JP5503312B2

JP5503312B2 - 空調システム

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Publication number: JP5503312B2
Application number: JP2010018892A
Authority: JP
Inventors: 淳一大木
Original assignee: Ｇａｃ株式会社
Priority date: 2010-01-29
Filing date: 2010-01-29
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2030-01-29
Also published as: US20110185750A1; US20140190204A1; US8701429B2; JP2011158135A; CN102141278A; CN102141278B

Description

本発明は、低消費電力の空調システムに関するものである。

特許文献１には、室内に既設冷房能力を補う熱交換器ユニットを設置し、空調機、情報機器の送風機により局所冷房能力改善を含めたトータル冷房能力の増加を図ること、また、この方法によれば情報機器を冷房するために必要な追加冷房能力を情報機器、空調機と一体で設置可能となり、既存設備の改修を最小限にすることができることが記載されている。

特開２００２−２７７００１号公報（段落番号０００６）

サーバーなどの情報機器が多く設置されるデータセンターなどの情報関連施設においては、殆どの場合、昼夜および四季を通じて、２４時間３６５日にわたり空調機器が作動している。そして、情報関連施設の空調機器は殆どの時間、室内を冷房している。したがって、冷房能力を向上することは重要であるが、さらに、冷房に費やす電力を省けるようにすることも重要である。

本発明の一態様は、屋内熱交換ユニットと、屋外熱交換ユニットとを有するシステムである。屋内熱交換ユニットは、水平な方向に対し角度を設けて設置される屋内チューブを含み、ファンを含まない。屋内チューブは、屋内チューブの内部の冷媒が室内（屋内）の高温の空気層から受熱して沸騰気化し、高温の空気層が当該屋内熱交換ユニットを通過して下降する。屋外熱交換ユニットは、屋外の、屋内チューブよりも高い位置に設置される屋外チューブを含む。屋外チューブは連通管を介し、圧縮機を介さずに屋内チューブに接続され、屋内チューブで沸騰気化した冷媒を凝縮液化して屋内チューブに戻す。

このシステムは、圧縮機を含まず、屋外チューブを屋内チューブよりも上側に配置し、気化した冷媒と、液化した冷媒との比重の差を用いて冷媒を自然循環させ、屋内より屋外が低温のときに屋内を冷却することができる、省電力タイプのシステムである。さらに、屋内チューブの内部の冷媒が高温の空気層から受熱して沸騰気化し、高温の空気層の空気は冷えて屋内熱交換ユニットを通過して下降する。したがって、室内ファンも省略できる。

このシステムにおいては、屋内チューブは非水平に配置され、屋内チューブは鉛直方向に配置されてもよい。このシステムにおいて、屋内チューブを、水平な方向に対して斜め（非直角）に配置することが望ましく、さらに、屋内チューブを室内の天井の近傍に、天井に対し斜めに配置することが望ましい。天井の近傍で、水平な方向または天井に対し斜めに屋内チューブを配置することにより室内上部の天井に沿った高温の空気層に対し室内チューブが斜めに接する。これにより、天井近傍の高温の空気層の空気は冷え、さらに効率よく屋内熱交換ユニットを通過して下降する。したがって、ダウンフローが形成されやすく、室内ファンを省略しても室内の冷却効率を向上しやすい。屋内チューブが鉛直ではなく斜めであっても、凝縮液化した冷媒を屋内チューブの下側に供給し、沸騰気化した冷媒を屋内チューブの上側から排出するという経路で冷媒を効率よく循環できる。したがって、自然循環を用いた、冷却効率のよい屋内熱交換ユニットを提供できる。

このシステムは、屋内より屋外が低温のときに屋内を冷却することができるものであり、データセンターの冷房能力、たとえばピーク時の冷房能力を向上することへの寄与は少ない。しかしながら、圧縮機および室内ファンが不要なので、少ない電力で、あるいは電力を使わずに冷房能力が得られる。このため、２４時間３６５日を通じた空調に要する消費電力を低減できる。

屋内熱交換ユニットは、室内の床に設置された床置形の空調機の空気吸入口または空気吸入経路に配置することが可能である。床置形の空調機の空調負荷を低減でき、空調機の消費電力を低減できる。

