JP5728966B2

JP5728966B2 - 空気調和システム及びその始動制御方法

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Publication number: JP5728966B2
Application number: JP2011012848A
Authority: JP
Inventors: 邦英和田; 石川　達也; 石川　　達也
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2011-01-25
Filing date: 2011-01-25
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2031-01-25
Also published as: JP2012154531A; US20130291576A1; WO2012101902A1; EP2669588A1

Description

本発明は、空気調和システム及びその始動制御方法に関する。

サーバーコンピュータ等のコンピュータ機器を多数収容しているデータセンターでは、コンピュータ機器からの発熱による室温上昇を防止するために空調設備が完備されている。例えば、データセンター内には、コンピュータ機器を設置するための複数のラックが室内に並設され、このラックの配置や熱の流れ等に応じて複数台の空気調和機が分散して設置されている。

このようなデータセンターにおいて停電が発生した場合、コンピュータ機器は無停電電源装置や自家発電装置によって運転が維持されるが、空気調和機については通常電力が遮断されるので室内の温度が急激に上昇する。そのため、停電から復旧した後、空気調和機を自動的に再起動して早急に室内を冷却することが行われている。

しかしながら、複数台の空気調和機を同時に再起動するとピーク電流が急激に高まるため、電源設備に負荷が集中してしまうという不都合がある。そのため、従来は、複数台の空気調和機の始動順序を予め設定しておき、停電後、復電したときにはその順序にしたがって複数の空気調和機を１台ずつ始動させていた。

なお、以下の特許文献１には、復電時の始動制御とは異なるが、複数の空気調和機を含む冷暖房システムにおいて複数の空気調和機の始動開始時刻をずらす技術が開示されている。

特許第２９９４９４０号公報

データセンターに並設された複数のラックには、均等にコンピュータ機器が配置されているとは限らず、特定のラックに集中してコンピュータ機器が配置されている場合がある。この場合、コンピュータ機器が集中している室内の特定領域で温度上昇が顕著となり、室内の温度分布に偏りが生じる。そのため、停電後、復電したときに予め設定された順番で空気調和機を始動すると、温度の上昇が顕著な特定領域を迅速に効率よく冷却することができない場合がある。

本発明は、上記のような実情に鑑みてなされたものであり、停電後、復電したときに効率よく室温制御を行うことができる空気調和システム及びその始動制御方法を提供することとを目的とする。

本発明の第１の観点に係る空気調和システムは、
同一の電源から電力が供給される複数の空気調和機を備えた空気調和システムにおいて、
前記各空気調和機に対応する空調領域における室内温度をそれぞれ検出する温度検出センサと、
前記複数の空気調和機の各設定温度、及び前記温度検出センサにより検出された各室内温度を記憶する温度記憶部と、
停電後、復電したことを検知する復電検知部と、
前記復電検知部によって復電が検知された場合に、複数の空気調和機毎に前記温度記憶部に記憶された前記設定温度と復電後又は停電前に前記温度検出センサによって検出されかつ前記温度記憶部に記憶された前記室内温度とを比較し、両者の温度差に基づく空調負荷が大きい空調領域に対応する空気調和機ほど早期に始動させるように各空気調和機の始動時期を設定する始動時期設定部と、を備え、前記始動時期設定部は、復電後、前記空気調和機が始動するまでの遅延時間であって、所定の前記温度差の範囲において所定の温度刻みで複数に区分けされた遅延時間に基づいて前記始動時期を設定するものであり、前記温度差の範囲、又は、前記温度刻みの幅が、使用環境に応じて設定可能であることを特徴とする。

本発明の空気調和システムによれば、停電後、復電した場合に、設定温度と室内温度との差に基づく空調負荷の大きい空調領域に対応する空気調和機を迅速に始動させることができ、当該空調領域の温度制御を効率よく行うことができる。
なお、本発明の空気調和機は、１台に対して１又は複数系統の冷媒回路を構成する１又は複数の圧縮機を備えたものとする。例えば、共通の圧縮機によって複数台の室内機が運転される場合には、これら複数台の室内機は１台の空気調和機を構成するものとなる。

