JP6247127B2 - 外気冷房空調システムの運転制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、特にＩＣＴ装置を収容するデータセンター等において好適な、外気冷房空調システムにおける外気取入量制御技術に関する。

従来、業務用空調システムの分野では、省エネ性向上の見地から低温外気を積極的に室内に導入する外気冷房システムが提案されている（例えば、特許文献１、２）。
ＩＣＴ装置を収容するデータセンターで採用されている外気冷房システムにおいては、外気取り入れ有無の判断は、外気条件とＩＣＴ装置の許容温湿度条件との比較により行うことが一般的である。さらに、外気取り入れによりＩＣＴ装置が過剰に冷却される場合には、ＩＣＴ装置からの排気（還気）を取入外気に混合して空調機側に導入して、ＩＣＴ装置への供給空気温湿度を調整する。

この場合、外気取入量の調整は、外気取入用の送風機（以下、外気ファン）のインバーター制御により行われ、ＰＩＤ制御等による周波数調整により、空調機吸込温度を目標値に近づけるように運転制御される。

特開２００９−１９８０８９号公報 特開２０１０−６５９１２号公報

このようなデータセンターの外気冷房システムにおいて、さらにシステムの省電力化を図るため、空調機の処理熱量の低減化、空調機運転停止（圧縮機、送風機とも停止状態）及びサーモオフ（圧縮機停止、送風機稼働状態）の時間比率を高める工夫が必要となる。
また、外気温条件、冷房負荷条件によっては、空調機と外気ファンの両方を稼働させて外気取り入れするより、空調機単独稼働の方が省電力化の見地から効果的な場合もある。

また、取入外気全量を還気と混合する専用の混気室がないシステムにおいては、取入外気の吹出位置・方向・量・温度、空調機風量等により、空調機吸込温度が変化してしまい、サーモオフを狙った外気ファン制御が困難という問題がある。

さらに、外気温が十分に低い場合であっても、外気ファンのインバータ制御追随遅れにより、外気取入時に空調機がサーモオン条件に至る現象が発生すると、省電力化に反することとなる。。
また、上記外気ファンの制御追随遅れにより、ＩＣＴ装置等の動作保証を担保するため定められる温湿度管理範囲から逸脱するおそれもある。

本発明は、このような課題を解決するためのものであって、外気冷房空調システムにおいて、空調対象空間の要求温湿度条件を満たしつつ、システム全体の消費電力（空調機＋外気ファン）を最小化する外気ファン制御技術を提供する。
本発明は以下の内容をその要旨とする。すなわち、本発明に係る外気冷房空調システムの運転制御方法は、
（１）外気を空調室内に取り入れて、その一部又は全部を直接、又は、還気と混合して空調機を通過させた後に、空調対象空間に供給する外気冷房空調システムにおいて、
所定の冷房負荷に対して、空調機消費電力（Ｗｍ）と外気ファン消費電力（Ｗａ）との総消費電力（Ｗｔ＝Ｗｍ＋Ｗａ）を最小とするように、外気取入量（Ｇａ）を制御することを特徴とする。

（２）上記（１）において、混気室を備え、外気ファンにより取り入れた外気を全て空調機に導入する前記外気冷房空調システムにおいて、
所定の範囲で、複数の段階的な外気取入量条件（Ｇａ(i)：ｉ＝０〜ｎ）を設定し、
各外気取入量条件（Ｇａ(i)）について、
前記所定の冷房負荷に対応する空調機通過風量（Ｇｍ）及び還気温度（Ｔｅ）を想定して、質量バランス及び熱バランスに基づいて空調機入口温度（Ｔｉ(ｉ)）を演算し、
空調機消費電力（Ｗｍ(i)）を、空調機通過風量（Ｇｍ）、空調機入口温度（Ti(i)）及び空調機性能特性に基づいて演算し、
外気ファン消費電力（Ｗａ(i)）を、外気取入量（Ｇａ(i)）及び外気ファン性能特性に基づいて演算し、
総消費電力（Ｗｔ(i)＝Ｗａ(i)＋Ｗｍ(i)）が最小となる外気取入量条件により外気ファンの運転を行う、ことを特徴とする。

（３）上記（１）において、混気室を備え、外気ファンにより取り入れた外気を全て空調機に導入する前記外気冷房空調システムにおいて、
所定の範囲で、複数の段階的な空調機入口温度条件（Ｔｉ(i)：ｉ＝０〜ｎ）を設定し、
各空調機入口温度条件（Ｔｉ(i)）について、
前記所定の冷房負荷に対応する空調機通過風量（Ｇｍ）及び還気温度（Ｔｅ）を想定して、質量バランス及び熱バランスに基づいて外気取入量条件（Ｇａ(i)）を演算し、
空調機消費電力（Ｗｍ(i)）を、空調機通過風量（Ｇｍ）、空調機入口温度（Ti(i)）及び空調機性能特性に基づいて演算し、
外気ファン消費電力（Ｗａ(i)）を、外気取入量（Ｇａ(i)）及び外気ファン性能特性に基づいて演算し、
総消費電力（Ｗｔ(i)＝Ｗａ(i)＋Ｗｍ(i)）が最小となる外気取入量条件により運転を行う、ことを特徴とする。