屋内熱交換ユニットは、床置形の空調機の空気吸入口とダクトで接続されていてもよい。冷房が可能な条件においては斜めに配置された屋内チューブによりダウンフローが形成される。したがって、ダクトで接続しても空調機の圧力損失の増加を抑制できる。

システムは、屋外チューブに対し外気を強制的に供給する屋外ファンと、屋外ファンを制御する制御ユニットとを有する。制御ユニットは、一時的に屋外ファンを停止し、または一時的に屋外ファンを駆動し、屋外ファンを停止したときの屋内チューブによる吸熱能力（冷房性能）を評価する機能を含む。さらに、制御ユニットに、屋外ファンを停止したときの屋内チューブによる吸熱能力が屋外ファンを駆動したときの屋内チューブによる吸熱能力より劣らなければ、屋外ファンを停止する機能を設けることが望ましい。屋外ファンにより消費される電力をさらに削減できる。

また、制御ユニットは、屋外ファンを停止したときの屋内チューブによる吸熱能力と屋外ファンを駆動したときの屋内チューブによる吸熱能力との差による室内に設置された空調機の消費電力の差分が、屋外ファンの消費電力より小さければ、屋外ファンを停止する機能を含むことが望ましい。空調機を含めたシステム全体の冷房能力に対する消費電力の低減を図ることができる。

本発明の異なる態様の１つは、システムを制御する方法である。このシステムは、屋内チューブと、屋外チューブと、屋外ファンと、この屋外ファンを制御する制御ユニットとを含む。屋内チューブは、水平な方向に対し斜めに設置され、屋内チューブの内部の冷媒は室内の空気層から受熱して沸騰気化する。屋外チューブは、屋外の、屋内チューブよりも高い位置に設置され、連通管を介し、圧縮機を介さずに屋内チューブに接続され、屋内チューブで沸騰気化した冷媒を凝縮液化して屋内チューブに戻す。屋外ファンは、屋外チューブに対し外気を強制的に供給する。この方法は以下のステップを有する。
１．制御ユニットが、一時的に屋外ファンを停止し、または一時的に屋外ファンを駆動し、屋外ファンを停止したときの屋内チューブによる吸熱能力を評価すること。
２．制御ユニットが、屋外ファンを停止したときの屋内チューブの吸熱能力が屋外ファンを駆動したときの屋内チューブの吸熱能力より劣らなければ、屋外ファンを停止すること。

さらに、この方法は、以下のステップを有していてもよい。
３．制御ユニットが、屋外ファンを停止したときの屋内チューブの吸熱能力と屋外ファンを駆動したときの屋内チューブの吸熱能力との差による室内に設置された空調機の消費電力の差分が、屋外ファンの消費電力より小さければ、屋外ファンを停止すること。

空調システムの概要を示す図。空調システムの制御を示すフローチャート。図３（ａ）は吸熱能力と温度差との関係を示し、図３（ｂ）は吸熱能力と冷媒蒸発温度との関係を示す図。空調システムが動作する様子を示すタイミングチャート。

図１に、データセンターの空気調和システムの一例を示している。この空気調和システム（空調システム）１０は、床上２ａと床下２ｂとの二重構造を持つフリーアクセス床２の床下２ｂの空間を用い、冷風（冷気）６１を床上２ａに配置された複数のサーバー５に供給してサーバー５および室内１を空調する。空調システム１０は、床置形の主空調システム２０と、室内１の天井３の近傍に配置された補助空調システム１１とを有する。主空調システム２０は、床置形の屋内（室内）ユニット２１と、屋外ユニット２９とを含む。屋内ユニット２１は、冷却用のチューブを含むエバポレータ２４と、ヒーター２５と、室内ファン２２とを含む。屋内ユニット２１は、屋内ユニット２１の天井側の吸入口２３ａから吸気して温度を制御し、床２を貫通するように設けられた吐出口２３ｂから温度制御された空気（冷気）６１を床下２ｂに噴き出す。なお、以降では、空調システム１０で冷房している状態を主に説明する。

屋外ユニット２９は、コンプレッサ（圧縮機）２６と、屋外ファン２７と、凝縮用のチューブを含むコンデンサ２８とを含む。主空調システム２０においては、コンプレッサ２６で圧縮した冷媒をコンデンサ２８で外気温度を利用して冷やし、屋内ユニット２１のエバポレータ２４において冷媒を減圧および蒸発させることにより冷風６１を生成する。室内ユニット２１においては、室内ファン２２により吸入口２３ａから吸引した空気６５をエバポレータ２４で冷却し、冷気６１を床下２ｂに噴き出し、サーバー５を冷却する。サーバー５においては、床下２ｂから供給された冷気６１によりサーバー５の内部の電子機器を冷却し、加熱された空気６２を天井３に向けて排出する。