前記温度検出センサは、前記空気調和機に一体的に備わっていてもよい。
この場合、空気調和機に予め備わっている温度検出センサを、復電後の空気調和機の始動時期の設定に利用することができる。

前記温度検出センサは、前記各空気調和機に対応する空調領域に対して当該空気調和機とは別体として備わり、前記空気調和機よりも前記空調領域内の発熱体により近い位置に配置されていてもよい。
この場合、室内に設置された発熱体の周辺など、温度変化が顕著な場所に対応して温度検出センサを設けることができ、より効率的な始動順序の設定を行うことができる。

前記複数の空気調和機のそれぞれに、前記復電検知部、前記温度記憶部、及び前記始動時期設定部が備わっていてもよい。
この構成によれば、各空気調和機がそれぞれ自立して始動時期を適切に設定することができる。そのため、空気調和機相互の始動時期の調整を行う機器を設ける必要が無く、空気調和システムを安価かつ簡素に構成することができる。

空気調和システムは、前記復電検知部、前記温度記憶部、及び前記始動時期設定部を有している集中制御装置を更に備え、この集中制御装置と、前記各空気調和機とが通信可能に接続されていてもよい。
このような構成によって、例えば、集中制御装置が各空気調和機の始動時期を相互に調整し、始動時期が重ならないように設定するような制御が実現可能となる。

本発明の第２の観点に係る空気調和システムの始動制御方法は、
同一の電源から電力が供給される複数の空気調和機を備えている空気調和システムの始動制御方法において、
停電後、復電した場合に各空気調和機の設定温度と各空気調和機に対応する空調領域における復電後又は停電前の室内温度とを比較し、両者の温度差に基づく空調負荷が大きい空調領域に対応する空気調和機ほど早期に始動させるように始動時期を設定するものであり、前記始動時期が、復電後、前記空気調和機が始動するまでの遅延時間であって、所定の前記温度差の範囲において所定の温度刻みで複数に区分けされた遅延時間に基づいて設定され、前記温度差の範囲、又は、前記温度刻みの幅が、使用環境に応じて設定可能であることを特徴とする。

このような構成によって、停電後、復電したときに、設定温度と室内温度との差が大きい空調領域に対応する空気調和機を迅速に始動させることができ、当該空調領域の温度制御を効率よく行うことができる。

本発明によれば、停電後、復電したときに効率的な室温制御を実行することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る空気調和システムを概略的に示す構成図である。空気調和機の冷媒回路を示す図である。制御装置の構成を示すブロック図である。遅延時間を設定するために使用されるテーブルである。複数台の空気調和機の始動時期の設定について説明する表である。本発明の第２の実施の形態に係る空気調和システムの概略構成図である。集中制御装置の構成を示すブロック図である。本発明の第３の実施の形態に係る空気調和システムの概略構成図である。

《第１の実施の形態》
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る空気調和システムを概略的に示す構成図である。空気調和システム１０は、１つの部屋１１に設置された複数台の空気調和機１２を備えている。この部屋１１は、例えば、サーバーコンピュータやネットワーク機器等の多数のコンピュータ機器を設置したデータセンターとされ、室内には、コンピュータ機器を設置するための複数のラック１３が併設されている。また、複数台の空気調和機１２は、各ラック１３に設置されたコンピュータ機器の発熱による室内の温度上昇を効率的に抑制するように、部屋１１内に分散して配置されている。また、複数の空気調和機１２は、共通の商用電源１４から電力が供給されている。

図２は、空気調和機の冷媒回路を示す図である。空気調和機１２は、ヒートポンプ式の冷媒回路１６を備えている。冷媒回路１６は、冷媒を圧縮して高温高圧のガス冷媒を生成する圧縮機１７と、冷房運転時に凝縮器として作用する室外側熱交換器１８と、冷媒を減圧する電磁膨張弁（膨張手段）１９と、冷房運転時に蒸発器として作用する室内側熱交換器２０と、これらを順次接続する冷媒配管２１とを備えている。また、室外側熱交換器１８と室内側熱交換器２０には、それぞれ送風ファン２２ａ，２２ｂが当該室外側熱交換器１８及び室内側熱交換器２０と対向して設けられている。

