JP5601068B2 - 空調システムおよび空調システム制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、地中熱を利用した空調システムに関するものである。

データセンター等においては、サーバや通信機器等の電子機器が多数設置され、多量の熱を発生している。この発生した熱により、電子機器が誤動作や故障することなく安定に動作させるため空調システムを用いてセンター内を冷却して所定の温度に保つことが行なわれている。

従来から用いられてきた空調システムの一例は図６に示され、空調機３０の室内機３１と室外機３２とによって、データセンター１０内の空気を冷却することが行なわれている。より詳細には、例えば室内機３１において液化状態の冷媒（例えば、ハイドロ・フルオロ・カーボン）を気化し、その気化熱で冷却された冷気はデータセンター１０の床下空間１２に吹き出し、冷気は床下空間１２から電子機器を収容したラック２０の底面からラックの内部を通って暖気となり上方に抜けるようになっている。電子機器によって熱せられた空気は、室内機３１に吸い込まれて気化された冷媒を暖め、冷媒は室外機３２に送られて圧縮され液化状態に戻される。このサイクルの繰り返しで冷却される。なお、図６に示す床下空間１２の矢印は冷却された空気（冷気）の流れを、室内空間１１内の矢印は、電子機器によって熱せられた空気（暖気）の流れを示している。

また、湿度も適切であることが求められ、高い湿度では結露によるショートの障害が発生し易くなり、湿度が低すぎると静電気放電による障害が発生し易くなる。例えば相対湿度を２０〜８０％ＲＨとするために、データセンターの室内空間１１内に加湿器４０を備え、湿度制御することも行なわれている。

データセンターにおける湿度制御も含めた空調システムで消費される電力は、データセンター全体の消費電力の約３割を占めると言われており、省電力化が求められている。

空調システムにおける省電力の一つの方法に、地中熱を利用することが知られている。図７は、地中熱を利用した空調システムの概念を示したもので、地中７０（例えば、地表から３ｍ以上深い位置）にパイプ５０を配設し、取り込んだ外気がパイプ５０内を通過するとき、パイプ５０の表面から取り込んだ外気の持つ熱と地中７０の熱との熱交換を行なうものである。例えば、外気の温度が２５℃で地中の温度が１５℃であれば、１０℃の温度差があり、外気の温度を下げることができる。温度の下がった外気を建屋６０の室内に取り込むことで、空調に要する消費電力を低下させることができる。なお、図７に示す地表上の矢印は取り込む外気の流れを、地中７０の矢印は外気の熱がパイプ５０の表面から地中７０に放熱している状態を示している。

特開２００４−３０１４７０号公報

本発明は、多量の外気を効率よく冷却できる地中熱を利用した空調システムを提供することを目的とする。

発明の一観点によれば、地中に埋設され取り込んだ外気を地中熱により冷却するパイプと、地中に埋設されて貯水された水を地中熱により冷却する貯水タンクと、パイプ内に配設されて貯水タンクと接続して水を循環し、パイプ内に取り込まれた外気を冷却する熱交換器と、外気をパイプに取り込みパイプ内において冷却された外気を室内に送出するファンとを備える空調システムが提供される。

発明の別の一観点によれば、地中に埋設され取り込んだ外気を地中熱により冷却するパイプと、地中に埋設され貯水された水を地中熱により冷却する貯水タンクと、パイプ内に配設されて貯水タンクの水をパイプ内に噴霧し、噴霧した水によりパイプ内に取り込まれた外気を冷却する熱交換器と、外気をパイプに取り込みパイプ内において冷却された外気を室内に送出するファンとを備える空調システムが提供される。

また、発明の別の一観点によれば、地中に埋設されたパイプに外気を取り込み、取り込んだ外気を冷却する第１冷却ステップと、パイプ内において地中に埋設された貯水タンクと接続する熱交換器により第１冷却ステップで冷却された外気を更に冷却する第２冷却ステップと、第２冷却ステップで冷却された外気を熱源を有する室内に送出する冷気送出ステップと、熱源を有する室内の温度、または該熱源の温度に基づいてパイプ内を流れる外気の量を制御する風量制御ステップとを有する空調システムの制御方法が提供される。

