JP5541518B2 - 寒冷地対応サーバ室空調システム - Google Patents

Description

本発明は、寒冷地対応サーバ室空調システムに関するものである。

従来のデータセンターや電算センター（以下、ＤＣという）におけるサーバ室（電算室）の空調方式としては、サーバ室内を二重床とし、かつ、サーバ室内またはサーバ室に隣接するように空調機械室を設け、該空調機械室に設置される床吹出し空調機により冷風を二重床内に供給し、該二重床からサーバ室内に冷風を供給して、サーバ室全体を冷房する方式が一般的である（例えば、特許文献１参照）。

このようなＤＣは、基本的にサーバなどの機器が設置されているだけであり、サーバが正常に稼動していればよく、ＤＣに常駐する人数は少なくてよい。また、電力配線網やインターネット網が繋がっている場所であれば、ＤＣを構築することができる。したがって、わが国では北海道や東北地方などの寒冷地に比較的設置することが可能な敷地が多く存在する。

特開２００４−１８４０７０号公報

ところで、寒冷地など冬季に積雪が予想される場所にＤＣを建設する場合、空調に使用する外気を空調機械室の外壁面にガラリを設け、該ガラリから外気を取り込む計画にすると、積雪によってガラリが埋もれてしまい、所定量の外気を取り込むことができないという問題がある。
そこで、建物の屋上に外気取り込み用のダクトを配し、屋上より空調機械室までダクトを敷設して、空調機へ所定量の外気を取り込む案が考えられる。しかしながら、このような構成では、ダクトスペースが必要となり、サーバ室の面積が制限されてしまうという問題がある。

そこで、本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、サーバ室の面積を大きく確保することができるとともに、所定量の外気を確実に取り込むことができる寒冷地対応サーバ室空調システムを提供するものである。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、寒冷地において、多数のサーバをサーバラックに収容して設置するサーバ室を対象とする空調システムであって、建物が高床式に構成されるとともに、少なくとも最下層に空調機が設置される空調機械室が配され、前記空調機械室の床面から外気を取り込むように構成されていることを特徴としている。

請求項１に記載した発明によれば、積雪を考慮した高さの高床式の建物とすることにより、冬季においても外気を取り込む給気口（給気ガラリ）が雪に覆われるのを防止することができる。また、給気口を空調機械室の床面に設けることにより、降雪時に給気口に雪が付着するのを防止することができる。したがって、空調機へ取り込む外気量を確実に確保することができ、空調システムの効率が低下するのを防止することができる。つまり、寒冷地においても、外気冷房を採用した空調システムを容易に実現することができる。

請求項２に記載した発明は、前記建物の構成として、少なくとも前記空調機械室、無停電電源装置室および前記サーバ室を有し、前記空調機は、前記サーバ室および前記無停電電源装置室の空調を兼用するように構成され、前記空調機から供給される給気は、前記無停電電源装置室へ供給された後に、前記サーバ室へ供給されるように構成されていることを特徴としている。

請求項２に記載した発明によれば、１台の空調機でサーバ室と無停電電源装置室とを共に空調するように構成したため、空調機の総台数を減少することができる。したがって、空調機械室の面積を削減することができ、サーバ室の面積を大きく確保することができる。また、サーバが設置されるサーバ室と、空調機が設置される空調機械室と、無停電電源装置が設置される無停電電源装置室とをそれぞれ区画したため、サーバ室のセキュリティを確保することができる。

請求項３に記載した発明は、前記建物の構成が、前記サーバ室を上階に、前記空調機械室および前記無停電電源装置室を下階に配した二層構造として構成されていることを特徴としている。

請求項３に記載した発明によれば、建物を二層構造とし、上階にサーバ室を配して、空調機械室および無停電電源装置室を下階に配したため、空調機および無停電電源装置のメンテナンスを行う際には、サーバ室が配された上階に立ち入ることなく各機器のメンテナンスを行うことができる。したがって、サーバ室のセキュリティを容易にかつ確実に確保することができる。また、サーバ室と、空調機械室および無停電電源装置室との設置階が異なるように構成したため、建築計画の自由度を向上することができる。

