JP6400978B2 - 熱媒体循環システム - Google Patents

Description

本発明は、熱源装置で生成された熱を熱媒体を介して移動させる熱媒体循環システムに関する。

例えば特許文献１に記載の熱媒体循環システムでは、熱源装置にて冷熱を生成し、当該冷熱にて冷却された冷水を空調機に循環させることにより、上記冷熱を冷却対象に移動ささせている。

特許第４３３３８１８号明細書

ところで、データセンター等の空調制御に高い信頼性が求められる建築物にあっては、室内に吹き出す空気の温度が急変すると、データセンターに設置された機器に悪影響を及ぼす可能性が高くなる。

本発明は、上記点に鑑み、高い信頼性が求められる空調機等に適した熱媒体循環システムを提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、熱を生成する熱源装置（７）を有し、当該熱を移動させる熱媒体を循環させる熱媒体循環システムにおいて、熱媒体と熱交換対象とを熱交換する熱交換器（５Ａ）と、熱交換器（５Ａ）で発生する熱交換能力を調整する能力調整装置（５Ｂ、５Ｃ、Ｐ２、Ｐ３、７Ｃ、７Ｄ）と、能力調整装置（５Ｂ、５Ｃ、Ｐ２、Ｐ３、７Ｃ、７Ｄ）にて調整可能な最大熱交換能力と現実の熱交換能力との差に関するパラメータ（以下、「余裕度（Ａ）」という。）を演算する余裕度演算部（１０）と、余裕度（Ａ）を予め決められた値以上に維持した状態で能力調整装置（５Ｂ、５Ｃ、Ｐ２、Ｐ３、７Ｃ、７Ｄ）の作動を制御する制御部（１０）とを備えることを特徴とする。

これにより、本発明では、余裕度（Ａ）が予め決められた値以上に維持された状態で能力調整装置（５Ｂ、５Ｃ、Ｐ２、Ｐ３、７Ｃ、７Ｄ）の作動が制御されるので、高い信頼性を担保することが可能な熱媒体循環システムを得ることができ得る。

因みに、上記各手段等の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段等との対応関係を示す一例であり、本発明は上記各手段等の括弧内の符号に示された具体的手段等に限定されるものではない。

本発明の実施形態に係る空調システムの概要を示す図である。 本発明の実施形態に係る空調システムの制御系の概要を示す図である。 本発明の実施形態に係る冷却塔７Ｂの説明図である。 段階制御モード時における冷却水循環量の変化を示す図である。 本発明の第１実施形態における段階制御モードを示すフローチャートである。 消費電力と冷却水量との関係を示す図である。 冷却水最適流量と熱源機７Ａの負荷率との関係等を示す図である。 本発明の第２実施形態における段階制御モードを示すフローチャートである。 本発明の第３実施形態の特徴を示すフローチャートである。 本発明の第４実施形態の特徴を示すフローチャートである。 本発明の第５実施形態に係る段階制御モードを示すフローチャートである。 本発明の第６実施形態に係る段階制御モードを示すフローチャートである。 本発明の第７実施形態に係る段階制御モードを示すフローチャートである。

以下に説明する「発明の実施形態」は実施形態の一例を示すものである。つまり、特許請求の範囲に記載された発明特定事項等は、下記の実施形態に示された具体的手段や構造等に限定されるものではない。

以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。なお、少なくとも符号を付して説明した部材又は部位は、「複数」や「２つ以上」等の断りをした場合を除き、少なくとも１つ設けられている。

（第１実施形態）
１．空調システムの構成
１．１ 空調システムの概要
本実施形態は、サーバ室や通信機器室等の空調を行う空調システムに本発明に係る熱媒体循環システムを適用したものである。すなわち、本実施形態に係る空調システムは、情報通信技術用機器（以下、ＩＣＴ機器という。）等の発熱機器に冷却用の空気を供給することにより、複数のＩＣＴ機器等を冷却する。

複数のＩＣＴ機器１は、図１に示すように、ラック３に組み付けられた状態でデータセンタ室等に設置される。ラック３は、金属製の棚枠及び柱壁等を組み合わせた枠状の収納棚にて構成されている。

ラック３を挟んで一方には、冷風が供給される冷風通路（コールドアイル）３Ａが設けられている。冷風は、冷風通路３Ａの床下に設けられたダクト空間３Ｃからラック３側に供給された後、床に設けられた複数の冷風吹出口（図示せず。）から冷風通路３Ａに供給される。

なお、ラック３を挟んで冷風通路３Ａと反対側の通路３Ｂには、冷風吹出口が設けられていない。当該通路３Ｂには、冷風通路３ＡからＩＣＴ機器１に供給された空気であって、ＩＣＴ機器１との熱交換を終えた空気が流通する。つまり、通路３Ｂは、加熱された空気（温風）が流通する温風通路（ホットアイル）となる。

空調ユニット５はＩＣＴ機器１側に供給される冷却風を生成する。複数のＩＣＴ機器１が設置されたサーバ室等には、少なくとも１台（図１では、２台）の空調ユニット５が設置されている。

各空調ユニット５は、図２に示すように、室内熱交換器５Ａ、流量調整弁５Ｂ及び室内送風機５Ｃ等を有するエアーハンドリングユニット（ＡＨＵ）にて構成されている。室内熱交換器５Ａは、熱源装置７から供給される冷水と熱交換対象をなす空気とを熱交換する。

熱源装置７は冷熱を生成する。当該冷熱は熱媒体をなす冷水により室内熱交換器５Ａに供給される。熱媒体、つまり冷水は、一次ポンプＰ１及び二次ポンプＰ２により室内熱交換器５Ａ（空調ユニット５）に供給される。

流量調整弁５Ｂは各室内熱交換器５Ａに設けられている。当該流量調整弁５Ｂは、室内熱交換器５Ａに供給する冷水の循環水量を調節する。室内送風機５Ｃは、ＩＣＴ機器１側に冷風を供給するとともに、その風量を調節可能な送風機である。

