[논문]데이터센터의 외기도입 냉방시스템 적용에 따른 경제성 평가

박성현; 서장후

doi:10.6110/kjacr.2014.26.4.145

데이터센터의 외기도입 냉방시스템 적용에 따른 경제성 평가
Economic Evaluation of Air-side Economizer System for Data Center 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.26 no.4, 2014년, pp.145 - 150

박성현 (국민대학교 대학원 건축학과) , 서장후 (국민대학교 건축학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Many studies are being conducted with the aim of reducing the energy consumption in data centers, which are one of the highest consumers of energy. The use of an air-side economizer system that uses external air during intermediate and winter seasons is being considered for reducing the energy consumption of air conditioners. In this study, using the energy simulation, we evaluated the energy performance of a central chilled water cooling system and air-side economizer system in domestic data centers. Further, the cost-effectiveness of the air-side economizer was analyzed through Life-Cycle Cost Analysis. The results showed that with the use of air-side economizer systems, the energy costs increased as the applied filter grade increased; however, unlike existing central chilled water systems, it would break even within 2 years.

주제어

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문제 정의

그러나 에너지 성능 개선이 뛰어난 시스템이라 하더라도 전 생애주기 동안 경제성을 확보하지 못한다면 이는 또 다른 경제적 손실을 초래할 것으로 판단된다. 이에 본 연구에서는 국내 데이터센터를 대상으로 기존 중앙냉수 냉방시스템 및 외기도입 냉방시스템 적용에 따른 에너지 성능개선 효과를 검토하였다. 또한, 초기투자 비용, 운전 및 보수비용 등을 고려한 LCC(Life cycle cost) 분석을 수행하여 데이터센터의 외기도입 냉방시스템 적용에 따른 경제성을 검토하였다.

가설 설정

이에 본 연구에서는 미래의 가치를 현재의 가치로 환산하여 비용을 산출하는 현재가치법(8)을 이용, 냉방시스템 생애주기를 20년으로 가정하여 경제성 분석을 수행하였다.

