JP5601891B2 - 空調システムの運転制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、空調システム及びその運転制御方法に係り、特にサーバラックなど発熱機器を収容する情報通信機械室用として好適な空調システムの制御技術に関する。

情報通信機械室（データセンタ）においては、ＩＣＴ装置はサーバラックに格納されるのが一般的である。サーバラックは前面から冷気を吸込み、上面又は背面から排気するタイプが多く、各ラックは同方向を向けて横一列に配置される。機械室内にはこのようなラック列が複数列配置され、ラック列をゾーンに分けて、ゾーンごとに二重床から冷気供給するベース空調機と、列内空調機を配置して温度制御することが一般的に行われている。
近年、ＩＣＴ装置の高速化、大容量化、高密度化に伴い発熱密度が急速に上昇しており、装置冷却のための空調機・システムの省エネルギー化が喫緊の課題となっているが、従来、空調機は個別に運転制御することが一般的であり、複数の空調機と複数のゾーンを組み合わせてグループ制御することは、一般に行われていない。

一方、省エネルギーを目的とした空調機のグループ制御に関しては、以下の技術が提案されている。
文献１は、複数の熱源機（ボイラー、冷凍機等）の運転台数制御又は出力制御に関する技術であり、外気温度、湿度及び日射量と過去の実績値を用いて、領域ごとに予測モデル（自己回帰移動平均モデル（ＡＲＭＡモデル））を用いて冷熱負荷予測を行うものである。
文献２は、複数台の空調機を稼動させている場合において、消費電力が上限値を超えて停電状態となることを回避するために、一部の空調機の運転を制限することにより、消費電力の低減を図るものである。

特開平４−１５５１３５号公報 特開２００２−１３７７８号公報

しかしながら、文献１、２はそれぞれ地域冷暖房、家庭用エアコンを想定した技術であり、情報通信機械室の空調システムには適用困難である。すなわち、情報通信機械室においては、グループ制御により一部の空調機（特に、高発熱領域に設置された局所空調機）が能力停止又は低下の状況になった場合、当該空調機周囲の温度が急上昇し、ＩＣＴ装置の高温障害につながる危険性が高いからである。

本発明は、このような問題を解決するためのものであって、省エネルギー性向上とＩＣＴ装置類の高温障害発生回避を両立できる空調システムを提供するものである。
本発明は以下の内容をその要旨とする。すなわち、本発明に係る空調システムのグループ制御方法は、
（１）空調対象空間を、複数の空調機により冷却する空調システムにおいて、
（ａ）空調システム運転時における空調対象空間の温度情報と、電力消費量を含む各空調機の所定の稼動情報と、空調機電力消費量に関係する所定の外部環境情報と、を含む運転条件情報を所定のインターバルで計測して蓄積するステップと、
（ｂ）蓄積した該運転条件情報に基づいて、当該運転条件における各空調機の電力消費量を演算するステップと、
（ｃ）演算した各空調機の電力消費量総和が最小となる空調機の稼動パターンを選定するステップと、
（ｄ）選定した稼動パターンにより実際に運転するステップと、
（ｅ）電力消費量演算値と運転時の電力消費量実績値とを比較するステップと、
（ｆ）実績値が演算値より小さいときは、随時、該運転情報の電力消費量情報を更新するステップと、
を含むことを特徴とする。

（２）上記発明において、
（ｇ）前記実績値が前記演算値より大きいときは、予め求めた各空調機の稼働率−ＣＯＰ特性に基づいて、電力消費量総和が最小となるように各空調機の稼働率を設定するステップを、さらに含むことを特徴とする。
（３）上記各発明において、
（ｈ）運転時における前記運転条件情報と電力消費量実績値との組み合わせを、前記空調機の稼動パターンとして、随時、追加又は更新するステップを、さらに含むことを特徴とする。
上記各発明は、外部環境情報（例えば、制御ゾーン温度、日射量、季節、時間帯）と、空調機運転条件情報（圧縮機周波数、送風機周波数）と、空調機電力消費量実績値の組み合わせを関連付けてデータ蓄積するとともに、随時、追加又は更新することにより、特定の外部環境条件、運転条件における複数空調機の運転パターン最適化（電力消費量ミニマム）を図るものである。