熱源装置７は室外に設置されている。熱源装置７にて生成された冷水は、一次ポンプＰ１にて室内（空調ユニット５）側に供給された後、二次ポンプＰ２にて各空調ユニット５に分配供給される。バイパス流路Ｌ１は、一次ポンプＰ１の吐出流量と二次ポンプＰ２の吐出流量とが相違する際に、その流量差を吸収する冷水回路である。

熱源装置７は、熱源機７Ａ、冷却塔７Ｂ及び冷却水ポンプＰ３等を有して構成されている。熱源機７Ａは、フロン等の冷媒を循環させて低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機にて構成されている。

冷却塔７Ｂは、冷媒と熱交換した冷却水を大気及び水のうち少なくとも一方と熱交換させて当該冷却水を冷却する。本実施形態に係る冷却塔７Ｂは、図３に示すように、密閉式冷却塔である。当該冷却塔７Ｂには、室外送風機７Ｃ、散水器７Ｄ及び室外熱交換器７Ｅ等が設けられている。

室外熱交換器７Ｅは、主に大気と冷却水とを熱交換する。室外送風機７Ｃは、室外熱交換器７Ｅに大気を送風するとともに、その送風量を調節可能な送風機である。このため、室外送風機７Ｃの回転数を増減させて送風量を増減させれば、冷却水と大気との熱交換能力を増減させることができる。

散水器７Ｄは室外熱交換器７Ｅに水を散水する。室外熱交換器７Ｅに散水されると、散水された水が室外熱交換器７Ｅから吸熱して蒸発又は温度上昇する。これにより、散水しない場合に比べて冷却水が大きく冷却される。つまり、散水器７Ｄの作動を制御することにより、冷却水と大気との熱交換能力を調節できる。

１．２ 空調システムの能力調整装置
室内熱交換器５Ａで発生する熱交換能力、つまり室内熱交換器５Ａで発生する冷却能力は、流量調整弁５Ｂの開度、室内送風機５Ｃの送風量、室内熱交換器５Ａに供給される冷水量（二次ポンプＰ２の送水量）、及び当該冷水の温度（熱源装置７で発生する冷凍能力）によって変化する。

熱源装置７で発生する冷凍能力、つまり熱源機７Ａ（蒸気圧縮式冷凍機）で発生する冷凍能力は、冷却塔７Ｂの冷却能力、冷却水の循環水量等に加えて、蒸気圧縮式冷凍機に設けられた圧縮機の回転数及び膨張弁の開度等によって変化する。冷却塔７Ｂの冷却能力は、室外送風機７Ｃの送風量及び散水器７Ｄの散水量等によって変化する。

つまり、流量調整弁５Ｂ、室内送風機５Ｃ、二次ポンプＰ２、冷却水ポンプＰ３、室外送風機７Ｃ及び散水器７Ｄ等は、室内熱交換器５Ａで発生する熱交換能力を調整する能力調整装置として機能する。なお、以下、流量調整弁５Ｂ及び室内送風機５Ｃ等を総称するときは、能力調整装置という。

図２に示すように、能力調整装置の作動は統合制御装置１０により制御されている。統合制御装置１０は、空調機制御部１０Ａ、二次ポンプ制御部１０Ｂ、一次ポンプ制御部１０Ｃ、熱源制御部１０Ｄ、冷却水ポンプ制御部１０Ｅ、及び冷却塔制御部１０Ｆを介して、能力調整装置を構成する各機器を間接的に制御する。

空調機制御部１０Ａは、空調ユニット５、つまり流量調整弁５Ｂ及び室内送風機５Ｃ等の作動を制御する。二次ポンプ制御部１０Ｂは、二次ポンプＰ２の作動を制御して空調ユニット５に供給する冷水量を制御する。

一次ポンプ制御部１０Ｃは一次ポンプＰ１の作動を制御する。熱源制御部１０Ｄは、熱源機７Ａ、つまり圧縮機の回転数及び膨張弁の開度等を制御する。冷却水ポンプ制御部１０Ｅは、冷却水ポンプＰ３の作動を制御して冷却水の循環量を制御する。冷却塔制御部１０Ｆは、室外送風機７Ｃの送風量及び散水器７Ｄの散水量等を制御する。

なお、統合制御装置１０及び各制御部１０Ａ〜１０Ｆは、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭ等を有するコンピュータを有して構成されている。制御を実行するためのプログラムは、統合制御装置１０及び各制御部１０Ａ〜１０Ｆそれぞれに設けられたＲＯＭ等の不揮発性記憶部に予め記憶されている。

２．統合制御装置等による制御作動
２．１ 制御作動の概要
＜各制御部の自律制御＞
各制御部１０Ａ〜１０Ｆは、当該制御部の制御対象を駆動する駆動回路等を有し、当該制御対象を直接的に制御する。統合制御装置１０は、各制御部１０Ａ〜１０Ｆに制御指令信号を発する。

つまり、各制御部１０Ａ〜１０Ｆは、統合制御装置１０からの制御指令信号を受信した後、その制御指令信号の内容を実現するような具体的な制御を自律的に実行する。統合制御装置１０及び各制御部１０Ａ〜１０Ｆは、制御モードとして、少なくとも通常制御モード及び段階制御モードが実行可能である。

例えば、各空調ユニット５には吹出空気温度センサＳ１が設けられている。吹出空気温度セサＳ１は、空調ユニット５から室内に供給される空気、つまり室内熱交換器５Ａにて熱交換が終了した空気の温度（以下、熱交換後温度という。）を検出する。

空調機制御部１０Ａは、通常制御モード時においては、吹出空気温度センサＳ１にて検出された熱交換後温度（以下、吹出空気温度という。）が、統合制御装置１０により設定された「目標とする熱交換後温度（以下、目標吹出温度Ｔａｏという。）」となるように、流量調整弁５Ｂ及び室内送風機５Ｃを制御する。

つまり、空調機制御部１０Ａは、新たな目標吹出温度Ｔａｏが統合制御装置１０により設定されない限り、現状の目標吹出温度Ｔａｏとなるように空調ユニット５の作動を自律的に制御する。