補助空調システム１１は、室内１の天井３に対し斜めに設置される屋内チューブ３１を含む屋内熱交換ユニット３０と、屋外９の、屋内チューブ３１よりも高い位置に設置される屋外チューブ４１を含む屋外熱交換ユニット４０とを有する。屋内熱交換ユニット３０は、ファンを含まない。屋外熱交換ユニット４０は、屋外チューブ４１に対して外気８を強制的に供給する屋外ファン４４と、屋外ファン４４を駆動するファンモーター４５とを含む。さらに、補助空調システム１１は、屋外ファン４４のファンモーター４５を制御する制御ユニット５０と、屋内チューブ３１と屋外チューブ４１とをコンプレッサ（圧縮機）を介さずに連通する連通管５８および５９とを含む。連通管５９は、屋内チューブ３１で沸騰気化した冷媒を屋外チューブ４１に供給し、連通管５８は、屋外チューブ４１で凝縮液化した冷媒を屋内チューブ３１に戻す。

屋内熱交換ユニット３０の屋内チューブ３１は、水平な方向に延びた天井３の近傍に設置され、さらに、屋内チューブ３１は天井３に対して斜めになるように設けられている。すなわち、屋内チューブ３１は水平な方向に対して斜めに設置されている。屋内熱交換ユニット３０は、液化した冷媒が供給される供給ヘッダ３２と、気化した冷媒が集められる排出ヘッダ３３とを有し、複数の屋内チューブ３１が供給ヘッダ３２と排出ヘッダ３３とを接続している。屋内熱交換ユニット３０の排出ヘッダ３３は、供給ヘッダ３２に対して天井３に近くなるように配置されている。このため、複数の屋内チューブ３１は、供給ヘッダ３２から排出ヘッダ３３に向かって斜め上方に延びている。複数の屋内チューブ３１は鉛直方向に対して斜めに、直交または平行にならないように設置され、複数の屋内チューブ３１は天井３に対して斜めに傾いた状態で設置されている。すなわち、複数の屋内チューブ３１は、天井３の直下で、水平な方向に対して斜めに、直交または平行にならないように設置され、複数の屋内チューブ３１は水平な方向に延びた天井３に対して斜めに傾いた状態で設置されている。

屋内熱交換ユニット３０は、さらに、内部に屋内チューブ３１が配置されたハウジング３９を有し、ハウジング３９は屋内チューブ３１と同様に天井３に対して斜めに傾いた状態で設置されている。ハウジング３９の上面は、屋内チューブ３１に対して空気が供給される供給口３８ａとなっており、供給口３８ａも天井３に対して斜めに傾いた状態になっている。すなわち、供給口３８ａは鉛直方向および水平方向に対して斜めに傾いている。ハウジング３９の下面は、屋内チューブ３１により冷却された空気が排出される排出口３８ｂとなっており、排出口３８ｂはダクト３７を介して、床置形の屋内ユニット２１の吸入口２３ａに接続されている。

この補助空調システム１１においては、屋内熱交換ユニット３０は、ダクト３７により床置形の屋内ユニット２１により支持されている。屋内熱交換ユニット３０を天井３から適当な方法により吊ったり、床２から支持することも可能である。

屋内熱交換ユニット３０の屋内チューブ３１は、室内１の天井３に沿った領域、すなわち、室内１の上部の高温の空気層６３に斜めに接する。屋内チューブ３１の内部の冷媒は高温の空気層６３から受熱すると沸騰気化する。一方、高温の空気層６３は熱が奪われるので冷却され、室内１の天井３に近い領域から下側に流れる空気（ダウンブロー）６５が発生する。この空気の流れ（ダウンブロー）６５はほぼ鉛直方向の流れになる。屋内チューブ３１が水平あるいは垂直（鉛直）ではなく、斜めに傾いた状態で配置されていることにより、水平方向に延びた高温の空気層６３に対して効率よく接し、ダウンブロー６５を効率よく生成できる。さらに、屋内チューブ３１が天井３に対して斜めに傾いているので、屋内チューブ３１に吸引される方向はダウンブロー６５が発生していない方向に限られ、天井３に沿って高温の空気層６３が屋内熱交換ユニット３０に吸引される、一定の流れ６４を形成できる。このため、サーバー５の上部に形成される熱だまりを比較的容易に解消でき、サーバー５における熱交換を促進させ、サーバー５をさらに効率よく冷却させることができる。

