サーバルームの安定運用と省エネ化
エアフローマネジメント（気流制御）による取組み

Room Air Conditioner）の床吹き出し方式が採用されている事例が最も多い。
近年、高度情報化社会の進展により、情報通信

床吹き出し方式の空調では、CRACが作り出し技術の利用はますます進み、サーバルームの需要た冷気をフリーアクセスに給気し、グリルパネルが急激に増加している。また、省エネルギー関係（開口タイル）経由で、サーバラック前面の吸い法令などの法的要求への対応と、運用コストの削込み側に冷気を供給する。サーバを冷却し温度が減は、サーバルームを保有する施設にとって急務上がった排気（排熱）はサーバ後方に排出され、となっている。

CRACに戻り再度冷却されるという循環になってサーバルームの安定運用と省エネルギーの両立いる。

を実現するためには、空調システムの最適化、特に空気の流れを制御することが重要となる。IT
機器の冷却はサーバの安定稼働に関わる問題のたCRAC

め、省エネ化は容易ではないが、適切なエアフローマネジメント（気流制御）により、熱だまりサーバラックや過冷却を解消することで冷却効率が向上する。
こ こ で 紹 介 す るAdaptivCOOL＊ は、 シ ミ ュレーション技術と、それに基づいたエアフローマネジメントを行うことで、熱問題の解決と高い運転効率を実現するサーバルーム向け温熱環境ソグリルパネル（開口タイル）
フリーアクセス

図1

リューションである。サーバルームの運用を継続しながらでも適用でき、比較的少ないコストで大きな効果をもたらす方法である。

床吹き出し方式

個々のサーバが発生する熱は、その機種や負荷によって違いがあり、また時間による変動もある。つまり、サーバ単位、サーバラック単位で冷却に必要な冷気の量はそれぞれ異なり、更にそれが時間により変化する。

新設のサーバルームでは、様々な空調システム

一方、サーバに冷気を供給する側としては、グの取組みも行われているが、既設のサーバルームリルパネルからの供給風量を制御するのは難し

では、サーバルーム用空調機（CRAC：Computer

く、成り行きでの冷気の分配にならざるを得ない。その結果、サーバの熱負荷と冷気の供給がバ＊商標について
AdaptivCOOLは、米国Degree Controls社の商標です。

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ランスせず、熱だまりや過冷却のエリアができることがある。

更にサーバルームを運用する期間が長くなるに従い、サーバの増減とともに、熱負荷も変化し、バランスを取ることが困難になる。

温熱環境の阻害要因

表1は、サーバルームの温熱環境を阻害する要因とその原因をまとめたものである。

結果として、熱だまりを避けるためにサーバルーム全体の過冷却を許容しエネルギーコストを負担するか、リスクがありながらも高い温度環境で運用を継続するかのいずれかとなる。

2.1

2.2

推奨温湿度条件

現在、1サーバラック当たりのIT負荷は4kW前後が最も多いが、今後は8～ 10kW程度まで増大していくことが想定される。
サーバやネットワーク機器などのIT機器は、安定稼働のためにASHRAEガイドラインで規定されている推奨温湿度範囲内1） に維持することが求められる。ASHRAE TC9.9が2011年に発行したガイドラインでは、推奨される温熱環境範囲
として温度は下限18℃から上限27℃、湿度は下限

表1

サーバルームでの課題の例

温熱環境阻害要因想定される具体事例
グリルパネルから 床下の障害物
風がでない
グリルパネルの過剰配置
CRACの供給風量が少ない
床下での乱流や渦の発生
CRACの運転効率 室内の構造物により、排気がの悪化
CRACに戻らない
冷風のショートサーキット
隣接するCRAC間での干渉
CRACレイアウトの不良
CRAC運転台数が過剰
CRAC温度設定値が不適切
温熱環境に対する サーバラックへの機器の過剰
認識不足
搭載
サーバラックレイアウト不良
グリルパネルレイアウト不良
排気の回り込みが露点温度5.5℃DPから上限が相対湿度60％ RH、