冷媒配管２１には四路切換弁（切換手段）２４が設けられ、この四路切換弁２４を切り換えることによって冷媒の流れを反転させ、圧縮機１７から吐出される冷媒を室外側熱交換器１８と室内側熱交換器２０とに切り換えて供給し、冷房運転と暖房運転とを切り換えることが可能となっている。

すなわち、冷房運転時には、四路切換弁２４を実線のように切り換えることによって冷媒を実線矢印で示す方向に流し、圧縮機１７から吐出された冷媒を室外側熱交換器１８に供給し、膨張弁１９を通過した冷媒を室内側熱交換器２０に供給する。これにより、室外側熱交換器１８を凝縮器として作用させて高温高圧のガス状冷媒を凝縮・液化し、室内側熱交換器２０を蒸発器として作用させて低温低圧の液状冷媒を蒸発・気化させる。そして、室内側熱交換器２０と熱交換することによって冷やされた空気を部屋１１の内部に送り込むことによって冷房を行う。

また、暖房運転時には、四路切換弁２４を点線のように切り換えることによって、冷媒の流れを反転させ、点線矢印で示す方向に冷媒を流すことによって室内側熱交換器２０を凝縮器として作用させ、室外側熱交換器１８を蒸発器として作用させる。そして、室内側熱交換器２０と熱交換することによって暖められた空気を部屋１１の内部に送り込むことによって暖房を行う。なお、空気調和機１２によって冷房又は暖房のみを行う場合には、四路切換弁２４を省略し、冷媒の流れを一方向に固定することができる。

膨張弁１９、四路切換弁２４、圧縮機１７、及び送風ファン２２ａ，２２ｂは、操作スイッチのオンオフや温度センサ等のセンサ出力に応じて制御装置２７（図１，図３参照）により動作制御される。制御装置２７は、ＣＰＵや、ＲＡＭ、ＲＯＭ等のメモリを備えたマイクロコンピュータを有しており、メモリに記憶されたプログラムをＣＰＵが実行することによって各種機能を実現する。

また、図１に示すように、空気調和機１２は、室内の温度を検出する温度検出センサ２９を備えており、この温度検出センサ２９の検出情報は制御装置２７に入力される。そして、制御装置２７は、温度検出センサ２９の検出情報を含む各種入力情報等に基づいて空気調和機１２全体を制御する。

本実施の形態の制御装置２７は、停電が発生することによって空気調和機１２への電力の供給が遮断された後、電源が復旧（復電）したときに、自動的に空気調和機１２を始動（再起動）することによって停電前の運転状態に戻し、部屋１１の温度上昇を抑制する機能を有している。以下、この機能について詳細に説明する。

停電後、復電したときに複数の空気調和機１２が同時に始動すると、ピーク電流が増大して電源設備に対する負荷が集中し、遮断器が作動するおそれがある。そのため、本実施の形態の制御装置２７は、他の空気調和機１２と始動時期が重ならないように自身の空気調和機１２の始動時期を適切に設定する機能（始動時期設定機能）を有している。

図３は、制御装置の構成を示すブロック図である。制御装置２７は、上述の始動時期設定機能を実現するために、空調温度設定部３２、温度記憶部３３、復電検知部３４、及び始動時期設定部３５を備えている。空調温度設定部３２は、部屋１１の目標温度（設定温度）を図示しない操作部（リモートコントローラ）を介して設定する機能（設定を受け付けて温度記憶部３３に記憶させる機能）を有している。温度記憶部３３は、空調温度設定部３２において設定された設定温度や、温度検出センサ２９によって検出された温度を記憶する機能を有する。