一次ポンプ制御部１０Ｃ及び二次ポンプ制御部１０Ｂは、通常制御モード時においては、予め設定された流量（以下、目標冷水循環量Ｗｒｏという。）の冷水が循環するように一次ポンプＰ１、二次ポンプＰ２を自律的に制御する。

そして、一次ポンプ制御部１０Ｃ及び二次ポンプ制御部１０Ｂは、通常制御モード時において、統合制御装置１０からの流量変更指令を受信したときには、その受信した新たな循環量を目標冷水循環量Ｗｒｏとして、一次ポンプＰ１、二次ポンプＰ２を自律的に制御する。

一次ポンプＰ１又は二次ポンプＰ２（本実施形態では、一次ポンプＰ１）の吐出側には、冷水の温度を検出する冷水温度センサＳ２が設けられている。熱源制御部１０Ｄは、通常制御モード時においては、冷水温度センサＳ２にて検出された冷水温度（以下、冷水吐出温度という。）が、統合制御装置１０により設定された「目標とする冷水吐出温度（以下、目標冷水温度Ｔｗｏという。）」となるように、熱源機７Ａを制御する。

つまり、熱源制御部１０Ｄは、新たな目標冷水温度Ｔｗｏが統合制御装置１０により設定されない限り、現状の目標冷水温度Ｔｗｏとなるように熱源機７Ａの作動を自律的に制御する。

冷却水ポンプ制御部１０Ｅは、通常制御モード時においては、冷却水の循環量が、統合制御装置１０により設定された「目標とする冷却水の循環量（以下、目標循環量Ｗｆｏという。）」となるように冷却水ポンプＰ３を制御する。

冷却塔制御部１０Ｆは、冷却塔７Ｂにて冷却された冷却水の温度が、統合制御装置１０により設定された「目標とする冷却水の温度（以下、目標冷却水温度Ｔｃｏという。）」となるように冷却塔７Ｂを制御する。「冷却水の温度」は、冷却水温度センサＳ３により検出される。

なお、通常制御モード時において、熱源機７Ａの制御のみでは、冷水吐出温度を目標冷水温度Ｔｗｏまで冷却することができない場合には、統合制御装置１０は、冷却水ポンプ制御部１０Ｅ及び冷却塔制御部１０Ｆのうち少なくとも一方に対して目標循環量Ｗｆｏを増大させる指令、又は目標冷却水温度Ｔｃｏを低下させる指令を発する。

＜余裕度制御＞
余裕度制御時においては、能力調整装置を構成する各機器は、余裕度Ａが予め決められた値以上に維持されるように制御される。当該余裕度制御は、少なくとも通常制御モード時及び段階制御モード時において実行される。

余裕度Ａとは、能力調整装置にて調整可能な最大熱交換能力と現実の熱交換能力との差に関するパラメータをいう。
例えば、空調ユニット５についての余裕度Ａは、下記のいずれかにより定義される。
（１）１−（複数の流量調整弁５Ｂの平均開度）
（２）１−｛（現実の室内送風機５Ｃの回転数／室内送風機５Ｃの最大回転数）の平均｝
最大回転数：各室内送風機５Ｃの上限回転数
（３）１／｛（吹出空気温度−目標吹出温度Ｔａｏ）の平均｝
（４）１−｛（吹出空気温度−目標吹出温度Ｔａｏ）の平均｝／ｎ
ｎ：（吹出空気温度−目標吹出温度Ｔａｏ）に相当する値であって、予め設定された値
つまり、ｎは許容温度差（許容乖離温度）を意味する。
（５）１／｛（冷水吐出温度−目標冷水温度Ｔｗｏ）の平均｝
（６）１−｛（冷水吐出温度−目標冷水温度Ｔｗｏ）の平均｝／ｎ
ｎ：（冷水吐出温度−目標冷水温度Ｔｗｏ）に相当する値であって、予め設定された値
つまり、ｎは許容温度差（許容乖離温度）を意味する。

＜段階制御モード＞
段階制御モードとは、現在の状態から制御目標値まで段階的に状態を変更していく制御モードである。

例えば、現在の冷却水の循環量を制御目標循環量に変更する際に、段階制御モードでは、図４に示すように、目標循環量Ｗｆｏを段階的に変更することにより、現在の冷却水の循環量を制御目標循環量まで段階的に変更する。

つまり、通常制御モードでは、現在の状態を制御目標値に変更する際には、現状の制御目標値をいきなり制御目標循環量に変更する。一方、段階制御モードでは、現状の制御目標値と変更後の制御目標値との間に、少なくとも１種類の目標値が設定される。換言すれば、段階制御モードでは、少なくとも１ステップの段階が存在すれば十分であり、ステップ数は不問である。

そして、段階制御モードが実行される際の一段当たりの変更量をステップ変更量Δとしたとき、段階制御モードでは、例えば、下記の数式７に示されるように、ステップ変更量Δが余裕度Ａに基づいて決定される。

Δ＝Ｎ×（Ａ−ｋ） 但し、Ｎ、ｋ：定数 （数式７）
なお、本実施形態では、制御目標値が統合制御装置１０によって変更される際に、統合制御装置１０が指令することより段階制御モードが実行される。そして、現在の状態が制御目標値に到達すると、制御モードが段階制御モードから通常制御モードに移行し、当該制御目標値が各制御部１０Ａ〜１０Ｆにて自律的に維持される。

２．２ 段階制御モードの詳細
図５に示すフローチャートは、現在の冷却水循環量を目標循環量Ｗｆｏまで減少変更する場合を例に、本実施形態に係る段階制御モードを示したものである。図５に示す制御は、空調システムの起動した時から所定時間が経過したときに実行される。

本実施形態では、冷却水ポンプＰ３の吐出圧を制御することにより、冷却水の循環量を制御する。したがって、図５に示すフローチャートでは、吐出圧を段階的に変更することにより、冷却水の循環量を目標循環量Ｗｆｏまで段階的に変更する。