上記各発明によれば、空調対象空間又はゾーンの発熱状態に対応して複数の空調機の稼働率を制御するため、ＩＣＴ装置の高温障害発生を回避しつつ、省エネルギー性を向上させる運転が可能となる。
また、消費電力の実績値を更新するため、運転環境に対応した消費電力の演算が可能となる。

本発明の一実施形態に係る空調システム１の全体構成を示す図である。 空調機Ａ１、Ａ２の稼働率−ＣＯＰ関係テーブルの内容を示した図である。 ゾーン別空調負荷パターンテーブルの例を示す図である。 空調機運転条件パターンテーブルの例を示す図である。 空調機稼動パターンテーブルを示す図である。 空調システム１におけるグループ制御フローを示す図である。 稼働率試行フロー１を示す図である。 稼働率試行の具体例を示す図である。 稼働率試行フロー２を示す図である。 空調条件パターンの階層関係を概念的に示す図である。

以下、本発明の一実施形態について、図１乃至９を参照してさらに詳細に説明する。なお、本発明の範囲は特許請求の範囲記載のものであって、以下の実施形態に限定されないことはいうまでもない。
図１を参照して、本実施形態に係る空調システム１は、情報通信機械室５内のサーバラック２に格納されているＩＣＴ装置類（以下、サーバと総称）を、複数のベース空調機及び局所空調機により冷却するシステムである。機械室５内は３つの空調ブロックＢ１−Ｂ３に分割されており、各空調ブロックには２列のラック列が吸気面を対向させて配置されている。空調ブロックＢ１を例にとると、ブロック内には２台のベース空調機Ａ３、Ａ４（同一仕様）と、ラック列内の内部発熱の大きなサーバ近傍に、２台の同一能力の局所（列内）空調機Ａ１、Ａ２（同一仕様）と、が配置されている。

ベース空調機Ａ３、Ａ４からの冷気は、送風機（図示せず）により二重床空間内（図示せず）を経由して、吹出口付床パネル４からコールドアイル６に吹き出される。局所空調機Ａ１、Ａ２からの冷気は、直接コールドアイル６に吹き出される。
空調ブロックＢ１についてみると、ブロック内はさらに３つの制御ゾーンＺ１−Ｚ３に分割されている。各制御ゾーンには温度センサＳ１−Ｓ３が配設されており、後述するように温度センサＳ１−Ｓ３の計測値に基づいて、各ゾーンの発熱状態を判定し、ベース空調機Ａ３、Ａ４及び局所空調機Ａ１、Ａ２の稼動率制御を行うように構成されている。なお、詳細図示を省略するが、空調ブロックＢ２、Ｂ３についても同様に構成されている。

空調システム１の運転制御は中央制御部７により行われる。中央制御部７には、
各制御ゾーンの温度センサＳ１−Ｓ３の計測値、空調機Ａ１−Ａ４の運転データ、後述する運転環境データが、通信線Ｃ１−Ｃ７等を介して取り込まれるように構成されている。制御部７にはデータベース（ＤＢ）８が付設されており、以下のデータテーブルが格納されている。さらに、後述の運転環境データについては、随時、データの更新を可能とするように構成されている。

＜空調機稼働率−ＣＯＰ関係テーブル＞
図２は、空調機Ａ１、Ａ２に関する稼働率−ＣＯＰの関係テーブルの内容を概念的に示した図であり、外気温度をパラメータとしたデータが格納されている。本テーブルは、後述の空調機稼動パターン選定に際して、初期状態における消費電力量の演算及び図８における空調機選択に用いられる。なお、図示を省略するが、空調機Ａ３、Ａ４についても同様の関係テーブルが用意されている。

