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문제 정의
- 본 연구에서는 외기도입 냉방시스템 적용 시 필터 유형별 에너지 소비량을 분석하기 위하여 기존 중앙냉수 냉방시스템과 필터적용을 고려하지 않은 외기도입 냉방시스템의 전력 소비량을 산출하고, 이 후 등급별 필터적용에 따른 외기도입 팬 동력 증가를 고려한 외기도입 냉방시스템의 전력 소비량을 분석하였다. 또한 연간(8760시간) 데이터센터의 냉방에너지 소비량을 정량적으로 분석하기 위하여 TRNSYS 17.
제안 방법
- 이에 본 연구에서는 Kwak et al.(5)에서 사용된 동일조건의 공조기 팬을 동적에너지 시뮬레이션에 적용하여 기존 중앙 냉수 냉방시스템과 필터차압을 고려하지 않은 외기도입 냉방시스템의 에너지 소비량을 분석하였다. 또한, 에너지 소비량 감소율 및 PUE(Power Usage Effectiveness)를 이용하여 적용 필터별 차압변화에 따른 에너지 소비량 분석 결과값을 검토하였다.
- ASHRAE에서는 데이터센터에서 외기도입 냉방시스템 도입 시 사용되는 필터의 등급을 MERV(Minimum Efficiency Reporting Value) 지표를 사용하여 제안하고 있으며, 11에서 13급을 서버 룸 유입 공기개선을 위한 필터등급으로 제안하고, 최소 8급 이상의 필터를 사용도록 권장한다. 따라서 본 연구에서는 외기도입 냉방시스템에 MERV 8급, 13급, 16급에 해당하는 필터를 적용하여 필터적용에 따른 전력 소비량 산출을 위한 동적에너지 시뮬레이션을 수행하였다. Table 3은 적용 필터별 개요를 나타낸다.
- 3의 A와 C영역의 너무 낮거나 높은 외기가 서버 기기의 작동오류를 유발시킬 수 있다. 따라서 본 연구에서는 이를 고려하여 엔탈피제어에 외기 건구온도 0℃이상 28℃ 이하 조건을 추가하였으며, 이에 따라 B영역의 외기조건에서 시스템이 가동하도록 설정하였다. 외기도입 가능 시간은 서울기상데이터를 기준으로 연간 3,438시간이다.
- IT 서버의 발열량은 4 kW 급으로 층당 720대, 총 6,480대가 설치되어 있으며, 발열량 환산치는 층당 2,880 kW이다. 또한 조명 및 상주하고 있는 인원에 의해 발생되는 부하를 고려하였으며, 서버운전에 따른 부하패턴 변화는 시간별로 0.7~1.0을 적용하였다. Table 2는 대상 데이터센터의 설계도면을 참조하여 적용된 냉방시스템의 구성기기 경계조건을 나타낸다.
- (5)에서 사용된 동일조건의 공조기 팬을 동적에너지 시뮬레이션에 적용하여 기존 중앙 냉수 냉방시스템과 필터차압을 고려하지 않은 외기도입 냉방시스템의 에너지 소비량을 분석하였다. 또한, 에너지 소비량 감소율 및 PUE(Power Usage Effectiveness)를 이용하여 적용 필터별 차압변화에 따른 에너지 소비량 분석 결과값을 검토하였다. 여기서 PUE는 데이터센터의 효율성과 생산성을 나타내는 대표적인 기준으로 데이터센터에서 사용되는 전력의 총합을 IT 장비에 사용되는 전력량으로 나눈 무차원 계수이다.
- 본 연구에 적용된 외기도입 냉방시스템은 외기조건에 따라 가동되며, 중앙냉수 냉방시스템과 On/Off 제어된다. 따라서 외기 엔탈피가 설정엔탈피 보다 높은 경우에는 기존 방식과 동일하게 중앙냉수 냉방시스템이 가동된다.
- 본 연구에서는 TRNSYS 17.0 동적에너지 시뮬레이션을 수행하여 각 냉방시스템별 전력 소비량을 검토하고, 필터차압 변화가 외기도입 냉방시스템의 전력 소비량에 미치는 영향을 분석하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
- 7은 본 연구에서 적용된 외기도입용 급기팬의 인버터 회전율 증가에 따른 전력 소비량 변화를 나타낸다. 이를 시간별로 산출하여 외기도입 급기팬의 연간 총 전력 소비량을 분석하였으며, Fig. 8과 같다.
