JP6373706B2 - 空調システム - Google Patents

Description

本発明は、停電等、電力供給不安定時におけるデータセンター等の空調信頼性を確保する空調システム技術に関する。

従来、データセンターにおいては、ＩＣＴ装置及び空調機に対する電力供給品質（信頼度）を確保するため、非常用電源としてエンジン発電装置を装備している。
また、高レベルの信頼度が要求されるＩＣＴ装置については、要求信頼度に応じた容量（バックアップ時間）の無停電電源設備（ＵＰＳ）が設置されている。

一方、熱源機、空調機等については非常用発電装置のみの給電バックアップが一般的であるが、エンジン起動から安定運転までの間のサーバ室温度上昇が無視できない場合もあり得るため、これに備えて専用の蓄冷熱漕を備えるケースもある。
また、データセンターにおける非常用発電装置立ち上がりまでの間の最小限度の空調を確保を図るシステムとして、例えば潜熱蓄熱材を利用する技術が提案されている（特許文献１）。

図１２を参照して、上記文献による空調システム１００は、サーバー室１０４内に収容されるＩＣＴ装置１０５を冷房するシステムである。予めＩＣＴ装置の単位時間当たり発熱量を算出し、停電発生から非常用発電装置起動までの間のＩＣＴ装置１０５の総発熱量を予測する。そして、予測発熱量分の蓄冷熱容量を持った潜熱蓄熱材１０２を空調機１０１の冷風領域に置き、通常運転時に空調機１０１の冷風により潜熱蓄熱材１０２を凝固させておく。停電時には、ファン１０３を作動させて潜熱蓄熱材１０２に送風して融解させて、蓄冷熱を放出させることにより非常用発電装置起動までサーバー室１０４内を冷却するものである。

特開２０１２−２６６２０号公報

しかしながら、多数の高発熱ＩＣＴ装置を収容するデータセンターは、空調機設備スペースが狭隘であり、専用の蓄冷熱漕の設置スペースを確保することは困難なケースが多い。
また、潜熱蓄熱材を二重床等に設置するシステムについても、設備コスト、維持コストが大となるという問題がある。

上記課題に鑑み、本発明はデータセンター空調システムにおいて、既存の設備を利用でき、かつ、電力供給不安定時に空調信頼性を確保できる空調システムを提供するものである。本発明は以下の内容をその要旨とする。すなわち、本発明に係る空調システムは、
（１）熱源機で製造した冷水を、冷水循環配管を介して冷房対象空間に供給して、該冷房対象空間を冷房する空調システムにおいて、
非常用電源として、水冷式エンジン発電装置を備え、
該エンジン発電装置は、エンジン冷却水を循環供給するための冷却水漕を備え、かつ、
所定のシステム稼働条件において、該冷却水漕貯水の蓄冷熱を該冷房対象空間に供給可能に構成した、
ことを特徴とする。

「冷房対象空間」とは、例えばデータセンター・サーバー室等をいい、具体的にはサーバー室等に配設される室内空調機（ＡＨＵ）、ファンコイルユニット（ＦＣＵ）等が備える熱交換器を介して冷水と室内空気とを熱交換し、室内（冷房対象空間）を冷房する。

（２）上記（１）の発明において、非常用バッテリー(ＵＰＳ)をさらに備え、前記所定のシステム稼働条件が、停電時であって、かつ、前記エンジン発電装置の起動から安定運転に至るまでの間、であることを特徴とする。

（３）上記（１）の発明において、前記所定のシステム稼働条件時が、デマンドカット要求時であることを特徴とする。

（４）上記各発明において、前記冷水循環配管の冷水出口温度（Ｔｒ）が、前記冷却水漕貯水温度（Ｔｃ）より高い場合に、冷却水漕貯水の蓄冷熱を該冷房対象空間に供給するように構成したことを特徴とする。

（５）上記各発明において、通常運転時に、前記熱源機により前記冷却水漕内貯水を冷却可能に構成したことを特徴とする。

上記各発明によれば、専用の蓄冷熱漕や潜熱蓄熱材を装備することなく、停電発生等の緊急時にサーバ室冷房を確保することができる。

本発明の第一の実施形態に係る空調システム１の構成を示す図である。 空調システム１の通常運転時における冷水循環経路を示す図である。 同じく、停電時におけるエンジン発電装置３が定常運転状態に至るまでの冷水循環経路を示す図である。 空調システム１の給電系統を示す図である。 空調システム１の停電発生時における冷水供給制御フローを示す図である。 通常運転時の給電系統を示す図である。 ＵＰＳ９からの給電に切り替えられた状態の給電系統を示す図である。 冷却水槽４内の冷水による冷房に移行した状態の給電系統を示す図である。 エンジン給電に切り替えられた状態の給電系統を示す図である。 第二の実施形態に係る空調システム２０の構成を示す図である。 空調システム２０の停電発生時における冷水供給制御フローを示す図である。 第三の実施形態に係る空調システム３０の構成を示す図である。 第四の実施形態に係る空調システム４０の構成を示す図である。 空調システム４０の通常運転時における冷却水槽温度Ｔｃが閾値以下Ｔｈの場合の冷水循環経路を示す図である。 同じく、冷却水槽温度Ｔｃが閾値Ｔｈを超えた場合の冷水循環経路を示す図である。 従来の空調システム１００の構成を示す図である。

