JP5602072B2 - サーバ室管理用の空調システム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、サーバ室管理用の空調システムに関する。

一般に、サーバ室管理用の空調制御装置においては、一般的なビル向けなどと同様の仕組みを持つことをベースとした温湿度調整による空調が行われており、情報機器周辺の気流の最適化などで省エネの向上を図ることが広く行われている。

近年はインターネットの普及等により情報量が増加したことにより、このようなサーバ室を設けたデータセンタが増設されており、これらの設備の省エネ性能の向上が広く問題になってきている。

データセンタのように空調すべき対象の負荷が情報機器である場合は、負荷のほとんどが顕熱負荷である、設定温湿度が一定範囲であればよい、負荷でＣＯ_２が発生しないのでＣＯ_２濃度上昇防止のための換気が不要である、など一般ビル向けの空調制御とは異なる特徴がある。

そこでデータセンター内をサーバへの給気側の空間（コールドエリア）と排気側の空間（ホットエリア）との２つの空間に区分けして構成し、サーバ室の室内からの還気を取り込んで温度制御を行い、再びこの室内に供給するように空気を循環させて空調を行う技術がある。

このように構成することにより、室内エリアの温度勾配を少なくするとともに給気温度のばらつきを少なくして省エネ効果が高く、効率の良い空調制御を行うことができる。

特許第４５０３０８３号公報

しかし、上述したようにサーバ室からの還気を取り込んで循環させながら空調を行う場合でも、稼働中に間隙から絶対湿度の高い外気が混入したり、一時的に内部に室内に人が滞在して呼気から水蒸気が発生したりすることがあり、空調制御対象のサーバ室の絶対湿度が上昇してしまうことがある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、制御対象のサーバ室内の還気を空調して再度室内に供給するように空気を循環させて空調制御を実行する際に、サーバ室内を適切な湿度に保つように制御するサーバ室管理用の空調システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するための実施形態によれば、サーバ室管理用の空調システムはオール循環モードで空調を行い、サーバ室内の絶対湿度値の上昇分の予測に対応して決定された台数の第１コイルおよび第２コイルと、給気ファンとを備える。第１コイルは、サーバ室からの還気を給気温度目標値よりも低い所定温度値に調整し除湿を行う。第２コイルは、第１コイルと同一エリア内に設置され、サーバ室からの還気を、第１コイルで調整された空気と混合したときに給気温度目標値および給気湿度目標値になるように、給気温度目標値よりも高い所定温度値に調整する。給気ファンは、第１コイルで調整された還気と、第２コイルで調整された還気とを、混合して給気としてサーバ室に供給する。

第１実施形態による空調システムの構成を示す全体図である。 第１実施形態による空調システムの冷却コイル群および室外機の構成を示す説明図である。 第１実施形態〜第４実施形態による空調システムを用いる際の外気の状態を分類するための空気線図である。 従来の空調システムにおいてオール循環モードで空調を行う場合の還気温度と給気温度との関係を示すグラフである。 従来の空調システムにおいてオール循環モードで空調を行い外気が混入した場合の還気温度と給気温度との関係を示すグラフである。 第１実施形態〜第４実施形態による空調システムにおいて湿度制御と温度制御により空調を行う場合の還気温度と給気温度との関係を示すグラフである。 第２実施形態による空調システムの冷却コイル群および室外機の構成を示す説明図である。 第２実施形態による空調システムの制御装置の構成を示すブロック図である。 第２実施形態による空調システムが稼働したときの、（ａ）給気絶対湿度値の変化、（ｂ）給気温度値の変化、（ｃ）湿度制御のＯＮ／ＯＦＦ切り替え状態を示すグラフである。 第３実施形態による空調システムの制御装置の構成を示すブロック図である。 第３実施形態による空調システムが稼働したときの、（ａ）給気絶対湿度値の変化、（ｂ）給気温度値の変化を示すグラフである。 第４実施形態による空調システムの制御装置の構成を示すブロック図である。

《第１実施形態》
〈第１実施形態によるサーバ室管理用の空調システムの構成〉
本発明の第１実施形態によるサーバ室管理用の空調システム１Ａの構成について、図１を参照して説明する。

本実施形態による空調システム１Ａは、データセンター等のサーバ室１０の空調を行う。サーバ室１０内は、第１の空間としてのコールドエリア１２と、第２の空間としてのホットエリア１３とに分離されており、このコールドエリア１２とホットエリア１３との間に複数のサーバ（図示せず）が収納されたサーバラック１１が設置されている。

そして、このサーバラック１１に収納されたサーバ内のファン（図示せず）の稼働により、矢印ａで示すように、室内機２０からコールドエリア１２に供給された冷気がサーバラック１１のサーバに吸入され、サーバの発熱により加熱された還気としてホットエリア１３に流出するように気流が発生する。そして、サーバでは発生する熱が吸入された冷気により冷却されて正常に稼働可能となる。

空調システム１Ａは、室内機２０と、室外機群４０とを有する。

室内機２０は、サーバ室１０のホットエリア１３に接続された還気導入エリア２０Ａとコールドエリア１２に接続された給気冷却エリア２０Ｂとを有し、還気導入エリア２０Ａには排気用ダンパ２１が設置され、還気導入エリア２０Ａと給気冷却エリア２０Ｂとの間には還気導入用ダンパ２２が設置され、給気冷却エリア２０Ｂには外気導入用ダンパ２３と、冷気生成装置としての冷却コイル群２４、加湿器２５、および給気ファン２６とが設置されている。

排気用ダンパ２１は、サーバ室１０のホットエリア１３から還気導入エリア２０Ａに流入し外部に排出する還気量を、開度により調整する。

還気導入用ダンパ２２は、還気導入エリア２０Ａから給気冷却エリア２０Ｂ内に導入する還気量を、開度により調整する。

外気導入用ダンパ２３は、外部から給気冷却エリア２０Ｂ内に導入する外気量を、開度により調整する。

冷却コイル群２４は、複数の冷却コイルで構成され、外気導入用ダンパ２３が開状態にされたときに導入される外気、および還気導入用ダンパ２２が開状態にされたときに還気導入エリア２０Ａから導入される還気を、必要に応じて冷却して冷気を生成する。