復電検知部３４は、停電後、電源が復旧したことを検知する機能を有している。具体的に、復電検知部３４は、空気調和機１２が停止したときに、その停止が停電によるものであるか否かを判断し、停電による停止であると判断した場合には、その後に投入された電源を停電後の復電であると判断する。例えば、復電検知部３４は、空気調和機１２の圧縮機１７が作動しているか否かを常時監視し、圧縮機１７が作動している場合にはその状態（圧縮機オン）をメモリに記録する。そして、空気調和機１２が停止した後電源が投入されたときに、復電検知部３４は、メモリに記録されている圧縮機１７の状態を読み出し、その状態が圧縮機オンである場合には、空気調和機１２が停電により異常停止し、かつその後の復電によって電源が投入されたと判断することができる。

始動時期設定部３５は、復電検知部３４によって停電後の復電が検知された場合に、空気調和機１２の始動時期を設定する。具体的に、始動時期設定部３５は、温度比較部３５Ａと、遅延時間演算部３５Ｂとを有している。温度比較部３５Ａは、温度記憶部３３に記憶されている設定温度と、復電後に温度検出センサ２９によって検出され、温度記憶部３３に記憶された室内温度とを比較し、両者の温度差を求める。この温度差が大きくなるほど空調負荷が大きくなり、空気調和機１２の迅速な始動が必要となる。なお、ここで「温度差が大きくなる」とは、冷房運転時には設定温度に対して室内温度がプラス側に大きくなることをいい、暖房運転時には設定温度に対して室内温度がマイナス側に大きくなることをいう。

遅延時間演算部３５Ｂは、設定温度と室内温度との温度差に基づいて、復電後、空気調和機１２の運転が始動（圧縮機１７が始動）するまでの遅延時間を求める。例えば、制御装置２７のメモリには、図４に示すような遅延時間の設定に使用されるテーブルが記憶されている。このテーブルには、設定温度と室内温度との温度差Δｔと、遅延時間とが対応付けられた状態で記憶されている。図４の例では、設定温度と室内温度との温度差Δｔが２．０℃を超える場合は、遅延時間が０秒とされ、温度差Δｔが２．０℃以下１．６℃を超える場合は、遅延時間が１秒とされ、以下、温度差Δｔが０．４℃小さくなるごとに遅延時間が１秒ずつ増えている。

したがって、設定温度と室内温度との温度差Δｔが大きいほど（空調負荷が大きいほど）遅延時間は短くなり、迅速に空気調和機１２が始動されることになる。したがって、部屋１１の内部で、より空調が必要な領域に対して迅速な室温制御を行うことが可能となっている。

また、復電後の始動時期設定は、各空気調和機１２の制御装置２７がそれぞれ自立して実行するものであるため、始動時期設定のために各空気調和機１２間の調整、管理を行うための機器が不要となり、空気調和システム１０を安価かつ簡素に構成することができる。

図５は、図４に示すテーブルを用いて複数台の空気調和機１２の始動順位を求めた例を示す。ここではＮｏ．１からＮｏ．４の４台の空気調和機１２について冷房運転時の室内温度ｔ_２を検出し、設定温度ｔ_１との温度差Δｔに基づいて始動順位を求めた。Ｎｏ．１からＮｏ．４の空気調和機１２の設定温度ｔ_１はいずれも２７．０℃で同一である。復電後の室内温度ｔ_２は、それぞれ、２７．２℃、２７．９℃、２８．５℃、２７．５℃であり、設定温度ｔ_１との温度差Δｔは、０．２℃、０．９℃、１．５℃、０．５℃となる。そして、図４のテーブルを参酌することによって、それぞれの遅延時間が求められ、この遅延時間によって複数の空気調和機１２の始動順位が定められることになる。