以下、本発明に係る空調システムの各実施形態について、図１（ａ）乃至１１（ｃ）を参照してさらに詳細に説明する。重複説明回避のため、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）
本実施形態は、停電発生時におけるサーバー室冷房維持の態様に関する。
＜空調システム構成＞
図１（ａ）を参照して、空調システム１は、冷水を製造する熱源機（チラー）２と、サーバー室７内に配置され、熱源機２から冷水の供給を受けてサーバラック６に収容される複数のＩＣＴ装置６ａを冷却する空調機（ＡＨＵ）５と、停電時に熱源機２及びＩＣＴ装置６ａに電力供給する非常用エンジン発電装置３と、エンジン発電装置３に冷却水を循環供給するための冷却水槽４を主要構成として備えている。

冷却水槽４には漕内貯蔵水を冷却するための冷却塔４ａが付設されており、エンジン排熱を回収して配管Ｗ５を介して冷却塔４ａに搬送し、冷水として配管Ｗ６を介して冷却水槽４に戻すように構成されている。
漕内の冷水は、循環ポンプＰ２及び冷水配管Ｗ３，Ｗ４を介して冷水配管Ｗ１，Ｗ２に合流し、停電時において後述の制御に従い、エンジン発電装置３の安定運転までの間、空調機５に供給可能に構成されている。

＜冷水循環及びサーバー室冷房＞
図１（ｂ）を参照して、通常運転時において熱源機２で作られた冷水は、冷水配管Ｗ１を経由して空調機５に供給され、サーバー室７の冷却が行われる。サーバー室７からの回収排熱は、冷水配管Ｗ２を経由して熱源機２に戻され、外気との熱交換により大気中に捨てられる。
空調機５は、機内に戻入される高温排気を熱交換器５ａ内で冷水と熱交換して冷気とし、送風ファン５ｂにより二重床７ａ空間に送出する。二重床７ａ空間を経てサーバー室７に送出される冷気は各サーバラック６に吸込まれ、各ＩＣＴ装置６ａを冷却して高温排気となり、再び空調機５に戻される。

＜給電系統構成＞
図２を参照して、空調システム１の給電系統は、商用電源８、非常用エンジン発電装置３、無停電電源装置（ＵＰＳ）９、停電時に熱源機２等への給電をエンジン発電装置３側に切り替える系統連係装置８ａ、同じくＩＣＴ装置６ａ等への給電をＵＰＳ９側に切り替える給電系統切替装置９ａ、これら各装置間を結ぶ電力ラインＥ１−Ｅ１０、により構成されている。

ＵＰＳ９はいずれも不図示のバッテリー、整流器、インバータを主要構成として備え、停電時には給電系統切替装置９ａの系統切り替えにより、ＩＣＴ装置６ａにバッテリー給電可能に構成されている。さらにＵＰＳ９は、停電時に空調機５の送風ファン５ｂ及び冷水配管Ｗ４経路中の主循環ポンプＰ１、補助循環ポンプＰ２に対しても給電可能に構成されている。
一方、熱源機２、冷却水槽４等については、系統連係装置８ａにより通常時は商用電源８側から給電を受け、停電時にはエンジン発電装置３側から給電を受けるように構成されている。

＜制御系統構成＞
空調システム１の停電時の給電制御は不図示の制御部の指令により行われ、後述するように停電時には温度センサＳ１，Ｓ２の計測値に基づき循環ポンプＰ２を稼働させて、エンジン発電装置３安定運転に至るまでの間の、サーバー室７冷房を可能とするよう構成されている。
＜停電時の冷水供給制御＞

空調システム１は以上のように構成されており、次に、空調システム１の冷房運転中に停電発生があった場合における冷水供給制御の態様について説明する。
図３を参照して、通常運転時には商用電源により全ての機器・装置に対して給電が行われている（Ｓ１０１）。停電発生があった場合（Ｓ１０２においてＹ）、エンジン発電装置３が起動する（Ｓ１０３）。この場合の給電系統は図４のように示される。
さらに給電系統切替装置９ａにより、ＩＣＴ装置６ａについては無瞬断でＵＰＳ９側からの給電に切り替えられる。循環ポンプＰ１、送風ファン５ｂについても同様である（Ｓ１０４）。これによりデータ処理は継続され、さらに冷水配管Ｗ１内の畜冷熱により応急的にサーバー室冷房が維持される。この場合の給電系統は図５のように示される。

