급속한 IT산업의 발전과 함께 IT인프라가 기업 경쟁력의 핵심으로 자리하면서 기업들의 전산센터 수요도 급속히 증가하고 있다. 또한 기술발전에 따라 장비의 집적도, 발열 및 전력소비량도 계속적으로 증가하므로 실내 환경제어에 관련된 설계방법도 지속적인 개선이 요구되고 있다. 전산센터는 IT장비의 운영환경을 최적의 상태로 유지시키는 것이 우선되는 산업공조 건물로 에너지의 생산에서부터 분배에 이르기까지 대규모의 비효율이 발생한다. 여기에는 크게 IT환경 유지를 위한 공조효율 저하와 과다한 에너지소비가 심각한 문제가 되고 있다. 전산센터의 실내환경이 최적화되지 못하고 온도가 높아져 장비고장과 오류가 발생하는 주된 원인은 냉각용량의 문제가 아니라 공조효율에 대한 문제이다. 그리고 서버냉각 에너지를 줄이는 것이 전산센터의 전체 에너지소비를 줄이는 최선의 방안이며, 향후 기하급수적으로 증가할 전산센터의 공조효율 증대와 에너지 절약적인 시스템 계획 방법에 관한 연구가 절실하게 필요한 시점이다. 본 논문은 선행연구를 기반으로 대규모 및 전산센터에서 공기재순환에 의한 공조효율이 저하될 수 있다는 가능성을 사례 전산센터의 실측과 운영관리 자료를 통해 조사하였고, 이를 해결하기 위해 IT서버 배치와 급·배기 조합에 의한 공기분배시스템 방식 등을 중심으로 공조효율을 평가하고 운영, 관리측면에서 에너지 절약적인 시스템을 분석하여 전산센터의 공조시스템 계획에 대한 기반자료를 제시하였다.
공기분배시스템 효율평가를 위해 ...
급속한 IT산업의 발전과 함께 IT인프라가 기업 경쟁력의 핵심으로 자리하면서 기업들의 전산센터 수요도 급속히 증가하고 있다. 또한 기술발전에 따라 장비의 집적도, 발열 및 전력소비량도 계속적으로 증가하므로 실내 환경제어에 관련된 설계방법도 지속적인 개선이 요구되고 있다. 전산센터는 IT장비의 운영환경을 최적의 상태로 유지시키는 것이 우선되는 산업공조 건물로 에너지의 생산에서부터 분배에 이르기까지 대규모의 비효율이 발생한다. 여기에는 크게 IT환경 유지를 위한 공조효율 저하와 과다한 에너지소비가 심각한 문제가 되고 있다. 전산센터의 실내환경이 최적화되지 못하고 온도가 높아져 장비고장과 오류가 발생하는 주된 원인은 냉각용량의 문제가 아니라 공조효율에 대한 문제이다. 그리고 서버냉각 에너지를 줄이는 것이 전산센터의 전체 에너지소비를 줄이는 최선의 방안이며, 향후 기하급수적으로 증가할 전산센터의 공조효율 증대와 에너지 절약적인 시스템 계획 방법에 관한 연구가 절실하게 필요한 시점이다. 본 논문은 선행연구를 기반으로 대규모 및 전산센터에서 공기재순환에 의한 공조효율이 저하될 수 있다는 가능성을 사례 전산센터의 실측과 운영관리 자료를 통해 조사하였고, 이를 해결하기 위해 IT서버 배치와 급·배기 조합에 의한 공기분배시스템 방식 등을 중심으로 공조효율을 평가하고 운영, 관리측면에서 에너지 절약적인 시스템을 분석하여 전산센터의 공조시스템 계획에 대한 기반자료를 제시하였다.