（４）上記（１）において、取り入れた外気の一部を空調機に導入する前記外気冷房空調システムにおいて、
外気取入量（Ｇａ(i)）、空調機風量（Ｇｍ(j)）を、それぞれ段階的に変化させて、各外気取入量条件（Ｇａ(i)）及び空調機風量（Ｇｍ(j)）条件で運転し、
取入外気のうちの空調機に取り込まれる割合（外気影響係数：α）を、質量バランス及び熱バランスに基づいて演算し、
各外気取入量条件に対するデータ群［α(i,j)、Ｇａ(i)，Ｇｍ(j)，Ｔｅ(i,j)］を、所定のデータベース（ＤＢ−α）に蓄積する、ことを特徴とする。

（５）上記（４）において、前記データベース（ＤＢ−α）が蓄積された段階において、
それぞれ所定の範囲で、複数の段階的な外気取入量条件（Ｇａ(i)：ｉ＝０〜ｎ）、及び、空調機風量条件（Ｇｍ(j)：ｊ＝０〜ｓ）を設定し、
各設定条件（Ｇａ(i)、Ｇｍ(j)）、及び、前記所定の冷房負荷に対応する還気温度（Ｔｅ）に対応する外気影響係数αを、前記データベース（ＤＢ−α）から取得し、
質量バランス及び熱バランスに基づいて、空調機入口温度（Ti(i，ｊ)）を取得し、
空調機消費電力（Ｗｍ(i，ｊ)）を、空調機通過風量（Ｇｍ）、空調機入口温度（Ti(i，ｊ)）及び空調機性能特性に基づいて演算し、
外気ファン消費電力（Ｗａ(i)）を、外気取入量（Ｇａ(i)）及び外気ファン性能特性に基づいて演算し、
総消費電力（Ｗｔ(i，ｊ)＝Ｗａ(i)＋Ｗｍ(i，ｊ)）が最小となる外気取入量条件により外気ファンの運転を行う、ことを特徴とする。

（６）外気を空調対象室内に取り入れて、その一部又は全部を還気と混合して空調機を通過させた後に、又は、直接に、室内に供給する外気冷房空調システムにおいて、
空調対象室に要求される所定の温湿度条件を満たすことを前提として、
外気取入運転、又は、空調機単独運転のうち、総消費電力の少ない方で運転を継続することを特徴とする。

（７）外気を空調室内に取り入れて、その一部又は全部を直接、又は、還気と混合して空調機を通過させた後に、空調対象空間に供給する外気冷房空調システムにおいて、
外気取入量の制御を空調機入口温度目標値の管理により行うものであり、
該目標値を標準温度（Ts０）に設定したときに、空調機サーモオン条件が発生する場合には、
第一段階として、該目標値を標準温度（Ts０）より十分低い暫定目標温度（Ts１）に設定し、
最終的に、標準温度（Ts０）と暫定目標温度（Ts１）の間の温度であって、常時サーモオフ状態維持可能な最終目標温度（Ts２）に設定する、ことを特徴とする。

上記各発明によれば、空調システム全体（空調機+外気ファン）の消費電力を最小化する外気ファンの運転条件を求めることができ、省電力化を向上させることができる。
また、混気室を備えたシステムにあっては、最も消費電力を低減可能な外気ファンの運転状態を演算により決定できるため、例えばデータセンターに本システムを適用した場合、フィードバック制御で外気ファンを動作させる場合と比較して、ＩＣＴ装置に対する信頼性を向上させることができるという効果がある。

また、混気室を備えないシステムにあっては、、実測に基づく外気影響係数に基づいて空調機吸込み温度を算出するため、実際の気流性状を考慮した正確な外気取入量の演算が可能になるという効果がある。

また、外気取入量の制御を空調機入口温度目標値の管理により行う発明にあっては、制御対象が振動する（目標値を行ったり来たりする）場合も、空調機のサーモオフ状態を継続させることができ、更なる消費電力低減が可能になるという効果がある。
また、外気ファンの稼働前に管理範囲を逸脱する状態になることを予測し、適切な運転状態を判断することができるため、温熱環境面でのＩＣＴ装置に対する信頼性が向上するという効果がある。

第一の実施形態に係る外気取入空調システム１の構成を示す図である。 第一の実施形態（実施態様１−１）における外気取入運転制御フローを示す図である。 第一の実施形態における質量バランス、熱バランスを模式的に示す図である。 第一の実施形態（実施態様１−２）における外気取入運転制御フローを示す図である。 第一の実施形態の他の外気供給方式（壁吹出方式）に係る外気取入空調システム１’を示す図である。 第二の実施形態における外気取入空調システム２０の構成を示す図である。 第二の実施形態における質量バランス、熱バランスを模式的に示す図である。 第二の実施形態におけるαデータベース蓄積のための外気取入運転制御フローを示す図である。 αデータベース（ＤＢ−α）の内容を概念的に示す図である。 第二の実施形態におけるαデータベース蓄積後の外気取入運転制御フローを示す図である。 第二の実施形態における他の外気供給方式（床下吹出方式）に係る外気取入空調システム２０’の構成を示す図である。 第二の実施形態における他の外気供給方式（天井吹出方式）に係る外気取入空調システム２０”の構成を示す図である。 第三の実施形態に係る温湿度管理範囲Ｚを概念的に示す図である。 第三の実施形態における温湿度管理制御フローを示す図である。 第四の実施形態における空調機サーモオフ維持制御フローを示す図である。 外気ファンのインバータ制御の追随遅れによる、空調機のサーモオン条件発生現象を示す図である。 第四の実施形態において、空調機入口温度を、初期目標値Ts０から暫定目標値Ts1に変更したときの振幅曲線Ｃ０及びＣ１を示す図である。 同じく、空調機入口温度を、暫定目標値Ts１から最終目標値Ts２に変更したときの振幅曲線Ｃ１及びＣ２を示す図である。 第四の実施形態における空調機入口温度の時間的推移を示す図である。 第四の実施形態における空調機入口温度制御の他の態様を示す図である。 βデータベース（ＤＢ−β）の内容を概念的に示す図である。