- 외기도입 냉방시스템 적용 시 필터 적용 등급별 압력손실차 뿐만 아니라 필터 막힘에 따른 교체주기를 고려하여야 한다. 이에 따라 사용일수를 기준으로 필터 막힘점을 예측하였다. 또한 본 연구의 시뮬레이션은 시간단위로 해석되었기 때문에 이를 Table 4의 외기도입 냉방시스템 가동 시간별 일수로 환산하여 일별 압력손실 증가치를 계산하였고, 그 결과인 연중 필터별 압력손실을 Fig.
대상 데이터
- 본 연구에서는 외기도입 냉방시스템 적용 시 필터 유형별 에너지 소비량을 분석하기 위하여 기존 중앙냉수 냉방시스템과 필터적용을 고려하지 않은 외기도입 냉방시스템의 전력 소비량을 산출하고, 이 후 등급별 필터적용에 따른 외기도입 팬 동력 증가를 고려한 외기도입 냉방시스템의 전력 소비량을 분석하였다. 또한 연간(8760시간) 데이터센터의 냉방에너지 소비량을 정량적으로 분석하기 위하여 TRNSYS 17.0(6) 시뮬레이션을 사용하였으며, 외기조건은 자체 제공하는 서울기상 데이터를 사용하였다.
- 연구 대상 건물은 목동에 위치한 ○○데이터센터로 지하 4층, 지상 12층 규모로 2층부터 10층까지 총 9개 층에 IT서버 룸이 있으며, 바닥면적은 층별 22,500 m2이다. 서버 룸의 냉방방식은 중앙냉수 냉방시스템이 적용되었다.
성능/효과
- (1) 중앙냉수 냉방시스템의 경우 냉동기의 전력 소비량이 전체 냉방시스템 전력 소비량의 47% 차지하는 것으로 나타났으며, 하절기에는 다소 높은 외기습구온도에 의한 냉각수 온도상승으로 전력 소비량이 연중 가장 높은 것을 확인하였다.
- (2) 제습 및 서버기기 오류발생을 고려한 외기도입 냉방시스템을 적용할 경우 중앙냉수 냉방시스템 대비 38%의 전력 소비량을 감소시킬 수 있는 것으로 나타났다.
- (3) 외기도입 냉방시스템 적용 시 MERV 등급별 필터 적용에 따라 최소 35%, 최대 196% 외기도입 급기팬의 전력 소비량이 증가하는 것으로 나타나 외기도입 냉방시스템 전력 소비량 예측 시뮬레이션 수행 시 필터차압에 대한 고려가 필요할 것으로 판단된다.
- (4) 냉방시스템 및 적용 필터별 PUE를 산정한 결과, 외기도입 냉방시스템을 적용할 경우 MERV 등급에 따라 값의 차이는 발생 하였으나, PUE가 다소 개선되어 외기도입 냉방시스템에 의한 에너지 소비량 감축효과가 있음을 확인하였다.
- ASHRAE의 권장 필터등급인 Medium filter의 경우 필터 종류 및 막힘에 의한 급기팬 소비 전력 증가율이 필터를 고려하지 않은 외기도입 냉방시스템의 급기팬 소비전력 대비 100%로 나타났다. 이는 외기도입 냉방 시스템을 적용한 냉방시스템의 에너지 소비량 예측 시뮬레이션에서 필터에 의한 압력손실을 고려하는 것이 중요한 요소임을 나타낸다.
- 1은 중앙냉수 냉방시스템의 월별 각 구성기기의 전력 소비량을 나타낸다. 냉각탑 및 냉동기를 제외한 구성기기의 월별 전력 소비량은 일정한 것으로 나타났다. 이는 By-pass 제어를 통한 냉동기의 냉수 유입 온도만 변화하고, 펌프유량이나 CRAH의 풍량이 서버룸의 발열과 외기조건에 관계없이 고정유량으로 운전하기 때문이다.
- 이는 외기 습구온도가 상승함에 따라 냉동기의 냉각수 유입온도가 올라가 COP가 감소하게 되고, 이에 따라 5℃의 냉수를 생산하기 위한 전력 소비가 증가하였기 때문이다. 냉각탑의 전력 소비도 외기 습구온도가 상대적으로 높은 하절기에 소폭 상승함을 확인하였다.