一般的にサーバルーム内のフリーアクセスは、

ま た は 露 点 温 度15 ℃DPと 定 義 さ れ て い る（ 図

空調用に使用しているだけでなく、ネットワーク2）。

ケーブルや電源ケーブルの配線場所としても使用されている場合が多く、床下がケーブルで埋ま

図2

空気線図上での推奨温湿度範囲

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り、冷気の移動が妨げられ、グリルパネルから冷す範囲が大きく、意図せずに他のエリアの冷却効

気が出ないことがある。

率に悪影響を及ぼす可能性を秘めている。
施策実施の際は、サーバルーム全体の状況を把握し、それぞれの施策の相互作用を理解することで、体系的なアプローチを展開することができる3）。
なお、サーバルームの規模、サーバラックやCRACの数、レイアウトが異なっても、原因とその影響の相互関係はどれも似ており、それに対する解決策も同様である。

写真1

床下障害物

その結果、サーバの必要風量が、グリルパネルからの供給風量だけでは足りず、サーバからの排熱が混合しサーバの吸込み温度が上昇してしまうケースが頻発している。このときCRACの温度設定値を下げることで温熱環境を改善させることが

図4

多いが、この対策が原因でCRACの運転効率を大温熱環境阻害要因の相互関係きく低下させている。しかし、本当の原因であるエアフローの混合問題は改善されていないままなので、温熱環境悪化のリスクは残ったままである。

2.3

サーバルーム空調への要求

サーバルームの空調システムに求められるもの
は、①継続的な安定稼働、②温熱環境の維持、③省エネルギーの三つである。
継続的な安定稼働のためには真の冗長化システ
ムが必要であり、IT機器類は、推奨温湿度範囲内に維持しつつ、CRAC等の冷却機器は不要な冷熱と供給風量を極力抑え、高い運転効率を維持して運用する必要がある。
サーバルームは絶えず進化し続けており、今後も大きなIT負荷の変動が平面的／時間的に生じ

図3

冷気とサーバ排熱の混合

またIT機器の増設や撤去等の運用上の変化にる可能性がある。このIT負荷変動に対応するためには、空調システム側でも負荷変動に追従できる仕組みが不可欠となる。

対応するために、グリルパネルの再配置や、空調これらの課題に対して、エアフローマネジメンの温度設定変更などの対策を実施している。これトというアプローチで解決に導こうとするのが、ら個別の対応は、部分的に正しい施策であるが、AdaptivCOOLソリューションである。

サーバルームの床下は連続空間のため影響を及ぼ

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3.1

温熱環境アセスメント⑴

CFDシミュレーション

AdaptivCOOLの 基 本 コ ン セ プ ト はDemand

サーバルームでの温熱環境改善は、トライアル

Based Coolingである。これは熱負荷に応じて必アンドエラーを繰り返して「とりあえずやってみ要なところに必要なだけ冷気を供給することである」ということは難しい。なぜならば、24時間り、サーバルーム内の気流を制御することにより365日稼働しているサーバルームで「やってみた実現する。

がうまくいかなかった」ことは許されないからで

サーバルーム内に発生する熱だまりに着目して、サーバに対する供給風量を制御するのは当然ある。そのため、CFDによる温熱環境シミュレーションが威力を発揮する。

だが、個々のCRACに対しても、還気温度と給気実際のサーバルームのCFDモデルを作成する

温度に適切な温度差がつくように供給風量を制御ために、実際のサーバルームで詳細調査を実施すすることで、CRACの高効率運転に寄与する。

る。この調査では、気流に影響を与えるすべてのこのように、問題がある特定箇所だけに注目すオブジェクト情報を収集し、既存のサーバルームるのではなく、サーバルーム全体を対象としたエを忠実に再現する。そのため、設計プロセスで用アフローマネジメントが、理想的な温熱環境と省いる簡略化モデルではなく、実負荷データを用いエネルギー／省CO2 の実現、IT機器の安定運用た詳細なCFDモデルとなる。
CFDシミュレーションでは、複雑な冷却問題に対して極めて有効である。
AdaptivCOOLは 大 き く 分 け て、CFDシ ミ ュを見える化し、これまでは推定作業だった運用改レーション（Computational Fluid Dynamics：数善作業の効率を大幅に改善することができる。

