JP6125836B2 - 冷水循環システム - Google Patents

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本発明は、空調に用いられる冷水を供給する冷水循環システムに関する。
冷水循環システムによって供給される冷水を冷熱として用いる中央熱源式の空調システムが広く用いられている。
上述の空調システムでは、冷水を供給する複数の熱源に一次戻りヘッダおよび一次送りヘッダがつながれ、一次ポンプによって冷水が一次戻りヘッダから熱源を介して一次送りヘッダに送られている。また、冷水を用いて空気を冷却する複数のAHU(エア・ハンドリング・ユニット)に二次送りヘッダおよび二次戻りヘッダがつながれている。一次送りヘッダと二次送りヘッダとの間には、冷水を一次送りヘッダから二次送りヘッダに送る二次ポンプが配置されている。この二次ポンプとしてはインバータ制御されるものが知られている。また、冷水は二次戻りヘッダから一次戻りヘッダに流入するように接続されている。
空調システムを循環する冷水の流量を制御する方法としては、上述の二次ポンプから吐出される冷水の圧力を所定の設定値に制御することにより、冷水の流量を制御する方法が知られている。その他にも、特許文献1や特許文献2に記載されているように、二次送りヘッダから送りだされる冷水の温度である送り温度と、二次戻りヘッダに流入する冷水の温度である戻り温度と、の間の温度差である主管温度差を所定値になるように、二次ポンプから送りだされる冷水の流量を制御する方法も知られている。
特許文献1および2の技術では、AHUで必要されている冷水流量のみを供給することになるため、冷水を搬送する動力を低減すること、言い換えると二次ポンプの消費電力を低減することができる。また、AHUにおける熱負荷が低下した場合であっても、送り温度と戻り温度との温度差を所定値に保つように冷水流量を制御するため、言い換えると、戻り温度が低下する場合であっても、戻り温度を上昇させる制御を行うため、熱源における運転効率を維持することができる。さらに、上述の制御を行うのに必要なセンサが温度センサのみであり、圧力センサは不要となることから、製造コストの低減を図ることができる。
特許第4406778号公報 特許第4333818号公報
AHUには、AHUが配置された室内から冷却する空気を吸い込み、冷却後の空気を室内に吹き出させるファンが設けられ、吸い込む空気の温度やAHUに供給される冷水の流量等に基づいてファンの回転周波数の制御が行われている場合がある。つまり、吸い込む空気の温度等が高くなった場合や、AHUに供給される冷水の流量が減少した場合には、ファンの回転周波数を増やすことにより、室内の温度を維持しやすくする制御が行われる場合がある。
特許文献1および2に記載された技術では、二次ポンプの消費電力を減らす制御が行われるにもかかわらず、空調システム全体の消費電力が増大してしまうおそれがあった。つ
まり、室内の温度が低くなった場合には、冷水を搬送する動力を低減して二次ポンプの消費電力を減らす制御が行われる。その一方で、供給される冷水の流量が減少するため、AHUではファンの回転周波数を増やす制御が行われ、AHUで消費される電力が増加する場合がある。すると、空調システム全体では消費される電力が増大するおそれがあるという問題があった。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、システム全体における電力消費を抑制することができる冷水循環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に、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の冷水循環システムは、屋外に配置され、冷水を所定温度に冷却する熱源と、屋内に配置され、前記冷水と熱交換して空気を冷却する空調機であるAHUと、動力インバータの運転周波数に応じた流量の前記冷水を前記熱源から前記AHUに送るポンプと、前記屋外における温度である外気温度を測定する外気温度測定部と、前記熱源における前記所定温度を制御する熱源制御部と、前記動力インバータの運転周波数を制御するポンプ制御部と、前記所定温度および前記運転周波数の少なくとも一方の設定を変更する変更部、前記所定温度および前記運転周波数の少なくとも一方の設定を変更した際における、少なくとも前記熱源、前記AHUおよび前記ポンプで消費される電力の合計である全体消費電力と、前記外気温度測定部により測定された外気温度とを対応付けて記憶する記憶部、および、該記憶部に記憶された前記全体消費電力および前記外気温度の対応付けに基づいて、前記外気温度測定部において測定された外気温度において、前記記憶部に記憶された設定の変更を行った場合に前記全体消費電力が減少するか否か判定し、前記全体消費電力が減少すると判定された場合には、前記記憶された設定の変更を選択する判定を行い、前記全体消費電力が増加すると判定された場合には、前記記憶された設定の変更と反対の変更を選択する判定を行う判定部、を備えた統合制御部と、が設けられていることを特徴とする。
本発明の冷水循環システムによれば、統合制御部によって冷水循環システムで消費される電力の削減を図るため、ポンプ制御部や熱源制御部などが単独で消費電力の削減を図る場合と比較して、消費電力の削減を図りやすくなる。例えば、ポンプ制御部等が単独で電力の削減を図る場合には、AHUでは逆に消費電力が増加して冷水循環システム全体での消費電力が増えることがある。これに対して、少なくとも熱源、AHUおよびポンプでの消費電力の合計である全体消費電力の削減を図る統合制御部を設けることにより、熱源、AHUおよびポンプのいずれかで消費電力が増加することを抑制でき、冷水循環システムで消費される電力の削減を図りやすくなる。
また、過去に所定温度や運転周波数を変更した際における全体電力の消費量の変化と、変更時の外気温度とを対応付けて記憶し、記憶した対応付け、および、現在の外気温度に基づいて所定温度や運転周波数の変更方法を選択することにより、冷水循環システムで消費される全体電力の消費量の削減を図りやすくなる。冷水循環システムの全体電力の消費量は外気温度の影響を受けやすく、外気温度によって全体電力の消費量を減らす所定温度等の変更方法が異なってくる。そのため、現在の外気温度と同等の外気温度と対応付けされた所定温度や運転周波数の変更方法を参照することにより、より全体電力の消費量の削減を図りやすくなる。