なお、図４に示すテーブルはあくまで例示であり、温度差Δｔの数値範囲や遅延時間については空気調和機１２の使用環境等に応じて適宜設定することができる。例えば、図４では、温度差Δｔが２℃を超える空気調和機１２が複数台ある場合、これらは同時に始動することになるが、このようなことが生じないように温度差Δｔの全体の設定範囲をより広くしたり、全体の設定範囲内における温度の区分けをより細かく設定したりすることが可能である。例えば、温度差Δｔの全体の設定範囲は、０℃〜２℃としていたのを０℃〜１０℃のように広げることができ、全体の設定範囲内における区分けを０．４℃刻みとしていたのを０．２℃刻みのように細かくすることができる。また、図４のようなテーブルを用いずに、温度差Δｔを係数とした演算式によって遅延時間を求めることも可能である。

《第２の実施の形態》
図６は、本発明の第２の実施の形態に係る空気調和システムの概略構成図である。
本実施の形態の空気調和システム１０には、集中制御装置３６が設けられており、この集中制御装置３６は、各空気調和機１２の制御装置２７に通信可能に接続されている。そして、第１の実施の形態で説明した始動時期設定機能が集中制御装置３６に備わっている。

図７は、集中制御装置３６の機能構成を示すブロック図である。この集中制御装置３６は、第１の実施の形態の制御装置２７と同様に、温度記憶部３３、復電検知部３４、及び始動時期設定部３５を備えており、これらの機能は、第１の実施の形態と概ね同じである。また、第１の実施の形態において説明した空調温度設定部３２（図３参照）は、本実施の形態でも各空気調和機１２の制御装置２７の機能として備えられている。ただし、この空調温度設定部３２は、集中制御装置３６の機能として備えられていてもよい。

図７に示すように、集中制御装置３６は、無停電電源装置又は自家発電装置に接続されており、停電が起きたとしても電力の供給が遮断されないように構成されている。
温度記憶部３３には、各空気調和機１２の空調温度設定部３２において設定された設定温度が通信部３７を介して入力され、記憶される。また、各空気調和機１２の温度検出センサ２９によって検出された室内温度も通信部３７を介して入力され、記憶される。
そして、始動時期設定部３５では、温度比較部３５Ａにおいて設定温度と室内温度との差が求められ、遅延時間演算部３５Ｂにおいて温度差に基づいて遅延時間が求められる。

本実施の形態では、上述の第１の実施の形態と概ね同様の作用効果を奏するが、各空気調和機１２における始動時期が集中制御装置３６において集中管理されるため、例えば、遅延時間を求めた結果、複数台の空気調和機１２の間で始動時期が重なった場合には、これらの始動時期を相互にずらすような調整（例えば、一方の始動時期を更に＋０．５秒遅延させる等）を行うことが可能となる。したがって、集中制御装置３６は、重複した始動時期を相互にずらすように調整を行う調整部３５Ｃ（図７参照）を備えていてもよい。これにより、ピーク電流の増大を確実に抑制することができ、電源設備に対する負担をより軽減することができる。

《第３の実施の形態》
図８は、本発明の第３の実施の形態に係る空気調和システムの概略構成図である。
本実施の形態の空気調和システム１０は、始動時期設定のために用いられる温度検出センサ２９が、各空気調和機１２ではなく部屋１１の内部、例えば、よりラック１３に近い位置等に設けられている。複数の温度検出センサ２９は、それぞれ空気調和機１２による空調の影響がおよぶ領域、すなわち、各空気調和機１２に対応する空調領域の範囲内にそれぞれ設けられている。また、各温度検出センサ２９は、図示しない通信線を介して空気調和機１２の制御装置２７に接続されており、検出された室内温度が制御装置２７に入力され、記憶される。

本実施の形態では、温度検出センサ２９は、発熱体となるコンピュータ機器により近く、温度変化が顕著となる場所に設置されるため、室内の温度分布（温度ムラ）をより正確に把握して効率のよい始動時期の設定を行うことができる。
なお、本実施の形態においても、第２の実施の形態のように集中制御装置３６を設け、この集中制御装置３６によって空気調和機１２の始動時期の設定を行ってもよい。