공기분배시스템 효율평가를 위해 CFD시뮬레이션을 수행하여 다음과 같이 공조효율이 개선됨을 검증하였다. 냉복도(cold aisle)와 열복도(hot aisle)로 공조구역구분 및 서버를 배치하여 공기분배시스템을 구성할 경우, 공기재순환 및 혼합 현상이 감소하여 냉각을 위한 공기가 유입되는 랙서버 상단부의 공기인입구에서 권장온도(25℃)를 초과하는 지점이 줄어든다. 또한 IT서버의 인입구 평균공기온도가 1.6℃ 감소되고 서버발열제거 효율이 향상됨을 알 수 있었다. 공기분배시스템 방식별 공조효율평가는 6가지 대안을 공조효율 평가지표인 SHI와 RHI를 이용하여 비교 분석하였다. 그 결과, 측면급기/천장환기방식은 구간별로 큰 온도편차를 보이며 냉복도와 열복도의 평균온도차가 ΔT=3.3℃로 공기재순환이 지속적으로 이루어져서 가장 비효율적이다. 반대로 천장급기/천장환기와 바닥급기/천장환기방식은 공조구역별 수직평균온도분포에서 구간별로 온도편차가 작으며 냉복도와 열복도의 평균온도차는 ΔT=10℃ 이상으로 공조구역이 효과적으로 구분되어 최대 2.6배 이상의 공조효율 개선이 가능하였다. 공기의 재순환을 방지하기 위해 서버상부의 0.6m 지점까지 열복도와 냉복도를 물리적으로 구분하는 공조파티션시스템을 제안하였고 RCI와 RTI 평가지표 기준으로 약 10%의 추가적인 공조효율 향상됨을 알 수 있었다. 공조 파티션시스템은 또한 급기온도를 상향시킬 수 있어서 냉난방시스템과 연계된 에너지 성능 개선도 가능하다. 공조파티션시스템 적용으로 공조효율향상과 함께 급기온도 3℃ 상향이 가능하였고 냉난방시스템과 연동하여 냉수공급온도를 2℃ 상향 설정할 수 있다. 그 결과, 냉동기의 성적계수는 약 5.2% 향상되며 기본냉난방시스템을 기준으로 연간 약 4.0% 에너지소비량이 절감되는 것으로 분석되었다.
급속한 IT산업의 발전과 함께 IT인프라가 기업 경쟁력의 핵심으로 자리하면서 기업들의 전산센터 수요도 급속히 증가하고 있다. 또한 기술발전에 따라 장비의 집적도, 발열 및 전력소비량도 계속적으로 증가하므로 실내 환경제어에 관련된 설계방법도 지속적인 개선이 요구되고 있다. 전산센터는 IT장비의 운영환경을 최적의 상태로 유지시키는 것이 우선되는 산업공조 건물로 에너지의 생산에서부터 분배에 이르기까지 대규모의 비효율이 발생한다. 여기에는 크게 IT환경 유지를 위한 공조효율 저하와 과다한 에너지소비가 심각한 문제가 되고 있다. 전산센터의 실내환경이 최적화되지 못하고 온도가 높아져 장비고장과 오류가 발생하는 주된 원인은 냉각용량의 문제가 아니라 공조효율에 대한 문제이다. 그리고 서버냉각 에너지를 줄이는 것이 전산센터의 전체 에너지소비를 줄이는 최선의 방안이며, 향후 기하급수적으로 증가할 전산센터의 공조효율 증대와 에너지 절약적인 시스템 계획 방법에 관한 연구가 절실하게 필요한 시점이다. 본 논문은 선행연구를 기반으로 대규모 및 전산센터에서 공기재순환에 의한 공조효율이 저하될 수 있다는 가능성을 사례 전산센터의 실측과 운영관리 자료를 통해 조사하였고, 이를 해결하기 위해 IT서버 배치와 급·배기 조합에 의한 공기분배시스템 방식 등을 중심으로 공조효율을 평가하고 운영, 관리측면에서 에너지 절약적인 시스템을 분석하여 전산센터의 공조시스템 계획에 대한 기반자료를 제시하였다.