例えば、過去の所定温度や運転周波数の変更によって、全体電力の消費量が減少した場合には、同じ変更を行う制御を選択する。逆に、全体電力の消費量が増加した場合には、逆の変更を行う制御を選択することにより、さらに全体電力の消費量の削減を図りやすくなる。具体的には、所定温度を高くする変更や、運転周波数を下げる変更をした際に、全
体電力の消費量が増加した場合には、逆の変更である所定温度を低くする変更や、運転周波数を上げる変更を行う。
上記発明において前記記憶部には、前記全体消費電力、前記外気温度、および、前記設定を変更した時刻情報が対応付けて記憶され、前記判定部は、1日を複数の区分に区分けし、同一の区分けに属する対応付けに基づいて、前記外気温度測定部において測定された外気温度において、前記記憶部に記憶された設定の変更を行った場合に前記全体消費電力が減少するか否の判定を行うことが好ましい。
このように判定部において判定を行う際に、同一の区分けに属する対応付けに基づいて判定を行うことにより、さらに冷水循環システムにおける全体電力の消費量を抑制しやすくなる。冷水循環システムが設置される建物は熱容量を有しており、一日の時間帯によって建物が有する熱量が変化している。冷水循環システムにおける全体電力の消費量は、上述の建物が有する熱量の影響を受けるため、この熱量を考慮することにより全体電力の消費量を抑制しやすくなる。
例えば、午前と午後とを比較すると、建物が有する熱量は午後の方が大きい。そのため、外気温度が同じであっても、午前と午後とでは全体電力の消費量を抑制する制御の内容が異なってくる。上述のように同一の区分けに属する対応付けに基づいて採用する制御の内容を判定することにより、全体電力の消費量を抑制しやすくなる。なお、一日の区分けとしては、午前および午後の二つに区分けする方法や、朝、昼、夕方の三つに区分けする方法などを例示することができる。
上記発明において前記変更部は、前記所定設定温度よりも前記運転周波数を優先して変更し、前記運転周波数が最低閾値である場合は、前記所定設定温度を変更することが好ましい。
さらに上記発明において前記変更部は、前記屋内の湿度である室内湿度が設定閾値を超えた場合には、変更された前記所定設定温度の値を変更前の値に戻すことが好ましい。
このように運転周波数が最低閾値である最低周波数に到るまでは、所定設定温度よりも運転周波数を優先して変更し、運転周波数が最低閾値に到った後に、所定設定温度の変更を行うことにより、全体電力の消費量の削減を行いやすくなる。つまり、運転周波数を変更した場合と、所定設定温度と変更した場合とを比較すると、運転周波数を変更した場合の方が、全体電力の消費量における変化は早く現れる。
言い換えると、熱源とAHUとの間を循環する冷水の流量を制御するほうが、熱源から送り出される冷水の温度を制御するよりも、短時間で制御を行うことができる。そのため、全体電力の消費量を減らす制御の結果が短い期間でフィードバックされることになり、全体電力の消費量を削減する制御が行いやすくなるとともに、安定した制御を行うことができる。また、室内湿度が所定閾値を超えた場合には、一度変更された所定設定温度の値を変更前の値に戻すことにより、空調機の調湿能力が回復し、室内の環境維持を行いやすくなる。
上記発明において前記変更部は、前記AHUの状態を示す情報に基づいて算出された、前記AHUにおける前記空気を冷却する余剰能力を示す余裕度が、所定閾値以上である場合には、前記運転周波数を減らす設定を行い、前記余裕度が前記所定閾値未満である場合には前記運転周波数を増やす設定を行うことが好ましい。
このようにAHUの余裕度に基づいてポンプの制御を行うことにより、AHUによる空気を冷却する能力に余裕を確保することができる。その他に、余裕度が所定閾値以上であ
る場合には、ポンプから送り出される冷水の流量を減らす制御を行うため、ポンプの駆動に用いる動力を低減させることができる。さらに、ポンプから送り出される冷水の流量が減ることから、AHUから戻る冷水の温度が高くなりやすく、熱源における効率向上を図りやすくなる。
上記発明において前記屋内の温度である室内温度を測定する室内温度センサが設けられ、前記変更部は、前記室内温度が温度閾値を超えた場合に、前記運転周波数を増やす設定を行うことが好ましい。
このように室内温度が温度閾値であるワーニング閾値を越えた場合に、ポンプから送り出される冷水の流量を増やす制御を行うことにより、室内温度が温度閾値よりも温度の高い警報閾値を超えにくくなる。例えば、室内温度が警報閾値を超えてから冷水の流量を増やす制御を行うと、室内温度が警報閾値を超えてしまう。これに対して、室内温度が警報閾値よりも温度の低い温度閾値を越えてから冷水の流量を増やす制御を行うことにより、室内温度が警報閾値を超えにくくすることができる。
上記発明において前記変更部は、前記室内温度が前記温度閾値を超えた場合であっても、前記余裕度が前記所定閾値以上のときには、所定期間が経過した後に前記運転周波数を増やす設定を行うことが好ましい。
このように室内温度が温度閾値を超えても、余裕度が所定閾値以上である場合には、所定期間だけ時間的な間隔を設けて、その後に冷水の流量を増やす制御を行うことにより、ポンプの駆動に用いる動力を低減しやすくなる。例えば、所定期間だけ時間的な間隔を設けたことにより、室内温度が温度閾値を下回った場合には、冷水の流量を増やす制御は行われない。そのため、所定の期間を設けることなく冷水の流量を増やす場合と比較して、ポンプが無駄に駆動されることが抑制されることになる。
上記発明において前記変更部は、前記室内温度が前記温度閾値よりも温度が高い警報閾値を超えた場合には、前記所定温度をより温度が低い特定温度に変更する設定を行うことが好ましい。
このように室内温度が警報閾値を超えた場合には、熱源により冷却される冷水の目標温度を、直ちに所定温度よりも温度の低い特定温度に変更することにより、速やかに室内温度を警報閾値よりも低くすることができる。例えば、AHUが設けられた室内に配置される機器が、熱の影響を受けやすいIT機器などの電子機器である場合には、室内温度が警報閾値を超えた状態が長時間続くことは好ましくない。この場合に、冷水の目標温度を素早く特定温度に変更することにより、AHUによる空気の冷却能力を高めて室内温度を速やかに警報温度未満に下げることができ、熱による電子機器の不具合発生を抑制することができる。
上記発明において前記熱源、前記熱源から送り出された前記冷水が流入する送りヘッダ、および、前記熱源に流入する前記冷水を送り出す戻りヘッダを、前記冷水が流通可能に結ぶ一次冷水回路と、前記送りヘッダ、前記AHUおよび前記戻りヘッダを、前記冷水が流通可能に結ぶ二次冷水配管と、前記熱源から前記送りヘッダに前記冷水を送り出す一次ポンプと、が更に設けられ、前記ポンプは、前記熱源から前記送りヘッダに前記冷水を送り出す一次ポンプ、および、前記動力インバータの運転周波数に応じた流量の前記冷水を前記送りヘッダから前記AHUに送る二次ポンプを有することが好ましい。