したがって、屋内熱交換ユニット３０においては、供給口３８ａに対して、天井３にほぼ沿った水平に近い方向から比較的高温の空気６４が流入し、排出口３８ｂから冷却された空気６５がほぼ鉛直方向に排出される。そして、屋内熱交換ユニット３０から排出された空気６５は、床置形の室内ユニット２１の吸入口２３ａから吸い込まれ、さらに冷却されてサーバー５に供給される。したがって、この補助空調システム１１が冷却効果を発揮する条件下においては、主空調システム２０の負荷を低減でき、主空調システム２０の消費電力を低減できる。

補助空調システム１１の屋内熱交換ユニット３０の屋内チューブ３１で沸騰気化した冷媒は、液冷媒との比重差により、チューブ内を上昇するので上方の排出ヘッダ３３に集められ、さらに連通管５９を通って上方の屋外熱交換ユニット４０に達する。屋外熱交換ユニット４０においては、屋外チューブ４１に流入した気化冷媒が外気により冷却され凝縮液化し液冷媒となる。液冷媒は、気化冷媒との比重差により、連通管５８を通って、下方の屋内熱交換ユニット３０の供給ヘッダ３２に降下する。このように、補助空調システム１１においては、液冷媒と、気化冷媒との比重差により、重力で、コンプレッサやポンプなどの圧縮機を用いずに冷媒が自然循環することで、室内１の熱を外気に放出できる。したがって、この補助空調システム１１においては、圧縮機を駆動させるために要する動力（電力）が不要である。

屋内チューブ３１および屋外チューブ４１の典型的なものはアルミニウム管または銅管であり、フィン付きであってもフィンがなくてもよい。フィンはコルゲートタイプ、プレートタイプさらにスパインタイプであってもよい。冷媒は作動条件とする室温で気化し、外気温で液化するものであればよく、たとえば、ＨＦＣ１３４ａ（化学式ＣＨ_２ＦＣＦ_３）を挙げることができる。

さらに、この補助空調システム１１においては、斜めに配置された屋内チューブ３１により生成される室内１の空気の流れ６４および６５により室内１の空気を循環させて効率よく屋内チューブ３１と接触させている。したがって、補助空調システム１１は屋内ファンを備えておらず、屋内ファンに要する動力（電力）も不要である。

この補助空調システム１１においては、屋内熱交換ユニット３０がダクト３７により主空調システム２０の屋内ユニット２１の吸入口（吸引口）２３ａに接続され、屋内ユニット２１のファン２２の動力を用いて空気の循環を確保するようになっている。しかしながら、屋内熱交換ユニット３０が冷却能力を発揮する条件においては、屋内熱交換ユニット３０により発生するダウンブロー６５により屋内ユニット２１の室内ファン２２の動力負荷を低減できる。

補助空調システム１１の屋内熱交換ユニット３０を、ダクト３７により接続せずに、主空調システム２０の屋内ユニット２１の吸引口２３ａにより室内の空気が吸引される経路に配置することにより、主空調システム２０の冷房負荷を軽減することも可能である。また、補助空調システム１１を、屋内ユニット２１の配置とは独立させて、室内１のいくつかの場所に分散して配置し、室内１の熱負荷を軽減することも可能である。

屋外熱交換ユニット４０においても、屋外ファン４４を、モーター４５を用いて回転させずに、外気（外風）により屋外チューブ４１を冷却することが可能である。特に、風が定常的に吹くような地形に建てられた建物内を冷房する場合には、屋外ファン４４をモーター４５で動かす必要がないことが多い。たとえば、多数のビルが立ち並ぶ環境においては、ビルの間を吹く風により十分な冷却能力が得られることがある。ファン用モーター４５を駆動しなければ、その動力（電力）は不要であり、この補助空調システム１１においては、基本的には電力を消費しなくても室内１を冷却することができる。したがって、データセンターなどに使用される室内１の冷房に要する電力をさらに削減できる。

