JP5185319B2 - サーバ室管理用の空調システムおよび空調制御方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、サーバ室管理用の空調システムおよび空調制御方法に関する。

近年、様々な分野でＩＴ化が進むにつれ、ネットワークへの接続回線や保守・運用サービスなどを顧客に提供するデータセンターの必要性が高まってきている。

一般的にデータセンターでは、多数のサーバが設置されているため発熱量が多く、これらのサーバを正常に稼働させるためには適切に空調を行って所定範囲の環境条件に保つ必要がある。

データセンターのように多数のコンピュータが設置された室内を冷却するための技術として、室内の下部空間から吸い込んだ空気を上部空間において吹き出すことにより、該空気がサーバラックの上部に吸い込まれるように構成した空調システムがある。

この技術を利用することにより室内全体の温度勾配を少なくするとともに給気温度のばらつきを少なくして効率のよい空調制御を行うことが可能になる。

特開２００５−１７２３０９号公報

しかし、データセンターのように空調すべき対象の負荷が情報機器である場合、負荷のほとんどが顕熱負荷である、設定温湿度が一定範囲であればよい、負荷でＣＯ_２が発生しないので、ＣＯ_２濃度上昇防止のための換気が不要であるなど、一般のビルの状態とは異なる特徴があるが、従来のデータセンターではこれらに対応した空調制御は行われておらず、無駄なエネルギーを消費している場合があるという問題があった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、省エネ効果の高い空調制御を効率良く実行することが可能なサーバ室管理用の空調システムおよび空調制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本実施形態のサーバ室管理用の空調システムは、分離された第１空間と第２空間とを有し、前記第１空間と前記第２空間との間にサーバが設置され、前記第１空間に流入した給気が前記サーバの発熱により加熱されて前記第２空間を経由して還気として流出するサーバ室の管理用の空調システムにおいて、外気の導入量を調整する手段と、前記サーバ室の第２空間から流出された還気の導入量を調整する手段と、前記導入される外気、および還気を加湿する加湿器と、前記外気、および前記還気を冷却する冷却手段と、前記加湿器で加湿された還気および外気と、前記冷却手段により冷却された還気および外気とを、給気として前記第１空間に流入させ、前記第２空間から還気を流出させるファンと、外気温度計測値および外気湿度計測値を取得する外気温湿度計測値取得部と、前記外気温湿度計測値取得部で取得された外気温度計測値および外気湿度計測値に基づいて、外気の状態が、給気温度目標範囲内、且つ給気絶対湿度目標範囲内、且つ給気相対湿度目標範囲内である第１の空気状態範囲、前記給気絶対湿度目標範囲の下限値未満、且つ前記第１の空気状態範囲に対応するエンタルピー範囲の下限値未満である第２の空気状態範囲、前記給気絶対湿度目標範囲内、且つ前記給気温度目標範囲の下限値未満または前記給気相対湿度目標範囲の上限値以上である第３の空気状態範囲、前記エンタルピー範囲内、且つ前記給気絶対湿度目標範囲の下限値未満または前記給気温度範囲の上限値超である第４の空気状態範囲、前記第１の空気状態範囲、前記第２の空気状態範囲、前記第３の空気状態範囲、および前記第４の空気状態範囲以外である第５の空気状態範囲のいずれに該当するかを判定し、前記給気温度目標範囲内、且つ前記給気絶対湿度目標範囲内、且つ前記給気相対湿度目標範囲内の給気を生成するために、判定した空気状態範囲に対応する空調制御内容を設定する空調制御内容設定部と、前記空調制御内容設定部で設定された空調制御内容に基づいて、外気導入量ならびに還気導入量、前記加湿器の制御量、前記冷却手段の制御量、および前記ファンの回転数を制御する機器制御部とを備えることを特徴とする。

第１実施形態および第２実施形態による空調システムの構成を示す全体図である。 第１実施形態および第２実施形態による空調システムの空調制御装置の構成を示すブロック図である。 第１実施形態および第２実施形態による空調システムの空調制御装置で分類される外気の状態範囲を空気線図上に示すグラフである。 他の実施形態による空調システムで空調制御が行われる際の空気の状態変化を空気線図上に示す説明図である。 他の実施形態による空調システムで空調制御が行われる際の空気の状態変化を空気線図上に示す説明図である。

《第１実施形態》
〈第１実施形態によるサーバ室管理システムの構成〉
本発明の第１実施形態によるサーバ室管理システムの構成について、図１を参照して説明する。

本実施形態によるサーバ室管理システム１は、データセンター等のサーバ室１０と、このサーバ室１０の空調を行う空調システム２０とから構成される。

サーバ室１０は複数の開口部１１ａを有する二重床１１が設置され、この二重床１１上に複数のサーバ（図示せず）を格納した複数のサーバラック１２−１〜１−４が設置されている。このサーバ室１０では、設置されたサーバ内のファンまたはサーバラック１２−１〜１２−４に設置されたファンの稼働により、図１の矢印で示すように、二重床１１の下部に流入した冷気が二重床１１上の開口部１１ａから二重床１１の上部に吸入され、サーバの発熱により加熱されて還気として流出するように気流が発生する。このように気流が発生することにより、二重床１１の上部には、サーバラック１２−１〜１２−４に吸入する冷気を含んだ第１空間としてのコールドエリア１３と、サーバラック１２−１〜１２−４から吹き出した暖気を含んだ第２空間としてのホットエリア１４とが形成される。そして、サーバでは発生する熱が冷気により冷却されて正常に稼働可能となる。

