JP6103926B2 - 空調機運転制御装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、サーバを収納した複数のサーバラックとこのサーバラックを冷却する複数の空調機とが配置されたサーバルームやデータセンタにおいて、各々のサーバに不足なく気流を供給できるように床吹出口の圧力を制御する空調機運転制御装置および方法に関するものである。

ＣＲＡＣ（Computer Room Air Conditioner）は、多数のサーバラックが設置されたサーバルームまたはデータセンタに設置される高顕熱型パッケージ空調機である。サーバルーム内はＣＲＡＣによって空気分散を行い、過度に空気の動きがあるエリアやホットスポット（熱溜まり）のエリアをなくす必要がある。また、サーバルームでは機器から出る一定の熱負荷を基準にして、最善のレイアウトでＣＲＡＣを設置する。サーバラックからの暖気はサーバルームの天井裏の排気プレナム（天井裏空間）に排出される。ＣＲＡＣは、この暖気（還気）を上部から吸い込み、吸い込んだ空気を冷却する。ＣＲＡＣによって冷却された冷気（給気）は、サーバルームの床下の給気プレナム（床下空間）に排出され、給気プレナムからサーバルームに吹き出すようになっている。ＣＲＡＣは、給気温度が一定になるように、あるいは還気温度が一定になるように制御を行っている（例えば特許文献１参照）。

従来の制御では、温度設定値が固定のため、空調負荷に応じた適切な設定値となっていないときは、安全を顧慮した冷やし過ぎの状態となり、ＣＲＡＣのエネルギー消費効率（ＣＯＰ）が悪くなるという問題点があった。また、従来の制御では、時間的・場所的に変動する空調負荷に追従する機能がないため、時間的・場所的に温熱環境が変わってしまい、熱溜まり等が生じ、サーバ機器の寿命を縮めてしまう恐れがあった。

そこで、空調負荷をゾーン毎に算出し、この空調負荷に基づいて各空調機の還気温度設定値を算出して各空調機を制御する技術が提案されている（特許文献２参照）。この特許文献２に開示された技術によれば、冷し過ぎの状態を抑えることができ、各空調機のエネルギー消費効率を向上させることができる。また、空調負荷の変化に対応することができる。

特開２００９−１４０４２１号公報 特開２０１２−１５９２１３号公報

以上のように、特許文献１に開示された従来の技術では、空調機のエネルギー消費効率が悪いという問題点があり、さらに空調負荷の変化に対応することができないという問題点があった。
一方、特許文献２に開示された従来の技術では、これらの問題点を解決することができる。しかしながら、特許文献１、特許文献２に開示された技術では、給気温度が一定になるように、あるいは還気温度が一定になるように空調機を個別に制御しているだけなので、吹出圧力の分布状況により、冷熱（気流）が個々のサーバに対し供給されていない可能性があり、サーバ機器の寿命を縮めてしまう恐れがあった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、エネルギー消費量を低減することができると同時に、個々のサーバに不足なく気流を供給することができる空調機運転制御装置および方法を提供することを目的とする。

本発明は、サーバを収納した複数のサーバラックとこのサーバラックを冷却する複数の空調機とが配置されたサーバルームにおける空調機運転制御装置であって、サーバルームの全ての床吹出口の圧力計から床吹出口給気圧力計測値を取得する床吹出口給気圧力取得手段と、全てのサーバラックの電力計からサーバラックの消費電力計測値を取得する消費電力取得手段と、各サーバラックの消費電力計測値からそれぞれ対応する床吹出口の床吹出口給気圧力目標値を算出する床吹出口給気圧力算出手段と、各サーバラックの消費電力計測値に基づいて、各空調機が冷却を担当する、サーバルームの分割領域であるゾーンを空調機毎に定義するゾーン定義手段と、前記床吹出口給気圧力計測値とこれに対応する前記床吹出口給気圧力目標値との圧力偏差をゾーン毎および床吹出口毎に算出し、ゾーン内で最も圧力偏差が大きい床吹出口の床吹出口給気圧力計測値をそのゾーンに対応する空調機の制御量とし、この制御量と当該床吹出口の床吹出口給気圧力目標値との圧力偏差に基づいて空調機のファンインバータ出力値をゾーン毎に算出する空調機ファン制御手段と、全てのサーバラックの温度センサからラック上面温度計測値を取得するラック上面温度取得手段と、前記ラック上面温度計測値と所定のラック上面温度目標値との温度偏差が所定の範囲外の場合に、この温度偏差に応じて対応するゾーンの前記ファンインバータ出力値を補正するインバータ出力補正手段とを備えることを特徴とするものである。