以下、本発明に係る外気取入空調システムの運転制御方法の各実施形態について、さらに詳細に説明する。重複説明を避けるため、各図において同一構成には同一符号を用いて示している。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。
＜第一の実施形態＞
第一及び第二の実施形態は、外気取入のみでは冷房負荷を処理できない場合の、総消費電力最小化を目的とする外気ファン制御形態に関する。各実施形態は、混気室の有無、後述する外気影響係数αデータベース（以下、適宜ＤＢ−αという）蓄積の有無に対応して、表１の通り分類される。以下、それぞれについて順次説明する。

＜実施形態１−１＞
図１（ａ）を参照して、本実施形態に係る空調システム１は、機械室６内に設置される空調機３と、外気取入装置２と、ＩＣＴ装置５ａを収容するサーバラック５と、還気ダンパー４ａ、排気ダンパー４ｂと、システム全体の制御指令を行う制御部７と、を主要構成として備えている。
機械室６内部はサーバー室６ａと混気室６ｂに区画されており、さらに床パネル６ｄにより二重床空間６ｃが区画されている。サーバー室６ａ内には同一モジュールの複数のサーバラック５が横一列に並べられ、ラック列を形成している。各サーバラック内には、複数のＩＣＴ装置５ａが多段に格納されている。

外気取入装置２は、機械室壁面外気取入口２ｂに設けられ、外気塵埃を除去するフィルター２ｂと、外気を室内に取り入れない場合の屋外・隣室等からの空気流入遮断、及びフィルターｂ保護のためのダンパー２ｃと、インバータ制御により取入外気量を調整可能とする外気ファン２ａと、を主要構成として備えている。

空調機３（室内機）は、混気室６ｂ内に配設され、サーバー室６ａ側からの還気、又は／及び、外気取入装置２からの取入外気を冷却する蒸発器３ａと、冷気を室内に供給する送風機３ｂと、を主要構成として備えている。空調機３は、冷媒配管を介して室外機（いずれも図示せず）と接続されており、室外機側の凝縮器、圧縮機（いずれも図示せず）及び蒸発器３ａによる熱交換作用により排熱を屋外に放熱して、吸込み空気を冷却してサーバー室６ａ側に供給するように構成されている。なお、後述するように外気条件に対応して、外気のみ、還気のみ、（外気＋還気）が空調機３を経由して供給される。
なお本実施態様では、外気は混気室６ｂに取り入れられるため、全量が排気と混気されて、又は、直接、空調機３に導入されることになる。

空調機３から供給される冷気は、各ＩＣＴ装置５ａに付設される冷却ファン（図示せず）により前面側から吸気されて、ＩＣＴ装置５ａを冷却して高温排気となり、背面側から排出される。排気は、還気ダンパー４ａを経由して混気室６ｂ側に還気される。

制御部７は、外気温度Ｔａ、空調機入口温度Ｔｉ、空調機出口温度Ｔｏ、ＩＣＴ装置排気温度Ｔｅをそれぞれ計測する温度センサＳ１〜Ｓ４等の計測値に基づいて、外気ファン２ａに対して後述する取入空気量の制御指令を可能に構成されている。
さらに制御部７には、後述する外気影響係数αデータベース、外気ファン２ａ及び送風機３ｂの周波数−風量特性テーブル、風量−機外静圧特性テーブル、外気ファン２ａ及び圧縮機の周波数−消費電力特性テーブル、圧縮機の成績係数・周波数−冷房出力特性テーブル、等の性能特性テーブルを備えている。さらに空気線図テーブル等、後述する各フロー中の該当ステップにおいて必要な演算を行うためのデータ、プログラム類が格納されている。

空調システム１は以上のように構成されており、次に図１（ｂ）を参照して本実施態様における省電力運転制御方法について説明する。
制御開始に伴い外気温度Ｔａが外気取入運転の閾値温度（Ta_min）以下か否かを判定する（Ｓ１０１）。Ｔａ＞Ta_minの場合には（Ｓ１０１においてＮ）、外気取入による冷房効果なしと判定し、外気取入を行うことなく空調機単独運転となる（Ｓ１１２）。一方、Ｔａ≦Ta_minの場合には（Ｓ１０１においてＹ）、外気取入運転制御となる。

次いで以下の最適外気取入量判定ステップ（Ｓ１０２〜Ｓ１１０）を実行する。まず、任意の繰り返し回数ｎを指定し（Ｓ１０２）、ｉ＝０〜ｎについて以下の演算を行う。
外気取入量Ｇａを適宜Ｇa_min〜Ｇa_maxの範囲で、次式により段階的に変化させる（Ｓ１０３）。
Ｇa(i)＝Ｇa_min＋(ｉ/ｎ)・(Ｇa_max−Ｇa_min) ・・・・（１・１）