本発明は、上記実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内において適宜変更することができる。
例えば、上記実施の形態において、始動時期設定部３５の温度比較部３５Ａによって設定温度と比較されていた室内温度は、復電したときの室内温度とされていたが、停電直前の室内温度とすることができる。停電直前の室内温度と設定温度との差が大きいということは、その空気調和機１２は停電の直前まで高い能力で運転していたことになり、その空気調和機１２に対応する空調領域の空調負荷が高くなっていたといえる。したがって、このような空調領域に対しては、復電後、迅速に空気調和機１２を始動させることにより、空調能力を迅速に高めることができる。

上記実施の形態では、空気調和システムがデータセンターに設置されている場合について説明したが、これに限定されるものではない。また、複数台の空気調和機は、一つの部屋に限らず、複数の部屋に分散して設置されていてもよい。

１０：空気調和システム
１２：空気調和機
１４：商用電源
２７：制御装置
２９：温度検出センサ
３２：空調温度設定部
３３：温度記憶部
３４：復電検知部
３５：始動時期設定部
３６：集中制御装置

Claims

同一の電源（１４）から電力が供給される複数の空気調和機（１２）を備えた空気調和システムにおいて、
前記各空気調和機（１２）に対応する空調領域における室内温度をそれぞれ検出する温度検出センサ（２９）と、
前記複数の空気調和機（１２）の各設定温度、及び前記温度検出センサ（２９）により検出された各室内温度を記憶する温度記憶部（３３）と、
停電後に復電したことを検知する復電検知部（３４）と、
前記復電検知部（３４）によって復電が検知された場合に、複数の空気調和機（１２）毎に前記温度記憶部（３３）に記憶された前記設定温度と復電後又は停電前に前記温度検出センサ（２９）によって検出されかつ前記温度記憶部（３３）に記憶された前記室内温度とを比較し、両者の温度差に基づく空調負荷が大きい空調領域に対応する空気調和機（１２）ほど早期に始動させるように各空気調和機（１２）の始動時期を設定する始動時期設定部（３５）と、を備え、
前記始動時期設定部（３５）は、復電後、前記空気調和機（１２）が始動するまでの遅延時間であって、所定の前記温度差の範囲において所定の温度刻みで複数に区分けされた遅延時間に基づいて前記始動時期を設定するものであり、
前記温度差の範囲、又は、前記温度刻みの幅が、使用環境に応じて設定可能であることを特徴とする空気調和システム。
前記温度検出センサ（２９）が前記空気調和機（１２）に一体に備わっている請求項１に記載の空気調和システム。
前記温度検出センサ（２９）が、前記各空気調和機（１２）に対応する空調領域に当該空気調和機（１２）とは別体として備わり、前記空気調和機（１２）よりも前記空調領域内の発熱体により近い位置に配置されている、請求項１に記載の空気調和システム。
前記複数の空気調和機（１２）に、それぞれ前記温度記憶部（３３）、前記復電検知部（３４）、及び前記始動時期設定部（３５）が備わっている請求項１〜３のいずれかに記載の空気調和システム。
前記温度記憶部（３３）、前記復電検知部（３４）、及び前記始動時期設定部（３５）を有している集中制御装置（３６）を更に備え、この集中制御装置（３６）と、前記各空気調和機（１２）とが通信可能に接続されている請求項１〜３のいずれかに記載の空気調和システム。
同一の電源（１４）から電力が供給される複数の空気調和機（１２）を備えている空気調和システムの始動制御方法において、
停電後、復電した場合に、各空気調和機（１２）の設定温度と各空気調和機（１２）に対応する空調領域における復電後又は停電前の室内温度とを比較し、両者の温度差に基づく空調負荷が大きい空調領域に対応する空気調和機（１２）ほど早期に始動させるように始動時期を設定するものであり、
前記始動時期が、復電後、前記空気調和機（１２）が始動するまでの遅延時間であって、所定の前記温度差の範囲において所定の温度刻みで複数に区分けされた遅延時間に基づいて設定され、
前記温度差の範囲、又は、前記温度刻みの幅が、使用環境に応じて設定可能であることを特徴とする空気調和システムの始動制御方法。