図５に示す制御が統合制御装置１０にて起動されると、先ず、目標循環量Ｗｆｏが決定されるとともに、その目標循環量Ｗｆｏに対応する吐出圧力（以下、目標吐出圧Ｐｗｏという。）演算決定される（Ｓ１）。なお、目標循環量Ｗｆｏの決定手法は後述する。

次に、余裕度Ａが予め決められた閾値以上であるか否かが判定される（Ｓ３）。余裕度Ａが予め決められた閾値以上でないと判定された場合には（Ｓ３：ＮＯ）、Ｓ１が実行される。つまり、余裕度Ａが閾値未満の場合には、段階制御モードが実行されない。

なお、Ｓ１が実行される時点で既に段階制御モードが実行されていた場合には、その実行されている段階制御モードが停止又は中止されるとともに、余裕度Ａが予め決められた閾値以上に維持される。

余裕度Ａが予め決められた閾値以上であると判定された場合には（Ｓ３：ＹＥＳ）、ステップ変更量Δ（本実施形態では、吐出圧のステップ変化量ΔＰＷｃ）が、数式７に従って決定される（Ｓ５）。

次に、目標冷水温度Ｔｗｏ、目標冷水循環量Ｗｒｏ及び目標吹出温度Ｔａｏのうち少なくとも１つが設定又は変更された時から予め設定された所定時間が経過したか否かが判定される（Ｓ７）。

所定時間が経過していないと判定された場合には（Ｓ７：ＮＯ）、以降の制御ステップで実行される段階制御モードが実行されない。このため、Ｓ１が実行される時点で既に段階制御モードが実行されていた場合には、その実行されている段階制御モードは停止又は中止される。

所定時間が経過したと判定された場合には（Ｓ７：ＹＥＳ）、現時の吐出圧ＰｗｃからΔＰｗｃを減じた吐出圧（以下、変更後吐出圧という。）が、冷却水ポンプＰ３の下限吐出圧より大きいか否かが判定される（Ｓ９）。

下限吐出圧とは、ポンプの能力を最小状態としたときの吐出圧であって、当該吐出圧より低い吐出圧でポンプを安定稼働させることができない吐出圧をいう。このため、吐出圧が下限吐出圧以上に維持されと、冷却水の循環水量が予め設定された閾値、つまり下限循環量（第２閾値）以上に維持される。

変更後吐出圧が下限吐出圧以下となると判定された場合には（Ｓ９：ＮＯ）、冷却水ポンプＰ３の吐出圧を下限吐出圧とする指令が冷却水ポンプ制御部１０Ｅに発せられた後（Ｓ１５）、Ｓ１が実行される。

変更後吐出圧が下限吐出圧より大きいと判定された場合には（Ｓ９：ＹＥＳ）、変更後吐出圧が目標吐出圧Ｐｗｏより大きいか否か判定される（Ｓ１１）。変更後吐出圧が目標吐出圧Ｐｗｏより大きいと判定された場合には（Ｓ１１：ＹＥＳ）、冷却水ポンプＰ３の吐出圧を変更後吐出圧とする指令が冷却水ポンプ制御部１０Ｅに発せられた後（Ｓ１３）、Ｓ１が実行される。

変更後吐出圧が目標吐出圧Ｐｗｏ以下であると判定された場合には（Ｓ１１：ＮＯ）、現状の吐出圧を変更する旨の指令が冷却水ポンプ制御部１０Ｅに発せられることなく、Ｓ１が実行される。

２．３ 目標循環量の決定手法
＜目標循環量の概要＞
目標循環量Ｗｆｏは、（ａ）室内熱交換器５Ａにて必要とされる熱交換能力、（ｂ）冷却塔７Ｂで冷却された冷却水の温度、（ｃ）熱源装置７の消費動力、（ｄ）熱源装置７にて必要とされる冷熱量、（ｅ）熱源機（蒸気圧縮式冷凍機）７Ａで稼働する圧縮機の回転数、（ｆ）冷凍機７Ａにおいて循環する冷媒の高圧側温度及び低圧側温度、（ｇ）当該冷媒の高圧側圧力及び低圧側圧力、並びに（ｈ）冷水を循環させるポンプ（主に、二次ポンプＰ２）の回転数のうち少なくとも１つに基づいて決定される。

なお、本実施形態では熱源装置７が１台であるが、熱源装置７が複数設けられている場合には、目標循環量Ｗｆｏは、（ａ）〜（ｈ）に加えて、稼働している熱源装置７の台数も考慮して決定される。

熱源装置７の台数とは、熱源機７Ａの蒸発器の台数を基準に数える。例えば、複数の圧縮機又は複数の冷却水ポンプＰ３が設置されている場合であっても、熱源機７Ａの蒸発器が１台である場合には、熱源装置７の台数は１台である。

＜目標循環量の決定手法の一例＞
第１ステップ
熱源装置７の負荷率が特定状態となる場合において、（ａ）冷却水の温度をパラメータとして、（ｂ）熱源装置７の消費電力及び冷却水ポンプＰ３の消費電力と（ｃ）冷却水循環量との関係を実験又はコンピュータシミレーションにより求め、消費電力が最小となる循環量を冷却水温度毎に決定する（図６参照）。

第２ステップ
熱源装置７の負荷率を変化させながら上記第１ステップを行い、消費電力が最小となる循環量及び熱源装置７の負荷率を冷却水温度毎に求める（図７参照）。そして、現在の熱源装置７の負荷率（Ｘ％）と現在の冷却水温度とに基づいて最適流量、つまり目標循環量Ｗｆｏを決定する。

３．本実施形態に係る空調システムの特徴
本実施形態では、余裕度Ａを予め決められた値以上に維持した状態で能力調整装置の作動が制御されるので、高い信頼性を担保することが可能な空調システムを得ることができ得る。

ところで、従来の空調システムに係る冷却水ポンプは、冷凍機の熱負荷及び室内の冷房負荷等に影響されることなく、その最大能力で稼働していた。つまり、通常の空調システムでは、冷凍機の熱負荷及び室内の冷房負荷等によらず、冷却水の循環水量はほぼ一定であった。