次に、空調機入口温度Ｔｉの演算を行う（Ｓ１０４）。本実施態様では、取入外気は全て空調機側に導入されるため、質量バランス及び熱バランスは図１（ｃ）の通りとなり、Ｔｉは次式により示される。
なお、次式において空調機流量Ｇｍ、排気温度Ｔｅは、標準運転時における実績値を用い、定数として演算を行う。
Ｔi(i)＝（Ｔa×Ｇa＋（Ｇm−Ｇa）×Ｔe）／Ｇm ・・・（１・２）

さらに、空調機消費電力Ｗm(i)、外気ファン消費電力Ｗa(i)の演算を行う（Ｓ１０５、Ｓ１０６）。ここに、Ｗm(i)は、空調機３の性能特性を用いて求めることができる。また、Ｗa(i)は外気ファン２ａの運転特性を用いて求めることができる。
さらに、システム消費電力Ｗt(i)をＷt(i）＝Ｗm(i)＋Ｗa(i)により求め（Ｓ１０７）、データＡ(i)[Ｇa(i)、Ｗt(i)］を所定のアドレスに格納する（Ｓ１０８）。以上の操作をｉ≧ｎに至るまで繰り返し行う（Ｓ１０９、Ｓ１１０）。
演算終了後、データＡ(i)の中でＷt(i)が最小となるＧａとなるように、外気ファン２ａの周波数を調整して外気取入を行う（Ｓ１１１）。

＜実施形態１−２＞
次に、他の実施態様について説明する。本実施態様が上述の実施態様と異なる点は、最適外気ファン周波数の演算に際して、空調機入口温度Ｔｉの段階的変化に基づき求めることである。本実施態様の構成は上述の実施態様と同様であるので、重複説明を省略する。

次に図１（ｅ）を参照して本態様における省電力運転制御方法について説明する。Ｓ２０１、Ｓ２１２については上述の実施態様と同様であるので、重複説明を省略する。
次いで、以下の最適空調機入口温度を求める演算ステップ（Ｓ２０２〜Ｓ２１０）を実行する。まず、任意の繰り返し回数ｎを指定し（Ｓ２０２）、ｉ＝０〜ｎについて以下の演算を行う。なお、ｎは上述の実施態様と同一である必要はない。
Ｔｉを適宜Ti_min、Ti_maxの範囲で、次式により段階的に変化させる（Ｓ２０３）。
Ti(i)＝Ti_min＋(ｉ/ｎ)・(Ti_max−Ti_min) ・・・・（２・１）

次に、質量バランス、熱バランスに基づいて、次式によりＧａを演算する（Ｓ２０４）。
Ｇａ(i)＝[（Ｔｅ−Ti(i)）／（Ｔｅ−Tａ）]×Ｇｍ・・・・（２・１）

さらに、空調機消費電力Ｗm(i)、外気ファン消費電力Ｗa(i)の演算を行う（Ｓ２０５、Ｓ２０６）。さらに、システム消費電力Ｗt(i)をＷt(i）＝Ｗm(i)＋Ｗa(i)により求め（Ｓ２０７）、データＡ’(i)[Ｇa(i)、Ｗt(i)］を所定のアドレスに格納する（Ｓ２０８）。以上の操作をｉ≧ｎに至るまで繰り返し行う（Ｓ２０９、Ｓ２１０）。
演算終了後、データＡ’(i)の中でＷt(i)が最小となるＧａとなるように、外気ファン２ａの周波数を調整して外気取入を行う（Ｓ２１１）。

なお、本実施形態では取入外気を空調機３の送風機３ａにより二重床空間６ｃに供給する例を示したが、これに限らず例えば図１（ｅ）に示す外気取入空調システム１’の如く、外気ファン２ａによりダンパー１０ｂを介して、直接、サーバ室６ａに供給する態様とすることもできる。この場合、ラック５からの排気をダンパー１０ｃを介して外気ファン１７により吸込み、上記外気と混合してサーバ室６に供給することになる。
本態様によれば、空調機３の送風機３ｂが稼働不要となるため、さらなる省電電力化が可能となる。

＜第二の実施形態＞
次に図２（ａ）〜図２（ｇ）を参照して、本発明の他の実施態様について説明する。図２（ａ）を参照して、本実施態様に係る空調システム２０の構成が上述の実施態様に係る空調システム１と異なる点は、混気室を備えておらず、空調機３とサーバラック５が同一の室内２１ａに配設されていることである。その他の構成は上述の実施形態と同様であるので、重複説明を省略する。

混気室を備えていないため、取入外気の一部は空調機３に取り込まれることなく、室外に排出される。外気取入量のうち、空調機３に導入される割合（外気影響係数）をαとすると、各部における［温度、流量］は２（ｂ）に示す通りとなる。これより、質量バランス及び熱バランスに基づいて、次式により外気影響係数αを求めることができる。
α＝［(Ｔｉ−Ｔｅ)Ｇｍ］／［(Ｔａ−Ｔｅ)Ｇａ］ ・・・（３・１）

本実施形態においても、上述と同様のフローにより消費電力最小化制御を行うことになるが、Ｇｍの演算に際してαの値が既知であることが必要となる。
このため以下の手順に従いデータベース化して求める。