本発明の寒冷地対応サーバ室空調システムによれば、積雪を考慮した高さの高床式の建物とすることにより、冬季においても外気を取り込む給気口（給気ガラリ）が雪に覆われるのを防止することができる。また、給気口を空調機械室の床面に設けることにより、降雪時に給気口に雪が付着するのを防止することができる。したがって、空調機へ取り込む外気量を確実に確保することができ、空調システムの効率が低下するのを防止することができる。つまり、寒冷地においても、外気冷房を採用した空調システムを容易に実現することができる。

本発明の実施形態における建物の概略構成を示す断面図である。 本発明の実施形態における空調システムを示す概略構成図である。 本発明の実施形態における空調システムの別の態様を示す概略構成図である。 ２００９年の札幌の温湿度分布を示す図であり、外気冷房のみで対応できる範囲、フリークーリングまたは外気冷房で対応できる範囲、フリークーリングと空冷チラーとを併用する範囲を図示したグラフである。 本発明の実施形態におけるサーバ室の構成を示す断面図である。 本発明の実施形態における温熱環境のシミュレーション結果を示す図であり、サーバフロアから３．０ｍ下方の状態を示す図である。 本発明の実施形態における温熱環境のシミュレーション結果を示す図であり、サーバフロアから０．３ｍ下方の状態を示す図である。 本発明の実施形態における温熱環境のシミュレーション結果を示す図であり、サーバフロアから１．０ｍ上方の状態を示す図である。 本発明の実施形態における温熱環境のシミュレーション結果を示す図であり、サーバフロアから２．５ｍ上方の状態を示す図である。

本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は本実施形態の建物の概略構成を示す断面図である。本実施形態の建物は主に寒冷地に建設されるデータセンターを想定したものである。図１に示すように、建物１０の構成としては、少なくとも上階１１と下階１２の２層構造を有しており、上階１１にサーバ室２１、下階１２に空調機３０が設置される空調機械室２２および無停電電源装置（以下、ＵＰＳという）３１が設置される無停電電源装置室（以下、ＵＰＳ室という）２３がそれぞれ配されている。また、建物１０は、高床式に構成されており、例えば、下階１２の床面が地盤面（ＧＬ）＋３ｍの高さになるように構成されている。つまり、建物１０の下階１２と地盤面との間には空間部１５が形成されている。そして、本実施形態の空調システム１は、多数のサーバ２５をサーバラック２６に収容して設置するサーバ室２１およびＵＰＳ室２３を対象とするものである。なお、サーバ室２１は二重床構造になっており、配線（不図示）などが収容される床下空間２７と、サーバラック２６が設置される床上空間２８と、を有している。

ＵＰＳ室２３にはサーバ２５の電源を無停電化するためのＵＰＳ３１が設置されている。このＵＰＳ３１にはバッテリ（不図示）が搭載されており、停電などが発生してもサーバ２５の電源を切断させることなく電源オン状態を保持することができる。したがって、不測の事態が発生してもサーバ２５がダウンすることはなく、サーバ電源の信頼性を確保することができる。

ここで、サーバ２５およびＵＰＳ３１はともに起動状態において発熱し、高温状態が継続すると機器の故障につながるため、サーバ２５およびＵＰＳ３１はともに適正温度に保持するために冷却する必要がある。

図２は本実施形態の空調システム１を示す概略構成図である。図２に示すように、本実施形態では、サーバ２５およびＵＰＳ３１を冷却するための空調機３０が空調機械室２２に設置されている。ここで、空調機械室２２の床面に、空間部１５から外気を導入するための給気ガラリ２４が設けられている。また、給気ガラリ２４と空調機３０との間に給気ダクト４８が設けられており、新鮮空気が空調機３０に供給されるように構成されている。

