JP5438431B2 - 外気冷房システム - Google Patents

Description

この発明は、外気を利用して被空調空間の冷房を行う外気冷房システムに関するものである。

従来より、サーバなどの電子機器が設置されたデータセンタでは、電子機器が発する熱で暖められた空気をエネルギー（主に電力）を使用して冷却している。このデータセンタ内の空気の冷却は、冬期など外気が低い時期でも、同様にして行われる。すなわち、冬期など外気が低い時期でも、わざわざ、エネルギーを使用して空気を冷却している。

これに対して、ビルなどの空調システムでは、夏期や冬期に至る前の中間期において、外の冷たい外気を利用して被空調空間の冷房が行われている（例えば、特許文献１参照）。この外気を利用した冷房を外気冷房と呼んでいる。

この外気冷房では、被空調空間からの還気の一部を外気と合わせ、この還気と外気との混合空気を空調機へ戻すことによって、空調機の省エネルギー運転が行われる。この外気冷房をデータセンタでも行うようにすれば、冬期など外気が低い時期において、わざわざエネルギーを使用して空気を冷却しなくてもよくなり、省エネルギーが図られる。

特開平８−２７１０２７号公報

しかしながら、上述した従来の外気冷房をデータセンタで行うようにした場合、外界から取り入れた外気がデータセンサ内に導入されるため、冬期において、データセンサ内が低湿度となり、加湿コストが増加するという問題が生じる。

また、塩分など外気に含まれる物質がサーバなどの電子機器に悪影響を及ぼす可能性があり、それを取り除くためのフィルタを必要とし、フィルタの設置コストが増加する。また、フィルタを定期的に交換しなければならず、フィルタ交換コストも増加する。以下、フィルタの設置コストとフィルタ交換コストを合わせて、フィルタコストと呼ぶ。

なお、水を媒体にして外気冷熱を取得するフリークーリングシステムと呼ばれるシステムもあるが、冷凍機（空調機への冷水を生成する熱源機）へ冷却水を供給するための冷却塔を屋外に設置しなければならず、設備が大掛かりとなり、既設のデータセンタの改修や小規模のデータセンタには不向きである。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、小規模の構成とし、外気取り込みによる加湿コストの増加やフィルタコストの増加を避けることができる外気冷房システムを提供することにある。

このような目的を達成するために本発明は、被空調空間からの還気を給気として被空調空間へ戻す給気ファンと、外界から取り入れられる外気を排気として外界へ戻す外気ファンと、被空調空間へ給気として戻される前の還気と外界へ排気として戻される前の外気との間の顕熱の交換を行う顕熱交換器と、被空調空間への給気が還気として戻されるまでの通路中に定められた所定の位置の温度を検出する温度センサと、被空調空間からの還気が給気として被空調空間へ戻されるまでの通路中に設けられた冷水コイルと、この冷水コイルへの冷水の供給通路に設けられた冷水バルブと、この温度センサが検出する温度と予め定められている温度の設定値とが一致するように外気の取入量を制御するコントローラとを備え、コントローラは、外気の取入量を制御する制御出力が最大となった場合、冷水バルブの開度制御を開始することを特徴とする。

本発明によれば、被空調空間からの還気が給気として被空調空間へ戻され、外界から取り入れられる外気が排気として外界へ戻され、被空調空間へ給気として戻される前の還気と外界へ排気として戻される前の外気との間の顕熱の交換が顕熱交換器で行われるものとなる。これにより、外界から取り込まれる外気の全量を排気として戻すものとすれば、被空調空間へ外気を導入することなく、被空調空間の外気冷房が行われるようになり、小規模な構成とし、外気取り込みによる加湿コストの増加やフィルタコストの増加を避けることができるようになる。

本発明に係る外気冷房システムの一実施の形態の概略を示す計装図である。 この外気冷房システムにおけるコントローラが有する外気冷房制御機能を説明するためのフローチャートである。 外気冷房可能時のコントローラからのＩＮＶ出力（特性Ｉ）および冷水バルブへの制御出力（特性II）を示す図である。 外気冷房不能時のコントローラからの冷水バルブへの制御出力を示す図である。

