空調機が正常能力を発揮するまでの時間遅れを考慮するケース、がある。「標準復旧時間」の設定に際しては、これらを総合的に勘案し、対象システムの特性に合わせて設定することができる。

次に、本発明の作用について説明する。図６は、空調機の運転停止が継続したしたときの対象ゾーンの温度上昇経過を、冷房設定温度（Ｔｎ）（ｎ＝１−４）をパラメータとして示した図である。同図（ａ）、（ｂ）は、それぞれ対象ＩＣＴ機器群のデータ処理負荷（消費電力に比例するとみなせる）がＷ１、Ｗ２（Ｗ１＜Ｗ２とする）のときのものである。
同図（ａ）を参照して、データ処理負荷Ｗ１の場合、設定温度Ｔ４のときはＴｘに達するまでの時間はｔ４である。標準復旧時間ｔｒと比較するとｔ４＜ｔｒであるから、標準復旧時間以前に許容限界温度Ｔｘに達してしまうことになる。しかしながら、Ｔ３のときはｔ３＞ｔｒであるから、標準復旧時間内には限界温度に至らない。Ｔ２、Ｔ１についても同様である。標準復旧時間にちょうど許容限界温度に達する設定温度（以下、臨界設定温度という）Ｔｃとすると、負荷Ｗ１のときは、Ｔｃ＝Ｔｃ（１）となる。

これに対して、同図（ｂ）に示すようにデータ処理負荷Ｗ２の場合は、設定温度Ｔ４、Ｔ３が標準復旧時間内に限界温度に達する。また、Ｔｃ＝Ｔｃ（２）である。同様にして各処理負荷Ｗと臨界冷房設定温度Ｔｃの関係をプロットすると、図７のようになる。従って、同図に対応する関係テーブルを用いて、ある処理負荷Ｗに対してゾーン温度を臨界設定温度Ｔｃ以下に設定することにより、空調機故障等による運転停止状態が発生しても、許容限界温度に達する前に運転復旧する確率が高く、ＩＣＴ装置の高温障害発生リスクを極力回避することができる。

（２）上記（１）において、所定のタイムスパンごとに前記冷房設定温度の見直しを行うことを特徴とする。
（３）上記（２）において、前記冷房設定温度を下げるべき場合には当該タイムスパンの終了を待つことなく直ちに行い、前記冷房設定温度を上げるべき場合には、当該タイムスパンの終了後に行う、ことを特徴とする。
このような制御により、冷房設定温度を常に安全サイドに設定することが可能となる。
（４）情報通信機械室内において、一以上の空調機の運転制御と、対象ＩＣＴ機器群のデータ処理制御と、を連係させて制御する連係制御方法であって、対象ＩＣＴ機器群のデータ処理負荷について、当該空調機の冷房設定温度において、当該空調機が運転停止したとしても、標準復旧時間（ｔｒ）内には許容限界温度（Ｔｘ）に達しない負荷量に設定する、ことを特徴とする。

上記各発明によれば、省エネ性の向上を図りつつ、故障等による空調機運転停止によるＩＣＴ機器の高温障害発生リスクを極力回避することができる。

以下、本発明の各実施形態について、図１乃至７を参照してさらに詳細に説明する。重複説明を避けるため、各図において同一構成には同一符号を用いて示している。なお、本発明の範囲は特許請求の範囲記載のものであって、以下の実施形態に限定されないことはいうまでもない。

（第一の実施形態）
本実施形態は、ゾーン内のＩＣＴ機器・装置のデータ処理負荷変化に対応して、消費電力低減と当該空調機の運転停止時のＩＣＴ機器の高温障害発生リスクを極力回避するように冷房設定温度を調整するものである。
図１は、本発明の一実施形態に係る空調設備とＩＣＴ機器の連係制御システム（以下、連係制御システム）１の全体構成を示す図である。図２は、ラック型空調機5-1の冷却対象ゾーンＺ１の詳細構成を示す図である。図３は、本実施形態の連係制御フローを示す図である。