加湿器２５は、導入された外気および還気を、必要に応じて加湿する。

給気ファン２６は、冷却コイル群２４により必要に応じて冷却されるとともに加湿器２５により必要に応じて加湿されて生成された冷気を、給気としてサーバ室１０内のコールドエリア１２に流入させる。

また、還気導入エリア２０Ａ内には、ホットエリア１３から流入した還気温度を計測する還気温度計３１が設置され、室内機２０の外側には外気温度を計測する外気温度計３２および外気湿度を計測する外気湿度計３３が設置され、給気冷却エリア２０Ｂ内の給気ファン２６の下流にはサーバ室１０のコールドエリア１２に流入させる給気温度を計測する給気温度計３４および給気湿度を計測する給気湿度計３５が設置されている。

室外機群４０は、複数の室外機で構成されて冷却コイル群２４の複数の冷却コイルにそれぞれ接続され、各冷却コイルで冷気を生成する際に利用される冷媒を供給する。

冷却コイル群２４と、室外機４０との詳細な構成について、図２を参照して説明する。本実施形態においては冷却コイル群２４が４台の冷却コイル２４Ａ〜２４Ｄで構成され、室外機群４０が４台の室外機４０Ａ〜４０Ｄで構成され、それぞれ１対１で冷却コイルと室外機とがダクトで接続されているものとする。冷却コイル２４Ａ〜２４Ｄは、給気冷却エリア２０Ｂ内に設置されている。なお、取り込んだ還気の流れ方向に対して９０度の方向に縦に重ならないように設置することが好適であるが、９０度に限る必要はない。

〈第１実施形態によるサーバ室管理用の空調システムの動作〉
次に、本実施形態によるサーバ室管理用の空調システム１Ａの動作について説明する。

本実施形態における空調システム１Ａでは、サーバラック１１に設置されたサーバを適切に冷却するために、（１）サーバ内のファンが吸い込む冷気（室内機２０からサーバ室１０へ供給される給気）が所定条件を満たし、且つ、（２）サーバ内のファンが確実にコールドエリアの冷気を吸い込んでホットエリアに吹き出すように動作させるものとする。

このうち、（１）の給気の条件は、設置するサーバの要求に応じて定められるが、本実施形態においてはサーバ室１０への給気温度および給気湿度として、米国暖房冷凍空調学会（ＡＳＨＲＡＥ；American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers）の規定または、これに類する規定に従って、温度：18〜27℃、絶対湿度0.0056〜0.0107kg/kg且つ相対湿度60％以下とする条件が設定されているものとする。

このように給気温度目標範囲および給気湿度目標範囲が設定されている場合、現在の外気が、図３に示すように分割された空気線図上のどの領域に該当するかにより状態が判定される。空気線図は、線図上に温度、絶対/相対湿度、エンタルピーなどから湿り空気の状態が分かるようにした線図のことである。

図３の空気線図では、相対湿度１００％（飽和状態）以下の空気の状態が、上述した給気温度目標範囲および給気湿度目標範囲で示される値と、この給気温度目標範囲且つ給気湿度目標範囲に該当する範囲の空気状態に対応するエンタルピーの上限値および下限値とに基づいて、以下に示す５つの空気状態範囲を示す領域I〜Vに分割されている。本実施形態において、上述した給気温度目標範囲且つ給気湿度目標範囲に対応するエンタルピー上限値は50kJ/kg(DA)であり、エンタルピー下限値は35kJ/kg(DA)であるものとする。

−領域I（第１の空気状態範囲）：
領域Iは、給気温度目標範囲、且つ目標とする給気絶対湿度範囲、且つ給気相対湿度範囲と同様の範囲、つまり空気線図上において下記式（１）を満たす範囲である。

〔数１〕
（温度18度以上27度以下）
∩（絶対湿度0.0056 kg/kg(DA)以上0.0107 kg/kg(DA)以下）
∩（相対湿度60%以下） 式（１）
−領域II（第２の空気状態範囲）：
領域IIは、目標とする給気絶対湿度範囲の下限値未満であり、且つ目標とする範囲におけるエンタルピー下限値未満の範囲、つまり空気線図上において下記式（２）を満たす範囲である。

〔数２〕
（絶対湿度0.0056 kg/kg(DA)未満）
∩（比エンタルピー35kJ/kg(DA)未満） 式（２）
−領域III（第３の空気状態範囲）：
領域IIIは、目標とする給気絶対湿度の範囲内であり、且つ、目標とする給気温度範囲の下限値未満または目標とする給気相対湿度の上限値以上の範囲、つまり空気線上において下記式（３）を満たす範囲である。

〔数３〕
（絶対湿度0.0056 kg/kg(DA)以上0.0107 kg/kg(DA)以下）
∩｛（温度18度未満）∪（相対湿度60%以上）｝ 式（３）
−領域IV（第４の空気状態範囲）：
領域IVは、目標とする給気温度および給気湿度の範囲に対応するエンタルピー範囲内であり、且つ、目標とする給気絶対湿度範囲の下限値未満または目標とする給気温度範囲の上限値を超える範囲、つまり空気線上において下記（４）を満たす範囲である。

〔数４〕
（比エンタルピー35kJ/kg(DA)以上比エンタルピー50kJ/kg(DA)以下）
∩｛（絶対湿度0.0056 kg/kg(DA)未満）∪（温度27度超）｝ 式（４）
−領域V（第５の空気状態範囲）：
領域Vは、上記の領域I〜IV以外の範囲である。