一方、風がないとき、あるいは風力が十分でないときに、屋外ファン４４のモーター４５を駆動して補助空調システム１１の冷房能力を活かした方が、空調システム１０として省電力になる場合もある。特に、データセンターは電力使用量が莫大であり、少しでも省エネ化したいというニーズがある。データセンターは２４時間３６５日稼動し続け、空調システム１０の省エネ・低稼働化を補助する補助空調システム（排熱ユニット、排熱システム）１１も相当時間の稼動時間となる。さらに、通年運転のシステムでは、モーター４５の寿命が運転時間（一般的には２万時間）に関連するため、ファンモーター４５の稼働時間を抑制できれば、モーター交換などを含むメンテナンスサイクルを延長でき、経済的な負担も軽減できる。

このため、補助空調システム１１の制御ユニット５０は、屋外ファン４４を駆動したときの性能（屋内チューブによる吸熱能力）を評価する機能（評価機能、評価機能ユニット）５１と、所定の条件のときに屋外ファン４４のモーター４５を停止する（稼働させない）第１および第２の機能（機能ユニット）５２および５３とを含む。評価機能５１は、一時的に屋外ファン用のモーター４５を停止し、または一時的に屋外ファン用のモーター４５を駆動し、屋外ファン用のモーター４５を停止したときの屋内熱交換ユニット３０の冷却性能、すなわち、屋内チューブ３１による吸熱能力を評価する。第１の停止機能５２は、屋外ファン４４を停止したときの屋内チューブ３１の吸熱能力が屋外ファン４４を駆動したときの屋内チューブ３１の吸熱能力より劣らなければ、屋外ファン４４を停止する。第２の停止機能５３は、屋外ファン４４を停止したときの屋内チューブ３１の（による）吸熱能力と屋外ファン４４を駆動したときの屋内チューブ３１の吸熱能力との差による、主空調システム２０の消費電力低減量（消費電力の差分）が、屋外ファン４４のモーター４５の消費電力より小さければ、屋外ファン４４（ファン用モーター４５）を停止する。

図２に、制御ユニット５０の動作をフローチャートにより示している。まず、ステップ７１において、評価機能ユニット５１が評価のタイミングを判断する。評価のタイミングを判断する１つの方法は、所定の時間が経過したことである。評価のタイミングを判断する他の方法の１つは、屋内熱交換ユニット３０の性能を評価するためにあらかじめ設定されていたパラメータ（測定値）がしきい値に到達したことである。

評価するタイミングになると、ステップ７２において、評価機能ユニット５１は、屋外ファン４４（ファンモーター４５）の稼働を判断し、屋外ファン４４が稼働していれば、ステップ７３で屋外ファン４４を停止して屋内熱交換ユニット３０の性能を評価する。すなわち、屋内チューブ３１による吸熱能力を評価する。一方、屋外ファン４４が停止していたら、ステップ７４で屋外ファン４４（ファンモーター４５）を駆動して屋内チューブ３１の吸熱能力を評価する。

屋内熱交換ユニット３０の性能、すなわち屋内チューブ３１の吸熱能力は、次にように評価できる。図３（ａ）は、屋内熱交換ユニット３０の入口および出口の空気の温度差ΔＴ１（℃）と吸熱能力（ｋＷ）との関係を示している。図３（ｂ）は、屋内熱交換ユニット３０の気化冷媒の温度Ｔ２（℃）を示している。いずれのパラメータ（測定値）も、屋内チューブ３１の吸熱能力にほぼ比例して変化する。したがって、ステップ７３または７４において、これらのパラメータのいずれかを測定し、その前の状態のパラメータ、すなわち、屋外ファン４４（ファンモーター４５）がオンまたはオフのときのパラメータと比較することにより、屋外ファン４４がオンおよびオフのときの屋内熱交換ユニット３０の性能（冷房性能）を評価できる。

ステップ７５において、第１の停止機能ユニット５２は、屋外ファン４４をオフしたときの屋内熱交換ユニット３０の性能（吸熱能力）Ｑｏｆｆが、屋外ファン４４をオンしたときの吸熱能力Ｑｏｎより劣らなければ、すなわち、以下の条件（１）がなりたてば、ステップ７８において屋外ファン４４（ファンモーター４５）を停止する。
Ｑｏｎ≦Ｑｏｆｆ・・・（１）
吸熱能力が同じ場合は、屋外ファン４４を停止して、補助空調システム１１の消費電力を抑える。