＜実施形態２−１＞
本実施態様は、α未知の場合のデータベース［Ｇａ，Ｇｍ，Ｔｅ，α］構築のための制御フローに関する。
最初に、外気取入量Ｇａ、空調機風量Ｇｍを段階的に変化させて、消費電力の演算を行うため、演算回数としてそれぞれ任意回数ｓ、ｎを指定する（Ｓ３０１、Ｓ３０２）。

次に、ｉ＝０〜ｎ、ｊ＝０〜ｓについて、それぞれ以下の運転操作を行う。
外気取入量ＧａをＧa_min〜Ｇa_maxの範囲で、次式により段階的に変化させて外気ファンを稼働させる（Ｓ３０３）。
Ｇa(i)＝Ｇa_min＋(ｉ/ｎ)・(Ｇa_max−Ｇa_min) ・・・（３・２）
さらに空調機風量ＧｍをＧm_min〜Ｇm_maxの範囲で、次式により段階的に変化させて、空調機を稼働させる（Ｓ３０４）。
Ｇm(ｊ)＝Ｇm_min＋(ｊ/ｓ)・(Ｇm_max−Ｇm_min) ・・・（３・３）

安定運転に至った段階でＧa(i)、Ｇm(ｊ)、Ｔｉ、Ｔａ，Ｔｅを取得し、（３・１）式によりαを求める（Ｓ３０５）。
（ｉ，ｊ）条件におけるα及びＧa(i)、Ｇm(ｊ)、ＴｅをＤＢ−αに格納する（Ｓ３０６）。
Ｓ３０３〜Ｓ３０６のステップを、それぞれｊ≧ｓ、ｉ≧ｎに至るまで繰り返し行う（Ｓ３０７〜Ｓ３１０）。
以上の操作により、図２（ｄ）に示すように各Ｇａ、Ｇｍ、Ｔｅ条件のときのα値を推定可能とするＤＢ−αの構築ができる。

＜実施形態２−２＞
さらに蓄積されたＤＢ−αを用いて、以下のフローに従い消費電力最小化運転制御を行うことができる。
最初に、外気取入量Ｇａ、空調機風量Ｇｍを段階的に変化させて、消費電力の演算を行うため、演算回数としてそれぞれ任意回数ｓ、ｎを指定する（Ｓ４０１、Ｓ４０２）。

次に、ｉ＝０〜ｎ、ｊ＝０〜ｓについて、それぞれ以下の運転操作を行う。
外気取入量ＧａをＧａ＿ｍｉｎ〜Ｇａ＿ｍａｘの範囲で、次式により段階的に変化させて外気ファンを稼働させる（Ｓ４０３）。
Ｇａ（ｉ）＝Ｇａ＿ｍｉｎ＋（ｉ／ｎ）・（Ｇａ＿ｍａｘ−Ｇａ＿ｍｉｎ） ・・・（３・２）
さらに空調機風量ＧｍをＧｍ＿ｍｉｎ〜Ｇｍ＿ｍａｘの範囲で段階的に変化させて、空調機を稼働させる（Ｓ４０４）。
Ｇｍ（ｊ）＝Ｇｍ＿ｍｉｎ＋（ｊ／ｓ）・（Ｇｍ＿ｍａｘ−Ｇｍ＿ｍｉｎ） ・・・（３・３）

安定運転に至った段階で、図２（ｄ）のＤＢ−αを用いてＧa(i)、Ｇm(ｊ)、Ｔｅ条件に対応するα値を抽出する（Ｓ３０５）。

次に、次式により空調機入口温度Ｔｉの演算を行う（Ｓ３０６）。
Ｔi(i,j)＝（Ｔa×αＧa(i)＋（Ｇm(j)−αＧa(i)）×Ｔe）／Ｇm
・・・（３・３）

さらに、上述の実施形態と同様にして空調機消費電力Ｗｍ（ｉ，ｊ）、外気ファン消費電力Ｗａ（ｉ，ｊ）の演算を行う（Ｓ１０５、Ｓ１０６）。さらに、システム消費電力Ｗｔ（ｉ）を求め（Ｓ１０７）、データ［Ｇａ（ｉ）、Ｗｔ（ｉ，ｊ）］を所定のアドレスに格納する（Ｓ１０８）。以上の操作をそれぞれｊ≧ｓ、ｉ≧ｎに至るまで繰り返し行う（Ｓ４０３〜Ｓ４１４）。
演算終了後、データ［Ｇａ（ｉ）、Ｗｔ（ｉ，ｊ）］中のＷｔ（ｉ，ｊ）が最小となるＧａに外気ファン２ａの周波数を調整して外気取入を行う（Ｓ４１５）。

なお、本実施形態では取入外気を空調機３の送風機３ａにより二重床空間６ｃに供給する例を示したが、これに限らず例えば図２（ｆ）に示す外気取入空調システム２０’の如く、外気フアン２５によりダンパー２６ａを介して、直接、二重床空間２１ｂに供給する態様とすることもできる。この場合、ラック５からの排気をダンパー２６ｃを介して外気フアン１７により吸込み、上記外気と混合して二重床空間２１ｂに供給することになる。
本態様によれば、空調機２６の送風機２６が稼働不要となるため、さらなる省電力化が可能となる。