現在の外気の状態がこれらの領域I〜IVのうちいずれの領域に該当するかが判定されると、それぞれ領域ごとに以下のように空調制御内容を設定することができる。この設定内容は、空調制御対象となるのはサーバ室１０内のサーバから発生する熱による顕熱負荷であり、人の呼気等による潜熱負荷は発生しないものと仮定し、還気湿度値は、給気湿度計３５で計測される給気湿度計測値と同一であるものとして決定される。

−領域Iに該当する場合の空調制御内容：
現在の外気の状態が領域Iの範囲内にあるときは、上述した給気温度目標範囲且つ給気湿度目標範囲に該当し、外気をそのまま給気とすることが可能である。このため、排気用ダンパ２１を全開にし、還気導入用ダンパ２２を閉じ、外気導入用ダンパ２３を全開にすることで、外気導入比率が100％になるように制御内容が決定される。またこのときは、加湿器２５による加湿処理、および冷却コイル群２４による混合した空気の冷却処理は行われない。

−領域IIに該当する場合の空調制御内容：
現在の外気の状態が領域IIの範囲内にあるときは、外気に還気を混合することで外気温度を加温するとともに加湿を行うように制御内容が決定される。具体的には、排気用ダンパ２１、還気導入用ダンパ２２、および外気導入用ダンパ２３の開度が外気導入比率に応じて0〜100％の間で調整されるとともに、加湿器２５により必要量の加湿が行われるように制御内容が決定される。

このとき外気導入比率の目標値αは、混合後の空気が、給気温度目標範囲且つ給気湿度目標範囲内で予め設定された給気温度目標値になるように、外気温度計測値および還気温度計測値により調整される。

このようにして外気導入比率が調整されて外気と還気とが混合された空気の絶対湿度値Xは、外気絶対湿度計測値Xo、還気絶対湿度計測値Xr、外気導入比率目標値αを用いると、下記式（５）のように表される。

〔数５〕
X = Xo×α + Xr ×(1-α) 式（５）
このため混合された空気を、目標とする温湿度状態の給気にするには、給気絶対湿度目標値Xs0との差分である Xs0-X 分の加湿が必要である。この差分の湿度値を上げるための必要加湿量は、給気流量Fsを用いると Fs×(Xs0-X)となり、この必要加湿量が供給されるように加湿器の水量を制御するための弁（図示せず）の制御内容が決定される。このとき、冷却コイル群２４による混合した空気の冷却処理は行われない。

なお、外気と還気とを混合後に加湿を行う際の必要加湿量は上記のように決定されるが、還気をあらかじめ絶対湿度目標値{Xr+ (X-Xs0)/ (1-α) }になるように加湿しておくことで、混合後の加湿を不要にすることも可能である。

この場合、外気導入比率目標値αは、外気温度計測値To、加湿後の還気温度値Tr2、給気温度目標値Ts0とすると、下記式（６）で表される。

〔数６〕
α = (Tr2 - Ts0)/(Tr2 - To)×100(%) 式（６）
−領域IIIに該当する場合の空調制御内容：
現在の外気の状態が領域IIIの範囲内にあるときは、外気に還気を混合することで外気温度を加温するように制御内容が決定される。具体的には、排気用ダンパ２１、還気導入用ダンパ２２、および外気導入用ダンパ２３の開度が外気導入比率に応じて0〜100％の間で調整されるように制御内容が決定される。

この場合、外気導入比率目標値αは外気温度計測値To、還気温度計測値Tr、給気温度目標値Ts0とすると、下記式（７）で表される。

〔数７〕
α = (Tr - Ts0)/(Tr - To)×100(%) 式（７）
このとき、加湿器２５による加湿処理、および冷却コイル群２４による混合した空気の冷却処理は行われない。

−領域IVに該当する場合の空調制御内容：
現在の外気の状態が領域IVの範囲内にあるときは、外気に加湿を行うように制御内容が決定される。具体的には、排気用ダンパ２１を全開にし、還気導入用ダンパ２２を閉じ、外気導入用ダンパ２３を全開にすることで、外気導入比率が100％にされるとともに、加湿器２５により必要量の加湿が行われるように制御内容が決定される。

この場合、外気絶対湿度計測値Xo、給気湿度目標値Xs0とすると、必要加湿量はXs0-Xoである。このとき、加湿に伴って外気温度がToからTに低下する。給気温度目標値Ts0がTより低い場合は、外気が給気温度目標値になるように冷却コイル群２４により冷却処理が行われるように制御される。

−領域Vに該当する場合の空調制御内容：
現在の外気の状態が領域Vの範囲内にあるときは、還気を冷却するように制御内容が決定される。具体的には、排気用ダンパ２１を閉じ、還気導入用ダンパ２２を全開にし、外気導入用ダンパ２３を閉じることで、外気導入比率が0％にされるとともに、冷却コイル群２４により冷却、除湿処理が行われるように制御内容が決定される。このとき、加湿器２５による加湿処理は行われない。

上述したように空調制御内容が設定されると、これに基づいて排気用ダンパ２１、還気導入用ダンパ２２、および外気導入用ダンパ２３の開度、加湿器２５、冷却コイル群２４の制御量、給気ファン２６の回転数が制御され、目標とする範囲内の給気温度値および給気湿度値の給気が制御され、適切な空調が行われる。

上述したような空調制御のうち、現在の外気の状態が領域Vの範囲にあると判定され、外気が導入されずすべて還気により給気が生成されることでサーバ室１０の空調が行われる際（以下、「オール循環モード」という。）は、サーバ室１０のホットエリア１３の還気（ＲＡ）が還気導入エリア２０Ａに導入され、還気導入用ダンパ２２が開状態にされることにより給気冷却エリア２０Ｂに取り込まれ、冷却コイル群２４による冷却、加湿器２５による加湿が必要に応じて行われて給気ファン２６によりサーバ室１０のコールドエリア１２に給気（ＳＡ）として供給される。