また、空調システム１は、空調機械室２２に空調機３０が所定台数設置されており、空調機３０からＵＰＳ室２３へ向かって給気ダクト３３が設けられている。給気ダクト３３から供給された空調空気はまずＵＰＳ室２３へ供給され、ＵＰＳ室２３内に設置されたＵＰＳ３１を冷却する。そして、例えばＵＰＳ室２３の天井面に設けられた吸込口３４に空調空気が吸い込まれる。吸込口３４にはバイパスダクト３２が接続されており、該バイパスダクト３２は上階１１のサーバ室２１の床下空間２７に開放されており、空調空気はサーバ室２１に供給されるように構成されている。

サーバ室２１の床下空間２７に供給された空調空気は、床上空間２８のサーバラック２６内や隣り合うサーバラック２６，２６間に形成された通路６２を所定温度に冷房する。サーバラック２６内を通過してサーバ２５を冷却した空調空気はサーバ室２１の天井内空間３５へ導かれる。

天井内空間３５には排気ダクト３６および排気ファン３７が接続されており、天井内空間３５に導かれた空調空気の一部または全部をそのまま建物外へ排気することができるように構成されている。なお、排気ファン３７にて空調空気を排気する場合は、それと略同量の新鮮空気を空調機械室２２の床面に設けた給気ガラリ２４から空調機３０へ取り込むことができるように構成されている。つまり、夏場を除く時期に、排気ファン３７にて空調空気を全部排気し、常に温度の低い新鮮空気を空調空気として利用する外気冷房運転を行うことができるように構成されている。また、新鮮空気を取り込む給気ダクト４８には塩害対策として除塩フィルタ４９などを設置してもよい。

さらに、天井内空間３５には還気ダクト３９が接続されており、天井内空間３５に導かれた空調空気の一部または全部をそのまま空調機械室２２（空調機３０）へ還気することができるように構成されている。つまり、１台の空調機３０でＵＰＳ室２３とサーバ室２１をともに冷房できるように構成されている。なお、排気ダクト３６、還気ダクト３９、および、給気ダクト４８にはそれぞれ風量調節ダンパ５１が設けられており、各ダンパの開度を適正に調節することにより、空調システム１のエアバランスが確保される。

空調機３０は、例えば、ケーシング４１内にフィルタ４２と送風機４３と冷却コイル４４とを備えた構成のものが好適に採用可能であるが、サーバ室２１を冷却できるものであれば、必要能力に応じて適宜の形式、空調能力の空調機を任意に採用可能である。なお、空調機３０の送風機４３は、例えばサーバラック２６が複数並べられたラック列ごとの電力消費量に応じてインバータ制御して、送風機４３の動力の削減を図ることができるように構成されている。

また、冷却コイル４４は、例えば建物１０の屋上１３に設置された冷却塔４５と冷却水配管４６を介して接続されている。このように構成することで、冷却塔４５を通過することで冷やされた冷却水が冷却水配管（往管）４６ａを通流して冷却コイル４４へ供給され、該冷却コイル４４内を冷却水が通過し、同時に冷却コイル４４にサーバ室２１を冷房して暖められた空調空気が通過することで、冷却水と空調空気とが熱交換され、空調空気を所定の温度まで冷却することができるように構成されている。一方、空調空気が冷却されることに伴い冷却水の温度は上昇する。そして、冷却コイル４４を通過した冷却水は冷却水配管（還管）４６ｂを通流して冷却塔４５へと戻るように構成されている。このようにして、冷却水が冷却塔４５と冷却コイル４４との間を循環することにより、熱源を用いることなく空調空気を冷却（冷房）することができる。このような熱源を用いない冷却塔４５によるフリークーリング主体の運転を行うことにより、省エネルギー化を図ることができる。

