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문제 정의
- IT 산업에 의한 이산화탄소 배출량이 전체 산업의 2%를 차지하면서 온실가스 다배출 산업으로 지목받고 있다.(3) 본 연구는 최근 그 수요가 급격하게 증가하는 고밀도 데이터센터의 전산 메커니즘을 고려하여 합리적인 에너지 절약적 공조시스템 선정방안을 고찰하는데 목적이 있다.
- 본 연구는 대표적인 고밀도 내부부하 중심 건물인 데이터센터의 과다한 에너지소비를 효과적으로 절감할 수 있는 외기이용 시스템 적용을 위한 객관적인 선정방안을 에너지 시뮬레이션의 정량적 해석을 사용하여 분석하였다. 따라서 데이터센터의 특성(장비의 안전한 보호), 국내의 기상조건, 에너지 절감효과 및 시스템 구성 및 건축사항 등을 종합적으로 고려하여 외기냉수냉방 시스템과 외기냉방 시스템을 비교하였다.
제안 방법
- 기본 열원 시스템의 에너지시용량을 객관적으로 비교분석하기 위해 구동 에너지원을 전력으로 통일 하여 시스템을 구성하였다. 동적 에너지 시뮬레이션을 통해 앞서 산출된 8,760시간의 건물 부하량을 기초로 중앙냉수식의 에너지 사용량을 산출하였다.
- 데이터센터의 건물부하 분석을 위해 TRNSYS를 이용하여 동적에너지 해석을 수행 하였다. 데이터센 터의 부하패턴 및 운영특성을 반영한 전산발열 등의 부하요소와 운영 스케줄을 적용하여 연간 건물 부하 발생량을 도출하였다. 대상 건물을 모델링하기 위하여 TRNSYS 16프로그램의 모듈인 TRNBuild 프로그램을 사용하였다.
- 데이터센터의 건물부하 분석을 위해 TRNSYS를 이용하여 동적에너지 해석을 수행 하였다. 데이터센 터의 부하패턴 및 운영특성을 반영한 전산발열 등의 부하요소와 운영 스케줄을 적용하여 연간 건물 부하 발생량을 도출하였다.
- 기본 열원 시스템의 에너지시용량을 객관적으로 비교분석하기 위해 구동 에너지원을 전력으로 통일 하여 시스템을 구성하였다. 동적 에너지 시뮬레이션을 통해 앞서 산출된 8,760시간의 건물 부하량을 기초로 중앙냉수식의 에너지 사용량을 산출하였다. 또한 기본적인 시스템 제어방식은 제거할 부하량에 비례하여 구동장비의 대수제어로 단순화하여 분석하였다.
- 본 연구는 대표적인 고밀도 내부부하 중심 건물인 데이터센터의 과다한 에너지소비를 효과적으로 절감할 수 있는 외기이용 시스템 적용을 위한 객관적인 선정방안을 에너지 시뮬레이션의 정량적 해석을 사용하여 분석하였다. 따라서 데이터센터의 특성(장비의 안전한 보호), 국내의 기상조건, 에너지 절감효과 및 시스템 구성 및 건축사항 등을 종합적으로 고려하여 외기냉수냉방 시스템과 외기냉방 시스템을 비교하였다. 그 결과는 다음과 같이 요약할 수 있다.
- 동적 에너지 시뮬레이션을 통해 앞서 산출된 8,760시간의 건물 부하량을 기초로 중앙냉수식의 에너지 사용량을 산출하였다. 또한 기본적인 시스템 제어방식은 제거할 부하량에 비례하여 구동장비의 대수제어로 단순화하여 분석하였다. 건물의 부하패턴이 연중 약 80% 이상의 부하율을 유지함에 따라 열원 시스템은 7,840 kW의 기저부하를 갖는다.
- 서울기상데이터를 적용하여 데이터센터의 연간 건물부하를 분석하였다. 시뮬레이션 결과, 전체 냉방부하 중 약 99% 이상을 IT서버의 발열량이 차지하는 것으로 분석되었고 단위면적당 연간 냉방부하 총량은 9,200 kWh/m2로 나타났다.
- 앞 절에서 서울 기상 데이터를 기준으로 기본열원 시스템에 외기냉수냉방과 외기냉방 시스템 각각의 에너지성능 향상에 대한 분석을 수행하였다.
- 연중 24시간 운전되는 데이터센터의 공조 시스템 에너지성능을 평가하기 위한 열원 시스템 구성은 건물부하분석을 통해 도출된 최대 부하량을 기준으로 각각의 시스템 용량을 선정하였다. 또한 장비부하가 차지하는 비율을 고려하여 현열비는 1.
- (6) (2008)는 데이터센터 공기분배 시스템과 열원 시스템이 연계된 에너지 절약적인 시스템으로 외기냉방의 가능성을 연구하였다. 외기를 이용하여 서버냉각이 가능한 조건과 시스템 구성을 단계별로 제시하고 있으며 공기정화를 위한 필터종류, 습도제어를 위한 외기의 엔탈피조건 등을 분석하였다. 따라서 국내 기후에 적합한 외기를 이용한 에너지절약 시스템의 성능과 시스템 구성의 합리적인 비교분석이 필요한 시점이다.
대상 데이터
- 중앙냉수식은 중앙 기계실에 냉동기를 설치하고 여기서 생산된 냉수를 실내의 CRAH 유닛에 공급하는 개념이다. 냉수를 공급하기 위해서 냉수 순환펌프와 냉동기의 냉각을 위해 사용되는 냉각탑에 냉각수를 공급하는 냉각수 순환펌프로 구성된다. 시스템 구성개념도는 Fig.