さらに、図２（ｇ）に示す外気取入空調システム２０”の如く、外気フアン２８によりダンパー２９ａを介して、天井裏空間２１ｃに供給し、さらにサーバ室２1ａに供給する態様とすることもできる。この場合、ラック５からの排気は空調機２７の送風機２７ａにより、ダンパー２９ｂを介して上記外気と混合して天井裏空間２１ｃに供給することになる。本態様は、外気取入空調システム２０’において、二重床空間６ｃにダンパー２６ａを取り付けるための十分なスペースが確保できない場合に、特に有効となる。
＜第三の実施形態＞
さらに、本発明の他の実施形態について説明する。本実施形態は、空調機出の冷気をＩＣＴ装置の許容温湿度範囲内に管理すべく、外気条件に応じて外気取入量を調整する形態に関する。本実施形態の構成が第一の実施形態と異なる点は、外気及び空調機出冷気の相対湿度を取得可能とする湿度センサを備えていることである。さらに、制御部７内に図４（ａ）に示すＩＣＴ装置の許容温湿度範囲に該当する管理テーブルを備えていることである。その他の構成は上述の実施形態と同様であるので、重複説明を省略する。

以下、図３（ａ）の管理図の内容について説明する。ＩＣＴ装置５ａの動作保証条件に対応する許容温湿度範囲として、同図網掛部の温度範囲（Td_min〜Td_min）、相対湿度範囲（RH_min〜RH_min）で囲まれる管理範囲Ｚが定められているものとする。
同図において外気条件Ｘａ（相対湿度ＲＨａ、温度Ｔａ），排気条件Ｘｅ（ＲＨｅ、Ｔｅ）として、標準外気取入量のときの空調機入口における混合気条件Ｘｍとする。この混合気条件では、空調機による冷却（ΔＴ）により空調機出口における冷気条件はＸｃとなり、管理範囲Ｚから外れてしまう。この場合、取入外気量を減らして混合気条件をＸｍ’にすれば、空調機出口の冷気条件Ｘｃ’となり、管理範囲Ｚ内に収まることになる。

以下の制御フローは外気条件が上記管理範囲から外れた場合に、外気取入量変更の有無を電力消費量変化を考慮して判定する制御に関する。
図３（ｂ）を参照して、制御開始に伴い、上述の実施形態（１−１）により、外気取入量、冷房運転を行っている場合を想定する（Ｓ５０１）。
制御中は、空調機出冷気の温湿度条件が管理範囲Ｚ内にあるか否かを判定する（Ｓ５０２）。管理範囲Ｚ内にある場合には（Ｓ５０２においてＹ）、現状の外気取入量、空調機運転条件を維持して運転を継続する（Ｓ５０３）。

管理範囲Ｚから外れている場合には（Ｓ５０２においてＮ）、管理範囲Ｚ内となる外気取入量を演算により求める（Ｓ５０４）。
さらに、変更後の外気取入運転の場合の消費電力Ｗｃと、空調機単独運転の場合の消費電力Ｗｒとを演算により求め、両者を比較する（Ｓ５０５）。Ｗｃ＜Ｗｒの場合には（Ｓ５０５においてＹ）、外気取入による省エネ効果ありと判定して、当該外気取入量により運転を行う（Ｓ５０６）。また、Ｗｃ≧Ｗｒの場合には（Ｓ５０５においてＮ）、外気取入による省エネ効果なしと判定して、外気ファン２ａを停止して外気取入を行うことなく空調機単独運転とする（Ｓ５０７）。

＜第四の実施形態＞
さらに、図４（ａ）乃至図４（ｇ）を参照して、本発明の他の実施形態について説明する。本実施形態は、外気ファンインバータ制御の追随遅れにより、外気取入時に空調機がサーモオン条件に至ってしまう場合に（図４（ｂ）：ｘ１、ｘ２・・・参照）、空調機サーモオフを維持しつつ、さらなる省電力化を図るため、空調機入口温度目標値を段階的に変化させる外気取入量制御に関する。本実施形態の構成は空調システム１と同様であるので、重複説明を省略する。

次に、本実施形態における空調機入口の目標温度（以下、適宜、目標値という）の制御方法について説明する。図４（ａ）、４（ｃ）を参照して、制御開始段階において初期目標値Ts＝Ts０に設定して、外気ファン２ａの周波数制御を行っているものとする（Ｓ６０１）。なお、空調機３のサーモオン・オフ温度は、Ｔｔ（Ｔｔ＞Ts０）に設定されているものとする。

その設定条件で、所定時間サーモオフ状態を維持できるか否かを判定する（Ｓ６０２）。維持できる場合には（Ｓ６０２においてＹ）、初期目標値Ts０を維持して運転継続する。Ｓ６０２においてＮ、すなわち、図４（ｃ）の入口温度振幅曲線（Ｃ０）におけるｘ１、ｘ２・・・に示すように、サーモオン条件が発生する場合には、次のステップとして確実にサーモオフ維持可能な暫定目標値Ts１（＝Ts０−Ａ０）に目標温度を変更する（Ｓ６０３）。これにより、振幅曲線はＣ１のように低温側にシフトする。

その状態で、さらに所定時間サーモオフ状態維持が可能か否かを判定する（Ｓ６０４）。維持できない場合には（Ｓ６０４においてＮ）、サーモオフ状態維持に至るまで繰り返し、より大きなＡ０値に変更して運転を行う（Ｓ６０５）。
Ｓ６０４においてＹ、サーモオフ状態を維持できる場合には、空調機入口温度が収束に至った段階で（Ｓ６０６においてＹ）、さらなる省電力化を図るため以下のステップを行う。すなわち、暫定目標値Ts１は余裕度大に設定してあるため、運転状況に応じて余裕度を減らす操作に該当する。

