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2019 年度 実績報告書

生産施設用空調方式の高効率化と信頼性に関する研究

研究課題

研究課題/領域番号 18H01591
研究機関北海道大学

研究代表者

羽山 広文  北海道大学, 工学研究院, 教授 (80301935)

研究分担者 菊田 弘輝  北海道大学, 工学研究院, 准教授 (20431322)
森 太郎  北海道大学, 工学研究院, 准教授 (70312387)
研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2021-03-31
キーワード省エネルギー / 空調設備 / 高効率化 / 信頼性評価 / データセンタ
研究実績の概要

本研究「生産施設用空調方式の高効率化と信頼性に関する研究」は、主にIT機器を収容したデータセンタと高発熱の工作機器を収容した精密機械工場の空調設備に関し、室内作業者の労働環境を確保しながら機器の発熱を確実に高効率で冷却することを目的に以下の事項を実施した。
1.冷涼な外気を活用した潜熱・顕熱冷却空調方式の開発では、①空調機内にダブルの熱交換器を設置し、一方は冷水チラーからの冷水を、他方にはブラインを室外機との間で循環させる「間接外気冷房方式」に関し、実大規模の実証実験と空調設備のシステムシミュレーションにより、システム効率の推定方法を構築し、顕熱冷却空調方式を検討した。また、実在するデータセンタでその性能を検証した。②散水方式による気化冷却方式により冷涼な外気の活用する方式に関し、空調設備のシステムシミュレーションにより、冷却特性を評価する手法を構築し、潜熱冷却空調方式の可能性を検討した。
2.空調設備の保全データの定量化と室温変化を伴う信頼性評価ツールの開発では、①DCで実際に稼動している空調設備の保全データ(故障毎の故障間隔・修理時間)を多数収集し、これらの保全データをワイブル確率紙にプロットし、回帰直線の係数から平均故障間隔(MTBF)を得た。また、対数正規確率紙にプロットし、その回帰直線の係数から平均修理時間(MTTR)を得た。②これらの基礎データをもとに、前年度に作成した信頼度計算プログラムの機能を強化し、ネットワーク状に構成された複雑な空調システム(例えば、A系統-B系統の混在型システムなど)も評価可能な信頼度評価方法を確立した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

特に支障なく遂行している。

今後の研究の推進方策

本研究「生産施設用空調方式の高効率化と信頼性に関する研究」は、主にIT機器を収容したデータセンタと高発熱の工作機器を収容した精密機械工場の空調設備に関し、室内作業者の労働環境を確保しながら機器の発熱を確実に高効率で冷却することを目的に、以下の事項を進める。
1.置換換気空調方式の温度成層形成要因のモデル化と予測手法の開発では、生産施設における高発熱機器からの排熱はプルームにより拡散する。また、その排熱や汚染物質の排出はファンによる強制排気が多く、排出位置も個々に異なる点が特徴的である。本研究では、①縮小模型を用い置換換気の空調給気量、機器換気量、排熱高さ、発熱量、天井高さなどの各パラメータと、機器が設置される領域の温度分布の関係を実験的に解明し、領域の基準化温度差比kv =(θi-θSA)/(θEA-θSA)を用い、アルキメデス数との関係を明確にする。②図7に示すモデルを用い基準化温度差比kvを用い外気冷房併用型置換還気方式のモデルを構築する。これを用いることで、建物条件、気象条件、室内の機器設置条件が変化した場合の空調設備のシステムシミュレーションが可能になり、各種条件での省エネルギー効果の予測手法を開発する。
2.研究成果の取り纏めでは、(1)室内の温熱環境・空気環境の適正化、(2)空調設備の高効率化、(3)空調設備の信頼性確保の3点を主眼に据え、①「空調効率の決定要因解明とIT機器と空調設備を連成した空調方式の開発」、②「冷涼な外気を活用した潜熱・顕熱冷却空調方式の開発」、③「空調設備の保全データの定量化と室温変化を伴う信頼性評価ツールの開発」、④「置換換気空調方式の温度成層形成要因のモデル化と予測手法の開発」の4つの課題について、適応範囲、構成基準、その対策と効果を定量的に明らかにし、実用性の高い成果として取り纏める。

  • 研究成果

    (15件)

すべて 2020 2019

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (11件)

  • [雑誌論文] Formulation of Coefficient of Performance Characteristics of Water-cooled Chillers and Evaluation of Composite COP for Combined Chillers2020