また、本発明は、サーバを収納した複数のサーバラックとこのサーバラックを冷却する複数の空調機とが配置されたサーバルームにおける空調機運転制御方法であって、サーバルームの全ての床吹出口の圧力計から床吹出口給気圧力計測値を取得する床吹出口給気圧力取得ステップと、全てのサーバラックの電力計からサーバラックの消費電力計測値を取得する消費電力取得ステップと、各サーバラックの消費電力計測値からそれぞれ対応する床吹出口の床吹出口給気圧力目標値を算出する床吹出口給気圧力算出ステップと、各サーバラックの消費電力計測値に基づいて、各空調機が冷却を担当する、サーバルームの分割領域であるゾーンを空調機毎に定義するゾーン定義ステップと、前記床吹出口給気圧力計測値とこれに対応する前記床吹出口給気圧力目標値との圧力偏差をゾーン毎および床吹出口毎に算出し、ゾーン内で最も圧力偏差が大きい床吹出口の床吹出口給気圧力計測値をそのゾーンに対応する空調機の制御量とし、この制御量と当該床吹出口の床吹出口給気圧力目標値との圧力偏差に基づいて空調機のファンインバータ出力値をゾーン毎に算出する空調機ファン制御ステップと、全てのサーバラックの温度センサからラック上面温度計測値を取得するラック上面温度取得ステップと、前記ラック上面温度計測値と所定のラック上面温度目標値との温度偏差が所定の範囲外の場合に、この温度偏差に応じて対応するゾーンの前記ファンインバータ出力値を補正するインバータ出力補正ステップとを含むことを特徴とするものである。

本発明によれば、各サーバラックの消費電力計測値からそれぞれ対応する床吹出口の床吹出口給気圧力目標値を算出し、各サーバラックの消費電力計測値に基づいてゾーンを空調機毎に定義し、床吹出口給気圧力計測値とこれに対応する床吹出口給気圧力目標値との圧力偏差をゾーン毎および床吹出口毎に算出し、ゾーン内で最も圧力偏差が大きい床吹出口の床吹出口給気圧力計測値をそのゾーンに対応する空調機の制御量とするようにしたので、個々のサーバに不足なく気流を供給することができると同時に、各床吹出口で給気圧力が必要最低限となる制御、すなわち搬送動力が必要最低限となる制御を実現することができ、エネルギー消費量を低減することができる。また、本発明では、床吹出口給気圧力目標値をサーバラックの消費電力計測値に基づいて決めるので、空調負荷の変動に対応した制御を実現することができる。

また、本発明では、ラック上面温度計測値と所定のラック上面温度目標値との温度偏差が所定の範囲外の場合に、この温度偏差に応じてファンインバータ出力値を補正するようにしたので、全てのサーバラックの空気取入口付近の温度がラック上面温度目標値程度になるようにすることができ、適正な温熱環境になるようにすることができる。

本発明の実施の形態に係るサーバルームの構成を示す平面図である。 本発明の実施の形態に係るサーバルームの構成を示す側面図である。 本発明の実施の形態に係る空調機運転制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係る空調機運転制御装置の動作を示すフローチャートである。

本発明では、複数の床吹出口のうち、最も圧力の低い床吹出口の圧力を適正値に制御することで、全ての床吹出口で必要な気流を確保する。また、本発明では、床吹出口の適正な圧力を、空調負荷によって決める。具体的には、空調負荷として全てのラックの電力量を計測し、その電力量を基に床吹出口の適正圧力を決定する。また、本発明では、ラックの電力量の集計結果から、空調機ごとに処理する範囲であるゾーンを決定する。さらに、本発明では、ラック上部の空気温度を計測することで、圧力制御出力に補正をかけ、過冷却を防止する。