屋外ファン４４をオンしたときの屋内熱交換ユニット３０の吸熱能力が高い場合は、さらに、第２の停止機能ユニット５３が、屋外ファン４４を停止したときの屋内熱交換ユニット３０の吸熱能力と屋外ファン４４を駆動したときの屋内熱交換ユニット３０の吸熱能力との差ΔＱによる主空調システム２０の消費電力の差分ΔＰｗが、屋外ファン４４の消費電力（ファンモーター４５の消費電力）Ｐｆ以下であるか否かを判断する。

性能の差（吸熱能力の差）ΔＱは風量Ｖ（ｍ^３／ｈ）、比重量γ（ｋｇ／ｍ^３）、比熱Ｃｐ（ｋｃａｌ／ｋｇ℃）、屋内熱交換ユニット３０の入口および出口の空気の温度差ΔＴ１（℃）と、１ｋＷとカロリー（ｋｃａｌ）との変換量（１ｋＷ＝８６０ｋｃａｌ／ｈ）を用い、以下の式（２）により求めることができる。風量Ｖは、屋内熱交換ユニット３０（屋内チューブ３１）を通過する風量であり、この例では、屋内ユニット２１が吸引する風量である。
ΔＱ＝Ｖ・γ・Ｃｐ・ΔＴ１／（０．８６）・・・（２）

この性能の差ΔＱによる屋内ユニット２１を含む主空調システム２０の消費電力の差分ΔＰｗは、冷房効率ＣＯＰ（冷房能力ｋＷ／消費電力ｋＷ）を用いて以下の式（３）により求めることができる。
ΔＰｗ＝ΔＱ／ＣＯＰ・・・（３）

したがって、ステップ７６において、第２の停止機能５３は、以下の条件（４）がなりたてば、ステップ７８において屋外ファン４４を停止し、成り立たなければステップ７７において屋外ファン４４を駆動する。
ΔＰｗ≦Ｐｆ・・・（４）
ただし、Ｐｆは屋外ファン４４を駆動するモーター４５の消費電力である。消費電力に差がない場合は、屋外ファン４４のモーター４５を停止して、モーター４５の稼働時間を抑制する。

図４に、補助空調システム１１の動作の一例をタイミングチャートにより示している。時刻ｔ１に評価するタイミングになると、評価機能ユニット５１は、時刻ｔ１以前に屋外ファン４４が稼働しているので屋外ファン４４を停止して、屋内（室内）熱交換ユニット３０の性能（吸熱能力）を評価する。評価時間が経過し、時刻ｔ２に屋外ファン４４を停止しても屋内熱交換ユニット３０の吸熱能力が変わりないとすると、第１の停止機能ユニット５２は、屋外ファン４４を停止する。

その際、評価機能ユニット５１は、屋内熱交換ユニット３０の性能、すなわち、屋内チューブ３１による吸熱能力を再評価するためのしきい値Ｔｔｈを設定する。たとえば、性能を評価するための測定値が冷媒蒸発温度Ｔ２であれば、評価時間中の蒸発温度Ｔ２に対して１度程度高い温度をしきい値Ｔｔｈとして設定する。性能を評価するための測定値が温度差ΔＴ１であれば、評価時間中の温度差ΔＴ１に対して１度程度低い温度をしきい値Ｔｔｈとして設定する。

前回評価から所定の時間が経過した時刻ｔ３に、評価機能ユニット５１は、時刻ｔ３以前に屋外ファン４４が稼働していないので屋外ファン４４を稼働させて、屋内（室内）熱交換ユニット３０の吸熱能力を評価する。評価時間が経過し、第１の停止機能ユニット５２が時刻ｔ４に屋外ファン４４を稼働した方が屋内熱交換ユニット３０の性能が高く、さらに、第２の停止機能ユニット５３が主空調システム２０の消費電力をファンモーター４５の消費電力以上にセーブできると判断すると、時刻ｔ４から屋外ファン４４を稼働させる（屋外ファン４４の稼働を継続する）。