図４（ｃ）の振幅曲線Ｃ１において、収束に至るまでの各振幅（ＴＬ１→ＴＨ１→ＴＬ２→ＴＨ２→・・・）につき、目標値Ts１に対するオーバーシュート率（以下、超過率βｊ）を求める（Ｓ６０７）。ここに、超過率βｊ（ｊ＝０〜ｎ（ｎは収束までの振幅回数））は次式で定義される。
βｊ＝Ａb_j／Ａa_j ・・・（４・１）
データ［βｊ，Ｔａ，Ｇｍ］をデータベースβ（ＤＢ−β）（図４（ｇ）参照）として、制御部７に格納する（Ｓ６０８）。

次いで現在（ｔ＝ｔ２）の外気温度Ｔａ(ｔ2)、空調機風量Ｇｍ(ｔ2)を取得し（Ｓ６０９）、さらにＤＢ-βにおいてＴａ(ｔ2)、Ｇｍ(ｔ2)条件に対応するβ値を抽出する（Ｓ６１０）。抽出したβ値を用いて、次式により目標温度をTs１→Ts２に変更する（Ｓ６１１）。ここにＡｕは、ｔ２における初期目標値Ts０と空調機入口温度Ｔｕとの温度差である。
Ts２＝Ts０−βＡｕ ・・・（４・２）
以上のステップにより、空調機入口温度Ｔｉの時間的推移は図４（ｅ）の如くとなり、サーモオフを維持しつつさらなる省電力化が可能となる。

なお本実施形態では（４・２）式により最終目標値を決定する例を示したが、これに替えて図４（ｆ）に示すように、暫定目標値Ts１のときの最大振幅最高温度ＴＨ１’と初期値Ts０との差γ＝Ts０−ＴＨ１’に対して、係数ｋ（＜１）を設定して次式により求める態様としてもよい。
Ts２’＝Ts０−ｋγ・・・（４・２）
これにより、空調機入口温度Ｔｉの時間的推移はＣ２’の如くとなり、上記態様と同様にサーモオフを維持しつつさらなる省電力化が可能となる。

本発明は、熱源、冷媒、空調方式、建築構造等の種類を問わず外気取入冷房空調システムに広く適用可能である。

１、１’、２０，２０’、２０”・・・・外気取入空調システム
２ａ・・・・外気ファン
３・・・・・空調機
６・・・・・機械室
６ａ・・・・サーバー室
６ｂ・・・・混気室
Ｇａ・・・・外気取入量
Ｇｍ・・・・空調機風量
Ｔａ・・・・外気温度
Ｔｅ・・・・装置排気温度
Ｔｉ・・・・空調機入口温度
Ｔｏ・・・・空調機出口温度
Ｗａ・・・・外気ファン消費電力
Ｗｍ・・・・空調機消費電力
Ｗｔ・・・・総消費電力

Claims (6)