本発明では、空調機の温度設定が適正であること（床吹出口の圧力が適正のとき、ラック吸込温度が例えば２７℃となるような温度設定であること）を前提にしている。また、本発明では、空調機の搬送がインバータにより操作可能であることを前提にしている。また、本発明では、ラックの消費電力が分かれば、対応する床吹出口の適正圧力が相関式により分かることを前提にしている。さらに、本発明では、空調機のファン容量が十分に大きいことを前提にしている。

［実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態に係るサーバルームの構成を示す平面図、図２はサーバルームを横から見た側面図である。サーバルーム１内には、複数のサーバラック２と、複数の空調機３とが設置されている。前述のとおり、各サーバラック２の背面から排出される暖気は、サーバルーム１の天井裏の空間である排気プレナム１２に排出される。各空調機３は、この暖気（還気ＲＡ）を上部から吸い込み、吸い込んだ空気を冷却する。空調機３のファン３０は、冷却された冷気（給気ＳＡ）をサーバルーム１の床下の空間である給気プレナム１３に送り出す。給気ＳＡは、サーバルーム１の床吹出口１０からサーバルーム１に吹き出し、各サーバラック２の前面からサーバラック２内に吸い込まれるようになっている。

全ての床吹出口１０には、それぞれ床吹出口１０の給気ＳＡの圧力ＰＶを計測する圧力計１１が設けられている。また、全てのサーバラック２には、それぞれサーバラック２の消費電力（サーバラック２に収納された機器の消費電力）を計測する電力計２０が設けられている。また、全てのサーバラック２には、それぞれサーバラック２の空気取入側（図２の例では前面）の上面温度を計測する温度センサ２１が設けられている。

次に、複数の空調機３を制御する空調機運転制御装置４について説明する。図３は空調機運転制御装置４の構成を示すブロック図である。空調機運転制御装置４は、全ての床吹出口１０の圧力計１１から床吹出口給気圧力計測値ＰＶを取得する床吹出口給気圧力取得部４０と、全てのサーバラック２の電力計２０から消費電力計測値Ｗを取得する消費電力取得部４１と、全てのサーバラック２の温度センサ２１からラック上面温度計測値Ｔを取得するラック上面温度取得部４２と、各サーバラック２の消費電力計測値Ｗからそれぞれ対応する床吹出口１０の床吹出口給気圧力目標値ＳＰを算出する床吹出口給気圧力算出部４３と、各サーバラック２の消費電力計測値Ｗに基づいて、各空調機３が冷却を担当する、サーバルーム１の分割領域であるゾーンを定義するゾーン定義部４４と、各空調機３のファン回転数を調整するファンインバータ出力値を算出する空調機ファン制御部４５と、ラック上面温度計測値Ｔと所定のラック上面温度目標値ＴＳＰとの温度偏差に応じてファンインバータ出力値を補正するインバータ出力補正部４６とを備えている。

図４は空調機運転制御装置４の動作を示すフローチャートである。床吹出口給気圧力取得部４０は、全ての床吹出口１０の圧力計１１から床吹出口給気圧力計測値ＰＶを取得する（図４ステップＳ１）。
消費電力取得部４１は、全てのサーバラック２の電力計２０からサーバラック２の消費電力計測値Ｗを取得する（図４ステップＳ２）。
ラック上面温度取得部４２は、全てのサーバラック２の温度センサ２１からラック上面温度計測値Ｔを取得する（図４ステップＳ３）。

次に、床吹出口給気圧力算出部４３は、各サーバラック２の消費電力計測値Ｗからそれぞれサーバラック２に対応する床吹出口１０の床吹出口給気圧力目標値ＳＰを、予め定められた相関式により床吹出口毎に算出する（図４ステップＳ４）。ここで、サーバラック２に対応する床吹出口１０とは、サーバラック２の前面の空気取入口に近い床吹出口のことである。各サーバラック２と各床吹出口１０との対応関係は予め定義されている。このような定義は、サーバラック２や床吹出口１０の配置状況に応じて、設計者が予め定義しておけばよい。