しかし、冷凍機の熱負荷及び室内の冷房負荷等は変動している。このため、冷却水ポンプを最大能力にて一定稼働させると、冷却水ポンプで消費動力を低減することが難しいので、空調システムの消費動力を低減することが難しい。

そこで、発明者は、冷却水ポンプＰ３を可変制御することにより「空調システムの消費動力を低減する発明」を新たに考案した。当該発明の試験・検討結果によると、冷却水ポンプＰ３を可変制御する際に、冷水の温度が過渡的に急変するという新たな問題が発生することを発明者は発見した。

具体的には、例えば、循環する冷却水量を目標循環量まで減少させる際に、冷凍機で生成された冷水の温度が過渡的に急激上昇してしまうため、室内に吹き出す空気の温度が上昇してしまう、という新たな問題を発明者は発見した。

そして、特に、データセンター等の空調制御に高い信頼性が求められる建築物にあっては、室内に吹き出す空気の温度が急変すると、データセンターに設置された機器に悪影響を及ぼす可能性が高くなる。

これに対して、本実施形態では、上述したように、余裕度Ａを予め決められた値以上に維持した状態で冷却水ポンプＰ３の作動を制御するので、冷却能力に関する信頼性を高めた空調システムを得ることができ得る。

また、統合制御装置１０は、余裕度Ａに基づいてステップ変更量Δ（本実施形態では、ΔＰｗｃ）を決定して冷却水ポンプＰ３を可変制御するので、冷水の温度が過渡的に急変することを抑制できる。

すなわち、余裕度Ａは、室内に吹き出す空気の温度（以下、吹出空気温度という。）が急変するか否か、つまり吹出空気温度の信頼性確保を評価する評価因子として機能を担う。したがって、余裕度Ａに基づいてステップ変更量Δを決定して冷却水ポンプＰ３を可変制御すれば、吹出空気温度の信頼性確保しながら、空調システムの消費動力を低減することが可能となる。

（第２実施形態）
本実施形態は第１実施形態の変形例である。具体的には、図８に示すように、本実施形態では、余裕度Ａが閾値未満であると判定された場合には（Ｓ３：ＮＯ）、冷却水ポンプＰ３の吐出圧を大きくする旨の指令が冷却水ポンプ制御部１０Ｅに発せられた後（Ｓ１７）、Ｓ１が実行される。

なお、図８において、図５（第１実施形態）と同一の制御ステップについては、同一符号が付されている。
これにより、本実施形態では、段階制御モードが停止又は中止された後、「冷却水の循環水量」は、段階制御モードが停止又は中止される前に比べて増大される。したがって、余裕度Ａが現状よりも大きくなるので、冷却信頼性を確保することができる。

（第３実施形態）
本実施形態は、図９に示すように、目標冷水温度Ｔｗｏを上昇変更する指令が統合制御装置１０から空調機制御部１０Ａ等に発せられた場合に、上記の「余裕度制御」を停止又は中止するものである。

図９に示すフローチャートは、図５や図８に示す制御と並列的に稼働している。つまり、空調システムの起動した時から所定時間が経過したときに、図５又は図８に示す制御とは独立して起動される。

当該制御が起動されると、目標冷水温度Ｔｗｏが上昇変更されたか否かが判定される（Ｓ２１）。なお、目標冷水温度Ｔｗｏは、室内熱交換器５Ａにて必要とされる熱交換能力（冷却能力）等に基づいて決定される。例えば、目標吹出温度Ｔａｏが上昇変更されると、これに応じて必要な冷却能力が小さくなるので、目標冷水温度Ｔｗｏも上昇変更される。

目標冷水温度Ｔｗｏが上昇変更されていないと判定された場合には（Ｓ２１：ＮＯ）、現状の制御モード（余裕度制御）が維持される。目標冷水温度Ｔｗｏが上昇変更されたと判定された場合には（Ｓ２１：ＹＥＳ）、余裕度制御が中止又は停止させられた後（Ｓ２３）、冷却水ポンプＰ３の吐出圧が現状よりもΔＰｗｃだけ上昇変更される（Ｓ２５）。

なお、Ｓ２５のΔＰｗｃは、余裕度制御が停止又は中止する直前に決定された値、及び予め決められた値のうちいずれか一方が用いられる。
（第４実施形態）
本実施形態は、冷却水ポンプＰ３の吐出圧が下限吐出圧、つまり下限循環量（第３閾値）となった場合に実行される冷却塔制御モードの一例である。なお、吐出圧が下限吐出圧となった場合とは、「吐出圧が下限吐出圧と一致した場合」は勿論のこと、「吐出圧が下限吐出圧を含む所定の範囲になった場合」も含むものである。

具体的には、図１０に示すように、本実施形態では、余裕度Ａが予め決められた閾値未満となっているか否かが判定される（Ｓ２７）。余裕度Ａが予め決められた閾値未満となっている場合には（Ｓ２７：ＹＥＳ）、冷却塔７Ｂの冷却能力を大きくする制御モードが実行される（Ｓ２９）。余裕度Ａが予め決められた閾値以上となっている場合には（Ｓ２７：ＮＯ）、冷却塔７Ｂの冷却能力が小さくなる制御モードが実行される（Ｓ３１）。

なお、冷却塔７Ｂの冷却能力を変更する際には、室外送風機７Ｃの送風量変更、及び散水器７Ｄの散水の有無又は散水量の変更のうち、少なくとも一方を変更すればよい。因みに、室外送風機７Ｃが複数設けられている場合には、稼働させる室外送風機７Ｃの台数を変更して送風量を変更してもよい。

（第５実施形態）
本実施形態は、目標冷却水温度Ｔｃｏを変更制御する場合に段階制御モードを適用した例である。

すなわち、図１１に示す制御が統合制御装置１０にて起動されると、先ず、目標冷却水温度Ｔｃｏが決定された後（Ｓ３３）、余裕度Ａが予め決められた閾値以上であるか否かが判定される（Ｓ３５）。なお、目標冷却水温度Ｔｃｏは、目標循環量Ｗｆｏと同様な手法にて決定される。