値流体力学）を利用した温熱環境の見える化やシCFDシミュレーションの更なるメリットは、実ナリオ分析を実現する「温熱環境アセスメント」

際のサーバルームで試行できない施策を、モデルと、実際に室内の気流を制御するためのシステム上で試すことができる点である。例えば、CRAC機器「DBC（Demand Based Cooling）システム」の故障を想定して、CRAC停止時の温度上昇を予により構成される。

測することなど、現場レベルで予測・分析したいシナリオは数多くある。

図5

床冷却ファンによる空気の流れ

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3.2 DBC（Demand Based Cooling）システム
次に、実際に室内の気流を制御するためのシス⑶

Demand Based Cooling制御
気流の制御方法の最後に、部屋全体の空気の流テム機器を紹介する。

れを考慮した連携制御について述べる。床吹き出⑴し方式のサーバルームにおいては、床下も室内と床冷却ファンによる冷却
床冷却ファンは、供給風量が不足しているサーバ同じように一つに繋がっていることが多く、あるラックの周辺に設置し、冷気をサーバラック前面に部分の影響は部屋全体に伝わることとなる。例え強制的に吹き上げることで熱だまりを解消する。

ば一つのCRACをメンテナンスで停止した際に床冷却ファンは、サーバラックに取り付けたセは、そのCRACの近傍だけでなく、離れた場所にンサが計測したサーバ前面の吸込み温度と連動しも影響が伝播していく。たとえ代替CRACを1台て自動的に回転数を増減するため、変動する熱負起動してCRACの熱処理能力の合計値を同じにし荷に対応した冷却が可能になり、個別サーバラッても、CRACの位置による影響があり、結果としクでの最適化を実現できる。てサーバルーム内が全く同じ温熱環境になることはない。
個々の床冷却ファンや天井還気ファンは、温度制御することで個別最適は実現可能であるが、先に述べたようにサーバルーム内と床下はすべて連続した空間であるため、個々の対策を行ったとこ

図6⑵

床冷却ファン

天井還気ファンによる冷却サーバから排出された排気が、天井の梁や様々ろで部屋全体が最適になるとは限らない。ネットワークで繋がれた床冷却ファンと天井還気ファンが連携し部屋全体の大きな空気の流れを制御することで、全体最適が可能となる。

な障害物によって、CRACに戻るための経路が確

一方、温熱環境を最適化することで無駄をなく保できない場合も多い。結果としてはその近辺にすことができるが、それは同時に負荷変動に対す熱気がたまることになり、サーバの温熱環境の悪る余裕の低減にも繋がる。省エネルギーの最適化化に繋がる。これを避ける方法の一つが、天井還の実施には、部屋全体の制御のような安定運用の気ファンにより熱気を積極的にCRACに戻すこと手段を併せ持つことが必要で、エアフローマネジである。これにより排熱がスムーズにCRACに戻メントを適切に行うことで、安定運用と省エネ化り、室内の熱だまりを防ぐとともに、CRACの還の両立ができる。