제안 방법

2(2007a)에서는 데이터센터의 외기도입 냉방시스템 적용 시 사용되는 필터의 등급을 MERV(Minimum Efficiency Reporting Value) 지표를 사용하여 장려하고 있으며, 11급에서 13급을 서버 룸 유입 공기개선을 위한 필터등급으로 제안하고, 최소 8급 이상의 필터를 사용도록 권장한다.⁽⁶⁾ 이에 따라 ALT 2～ALT 4는 ASHRAE 허용 및 권장범위 등 총 3가지 종류의 필터를 적용한 것으로 설정하여 외기도입 냉방시스템의 적용 필터에 따른 에너지 소비량 변화를 분석하였다. 외기도입 냉방시스템의 가동 조건은 필터에 관계없이 외기 엔탈피가 34.
0⁽⁵⁾를 이용한 동적에너지 시뮬레이션을 수행하여 냉방시스템별 전력소비량을 정량적으로 도출하였으며, 이에 따른 연간 전력사용 비용을 산출하여 경제성 분석 비용에 반영하였다. LCC 분석은 미래의 가치를 현재의 가치로 환산하는 현재가치법을 사용하였으며, 불확실한 미래상황을 감안하여 민감도 분석을 실시하였다.
또한, 외기도입 냉방시스템은 적용된 필터의 막힘에 따른 차압변화와 최종압력(막힘점)에 도달하면 필터를 교체해 주어야 한다. 따라서 본 연구에서는 냉방시스템 가동 시간을 고려한 적용필터별 막힘점을 예측하여 교체주기 및 전력소비량을 산출하였으며,⁽⁷⁾ 그 결과는 Fig. 3에 나타낸다. HEPA filter가 적용된 ALT 4의 경우, 11월경 필터가 교체가 됨에 따라 일시적으로 Medium filter가 적용된 ALT 3의 필터차압보다 낮아져 11월의 냉방시스템 전력소비량 또한 역전되는 것으로 나타났다.
이에 본 연구에서는 국내 데이터센터를 대상으로 기존 중앙냉수 냉방시스템 및 외기도입 냉방시스템 적용에 따른 에너지 성능개선 효과를 검토하였다. 또한, 초기투자 비용, 운전 및 보수비용 등을 고려한 LCC(Life cycle cost) 분석을 수행하여 데이터센터의 외기도입 냉방시스템 적용에 따른 경제성을 검토하였다.
및 시장조사 결과를 바탕으로 산정된 각 대안별 초기투자비용 및 유지ㆍ보수 비용을 나타내며, 외기도입 냉방시스템의 경우 기존 중앙냉수 냉방시스템 대비 약 17%의 초기투자 비용이 증가하는 것으로 나타났다. 반면, 외기도입 냉방시스템의 필터 교체주기는 연간 단위로 평가되는 LCC 분석 특성을 고려하여 1년 주기로 설정하였으며, 이에 따라 막힘점 예측에 따른 교체주기에 대응하도록 각 필터별 교체비용을 환산하여 적용하였다.
본 연구에서는 TRNSYS 17.0 동적 에너지 시뮬레이션과 LCC 기법을 이용한 경제성 분석을 통하여 기존 중앙 냉수 냉방시스템에 대한 외기도입 냉방시스템의 대안별 경제성 평가를 수행하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 데이터센터의 각 대안별 연간 전력 소비량 계산치를 바탕으로 전력사용 요금을 산정하였으며, 요금 산출 기준은 (주)한국전력공사의 2013년 고시요금으로 계절별 시간대에 따른 부하변동을 고려하였다.
본 연구에서는 등가환산 방법을 적용하여 LCC 분석을 수행함으로 현재가치를 기준으로 산정된 각 금액은 시간변화에 따른 화폐가치의 변화를 고려해야 한다. 이에 따라, 물가조사를 통하여 실질할인율을 파악하고 이를 적용하여 각 비용을 산출하였다.
LCC 분석을 위한 전력사용 요금을 산출하기 위해서는 선행적으로 각 냉방시스템의 에너지 소비량을 전력소비량으로 전환하여 예측해야 한다. 이에 따라 본 연구에서는 선행 시뮬레이션으로 데이터센터 서버 룸에서 발생되는 냉방부하량을 산출하였으며, 그 값을 다시 냉방시스템의 담당부하로 설정하여 각 냉방시스템별 전력소비량을 산출하였다. Table 1은 대상 데이터센터 서버 룸의 연간 냉방부하량 산출을 위한 경계조건을 나타낸다.
본 연구에서는 등가환산 방법을 적용하여 LCC 분석을 수행함으로 현재가치를 기준으로 산정된 각 금액은 시간변화에 따른 화폐가치의 변화를 고려해야 한다. 이에 따라, 물가조사를 통하여 실질할인율을 파악하고 이를 적용하여 각 비용을 산출하였다. 또한, 산업분야에 따른 물가지수는 서로 상이함으로 전력사용 요금과 유지ㆍ보수 및 교체 비용을 각각 별도로 산정하여 적용하였으며, Table 6에 나타낸다.
본 연구의 대상 건물인 데이터센터의 경우, 냉방시스템의 전력소비량이 매우 큼에 따라 연간 전력사용비용이 LCC 분석에 큰 영향을 미치게 된다. 이에 본 연구에서는 TRNSYS 17.0⁽⁵⁾를 이용한 동적에너지 시뮬레이션을 수행하여 냉방시스템별 전력소비량을 정량적으로 도출하였으며, 이에 따른 연간 전력사용 비용을 산출하여 경제성 분석 비용에 반영하였다. LCC 분석은 미래의 가치를 현재의 가치로 환산하는 현재가치법을 사용하였으며, 불확실한 미래상황을 감안하여 민감도 분석을 실시하였다.
반면, LCC 분석은 미래비용을 예측함에 따라 불확실성을 가지게 되며, 특히 실질할인율은 LCC 분석 결과에 큰 영향을 미치는 요소가 됨으로 이를 고려하여 분석결과에 대한 신뢰성을 확보하여야 한다. 이에 본 연구에서는 생애주기비용에 대한 비중이 가장 높은 전력사용 요금에 대하여 실질할인율 3.4%를 기준으로 상하 4% 범위에서 2% 간격으로 변화시켜 이에 따른 손익분기점 및 생애주기비용을 산출하였으며, 그 결과를 Table 7에 나타낸다.

대상 데이터

목동에 위치한 OO 데이터센터로 국내에서 첫 ‘그린데이터인증’을 부여 받았으며, 지하 4층에서 12층의 규모로 연면적은 약 65,000 m2, 서버 룸은 총 9개 층으로 구성되어 있다.