また、発明の別の一観点によれば、地中に埋設されたパイプに外気を取り込み、取り込んだ外気を冷却する第１冷却ステップと、パイプ内において地中に埋設された貯水タンクの水をパイプ内に噴霧し、噴霧した水によりパイプ内に取り込まれた外気を更に冷却する第２冷却ステップと、第２冷却ステップで冷却された外気を熱源を有する室内に送出する冷気送出ステップと、熱源を有する室内の温度または該熱源の温度に基づいてパイプ内を流れる外気の量を制御する風量制御ステップとを有する空調システムの制御方法が提供される。

地中に埋設したパイプ内に外気を取り込み、パイプとそのパイプ内に配設した熱交換器とにより２段階で外気と地中熱との熱交換を行なうようにしたので、パイプに取り込んだ外気は効率よく冷却できる。このため、外気を多量に取り込むことができ、大きな熱源を備えるデータセンター等に対する空調システムの省電力化を図ることができる。

実施例１の空調システム例である。 実施例１の空調システムの構成例である。 実施例１の空調システムの運転形態の制御フロー例である。 実施例２の空調システム例である。 実施例２の空調システムの構成例である。 冷媒を用いた空調システムの例である。 地中熱を用いた空調システムの例である。

本発明の空調システムの実施例を説明する前に、前述した地中熱を利用したシステムをデータセンター等に適用する場合における問題点について説明する。

まず、データセンターにおけるサーバ等の発熱量は極めて大きいため、大きな熱容量を持った冷気が必要となることである。このため、一般家庭で用いられるような細いパイプを用いた場合は多量の冷却された空気を取り込めない、という問題がある。

多量の空気を取り込むには、太いパイプを使用することが考えられるが、この場合はパイプの容積に対してパイプの表面積が小さいためパイプ内の空気とパイプ管面との接触が少なくなり、熱交換効率は低くなる、という問題がある。このため、細いパイプを多数設けることが考えられるが、密にパイプを敷設するとパイプ間の土の量が少ないため熱容量が小さく熱交換効率が低下する。従って、率を高めるためにパイプ間の距離を大きく離してパイプ間の土の熱容量を大きくすることが考えられるが、コストが掛かるという問題がある。

次に、本発明について二つの実施例で説明する。
（実施例１）
本発明の空調システムの実施例１を図１から図３を用いて説明する。図１は、本発明の空調システムの概念を、図２は具体的な空調システムの構成を、図３は空調システムの運転形態の制御フローをそれぞれ説明する図である。

図１において、本発明の空調システム１００はパイプ２００とパイプ２００内に配設した熱交換器３００、および貯水タンク４００とを含む。

パイプ２００は、例えば地表から３ｍ以上深い地中７０に埋設され、データセンター等に供給するに充分な外気の取り込みができる径を持つものである。パイプ２００の材質は、高い熱伝導率を有し、腐食性が高いものであればよい（例えば、ＳＵＳ（Stainless Used Steel））。パイプ２００の一端（図１では左方の端部）は、地表において外気を取り込む外気取り込み口を形成し、他端（図１では右方の端部）はデータセンター等の建屋６０と接続する。取り込み口からパイプ２００に取り入れた外気の熱は、パイプ２００の管壁を伝導し、管壁面で地中熱と熱交換される。一般に夏期においては外気の温度は地中より高いため、外気はこの熱交換により冷却される。取り込み口の右方向の矢印は、取り込まれる外気の方法を示している。また、パイプ２００から地中に向かう上下の矢印は、外気の熱が地中７０に放熱される状態を示している。

熱交換器３００は、後述する貯水タンク４００と接続する引き込みパイプに複数のフィンを植設したものである。引き込みパイプは例えば銅であり、フィンはアルミニウムで、いずれも熱伝導率が高い素材である。引き込みパイプには貯水タンク４００の水が循環し、フィンは循環する水の熱伝導によって冷却されている。熱交換器３００はパイプ２００内に設置され、パイプ２００内に取り込んだ外気は熱交換器３００のフィンと接触し、フィン表面で熱交換が行なわれる。即ち、外気の熱はこのフィンとの接触によって奪われ、冷却される。従って、パイプ２００に取り込んだ外気は、前述したパイプ２００の管面とパイプ２００内の熱交換器３００との両方で熱交換が行なわれ、冷却されることになる。