余裕度Ａが予め決められた閾値以上でないと判定された場合には（Ｓ３５：ＮＯ）、Ｓ３３が実行される。これにより、以降の制御ステップで実行される段階制御モードが実行されない。

そして、Ｓ３３が実行される時点で既に段階制御モードが実行されていた場合には、その実行されている段階制御モードが停止又は中止されるとともに、余裕度Ａが予め決められた閾値以上に維持される。

余裕度Ａが予め決められた閾値以上であると判定された場合には（Ｓ３５：ＹＥＳ）、ステップ変更量Δ（本実施形態では、冷却水温度のステップ変化量ΔＴｗｃ）が、数式７に従って決定される（Ｓ３７）。

次に、目標冷水温度Ｔｗｏ、目標冷水循環量Ｗｒｏ及び目標吹出温度Ｔａｏのうち少なくとも１つが設定又は変更された時から予め設定された所定時間が経過したか否かが判定される（Ｓ３９）。

所定時間が経過していないと判定された場合には（Ｓ３９：ＮＯ）、以降の制御ステップで実行される段階制御モードが実行されない。このため、Ｓ３３が実行される時点で既に段階制御モードが実行されていた場合には、その実行されている段階制御モードが停止又は中止される。

所定時間が経過したと判定された場合には（Ｓ３９：ＹＥＳ）、現時の冷却水温度ＴｗｃからΔＴｗｃを減じた冷却水温度（以下、変更後冷却水温度という。）が、目標冷却水温度Ｔｃｏより大きいか否か判定される（Ｓ４１）。

変更後冷却水温度が目標冷却水温度Ｔｃｏより大きいと判定された場合には（Ｓ４１：ＹＥＳ）、冷却水温度を変更後冷却水温度とする指令が冷却塔制御部１０Ｆに発せられた後（Ｓ４３）、Ｓ３３が実行される。

変更後冷却水温度が目標冷却水温度Ｔｃｏ以下であると判定された場合には（Ｓ４１：ＮＯ）、現状の冷却水温度を変更する旨の指令が冷却塔制御部１０Ｆに発せられることなく、Ｓ３３が実行される。

（第６実施形態）
本実施形態は、冷却水温度制御を目的として、室外送風機７Ｃの送風量を変更制御する場合に段階制御モードを適用した例である。

すなわち、図１２に示す制御が統合制御装置１０にて起動されると、先ず、目標送風量が決定された後（Ｓ４５）、余裕度Ａが予め決められた閾値以上であるか否かが判定される（Ｓ４７）。なお、目標送風量は、目標循環量Ｗｆｏと同様な手法にて決定される。

余裕度Ａが予め決められた閾値以上でないと判定された場合には（Ｓ４７：ＮＯ）、Ｓ４５が実行される。これにより、以降の制御ステップで実行される段階制御モードが実行されない。

そして、Ｓ４５が実行される時点で既に段階制御モードが実行されていた場合には、その実行されている段階制御モードは停止又は中止されるとともに、余裕度Ａが予め決められた閾値以上に維持される。

余裕度Ａが予め決められた閾値以上であると判定された場合には（Ｓ４７：ＹＥＳ）、ステップ変更量Δ（本実施形態では、送風量のステップ変化量ΔＷｃ）が、数式７に従って決定される（Ｓ４９）。

次に、目標冷水温度Ｔｗｏ、目標冷水循環量Ｗｒｏ及び目標吹出温度Ｔａｏのうち少なくとも１つが設定又は変更された時から予め設定された所定時間が経過したか否かが判定される（Ｓ５１）。

所定時間が経過していないと判定された場合には（Ｓ５１：ＮＯ）、以降の制御ステップで実行される段階制御モードが実行されない。このため、Ｓ４５が実行される時点で既に段階制御モードが実行されていた場合には、その実行されている段階制御モードが停止又は中止される。

所定時間が経過したと判定された場合には（Ｓ５１：ＹＥＳ）、現時の送風量からΔＷｗｃを減じた送風量（以下、変更後送風量という。）が、目標送風量より大きいか否か判定される（Ｓ５３）。

変更後送風量が目標送風量より大きいと判定された場合には（Ｓ５３：ＹＥＳ）、冷却水温度を変更後送風量とする指令が冷却塔制御部１０Ｆに発せられた後（Ｓ５５）、Ｓ４５が実行される。

変更後送風量が目標送風量以下であると判定された場合には（Ｓ５３：ＮＯ）、現状の冷却水温度を変更する旨の指令が冷却塔制御部１０Ｆに発せられることなく、Ｓ４５が実行される。

（第７実施形態）
本実施形態は、冷却水温度制御を目的として、散水器７Ｄの散水量を変更制御する場合に段階制御モードを適用した例である。

すなわち、図１３に示す制御が統合制御装置１０にて起動されると、先ず、目標散水量が決定された後（Ｓ５７）、余裕度Ａが予め決められた閾値以上であるか否かが判定される（Ｓ５９）。なお、目標散水量は、目標循環量Ｗｆｏと同様な手法にて決定される。

余裕度Ａが予め決められた閾値以上でないと判定された場合には（Ｓ５９：ＮＯ）、Ｓ５７が実行される。これにより、以降の制御ステップで実行される段階制御モードが実行されない。

そして、Ｓ５７が実行される時点で既に段階制御モードが実行されていた場合には、その実行されている段階制御モードは停止又は中止されるとともに、余裕度Ａが予め決められた閾値以上に維持される。

余裕度Ａが予め決められた閾値以上であると判定された場合には（Ｓ５９：ＹＥＳ）、ステップ変更量Δ（本実施形態では、散水量のステップ変化量ΔＷｗｃ）が、数式７に従って決定される（Ｓ６１）。

次に、目標冷水温度Ｔｗｏ、目標冷水循環量Ｗｒｏ及び目標吹出温度Ｔａｏのうち少なくとも１つが設定又は変更された時から予め設定された所定時間が経過したか否かが判定される（Ｓ６３）。