上記発明において前記記憶部には、前記全体消費電力の代わりに前記AHUにおける冷却能力を前記全体消費電力で割って求められる係数であるCOPが記憶され、前記判定部
は、記憶部に記憶された前記COPおよび前記外気温度の対応付けに基づいて、前記外気温度測定部において測定された外気温度において、前記記憶部に記憶された設定の変更を行った場合に前記COPの値が増加するか否か判定し、前記COPの値が増加すると判定された場合には、前記記憶された設定の変更を選択する判定を行い、前記COPの値が減少すると判定された場合には、前記記憶された設定の変更と反対の変更を選択する判定を行うことが好ましい。
記憶部に記憶させる情報は上述の冷水循環システムにおける全体消費電力に関する情報であってもよいし、冷水循環システム全体における空調効率である成績係数(COP)であってもよい。なお、冷却能力は、AHUから流出する冷水と供給される冷水の温度差である冷水往還温度差ΔTと、AHUに供給される冷水の流量Qと、冷水の比熱比Cの掛け算(ΔT×Q×C)により求められる値である。COPは値が大きいほど効率が高いことを示している。
上記発明においてデータセンタの電子機器が収納される空間内に前記AHUが配置され、前記記憶部には、前記全体消費電力の代わりに前記前代消費電力および前記電子機器の消費電力の合計を、前記全体消費電力で割って求められる係数であるPUEが記憶され、前記判定部は、記憶部に記憶された前記PUEおよび前記外気温度の対応付けに基づいて、前記外気温度測定部において測定された外気温度において、前記記憶部に記憶された設定の変更を行った場合に前記PUEの値が減少するか否か判定し、前記PUEの値が減少すると判定された場合には、前記記憶された設定の変更を選択する判定を行い、前記PUEの値が増加すると判定された場合には、前記記憶された設定の変更と反対の変更を選択する判定を行うことが好ましい。
記憶部に記憶させる情報は上述の冷水循環システムにおける全体消費電力に関する情報であってもよいし、冷水循環システムが設置された建物におけるPUEであってもよい。なお、PUEとは、(冷水循環システム全体で消費される電力+冷却対象機器で消費される電力)/(冷却対象機器で消費される電力)により求められる係数である。冷却対象機器とは、冷水循環システムが設置された建物がデータセンタである場合には、IT機器などの電子機器を例示することができる。PUEは、値が小さいほど効率が高いことを示している。
このようにPUEやCOPに基づくことにより、全体消費電力に基づく場合と比較して、冷却対象機器などの発熱量に変動があってもより正確な判定を行うことができ、システム全体における電力消費を抑制しやすくなる。
本発明の冷水循環システムによれば、統合制御部によって冷水循環システムで消費される電力の削減を図ることにより、ポンプ制御部などが単独で消費電力の削減を図る場合と比較して、システム全体における電力消費を抑制しやすくなるという効果を奏する。また、過去に行った所定温度や運転周波数の変更による全体電力の消費量の変化および変更時の外気温度、並びに、現在の外気温度に基づいて所定温度や運転周波数の変更方法を選択することにより、システム全体における電力消費を抑制しやすくなるという効果を奏する。
本発明の一実施形態に係る空調システムの構成を説明する模式図である。 図1の統合コントローラ等を説明するブロック図である。 図1の空調システムにおける制御を説明するフローチャートである。 アラームに関する割り込み制御を説明するフローチャートである。 Hstep、PstepおよびTstepの関係を説明する概念図である。 ワーニングに関する割り込み制御を説明するフローチャートである。
この発明の一実施形態に係る冷水循環システムを備えた空調システムについて、図1から図5を参照して説明する。
本実施形態では、データセンタの空調に本発明に係る空調システム(冷水循環システム)1を用いた例に適用して説明する。なお、データセンタにはIT(情報技術)装置やICT(情報通信技術)装置を構成する多数のサーバやコンピュータなどの電子機器がフロアF内に配置されており、これらの電子機器から発生する大量の熱を処理するために、空調システム1が用いられる。
空調システム1には、図1に示すように、複数の熱源10と、一次送りヘッダ(送りヘッダ)11と、一次戻りヘッダ(戻りヘッダ)12と、一次ポンプ13と、一次冷水回路14と、熱源コントローラ(熱源制御部)15と、複数のAHU(エア・ハンドリング・ユニット)20と、AHUコントローラ25と、二次送りヘッダ(送りヘッダ)31と、二次戻りヘッダ(戻りヘッダ)32と、冷水主管(二次冷水配管)35と、二次ポンプ33と、ポンプコントローラ(二次ポンプ制御部)38と、統合コントローラ(統合制御部)41と、が主に設けられている。
熱源10は、AHU20において室内空気の冷却に用いられる冷水を供給するものである。より具体的には、AHU20において室内空気の熱を吸収して温度が高くなった冷水を冷却し、所定温度の冷水として再びAHU20に送り出すものである。熱源10としては、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器、およびファン部(図示せず)などを備えた空冷チラーなどの冷凍機を例示することができる。
なお、熱源10から供給される冷水は、室内空気と比較して温度の低い水との意味で冷水と表記しているものである。そのため室内空気の温度が高い場合には、一般的に温かいと感じられる温度の水(温水)が熱源10から供給されてもよい。さらに、本実施形態では、熱源10から供給される熱媒として水を用いた例に適用して説明してるが、水以外の熱媒を用いてもよく、熱を運搬する媒体である熱媒の種類を限定するものではない。
一次送りヘッダ11は、熱源10から送り出された冷水が流入し、二次送りヘッダ31へ冷水を供給するヘッダである。一次戻りヘッダ12は、二次戻りヘッダ32から冷水が流入し、熱源10へ冷水を送り出すヘッダである。
一次冷水回路14は、熱源10、一次送りヘッダ11および一次戻りヘッダ12を接続し、冷水が循環する流路を形成するものである。一次ポンプ13は、熱源10から一次送りヘッダ11へ冷水を吐出するポンプである。本実施形態では、一次ポンプ13が熱源10の内部に配置されている例に適用して説明するが、熱源10から独立して配置されていてもよく、配置位置を限定するものではない。