このとき、サーバ室１０では顕熱負荷は発生するが潜熱負荷は発生しないため、図４に示すように、サーバ室１０からの還気（ＲＡ）とサーバ室１０への給気（ＳＡ）は絶対湿度値が同一で温度値のみが異なることになる。

しかし実際には、外気導入用ダンパ２３やコールドエリア１２、ホットエリア１３の間隙などから湿度の高い外気が混入したり、一時的に内部に室内に人が滞在して呼気から水蒸気が発生するなどの想定外の事象により、空調制御対象のサーバ室の絶対湿度が上昇してしまうことがある。

この場合、図５に示すように、サーバ室１０に供給した給気（ＳＡ）よりも高い湿度の還気（ＲＡ’）が室内機２０で取得され、この還気により生成された給気（ＳＡ’）もオール循環モード下では湿度の高い空気となってしまう。

このような状態が繰り返されることにより、サーバ室１０からの還気、サーバ室１０への給気が徐々に上昇して適正な給気湿度目標範囲から外れてしまうのを防ぐため、予め間隙などからの湿度の高い外気が混入や、一時的な管理人の入室などにより上昇するサーバ室１０内の絶対湿度値の上昇分を予測し、これに対応して、給気冷却エリア２０Ｂ内に設置された冷却コイル群２４の冷却コイル２４Ａ〜２４Ｄを、湿度調整用として動作させるものと温度調整用として動作させるものとに分けて設定する。

本実施形態においては、図２に示す冷却コイル群２４のうち冷却コイル２４Ａを湿度調整用の第１コイルとして動作するように設定し、還気導入エリア２０Ａから取り込まれた湿度が高くなった還気（ＲＡ’）を、図６に示すように給気温度目標値（ＳＡ）よりも低い除湿可能な温度にまで下げた給気（ＳＡ１）を調整する。室外機４０Ａは、冷却コイル２４Ａにおいて、還気（ＲＡ’）の温度から給気（ＳＡ１）の温度にまで下げる空調を行うための温度、量の冷媒を供給する。

また、冷却コイル群２４のうち冷却コイル２４Ｂ〜２４Ｄの３台が温度調整用の第２コイルとして動作するように設定し、還気導入エリア２０Ａから取り込まれた還気（ＲＡ’）を、図６に示すように給気温度目標値（ＳＡ）よりも高い温度にまで下げた給気（ＳＡ２）を調整する。このＳＡ２の温度は、冷却コイル２４Ａで調整された空気と、冷却コイル２４Ｂ〜２４Ｄで調整された空気とを混同したときに給気温度目標値および給気湿度目標値になるように決定された値である。室外機４０Ｂ〜４０Ｄは、冷却コイル２４Ｂ〜２４Ｄにおいて、還気（ＲＡ’）の温度から給気（ＳＡ２）の温度にまで下げる空調を行うための温度、量の冷媒を供給する。これらの冷却コイル２４Ｂ〜２４Ｄでは湿度調整は行われない。

このように還気の流れに対して冷却コイル２４Ａ〜２４Ｄにより、取り込まれた還気の湿度調整、温度調整が行われると、各冷却コイル２４Ａ〜２４Ｄで調整済みの給気が給気冷却エリア２０Ｂ内で自然に混合され、給気温度目標値および給気湿度目標値の給気（ＳＡ）が得られ、給気ファン２６によりサーバ室１０のコールドエリア１２に供給される。

以上の本実施形態によれば、サーバ室の空調制御がオール循環モードで行われる際に、想定外の事象によるサーバ室の絶対湿度の上昇分が予め予測できる場合に、これに応じて台数および制御量が決定された湿度制御用の冷却コイルと温度制御用の冷却コイルとを同一空間である給気冷却エリアに設置することにより、サーバ室へ目標温度値、目標湿度値の給気を供給することができる。

《第２実施形態》
〈第２実施形態によるサーバ室管理用の空調システムの構成〉
本発明の第２実施形態によるサーバ室管理用の空調システム１Ｂの構成について、図７を参照して説明する。

本実施形態による空調システム１Ｂは、図７に示すように制御装置５０Ｂを有する他は、第１実施形態による空調システム１Ａと同様の構成を有するため、同一機能を有する装置に関しては詳細な説明は省略する。

制御装置５０Ｂは、図８に示すように、閾値情報記憶部５０１と、給気湿度計測値取得部５０２と、判定部５０３と、制御信号送信部５０４とを有する。

閾値情報記憶部５０１は、湿度制御を実行するか否かを判定するための給気湿度計測値の上限閾値（例えば領域Iの湿度範囲の上限値である「絶対湿度0.0107kg/kg」）および下限閾値（例えば領域Iの湿度範囲の下限値である「絶対湿度0.0056 kg/kg」）の情報を記憶する。

給気湿度計測値取得部５０２は、給気湿度計３５で計測された給気湿度計測値を取得する。

判定部５０３は、給気湿度計測値取得部５０２で取得された給気湿度計測値が、閾値情報記憶部５０１に記憶された上限閾値と下限閾値との間の範囲にあるか否かを判定する。

制御信号送信部５０４は、判定部５０３において給気湿度計測値が上限閾値を超えていると判定された場合に、第１コイルとして設定された冷却コイル２４ＡをＯＮ状態とし、対応する室外機４０Ａに対し稼働を開始させるための制御信号を送信し湿度制御を実行させる。また制御信号送信部５０４は、取得した給気湿度計測値が予め設定された下限閾値を下回った場合に、第１コイルとして設定された冷却コイル２４ＡをＯＦＦ状態とし、対応する室外機４０Ａに対し稼働を停止させるための制御信号を送信し湿度制御を停止させる。