再び時間が経過し、時刻ｔ５に評価するタイミングになると、評価機能ユニット５１は、時刻ｔ５以前に屋外ファン４４が稼働しているので屋外ファン４４を停止して、屋内（室内）熱交換ユニット３０の吸熱能力を評価する。評価時間が経過し、時刻ｔ６に屋外ファン４４を停止しても屋内熱交換ユニット３０の吸熱能力が変わりないとすると、第１の停止機能ユニット５２は、屋外ファン４４を停止する（屋外ファン４４を稼働させない）。

時刻ｔ７に、屋内熱交換ユニット３０の屋内チューブ３１における蒸発温度Ｔ２がしきい値Ｔｔｈに達すると、時間は経過していないが、外気の状態が変化したとして、評価機能ユニット５１は屋外ファン４４を稼働させて、屋内熱交換ユニット３０（屋内チューブ３１）の吸熱能力を評価する。評価時間が経過し、第１の停止機能ユニット５２が時刻ｔ８に屋外ファン４４を稼働した方が屋内熱交換ユニット３０の吸熱能力が高いと判断する。しかしながら、第２の停止機能ユニット５３が主空調システム２０の消費電力の増加ΔＰｗの方が、ファンモーター４５の消費電力Ｐｆより小さいと判断すると、空調システム１０の全体の消費電力をセーブするために、時刻ｔ８から屋外ファン４４を停止する。

このデータセンターの室内１を空調する空調システム１０は、主空調システム２０と、自然循環タイプの補助空調システム１１とを備えており、夜間あるいは夏季以外の外気温度が低い状態になると補助空調システム１１により室内１の熱を、動力を全く使わないか、あるいはほとんど用いずに放出できる。したがって、主空調システム２０の熱負荷を低減でき、主空調システム２０を含めた空調システム１０の消費電力を低減できる。

特に、本例の補助空調システム１１は、屋内ファンを含まず、さらに屋外ファンを可能な限り停止し、できるだけ動力を用いないで室内１の熱を屋外に放出させることが可能である。このため、補助空調システム１１は、外気温度という自然のエネルギー源だけではなく、さらに、ビル風などの自然の風をエネルギー源として利用し、室内１を冷房することができ、その一方で、風という不安定なエネルギーが利用できない場合は、屋外ファン４４を駆動することにより、外気という自然のエネルギーの利用効率を向上できるようにしている。このため、より厳密に消費電力の最小化を図ることができる。また、屋外ファン４４のモーター４５の稼働率を低減できるので、メンテナンスに要する費用も低減できる。

なお、上記においては、水平な方向に広がった天井３を有する室内１に屋内熱交換ユニット３０を設置した例を説明しているが、水平な方向に対して斜めになった天井を有する室内に屋内熱交換ユニット３０を設置することも可能である。この場合、屋内チューブ３１は水平な方向に対して斜めまたは直交（鉛直）するように設置する必要がある。さらに、水平な方向に対して斜めの天井３に対しても屋内チューブ３１は斜めに設置されていることが望ましい。天井３に沿って存在する高温の空気層に対する接触面積を確保しやすい。屋内チューブ３１は、鉛直方向に沿って配置されていてもよい。鉛直方向のダウンストリームによる高温の空気と屋内チューブ３１との接触効率の低下を抑制するためには、屋内チューブ３１を鉛直方向に対して斜めに設置することが望ましい。

また、上記においては、データセンターに設置される空調システムを例に説明しているが、冷房の対象となる負荷はサーバーなどの情報機器に限定されない。クリーンルームの空調など、窓を開けて風を取り込むことが難しい条件の空調に、本発明の空調システムは好適である。さらに、上記では、床置形の空調システムとの組み合わせを例に、本発明のシステムを説明しているが、異なるタイプの空調システムと組み合わせたり、単独で使用したり、さらには、既存の空調システムを組み合わせて利用するなど、上記以外の様々な方法で空調する条件または環境に合わせて使用できる。

１０空調システム、１１補助空調システム、２０主空調システム
３０屋内熱交換ユニット（室内熱交換ユニット）
４０屋外熱交換ユニット（室外熱交換ユニット）
５０制御ユニット