- 해석 대상건물은 2008년 준공하였으며 아시아 최대의 규모이다. 본 건물은 IDC전용 건물로 IT서버 룸이 연면적의 1/3이상을 차지하고 있는 전형적인 고밀도 데이터센터이다. 내부의 IT서버룸은 건물 양측면에 CRAC룸을 구성하고 공조를 하는 가장 일반적인 평면 형태를 형성하고 있다.
- 해석 대상건물은 2008년 준공하였으며 아시아 최대의 규모이다. 본 건물은 IDC전용 건물로 IT서버 룸이 연면적의 1/3이상을 차지하고 있는 전형적인 고밀도 데이터센터이다.
데이터처리
- 데이터센 터의 부하패턴 및 운영특성을 반영한 전산발열 등의 부하요소와 운영 스케줄을 적용하여 연간 건물 부하 발생량을 도출하였다. 대상 건물을 모델링하기 위하여 TRNSYS 16프로그램의 모듈인 TRNBuild 프로그램을 사용하였다. 시뮬레이션 경계조건 중 가장 중요도가 높은 전산발열량은 앞에서 산출한 결과인 1,280 W/㎡의 수치를 적용하였다.
성능/효과
- 따라서 데이터센터의 전력 소모량은 향후 계속 증가하며 그 비중도 점차 확대될 것으로 예상된다.(2) 데이터센터의 IT서버수는 매년 13% 정도 증가되고, 데이터 저장 요구량도 연평균 56% 증가해왔다. 따라서 이에 따른 에너지 소비량도 연 20% 증가하고 있는 추세라고 분석했다.
- 외기냉방이 가능한 외기조건은 습도에 대한 제습부하 증가를 방지하기 위해 엔탈피 제어가 필요하다.(6) 공기의 냉각 프로세스를 보면, IT서버룸의 실내설정조건(22℃/50%)을 유지하기 위해서는 장치노점온도(ADP)와 코일 내 온도 상승을 고려한다면 CRAH 유닛 토출온도는 13℃가 된다. 따라서 외기조건이 토출온도의 엔탈피 이하일 경우 제습부하의 증가 없이 서버의 냉각이 가능하다.
- 1) 외기냉방 시스템 가동으로 효과적으로 에너지 절감이 가능한 기간은 5,014시간(운영시간의약 57%)으로 외기냉수냉방의 2,930시간(운영 시간의 약 35%)보다 연간 이용할 수 있는 기간이 1.7배 이상 증가한다.
- 2) 데이터센터 열원 시스템의 주된 목적이 IT서버의 발열을 효과적으로 제거하도록 공기분배시스템에 열원을 공급하는 것이기 때문에 입력 에너지를 감소시키는 것이 충분하게 고려되어야 한다. 기본열원 시스템을 기준으로 단계별 에너지절감 비율을 보면, 외기냉수냉방을 적용할 경우는 16.
- Fig. 14의 연간 에너지 절감비율을 보면 기본열원 시스템 대비 외기냉수냉방 시스템은 약 16.6%, 외기 냉방 시스템은 약 42.2%이며, 두 개의 시스템만을 비교했을 때에는 외기냉방이 외기냉수냉방 시스템 보다 약 31% 에너지성능 개선효과가 있는 것으로 평가되었다. 그러나 외기냉방을 적용할 경우, 외기의 엔탈피제어를 하더라도 외기잠열부하, 투습에 의한 습도관리를 포함해야한다.
- 2) 데이터센터 열원 시스템의 주된 목적이 IT서버의 발열을 효과적으로 제거하도록 공기분배시스템에 열원을 공급하는 것이기 때문에 입력 에너지를 감소시키는 것이 충분하게 고려되어야 한다. 기본열원 시스템을 기준으로 단계별 에너지절감 비율을 보면, 외기냉수냉방을 적용할 경우는 16.6%, 외기냉방 시스템은 최대 42.2%의 에너지성능향상이 가능하였다. 따라서 국내의 기상조건으로는 외기냉방이 외기냉수냉방에 비해 보다 효과적인 에너지절약 시스템이다.
- 서울기상데이터를 적용하여 데이터센터의 연간 건물부하를 분석하였다. 시뮬레이션 결과, 전체 냉방부하 중 약 99% 이상을 IT서버의 발열량이 차지하는 것으로 분석되었고 단위면적당 연간 냉방부하 총량은 9,200 kWh/m2로 나타났다. 따라서 계절과 무관하게 연중 일정한 냉방부하가 발생한다.
- 7배 이상 증가하는 것으로 분석되었다. 외기냉방 시스템을 적용할 경우, 연간 전력사용량은 기본 열원방식 대비 약 42.2%의 에너지가 절약되는 것으로 분석되었다. 시스템 구성을 위해 CRAH 유닛의 추가적인 제어방법이 소요되지만 충분한 에너지 절감효과가 있다.
- 외기냉수냉방 시스템을 적용할 경우, 연간 에너지 사용량은 기본열원방식 대비 약 16.6% 정도 에너지가 절약되는 것으로 분석되었다. 시스템 구성을 위해 추가적인 비용이 소요되지만 충분한 에너지 절감효과가 있을 것으로 판단된다.
후속연구
- 8%에 이른다. 따라서 데이터센터의 전력 소모량은 향후 계속 증가하며 그 비중도 점차 확대될 것으로 예상된다.(2) 데이터센터의 IT서버수는 매년 13% 정도 증가되고, 데이터 저장 요구량도 연평균 56% 증가해왔다.
- 마지막으로 연구결과에서 도출된 에너지 소비량을 기준으로 운선순위를 두어 선정한다면 외기냉방 시스템이 적합하지만 공기청정, 가습/제습 에너지 절감량, 제어, 장비구성 및 설치비용을 충분히 비교해야 한다. 따라서 여러 제반사항을 고려하여 최종적으로 에너지 절약 시스템을 선정하는 것이 중요하다.
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