〈第２実施形態によるサーバ室管理用の空調システムの動作〉
次に、本実施形態によるサーバ室管理用の空調システム１Ｂの動作について説明する。

本実施形態において空調システム１Ｂが稼働すると、制御装置５０Ｂの給気湿度計測値取得部５０２において給気湿度計３５で計測された給気湿度計測値が取得される。

次に判定部５０３において、給気湿度計測値取得部５０２で取得された給気湿度計測値が、閾値情報記憶部５０１に記憶された上限閾値と下限閾値との間の範囲にあるか否かが判定され、判定の結果、取得された給気湿度計測値が予め閾値情報記憶部に記憶された上限閾値を超えたと判定された場合は冷却コイル２４ＡをＯＮ状態にし、記憶された下限閾値を下回ったと判定された場合は冷却コイル２４ＡをＯＦＦ状態にすることが決定される。

判定部５０３において冷却コイル２４ＡをＯＮ状態にすることが決定されたときには、冷却コイル２４Ａに対応する室外機４０Ａの稼働を開始させるための制御信号が制御信号送信部５０４から室外機４０Ａに送信され、冷却コイル２４ＡをＯＦＦ状態にすることが決定されたときには、室外機４０Ａの稼働を停止させるための制御信号が制御信号送信部５０４から室外機４０Ａに送信される。

このように室外機４０Ａの動作が制御され、これにより冷却コイル２４ＡのＯＮ／ＯＦＦが制御されたときの、（ａ）給気絶対湿度値の変化と、（ｂ）給気温度値の変化と、（ｃ）湿度制御のＯＮ／ＯＦＦ切り替え状態との関係を、図９に示す。

図９に示すように、まず計測を開始してから給気湿度計測値が上限閾値に達するまでの間（時刻t0〜t1の間）はサーバ室１０の還気の絶対湿度が上限閾値と下限閾値との間の適正な範囲にあり、湿度制御はＯＦＦ状態であり制御装置５０の制御により室外機４０Ａは稼働が停止されている。このとき、サーバ室１０から取得した還気の空調制御は、第２コイルである冷却コイル２４Ｂ〜２４Ｄで給気温度計３４から取得した給気温度計測値に基づいて温度制御のみが実行され、目標温度範囲（例えば領域Iの温度範囲である「温度18度以上27度以下」）内の温度（Tsa1）の給気が生成される。

次に、空調制御中に間隙からの外気の混入等により給気湿度計測値が上昇し上限閾値に達すると（時刻t1）、制御装置５０により湿度制御がＯＮ状態に移行することが決定されて室外機４０Ａの稼働させるための制御信号が送信される。そして、この制御信号により室外機４０Ａが稼働され、冷却コイル２４Ａへの所定温度、量の冷媒の供給が開始される。

湿度制御がＯＮ状態に移行した後、給気湿度計測値が下限閾値に達するまでの間（時刻t1〜t2の間）は湿度制御が継続して実行され、第１実施形態で説明した場合と同様に、冷却コイル２４Ａでは給気温度目標値よりも低い温度（Tsa1’）の給気が調整され、冷却コイル２４Ｂ〜２４Ｄでは給気温度目標値よりも高い温度（Tsa2）の給気が調整されるように、制御装置５０により室外機４０Ａ〜４０Ｄが制御される。

このように湿度制御が開始されることにより、給気湿度計測値が下がり始める。また、冷却コイル２４Ａで調整される給気は低温（Tsa1’）であるため、サーバ室１０に供給される給気はこの低温の給気の影響を受けて目標温度範囲内で温度が下がる。具体的には、湿度制御を行う冷却コイル２４Ａが１台であるのに対し、温度制御を行う冷却コイル２４Ｂ〜２４Ｄが３台であり、サーバ室１０に供給される給気の温度（Tsa）は下記式（８）で表される。

〔数８〕
Tsa＝0.25×Tsa1’＋0.75×Tsal2 （８）
次に、湿度制御が継続して実行されたことにより給気湿度計測値が下限閾値に達すると（時刻t2）、制御装置５０により湿度制御がＯＦＦ状態に移行することが決定されて室外機４０Ａの稼働を停止するための制御信号が送信される。そして、室外機４０Ａの動作が停止される。

その後また外気の混入等により給気湿度計測値が上限閾値に達すると（時刻t3）、制御装置５０により湿度制御がＯＮ状態に移行することが決定され、同様に処理が繰り返される。

以上の本実施形態によれば、空調制御対象のサーバ室の給気温度計測値と給気湿度計測値とに基づいて給気温度、給気湿度が目標範囲内に収まるように各冷却コイルによる還気の冷却量が決定されるため、想定外に上昇するサーバ室の湿度量の変動にも対応することができ、さらに高い精度でサーバ室へ目標温度値、目標湿度値の給気を供給することができる。

《第３実施形態》
〈第３実施形態によるサーバ室管理用の空調システムの構成〉
本発明の第３実施形態によるサーバ室管理用の空調システム１Ｃの構成は、図７に示すように制御装置５０Ｃを有する他は、第１実施形態による空調システム１Ａと同様の構成を有するため、同一機能を有する装置に関しては詳細な説明は省略する。

制御装置５０Ｃは、冷却コイル群２４をＰＩＤ制御するものであり、図１０に示すように湿度制御テーブル記憶部５０５と、給気湿度計測値取得部５０２と、差分算出部５０６と、冷却量取得部５０７と、湿度ＰＩＤ制御部５０８と、温度制御テーブル記憶部５０９と、給気温度計測値取得部５１０と、差分算出部５１１と、冷却量取得部５１２と、温度ＰＩＤ制御部５１３とを有する。

湿度制御テーブル記憶部５０５は、給気湿度目標値と給気湿度計測値との差分ごとの、湿度制御のための冷却コイルにおける還気の冷却量を示す湿度制御テーブルを予め記憶する。

給気湿度計測値取得部５０２は、給気湿度計３５で計測された給気湿度計測値を取得する。

差分算出部５０６は、予め設定された給気湿度目標値と、給気湿度計測値取得部５０２で取得された給気湿度計測値との差分を算出する。

冷却量取得部５０７は、湿度制御テーブル記憶部５０５に予め保持された湿度制御テーブルに基づいて、差分算出部５０６で算出された差分に対応する湿度制御のための還気の冷却量を取得する。