図１、２を参照して、連係制御システム１は、情報通信機械室２内のサーバラック（以下、ラック）４に格納される複数のＩＣＴ機器・装置（以下、処理サーバと総称）４ａと、処理サーバ群を冷却するためのアンビエント空調機３、及び各ラック列６に配設されるローカル空調機（ラック型空調機5-1乃至5-4）と、空調機運転と処理サーバ群のデータ処理とを連係させて統合的に制御する統合制御装置７と、を主要構成として備えている。

アンビエント空調機３は、いずれも不図示の蒸発器、送風機等を備えた室内ユニット３ａと、圧縮機、凝縮器等を備えた室外ユニット３ｂと、を主要構成とし、室内ユニット３ａ内に吸い込んだ機械室内空気を、冷凍サイクル運転で発生させた冷熱と熱交換器させて冷却し、送風機により二重床空間２ａを介して室内に供給する。
ラック列６は、横一列に並んだ同一モジュールの複数のサーバラック４により構成されている。ラック４内には複数のＩＣＴ機器・装置（以下、処理サーバと総称）４ａが積層されており、各処理サーバ４ａはそれぞれ冷却ファン４ｂを備えている。これにより、ラック全体として前面から冷気を吸込み、機器内部を冷却したのち高温空気を背面から排気するように構成されている。

各ラック４は、隣接する列の吸気面と吸気面、排気面と排気面が対向するように配置されており、これにより、吸気面側にはコールドアイル９が、排気面側にはホットアイル１０が形成されている。コールドアイル９床面の開口部２ｃには穴あきパネル２ｄが敷設されており、空調機３から供給される冷気をコールドアイル９に吹き出すように構成されている。
各ラック列６において、内部発熱の大きな処理サーバを格納するラック近傍には、ローカル空調機としてラック型空調機5-1乃至5-4が配置されている。各ラック型空調機はラック４と同一モジュール、かつ、吸排気方向が各ラック４とは逆向きに置かれている。すなわち、ホットアイル空間の高温排気を吸込み、コールドアイル側に冷却空気を吹き出すように配置されている。

ラック型空調機5-1は、蒸発器５ｅ、送風機５ｂ、制御部５ｄを主要構成として備えた室内機５ａと、いずれも不図示の圧縮機、凝縮器を主要構成として備えた室外機（図示せず）と、これらを接続する冷媒配管５ｃを備えている。
コールドアイル９内には、ラック型空調機5-1乃至5-4がそれぞれ分担する冷却対象ゾーンＺ１乃至Ｚ４が設定されている。各ラック型空調機は、分担する制御対象空間の冷熱・風量バランスを維持するように冷気を供給する。ゾーンＺ１を例にとると、床面から供給されるアンビエント空調機３の冷房出力Ｗａは一定である。一方、ラック型空調機5-1の冷房能力Ｗｓは、ゾーン内処理サーバ群の処理負荷に比例する消費電力（≒発熱量）に対応して随時変化していく。

次に、連係制御システム１の連係制御を司る統合制御装置７の構成について説明する。統合制御装置７は、ＩＣＴ機器管理サーバ（以下、管理サーバという）７ｂと、空調機制御サーバ７ｃと、及びこれらを連係させるための連係制御サーバ７ａと、により構成されている。管理サーバ７ｂは、各処理サーバに対する処理負荷配分最適化のためのＣＰＵ稼働率−消費電力テーブルを備えている。また、空調機制御サーバ７ｃは、図６及び図７を内容とする各ゾーンの消費電力と冷房設定温度対応テーブルを備えている。
かかる構成により、統合制御装置７はホストコンピュータ（図示せず）から指令されるデータ処理負荷について、所定のタイムスパンごとに室内サーバ群の総消費電力の低減と、故障等による空調機運転停止によるＩＣＴ機器の高温障害発生リスクの極力回避を両立させするような処理分担と、ゾーン温度設定を行うように構成されている。
なお、統合制御装置７と各ラック列、アンビエント空調機３、各ラック型空調機間は通信線を介して結ばれているが、図１では煩雑化を回避するため、代表的に一部のみ図示している。