- 2는 중앙냉수 냉방시스템의 연간 전력 소비량에 대한 각 구성기기의 전력 소비량을 백분율로 나타낸 그래프이다. 냉동기의 전력 소비량이 전체 전력 소비량의 47%를 차지함을 확인하였다. 따라서 서버 룸의 공조효율을 개선시키면 CRAH에서의 취출온도를 높일 수 있고, 이에 따라 냉동기에서 CRAH로 공급하는 냉수온도를 증가시켜 냉동기의 전력 소비량을 낮출 수 있을 것으로 판단된다.
- 4에 기존 중앙냉수 냉방시스템 및 외기도입 냉방시스템의 월별 전력 소비량을 나타낸다. 너무 낮거나 높은 외기조건을 형성하는 동절기와 하절기에는 전력소비량 감소율이 다소 낮았으나, 외기도입 냉방시스템 적용에 따른 연간 전력 소비량 감소율은 약 38%로 기존 시스템 대비 에너지 절감효과가 큰 것으로 나타났다.
- 냉동기의 전력 소비량이 전체 전력 소비량의 47%를 차지함을 확인하였다. 따라서 서버 룸의 공조효율을 개선시키면 CRAH에서의 취출온도를 높일 수 있고, 이에 따라 냉동기에서 CRAH로 공급하는 냉수온도를 증가시켜 냉동기의 전력 소비량을 낮출 수 있을 것으로 판단된다.
- 이는 By-pass 제어를 통한 냉동기의 냉수 유입 온도만 변화하고, 펌프유량이나 CRAH의 풍량이 서버룸의 발열과 외기조건에 관계없이 고정유량으로 운전하기 때문이다. 또한 동절기에서 중간기 그리고 하절기로 접어들수록 냉동기의 소비 전력이 증가함을 확인하였다. 이는 외기 습구온도가 상승함에 따라 냉동기의 냉각수 유입온도가 올라가 COP가 감소하게 되고, 이에 따라 5℃의 냉수를 생산하기 위한 전력 소비가 증가하였기 때문이다.
- 92를 기준 PUE 값으로 설정하고, 필터유형별 외기도입 냉방시스템의 전력 소비량을 PUE로 환산하여 나타낸 그래프이다. 외기도입 냉방시스템에 Medium filter를 적용할 경우 PUE가 기존 1.92에서 1.70로 개선됨을 확인하였다. Green Grid 에서는 PUE가 1.
- 5에 나타냈다. 외기조건에 따라 가동되는 외기도입 냉방시스템에 필터가 적용 될 경우, 교체주기가 250일인 Prefilter는 필터교체점인 최종압력 128 Pa에 도달 일수가 500일로 예측되었으며, 교체주기 200일인 Medium Filter는 451일, 교체주기 140일인 HEPA filter는 332일로 예측되었다.
- 5의 임의의 점에서 동일한 풍량을 서버 룸으로 공급하기 위한 적용 필터별 급기팬의 인버터 회전율을 나타낸다. 필터의 등급이 높아질수록 동일 풍량을 서버 룸으로 공급하기 위한 급기팬의 인버터 회전율이 높아짐을 확인하였다. 결국 서버 룸으로 공급 하는 외기의 풍량을 동일하게 하기 위해서는 외기도입용 급기팬의 인버터 회전이 증가하여야 하고, 이에 따라 팬의 소비전력도 증가하게 된다는 것이다.
- 9는 중앙냉수 냉방시스템 및 적용 필터별 외기 도입 냉방시스템의 연간 총 전력 소비량을 나타낸다. 필터의 등급이 높아짐에 급기팬의 전력 소비량이 큰폭으로 증가하였고, 이에 따라 중앙냉수 냉방시스템 대비 연간 총 전력 소비량이 34% 감축에서 32%, 29%, 26%로 감소폭이 낮아지는 것으로 나타났다. 이 중 Medium filter 적용에 따른 5%의 전력 소비량 증가를 2012년도 산업전기료 기본요금인 7,040원/kW으로 간이적으로 계산하여 전력 사용요금으로 환산하면 약 2억 2천만 원이다.
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