この間、温度センサＳ１、Ｓ２により空調機５冷水出口温度（Ｔｒ）とエンジン冷却水槽４内温度（Ｔｃ）との比較が行われる（Ｓ１０５）。Ｔｒ＞Ｔｃの場合には（Ｓ１０５においてＹ）、冷却水槽４内の冷水を用いる方が効果的と判定され、循環ポンプＰ１を停止し、ＵＰＳ９からの給電により循環ポンプＰ２を運転開始する（Ｓ１０６）。この場合の給電系統は図６のように示される。これにより、冷却水系統については図１（ｃ）に示すように、冷却水槽４の蓄冷熱によりサーバー室冷房を維持する（Ｓ１０７）。
Ｓ１０５においてＮ、すなわちＴｒ≦Ｔｃの場合には、冷却水槽４内の冷水を用いることが効果的ではないため、冷水配管Ｗ１内の畜冷熱による冷房を継続する。

エンジン発電装置３の起動（Ｓ１０３）から定常運転状態に至るまでは（Ｓ１０８においてＮ）、ＵＰＳからの給電が継続される。Ｓ１０７においてＹ，すなわち定常運転状態に至った場合には、全ての装置類がエンジン給電に切り替えられる（Ｓ１０９）。この場合の給電系統は図７のように示される。
その後、電源復旧に至るまではエンジン給電が継続され（Ｓ１１０においてＮ）、電源復旧した場合には（Ｓ１１０においてＹ）、商用電源８による給電に戻される（Ｓ１１１）。

なお、本実施形態では冷房運転中に停電発生があった場合の冷水供給制御について説明したが、これに限らず例えばデマンドカット（ピーク電力抑制）実行の場合においても同様に対応することができる。なお、この場合にはエンジン発電装置３の起動はなく、空調機５冷水出口温度（Ｔｒ）＞エンジン冷却水槽４内温度（Ｔｃ）のときに、冷却水槽４の蓄冷熱によりサーバー室冷房を行う。
以下の各実施形態においても同様である。

（第二の実施形態）
次に、本発明の他の実施形態について説明する。図８を参照して、本実施形態に係る空調システム２０の構成が上述の空調システム１と異なる点は、エンジン冷却水槽の冷却機構である。すなわち、空調システム２０ではエンジン排熱を冷却塔により冷却するのではなく、熱源機２から循環供給される冷水との熱交換により冷却するものである。
すなわち、空調システム２０の冷却水槽２１は内部に熱交換器２１ａを、及び、冷水配管Ｗ１、Ｗ２と分岐・合流するＷ２０，Ｗ２１を備えている。このような構成により、エンジン排熱を回収し、さらに水漕内温度を所定温度以下に常時予冷可能としている。
その他の構成は上述の空調システム１と同様であるので、重複説明を省略する。

次に、空調システム２０停電発生の場合の電力供給及びサーバ室冷房の態様について説明する。図９を参照して、通常運転時には商用電源により全ての機器・装置に対して給電が行われている（Ｓ２０１）。さらに、冷却水槽２１内の水温を所定温度以下に維持するように、熱源機２からの冷水循環が行われている。

停電発生があった場合（Ｓ２０３においてＹ）、エンジン発電装置３が起動する（Ｓ２０４）。さらに給電系統切替装置９ａにより、ＩＣＴ装置６ａについては無瞬断でＵＰＳ９側からの給電に切り替えられる。循環ポンプＰ１、送風ファン５ａについても同様である（Ｓ２０５）。これによりデータ処理は継続され、さらに冷水配管Ｗ１内の畜冷熱により応急的にサーバー室冷房が維持される。

次いで循環ポンプＰ１を停止し、ＵＰＳ９からの給電により循環ポンプＰ２を運転開始する（Ｓ２０６）。これにより、冷却水系統については冷却水槽４の蓄冷熱によりサーバー室冷房を維持する（Ｓ２０７）。
Ｓ２０８以降のフローは上述の実施形態における図３のＳ１０８以降と同様である。

（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。図１０を参照して、本実施形態に係る空調システム３０の構成が上述の空調システム１，２０と異なる点は、エンジン冷却水槽の冷却機構である。すなわち、空調システム３０の冷却水槽３１は内部に熱交換器３２を備えており、冷水配管Ｗ３，Ｗ４に接続している。その他の構成は上述の空調システム１と同様であるので、重複説明を省略する。
このような構成により、停電発生等の非常時において、冷却水槽３１の水を直接循環させることなく、熱交換器３２を介して間接的に冷水配管Ｗ１，Ｗ２内の水と熱交換させるものである。
本方式の採用により、エンジン冷却水槽貯水の水質を冷水配管Ｗ１，Ｗ２内を流れる循環冷水と必ずしも同等に保つ必要がなく、直接循環供給方式と比較してメンテナンス・コスト面のメリットがある。
また、本方式では配管系統が密閉となるので、配管系統が開放される直接循環供給方式と比較して、搬送動力が少なくて済むというメリットもある。