空調システム２０は、還気ダクト２１と、還気温度センサ２２と、排気用ダンパ２３と、室内ユニット２４と、室外ユニット２５と、給気ダクト２６と、外気温度センサ２７と、外気湿度センサ２８と、空調制御装置２９とを有する。

還気ダクト２１は空気を通す管であり、サーバ室１０のホットエリア１４と空調システム２０の室内ユニット２４とを接続する。

還気温度センサ２２は、ホットエリア１４から流入した還気の温度を計測し、計測値を空調制御装置２９に送信する。

排気用ダンパ２３は、還気ダクト２１から外部に排出する還気量を、開度により調整する。

室内ユニット２４は、還気導入用ダンパ２４１と、外気導入用ダンパ２４２と、フィルタ２４３と、冷気生成装置としての加湿器２４４、冷却コイル２４５、および給気ファン２４６と、給気温度センサ２４７と、給気湿度センサ２４８とを有する。

還気導入用ダンパ２４１は、還気ダクト２１から室内ユニット２４内に導入する還気量を、開度により調整する。

外気導入用ダンパ２４２は、室内ユニット２４内に導入する外気量を、開度により調整する。

フィルタ２４３は、外気導入用ダンパ２４２が開状態にされたときに導入される外気、および還気導入用ダンパ２４１が開状態にされたときに還気ダクト２１から導入される還気から、塵埃を除去する。

加湿器２４４は、フィルタ２４３で塵埃が除去された外気および還気を、必要に応じて加湿する。

冷却コイル２４５は、フィルタ２４３で塵埃が除去された外気および還気を、必要に応じて冷却して冷気を生成する。

給気ファン２４６は、加湿器２４４により必要に応じて加湿されるとともに、冷却コイル２４５により必要に応じて冷却されて生成された冷気を、給気ダクト２６からサーバ室１０の床下を経由してコールドエリア１３に流入させる。

給気温度センサ２４７は、サーバ室１０に流入させる給気の温度を計測し、計測値を空調制御装置２９に送信する。

給気湿度センサ２４８は、サーバ室１０に流入させる給気の湿度を計測し、計測値を空調制御装置２９に送信する。

室外ユニット２５は、冷却コイル２４５に接続され、冷却コイル２４５で冷気を生成する際に利用される冷媒を供給する。

給気ダクト２６は空気を通す管であり、室内ユニット２４と、サーバ室１０のコールドエリア１３に繋がる床下とを接続する。

外気温度センサ２７は、外気温度を計測し、計測値を空調制御装置２９に送信する。外気湿度センサ２８は、外気湿度を計測し、計測値を空調制御装置２９に送信する。

空調制御装置２９は、図２に示すように、給気目標範囲情報記憶部２９１と、外気温湿度計測値取得部２９２と、空調制御内容設定部２９３と、機器制御部２９４とを有する。

給気目標範囲情報記憶部２９１は、サーバ室１０への給気温度目標範囲および給気湿度目標範囲を記憶する。

外気温湿度計測値取得部２９２は、外気温度センサ２７で計測された外気温度計測値、および外気湿度センサ２８で計測された外気湿度計測値を取得する。

空調制御内容設定部２９３は、給気目標範囲情報記憶部２９１に記憶された給気温度目標範囲および給気湿度目標範囲に基づいて、予め設定された温度範囲且つ湿度範囲内の給気を生成するための空調制御内容を設定する。

機器制御部２９４は、空調制御内容設定部２９３で設定された空調制御内容に基づいて、空調システム２０内の各機器の動作を制御する。

〈第１実施形態によるサーバ室管理システムの動作〉
次に、本実施形態によるサーバ室管理システム１の動作について説明する。

本実施形態において、サーバ室管理システム１の空調制御装置２９の給気目標範囲情報記憶部２９１には、サーバ室１０への給気温度目標範囲および給気湿度目標範囲が予め記憶されている。

本実施形態においては、サーバ室１０への給気温度目標範囲および給気湿度目標範囲として、米国暖房冷凍空調学会（ＡＳＨＲＡＥ；American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers）の規定に従って、温度：18〜27℃、絶対湿度0.0056〜0.0107kg/kg且つ相対湿度60％以下とする範囲情報が記憶されているものとする。

このように給気目標範囲情報記憶部２９１に給気温度目標範囲および給気湿度目標範囲が記憶されている状態で、空調制御装置２９において、各機器の制御が行われるときの動作について説明する。

まず、外気温湿度計測値取得部２９２で取得された外気温度計測値および外気湿度計測値が空調制御内容設定部２９３で取得される。

次に、空調制御内容設定部２９３において、給気目標範囲情報記憶部２９１に記憶された給気温度目標範囲および給気湿度目標範囲に基づいて、予め設定された給気温度目標範囲且つ給気湿度目標範囲内の給気を生成するための空調制御内容が設定される。空調制御内容設定部２９３で実行される空調制御内容の設定処理について、詳細に説明する。

まず、取得された外気温度計測値および外気湿度計測値に基づいて、現在の外気の状態が、図３に示すように分割された空気線図上のどの領域に該当するかが判定される。空気線図は、線図上に温度、絶対/相対湿度、エンタルピーなどから湿り空気の状態が分かるようにした線図のことである。