また、空調機３０へ供給される新鮮空気を、空調機械室２２の床面に設けた給気ガラリ２４から取り込むように構成したため、冬季に建物１０の周囲が積雪しても給気ガラリ２４が閉塞するのを防止することができる。したがって、空間部１５を介して常に新鮮空気を空調機３０に取り込むことができる。

さらに、このように構成された空調機３０を空調機械室２２内に設置することにより、サーバ室２１内に空調機を設置する従来一般の空調システムのようにメンテナンスに際して作業員がサーバ室２１に入る必要はなく、したがってセキュリティを確保する上で有利である。すなわち、本実施形態の空調システム１は、ＩＴエンジニアと設備エンジニアの作業エリアを明確に分離したセキュリティの高いシステムである。また、空調機３０を増設したり、機器更新を行ったりする場合は、その作業を空調機械室２２内で実施できるため、サーバ室２１を稼動しながらの改修工事も可能である。

そして、空調機３０はサーバ電流やサーバ温度（もしくはサーバラック温度）などの周囲環境情報を刻々と検出するために設けられたセンサー（不図示）によりサーバ２５の実際の稼働状況を検知可能とし、それに基づいて例えばインバータ制御により最適な冷却運転を行うように構成することが好ましく、それにより最も効率的な省エネルギー運転が可能である。

なお、図３に示すように、夏季の外気温度がピークに達する時期などにおいて、上述した空調システム１だけではサーバ２５およびＵＰＳ３１の発熱負荷を除去できない虞がある場合は、補助的に空冷チラー５５を設置してもよい。空冷チラー５５は、例えば屋上１３に設置され、空冷チラー５５からは冷媒配管５６が延設されている。この冷媒配管５６と冷却水配管４６との間には熱交換器５７が設けられており、冷却水を所定温度まで冷却することができるように構成されている。また、給気ダクト４８に冷却コイル５８を設け、該冷却コイル５８と冷媒配管５６とを接続することにより、空調機３０へ取り込む新鮮空気を所定温度に冷却することができるように構成されている。
さらには、空冷パッケージエアコン５９を空調機械室２２に設置して、サーバ室２１およびＵＰＳ室２３を冷房するような構成を補助的に設けてもよい。

本実施形態の空調システム１では、例えば、ＵＰＳ室２３内を２５℃に保持するとともに、サーバ室２１への空調空気の供給温度が２６℃になるように制御している。サーバ室２１への給気温度を２６℃に設定することにより、外気冷房・フリークーリングの利用可能時間を最大化し、熱源機器（空冷チラー５５、空冷パッケージエアコン５９など）および空調機３０の容量を削減するとともに、各機器の高効率運転を実現することができる。

図４に示すように、例えば、札幌における２００９年の温湿度分布を考慮すると、領域Ａの範囲内、つまり、年間の約２０％は外気冷房のみでサーバ室２１およびＵＰＳ室２３の空調を行うことができる。同様に、領域Ｂの範囲内、つまり、年間の約６７％はフリークーリングまたは外気冷房にてサーバ室２１およびＵＰＳ室２３の空調を行うことができる。したがって、札幌においては、年間の約８７％は熱源を用いずにサーバ室２１およびＵＰＳ室２３を所定温度に空調（冷房）することができる。なお、領域Ｃの範囲内の温湿度条件になった場合のみ、フリークーリング＋空冷チラー併用方式を採用すればよい。本実施形態の空調システム１を採用することにより、熱源容量の低減およびランニングコストの低減を図ることができる。

次に、サーバ室２１内の構成を詳細に説明する。
図５に示すように、サーバ室２１は二重床構造になっており、フリーアクセスフロア６０の下側が床下空間２７として構成され、上側が床上空間２８として構成されている。床上空間２８にはサーバ２５が複数台収容されたサーバラック２６が複数連結されたラック列６１が所定間隔ごとに配列されており、隣り合うラック列６１，６１間が通路６２として構成されている。