また、相関式は、以下のようにして事前に求めておけばよい。まず、サーバラック２の消費電力計測値Ｗ（ＩＴ負荷）と必要な風量との関係は以下のように表すことができる。
Ｗ［ｋＷ］＝ρ［ｋｇ／ｍ³］×Ｆ［ｍ³／ｓ］×ｃ［ｋＪ／ｋｇＫ］×Ｔｄ［Ｋ］
・・・（１）
式（１）において、ρは空気の密度、Ｆは風量、ｃは空気の比熱、Ｔｄは温度差である。温度差Ｔｄは、サーバラック２に収納されるサーバの種別等によって決まる変数であり、既知の値である。

また、風量Ｆと床吹出口１０の開口面積Ｓから、ベルヌーイの定理により必要な床吹出口給気圧力目標値ＳＰを算出することができる。
Ｆ［ｍ³／ｓ］＝０．８３９×Ｓ［ｍ²］×√ＳＰ ・・・（２）
式（２）は、ベルヌーイの式から導入される一般式で、文献「ASHRAE Applocations Handbook Ch.51」で定義されている。空気の密度ρ、空気の比熱ｃ、温度差Ｔｄ、床吹出口１０の開口面積Ｓは既知の値なので、サーバラック２の消費電力計測値Ｗから床吹出口給気圧力目標値ＳＰを求める相関式を、式（１）、式（２）により定めることができる。

ゾーン定義部４４は、各サーバラック２の消費電力計測値Ｗに基づいて、各空調機３が冷却を担当する、サーバルーム１の分割領域であるゾーンを空調機毎に定義する（図４ステップＳ５）。複数のサーバが搭載されたサーバラック２の場合、サーバラック２の各サーバで消費される電力の殆どは熱に変わる。したがって、ゾーンを決定すれば、このゾーンに含まれるサーバラック２の消費電力から、ゾーン毎の消費電力、すなわちゾーン毎の空調負荷を算出することができる。

ゾーン定義部４４は、以下のようにしてゾーンを空調機毎に決定すればよい。まず、サーバラック２からみると、そのサーバラック２は最も大きい影響を受ける空調機３のゾーンに属していると考える。すなわち、空調機３からみると、単純にその空調機３が賄うサーバラック２の範囲を、その空調機のゾーンとする。そのため、ゾーンの決定は、空調機３とサーバラック２の配置によるところが大きい。例えば、空調機３Ａの前に１０台の密集したサーバラック２（負荷５０ｋＷ）が配置され、空調機３Ａから少し離れた空調機３Ｂの前に２台のサーバラック２（負荷２０ｋＷ）が配置されているとする。このとき、空調機３Ａと空調機３Ｂのゾーンは、それぞれの負荷が３５ｋＷ（７０÷２）となるようにするのではなく、単純に、空調機３Ａならば、その前の１０台のサーバラック２の範囲を空調機３Ａが担当するゾーンとし、空調機３Ｂならば、その前の２台のサーバラック２の範囲を空調機３Ｂが担当するゾーンとするというように、影響度の大きいところをゾーンとすればよい。なお、空調機３のゾーンが決定されると、各空調機３は、空調機の負荷率が均一になるように、ファン３０を使って風量を制御する（給気と還気の温度差を一定にする）。

次に、空調機ファン制御部４５は、床吹出口給気圧力計測値ＰＶとこれに対応する床吹出口給気圧力目標値ＳＰとの圧力偏差（ＰＶ−ＳＰ）をゾーン毎および床吹出口毎に算出する（図４ステップＳ６）。そして、空調機ファン制御部４５は、ゾーン内で最も圧力偏差が大きい床吹出口１０の床吹出口給気圧力計測値ＰＶをそのゾーンに対応する空調機３の制御量ＰＶ’とし、最も圧力偏差が大きい当該床吹出口１０の床吹出口給気圧力目標値ＳＰとの圧力偏差（ＰＶ’−ＳＰ）が零になるようにファンインバータ出力値をゾーン毎（空調機毎）に算出する（図４ステップＳ７）。