1. 外気を空調室内に取り入れて、その一部を直接、又は、還気と混合して空調機を通過させた後に、空調対象空間に供給する外気冷房空調システムにおいて、
   前記空調室内に取り入れる外気の量である取入外気量（Ｇａ）を調整する外気ファンと、
   所定の冷房負荷に対して、空調機消費電力（Ｗｍ）と外気ファン消費電力（Ｗａ）との総消費電力（Ｗｔ＝Ｗｍ＋Ｗａ）を最小とするように、前記外気ファンを制御する制御部と、
   が設けられ、
   前記制御部は、
   前記外気ファンおよび前記空調機を制御することにより、外気取入量（Ｇａ（ｉ））、空調機風量（Ｇｍ（ｊ））を、それぞれ段階的に変化させて、各外気取入量条件（Ｇａ（ｉ））及び空調機風量（Ｇｍ（ｊ））条件で運転し、
   還気温度（Ｔｅ）を取得し、
   取入外気のうちの前記空調機に取り込まれる割合（外気影響係数：α）を、質量バランス及び熱バランスに基づいて演算し、
   各外気取入量条件に対するデータ群［α（ｉ，ｊ）、Ｇａ（ｉ），Ｇｍ（ｊ），Ｔｅ（ｉ，ｊ）］を、所定のデータベース（ＤＢ−α）に蓄積する、
   ことを特徴とする外気冷房空調システム。
2. 前記制御部は、
   請求項１において、前記データベース（ＤＢ−α）が蓄積された段階において、
   それぞれ所定の範囲で、複数の段階的な外気取入量条件（Ｇａ（ｉ）：ｉ＝０〜ｎ）、及び、空調機風量条件（Ｇｍ（ｊ）：ｊ＝０〜ｓ）を設定し、
   各設定条件（Ｇａ（ｉ）、Ｇｍ（ｊ））、及び、前記所定の冷房負荷に対応する還気温度（Ｔｅ）に対応する外気影響係数αを、前記データベース（ＤＢ−α）から取得し、
   質量バランス及び熱バランスに基づいて、空調機入口温度（Ｔｉ（ｉ，ｊ））を取得し、
   空調機消費電力（Ｗｍ（ｉ，ｊ））を、空調機通過風量（Ｇｍ（ｊ））、空調機入口温度（Ｔｉ（ｉ，ｊ））及び空調機性能特性に基づいて演算し、
   外気ファン消費電力（Ｗａ（ｉ））を、外気取入量（Ｇａ（ｉ））及び外気ファン性能特性に基づいて演算し、
   総消費電力（Ｗｔ（ｉ，ｊ）＝Ｗａ（ｉ）＋Ｗｍ（ｉ，ｊ））が最小となる外気取入量条件により前記外気ファンの運転を行う、
   ことを特徴とする外気冷房空調システム。
3. 外気を空調室内に取り入れて、その一部又は全部を直接、又は、還気と混合して空調機を通過させた後に、空調対象空間に供給する外気冷房空調システムにおいて、
   前記空調室内への外気の取入れを調整する外気ファンと、
   前記空調機の入口温度の目標値である空調機入口温度目標値の管理により前記外気ファンを制御する制御部と、
   が設けられ、
   前記制御部は、
   前記空調機入口温度目標値を標準温度（Ｔｓ０）に設定したときに、前記空調機が冷房運転を行う条件である空調機サーモオン条件が発生する場合には、
   前記空調機入口温度目標値を、標準温度（Ｔｓ０）より低い目標温度であって前記空調機サーモン条件が発生しない暫定目標温度（Ｔｓ１）に設定し、
   前記暫定目標温度（Ｔｓ１）に設定したときにおける、前記空調機の空気入口における入口温度の温度振幅の最低値（ＴＬｊ：ｊ＝０〜ｎ（ｎは収束までの振幅回数））および最高値（ＴＨｊ）の差（Ａａ＿ｊ）と、暫定目標温度（Ｔｓ１）および最高値（ＴＨｊ）の差（Ａｂ＿ｊ）と、に基づいた値である超過率（βｊ）であって、制御時（ｔ２）の外気温度（Ｔａ（ｔ２））および空調機風量（Ｇｍ（ｔ２））に対応する超過率（βｊ）と、前記標準温度（Ｔｓ０）と、制御時（ｔ２）における前記空調機の入口温度（Ｔｕ）に基づいて求められる最終目標温度（Ｔｓ２）に前記空調機入口温度目標値を設定することを特徴とする外気冷房空調システム。
4. 外気を空調室内に取り入れて、その一部又は全部を直接、又は、還気と混合して空調機を通過させた後に、空調対象空間に供給する外気冷房空調システムにおいて、
   外気取入量（Ｇａ（ｉ））、空調機風量（Ｇｍ（ｊ））を、それぞれ段階的に変化させて、各外気取入量条件（Ｇａ（ｉ））及び空調機風量（Ｇｍ（ｊ））条件で運転し、
   還気温度（Ｔｅ）を取得し、
   取入外気のうちの前記空調機に取り込まれる割合（外気影響係数：α）を、質量バランス及び熱バランスに基づいて演算し、
   各外気取入量条件に対するデータ群［α（ｉ，ｊ）、Ｇａ（ｉ），Ｇｍ（ｊ），Ｔｅ（ｉ，ｊ）］を、所定のデータベース（ＤＢ−α）に蓄積する、
   ことを特徴とする外気冷房空調システムの運転制御方法。
5. 請求項４において、前記データベース（ＤＢ−α）が蓄積された段階において、
   それぞれ所定の範囲で、複数の段階的な外気取入量条件（Ｇａ（ｉ）：ｉ＝０〜ｎ）、及び、空調機風量条件（Ｇｍ（ｊ）：ｊ＝０〜ｓ）を設定し、
   各設定条件（Ｇａ（ｉ）、Ｇｍ（ｊ））、及び、前記所定の冷房負荷に対応する還気温度（Ｔｅ）に対応する外気影響係数αを、前記データベース（ＤＢ−α）から取得し、
   質量バランス及び熱バランスに基づいて、空調機入口温度（Ｔｉ（ｉ，ｊ））を取得し、
   空調機消費電力（Ｗｍ（ｉ，ｊ））を、空調機通過風量（Ｇｍ（ｊ））、空調機入口温度（Ｔｉ（ｉ，ｊ））及び空調機性能特性に基づいて演算し、
   外気ファン消費電力（Ｗａ（ｉ））を、外気取入量（Ｇａ（ｉ））及び外気ファン性能特性に基づいて演算し、
   総消費電力（Ｗｔ（ｉ，ｊ）＝Ｗａ（ｉ）＋Ｗｍ（ｉ，ｊ））が最小となる外気取入量条件により前記外気ファンの運転を行う、
   ことを特徴とする外気冷房空調システムの運転制御方法。
6. 外気を空調室内に取り入れて、その一部又は全部を直接、又は、還気と混合して空調機を通過させた後に、空調対象空間に供給する外気冷房空調システムにおいて、
   外気取入量の制御を空調機入口温度目標値の管理により行うものであり、
   該目標値を標準温度（Ｔｓ０）に設定したときに、空調機サーモオン条件が発生する場合には、
   第一段階として、該目標値を標準温度（Ｔｓ０）より十分低い暫定目標温度（Ｔｓ１）に設定し、
   最終的に、標準温度（Ｔｓ０）と暫定目標温度（Ｔｓ１）の間の温度であって、常時サーモオフ状態維持可能な最終目標温度（Ｔｓ２）に設定する、
   ことを特徴とする外気冷房空調システムにおける外気取入量の制御方法。

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