熱源コントローラ15は、図1および図2に示すように、CPU(中央演算処理ユニット)、ROM、RAM、入出力インタフェース等を有するマイクロコンピュータであり、熱源10および一次ポンプ13を制御するものであり、統合コントローラ41により制御されるものでもある。例えば、熱源10から送り出される冷水の温度を制御するものであり、一次ポンプ13から送り出される冷水の流量を制御するものである。
AHU20は、図1に示すように、熱源10から供給される冷水を用いて、サーバ等の熱によって温度が高くなったフロアの室内空気を冷却するものである。本実施形態では、
データセンタのフロアFに複数のAHU20が配置され、当該フロアFが複数設けられている例に適用して説明する。
AHU20には、熱源から供給される冷水の流量を調節する二方弁21と、AHU20により冷却されてフロアへ吹出される空気の温度を測定する吹出口温度センサ22と、が設けられている。AHU20としては、熱交換器であるコイル(図示せず)、当該コイルに室内空気を通風させるファン23などが主に設けられたものを例示することができる。
二次送りヘッダ31は、一次送りヘッダ11から冷水が流入し、AHU20に向けて冷水を供給するヘッダである。一次送りヘッダ11と二次送りヘッダ31との間に二次ポンプ33および戻り配管34が配置されている。二次ポンプ33は冷水を一次送りヘッダ11から二次送りヘッダ31に送り出すポンプであり、ポンプコントローラ38によって制御される動力インバータにより駆動されるポンプである。戻り配管34は、一次送りヘッダ11と二次送りヘッダ31との間をつなぎ、過剰に二次送りヘッダ31に送られた冷水を一次送りヘッダ11に戻す配管である。戻り配管34には、冷水の流量を調節する調節弁が設けられている。
二次戻りヘッダ32は、AHU20から戻ってきた冷水が流入し、一次戻りヘッダ12へ冷水を供給するヘッダである。冷水主管35は、二次送りヘッダ31、AHU20および二次戻りヘッダ32を接続し、冷水が流れる流路を形成するものである。冷水主管35における二次送りヘッダ31の近傍、および、二次戻りヘッダ32の近傍には、それぞれ二次ポンプ33から送り出される冷水の圧力を測定する圧力センサ36および冷水の流量を測定する流量センサ37が配置されている。
AHUコントローラ25は、図1および図2に示すように、CPU(中央演算処理ユニット)、ROM、RAM、入出力インタフェース等を有するマイクロコンピュータであって、AHU20におけるフロアの室内空気を冷却する冷却能力を制御するものであり、統合コントローラ41により制御されるものでもある。例えば、AHUコントローラ25は、ファン23の回転周波数や、二方弁21の弁開度を制御することにより、吹出口温度センサ22により測定される吹出し空気の温度を、予め定められた目標温度とする制御を行っている。本実施形態では一つのフロアFに一つのAHUコントローラ25が配置され、当該AHUコントローラ25は、フロアFに配置された全てのAHU20を制御する例に適用して説明する。
ポンプコントローラ38は、CPU(中央演算処理ユニット)、ROM、RAM、入出力インタフェース等を有するマイクロコンピュータであって、二次ポンプ33から送り出される冷水の流量を制御するものであり、統合コントローラ41により制御されるものでもある。より具体的には、動力インバータの運転周波数を制御することにより二次ポンプ33から送り出される冷水の流量を制御するものである。
なお、ポンプコントローラ38は、圧力センサ36および流量センサ37から入力された冷水の圧力および流量に基づいて、冷水の圧力が設定された圧力になるように二次ポンプ33から送り出される冷水の流量、または、冷水の吐出圧力の制御を行っている。
統合コントローラ41は、CPU(中央演算処理ユニット)、ROM、RAM、入出力インタフェース等を有するマイクロコンピュータであり、熱源コントローラ15、AHUコントローラ25およびポンプコントローラ38に制御信号を出力するものであり、空調システム1を統合的に制御するものである。ROM等に記憶されている制御プログラムは、CPUを変更部42および判定部43として機能させるものであり、ROM等を記憶部44として機能させるものである。なお、統合コントローラ41、ポンプコントローラ3
8、AHUコントローラ25および熱源コントローラ15による空調システム1の制御については後述する。
次に、上記の構成からなる空調システム1における制御について、図3から図6を参照しながら説明する。まず、図3を参照しながら空調システム1における通常運転時の制御について説明する。
空調システム1の運転が開始されると、統合コントローラ41の判定部43は、記憶部44に記憶されているアラームフラグに格納されている値が1であるか否かを判定する処理を実行する(S11)。アラームフラグの値が1であると判定された場合(YESの場合)には、統合コントローラ41は、再びS11の判定を行う。
アラームフラグの値が1でない、言い換えるとアラームフラグの値が0であると判定された場合(NOの場合)には、統合コントローラ41は消費電力および外気温度を記録する処理を実行する(S12)。消費電力は、少なくとも熱源10、AHU20および二次ポンプ33を含む空調システム1の全体で消費される電力量のことである。また、外気温度は、空調システム1が設置されたデータセンタの屋外であって、熱源10の近傍に配置された外気温度センサ(外気温度測定部)16によって測定される温度である。
例えば、統合コントローラ41は空調システム1の全体で消費される電力量、および、外気温度を記憶部44に記憶させる処理を、18:00から6:00までの期間内に、およそ10分の間隔をあけて繰り返し実行する。また、記憶部44に記憶される消費電力および外気温度には、測定された時刻の情報も付加された状態で記憶される。
消費電力および外気温度の記録処理が行われると、統合コントローラ41の判定部43は、AHUコントローラ25からワーニングが発報されているか否かの判定処理を実行する(S13)。ワーニングは、フロア温度センサ24により測定されたフロアFの室内温度がワーニング閾値を超えた場合にAHUコントローラ25または統合コントローラ41により発報される。なお、ワーニング閾値は、警報閾値よりも温度が低い閾値であり、警報閾値は、フロアFに配置された電子機器に影響を与えない室内温度の上限である。