空調機ファン制御部４５は、空調機毎に算出したファンインバータ出力値をそれぞれ対応する空調機３のファン３０のモータに与えることにより、空調機３のファン回転数を制御する（図４ステップＳ８）。こうして、床吹出口給気圧力がゾーン毎（空調機毎）に制御される。

インバータ出力補正部４６は、ラック上面温度計測値Ｔと所定のラック上面温度目標値ＴＳＰ（例えば２７℃）とをゾーン毎およびサーバラック毎に比較して、ラック上面温度計測値Ｔとラック上面温度目標値ＴＳＰとの温度偏差（Ｔ−ＴＳＰ）が所定の範囲外の場合（図４ステップＳ９においてＹＥＳ）、温度偏差（Ｔ−ＴＳＰ）に応じて対応するゾーンのファンインバータ出力値を補正する（図４ステップＳ１０）。

具体的には、インバータ出力補正部４６は、ゾーン内で最も温度偏差が大きいサーバラック２のラック上面温度計測値Ｔをそのゾーンの代表的なラック上面温度計測値Ｔ’とし、温度偏差（Ｔ’−ＴＳＰ）に所定の係数を掛けた値を補正値として、この補正値を当該ゾーンのファンインバータ出力値に加えることでファンインバータ出力値を補正する。このとき、温度偏差（Ｔ’−ＴＳＰ）が正の場合には、上記所定の係数を正の値として、ファンインバータ出力値が増大（床吹出口給気圧力が増大）するように補正し、温度偏差（Ｔ’−ＴＳＰ）が負の場合には、上記所定の係数を負の値として、ファンインバータ出力値が減少（床吹出口給気圧力が減少）するように補正する。インバータ出力補正部４６は、このようなファンインバータ出力値の補正をゾーン毎（空調機毎）に行う。こうして、ラック上面温度計測値Ｔ’がラック上面温度目標値ＴＳＰと大きくずれている場合に、ラック上面温度計測値Ｔ’がラック上面温度目標値ＴＳＰと一致するように、ファンインバータ出力値を補正することができる。

空調機運転制御装置４は、以上のようなステップＳ１〜Ｓ１０の処理をサーバルーム１の空調制御が終了するまで（図４ステップＳ１１においてＹＥＳ）、一定時間毎に行う。
以上のように、本実施の形態では、各サーバラック２の消費電力計測値Ｗからそれぞれ対応する床吹出口１０の床吹出口給気圧力目標値ＳＰを算出し、各サーバラック２の消費電力計測値Ｗに基づいてゾーンを空調機毎に定義し、床吹出口給気圧力計測値ＰＶとこれに対応する床吹出口給気圧力目標値ＳＰとの圧力偏差をゾーン毎および床吹出口毎に算出し、ゾーン内で最も圧力偏差が大きい床吹出口１０の床吹出口給気圧力計測値ＰＶをそのゾーンに対応する空調機３の制御量とするようにしたので、個々のサーバに不足なく気流を供給することができると同時に、各床吹出口１０で給気圧力が必要最低限となる制御、すなわち搬送動力が必要最低限となる制御を実現することができ、エネルギー消費量を低減することができる。

また、本実施の形態では、床吹出口給気圧力目標値ＳＰをサーバラック２の消費電力計測値Ｗに基づいて決めるので、空調負荷の変動に対応した制御を実現することができる。また、本実施の形態では、ラック上面温度計測値Ｔと所定のラック上面温度目標値ＴＳＰとの温度偏差が所定の範囲外の場合に、この温度偏差に応じてファンインバータ出力値を補正するようにしたので、全てのサーバラック２の空気取入口付近の温度がラック上面温度目標値ＴＳＰ（例えば２７℃）程度になるようにすることができ、適正な温熱環境になるようにすることができる。

なお、各空調機３の下部には図示しない給気温度センサが設置され、各空調機３の上部には図示しない還気温度センサが設置されている。空調機運転制御装置４の図示しない温度制御部は、給気温度センサで計測された給気温度計測値が所定の給気温度目標値と一致するように、あるいは還気温度センサで計測された還気温度計測値が所定の還気温度目標値と一致するように、空調機３の図示しない熱交換器を流れる熱媒（冷水）の流量を制御する。温度制御部は、このような温度制御を空調機毎に行う。この温度制御については周知の技術であるので、詳細な説明は省略する。