次に図３、４をも参照して、連係制御システム１におけるデータ処理負荷と空調機5-1の冷房設定温度との連係制御について、ゾーンＺ１を例にして説明する。
制御開始時において、ラック型空調機5-1の冷房設定温度（吹き出し空気設定温度）はデフォルト値Ｔ（０）とする（Ｓ１０１）。以下、制御開始から相当時間経過したタイムスパンτ（ｉ）を想定する。このとき各処理サーバの消費電力Ｗ（ｉ）、冷房温度Ｔ（ｉ）に設定されているものとする（Ｓ１０２）。統合制御装置７は、次タイムスパンτ（ｉ＋１）について、ゾーンＺ１−Ｚ４のデータ処理負荷を把握する（Ｓ１０３）。次いで、ゾーンＺ１全体の消費電力を最小とする最適負荷分担を演算し（Ｓ１０４）、このときの当該ゾーンの総消費電力予測値Ｗ（ｉ＋１）を演算する（Ｓ１０５）。さらに、図７の臨界設定温度テーブルに基づいて、Ｗ（ｉ＋１）に対応する冷房設定温度Ｔ（ｉ＋１）を演算する（Ｓ１０６）。

次に、Ｔ（ｉ）とＴ（ｉ＋１）を比較し（Ｓ１０７）、Ｔ（ｉ＋１）≧Ｔ（ｉ）の場合は（Ｓ１０７においてＮＯ）、処理負荷が下がり、設定温度を上げる省エネルギー運転が可能となるので、各サーバにデータ処理を指令（Ｓ１０７１）した後、次タイムスパン到来時に（Ｓ１０８においてＹＥＳ）、冷房設定温度をＴ（ｉ＋１）に変更する（Ｓ１０９）。
Ｓ１０７においてＹＥＳ、すなわち、Ｔ（ｉ＋１）＜Ｔ（ｉ）の場合は、処理負荷が上がり、危険側の変化であるため、余裕度を見込んで直ちに冷房設定温度をＴ（ｉ＋１）に変更する（Ｓ１１０）。その後、現タイムスパン終了後に（Ｓ１１１においてＹＥＳ）、各サーバに対してデータ処理を指令する（Ｓ１１２）。
以上の制御により、「仮想化技術」の採用による省エネ性向上を実現しつつ、たとえ空調機に故障が発生した場合であっても、高温障害リスクを低減できる。

本実施形態では、ベース（アンビエント）空調機とローカル（ラック型）空調機の両方で室内を空調する例を示したが、ベース空調機のみ、又はローカ空調機のみ空調する形態であってもよい。
また、本実施形態では「仮想化技術」による消費電力最適制御を前提とした空調設定温度の連係制御の例を示したが、本発明はこれに限られる趣旨ではなく、仮想化技術を採用しないシステムにおける、ＩＣＴ機器群の負荷に対応する空調設定温度の連係制御であってもよい。

（第二の実施形態）
次に、図４を参照して、本発明の他の実施形態について説明する。本実施形態は、空調機の冷房設定温度に合わせて、故障停止によるＩＣＴ機器の高温障害発生リスクを回避するように、ゾーン内ＩＣＴ機器・装置のデータ処理負荷を調整するものである。
本実施形態に係る連係制御システムの構成は上述の実施形態と同一であるので、重複説明を省略する。
図４は、本実施形態における連係制御フローを示す図である。制御中、ゾーンＺ１のラック型空調機5-1の冷房設定温度はＴ（ｉ）（一定）とする（Ｓ２０１）。統合制御装置７は、次タイムスパンにおけるゾーンＺ１−Ｚ４のデータ処理負荷を把握し（Ｓ２０２）、当該ゾーン全体の消費電力を最小とする最適負荷分担を演算し（Ｓ２０３）、さらにこのときの消費電力予測値Ｗ（ｉ＋１）を演算する（Ｓ２０４）。次いで処理負荷−設定温度テーブルにより、設定温度Ｔｉのときの臨界消費電力Ｗ（ｉ）と予測値Ｗ（ｉ＋１）とを比較する（Ｓ２０５）。Ｗ（ｉ＋１）≦Ｗｉの場合は（Ｓ２０５においてＹＥＳ）、図５（ａ）に示すようにＴ（ｉ＋１）≧Ｔ（ｉ）となる。この場合は、標準復旧時間内に許容限界温度Ｔｘに達することはないと判定し、演算結果に基づくデータ処理を各サーバに対して指令する（Ｓ２０６）。