ワーニングが発報されていると判定された場合(YESの場合)には、統合コントローラ41の変更部42はHstepを1stepアップさせる制御を実行する(S14)。Hstepは、図5に示すような圧力設定step(Pstep)および温度設定step(Tstep)を合わせた合算stepであり、記憶部44に記憶されたものである。
本実施形態では、Hstepの値が27から8までの間は、Tstepの値が8に固定され、Pstepの値のみがHstepの値と比例して変動している。Pstepの値が減少すると、Pstepの値に対応付けられた制御目標である二次ポンプ33から吐出される冷水の圧力の値も減少している。例えば、Hstep27にはPstep20が対応付けられており、この場合の圧力は2000kPaである。また、Hstep8にはPstep1が対応付けられており、この場合の圧力は200kPaである。吐出される冷水の圧力の値は、二次ポンプ33を駆動する動力インバータに運転周波数の目標周波数を変更することにより制御されている。
その一方で、Hstepの値が8から1までの間は、Pstepの値が1に固定され、Tstepの値のみがHstepに比例して変動している。Tstepの値が減少すると、Tstepの値に対応付けられた制御目標である熱源10から吐出される冷水の温度である所定温度は上昇している。例えば、Hstep8にはTstep8が対応付けられており、この場合の所定温度は10℃である。また、Hstep1にはTstep1が対応
付けられており、この場合の所定温度は17℃である。
その後、統合コントローラ41は所定期間の計測を行うタイマー処理を実行する(S15)。言い換えると、二次ポンプ33から吐出される冷水圧力の目標値(言い換えると運転周波数)、または、熱源から吐出される冷水温度の目標値である所定温度を変更してから空調システム1の状態が安定するまで、他の処理の実行を行わない制御が行われる。所定期間の計測が終了すると、統合コントローラ41は、再びS11に戻り上述の処理を繰り返し行う。
その一方で、ワーニングが発報されていないと判定された場合(NOの場合)には、統合コントローラ41の変更部42はHstepを1stepダウンさせる制御を実行し(S16)、消費電力および外気温度を記録する処理を実行する(S17)。
S17の処理はS12の処理と同様に、例えば、空調システム1の全体で消費される電力量、および、外気温度を記憶部44に記憶させる処理を、18:00から6:00までの期間内に、およそ10分の間隔をあけて繰り返し実行される。また、記憶部44に記憶される消費電力および外気温度には、測定された時刻の情報が付加されている。
S17の処理が終了すると、統合コントローラ41の判定部43は、空調システム1の全体で消費される電力量が減少したか否かを判定する処理を実行する(S18)。消費量がしたか否かの判定は、例えば、S12の処理で記憶された電力の消費量と、S17の処理で記憶された電力の消費量との間での比較により行われる。
より具体的には、同じ外気温度のときに取得された消費電力との間で比較が行われる。さらには、複数に区分けされた一日の区分け毎に消費電力の比較が行われる。例えば、午前に取得された消費電力の場合には、同じく午前に取得された消費電力、または、午後に取得された消費電力との間で比較が行われる。
空調システム1の全体で消費される電力量が減少したと判定された場合(YESの場合)には、統合コントローラ41の変更部42は、Hstepを1stepダウンさせる制御を実行する(S19)。つまり、S16におけるHstepを1stepダウンさせる制御の結果、空調システム1の全体で消費される電力量が減少しているため、S19においても同じ制御を行い、消費される電力量の削減を図っている。
その一方で、空調システム1の全体で消費される電力量が減少していないと判定された場合(NOの場合)には、統合コントローラ41の判定部43は、空調システム1の全体で消費される電力量が増加しているか否かを判定する処理を実行する(S20)。
空調システム1の全体で消費される電力量が増加していると判定された場合(YESの場合)には、統合コントローラ41の変更部42は、Hstepを2stepアップさせる制御を実行する(S21)。つまり、S16におけるHstepを1stepダウンさせる制御の結果、空調システム1の全体で消費される電力量が増加しているため、S21では逆の制御を倍の制御量で行い、消費される電力量の削減を図っている。
さらに、S20の判定処理において、空調システム1の全体で消費される電力量が増加していないと判定された場合(NOの場合)、S19の処理が終了した場合、および、S21の処理が終了した場合、統合コントローラ41は、S11に戻り上述の処理を再び実行する。
なお、S20においてNOと判定された場合とは、S18の判定処理の内容を併せて考
慮すると、空調システム1の全体で消費される電力量が減少していないと判定され(S18:NO)、かつ、消費される電力量が増加していないと判定された場合(S20:NO)であるため、全体電力の消費量が変化していないと判定された場合に相当する。
また、統合コントローラ41は上述の通常運転時の制御と並行して、次に説明するアラームに関する割り込み制御を実行している。
空調システム1の運転が開始されると、図4に示すように、統合コントローラ41の判定部43は、AHUコントローラ25からアラームが発報されているか否かの判定処理を実行する(S31)。アラームは、フロア温度センサ24により測定されたフロアFの室内温度が警報閾値を超えた場合に発報されるものである。アラームは、AHUコントローラ25または統合コントローラ41により発報される。
アラームが発報されていないと判定された場合(NOの場合)には、統合コントローラ41の判定部43は、故障したAHU20が存在するか否かを判定する処理を実行する(S32)。例えば、AHU20の状態をAHUコントローラ25が把握しており、統合コントローラ41はAHUコントローラ25からAHU20の状態を取得することにより、故障したAHU20が存在するかの判定処理を行う。
故障したAHU20が存在しないと判定された場合(NOの場合)には、統合コントローラ41は記憶部44に記憶されているアラームフラグの値を0に設定する処理を実行する(S33)。さらに統合コントローラ41の変更部42は、熱源コントローラ15を介して熱源10の吐出温度をデフォルト温度に設定する制御信号を出力する処理を実行する(S34)。言い換えると、熱源10から送り出される冷水の目標温度を、予め定められたデフォルト温度に変更する制御信号を出力する。デフォルト温度としては、統合コントローラ41または熱源コントローラ15に予め記憶されているものを例示することができる。