湿度ＰＩＤ制御部５０８は、冷却量取得部５０７で取得された湿度制御のための還気の冷却量に基づいて、当該制御に必要な冷媒の温度、量を決定し、これにより室外機４０Ａの動作を制御する。

温度制御テーブル記憶部５０９は、給気温度目標値と給気温度計測値との差分ごとの、温度制御のための冷却コイルにおける還気の冷却量を示す温度制御テーブルを予め記憶する。

給気温度計測値取得部５１０は、給気温度計３４で計測された給気温度計測値を取得する。

差分算出部５１１は、予め設定された給気温度目標値と、給気温度計測値取得部５１０で取得された給気温度計測値との差分を算出する。

冷却量取得部５１２は、温度制御テーブル記憶部５０９に予め保持された温度制御テーブルに基づいて、差分算出部５１１で算出された差分に対応する温度制御のための還気の冷却量を取得する。

温度ＰＩＤ制御部５１３は、冷却量取得部５１２で取得された温度制御のための還気の冷却量に基づいて、当該制御に必要な冷媒の温度、量を決定し、これにより室外機４０Ａ〜４０Ｄの動作を制御する。

〈第３実施形態によるサーバ室管理用の空調システムの動作〉
次に、本実施形態によるサーバ室管理用の空調システム１Ｃの動作について説明する。

本実施形態において、空調システム１Ｃが稼働しているときには、冷却コイル２４Ａおよび室外機４０Ａは常にＯＮ状態に設定されている。

そして、制御装置５０Ｃの給気湿度計測値取得部５０２において給気湿度計３５で計測された給気湿度計測値が取得される。

次に差分算出部５０６において、給気湿度計測値取得部５０２で取得された給気湿度計測値と、予め設定された給気湿度目標値との差分が算出される。

次に冷却量取得部５０７において、湿度制御テーブル記憶部５０５に予め記憶された湿度制御テーブルに基づいて、差分算出部５０６において算出された差分に対応する湿度制御のための還気の冷却量が取得される。

次に湿度ＰＩＤ制御部５０８において、冷却量取得部５０７で取得された湿度制御のための還気の冷却量に基づいて当該制御に必要な冷媒の温度、量が決定され、これにより室外機４０Ａの動作が制御される。ここで湿度制御に関しては、第１実施形態で説明した場合と同様に、給気温度目標値よりも低い温度（Tsa1’）の給気が調整されるように冷媒の温度、量が決定される。

一方、給気温度計測値取得部５１０では、給気温度計３４で計測された給気温度計測値が取得される。

次に差分算出部５１１において、給気温度計測値取得部５１０で取得された給気温度計測値と、予め設定された給気温度目標値との差分が算出される。

次に冷却量取得部５１２において、温度制御テーブル記憶部５０９に予め記憶された温度制御テーブルに基づいて、差分算出部５１１において算出された差分に対応する温度制御のための還気の冷却量が取得される。

次に温度ＰＩＤ制御部５１３において、冷却量取得部５１２で取得された温度制御のための還気の冷却量に基づいて当該制御に必要な冷媒の温度、量が決定され、これにより室外機４０Ａ〜４０Ｄの動作が制御される。ここで温度制御に関しては、第１実施形態で説明した場合と同様に、給気温度目標値よりも高い温度（Tsa2）の給気が調整されるように冷媒の温度、量が決定される。

このうち室外機４０Ａの温度制御のための還気の冷却量の情報には、上述した湿度制御のための還気の冷却量の情報が加算されて、冷媒の温度、量が決定される。

このように室外機４０Ａの動作が制御されたときの、（ａ）給気絶対湿度値の変化と、（ｂ）給気温度値の変化と、（ｃ）湿度制御のＯＮ／ＯＦＦ切り替え状態との関係を、図１１に示す。

本実施形態においてはＰＩＤ制御により逐次取得される給気湿度計測値および給気温度計測値と目標値との差分に対応した制御が実行されるため、図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、給気湿度計測値値、給気温度計測値ともに、目標値から大きくずれることがなく一定に近い状態に保つことができる。

以上の本実施形態によれば、空調制御対象のサーバ室の給気温度計測値と給気湿度計測値とに基づいて給気温度、給気湿度が一定に近い状態に保つことができるように各冷却コイルによる還気の冷却量が決定されるため、想定外に上昇するサーバ室の湿度量の変動にも逐次対応することができ、さらに高い精度でサーバ室へ目標温度値、目標湿度値の給気を供給することができる。

《第４実施形態》
〈第４実施形態によるサーバ室管理用の空調システムの構成〉
本発明の第４実施形態によるサーバ室管理用の空調システム１Ｄの構成は、図７に示すように制御装置５０Ｄを有する他は、第１実施形態による空調システム１Ａと同様の構成を有するため、同一機能を有する装置に関しては詳細な説明は省略する。

本実施形態による空調システム１Ｄは、冷却コイル群２４をＰＩＤ制御するものであり、図１０に示すように湿度制御テーブル記憶部５０５と、給気湿度計測値取得部５０２と、差分算出部５０６と、冷却量取得部５０７と、湿度ＰＩＤ制御部５０８と、温度制御テーブル記憶部５０９と、給気温度計測値取得部５１０と、差分算出部５１１と、冷却量取得部５１２と、温度ＰＩＤ制御部５１３と、スイッチ５１４〜５１７と、冷却コイル設定制御部５１８とを有する。

このうち湿度制御テーブル記憶部５０５、給気湿度計測値取得部５０２、差分算出部５０６、冷却量取得部５０７、温度制御テーブル記憶部５０９、給気温度計測値取得部５１０、差分算出部５１１、および冷却量取得部５１２の機能は第３実施形態による制御装置５０Ｂのこれらの機能と同一であるため、詳細な説明は省略する。