所定時間が経過していないと判定された場合には（Ｓ６３：ＮＯ）、以降の制御ステップで実行される段階制御モードが実行されない。このため、Ｓ５７が実行される時点で既に段階制御モードが実行されていた場合には、その実行されている段階制御モードが停止又は中止される。

所定時間が経過したと判定された場合には（Ｓ６３：ＹＥＳ）、現時の散水量からΔＷｗｃを減じた散水量（以下、変更後散水量という。）が、目標散水量より大きいか否か判定される（Ｓ６５）。

変更後散水量が目標散水量より大きいと判定された場合には（Ｓ６５：ＹＥＳ）、冷却水温度を変更後散水量とする指令が冷却塔制御部１０Ｆに発せられた後（Ｓ６７）、Ｓ５７が実行される。

変更後散水量が目標散水量以下であると判定された場合には（Ｓ６５：ＮＯ）、現状の冷却水温度を変更する旨の指令が冷却塔制御部１０Ｆに発せられることなく、Ｓ５７が実行される。

（その他の実施形態）
上述の実施形態では、冷熱のみを利用した空調システムに本発明を適したが、本発明の適用はこれに限定されるものではなく、本発明は温熱及び冷熱も利用可能な空調システムにも適用できる。

上述の実施形態では、熱媒体として水を用い、かつ、熱交換対象が空気であったが、本発明の適用はこれに限定されるものではなく、例えば、熱交換対象を冷却液とし、当該冷却液をＩＣＴ機器の放熱部に供給する冷却システムにも適用できる。

上述の実施形態では、発熱機器としてＩＣＴ機器１を例に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ＩＣＴ機器に電力を供給するための蓄電池や無停電電源装置等の電力供給機器にも適用できる。

上述の実施形態に係る熱源装置７は、冷却塔７Ｂを備える水冷式であったが、本発明はこれに限定されるものではなく、空冷式の熱源装置７（熱源機７Ａ）であってもよい。
上述の実施形態に係る空調システムは、ＩＣＴ機器が設置されたサーバ室の空調を行うものであったが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、オフィスビル用空調システムにも適用可能である。

上述の実施形態では、各制御部１０Ａ〜１０Ｆが自律制御可能なコントローラにて構成され、かつ、統合制御装置１０は各制御部１０Ａ〜１０Ｆを統合的に制御する構成であったが、本発明はこれに限定されるものではない。

すなわち、例えば、各制御部１０Ａ〜１０Ｆ及び統合制御装置１０を１つのコントローラとして、１つの統合制御装置１０にて空調システム（熱媒体循環システム）全体を制御する構成であってもよい。

本発明に係る段階制御モードの制御対象は、上述の実施形態に例示されたものに限定されるものではなく、室内熱交換器５Ａで発生する熱交換能力を調整する能力調整装置を構成する機器であれば、いずれの機器に対して段階制御モードを実行してもよい。この際、２以上の機器に対して同時に段階制御モードを実行してもよい。

上述の実施形態に係る冷却塔７Ｂは、密閉式冷却塔であったが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、開放式冷却塔７Ｂであってもよい。
上述の実施形態に係る熱源装置７は、冷却塔７Ｂを有していたが、本発明はこれに限定されるものではなく、冷却塔７Ｂを廃止し、熱源機７Ａの高圧側熱交換器（例えば、凝縮器）を大気にて冷却する方式であってもよい。

上述の実施形態に係るステップ変化量Δは、数式７に示されるように、余裕度Ａとステップ変化量Δとが１対１の対応関係であった。このため、余裕度Ａの変化に対してステップ変化量Δが連続的に変化するものであったが、本発明はこれに限定されるものではない。

すなわち、余裕度Ａの変化に対してステップ変化量Δが段階的に変化するものであってもよい。例えば、ステップ変化量Δの最小（単位）変化量Δｏを予め設定された固定値とし、ステップ変化量Δを単位変化量Δｏの倍数（Δ＝Δｏ×ｎ）として決定するとともに、当該倍数（ｎ）を余裕度Ａに基づいて決定してもよい。

上述の実施形態では、ステップ変化量Δを直接的に決定したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ステップ変化量Δを余裕度Ａに基づいて間接的に決定してもよい。すなわち、例えば、制御目標値まで段階的（ステップ的）に変更させる際のステップ数を余裕度Ａに基づいて決定した後、現在値と制御目標値との差分を当該決定したステップ数で除した値をステップ変化量Δとしてもよい。

上述の実施形態では、蒸気圧縮機式冷凍機にて冷熱を生成したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、廃熱が十分に確保可能な場合には、吸着式冷凍機又は吸収式冷凍機にて冷熱を生成してもよい。

また、本発明は、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨に合致するものであればよく、上述の実施形態に限定されるものではない。

１… ＩＣＴ機器
３… ラック
３Ａ… 冷風通路
３Ｃ… ダクト空間
３Ｂ… 通路
５… 空調ユニット
５Ａ… 室内熱交換器
５Ｂ… 流量調整弁
５Ｃ… 室内送風機
７… 熱源装置
７Ａ… 熱源機
７Ｂ… 冷却塔
７Ｃ… 室外送風機
７Ｄ… 散水器
７Ｅ… 室外熱交換器
１０… 統合制御装置
１０Ａ… 空調機制御部
１０Ｂ… 二次ポンプ制御部
１０Ｃ… 一次ポンプ制御部
１０Ｄ… 熱源制御部
１０Ｅ… 冷却水ポンプ制御部
１０Ｆ… 冷却塔制御部

Claims (16)