図３の空気線図では、相対湿度１００％（飽和状態）以下の空気の状態が、上述した給気温度目標範囲および給気湿度目標範囲で示される値と、この給気温度目標範囲且つ給気湿度目標範囲に該当する範囲の空気状態に対応するエンタルピーの上限値および下限値とに基づいて、以下に示す５つの空気状態範囲を示す領域I〜Vに分割されている。本実施形態において、上述した給気温度目標範囲且つ給気湿度目標範囲に対応するエンタルピー上限値は50kJ/kg(DA)であり、エンタルピー下限値は35kJ/kg(DA)であるものとする。

−領域I（第１の空気状態範囲）：
領域Iは、給気温度目標範囲、且つ目標とする給気絶対湿度範囲、且つ給気相対湿度範囲と同様の範囲、つまり空気線図上において下記式（１）を満たす範囲である。

〔数１〕
（温度18度以上27度以下）
∩（絶対湿度0.0056 kg/kg(DA)以上0.0107 kg/kg(DA)以下）
∩（相対湿度60%以下） 式（１）
−領域II（第２の空気状態範囲）：
領域IIは、目標とする給気絶対湿度範囲の下限値未満であり、且つ目標とする範囲におけるエンタルピー下限値未満の範囲、つまり空気線図上において下記式（２）を満たす範囲である。

〔数２〕
（絶対湿度0.0056 kg/kg(DA)未満）
∩（比エンタルピー35kJ/kg(DA)未満） 式（２）
−領域III（第３の空気状態範囲）：
領域IIIは、目標とする給気絶対湿度の範囲内であり、且つ、目標とする給気温度範囲の下限値未満または目標とする給気相対湿度の上限値以上の範囲、つまり空気線上において下記式（３）を満たす範囲である。

〔数３〕
（絶対湿度0.0056 kg/kg(DA)以上0.0107 kg/kg(DA)以下）
∩｛（温度18度未満）∪（相対湿度60%以上）｝ 式（３）
−領域IV（第４の空気状態範囲）：
領域IVは、目標とする給気温度および給気湿度の範囲に対応するエンタルピー範囲内であり、且つ、目標とする給気絶対湿度範囲の下限値未満または目標とする給気温度範囲の上限値を超える範囲、つまり空気線上において下記（４）を満たす範囲である。

〔数４〕
（比エンタルピー35kJ/kg(DA)以上比エンタルピー50kJ/kg(DA)以下）
∩｛（絶対湿度0.0056 kg/kg(DA)未満）∪（温度27度超）｝ 式（４）
−領域V（第５の空気状態範囲）：
領域Vは、上記の領域I〜IV以外の範囲である。

現在の外気の状態がこれらの領域I〜IVのうちいずれの領域に該当するかが判定されると、空調制御内容設定部２９３において、外気温湿度計測値取得部２９２で取得された外気温度計測値、外気湿度計測値、および還気温度センサ２２で計測された還気温度計測値、給気温度センサ２４７で計測された給気温度計測値、給気湿度センサ２４８で計測された給気湿度計測値が用いられ、それぞれ領域ごとに以下のように空調制御内容が設定される。ここでは空調制御対象となるのはサーバ室１０内のサーバから発生する熱による顕熱負荷であり、人の呼気等による潜熱負荷は発生しないものと仮定し、還気湿度値は、給気湿度センサ２４８で計測される給気湿度計測値と同一であるものとする。

−領域Iに該当する場合の空調制御内容：
現在の外気の状態が領域Iの範囲内にあるときは、外気をそのまま給気とすることが可能である。このため、排気用ダンパ２３を全開にし、還気導入用ダンパ２４１を閉じ、外気導入用ダンパ２４２を全開にすることで、外気導入比率が100％になるように制御内容が決定される。またこのときは、加湿器２４４による加湿処理、および冷却コイル２４５による混合した空気の冷却処理は行われない。

−領域IIに該当する場合の空調制御内容：
現在の外気の状態が領域IIの範囲内にあるときは、外気に還気を混合することで外気温度を加温するとともに加湿を行うように制御内容が決定される。具体的には、排気用ダンパ２３、還気導入用ダンパ２４１、および外気導入用ダンパ２４２の開度が外気導入比率に応じて0〜100％の間で調整されるとともに、加湿器２４４により必要量の加湿が行われるように制御内容が決定される。

このとき外気導入比率の目標値αは、混合後の空気が、給気目標範囲情報記憶部２９１に記憶された給気温度目標範囲且つ給気湿度目標範囲内で予め設定された給気温度目標値になるように、外気温度計測値および還気温度計測値により調整される。

このようにして外気導入比率が調整されて外気と還気とが混合された空気の絶対湿度値Xは、外気絶対湿度計測値Xo、還気絶対湿度計測値Xr、外気導入比率目標値αを用いると、下記式（５）のように表される。

〔数５〕
X = Xo×α + Xr ×(1-α) 式（５）
このため混合された空気を、目標とする温湿度状態の給気にするには、給気絶対湿度目標値Xs0との差分である Xs0-X 分の加湿が必要である。この差分の湿度値を上げるための必要加湿量は、給気流量Fsを用いると Fs×(Xs0-X)となり、この必要加湿量が供給されるように加湿器の水量を制御するための弁（図示せず）の制御内容が決定される。このとき、冷却コイル２４５による混合した空気の冷却処理は行われない。