フリーアクセスフロア６０には、床吹出口６３が設けられており、床下空間２７から床上空間２８（サーバラック２６内および通路６２）に向かって空調空気が吹き出されるように構成されている。

また、サーバラック２６の上部には、サーバラック２６内に供給された空調空気を排出する排出口が形成されるとともに、該排出口とサーバ室２１の天井内空間３５とを連結するバイパスダクト６４が設けられている。このように構成することで、サーバラック２６内を通過した空調空気は、サーバ２５を冷却することで温度が上昇するが、その暖められた空調空気は、通路６２へ漏洩することなく、直接天井内空間３５へと案内される。すなわち、サーバ室２１内は、床下空間２７および通路６２がコールドアイルとして構成され、サーバラック２６内および天井内空間３５がホットアイルとして構成される。このようにコールドアイルとホットアイルを明確に区画することにより、冷気と暖気とを分離することができ、冷房効率を向上することができる。

具体的には、空調機３０から２５℃で供給された空調空気（冷気）は、ＵＰＳ室２３の発熱を処理した後、約２６℃でサーバ室２１の床下空間（コールドアイル）２７に吹き出すように構成されている。サーバラック２６内に供給された空調空気は、サーバ２５の排熱により約３８℃まで暖められる。このとき、コールドアイルとホットアイルは区画されているため、暖められた空調空気（暖気）は冷気と混合することなく、天井内空間３５からサーバ室２１の周縁に設けられた還気ダクト３９に至る。そして、この暖められた空調空気（暖気）は外気条件により新鮮空気（外気）と混合して冷却するように構成され、または、フリークーリングによって得られた冷却水により冷却し、所定の温度に調整してＵＰＳ室２３内に再度吹き出すように構成されている。

次に、上述したサーバ室２１の温熱環境のシミュレーション結果について説明する。シミュレーションの条件としては、サーバラック１台あたりの発熱負荷を８ｋＷ／ラックの８０％とし、サーバラック数を２００ラック、ＵＰＳの発熱負荷を電気容量の０．７％、冷気送風温度（送風機出口）を２５℃、送風量をΔｔ＝１２℃で３２５０００ｍ^３／ｈとした。

サーバ室２１の床面を基準として、いくつかの高さごとの温熱環境のシミュレーション結果を示す。なお、以下の図では色が濃くなるほど温度が高くなっている状況を示す。

図６はサーバフロア（サーバラック２６が設置されるフリーアクセスフロア６０の床面）から３．０ｍ下方、つまり下階１２の空調機械室２２およびＵＰＳ室２３の温熱環境である。ＵＰＳ室２３の発熱は空調機３０から吹き出された２５℃の冷気により処理され、ＵＰＳ室２３内を２５〜２６℃に保持している。なお、本シミュレーションでは、ＵＰＳ室２３の両側に空調機械室２２が配されている。

図７はサーバフロアから０．３ｍ下方、つまりサーバ室２１の床下空間２７内の温熱環境である。ＵＰＳ室２３の発熱を処理した後、空調空気（冷気）は床下空間２７内に２５〜２６℃で吹き出される。また、サーバ室２１の両側には還気スペース６５が設けられており、サーバ２５の排熱などにより暖められた空調空気（暖機）は約３８℃にて空調機３０に戻る。なお、本シミュレーションにおいては、建物外壁とサーバ室２１との間に形成された空間自体が還気スペース６５として構成されており、該還気スペース６５を通過した空調空気（暖機）は、空調機械室２２（空調機３０）へと導かれるように構成されている。

図８はサーバフロアから１．０ｍ上方、つまりサーバラック２６設置レベルの温熱環境である。ラック列６１以外はコールドアイルとなって２５〜２６℃を維持している。また、コールドアイルには発熱部分が存在しない。

図９はサーバフロアから２．５ｍ上方、つまりサーバラック２６の上部レベルの温熱環境である。サーバラック２６上部のホットアイル（バイパスダクト６４内）はサーバ２５の排熱によって暖められた空調空気（暖気）が通り、その上部の天井内空間３５に吸い込まれる。また、その他の部分はコールドアイルとして２５〜２６℃の温度を保持している。