気温度が上昇し、CRACの運転効率が向上するこ

表2とで、省エネルギーにも寄与する。

CRACで作った冷気の有効利用

省エネルギー

CRACの運転効率の向上

省エネルギー

不要なCRACの停止

省エネルギー、冗長化準備停止したCRACを冗長機として活用

安定運用

温熱環境の変化に追従し最適環境維持

安定運用

図772

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天井還気ファン

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気流制御の導入効果

図8

AdaptivCOOL

DBCシステム■導入前状況
・CRAC運転台数4台 （4台は将来用）
次に、AdaptivCOOLの導入事例を紹介する。

・問題となる熱だまりはなし
・一部エリアが過冷却状態

4.1

事例A（省エネルギー）

・全般的にグリルパネルからの供給風量が少ない

面積 400㎡、CRAC 8台、サーバラック 95台

図9・隣接CRACが影響し合い、オンオフを繰り返すAdaptivCOOL導入前

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■導入後状況・CRAC運転台数を4台から2台に削減

・高密度サーバラックへの供給風量の増加

・CFDシミュレーションに従い、冷気の分配を・CRAC停止と設定温度緩和により48％の省エネ
ルギー

最適化

図10

AdaptivCOOL導入後

図11は、サーバラックの吸い込み温度毎の分布である。全体として冷やし過ぎの傾向にあった

4.2

事例Ｂ（熱だまり解消、省エネルギー）

面積 250㎡、CRAC 3台、サーバラック 62台サーバラックの温度が上昇し、更に比較的狭い温■導入前状況

度範囲に集中していることが分かる。これに伴っ・CRAC運転台数3台てCRACの運転台数が削減でき、稼働している

・12サーバラックが28℃以上（ASHRAE基準外）

CRACの運転効率も向上し、48％の省エネルギー

・サーバラック温度範囲が9℃と幅広く分布し、という結果が得られている。

冷気の適正分配が不十分（20℃～ 29℃）
■導入後状況
・CFDシミュレーションに従い、冷気の分配を最適化
・熱だまり除去で25℃以上のサーバラックなし
・CRACの運転効率向上により22％の省エネルギーを実現
図12でのサーバラックの吸い込み温度毎の分布を見ると分かるように、20℃程度のサーバラック

図11

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サーバラック吸い込み温度の改善結果－1

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2017.7もありながら、すべてのCRACを運転しても28℃以上の熱だまりが存在している状況であった。気最後に、本調査に当たりアズビル（株）殿に資流制御により熱だまりの除去をするとともに、料提供等のご協力をいただいたことに対し、感謝

CRAC間の熱負荷を均等化することで運転効率がの意を表します。

向上し、22％の省エネルギーも実現した。
なお、建築コスト管理システム研究所のホームページに本原稿をカラーで掲載しております。
http : //www.ribc.or.jp/research/pdf/report/
report51.pdf

図12

サーバラック吸い込み温度の改善結果－2

サーバルームの安定運用を目的とした熱問題の改善施策として、従来は、CRACの追加などサーバルームの改修工事が行われてきた。
今回のAdaptivCOOLは、サーバルーム内の空気の流れを制御し温熱環境を継続的に維持する新たな手法として、比較的少ないコストで大きな効果をもたらすものと考えられる。

サーバルームが機能し続けるという最優先の目的を達成するために、温熱環境の維持は、高信頼IT機器の導入や電源の冗長化などと並んで、重要項目である。と同時に運用のエネルギーやコストを削減することが求められている中、CFDシ
ミュレーションとエアフローマネジメントによる温熱環境制御は、安定運用と省エネルギーという一見相反する要求を両立するソリューションとして有効であり、常に変化し続けるサーバルームに対応できる手段であると考える。

（参考文献）
１）ASHRAE TC 9.9,“2011 Thermal Guidelines for Data
Processing Environments - Expanded Data Center Classes
and Usage Guidance”
２）Best Practices for Datacom Facility Energy Efficiency, Second
Edition, ASHRAE, 2009３）Wally Phelps,“New Techniques for Energy-Efficient Data
Center. Cooling Apply to Both Large and Small Centers.”
４）吉田公彦・海老原克司「データセンターのエアフローマネージ
メント」『Azbil Technical Review』2014年4月発行号

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