貯水タンク４００は、地中７０に埋設され水を貯える。貯水タンク４００の材質は、パイプ２００と同様に高い熱伝導率を有し、腐食性が高い素材で、例えばＳＵＳで作成される。貯水された水の熱は貯水タンク４００の壁を伝導し、この壁面で地中熱と熱交換され冷却される。前述のように、貯水タンク４００は熱交換器３００と接続しており、貯水タンク４００の水は熱交換器３００で外気から奪った熱を貯水タンク４００の壁面から地中７０に放熱していることになる。

地中に埋設したパイプに外気を取り込んで、外気の熱をパイプの管表面のみで熱交換する場合と、これに加えてパイプ内設置した放熱器とで熱交換を行なった場合とについて、冷却の状態を検討してみる。地中温度が１５℃であり、温度３０℃の外気を１ｍ³／ｓで取り込みパイプの管表面のみで地中熱により２０℃まで冷却できる空調システムでは、空気の熱容量が１．２ｋＪ／ｍ³・℃であるから地中に放出される熱量は３０℃から２０℃に１０℃冷却されることで１２ｋＪ／ｓ（１２ＫＷ）となる。この１２ｋＪ／ｓの能力を持つ空調システムで５ｍ³／ｓの外気を取り込んだときは、温度は３０℃から２８℃にしか冷却されないことになる（風量を５倍としたので、冷却できる温度は１／５の２℃下がることになる）。このパイプ内に、パイプの管面の面積の５倍を持つ表面積の熱交換器を設置した場合の空調システムの能力は、パイプの熱放出能力１２ｋＪ／ｓと熱交換器の熱放出能力６０ｋＪ／ｓ（１２×５（ｋＪ／ｓ））とを合わせた７２ｋＪ／ｓとなる。この熱放出能力により、外気３０℃を５ｍ³／ｓで取り込んだときは１８℃まで冷却できることになる。即ち、パイプの管表面のみで地中熱では３０℃から２８℃にしか冷却できなかったものが、熱交換器を備えることで３０℃から１８℃に冷却できることになる。

このとき、熱交換器では１時間で２１６，０００ｋＪ（６０ｋＪ／ｓの３，６００倍）の熱量を奪うので、貯水タンクの貯水量を１００ｍ³（１００，０００ｋｇ）とするときの貯水タンクの水温度は水の熱容量は４．２ｋＪ／ｋｇ・℃であるので約０．５℃上昇することになる。しかし、貯水タンクは地中に埋設しており、貯水タンクの壁面で地中熱との熱交換が行なわれるので温度上昇はより低い温度になる。さらに、夜間では外気の温度が下がるので貯水タンクの温度は略地中温度に保たれる。

湿度に対しては、外気の温度３０℃で湿度が３０％ＲＨであったとき、室内に導入される１８℃の冷気の湿度は５９％ＲＨとなり、これが電子機器により４０℃まで上昇すると１８％ＲＨとなる。電子機器の湿度環境である２０〜８０％ＲＨを保つには湿度が不足し、実施例１の空調システム１００では別途加湿する必要がある。

図１で示した空調システム１００の具体的な構成を図２を用いて説明する。データセンター１０は、コンピュータ等の電子装置を収納したラック列２０ａ〜２０ｄを設置する室内空間１１と冷気を通す床下空間１２に区画している。室内空間１１にはラック列２０ａ〜２０ｄの他に図５で説明した従来型の空調機３０および空調システム１００の全体を制御する制御装置１１０を設置している。空調機３０の室内機３１は、空調システム１００において補助的な冷房に用いるようにしている。室内機３１は、暖気を室内機３１の上部の取り入れ口（図示せず）から取り込み、室内機３１の底面から床下空間１２に冷気を送出する。空調機３０は建屋の外に室外機３２を備える。また、床下空間１２には加湿器４０を配置し、制御装置１１０と接続して湿度制御している。