本実施形態によれば、建物１０を積雪を考慮した高さの高床式の建物とすることにより、冬季においても外気を取り込む給気ガラリ２４が雪に覆われるのを防止することができる。また、給気ガラリ２４を空調機械室２２の床面に設けることにより、降雪時に給気ガラリ２４に雪が付着するのを防止することができる。したがって、給気ガラリ２４は目詰まりを起こすことがなく、空調機３０へ取り込む外気（新鮮空気）量を確実に確保することができ、空調システム１の効率が低下するのを防止することができる。つまり、寒冷地においても、外気冷房を採用した空調システム１を容易に実現することができる。

また、１台の空調機３０でサーバ室２１とＵＰＳ室２３とを共に空調するように構成したため、空調機３０の総台数を減少することができる。したがって、空調機械室２２の面積を削減することができ、サーバ室２１の面積を大きく確保することができる。また、サーバ２５が設置されるサーバ室２１と、空調機３０が設置される空調機械室２２と、ＵＰＳ３１が設置されるＵＰＳ室２３とをそれぞれ区画したため、サーバ室２１のセキュリティを確保することができる。

さらに、建物１０を二層構造とし、上階１１にサーバ室２１を配して、空調機械室２２およびＵＰＳ室２３を下階１２に配したため、空調機３０およびＵＰＳ３１のメンテナンスを行う際には、サーバ室２１が配された上階１１に立ち入ることなく各機器のメンテナンスを行うことができる。したがって、サーバ室２１のセキュリティを容易にかつ確実に確保することができる。また、サーバ室２１と、空調機械室２２およびＵＰＳ室２３との設置階が異なるように構成したため、建築計画の自由度を向上することができる。

尚、本発明は上述した実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な構造や構成などはほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。

例えば、本実施形態では、天井内空間３５と空調機械室２２との間を連結する還気ダクト３９を設けた場合の説明をしたが、還気ダクト３９を設けず、建物１０の外壁とサーバ室２１との間に形成されたスペースを還気スペースとして構成してもよい。このように還気スペースを建物１０の外壁近傍に設けることにより、建物１０への結露発生を防止することができるとともに、サーバ２５の排熱によって高温になっている空調空気が還気スペースを通過することで外気との間で熱交換され、空調空気の温度を低下させることができる。

また、本実施形態では建物が２層構造の場合で説明したが、敷地面積などの条件が許せば建物を１層構造とし、サーバ室、空調機械室およびＵＰＳ室を同じフロアに配置してもよい。

１…空調システム（サーバ室用空調システム） １０…建物 １１…上階 １２…下階２１…サーバ室 ２２…空調機械室 ２３…ＵＰＳ室（無停電電源装置室） ２５…サーバ ２６…サーバラック ３０…空調機

Claims (3)

1. 寒冷地において、多数のサーバをサーバラックに収容して設置するサーバ室を対象とする空調システムであって、
   建物が高床式に構成されるとともに、少なくとも最下層に空調機が設置される空調機械室が配され、
   前記空調機械室の床面から外気を取り込むように構成されていることを特徴とする寒冷地対応サーバ室空調システム。
2. 前記建物の構成として、少なくとも前記空調機械室、無停電電源装置室および前記サーバ室を有し、
   前記空調機は、前記サーバ室および前記無停電電源装置室の空調を兼用するように構成され、
   前記空調機から供給される給気は、前記無停電電源装置室へ供給された後に、前記サーバ室へ供給されるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の寒冷地対応サーバ室空調システム。
3. 前記建物の構成が、前記サーバ室を上階に、前記空調機械室および前記無停電電源装置室を下階に配した二層構造として構成されていることを特徴とする請求項２に記載の寒冷地対応サーバ室空調システム。

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