なお、外気と還気とを混合後に加湿を行う際の必要加湿量は上記のように決定されるが、還気をあらかじめ絶対湿度目標値{Xr+ (X-Xs0)/ (1-α) }になるように加湿しておくことで、混合後の加湿を不要にすることも可能である。

この場合、外気導入比率目標値αは、外気温度計測値To、加湿後の還気温度値Tr2、給気温度目標値Ts0とすると、下記式（６）で表される。

〔数６〕
α = (Tr2 - Ts0)/(Tr2 - To)×100(%) 式（６）
−領域IIIに該当する場合の空調制御内容：
現在の外気の状態が領域IIIの範囲内にあるときは、外気に還気を混合することで外気温度を加温するように制御内容が決定される。具体的には、排気用ダンパ２３、還気導入用ダンパ２４１、および外気導入用ダンパ２４２の開度が外気導入比率に応じて0〜100％の間で調整されるように制御内容が決定される。

この場合、外気導入比率目標値αは外気温度計測値To、還気温度計測値Tr、給気温度目標値Ts0とすると、下記式（７）で表される。

〔数７〕
α = (Tr - Ts0)/(Tr - To)×100(%) 式（７）
このとき、加湿器２４４による加湿処理、および冷却コイル２４５による混合した空気の冷却処理は行われない。

−領域IVに該当する場合の空調制御内容：
現在の外気の状態が領域IVの範囲内にあるときは、外気に加湿を行うように制御内容が決定される。具体的には、排気用ダンパ２３を全開にし、還気導入用ダンパ２４１を閉じ、外気導入用ダンパ２４２を全開にすることで、外気導入比率が100％にされるとともに、加湿器２４４により必要量の加湿が行われるように制御内容が決定される。

この場合、外気絶対湿度計測値Xo、給気湿度目標値Xs0とすると、必要加湿量はXs0-Xoである。このとき、加湿に伴って外気温度がToからTに低下する。給気温度目標値Ts0がTより低い場合は、外気が給気温度目標値になるように冷却コイル２４５により冷却処理が行われるように制御される。

−領域Vに該当する場合の空調制御内容：
現在の外気の状態が領域Vの範囲内にあるときは、還気を冷却するように制御内容が決定される。具体的には、排気用ダンパ２３を閉じ、還気導入用ダンパ２４１を全開にし、外気導入用ダンパ２４２を閉じることで、外気導入比率が0％にされるとともに、冷却コイル２４５により冷却、除湿処理が行われるように制御内容が決定される。このとき、加湿器２４４による加湿処理は行われない。

なお、現在の外気の状態が領域Vの範囲内にあるときでも、サーバ室１０内に作業者がおり換気が必要な場合は、一定量の外気を取り入れるように、予め外気導入比率に下限値を設定して制御してもよい。

上述した処理により空調制御内容設定部２９３において空調制御内容が設定されると、これに基づいて排気用ダンパ２３、還気導入用ダンパ２４１、および外気導入用ダンパ２４２の開度、加湿器２４４、冷却コイル２４５の制御量、給気ファン２４６の回転数を制御する制御信号が機器制御部２９４で生成され、各機器に送信されることにより制御が行われ、目標とする範囲内の給気温度値および給気湿度値の給気が生成される。

以上の第１実施形態によれば、外気の状態に応じて空調制御内容を切り替え、なるべく外気を利用するとともにサーバ管理に適した制御を行うことで、省エネ効果の高いサーバ管理のための空調制御を行うことができる。

《第２実施形態》
〈第２実施形態によるサーバ室管理システムの構成〉
本発明の第２実施形態によるサーバ室管理システム２の構成は、第１実施形態におけるサーバ室管理システム１の構成と同様であるため、詳細な説明は省略する。

〈第２実施形態によるサーバ室管理システムの動作〉
本実施形態によるサーバ室管理システム２の動作は、空調制御内容設定部２９３において空調制御内容が設定される際に、給気目標範囲情報記憶部２９１に記憶された給気温度目標範囲且つ給気湿度目標範囲内で最適な給気温度目標値および給気湿度目標値が算出され、これらの目標値に基づいて省エネ効果の高い空調制御内容が設定される。

本実施形態における最適な給気温度目標値および給気湿度目標値として、消費エネルギーが最小となる給気温度目標値および給気湿度目標値を算出する処理について説明する。

まず、空調制御装置２９で消費されるエネルギーＥは、以下の式（８）で表すことができる。

〔数８〕
E = gcol(Fs × (αHo + (1-α)Hr −Hs))
+ gfan(Fs)
+ ghum(Fw) 式（８）
ここで、
Fs: 給気流量
Fw: 加湿用水量
α：外気導入比率
Ho: 外気比エンタルピー
Hr: 還気比エンタルピー
Hs: 給気比エンタルピー
gcol: コイル冷却量と冷却コイル消費エネルギーの関係を示す関数
gfan: 給気流量とファン消費エネルギーの関係を示す関数
ghum: 加湿用水量と加湿器消費エネルギーの関係を示す関数
である。