（第四の実施形態）
さらに、本発明の他の実施形態について説明する。本実施形態は通常運転時にエンジン冷却水槽内の冷却水温度に対応して、冷水循環経路を変化させる態様に関する。
図１１（ａ）を参照して、本実施形態に係る空調システム４０の構成が上述の空調システム１等と異なる点は、エンジン冷却水槽４と戻り側冷水配管Ｗ２を結ぶ配管Ｗ４１を、冷水配管Ｗ４に加えさらに備えていることである。配管Ｗ４１経路中には開閉弁Ｖ４１が介装されている。また、配管Ｗ４経路中には開閉弁Ｖ４２、循環ポンプＰ４２が介装されている。さらに、冷水配管Ｗ２の配管Ｗ４、配管Ｗ４１の接続点４５，４６の間に、開閉弁Ｖ４３が介装されている。
その他の構成は上述の空調システム１と同様であるので、重複説明を省略する。

次に、本実施形態の通常運転時における冷水循環系統について説明する。運転中は温度センサＳ２により冷却水槽４内の水温Ｔｃが計測されている。
図１１（ｂ）を参照して、水温Ｔｃが所定の閾値（Ｔｈ）以下の場合には（Ｔｃ≦Ｔｈ）、開閉弁Ｖ４１，Ｖ４２閉、Ｖ４３開、循環ポンプ４１停止となる。これにより、熱源機２で製造された冷水は、同図太線の経路を循環する。この場合、冷却水槽４には戻り側冷水は通過しない。

図１１（ｃ）を参照して、水温Ｔｃが所定の閾値（Ｔｈ）を超えた場合には（Ｔｃ＞Ｔｈ）、開閉弁Ｖ４１，Ｖ４２開、Ｖ４３閉、循環ポンプ４１運転となる。これにより、戻り側冷水は冷却水槽４内を経由して熱源機２に戻される。
このような制御により、冷却水槽内温度を一定以下の低温に維持することができ、停電時にエンジン発電装置３が安定運転に至るまでの間のサーバー室７冷房維持能力のさらなる向上が可能となる。

なお、本実施形態においても上述の実施形態と同様に、冷却水槽内部に熱交換器を備え、冷却水槽の水を直接循環させることなく、熱交換器を介して間接的に冷水配管内の水と熱交換させる態様とすることもできる。

１、２０、３０，４０・・・・空調システム
２・・・・熱源機
３・・・・非常用エンジン発電装置
４、２１、３１・・・・エンジン冷却水槽
５・・・・空調機
５ａ・・・熱交換器
５ｂ・・・送風ファン
６ａ・・・ＩＣＴ装置
７・・・・サーバー室
８・・・・商用電源
Ｅ１〜Ｅ１０・・・・電力ライン
Ｐ１，Ｐ２、Ｐ４２・・・・循環ポンプ
Ｓ１，Ｓ２・・・・温度センサ
Ｖ４１〜Ｖ４３・・・・開閉弁

Claims (5)

1. 熱源機で製造した冷水を、冷水循環配管を介して冷房対象空間に供給して、該冷房対象空間を冷房する空調システムにおいて、
   非常用電源として、水冷式エンジン発電装置を備え、
   該エンジン発電装置は、エンジン冷却水を循環供給するための冷却水漕を備え、かつ、
   所定のシステム稼働条件において、該冷却水漕貯水の蓄冷熱を該冷房対象空間に供給可能に構成した、
   ことを特徴とする空調システム。
2. 非常用バッテリー(ＵＰＳ)を、さらに備え、
   前記所定のシステム稼働条件が、停電時であって、かつ、前記エンジン発電装置の起動から安定運転に至るまでの間、であることを特徴とする請求項1に記載の空調システム。
3. 前記所定のシステム稼働条件が、デマンドカット要求時であることを特徴とする請求項1に記載の空調システム。
4. 前記冷水循環配管の冷水温度（Ｔｒ）が、前記冷却水漕貯水温度（Ｔｃ）より高い場合に、冷却水漕貯水の蓄冷熱を前記冷房対象空間に供給するように構成したことを特徴とする請求項1乃至３のいずれかに記載の空調システム。
5. 通常運転時に、前記熱源機により前記冷却水漕内貯水を冷却可能に構成したことを特徴とする請求項1乃至４のいずれかに記載の空調システム。

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