以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明する。図１はこの発明に係る外気冷房システムの一実施の形態の概略を示す計装図である。同図において、１はサーバなどの電子機器１２が設置されたデータセンタ（被空調空間）、２はデータセンタ１に付設されている通常の外調機、３は本システム特有の外気冷房装置、４は外気冷房装置３を制御するコントローラである。

外調機２は、冷却用熱交換器（冷却コイル）２−１と、加熱用熱交換器（加熱コイル）２−２と、加湿器２−３と、送風機２−４とを有している。冷却コイル２−１への冷水の供給通路には冷水弁５が設けられ、加熱コイル２−２への温水の供給通路には温水弁６が設けられ、加湿器２−３への加湿水の供給通路には加湿弁７が設けられている。

外気冷房装置３は、データセンタ１からの還気ＲＡの全量が通過する第１の通路３Ａと、外界から取り込まれる外気ＯＡの全量が通過する第２の通路３Ｂと、第１の通路３Ａを通過する還気ＲＡの全量を給気ＳＡとしてデータセンタ１へ戻す給気ファン３−１と、第２の通路３Ｂを通過する外気ＯＡの全量を排気ＥＸＡとして外界へ排出する外気ファン３−２と、データセンタ１へ給気ＳＡとして戻される前の還気ＲＡと外界へ排気ＥＸＡとして戻される前の外気ＯＡとの間の顕熱の交換を行う顕熱交換器３−３と、第１の通路３Ａに設けられた冷水コイル３−４とを備えている。

外気冷房装置３において、顕熱交換器３−３は樹脂など湿気を通さない素材でできており、外気ＯＡからの冷熱を還気ＲＡに移し、還気ＲＡからの温熱を外気ＯＡに移す。この際、熱だけを移し、湿気の交換は行わない。

また、本実施の形態において、外気冷房装置３における給気ファン３−１の回転数は一定とし、外気ファン３−２の回転数は可変とする。このため、外気ファン３−２には、回転数を調整するためのインバータＩＮＶ１が付設されている。なお、この実施の形態では、説明を分かり易くするために給気ファン３−１の回転数を一定としたが、外気ファン３−２と同様に回転数を可変としてもよい。

また、外気冷房装置３において、第１の通路３Ａに設けられた冷水コイル３−４への冷水の供給通路には冷水バルブ８が設けられている。また、データセンタ１から外気冷房装置３に取り込まれる還気ＲＡに対して温度センサ（還気温度センサ）９が設けられ、外気冷房装置３からデータセンタ１へ供給される給気ＳＡに対して温度センサ（給気温度センサ）１０が設けられ、外界から外気冷房装置３に取り込まれる外気ＯＡに対して温度センサ（外気温度センサ）１１が設けられている。

コントローラ４は、プロセッサや記憶装置からなるハードウェアと、これらのハードウェアと協働して各種機能を実現させるプログラムとによって実現され、本実施の形態特有の機能として外気冷房装置３における外気ファン３−２の回転数および冷水バルブ８の開度を制御する外気冷房制御機能を有している。

コントローラ４には、温度センサ９が検出する還気ＲＡの温度が還気温度ｔｒｐｖとして、温度センサ１０が検出する給気ＳＡの温度が給気温度ｔsｐｖとして、温度センサ１１が検出する外気ＯＡの温度が外気温度ｔｏｕｔとして与えられる。また、コントローラ４には、給気温度の設定値がｔｓｓｐとして予め設定されている。この実施の形態では、給気温度の設定値ｔｓｓｐを１８℃としている。以下、図２に示すフローチャートに従って、コントローラ４が有する外気冷房制御機能について説明する。

コントローラ４は、外気温度ｔｏｕｔと還気温度ｔｒｐｖとを比較し、外気温度ｔｏｕｔが還気温度ｔｒｐｖよりも低ければ、外気冷房が可能であると判断する。この例では、所定の温度幅αを定め、外気温度ｔｏｕｔがｔｏｕｔ＜ｔｒｐｖ−αであった場合に（ステップＳ１０１のＹＥＳ）、外気冷房可能と判断し、外気温度ｔｏｕｔがｔｏｕｔ≧ｔｒｐｖ−αであった場合に（ステップＳ１０１のＮＯ）、外気冷房不能と判断する。