このうち、給水流量Fs、加湿用水量、外気導入比率、外気比エンタルピー（外気温湿度計測値より算出）、還気比エンタルピー（還気温度計測値と給気絶対湿度計測値より計算）、給気比エンタルピー（給気温湿度計測値より計算）は、測定もしくは測定値より計算が可能である。ここでは空調制御対象となるのはサーバ室１０内のサーバから発生する熱による顕熱負荷であり、人の呼気等による潜熱負荷は発生しないものと仮定し、還気湿度値は、給気湿度センサ２４８で計測される給気湿度計測値と同一であるものとする。

また、コイル冷却量と冷却コイル消費エネルギーの関係を示す関数gcolと、給気流量とファン消費エネルギーの関係を示す関数gfanと、加湿用水量と加湿器消費エネルギーの関係を示す関数ghumは、空調制御装置２９を構成する機器の特性を示す関数であり既知である。このため、これらの値により空調制御装置２９で消費されるエネルギーＥを算出可能である。

一方、本実施形態における空調制御装置２９は、第１実施形態において説明したように、排気用ダンパ２３、還気導入用ダンパ２４１、および外気導入用ダンパ２４２の開度により外気導入比率を制御する処理と、冷却コイル２４５により給気の冷却量を制御する処理と、加湿器２４４により加湿量を制御する処理のいずれか、または複数の処理を組み合わせて給気温度および給気湿度を制御するため、給気温度目標値および給気湿度目標値を設定することで排気用ダンパ２３、還気導入用ダンパ２４１、外気導入用ダンパ２４２、冷却コイル２４５、加湿器２４４の必要制御量が決定される。

また、給気流量値Fsについては、還気温度計測値Tr、給気温度計測値Ts0、空気の比熱C、サーバの発熱量Qを用いて、下記式（９）により算出される。

〔数９〕
Fs = Q /C /(Tr - Ts0) 式（９）
このように考えると、給気温度目標値、給気湿度目標値、および給気流量値が与えられた場合、必要な消費エネルギーEは、上述した式（８）を用いて算出することが可能である。

つまり、本実施形態における空調制御装置２９を用いたサーバ室１０内の空調制御において、理論上必要最小限のエネルギーで稼働するのは、上記式（８）で算出される消費エネルギーEを最小とする給気温度値、給気湿度値、給気流量値の組み合わせで制御する場合であるといえる。

そこで、予め諸条件の外気温度、外気湿度、サーバ負荷において、消費エネルギーが最小となる給気温度目標値、給気湿度目標値を算出し、これらの関係を示す外気条件／給気条件関係テーブルを作成して空調制御内容設定部２９３に保持しておくことで、計測された外気の条件およびサーバ負荷から、消費エネルギーが最小となる給気の条件を算出することが可能になる。

ここでサーバ負荷Ｑは、サーバの消費動力を用いて計算してもよいし、下記式（１０）を用いて計算してもよい。下記式（１０）を用いて計算する場合、空調制御内容設定部２９３において、外気条件／給気条件関係テーブルによる給気条件の算出処理前に、このサーバ負荷Qの算出処理が実行されるようにする。

〔数１０〕
Q = Fs ×C ×(Tr - Ts) 式（１０）
ここで、
Q: 空調対象負荷
Fs: 給気流量値
C: 空気比熱
Tr: 還気温度計測値
Ts: 給気温度計測値
である。

このようにして算出された給気温度目標値、給気湿度目標値を用いて、第１実施形態で説明したように空調制御内容が決定され、外気の状態の変化に応じて効率の良い給気温度設定値および給気湿度設定値を適宜変化させながら制御することで省エネ効果の高い空調制御を実行することができる。

《他の実施形態》
現在の外気の状態が領域Iの範囲内にある場合の、他の実施形態について説明する。

上述した第１実施形態および第２実施形態においては、外気の状態が領域Iの範囲内にある場合に、加湿器２４４による加湿処理および冷却コイル２４５による冷却処理を行わない場合について説明したが、室内ユニット２４において給気ファン２４６の稼働による発熱などにより導入した外気の温度が上昇してしまうときには、冷却コイル２４５により外気を冷却して給気温度計測値が領域Iで示される範囲に収まるように制御してもよい。

また現在の外気の状態が領域IIの範囲内にある場合の、他の実施形態について説明する。

図４に示すように、外気の計測値が領域II内の点Ｐ₂の位置の状態にあり、還気の計測値が点Ｑ₁の位置の状態にあるとき、外気に還気を混合させることで温度を上昇させることができる。このとき混合後の空気の状態は、図４の空気線図上の点Ｐ₂と点Ｑ₁とを結ぶ線上のいずれかの位置に該当し、外気導入比率によりその位置が定まる。

そこで、点Ｐ₂と点Ｑ₁とを結ぶ線と、領域Iで示される範囲内の、絶対湿度値の差が最小である点（図４の点ｂ）とエンタルピーが同一である等エンタルピー線との交点（図４中の点ａ）を選択し、この点ａの位置に該当する外気導入比率を算出することで、加湿量を最小化する好適な制御を行うことができる。

このようにして算出された比率で導入された外気と還気とが混合されるように各ダンパの開度を制御し、加湿器２４４により領域I内の点ｂの位置の状態になるように加湿処理することで、最小のエネルギー消費量で、目標とする範囲内の給気温度値および給気湿度値の給気を生成することができる。