湿度ＰＩＤ制御部５０８は、冷却量取得部５０７で取得された湿度制御のための還気の冷却量および後述する冷却コイル設定制御部５１８で設定された冷却コイル２４Ａ〜２４Ｄの制御設定状況に基づいて、当該制御に必要な冷媒の温度、量を決定し、これにより室外機４０Ａ〜４０Ｄの動作を制御する。

温度ＰＩＤ制御部５１３は、冷却量取得部５１２で取得された温度制御のための還気の冷却量および後述する冷却コイル設定制御部５１８で設定された冷却コイル２４Ａ〜２４Ｄの制御設定状況に基づいて、当該制御に必要な冷媒の温度、量を決定し、これにより室外機４０Ａ〜４０Ｄの動作を制御する。

スイッチ５１４は、ＯＮ状態にすることで湿度ＰＩＤ制御部５０８と室外機４０Ａとを接続し、ＯＦＦ状態にすることで湿度ＰＩＤ制御部５０８と室外機４０Ａとの接続を切断する。

スイッチ５１５は、ＯＮ状態にすることで湿度ＰＩＤ制御部５０８と室外機４０Ｂとを接続し、ＯＦＦ状態にすることで湿度ＰＩＤ制御部５０８と室外機４０Ｂとの接続を切断する。

スイッチ５１６は、ＯＮ状態にすることで湿度ＰＩＤ制御部５０８と室外機４０Ｃとを接続し、ＯＦＦ状態にすることで湿度ＰＩＤ制御部５０８と室外機４０Ｃとの接続を切断する。

スイッチ５１７は、ＯＮ状態にすることで湿度ＰＩＤ制御部５０８と室外機４０Ｄとを接続し、ＯＦＦ状態にすることで湿度ＰＩＤ制御部５０８と室外機４０Ｄとの接続を切断する。

冷却コイル設定制御部５１８は、外気温度計３２で計測された計測値、外気湿度計３３で計測された計測値、給気温度計３４で計測された計測値、給気湿度計３５で計測された計測値、給気ファン２６による給気風量、サーバラック１１に収納されたサーバの負荷状態を取得し、これらの情報に基づいて冷却コイル２４Ａ〜２４Ｄを、それぞれ湿度制御に用いるか、または温度制御に用いるかを設定する。この設定により、冷却コイル２４Ａを湿度制御に用いると設定したときにはスイッチ５１４をＯＮ状態にし、冷却コイル２４Ｂを湿度制御に用いると設定したときにはスイッチ５１５をＯＮ状態にし、冷却コイル２４Ｃを湿度制御に用いると設定したときにはスイッチ５１６をＯＮ状態にし、冷却コイル２４Ｄを湿度制御に用いると設定したときにはスイッチ５１７をＯＮ状態にする。

〈第４実施形態によるサーバ室管理用の空調システムの動作〉
次に、本実施形態によるサーバ室管理用の空調システム１Ｄの動作について説明する。

本実施形態において空調システム１Ｄの稼働が開始すると、まず冷却コイル設定制御部５１８において外気温度計３２で計測された計測値、外気湿度計３３で計測された計測値、給気温度計３４で計測された計測値、給気湿度計３５で計測された計測値、給気ファン２６による給気風量、サーバラック１１に収納されたサーバの負荷状態が取得される。

そして取得されたこれらの情報から、冷却コイル群２４のうち何台を湿度制御に用い、何台を温度制御に用いるかが決定される。本実施形態においては冷却コイル群２４が冷却コイル２４Ａ〜２４Ｄの４台で構成されているため、これらの冷却コイルを１：３、または２：２の割合で湿度制御に用いるものと温度制御に用いるものに割り当てることができ、冷却コイル２４Ａを湿度制御に用い冷却コイル２４Ｂ〜２４Ｄを温度制御に用いるパターン（３：１）、冷却コイル２４Ａ、２４Ｂを湿度制御に用い冷却コイル２４Ｃ、２４Ｄを温度制御に用いるパターン（２：２）、または冷却コイル２４Ａを湿度制御に用い冷却コイル２４Ｂ〜２４Ｄを温度制御に用いるパターン（１：３）から選択することができる。このパターンの選択をする際には、予め行われた試験結果に基づいてエネルギー消費が最も少ないものを選択することで、省エネ効果を向上させることができる。

湿度制御に用いる冷却コイルの台数および温度制御に用いる冷却コイルの台数が決定されると、この決定に基づいてどの冷却コイルを湿度制御に用い、どの冷却コイルを温度制御に用いるかが決定される。

このとき、冷却コイル２４Ａ〜２４Ｄの中で湿度制御に用いる冷却コイルが特定の冷却コイルに偏らないように設定することで、特定の冷却コイルや室外機にのみ湿度制御により負荷が多くかからないようにし、冷却コイル２４Ａ〜２４Ｄ、および室外機４０Ａ〜４０Ｄの全体的な寿命を延ばすことができる。

ここで冷却コイル設定制御部５１８により、湿度制御を行うことが決定された冷却コイルに接続された室外機に対応するスイッチがＯＮ状態にされることで、該当する室外機が湿度ＰＩＤ制御部５０８に接続される。これにより、湿度ＰＩＤ制御部５０８から当該室外機へ湿度制御に関する情報が送信されるようになる。

また、冷却コイル設定制御部５１８で決定された冷却コイル２４Ａ〜２４Ｄの制御の設定状況は、湿度ＰＩＤ制御部５０８および温度ＰＩＤ制御部５１３に送出される。

一方、給気湿度計測値取得部５０２、差分算出部５０６、および冷却量取得部５０７では第３実施形態による制御装置５０Ｃの場合と同様の処理が実行され、湿度ＰＩＤ制御部５０８において冷却量取得部５０７で取得された湿度制御のための還気の冷却量および冷却コイル設定制御部５１８から送出された冷却コイル２４Ａ〜２４Ｄの制御設定状況に基づいて当該制御に必要な冷媒の温度、量が決定され、これによりスイッチがＯＮ状態にされ接続された室外機４０の動作が制御される。