〔外気冷房可能時：ｔｏｕｔ＜ｔｒｐｖ−α〕
コントローラ４は、外気冷房が可能であると判断すると（ステップＳ１０１のＹＥＳ）、給気温度ｔｓｐｖと給気温度の設定値ｔｓｓｐとを比較する（ステップＳ１０２）。ここで、コントローラ４は、予め定められた温度幅をβとし、給気温度ｔｓｐｖがｔｓｐｖ＜ｔｓｓｐ−βであれば（ステップＳ１０２のＹＥＳ）、外気ファン３−２をＯＦＦとする（ステップＳ１０３）。

給気温度ｔｓｐｖがｔｓｐｖ≧ｔｓｓｐ−βであれば（ステップＳ１０２のＮＯ）、コントローラ４は、ｔｓｐｖ＝ｔｓｓｐとなるようにインバータＩＮＶ１へ制御出力（ＩＮＶ出力）を送り、外気ファン３−２の回転数を制御する（ステップＳ１０４、図３に示す特性Ｉ参照）。

この場合、外気ファン３−２の回転数が増大すると、外気ＯＡの取入量が増大し、顕熱交換器３−３によって還気ＲＡに移される外気ＯＡからの冷熱の量が増大する。これにより、顕熱交換器３−３を用いた給気温度制御が実施される。すなわち、給気温度ｔｓｐｖが下げられ、設定値ｔｓｓｐに合わせ込まれるようになる。

給気温度ｔｓｐｖと設定値ｔｓｓｐとの差が大きくなるほどインバータＩＮＶ１へのＩＮＶ出力は増大する。コントローラ４は、ＩＮＶ出力が最大となると（ステップＳ１０５のＹＥＳ）、顕熱交換器３−３を用いての給気温度の制御の限界に達したと判断し、冷水バルブ８の開度制御を開始する（ステップＳ１０６，図３に示す特性II参照）。この場合、顕熱交換器３−３を用いての給気温度の制御（ＩＮＶ出力を最大としての制御）はそのまま継続し、ｔｓｐｖ＝ｔｓｓｐとなるように冷水バルブ８の開度制御を行う。なお、冷水バルブ８の開度は、その開度制御が開始されるまでは、全閉状態を維持している。

〔外気冷房不能時：ｔｏｕｔ≧ｔｒｐｖ−α〕
外気冷房が不能であると判断すると（ステップＳ１０１のＮＯ）、コントローラ４は、顕熱交換器３−３を用いての給気温度の制御は行わず、冷水バルブ８のみを用いての給気温度の制御を行う（ステップＳ１０７）。すなわち、外気ファン３−２を停止させた状態で、ｔｓｐｖ＝ｔｓｓｐとなるように冷水バルブ８の開度制御を行う（図４参照）。

このようにして、本実施の形態では、外気温度が還気温度よりも低い状況下（ｔｏｕｔ＜ｔｒｐｖ−α）において、外気冷房が行われる。この外気冷房では、データセンタ１からの還気ＲＡの全量が給気ＳＡとしてデータセンタ１へ戻され、外界から取り入れられる外気ＯＡの全量が排気ＥＸＡとして外界へ戻され、データセンタ１へ給気として戻される前の還気ＲＡと外界へ排気ＥＸＡとして戻される前の外気ＯＡとの間の顕熱の交換が顕熱交換器３−３で行われる。これにより、データセンタ１内へ外気ＯＡを導入することなく、データセンタ１内の外気冷房が行われるものとなる。

したがって、本実施の形態では、外気ＯＡによってデータセンタ１内の湿度が低下することがなく、また塩分など外気ＯＡに含まれる物質がデータセンタ１内に入り込むことがなく、外気取り込みによる加湿コストの増加やフィルタコストの増加を避けることができるようになる。また、顕熱交換機３−３を組み込んだ外気冷房装置３をコントローラ４で制御するという小規模な構成で済み、フリークーリングシステムのように設備が大掛かりとならず、既設のデータセンタの改修や小規模のデータセンタへの導入も容易となる。