また同様に外気の計測値が領域II内の点Ｐ₂の位置の状態にあり、還気の計測値が点Ｑ₁の位置の状態にあるとき、まず加湿器２４４により還気を加湿処理して点Ｑ₁の位置の状態から点Ｑ₂の位置の状態にしておき、この点Ｑ₂の位置の還気と点Ｐ₂の位置の状態の外気とが、上述したように算出された比率で混合されるように各ダンパの開度を制御することにより、さらに効率良く目標とする範囲内の給気温度値および給気湿度値の給気を生成することができる。これは、点ａの位置の空気を加湿するよりも、さらに温度が高い点Ｑ₁の位置の空気を加湿するほうが、水分を吸収しやすく加湿処理効率が高いことによる。

また図４に示すように、現在の外気の計測値が領域II内の点Ｐ₂’の位置の状態にあり、還気の計測値が点Ｑ₁の位置の状態にあるときも、点Ｐ₂’と点Ｑ₁とを結ぶ線と、上述した等エンタルピー線との交点（図４の点ｃ）を選択し、この点ｃの位置に該当する状態を給気温度目標値Ts0および給気湿度目標値Xs0とすることで好適な制御を行うことができる。

ここで、点Ｐ₂’と点Ｑ₁とを結ぶ線上のどの位置に該当する状態を給気温度目標値および給気湿度目標値とするようにしても消費エネルギーは変わらないが、上述したように処理することで、外気状態が加湿が必要な場合と不要な場合とで連続的に変化しても、等エンタルピー状態で給気温度目標値および給気湿度目標値を連続的に変化させることができ、安定して制御を実行することができるという利点がある。

現在の外気の状態が領域IIIの範囲内にある場合の、他の実施形態について説明する。

図５に示すように、外気の計測値が領域III内の点Ｐ₃の位置の状態にあり、還気の計測値が点Ｑ₁の位置の状態にあるときも、点Ｐ₃と点Ｑ₁とを結ぶ線と、上述した等エンタルピー線との交点（図５の点ｄ）を選択し、この点ｄの位置に該当する状態を給気温度目標値Ts0および給気湿度目標値Xs0とすることで好適な制御を行うことができる。

ここで、点Ｐ₃と点Ｑ₁とを結ぶ線上のどの位置に該当する状態を給気温度目標値および給気湿度目標値とするようにしても消費エネルギーは変わらないが、上述したように処理することで、外気状態が領域IIの範囲のうち加湿が必要な場合、不要な場合とで連続的に変化しても、等エンタルピー状態で給気温度目標値および給気湿度目標値を連続的に変化させることができ、安定して制御を実行することができるという利点がある。

また現在の外気の状態が領域IVの範囲内にある場合の、他の実施形態について説明する。

上述した第１実施形態および第２実施形態においては、外気の状態が領域IVの範囲内にある場合に、外気のみを導入しこれに加湿処理を行うように空調制御を行うことを説明したが、このときに、現在の外気の状態と等エンタルピー状態であり、領域Iの範囲内で、且つ絶対温度差が最小の点の位置に該当する状態を給気温度目標値Ts0および給気絶対湿度目標値Xs0を選択することで、好適な制御を行うことができる。

例えば、図５に示すように外気の計測値が領域IV内の点Ｐ₄の位置の状態にあるとき、この点Ｐ₄を通る等エンタルピー線上にあり、領域Iの範囲内で、且つ絶対温度差が最小の点（図５の点ｅ）を選択し、この点ｅの位置に該当する状態を給気温度目標値Ts0および給気湿度目標値Xs0とすることで、最小のエネルギー消費量で、目標とする範囲内の給気温度値および給気湿度値の給気を生成することができる。

また現在の外気の状態が領域Vの範囲内にある場合の、他の実施形態について説明する。

上述した第１実施形態および第２実施形態においては、外気の状態が領域Vの範囲内にある場合に、還気のみを導入しこれを冷却処理することで空調制御を行うことを説明したが、このときに、現在の還気と絶対温度値が同一の状態で、領域Iの範囲内で、且つ絶対温度値が最も高い点の位置に該当する状態を給気温度目標値Ts0および給気絶対湿度目標値Xs0を選択することで、好適な制御を行うことができる。

例えば、図５に示すように外気の計測値が領域V内の点Ｐ₅の位置の状態にあるとき、この点Ｐ₅を通る同一絶対温度値線上にあり、領域Iの範囲内で、且つ絶対温度値が最も高い点（図５の点ｆ）を選択し、この点ｆの位置に該当する状態を給気温度目標値Ts0および給気湿度目標値Xs0とすることで最小のエネルギー消費量で、目標とする範囲内の給気温度値および給気湿度値の給気を生成することができる。

また、これまで説明した実施形態においては、消費エネルギーを最小化するような給気温度目標値、給気湿度目標値を設定する場合について説明したが、上述した式（８）の代わりに下記式（１１）を用い、これにより算出される消費エネルギーに対応するコストCostを最小とする給気温度値、給気湿度値、給気流量値の組み合わせで制御するようにしてもよい。

〔数１１〕
Cost = a1 × gcol(Fs × (αHo + (1-α)Hr −Hs))
+ a2 × gfan(Fs)
+ a3 × ghum(Fw)
+ a4 × Fw 式（１１）
ここで、
a1： コイル消費エネルギーとコストの関係
a2： ファン消費エネルギーとコストの関係
a3： 加湿にかわかる消費エネルギーとコストの関係
a4： 加湿用水道流量とコストの関係
であり、他の記号は式（８）と同じである。

a1〜a4は、係数であってもよいし、関数であってもよく、一般的な、コイルと冷凍機の消費エネルギー／コスト特性、ファンの消費エネルギー／コスト特性、加湿器／コスト特性、水消費量／コスト特性を用いるものとする。