その一方で、S31においてアラームが発報されていると判定された場合(YESの場合)、または、S32において故障したAHU20が存在すると判定された場合(YESの場合)には、統合コントローラ41は記憶部44に記憶されているアラームフラグの値を1に設定する処理を実行する(S35)。
次いで統合コントローラ41の変更部42は、ポンプコントローラ38を介して二次ポンプ33から送り出される冷水の流量をデフォルト流量とする制御信号を出力する処理を実行する(S36)。つまり、S14や、S16や、S19や、S21の処理において二次ポンプ33から送り出される冷水の流量が、デフォルト流量から変更されている場合には、デフォルト流量に戻す制御が行われる。
その後、熱源コントローラ15を介して熱源10の吐出温度を非常時温度(特定温度)に設定する制御信号を出力する処理を実行する(S37)。言い換えると、熱源10から送り出される冷水の目標温度を非常時温度に設定する制御を実行する。非常時温度は、熱源10から送り出される冷水のデフォルトの目標温度よりも低い温度であり、予め統合コントローラ41または熱源コントローラ15記憶されている。
S34の吐出温度をデフォルト温度に設定する処理、または、S37の吐出温度を非常時温度に設定する処理が終了すると、統合コントローラ41はS31に戻り、上述の処理を繰り返し実行する。
さらに、統合コントローラ41は次にワーニングに関する割り込み制御を実行している。
空調システム1の運転が開始されると、図6に示すように、統合コントローラ41はAHUコントローラ25からワーニングが発報されているか否かの判定処理を実行する(S41)。ワーニングは、フロアFの室内温度がワーニング閾値を超えた場合に発報されるものであり、AHUコントローラ25または統合コントローラ41により発報される。ワーニングが発報されていないと判定された場合(NOの場合)には、再びS41に戻り、ワーニング発報の有無を判定する処理を実行する。
ワーニングが発報されていると判定された場合(YESの場合)には、統合コントローラ41は余裕度を算出する処理を実行する(S42)。余裕度は、次に記載する3つの計算式の少なくとも1つを用いて求められる。
1−(二方弁21の弁開度の平均値) ・・・(1)
1−[(ファン23の回転周波数/最大周波数)の平均値] ・・・(2)
(設定温度−計測温度)の平均値 ・・・(3)
ここで式(1)における二方弁21の弁開度は全閉を0とし全開を1とするものである。また、二方弁21の弁開度の平均値とは、フロアFに配置されたAHU20に対応する全ての二方弁21の平均値を例示することができる。その他にも、フロアF内に設けられた区画された複数の空調空間の一つに配置されたAHU20に対応する二方弁21の平均値であってもよい。
式(2)における最大周波数は、ファン23の最大回転周波数のことである。式(3)における設定温度はフロアFの室内温度の目標温度であり、計測温度はフロア温度センサ24によって測定された室内温度であり、設定温度−計測温度はフロアFにおける空気温度差を表している。
余裕度が算出されると、統合コントローラ41は余裕度に余裕があるか否かを判定する処理を実行する(S43)。例えば、余裕度が所定閾値以上であるか、所定閾値未満であるかを判定する処理を実行する。
ここで余裕度が上述の式(1)または式(2)を用いて算出されている場合の所定閾値としては、(AHU20の常用台数)/(AHU20の常用台数+AHU20の予備台数)から求められる値を例示することができる。ここで常用台数は、空調システム1における負荷に対応するために必要とされる最低限のAHU20の台数であり、予備台数は、空調システム1における温度調整能力の信頼性を確保するために予備で設けられるAHU20の台数である。
余裕度に余裕があると判定された場合(YESの場合)には、統合コントローラ41は記憶部44に記憶されているカウンタの値が0か否かを判定する処理を実行する(S44)。カウンタの値が0と判定された場合(YESの場合)には、統合コントローラ41は記憶部44に記憶されているカウンタの値を1に設定する処理を実行する(S45)。その後、統合コントローラ41は、所定期間Tの計測を行うタイマー処理を実行する(S46)。
その一方で、S43の判定で余裕度に余裕がないと判定された場合(NOの場合)、または、S44の判定でカウンタの値が0でないと判定された場合(NOの場合)には、統合コントローラ41は、二次ポンプ33から送り出される冷水の流量を1ステップ上げる制御を実行する(S47)。具体的には、統合コントローラ41は、ポンプコントローラ38を介して二次ポンプ33を駆動する動力インバータに運転周波数を1ステップ上げさせる制御信号を出力する。
冷水の流量を1ステップ上げた後、統合コントローラ41は記憶部44に記憶されているカウンタの値を0に設定する処理を実行する(S48)。
上記の構成の空調システム1によれば、統合コントローラ41によって空調システム1で消費される電力の削減を図るため、ポンプコントローラ38や熱源コントローラ15などが単独で消費電力の削減を図る場合と比較して、消費電力の削減を図りやすくなる。例えば、ポンプコントローラ38等が単独で電力の削減を図る場合には、AHU20では逆に消費電力が増加して空調システム1全体での消費電力が増えることがある。これに対して、少なくとも熱源10、AHU20および二次ポンプ33での消費電力の合計である全体消費電力の削減を図る統合コントローラ41を設けることにより、熱源10、AHU20および二次ポンプ33のいずれかで消費電力が増加することを抑制でき、空調システム1で消費される電力の削減を図りやすくなる。
また、過去に所定温度や運転周波数を変更した際における全体電力の消費量の変化と、変更時の外気温度とを対応付けて記憶し、記憶した対応付け、および、現在の外気温度に基づいて所定温度や運転周波数の変更方法を選択することにより、空調システム1で消費される全体電力の消費量の削減を図りやすくなる。空調システム1の全体電力の消費量は外気温度の影響を受けやすく、外気温度によって全体電力の消費量を減らす所定温度等の変更方法が異なってくる。そのため、現在の外気温度と同等の外気温度と対応付けされた所定温度や運転周波数の変更方法を参照することにより、より全体電力の消費量の削減を図りやすくなる。
例えば、過去の所定温度や運転周波数の変更によって、全体電力の消費量が減少した場合には、同じ変更を行う制御を選択する。逆に、全体電力の消費量が増加した場合には、逆の変更を行う制御を選択することにより、さらに全体電力の消費量の削減を図りやすくなる。具体的には、所定温度を高くする変更や、運転周波数を下げる変更をした際に、全体電力の消費量が増加した場合には、逆の変更である所定温度を低くする変更や、運転周波数を上げる変更を行う。