なお、上述した実施の形態では、データセンタ１からの還気ＲＡの全量を給気ＳＡとしてデータセンタ１へ戻し、外界から取り入れられる外気ＯＡの全量を排気ＥＸＡとして外界へ戻すようにしたが、還気ＲＡの一部を外界へ排出したり、外気ＯＡの一部を少しだけ給気ＳＡ側に混ぜるようにしたりしてもよい。

また、上述した実施の形態では、外気ファン３−２の回転数を調整することによって外気ＯＡの取入量を制御するようにしたが、外気ＯＡの排出通路や取入通路にダンパを設け、このダンパの開度を調整することによって外気ＯＡの取入量を制御するようにしてもよい。

また、上述した実施の形態では、温度センサ１によって給気温度ｔｓｐｖを計測し、ｔｓｐｖ＝ｔｓｓｐとなるように給気温度制御を行うようにしたが、還気温度制御としたり、室内温度制御とするようにしてもよい。すなわち、還気温度ｔｒｐｖに対して設定温度ｔｒｓｐを定め、ｔｒｐｖ＝ｔｒｓｐとなるように還気温度制御を行うようにしたり、室内温度ｔＲｐｖに対して設定温度ｔＲｓｐを定め、ｔＲｐｖ＝ｔＲｓｐとなるように室内温度制御を行うようにしてもよい。

本発明の外気冷房システムは、外気を利用して被空調空間の冷房を行う外気冷房システムとして、データセンタのみならず一般のビルなどの空調でも利用することができる。

１…データセンタ、２…外調機、２−１…冷却用熱交換器（冷却コイル）、２−２…加熱用熱交換器（加熱コイル）、２−３…加湿器、２−４…送風機、３…外気冷房装置、３Ａ…第１の通路、３Ｂ…第２の通路、３−１…給気ファン、３−２…外気ファン、３−３…顕熱交換器、３−４…冷水コイル、ＩＮＶ１…インバータ、４…コントローラ、５…冷水弁、６…温水弁、７…加湿弁、８…冷水バルブ、９，１０，１１…温度センサ、１２…サーバなどの電子機器。

Claims (5)

1. 被空調空間からの還気を給気として前記被空調空間へ戻す給気ファンと、
   外界から取り入れられる外気を排気として前記外界へ戻す外気ファンと、
   前記被空調空間へ給気として戻される前の還気と前記外界へ排気として戻される前の外気との間の顕熱の交換を行う顕熱交換器と、
   前記被空調空間からの還気が前記給気として前記被空調空間へ戻されるまでの通路中に設けられた冷水コイルと、
   この冷水コイルへの冷水の供給通路に設けられた冷水バルブと、
   前記被空調空間への給気が前記還気として戻されるまでの通路中に定められた所定の位置の温度を検出する温度センサと、
   この温度センサが検出する温度と予め定められている温度の設定値とが一致するように前記外気の取入量を制御するコントローラとを備え、
   前記コントローラは、
   前記外気の取入量を制御する制御出力が最大となった場合、前記冷水バルブの開度制御を開始する
   ことを特徴とする外気冷房システム。
2. 請求項１に記載された外気冷房システムにおいて、
   前記温度センサは、前記被空調空間への給気の温度を検出する給気温度センサである
   ことを特徴とする外気冷房システム。
3. 請求項１に記載された外気冷房システムにおいて、
   前記温度センサは、前記被空調空間からの還気の温度を検出する還気温度センサである
   ことを特徴とする外気冷房システム。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載された外気冷房システムにおいて、
   前記コントローラは、前記温度センサが検出する温度と予め定められている温度の設定値とが一致するように前記外気ファンの回転数を調整することによって前記外気の取入量を制御する
   ことを特徴とする外気冷房システム。
5. 請求項１〜３の何れか１項に記載された外気冷房システムにおいて、
   前記外界から取り入れられる外気が排気として前記外界へ戻されるまでの通路中に設けられたダンパを備え、
   前記コントローラは、前記温度センサが検出する温度と予め定められている温度の設定値とが一致するように前記ダンパの開度を調整することによって前記外気の取入量を制御する
   ことを特徴とする外気冷房システム。

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