Claims

水平な方向に対し角度を設けて設置される屋内チューブを含み、ファンを含まない屋内熱交換ユニットであって、前記屋内チューブが室内の上部の高温の空気層に接し、前記屋内チューブの内部の冷媒が前記高温の空気層から受熱して沸騰気化し、前記高温の空気層が当該屋内熱交換ユニットを通過して下降する、屋内熱交換ユニットと、
屋外の、前記屋内チューブよりも高い位置に設置される屋外チューブを含む屋外熱交換ユニットであって、前記屋外チューブは連通管を介し、圧縮機を介さずに前記屋内チューブに接続され、前記屋内チューブで沸騰気化した冷媒を凝縮液化して前記屋内チューブに戻す、屋外熱交換ユニットと、
前記屋外チューブに対し外気を強制的に供給する屋外ファンと、
前記屋外ファンを制御する制御ユニットとを有し、
前記制御ユニットは、一時的に前記屋外ファンを停止し、または一時的に前記屋外ファンを駆動し、前記屋外ファンを停止したときの前記屋内チューブによる吸熱能力を評価する機能を含む、システム。
請求項１において、
前記屋内チューブは前記室内の天井に対し斜めに設置される、システム。
請求項１または２において、
前記屋内熱交換ユニットは、前記室内の床に設置された床置形の空調機の空気吸入口または空気吸入経路に配置されている、システム。
請求項３において、
前記屋内熱交換ユニットは、前記床置形の空調機の前記空気吸入口とダクトで接続されている、システム。
請求項３または４において、
前記床置形の空調機をさらに有する、システム。
請求項１ないし５のいずれかにおいて、
前記制御ユニットは、さらに、前記屋外ファンを停止したときの前記屋内チューブによる吸熱能力が前記屋外ファンを駆動したときの前記屋内チューブによる吸熱能力より劣らなければ、前記屋外ファンを停止する機能を含む、システム。
請求項１ないし６のいずれかにおいて、
前記制御ユニットは、さらに、前記屋外ファンを停止したときの前記屋内チューブによる吸熱能力と前記屋外ファンを駆動したときの前記屋内チューブによる吸熱能力との差による前記室内に設置された空調機の消費電力の差分が、前記屋外ファンの消費電力より小さければ、前記屋外ファンを停止する機能を含む、システム。
水平な方向に対し斜めに設置される屋内チューブであって、前記屋内チューブの内部の冷媒が室内の空気層から受熱して沸騰気化する屋内チューブと、屋外の、前記屋内チューブよりも高い位置に設置される屋外チューブであって、連通管を介し、圧縮機を介さずに前記屋内チューブに接続され、前記屋内チューブで沸騰気化した冷媒を凝縮液化して前記屋内チューブに戻す、屋外チューブと、前記屋外チューブに対し外気を強制的に供給する屋外ファンと、前記屋外ファンを制御する制御ユニットとを有するシステムを制御する方法であって、
前記制御ユニットが、一時的に前記屋外ファンを停止し、または一時的に前記屋外ファンを駆動し、前記屋外ファンを停止したときの前記屋内チューブによる吸熱能力を評価することと、
前記制御ユニットが、前記屋外ファンを停止したときの前記屋内チューブによる吸熱能力が前記屋外ファンを駆動したときの前記屋内チューブによる吸熱能力より劣らなければ、前記屋外ファンを停止することとを含む、方法。
水平な方向に対し斜めに設置される屋内チューブであって、前記屋内チューブの内部の冷媒が室内の空気層から受熱して沸騰気化する屋内チューブと、屋外の、前記屋内チューブよりも高い位置に設置される屋外チューブであって、連通管を介し、圧縮機を介さずに前記屋内チューブに接続され、前記屋内チューブで沸騰気化した冷媒を凝縮液化して前記屋内チューブに戻す、屋外チューブと、前記屋外チューブに対し外気を強制的に供給する屋外ファンと、前記屋外ファンを制御する制御ユニットとを有するシステムを制御する方法であって、
前記制御ユニットが、一時的に前記屋外ファンを停止し、または一時的に前記屋外ファンを駆動し、前記屋外ファンを停止したときの前記屋内チューブによる吸熱能力を評価することと、
前記制御ユニットが、前記屋外ファンを停止したときの前記屋内チューブによる吸熱能力と前記屋外ファンを駆動したときの前記屋内チューブによる吸熱能力との差による前記室内に設置された空調機の消費電力の差分が、前記屋外ファンの消費電力より小さければ、前記屋外ファンを停止することとを含む、方法。