図２に示すラック列２０ａ〜２０ｄは、ラックの前面から冷気を取り込み、背面および上面からラック内に収容した電子装置で暖められた暖気を排出するようになっている。各ラック列は前面が同一面となるように揃えられ、互いのラック列は前面同士、および背面同士が向き合う形に配置されている。冷気を取り込む前面側の床はコールドアイルを形成し、床下空間１２から冷気が取り込めるようグリル１３となっている。コールドアイルの上方は、床下空間１２から取り込んだ冷気が天井に抜けないようにキャップ２１で覆っている。各ラック列の上面または背面から抜け出た暖気は天井に当たり、排気ダクト１６を介して建屋の外に排気される。なお、ラック列の背面側の床面、または背面同士が向き合う床面はホットアイルを形成する。また、室内空間１１の空気はダンパー１５により室内空気取込み用ダクト１７を介して床下空間１２に送り込み、床下空間１２の冷気と混合できるようにもなっている。次に説明するパイプ２００で冷却された冷気の温度があまりに低い場合に、室内空間１１の空気を混合することで温度調節できるものである。

パイプ２００は、外気を取り込む外気取り込みパイプ２１０と外気が熱交換された冷気をデータセンター１０の床下空間１２に送出する冷気送出パイプ２２０とを端部において接続する。外気取り込みパイプ２１０は、外気取り入れ口２３０に吸気ファン２４０を備え、吸気ファン２４０により外気取り入れの風量を調節できるようになっている。

熱交換器３００は、前述のようにパイプ２００内に設置される。熱交換器３００には、加圧ポンプ１５０によって貯水タンク４００の水を循環させている。即ち、熱交換器３００に流れる水は、貯水タンク４００から引き込みパイプ３１０、熱交換パイプ３２０、還流パイプ３３０を経て貯水タンク４００に戻る。貯水タンク４００の水は貯水タンク４００の壁を介して地中７０の地中熱と熱交換し、冷却される。熱交換パイプ３２０には複数のフィンが植設されており、パイプ２００中に取り込んだ外気がこのフィンと接触することにより熱交換が行なわれ冷却される。また、パイプ２００内に取り込んだ外気は、パイプ２００の管壁を介して地中７０の地中熱と熱交換される。即ち、パイプ２００に取り込まれた外気は、熱交換器３００とパイプ２００管面との両方で冷却される。

次に、図２に示した空調システム１００の外気温度に対する運転形態の制御フローについて図３を用いて説明する。図３は、最初の運転操作（ステップＳ１、以降単にＳ１と表現する）のみオペレータによる手動操作で、以降は空調システム１００の制御装置１１０の制御フローを示したものである。

図３において、オペレータの空調システム１００に対する運転操作により運転が開始されると、制御装置１１０は温度センサＴａ８０によりパイプ２００で冷却された冷気の温度（Ｔ）を計測し、計測した温度が所定の温度ｔ１より低い場合は、パイプ２００で冷却された冷気に室内空気を混合させた「混合地中熱運転」の運転形態とする。制御装置１１０によりダンパー１５を制御して室内空気を床下空間１２に取込み、ここで冷気送出パイプ２２０から送出された冷気と混合し、混合した冷気がグリル１３を介してコールドアイルに吹き出すようにする。制御装置１１０は、温度センサＴｂ８１で床下空間１２の混合した冷気の温度を計測し、混合した冷気が所定の温度となるようにファン１４を制御して室内空気の取込み量を制御することも行っている。この「混合地中熱運転」は、パイプ２００による冷気の温度が低すぎる場合に適用される（Ｓ２〜Ｓ５）。

温度センサＴａ８０で計測した温度が予め定めたｔ１〜ｔ２の範囲にある場合は、「地中熱運転」の運転形態とする。地中熱運転は、外気取り入れ口２３０から外気をパイプ２００内に取り込み、パイプ２００の管面とパイプ２００内に設置した熱交換器３００とにより熱交換を行ない冷却する（Ｓ６、Ｓ７）。