なお、記憶部44に記憶させる情報は上述の空調システム1における全体消費電力に関する情報であってもよいし、空調システム1全体における空調効率である成績係数(COP)であってもよいし、空調システム1が設置された建物におけるPUE(Power Usage Effectiveness)であってもよい。なお、PUEとは、(冷水循環システム全体で消費される電力+冷却対象機器で消費される電力)/(冷却対象機器で消費される電力)により求められる係数である。冷却対象機器とは、空調システム1が設置された建物がデータセンタである場合には、IT機器などを例示することができる。
判定部43において判定を行う際に、同一の区分けに属する対応付けに基づいて判定を行うことにより、さらに空調システム1における全体電力の消費量を抑制しやすくなる。空調システム1が設置される建物は熱容量を有しており、一日の時間帯によって建物が有する熱量が変化している。空調システム1における全体電力の消費量は、上述の建物が有する熱量の影響を受けるため、この熱量を考慮することにより全体電力の消費量を抑制しやすくなる。
例えば、午前と午後とを比較すると、建物が有する熱量は午後の方が大きい。そのため、外気温度が同じであっても、午前と午後とでは全体電力の消費量を抑制する制御の内容が異なってくる。上述のように同一の区分けに属する対応付けに基づいて採用する制御の内容を判定することにより、全体電力の消費量を抑制しやすくなる。なお、一日の区分けとしては、午前および午後の二つに区分けする方法や、朝、昼、夕方の三つに区分けする方法などを例示することができる。
運転周波数が最低周波数に到るまでは、所定設定温度よりも運転周波数を優先して変更し、運転周波数が最低周波数に到った後に、所定設定温度の変更を行うことにより、全体電力の消費量の削減を行いやすくなる。つまり、運転周波数を変更した場合と、所定設定温度と変更した場合とを比較すると、運転周波数を変更した場合の方が、全体電力の消費量における変化は早く現れる。
言い換えると、熱源10とAHU20との間を循環する冷水の流量を制御するほうが、熱源10から送り出される冷水の温度を制御するよりも、短時間で制御を行うことができる。そのため、全体電力の消費量を減らす制御の結果が短い期間でフィードバックされることになり、全体電力の消費量を削減する制御が行いやすくなるとともに、安定した制御を行うことができる。また、室内湿度が所定閾値を超えた場合には、一度変更された所定設定温度の値を変更前の値に戻すことにより、空調機の調湿能力が回復し、室内の環境維持を行いやすくなる。
AHU20の余裕度に基づいて二次ポンプ33の制御を行うことにより、AHU20による空気を冷却する能力に余裕を確保することができる。その他に、余裕度が所定閾値以上である場合には、二次ポンプ33から送り出される冷水の流量を減らす制御を行うため、二次ポンプ33の駆動に用いる動力を低減させることができる。さらに、二次ポンプ33から送り出される冷水の流量が減ることから、AHU20から戻る冷水の温度が高くなりやすく、熱源10における効率向上を図りやすくなる。
室内温度がワーニング閾値を越えた場合に、二次ポンプ33から送り出される冷水の流量を増やす制御を行うことにより、室内温度がワーニング閾値よりも温度の高い警報閾値を超えにくくなる。例えば、室内温度が警報閾値を超えてから冷水の流量を増やす制御を行うと、室内温度が警報閾値を超えてしまう。これに対して、室内温度が警報閾値よりも温度の低いワーニング閾値を越えてから冷水の流量を増やす制御を行うことにより、室内温度が警報閾値を超えにくくすることができる。
室内温度がワーニング閾値を超えても、余裕度が所定閾値以上である場合には、所定期間だけ時間的な間隔を設けて、その後に冷水の流量を増やす制御を行うことにより、二次ポンプの駆動に用いる動力を低減しやすくなる。例えば、所定期間だけ時間的な間隔を設けたことにより、室内温度がワーニング閾値を下回った場合には、冷水の流量を増やす制御は行われない。そのため、所定の期間を設けることなく冷水の流量を増やす場合と比較して、二次ポンプ33が無駄に駆動されることが抑制されることになる。
室内温度が警報閾値を超えた場合には、熱源10により冷却される冷水の目標温度を、直ちに所定温度よりも温度の低い特定温度に変更することにより、速やかに室内温度を警報閾値よりも低くすることができる。例えば、AHU20が設けられた室内に配置される機器が、熱の影響を受けやすいIT機器などの電子機器である場合には、室内温度が警報閾値を超えた状態が長時間続くことは好ましくない。この場合に、冷水の目標温度を素早く特定温度に変更することにより、AHU20による空気の冷却能力を高めて室内温度を速やかに警報温度未満に下げることができ、熱による電子機器の不具合発生を抑制することができる。
なお、上述の実施形態のように、空調システム1の全体で消費される電力を直接測定してもよいし、AHU20におけるファン23の回転数であるファン周波数から推定してもよいし、運転されているAHU20の台数から推定してもよく、消費電力を測定する方法を特に限定するものではない。
1…空調システム(冷水循環システム)、10…熱源、11…一次送りヘッダ(送りヘッダ)、12…一次戻りヘッダ(戻りヘッダ)、14…一次冷水回路、15…熱源コントローラ(熱源制御部)、16…外気温度センサ(外気温度測定部)、20…AHU、31…二次送りヘッダ(送りヘッダ)、32…二次戻りヘッダ(戻りヘッダ)、33…二次ポンプ、35…冷水主管(二次冷水配管)、38…ポンプコントローラ(二次ポンプ制御部)、41…統合コントローラ(統合制御部)、42…変更部、43…判定部、44…記憶部

Claims (9)

  1. 電子機器から発生する熱を処理する空調に用いられる冷水循環システムであって、
    屋外に配置され、冷水を所定温度に冷却する熱源と、
    屋内に配置され、前記冷水と熱交換して空気を冷却する空調機であるAHUと、
    動力インバータの運転周波数に応じた流量の前記冷水を前記熱源から前記AHUに送るポンプと、
    前記屋外における温度である外気温度を測定する外気温度測定部と、
    前記熱源における前記所定温度を制御する熱源制御部と、
    前記動力インバータの運転周波数を制御するポンプ制御部と、
    前記所定温度および前記運転周波数の少なくとも一方の設定を変更する変更部、