1. 熱を生成する熱源装置を有し、当該熱を移動させる熱媒体を循環させる熱媒体循環システムにおいて、
   前記熱媒体と熱交換対象とを熱交換する熱交換器と、
   前記熱交換器で発生する熱交換能力を調整する能力調整装置と、
   前記能力調整装置にて調整可能な最大熱交換能力と現実の熱交換能力との差に関するパラメータ（以下、「余裕度」という。）を演算する余裕度演算部と、
   前記余裕度を予め決められた値以上に維持した状態で前記能力調整装置の作動を制御する制御モードが実行可能な制御部とを備え、
   前記制御部は、前記能力調整装置を制御目標値まで段階的に変更する段階制御モードを実行することが可能であり、
   前記段階制御モードが実行される際の一段当たりの変更量をステップ変更量としたとき、前記段階制御モードでは、
   前記ステップ変更量を前記余裕度に基づいて決定するステップ変更量決定機能、及び
   前記ステップ変更量決定機能により決定されたステップ変更量となるように前記能力調整装置の作動を制御するステップ制御機能
   が実行されることを特徴とする熱媒体循環システム。
2. 前記熱源装置は、
   冷媒を循環させて低温側の熱を高温側に移動させる冷凍機、
   前記冷媒と熱交換した冷却水を、大気及び水のうち少なくとも一方と熱交換させる冷却塔、及び
   前記冷却塔と前記冷凍機との間で前記冷却水を循環させる冷却水ポンプを有し、
   前記冷却水ポンプは前記能力調整装置の少なくとも一部を構成し、
   さらに、前記制御部は、前記余裕度を予め決められた値以上に維持した状態で前記冷却水ポンプの作動を制御することを特徴とする請求項１に記載の熱媒体循環システム。
3. 前記制御部は、「前記冷却水の循環水量」を「目標とする循環水量（以下、目標循環量という。）」まで段階的に変更する際に前記段階制御モードを実行することが可能であることを特徴とする請求項２に記載の熱媒体循環システム。
4. 前記制御部は、「前記冷却水の温度」を「目標とする冷却水温度（以下、目標冷却水温度という。）」まで段階的に変更する際に前記段階制御モードを実行することが可能であることを特徴とする請求項２に記載の熱媒体循環システム。
5. 前記制御部は、前記冷却水の循環水量を段階的に変更することにより、前記冷却水の温度を前記目標冷却水温度まで段階的に変更することを特徴とする請求項４に記載の熱媒体循環システム。
6. 前記冷却塔には、前記能力調整装置の少なくとも一部を構成するとともに、前記冷却水と大気との熱交換能力を調整する送風機が設けられており、
   前記制御部は、「前記送風機の送風量」を「目標とする送風量」まで段階的に変更することにより、前記冷却水の温度を前記目標冷却水温度まで段階的に変更することを特徴とする請求項４に記載の熱媒体循環システム。
7. 前記冷却塔には、前記能力調整装置の少なくとも一部を構成するとともに、前記冷却水と大気との熱交換能力を調整する散水器が設けられており、
   前記制御部は、「前記散水器の散水量」を「目標とする散水量」まで段階的に変更することにより、「前記冷却水の温度」を前記目標冷却水温度まで段階的に変更することを特徴とする請求項４に記載の熱媒体循環システム。
8. 前記制御部は、前記余裕度が予め設定された第１閾値以下の場合には、前記段階制御モードを停止又は中止することを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の熱媒体循環システム。
9. 前記制御部は、「目標とする前記熱媒体の温度」又は「目標とする前記熱媒体の流量」が変更された場合には、前記段階制御モードを停止又は中止することを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の熱媒体循環システム。
10. 前記熱交換器で熱交換が終了した前記熱交換対象の温度を熱交換後温度としたとき、
    前記制御部は、「目標とする前記熱交換後温度」が変更された場合には、前記段階制御モードを停止又は中止することを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の熱媒体循環システム。
11. 前記制御部は、前記段階制御モードを停止又は中止した後、「前記冷却水の循環水量」を、前記段階制御モードを停止又は中止する前に比べて増大させることを特徴とする請求項３に記載の熱媒体循環システム。
12. 前記制御部は、前記冷却水の循環水量を、常に、予め設定された第２閾値以上とすることを特徴とする請求項３に記載の熱媒体循環システム。
13. 前記制御部は、前記冷却水の循環水量が予め設定された第３閾値に至った場合には、前記冷却塔の冷却能力を変更制御する冷却塔制御モードに移行することを特徴とする請求項１２に記載の熱媒体循環システム。
14. 前記目標循環量は、前記熱交換器にて必要とされる熱交換能力、前記冷却塔で熱交換を終えた前記冷却水の温度、前記熱源装置の消費動力、前記熱源装置にて必要とされる生成熱量、前記冷凍機で稼働する圧縮機の回転数、前記冷凍機において循環する冷媒の高圧側温度及び低圧側温度、当該冷媒の高圧側圧力及び低圧側圧力、並びに前記熱媒体を循環させるポンプの回転数のうち少なくとも１つに基づいて決定されることを特徴とする請求項３に記載の熱媒体循環システム。
15. 前記熱源装置は複数設けられており、
    前記目標循環量は、稼働している前記熱源装置の台数に基づいても決定されることを特徴とする請求項１４に記載の熱媒体循環システム。
16. 熱を生成する熱源装置と、
    当該熱を移動させる熱媒体と熱交換対象とを熱交換する熱交換器と、
    前記熱交換器で発生する熱交換能力を調整する能力調整装置と、
    コンピュータを有して構成され、前記能力調整装置の作動を制御する制御部とを備える熱媒体循環システムに用いられる制御プログラムであって、
    前記制御部を
    前記能力調整装置にて調整可能な最大熱交換能力と現実の熱交換能力との差に関するパラメータ（以下、「余裕度」という。）を演算する余裕度演算部、及び
    前記余裕度を予め決められた値以上に維持した状態で前記能力調整装置の作動を制御する能力調整制御部として機能させ、
    さらに、前記能力調整装置を制御目標値まで段階的に変更する段階制御モードを前記制御部に実行させることが可能であり、
    前記段階制御モードが実行される際の一段当たりの変更量をステップ変更量としたとき、前記段階制御モードでは、
    前記ステップ変更量を前記余裕度に基づいて決定するステップ変更量決定機能、及び
    前記ステップ変更量決定機能により決定されたステップ変更量となるように前記能力調整装置の作動を制御するステップ制御機能が実行される
    ことを特徴とする熱媒体循環システム用制御プログラム。