＜ゾーン別空調負荷パターンテーブル＞
温度センサＳ１−Ｓ３の計測値に基づき、各ゾーンの発熱状態に応じて空調負荷パターンテーブルを備えている。図３は、高発熱ゾーン(ゾーンへの冷却能力が不足している、または不足すると予想できるゾーン：例えば２５℃超）、中発熱ゾーン(ゾーンへの冷却能力が若干不足している、または若干不足すると予想できるゾーン：例えば２５℃−２０）、低発熱ゾーン(ゾーンへの冷却能力がほぼ足りているゾーン、または足りると予想できるゾーン：例えば２０℃未満）の３つに分類した場合の例であり、この場合は合計３^３（＝２７）通りの空調負荷パターンに分類される。なお、各発熱ゾーンの分類数、温度範囲については任意に設定することができ、これに応じてパターン数等が定まる。

＜運転環境データテーブル＞
本実施形態において空調機の運転データとしては、表１に示すように空調機圧縮機周波数、空調機送風機周波数、空調機消費電力及び総消費電力が計測される。また、運転環境データとしては制御ゾーン温度、日射量係数、季節時間帯が計測される。なお、日射量係数は建物蓄熱による影響を考慮したものであり、本実施形態では建物外壁温度を用いている。
所定のインターバル（例えば３０分間隔）で計測されるデータは、計測項目ごとに所定の分類単位にまとめられて取り扱われる。ここに所定の分類単位とは、例えば制御ゾーン温度は１℃刻み、季節は月単位刻み、時間帯は４時間刻みのような単位をいう。従って、同表に示すように、制御ゾーン温度については20−21℃、季節については7-9月、時間帯については13:00−17:00の範囲にある計測データは、同一のデータとして取り扱われることになる。
分類されたデータは、図４に示すように、さらに測定時の空調負荷パターン別に分類されてＤＢ８に格納される。

＜空調機稼動パターンテーブル＞
ゾーン別空調負荷パターン（図３）及び運転条件パターン（図４）に対応して、各空調機の稼働パターン（稼働率、負荷率）テーブルが設定される。図５は、空調負荷パターンＰ３、空調条件パターンＥ１を例にとり、テーブルの内容を概念的に示した図である。これら各パターンの階層関係は、概念的に図１０のように示される。すなわち、ある空調負荷パターン（Ｐｉ）に対して複数の運転条件パターン（Ｅ１，Ｅ２，・・・、Ｅｍ）が設定され、さらに、ある運転条件パターン（Ｅｊ）に対して複数の空調稼働パターン（Ｌ１，Ｌ２，・・・、Ｌｏ）が設定される。
図５において、各空調機の能力比（ａ）は、空調機Ａ１の定格能力を１としたときの指数で示している。また、各空調機の稼働率（ｂ）を同図のように設定したとき、負荷（ｃ）＝（ａ）×（ｂ）により演算される。さらに、電力消費量（ｄ）は、図２の関係テーブルから該当稼働率に対するＣＯＰを求め、（ｄ）＝（ｃ）／ＣＯＰにより演算される。このように、本稼働パターンテーブルと空調機稼働率−ＣＯＰ関係テーブルを用いることにより、各空調機の電力消費量及び電力消費量総計を演算することが可能となる。
なお、図５では４パターンを例示しているが、実際には各空調機の稼働率を変化させたときの必要パターンが格納されている。

空調システム１は以上のように構成されており、次に図６を参照して、空調ブロックＢ１を例に本実施形態によるグループ制御の内容について説明する。なお、以下の説明では、既にグループ制御運転が行われており、前回設定された稼動パターンＬ（i-1）で運転されている状態（Ｓ１００）を想定している。
最初に、制御ゾーンＺ１−Ｚ３について現在温度Ｔ（Ｚｊ）（ｊ＝１−３）が計測される（Ｓ１０１）。いずれかの現在温度が設定温度Ｔｓ（例えば２０℃）より上限閾値α（例えば＋３℃）を超えている場合には（Ｓ１０２においてＮＯ）、サーバの高温障害リスクを回避すべくグループ制御が解除され（Ｓ１０３）、空調機ごとの単独制御に移行する。