    前記所定温度および前記運転周波数の少なくとも一方の設定を変更する少なくとも前に、少なくとも前記熱源、前記AHUおよび前記ポンプで消費される電力の合計である全体消費電力と、前記外気温度測定部により測定された外気温度とを対応付けて記憶する記憶部と、
    当該記憶部に記憶された前記全体消費電力および前記外気温度の対応付けに基づいて、前記変更部により前記所定温度および前記運転周波数の少なくとも一方の設定の変更を行った後に取得された全体消費電力と、当該設定の変更を行った後に取得された全体消費電力が取得されたときと同じ外気温度に対応付けされた前記記憶部に記憶された前記全体消費電力とを比較し、当該設定の変更を行った後に取得された全体消費電力が減少したか否か判定し、
    以後に前記設定の変更を行う際に、前記全体消費電力が減少したと判定された場合には、前記設定の変更と同じ変更を選択する判定を行い、前記全体消費電力が増加したと判定された場合には、前記設定の変更と反対の変更を選択する判定を行う判定部、を備えた統合制御部と、
    前記屋内の温度である室内温度を測定する室内温度センサと、
    が設けられ、
    前記総合制御部は、前記設定の変更を行った後に取得された全体消費電力と、前記記憶部に記憶された全体消費電力とを比較する処理と並行して、前記AHUの状態を示す情報に基づいて算出された、前記AHUにおける前記空気を冷却する余剰能力を示す余裕度と所定閾値とを比較する処理を行い、前記余裕度が所定閾値未満である場合には前記運転周波数を増やす設定を割り込みして行い、
    更に、前記設定の変更を行った後に取得された全体消費電力と、前記記憶部に記憶された全体消費電力とを比較する処理、および、前記余裕度と前記所定閾値とを比較する処理と並行して、前記室内温度と温度閾値とを比較する処理を行い、前記室内温度が温度閾値を超え、かつ、前記運転周波数を減らす設定がされている場合には、前記運転周波数を増やす設定を割り込みして行うことを特徴とする冷水循環システム。
  2. 前記記憶部には、前記全体消費電力、前記外気温度、並びに、前記全体消費電力および前記外気温度の少なくとも一方が測定された時刻情報が対応付けて記憶され、
    前記判定部は、1日を複数の区分に区分けし、同一の区分けに属する対応付けに基づいて、前記設定の変更を行った後に取得された全体消費電力と、当該設定の変更を行った後に取得された全体消費電力が取得されたときと同じ外気温度に対応付けされた前記記憶部に記憶された前記全体消費電力とを比較し、当該設定の変更を行った後に取得された全体消費電力が減少したか否か判定を行うことを特徴とする請求項1記載の冷水循環システム。
  3. 前記変更部は、前記所定温度よりも前記運転周波数を優先して変更し、
    前記運転周波数が最低閾値である場合は、前記所定温度を変更することを特徴とする請求項1または2に記載の冷水循環システム。
  4. 前記変更部は、前記屋内の湿度である室内湿度が設定閾値を超えた場合には、変更された前記所定温度の値を変更前の値に戻すことを特徴とする請求項3記載の冷水循環システム。
  5. 前記変更部は、前記室内温度が前記温度閾値を超えた場合であっても、前記余裕度が前記所定閾値以上のときには、所定期間が経過した後に前記運転周波数を増やす設定を行うことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の冷水循環システム。
  6. 前記変更部は、前記室内温度が前記温度閾値よりも温度の高い警報閾値を超えた場合には、前記所定温度をより温度が低い特定温度に変更する設定を行うことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の冷水循環システム。
  7. 前記熱源、前記熱源から送り出された前記冷水が流入する送りヘッダ、および、前記熱源に流入する前記冷水を送り出す戻りヘッダを、前記冷水が流通可能に結ぶ一次冷水回路と、
    前記送りヘッダ、前記AHUおよび前記戻りヘッダを、前記冷水が流通可能に結ぶ二次冷水配管と、
    前記熱源から前記送りヘッダに前記冷水を送り出す一次ポンプと、が更に設けられ、
    前記ポンプは、前記熱源から前記送りヘッダに前記冷水を送り出す一次ポンプ、および、前記動力インバータの運転周波数に応じた流量の前記冷水を前記送りヘッダから前記AHUに送る二次ポンプを有することを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の冷水循環システム。
  8. 前記記憶部には、前記全体消費電力の代わりに前記AHUにおける冷却能力を前記全体消費電力で割って求められる係数であるCOPが記憶され、
    前記判定部は、記憶部に記憶された前記COPおよび前記外気温度の対応付けに基づいて、前記設定の変更を行った後に取得されたCOPと、当該設定の変更を行った後に取得されたCOPが取得されたときと同じ外気温度に対応付けされた前記記憶部に記憶された前記COPとを比較し、当該設定の変更を行った後に取得されたCOPが増加したか否か判定し、
    前記COPの値が増加すると判定された場合には、前記記憶された設定の変更を選択する判定を行い、前記COPの値が減少すると判定された場合には、前記記憶された設定の変更と反対の変更を選択する判定を行うことを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の冷水循環システム。
  9. データセンタの電子機器が収納される空間内に前記AHUが配置され、
    前記記憶部には、前記全体消費電力の代わりに前記全体全体消費電力および前記電子機器の消費電力の合計を、前記全体消費電力で割って求められる係数であるPUEが記憶され、
    前記判定部は、記憶部に記憶された前記PUEおよび前記外気温度の対応付けに基づいて、前記設定の変更を行った後に取得されたPUEと、当該設定の変更を行った後に取得されたPUEが取得されたときと同じ外気温度に対応付けされた前記記憶部に記憶された前記PUEとを比較し、当該設定の変更を行った後に取得されたPUEの値が減少したか否か判定し、
    前記PUEの値が減少すると判定された場合には、前記記憶された設定の変更を選択する判定を行い、前記PUEの値が増加すると判定された場合には、前記記憶された設定の変更と反対の変更を選択する判定を行うことを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の冷水循環システム。
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