温度センサＴａ８０で計測した温度が予め定めたｔ２を超えている場合は、「地中熱運転＋冷媒圧縮運転」の運転形態とする。冷媒圧縮運転は、空調機３０による運転である。前述した地中熱運転に加えて空調機３０を用いる。この運転形態において制御装置１１０は、温度センサＴｂ８１で床下空間１２の地中熱運転と冷媒圧縮運転との混合した冷気の温度を計測し、混合した冷気が所定の温度となるように冷媒圧縮運転を制御することも行っている。この運転形態は、例えば夏季の期間に多く適用される（Ｓ８）。

上記した温度センサＴａ８０で計測した温度に基づいて運転形態を決定し運転するが、運転形態を決定した後の所定時間（例えば１０分後）に温度センサＴａ８０で温度を計測し、運転形態を見直すことを行なっている。所定の温度であるｔ１は例えば１５℃であり、ｔ２は２７℃である（Ｓ９〜Ｓ１０）。

制御装置１１０は、運転形態の制御とは別に、室内空間１１の温度、あるいはラック内の熱源である特定の部品（例えばＣＰＵ）の温度に基づいて、それらが所定の温度となるように温度制御を行なっている。
（実施例２）
実施例１は、パイプ内に熱交換器を設け、取り入れた外気の熱を地中熱と熱交換するものであった。実施例２は、パイプ内に貯水タンクの水を噴霧して熱交換を行なうものである。

図４は、実施例２の空調システム１０１の概念を示し、空調システム１０１はパイプ２００とパイプ２００内に配設した噴霧器５００、および貯水タンク６００を主要構成要素とする。

実施例１と同様に、パイプ２００および貯水タンク６００は、例えば地表から３ｍ以上深い地中７０に埋設され、パイプ２００はデータセンター等に供給するに充分な外気の取り込みができるものである。

パイプ２００内には噴霧器５００が設置され、噴霧器５００は貯水タンク６００と接続している。貯水タンク６００の水は加圧ポンプ（図示せず）により加圧され、微小な孔を形成した複数の噴霧口からパイプ２００内に噴霧される。地表の取り入れ口からパイプ２００に取り込まれた外気は噴霧と接触し、ここで熱交換が行なわれる。噴霧による水の表面積はパイプ２００の管面の表面積に較べて数十倍は見込まれるので、実施例１より高い熱交換能力を有することができる。外気はパイプ２００の管面と噴霧との接触により熱交換が行なわれ、冷気となりデータセンター等の室内に送出される。なお、噴霧された後の水はリターンパイプ５１０により回収され、貯水タンク６００に戻される。また、貯水タンク６００は実施例１と同様に貯水タンク６００の壁面で地中熱との熱交換が行なわれる。なお、図４に示した矢印は実施例１と同様である。

図４で示した空調システム１０１の具体的な構成を図５に示す。図５は実施例１の図２に対応して描いた図で、図２と異なる点は、床下空間１２に加湿器４０を備えないことと、貯水タンク４００と接続する熱交換器３００の替わりに貯水タンク６００と接続する噴霧器５００を備えること、である。実施例２は冷気の湿度が水の噴霧で高くなるので、加湿器を必要としないことが特徴の一つである。

実施例１と同様の条件で実施例２における冷却の状態を検討してみる。噴霧による水の表面がパイプ２００の管面の面積の１０倍としたときの空調システムの能力は、パイプの熱放出能力１２ｋＪ／ｓと熱交換器の熱放出能力１２０ｋＪ／ｓ（１２ｋＪ／ｓの１０倍）とを合わせた１３２ｋＪ／ｓとなる。従って、外気３０℃を５ｍ³／ｓで取り込んだとき温度は８℃まで冷却できることになる。このとき、熱交換器では１時間で４３２，０００ｋＪ／ｓ（１２０ｋＪ／ｓの３，６００倍）の熱量を奪うので、貯水タンクの貯水量を１００ｍ³とするときの貯水タンクの水温度は約１．０℃上昇することになる。