上記ステップと並行して運転環境データ（空調機運転データ及び外部環境データ等）が計測される（Ｓ１０４）。計測データは、稼動パターンテーブル（図５）中の各項目につき、上記分類単位にまとめられて１つの運転条件パターン（Ｅｊ）として読み込まれる（Ｓ１０５）。さらに、後述するＳ１０７において、該当空調条件パターンとして選択される。
Ｓ１０２においてＹＥＳ、すなわち現在温度が上限閾値以下の場合には、各制御ゾーンの温度Ｔ（Ｚｊ）に基づいて、図３のテーブルに従い、該当空調負荷パターンが選定される（Ｓ１０６）。
さらに、当該空調負荷パターンの中から該当する空調機運転条件パターン（図４）が選択され、次いで当該運転条件パターンの中から該当する稼動パターンテーブル（図５）が選択される（Ｓ１０７）。さらに、稼動パターンＬ１−Ｌｎのうち、空調機電力消費量総計（Ｅｃ）が最小の空調機稼動パターンＬ（ｉ）が選定される（Ｓ１０８）。
一方、運転環境データテーブルから、現行運転条件（前回設定稼動パターンＬ（i-1））による空調機電力消費量（Ｅｐ）が読み出され（Ｓ１０９）、演算値（Ｅｃ）と読み出し値（Ｅｐ）とが比較される（Ｓ１１０）。Ｅｃ≧Ｅｐの場合は（Ｓ１１０においてＮＯ）、現行運転条件（稼動パターンＬ（i-1））が継続される（Ｓ１１２）。

Ｅｃ＜Ｅｐの場合には（Ｓ１１０においてＹＥＳ）、選択した稼動パターンＬ（ｉ）により各空調機の運転が行われる（Ｓ１１１）。この場合、より省エネ運転を図るため、稼働率試行フロー１に移行する。具体的には図７，８を参照して、最初に現行運転状態の稼働率より稼働率を下げた場合にＣＯＰが向上、又は減少幅が小さい空調機について稼働率を下げて運転される（Ｓ１１０１）。図８の例では、空調機３，４について稼働率をｅ１からｅ１'に変更する。残りの空調機については、現行運転状態が維持される。所定時間（例えば３分間）運転継続後に（Ｓ１１０２）、全てのゾーンの温度Ｔ(Ｚｉ)が設定温度Ｔｓ＋閾値β（例えば１℃）以内に維持されている場合には（Ｓ１１０３においてＹＥＳ）、メインフローのＳ１１３に進む（Ｓ１１０６）。
いずれかのゾーンの温度Ｔ(Ｚｉ)が閾値を超えている場合には（Ｓ１１０３においてＮＯ）、稼働率を上げたときにＣＯＰが向上、又は減少幅が小さい空調機について、稼働率を上げて運転される（Ｓ１１０５）。同図の例では、空調機１，２について稼働率をｅ２からｅ２'に変更する。なお、全ての空調機について稼働率変更済の場合には、メインフローのＳ１１３に進む（Ｓ１１０４においてＹＥＳ）。