また、給気温度計測値取得部５１０、差分算出部５１１、および冷却量取得部５１２では第３実施形態による制御装置５０Ｃの場合と同様の処理が実行され、温度ＰＩＤ制御部５１３において冷却量取得部５１２で取得された温度制御のための還気の冷却量および冷却コイル設定制御部５１８から送出された冷却コイル２４Ａ〜２４Ｄの制御設定状況に基づいて当該制御に必要な冷媒の温度、量が決定され、これにより室外機４０Ａ〜４０Ｄの動作が制御される。

このとき、湿度制御に対応した室外機の制御には、温度制御のための還気の冷却量の情報に、上述した湿度制御のための還気の冷却量の情報が加算されて、冷媒の温度、量が決定される。

また、湿度制御または温度制御を行う複数の冷却コイルの中でも、異なる冷却量を設定することも可能であり、これらの冷却コイル２４Ａ〜２４Ｄで冷却された後最終的に混合される給気が全体として給気湿度目標値および給気温度目標値となるようにバランスがとれればよい。

以上の本実施形態によれば、空調制御対象のサーバ室の給気温度計測値と給気湿度計測値とに基づいて給気温度、給気湿度が一定に近い状態に保つことができるように各冷却コイルによる還気の冷却量が決定されるため、想定外に上昇するサーバ室の湿度量の変動にも逐次対応することができ、高い精度でサーバ室へ目標温度値、目標湿度値の給気を供給することができるとともに、高い省エネ効果を得ることができる。

上述した第１実施形態〜第３実施形態においては冷却コイル群がそれぞれ別個の室外機に接続されている場合について説明したが、これには限定されず、複数の冷却コイルが相互に接続され、群管理されるように構成してもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１Ａ〜１Ｄ…空調システム
１０…サーバ室
１１…サーバラック
１２…コールドエリア
１３…ホットエリア
２０…室内機
２０Ａ…還気導入エリア
２０Ｂ…給気冷却エリア
２１…排気用ダンパ
２２…還気導入用ダンパ
２３…外気導入用ダンパ
２４…冷却コイル群
２４Ａ〜２４Ｄ…冷却コイル
２５…加湿器
２６…給気ファン
３１…還気温度計
３２…外気温度計
３３…外気湿度計
３４…給気温度計
３５…給気湿度計
４０…室外機群
４０Ａ〜４０Ｄ…室外機
５０Ｂ〜５０Ｄ…制御装置
５０１…閾値情報記憶部
５０２…給気湿度計測値取得部
５０３…判定部
５０４…制御信号送信部
５０５…湿度制御テーブル記憶部
５０６…差分算出部
５０７…冷却量取得部
５０８…湿度ＰＩＤ制御部
５０９…温度制御テーブル記憶部
５１０…給気温度計測値取得部
５１１…差分算出部
５１２…冷却量取得部
５１３…温度ＰＩＤ制御部
５１４〜５１７…スイッチ
５１８…冷却コイル設定制御部

Claims (4)

1. 空調制御対象のサーバ室を、外気を導入せずすべて前記サーバ室からの還気により給気を生成して前記サーバ室に供給するオール循環モードで空調を行う空調システムにおいて、
   前記オール循環モードにおける、前記サーバ室内の絶対湿度値の上昇分の予測に対応して、湿度調整用として決定された台数のコイルであり、前記サーバ室からの還気を、予め設定された給気温度目標値よりも低い所定温度値に調整し除湿を行う第１コイルと、
   前記オール循環モードにおける、前記サーバ室内の絶対湿度値の上昇分の予測に対応して、温度調整用として決定された台数のコイルであり、前記第１コイルと同一エリア内に設置され、前記サーバ室からの還気を、前記第１コイルで調整された空気と混合したときに前記給気温度目標値および予め設定された給気湿度目標値になるように、前記給気温度目標値よりも高い所定温度値に調整する第２コイルと、
   前記第１コイルで調整された還気と、前記第２コイルで調整された還気とを、混合して給気として前記サーバ室に供給する給気ファンと
   を備えることを特徴とするサーバ室管理用の空調システム。
2. 空調制御対象のサーバ室を、外気を導入せずすべて前記サーバ室からの還気により給気を生成して前記サーバ室に供給するオール循環モードで空調を行う空調システムにおいて、
   前記サーバ室からの還気を調整する複数の冷却コイルと、
   前記複数の冷却コイルで調整された給気を混合して、給気として前記サーバ室に供給する給気ファンと、
   外気温度計測値、外気湿度計測値、給気温度計測値、給気湿度計測値、給気風量、および前記サーバ室内のサーバの負荷状態を示す値を取得し、取得した値に基づいて、前記複数の冷却コイルのうち、前記サーバ室からの還気を、予め設定された給気温度目標値よりも低い所定温度値に調整し除湿を行う第１コイルに割り当てる台数と、前記サーバ室からの還気を、前記第１コイルで調整された空気と混合したときに前記給気温度目標値および予め設定された給気湿度目標値になるように、前記給気温度目標値よりも高い所定温度値に調整する第２コイルに割り当てる台数とを決定し、さらに、前記第１コイルが特定の冷却コイルに偏らないように、前記第１コイルとして用いる冷却コイルおよび前記第２コイルとして用いる冷却コイルを特定する第１制御装置と
   を備えることを特徴とするサーバ室管理用の空調システム。
3. 給気湿度計測値が、前記給気湿度目標値を含む給気湿度目標範囲の下限値を下回ったときに前記第１コイルを停止させ、その後、前記給気湿度目標範囲の上限値を上回ったときに前記第１コイルを稼動させる第２制御装置を備える
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のサーバ室管理用の空調システム。
4. 給気湿度計測値と給気湿度目標値との差分に基づいて、この差分をなくすように前記第１コイルの制御量を決定する第３制御装置を備える
   ことを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載のサーバ室管理用の空調システム。

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