また、第２実施形態において説明したように、予め空調制御内容設定部２９３に保持しておく外気条件／給気条件関係テーブルの内容を、予め諸条件の外気温度、外気湿度、サーバ負荷において、消費エネルギーに対するコスト（必要経費）が最小となる給気温度目標値、給気湿度目標値としてもよい。

このようにコストが最小となる給気温度目標値および給気湿度目標値を用いて空調制御を行うことで、サーバ室管理システムの稼働に掛かる経費を低減させることができる。

また、上記の各実施形態においては、給気温度目標範囲および給気湿度目標範囲として、米国空調学会（ＡＳＨＲＡＥ）の規定に従った値を用いたがこれには限定されず、制御対象の状態等に応じて他の値を用いてもよい。また、図３のように分割された各領域は、一部もしくは全部が他の領域と重なっていてもよい。

１、２…サーバ室管理システム
１０…サーバ室
１１…二重床
１２−１〜１２−４…サーバラック
１３…コールドエリア
１４…ホットエリア
２０…空調システム
２１…還気ダクト
２２…還気温度センサ
２３…排気用ダンパ
２４…室内ユニット
２５…室外ユニット
２６…給気ダクト
２７…外気温度センサ
２８…外気湿度センサ
２９…空調制御装置
２４１…還気導入用ダンパ
２４２…外気導入用ダンパ
２４３…フィルタ
２４４…加湿器
２４５…冷却コイル
２４６…給気ファン
２４７…給気温度センサ
２４８…給気湿度センサ
２９１…給気目標範囲情報記憶部
２９２…外気温湿度計測値取得部
２９３…空調制御内容設定部
２９４…機器制御部

Claims (10)