次いで、現行運転状態（稼働パターンＬ（i-1）又はＬ（i））における実際の空調機電力消費量（Ｅｃ’）が計測され（Ｓ１１３）、さらに上記演算値（Ｅｃ）と実測値（Ｅｃ’）とが比較される（Ｓ１１４）。
Ｅｃ’≦Ｅｃの場合には（Ｓ１１４においてＹＥＳ）、実測値であるＥｃ’が当該空調負荷パターンにおける空調機消費電力量として、空調機稼動パターンテーブル（図５）の内容が更新される（Ｓ１１６）。
Ｅｃ’＞Ｅｃの場合には（Ｓ１１４においてＮＯ）、より省エネ化を図るために稼働率試行フロー２に切り替えられる（Ｓ１１５）。具体的には図９を参照して、最初に現行運転状態より稼働率を下げた場合にＣＯＰが向上、又は減少幅が小さい空調機について稼働率を下げて運転される（Ｓ１２０１）。残りの空調機については、現行運転状態が維持される。所定時間（例えば３分間）運転継続後に（Ｓ１１０２）、全てのゾーンの温度Ｔ(Ｚｉ)が設定温度Ｔｓ＋閾値γ（例えば１℃）以下に維持されている場合には、本フローを終了して、メインフローの（※１）に進む（Ｓ１２０６）。

いずれかのゾーンの温度Ｔ(Ｚｉ)が閾値を超えている場合には、稼働率を上げたときにＣＯＰが向上、又は減少幅が小さい空調機について稼働率を上げて（Ｓ１２０５）、再度Ｓ１１０２以下のフローが繰り返される。全ての空調機について稼働率変更済の場合には（Ｓ１２０４においてＹＥＳ）、メインフローの（※１）に進む。なお、本フローに該当する場合には、消費電力量情報の更新は行われない。

本発明は、情報通信機械室に限らず、局部的に高発熱源を有する空間を複数の空調機により制御する空調システムに広く適用可能である。

１・・・空調システム
２・・・サーバラック
５・・・情報通信機械室
６・・・コールドアイル
７・・・中央制御部
８・・・データベース（ＤＢ）
Ａ１、Ａ２・・・局所空調機
Ａ３、Ａ４・・・ベース空調機
Ｂ１〜Ｂ３・・・空調ブロック
Ｓ１〜Ｓ４・・・温度センサ
Ｚ１〜Ｚ３・・・制御ゾーン

Claims (3)

1. 空調対象空間を、複数の空調機により冷却する空調システムにおいて、
   （ａ）空調システム運転時における空調対象空間の温度情報と、電力消費量を含む各空調機の所定の稼動情報と、空調機電力消費量に関係する所定の外部環境情報と、を含む運転条件情報を所定のインターバルで計測して、予め設定した分類単位の該当カテゴリーに蓄積するステップと、
   （ｂ）蓄積した該運転条件情報から抽出した現在の運転条件パターン（Ｅｊ）と、予め設定した空調対象空間における空調負荷パターンテーブルから抽出した現在の空調負荷パターン（Ｐｉ）と、の組み合わせに基づき定まる空調稼働パターンテーブルを用いて、各空調機の稼働率を変化させたときの電力消費量総和を演算するステップと、
   （ｃ）演算した各空調機の電力消費量総和が最小となる空調機の稼動パターン（Ｌ（ｉ））を選定するステップと、
   （ｄ）選定した稼動パターンによる電力消費量演算値（Ｅｃ）と運転時の電力消費量実績値（Ｅｐ）とを比較するステップと、
   （ｅ）演算値（Ｅｃ）が実績値（Ｅｐ）より小さいときは、選定した稼動パターンにより実際に運転するステップと、
   （ｆ）選定した稼動パターンにより実際に運転したときの実側値（Ｅｃ’）が演算値（Ｅｃ）より小さいときは、随時、該空調稼働パターンテーブルの電力消費量情報を更新するステップと、
   を含むことを特徴とする空調システムのグループ制御方法。
2. 請求項１の（ｅ）のステップにおいて、
   （ｇ）前記選定した稼動パターンにより実際に運転するときは、予め求めた各空調機の稼働率−ＣＯＰ特性に基づいて、電力消費量総和が最小となるように各空調機の稼働率を設定するステップを、さらに含むことを特徴とする空調システムのグループ制御方法。
3. 請求項１又は２において、
   （ｈ）運転時における前記運転条件情報と電力消費量実績値との組み合わせを、前記空調機の稼動パターンとして、随時、追加又は更新するステップを、さらに含むことを特徴とする空調システムのグループ制御方法。

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