湿度に対しては、水の噴霧により９０％ＲＨとなるが、これが電子機器により４０℃まで上昇すると約３０％ＲＨとなる。このため、電子機器の湿度環境である２０〜８０％ＲＨに保たれ、別途加湿の必要がない。

１０ データセンター
１１ 室内空間
１２ 床下空間
１３ グリル
１４ ファン
１５ ダンパー
１６ 排気ダクト
１７ 室内空気取込み用ダクト
２０ ラック
２０ａ〜２０ｄ ラック列
２１ キャップ
３０ 空調機
３１ 室内機
３２ 室外機
４０ 加湿器
５０ パイプ
６０ 建屋
７０ 地中
８０ 温度センサＴａ
８１ 温度センサＴｂ
１００ 空調システム
１０１ 空調システム
１１０ 制御装置
１５０ 加圧ポンプ
２００ パイプ
２１０ 外気取り込みパイプ
２２０ 冷気送出パイプ
２３０ 外気取り入れ口
２４０ 吸気ファン
３００ 熱交換器
３１０ 引き込みパイプ
３２０ 熱交換パイプ
３３０ 還流パイプ
４００ 貯水タンク
５００ 噴霧器
５１０ リターンパイプ
６００ 貯水タンク

Claims (6)

1. 地中に埋設され、取り込んだ外気を地中熱により冷却するパイプと、
   前記地中に埋設され、貯水された水を地中熱により冷却する貯水タンクと、
   前記パイプ内に配設されて前記貯水タンクの水を該パイプ内に噴霧し、該噴霧した水により該パイプ内に取り込まれた外気を冷却する熱交換器と、
   前記外気を前記パイプに取り込み、該パイプ内において冷却された外気を室内に送出するファンと
   を備えることを特徴とする空調システム。
2. 前記空調システムは、さらに制御装置を備え、
   前記制御装置は、前記室内の温度、または該室内に設置された熱源の温度に基づいて前記パイプ内を流れる外気の量を前記ファンにより制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の空調システム。
3. 前記熱交換器は、前記パイプ内の熱を吸収するフィンを有する
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の空調システム。
4. 前記空調システムは、さらに前記室内の空気を取り込む空気取込みダクトと、該空気取込みダクトと接続し該空気の取込み量を調整するダンパーとを備え、
   前記制御装置は、前記熱交換器により冷却された外気の冷気温度と予め定められた設定温度とに基づいて、該熱交換器により冷却された外気のみを前記室内に送出する地中熱運転、または該ダンパーの開放により該空気取込みダクトを介して該室内から取り込んだ空気と該地中熱運転により冷却された外気とを混合して該室内に送出する混合地中熱運転、
   のいずれかに切り換える運転制御を行なう
   ことを特徴とする請求項２、または請求項３に記載の空調システム。
5. 前記空調システムは、さらに冷媒を圧縮して前記室内の空気を冷却する冷媒圧縮冷却機を備え、
   前記制御装置は、前記冷気温度と予め定められた第１の設定温度と第２の設定温度とに基づいて、該冷気温度が該第１の設定温度より低い場合は前記混合地中熱運転に、該冷気温度が該第１と該第２の設定温度の範囲にある場合は前記地中熱運転に、該冷気温度が該第２の設定温度より高い場合は該地中熱運転に加えて該冷媒圧縮冷却機を動作させる冷媒圧縮運転、のいずれかに切り換える運転制御を行なう
   ことを特徴とする請求項４に記載の空調システム。
6. 地中に埋設されたパイプに外気を取り込み、取り込んだ外気を冷却する第１冷却ステップと、
   前記パイプ内において、前記地中に埋設された前記貯水タンクの水を該パイプ内に噴霧し、該噴霧した水により該パイプ内に取り込まれた外気を更に冷却する第２冷却ステップと、
   前記第２冷却ステップで冷却された外気を熱源を有する室内に送出する冷気送出ステップと、
   前記熱源を有する室内の温度、または該熱源の温度に基づいて前記パイプ内を流れる外気の量を制御する風量制御ステップと
   を有することを特徴とする空調システム制御方法。