1. 分離された第１空間と第２空間とを有し、前記第１空間と前記第２空間との間にサーバが設置され、前記第１空間に流入した給気が前記サーバの発熱により加熱されて前記第２空間を経由して還気として流出するサーバ室の管理用の空調システムにおいて、
   外気の導入量を調整する手段と、
   前記サーバ室の第２空間から流出された還気の導入量を調整する手段と、
   前記導入される外気、および還気を加湿する加湿器と、
   前記外気、および前記還気を冷却する冷却手段と、
   前記加湿器で加湿された還気および外気と、前記冷却手段により冷却された還気および外気とを、給気として前記第１空間に流入させ、前記第２空間から還気を流出させるファンと、
   外気温度計測値および外気湿度計測値を取得する外気温湿度計測値取得部と、
   前記外気温湿度計測値取得部で取得された外気温度計測値および外気湿度計測値に基づいて、外気の状態が、
   給気温度目標範囲内、且つ給気絶対湿度目標範囲内、且つ給気相対湿度目標範囲内である第１の空気状態範囲、
   前記給気絶対湿度目標範囲の下限値未満、且つ前記第１の空気状態範囲に対応するエンタルピー範囲の下限値未満である第２の空気状態範囲、
   前記給気絶対湿度目標範囲内、且つ前記給気温度目標範囲の下限値未満または前記給気相対湿度目標範囲の上限値以上である第３の空気状態範囲、
   前記エンタルピー範囲内、且つ前記給気絶対湿度目標範囲の下限値未満または前記給気温度範囲の上限値超である第４の空気状態範囲、
   前記第１の空気状態範囲、前記第２の空気状態範囲、前記第３の空気状態範囲、および前記第４の空気状態範囲以外である第５の空気状態範囲、
   のいずれに該当するかを判定し、前記給気温度目標範囲内、且つ前記給気絶対湿度目標範囲内、且つ前記給気相対湿度目標範囲内の給気を生成するために、判定した空気状態範囲に対応する空調制御内容を設定する空調制御内容設定部と、
   前記空調制御内容設定部で設定された空調制御内容に基づいて、外気導入量ならびに還気導入量、前記加湿器の制御量、前記冷却手段の制御量、および前記ファンの回転数を制御する機器制御部と
   を備えることを特徴とするサーバ室管理用の空調システム。
2. 前記空調制御内容設定部は、前記外気温湿度計測値取得部で取得された外気温度計測値および外気湿度計測値に基づいて、
   外気の状態が前記第１の空気状態範囲に該当すると判定したときには、還気量を最小にするように空調制御内容を設定し、
   外気の状態が前記第２の空気状態範囲に該当すると判定したときには、所定の比率で外気および還気を混合して導入するように前記還気量および外気導入量を調整するとともに、前記加湿器により必要量の加湿処理が行われるように空調制御内容を設定し、
   外気の状態が前記第３の空気状態範囲に該当すると判定したときには、所定の比率で外気および還気を混合して導入するように還気量および外気導入量を調整するように空調制御内容を設定し、
   外気の状態が前記第４の空気状態範囲に該当すると判定したときには、還気量を最小にし前記加湿器により必要量の加湿処理が行われるように空調制御内容を設定し、
   外気の状態が前記第５の空気状態範囲に該当すると判定したときには、外気導入量を最小にし、前記冷却手段により冷却処理が行われるように空調制御内容を設定する
   ことを特徴とする請求項１に記載のサーバ室管理用の空調システム。
3. 前記空調制御内容設定部は、前記外気温湿度計測値取得部で取得された外気温度計測値および外気湿度計測値に基づいて、
   外気の状態が前記第２の空気状態範囲に該当すると判定したときには、前記加湿器により必要量の加湿処理が行われた後に外気と還気とを混合するように空調制御内容を設定する
   ことを特徴とする請求項２に記載のサーバ室管理用の空調システム。
4. 前記空調制御内容設定部は、前記外気温湿度計測値取得部で取得された外気温度計測値および外気湿度計測値に基づいて、
   外気の状態が前記第４の空気状態範囲に該当すると判定したときには、さらに前記冷却手段により冷却処理が行われるように空調制御内容を設定する
   ことを特徴とする請求項２または３に記載のサーバ室管理用の空調システム。
5. 前記空調制御内容設定部は、前記外気温湿度計測値取得部で取得された外気温度計測値および外気湿度計測値に基づいて、
   外気の状態が前記第５の空気状態範囲に該当すると判定したときには、予め設定された外気導入比率の下限値になるように外気導入量を制御する
   ことを特徴とする請求項２〜４いずれか１項に記載のサーバ室管理用の空調システム。
6. 前記空調制御内容設定部は、前記外気温湿度計測値取得部で取得された外気温度計測値および外気湿度計測値に基づいて消費エネルギーが最小となる給気温度目標値および給気湿度目標値を算出し、算出された給気温度目標値および給気湿度目標値に基づいて空調制御内容を設定する
   ことを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載のサーバ室管理用の空調システム。
7. 前記空調制御内容設定部は、前記外気温湿度計測値取得部で取得された外気温度計測値および外気湿度計測値に基づいて消費エネルギーに対する必要経費が最小となる給気温度目標値および給気湿度目標値を算出し、算出された給気温度目標値および給気湿度目標値に基づいて空調制御内容を設定する
   ことを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載のサーバ室管理用の空調システム。
8. 前記空調制御内容設定部は、予め外気温度および外気湿度と、消費エネルギーが最小となる給気温度目標値および給気湿度目標値との対応関係を示す外気条件／給気条件関係テーブルを保持し、前記外気温湿度計測値取得部で取得された外気温度計測値および外気湿度計測値に対応する消費エネルギーが最小の給気温度目標値および給気湿度目標値を前記外気条件／給気条件関係テーブルから算出し、算出された給気温度目標値および給気湿度目標値に基づいて空調制御内容を設定する
   ことを特徴とする請求項６に記載のサーバ室管理用の空調システム。
9. 前記空調制御内容設定部は、予め外気温度および外気湿度と、消費エネルギーに対する必要経費が最小となる給気温度目標値および給気湿度目標値との対応関係を示す外気条件／給気条件関係テーブルを保持し、前記外気温湿度計測値取得部で取得された外気温度計測値および外気湿度計測値に対応する必要経費が最小の給気温度目標値および給気湿度目標値を前記外気条件／給気条件関係テーブルから算出し、算出された給気温度目標値および給気湿度目標値に基づいて空調制御内容を設定する
   ことを特徴とする請求項７に記載のサーバ室管理用の空調システム。
10. 分離された第１空間と第２空間とを有し、前記第１空間と前記第２空間との間に複数のサーバが設置され、前記第１空間に流入した冷気が前記サーバの発熱により加熱されて前記第２空間から還気として流出するように気流が形成されたサーバ格納容器に、還気ダクトおよび給気ダクトにより接続されたサーバ室管理用の空調システムが、
    外気温度計測値および外気湿度計測値を取得し、
    取得された外気温度計測値および外気湿度計測値に基づいて、外気の状態が、
    給気温度目標範囲内、且つ給気絶対湿度目標範囲内、且つ給気相対湿度目標範囲内である第１の空気状態範囲、
    前記給気絶対湿度目標範囲の下限値未満、且つ前記第１の空気状態範囲に対応するエンタルピー範囲の下限値未満である第２の空気状態範囲、
    前記給気絶対湿度目標範囲内、且つ前記給気温度目標範囲の下限値未満または前記給気相対湿度目標範囲の上限値以上である第３の空気状態範囲、
    前記エンタルピー範囲内、且つ前記給気絶対湿度目標範囲の下限値未満または前記給気温度範囲の上限値超である第４の空気状態範囲、
    前記第１の空気状態範囲、前記第２の空気状態範囲、前記第３の空気状態範囲、および前記第４の空気状態範囲以外である第５の空気状態範囲、
    のいずれに該当するかを判定し、
    前記給気温度目標範囲内、且つ前記給気絶対湿度目標範囲内、且つ前記給気相対湿度目標範囲内の給気を生成するために、判定した空気状態範囲に対応する空調制御内容を設定し、
    設定した空調制御内容に基づいて、外気の導入量、前記第２空間から前記還気ダクトに流出された還気の導入量、導入された外気ならびに還気を加湿する加湿器の制御量、導入された外気ならびに還気を冷却する冷却手段の制御量、および、前記加湿器で加湿された空気および前記冷却手段で冷却された空気を、給気として前記給気ダクトから前記第１空間に流入させるファンの回転数を制御する
    ことを特徴とするサーバ室管理用の空調制御方法。

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