공기분배시스템 효율평가를 위해 CFD 시뮬레이션을 수행하여 다음과 같이 공조효율이 개선됨을 검증하였다. 냉복도(cold aisle)와 열복도(hot aisle)로 공조구역구분 및 서버를 배치하여 공기분배시스템을 구성할 경우, 공기재순환 및 혼합 현상이 감소하여 냉각을 위한 공기가 유입되는 랙서버 상단부의 공기인입구에서 권장온도(25℃)를 초과하는 지점이 줄어든다. 또한 IT서버의 인입구 평균공기온도가 1.6℃ 감소되고 서버발열제거 효율이 향상됨을 알 수 있었다. 공기분배시스템 방식별 공조효율평가는 6가지 대안을 공조효율 평가지표인 SHI와 RHI를 이용하여 비교 분석하였다. 그 결과, 측면급기/천장환기방식은 구간별로 큰 온도편차를 보이며 냉복도와 열복도의 평균온도차가 ΔT=3.3℃로 공기재순환이 지속적으로 이루어져서 가장 비효율적이다. 반대로 천장급기/천장환기와 바닥급기/천장환기방식은 공조구역별 수직평균온도분포에서 구간별로 온도편차가 작으며 냉복도와 열복도의 평균온도차는 ΔT=10℃ 이상으로 공조구역이 효과적으로 구분되어 최대 2.6배 이상의 공조효율 개선이 가능하였다. 공기의 재순환을 방지하기 위해 서버상부의 0.6m 지점까지 열복도와 냉복도를 물리적으로 구분하는 공조파티션시스템을 제안하였고 RCI와 RTI 평가지표 기준으로 약 10%의 추가적인 공조효율 향상됨을 알 수 있었다. 공조 파티션시스템은 또한 급기온도를 상향시킬 수 있어서 냉난방시스템과 연계된 에너지 성능 개선도 가능하다. 공조파티션시스템 적용으로 공조효율향상과 함께 급기온도 3℃ 상향이 가능하였고 냉난방시스템과 연동하여 냉수공급온도를 2℃ 상향 설정할 수 있다. 그 결과, 냉동기의 성적계수는 약 5.2% 향상되며 기본냉난방시스템을 기준으로 연간 약 4.0% 에너지소비량이 절감되는 것으로 분석되었다.
With the advance of technology, the density of IT equipment, heat load and power consumption continue to increase. Consequently, there is a demand for continual improvement of indoor environment control system design. From production to distribution of energy, inefficiencies on a large scale occur i...
With the advance of technology, the density of IT equipment, heat load and power consumption continue to increase. Consequently, there is a demand for continual improvement of indoor environment control system design. From production to distribution of energy, inefficiencies on a large scale occur in data centers. The serious problems here are largely the decline of the cooling efficiency related to the IT environment maintenance and the excessive energy consumption. The main cause of the failure in maintaining a data center’s indoor environment at an optimal state and of the consequent equipment breakdown and malfunction from high temperature is not a cooling capacity but a cooling efficiency problem. Also, reducing rack cooling is the best measure for paring the overall energy consumption of a data center, and there is an urgent need now to study the method of planning an energy savings system and increasing the cooling efficiency of data center that are expected increase exponentially in the future.
To solve the cooling efficiency drop caused by air-recirculation in data center, this study presented the foundational data for HVAC system planning for data center based on an evaluation of cooling efficiency centered on the IT server placement and the air distribution system composed of supply and return air system combination, as well as on an analysis of the energy savings system from the operation and management standpoint. The study evaluated air distribution system efficiency by using CFD simulations and verified the cooling efficiency improvement as follows. When the air distribution system is composed with the cold aisle and hot aisle configuration and the servers are placed accordingly, air-recirculation and mixing are reduced, and consequently the area near the air intake where the cooling air flows in, at the top part of the rack server, that exceeds the recommended temperature (25℃) is also reduced. Additionally, the average air temperature at the IT server’s intake is reduced by 1.6℃ and the heat removal efficiency is improved. To evaluate the cooling efficiency by air distribution system method, six types of alternative plans were compared and analyzed using the cooling efficiency evaluation indices of SHI and RHI.
From the results, O-CS/LR shows a large temperature deviation by section and is most inefficient because, with an average temperature difference of ΔT=3.3℃ between the cold aisle and the hot aisle, there is continuous air-recirculation. In contrast, for O-LS/LR and U-LS/LR, the temperature deviation by section is small in the average vertical temperature distribution by cooling zone, and with the average temperature difference of ΔT=10℃ or greater between the cold aisle and the hot aisle, the cooling zones are effectively differentiated, making it possible to achieve a maximum cooling efficiency improvement of 2.6 times or more. To prevent air-recirculation, the study proposed an aisle partition system that separates the cold aisle and the hot aisle vertically up to the point 0.6m at the top of the server, and this was found to achieve about 10% of improvement in cooling efficiency on the basis of the RCI and RTI evaluation indices. Furthermore, since an aisle partition system can raise the supply air temperature, an improvement of energy performance linked to the primary system is also possible.