    • 著者名/発表者名
      Yamamoto Toru、Hayama Hirofumi、Hayashi Takao
    • 雑誌名

      Energies

      巻: 13 ページ: 1182~1182

    • DOI

      10.3390/en13051182

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 住宅用樹脂製窓の熱的性能が寒冷地の窓の暖房負荷に与える影響2020

    • 著者名/発表者名
      高田和規, 羽山広文, 森太郎, 菊田弘輝
    • 雑誌名

      日本建築学会技術報告集

      巻: 26(62) ページ: 173-178

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 中央監視装置の遠隔操作による省エネルギー自動運用システムの開発と実証 第1報 空調機の給気温度設定の自動運用と実証2020

    • 著者名/発表者名
      山本亨, 羽山広文, 林恭生
    • 雑誌名

      空気調和・衛生工学会論文集

      巻: 45(274) ページ: 11-19

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 大学施設における削減可能なエネルギー消費量の推計と双方向ユーザーインターフェースを有する「見える化システム」の開発2019

    • 著者名/発表者名
      魚住昌広, 半澤 久, 羽山広文
    • 雑誌名

      日本建築学会環境系論文集

      巻: 84(758) ページ: 447-456

    • 査読あり
  • [学会発表] 熱源システムの最適運転方策に関する一手法2019

    • 著者名/発表者名
      山本亨, 羽山広文, 林恭生, 宮田大輔
    • 学会等名
      空気調和・衛生工学会学術講会
  • [学会発表] CFD解析を利用したデータセンターの空調給気量の検討2019

    • 著者名/発表者名
      宮本将行, 二渡直樹, 羽山広文, 森太郎
    • 学会等名
      空気調和・衛生工学会学術講会
  • [学会発表] 室温上昇を考慮した空調システムの信頼性評価法2019

    • 著者名/発表者名
      石浦皓平, 羽山広文, 森太郎, 丸山純, 木村勇気
    • 学会等名
      空気調和・衛生工学会学術講会
  • [学会発表] データセンター空調システムの省エネルギーおよび信頼性向上技術の開発 (第6報)間接外冷システムにおける実運用時の最適制御の実装と検2019

    • 著者名/発表者名
      前田健蔵, 山口さとみ, 三浦克弘, 小野永吉, 任雅欣, 羽山広文
    • 学会等名
      空気調和・衛生工学会学術講会
  • [学会発表] データセンター空調システムの省エネルギーおよび信頼性向上技術の開 発 (第6 報)間接外冷システムにおける実運用時の最適制御の実装と検証2019

    • 著者名/発表者名
      任雅欣, 羽山広文, 前田健蔵, 三浦克弘, 小野永吉, 町田一樹
    • 学会等名
      空気調和・衛生工学会学術講会
  • [学会発表] 間接外気冷房型データセンターの高効率運用方法に関する研究 その1 運用実態の把握および高効率運転方法の提案2019

    • 著者名/発表者名
      任雅欣, 羽山広文, 町田一樹, 前田健蔵, 三浦克弘, 小野永吉
    • 学会等名
      日本建築学会大会学術講演会
  • [学会発表] 間接外気冷房型データセンターの高効率運用方法に関する研究 その2 数値流体解析による適正空調給気量の検討2019

    • 著者名/発表者名
      町田一樹, 羽山広文, 任雅欣, 前田健蔵, 三浦克弘, 小野永吉
    • 学会等名
      日本建築学会大会学術講演会
  • [学会発表] 風量可変のICT機器の特性に関する基礎的研究2019

    • 著者名/発表者名
      二渡直樹, 月元秀樹, 宇田川陽介, 宮本将行, 羽山広文
    • 学会等名
      日本建築学会大会学術講演会
  • [学会発表] データセンター用空調システムの高効率化に関する研究 その2 CFDによるブランクパネルの再循環抑制効果の検証2019

    • 著者名/発表者名
      宮本将行, 二渡直樹, 羽山広文, 森太郎
    • 学会等名
      日本建築学会大会学術講演会
  • [学会発表] 室温上昇を考慮した空調システムの信頼性評価法2019

    • 著者名/発表者名
      石浦皓平, 羽山広文, 森太郎, 木村勇気, 丸山純
    • 学会等名
      日本建築学会大会学術講演会
  • [学会発表] 機器排熱を考慮した置換換気方式に関する研究 その2 置換換気を導入した工場のエネルギー特性評価2019

    • 著者名/発表者名
      永田貴一, 羽山広文, 森太郎, 加藤祐一
    • 学会等名
      日本建築学会大会学術講演会

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公開日: 2021-01-27  

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