Ｓ２０５においてＮＯ、すなわちＷ（ｉ＋１）＞Ｗ（ｉ）の場合はＴ（ｉ＋１）＜Ｔ（ｉ）となるから（図５（ｂ））、標準復旧時間内に限界温度Ｔｘを超えるおそれがあると判定し、ゾーンＺ１の消費電力がＷ（ｉ）以下となるように負荷分担演算を繰り返し行う（Ｓ２０７）。なお、この際、他のゾーン又は他の機械室をも含めて再分担を行うこととしてもよい。

第一の実施形態に係る連係制御システム１の全体構成を示す図である。 ラック型空調機5-1の冷却対象ゾーンＺ１の詳細構成を示す図である。 第一の実施形態の連係制御フローを示す図である。 第二の実施形態の連係制御フローを示す図である。 第二の実施形態における処理負荷と冷房設定温度の関係を示す図である。 空調機の運転停止が継続したときの対象ゾーンの温度上昇経過を示す図である。 臨界設定温度テーブルを概念的に示す図である。

符号の説明

１・・・・連係制御システム
２・・・・情報通信機械室
２ａ・・・二重床空間
３・・・・アンビエント空調機
４・・・・サーバラック
４ａ・・・サーバ
５−１〜５−４・・・・ラック型空調機
６・・・・ラック列
７・・・・統合制御装置
７ａ・・・連係制御サーバ
７ｂ・・・ＩＣＴ機器管理サーバ
７ｃ・・・空調機制御サーバ
９・・・・コールドアイル
１０・・・ホットアイル
Ｚ１〜Ｚ４・・・冷却対象ゾーン

Claims (4)

1. 情報通信機械室内において、一以上の空調機の運転制御と、それぞれの空調機の冷却対象ゾーンに属する一以上のＩＣＴ機器（以下、対象ＩＣＴ機器群という）のデータ処理制御と、を連係させて制御する連係制御方法であって、
   当該空調機の冷房設定温度について、
   所定のタイムスパンごとに対象ＩＣＴ機器群に配分されるデータ処理負荷に対して、当該空調機が運転停止したとしても、標準復旧時間（ｔｒ）内には当該冷却対象ゾーンが許容限界温度（Ｔｘ）を超えない温度（以下、臨界設定温度（Ｔｃ）という）以下に設定する、
   ことを特徴とする空調設備とＩＣＴ機器の連係制御方法。
   但し、「許容限界温度」とは、この温度を超えるとＩＣＴ機器群の高温障害（稼動停止、破壊）発生リスクが高くなる温度として設定される温度をいう。
   「標準復旧時間」とは、空調機の運転停止原因を総合的に勘案して、対象システムの特性に合わせて設定される運転復旧までに要する標準時間をいう。
2. 所定のタイムスパンごとに前記冷房設定温度の見直しを行うことを特徴とする請求項１に記載の空調設備とＩＣＴ機器の連係制御方法。
3. 請求項２において、前記冷房設定温度を下げるべき場合には、当該タイムスパンの終了を待つことなく直ちに行い、
   前記冷房設定温度を上げるべき場合には、当該タイムスパンの終了後に行う、
   ことを特徴とする空調設備とＩＣＴ機器の連係制御方法。
4. 情報通信機械室内において、一以上の空調機の運転制御と、それぞれの空調機の冷却対象ゾーンに属する一以上のＩＣＴ機器（以下、対象ＩＣＴ機器群という）と、を連係させて制御する連係制御方法であって、
   対象ＩＣＴ機器群のデータ処理負荷について、
   当該空調機の冷房設定温度において、当該空調機が運転停止したとしても、標準復旧時間（ｔｒ）内には許容限界温度（Ｔｘ）に達しない負荷量に設定する、
   ことを特徴とする空調設備とＩＣＴ機器の連係制御方法。
   但し、「許容限界温度」とは、この温度を超えるとＩＣＴ機器群の高温障害（稼動停止、破壊）発生リスクが高くなる温度として設定される温度をいう。
   「標準復旧時間」とは、空調機の運転停止原因を総合的に勘案して、対象システムの特性に合わせて設定される運転復旧までに要する標準時間をいう。
   

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