The application of an aisle partition system improved the cooling efficiency and made it possible to raise the supply air temperature by 3℃, and in connection with the primary system, it allowed the supply chilled water temperature to be set 2℃ higher. As a result, the COP(Coefficient of Performance) of chiller improved by about 5.2%, and on the basis of basic chilled water system, the annual energy consumption is reduced by about 4.0%.
With the advance of technology, the density of IT equipment, heat load and power consumption continue to increase. Consequently, there is a demand for continual improvement of indoor environment control system design. From production to distribution of energy, inefficiencies on a large scale occur in data centers. The serious problems here are largely the decline of the cooling efficiency related to the IT environment maintenance and the excessive energy consumption. The main cause of the failure in maintaining a data center’s indoor environment at an optimal state and of the consequent equipment breakdown and malfunction from high temperature is not a cooling capacity but a cooling efficiency problem. Also, reducing rack cooling is the best measure for paring the overall energy consumption of a data center, and there is an urgent need now to study the method of planning an energy savings system and increasing the cooling efficiency of data center that are expected increase exponentially in the future.
To solve the cooling efficiency drop caused by air-recirculation in data center, this study presented the foundational data for HVAC system planning for data center based on an evaluation of cooling efficiency centered on the IT server placement and the air distribution system composed of supply and return air system combination, as well as on an analysis of the energy savings system from the operation and management standpoint. The study evaluated air distribution system efficiency by using CFD simulations and verified the cooling efficiency improvement as follows. When the air distribution system is composed with the cold aisle and hot aisle configuration and the servers are placed accordingly, air-recirculation and mixing are reduced, and consequently the area near the air intake where the cooling air flows in, at the top part of the rack server, that exceeds the recommended temperature (25℃) is also reduced. Additionally, the average air temperature at the IT server’s intake is reduced by 1.6℃ and the heat removal efficiency is improved. To evaluate the cooling efficiency by air distribution system method, six types of alternative plans were compared and analyzed using the cooling efficiency evaluation indices of SHI and RHI.
From the results, O-CS/LR shows a large temperature deviation by section and is most inefficient because, with an average temperature difference of ΔT=3.3℃ between the cold aisle and the hot aisle, there is continuous air-recirculation. In contrast, for O-LS/LR and U-LS/LR, the temperature deviation by section is small in the average vertical temperature distribution by cooling zone, and with the average temperature difference of ΔT=10℃ or greater between the cold aisle and the hot aisle, the cooling zones are effectively differentiated, making it possible to achieve a maximum cooling efficiency improvement of 2.6 times or more. To prevent air-recirculation, the study proposed an aisle partition system that separates the cold aisle and the hot aisle vertically up to the point 0.6m at the top of the server, and this was found to achieve about 10% of improvement in cooling efficiency on the basis of the RCI and RTI evaluation indices. Furthermore, since an aisle partition system can raise the supply air temperature, an improvement of energy performance linked to the primary system is also possible.
The application of an aisle partition system improved the cooling efficiency and made it possible to raise the supply air temperature by 3℃, and in connection with the primary system, it allowed the supply chilled water temperature to be set 2℃ higher. As a result, the COP(Coefficient of Performance) of chiller improved by about 5.2%, and on the basis of basic chilled water system, the annual energy consumption is reduced by about 4.0%.
주제어
#데이터센터(전산센터)
#IT 환경
#공기분배시스템
#냉난방시스템
#공조효율
#에너지절감
#data center
#IT environment
#air distribution system
#HAVC system
#cooling efficiency
#energy conservation
학위논문 정보
저자
박영찬
학위수여기관
연세대학교 공학대학원
학위구분
국내석사
학과
산업정보경영전공
지도교수
김우주
발행연도
2016
총페이지
83장
키워드
데이터센터(전산센터),
IT 환경,
공기분배시스템,
냉난방시스템,
공조효율,
에너지절감,
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HAVC system,
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energy conservation
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