本実施の形態で説明した空調機運転制御装置４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置及びインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。ＣＰＵは、記憶装置に格納されたプログラムに従って本実施の形態で説明した処理を実行する。

本発明は、サーバルームやデータセンタを冷却する技術に適用することができる。

１…サーバルーム、２…サーバラック、３…空調機、４…空調機運転制御装置、１０…床吹出口、１１…圧力計、１２…排気プレナム、１３…給気プレナム、２０…電力計、２１…温度センサ、４０…床吹出口給気圧力取得部、４１…消費電力取得部、４２…ラック上面温度取得部、４３…床吹出口給気圧力算出部、４４…ゾーン定義部、４５…空調機ファン制御部、４６…インバータ出力補正部。

Claims (2)

1. サーバを収納した複数のサーバラックとこのサーバラックを冷却する複数の空調機とが配置されたサーバルームにおける空調機運転制御装置であって、
   サーバルームの全ての床吹出口の圧力計から床吹出口給気圧力計測値を取得する床吹出口給気圧力取得手段と、
   全てのサーバラックの電力計からサーバラックの消費電力計測値を取得する消費電力取得手段と、
   各サーバラックの消費電力計測値からそれぞれ対応する床吹出口の床吹出口給気圧力目標値を算出する床吹出口給気圧力算出手段と、
   各サーバラックの消費電力計測値に基づいて、各空調機が冷却を担当する、サーバルームの分割領域であるゾーンを空調機毎に定義するゾーン定義手段と、
   前記床吹出口給気圧力計測値とこれに対応する前記床吹出口給気圧力目標値との圧力偏差をゾーン毎および床吹出口毎に算出し、ゾーン内で最も圧力偏差が大きい床吹出口の床吹出口給気圧力計測値をそのゾーンに対応する空調機の制御量とし、この制御量と当該床吹出口の床吹出口給気圧力目標値との圧力偏差に基づいて空調機のファンインバータ出力値をゾーン毎に算出する空調機ファン制御手段と、
   全てのサーバラックの温度センサからラック上面温度計測値を取得するラック上面温度取得手段と、
   前記ラック上面温度計測値と所定のラック上面温度目標値との温度偏差が所定の範囲外の場合に、この温度偏差に応じて対応するゾーンの前記ファンインバータ出力値を補正するインバータ出力補正手段とを備えることを特徴とする空調機運転制御装置。
2. サーバを収納した複数のサーバラックとこのサーバラックを冷却する複数の空調機とが配置されたサーバルームにおける空調機運転制御方法であって、
   サーバルームの全ての床吹出口の圧力計から床吹出口給気圧力計測値を取得する床吹出口給気圧力取得ステップと、
   全てのサーバラックの電力計からサーバラックの消費電力計測値を取得する消費電力取得ステップと、
   各サーバラックの消費電力計測値からそれぞれ対応する床吹出口の床吹出口給気圧力目標値を算出する床吹出口給気圧力算出ステップと、
   各サーバラックの消費電力計測値に基づいて、各空調機が冷却を担当する、サーバルームの分割領域であるゾーンを空調機毎に定義するゾーン定義ステップと、
   前記床吹出口給気圧力計測値とこれに対応する前記床吹出口給気圧力目標値との圧力偏差をゾーン毎および床吹出口毎に算出し、ゾーン内で最も圧力偏差が大きい床吹出口の床吹出口給気圧力計測値をそのゾーンに対応する空調機の制御量とし、この制御量と当該床吹出口の床吹出口給気圧力目標値との圧力偏差に基づいて空調機のファンインバータ出力値をゾーン毎に算出する空調機ファン制御ステップと、
   全てのサーバラックの温度センサからラック上面温度計測値を取得するラック上面温度取得ステップと、
   前記ラック上面温度計測値と所定のラック上面温度目標値との温度偏差が所定の範囲外の場合に、この温度偏差に応じて対応するゾーンの前記ファンインバータ出力値を補正するインバータ出力補正ステップとを含むことを特徴とする空調機運転制御方法。

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