성능/효과

(1) 외기도입 냉방시스템을 엔탈피 제어할 경우 외기의 이용률이 증가함에 기존 중앙냉수 냉방시스템 대비 최대 48% 에너지 저감효과가 있는 것으로 나타났으나, 외기온도가 높은 하절기에는 시스템 도입에 따른 저감효과를 기대하기 어려운 것으로 나타났다.
(2) 외기도입 냉방시스템 적용시 필터의 MERV 등급이 높아질수록 집진 성능은 개선될 수 있으나, 팬동력 증가에 따른 전력사용 요금 및 필터교체 비용도 증가하는 것으로 나타났다.
(3) 현재가치법을 이용한 생애주기 20년 동안의 각 대안별 냉방스템에 대한 LCC 분석 결과 외기도입 냉방시스템의 경우 초기투자 비용은 17% 증가하였으나 운전 비용이 큰 폭으로 개선됨에 따라 필터에 관계없이 2년 안에 손익분기점이 발생하는 것으로 나타났다. 또한, 전력사용 요금에 대한 민감도 분석 결과에서도 외기도입 냉방시스템의 손익분기점의 변화폭은 크지 않는 것으로 나타나 지역별 미세먼지를 고려한 고성능 필터를 적용하여도 외기도입 냉방시스템 적용에 따른 경제성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
외기도입 냉방시스템이 적용된 ALT 2～ALT 4의 경우에는 외기 온도가 낮은 동절 및 중간기에 중앙냉수 냉방시스템을 가동하지 않음에 따라 전력소비량이 큰 폭으로 감소되는 것으로 나타냈다. 그러나 MERV 등급이 높을수록 압력손실에 따른 외기 도입용 팬의 동력이 증가됨에 따라 연간 총 전력소비량 절감율은 ALT 1안 대비 각각 48%, 46%, 40%로 나타났다. 또한, 외기도입 냉방시스템은 적용된 필터의 막힘에 따른 차압변화와 최종압력(막힘점)에 도달하면 필터를 교체해 주어야 한다.
민감도 분석 결과, 실질할인율이 높아지는 경우 전력사용 요금이 생애주기비용에서 차지하는 비중이 감소됨에 따라 손익분기점이 소폭 증가하는 것으로 나타났으며, 할인율 폭이 최대 8% 차이가 나는 경우에는 대안에 따라 생애주기비용의 차가 다소 큰 것으로 나타났다. 그러나 손익분기점 변화는 ±0.

후속연구

(3) 현재가치법을 이용한 생애주기 20년 동안의 각 대안별 냉방스템에 대한 LCC 분석 결과 외기도입 냉방시스템의 경우 초기투자 비용은 17% 증가하였으나 운전 비용이 큰 폭으로 개선됨에 따라 필터에 관계없이 2년 안에 손익분기점이 발생하는 것으로 나타났다. 또한, 전력사용 요금에 대한 민감도 분석 결과에서도 외기도입 냉방시스템의 손익분기점의 변화폭은 크지 않는 것으로 나타나 지역별 미세먼지를 고려한 고성능 필터를 적용하여도 외기도입 냉방시스템 적용에 따른 경제성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대규모 데이터센터의 구성은?	최근, 에너지 다소비성 건축물 중의 하나인 데이터센터의 에너지 사용량 절감을 위해 많은 연구가 진행되고 있다.(1-3) 데이터센터는 서버와 스토리지를 설치하고, 운영하는 장소로 고도화된 시스템을 갖추어 개인 및 기업을 위한 웹 호스팅 관련 데이터 서비스 등을 제공하는 곳으로 대규모 데이터센터의 경우는 크게 서버 룸, 전산실, 전력변환실, 운영실 그리고 소화가스실로 이루어져 있다. 이 중 서버 룸은 Rack으로 구성된 서버들이 자리하는 곳으로 안정적인 운영을 위해서는 서버로 부터 발생되는 열을 제어하여 서버의 오작동 초래를 방지해야 한다.
	데이터센터란 무엇인가?	최근, 에너지 다소비성 건축물 중의 하나인 데이터센터의 에너지 사용량 절감을 위해 많은 연구가 진행되고 있다.(1-3) 데이터센터는 서버와 스토리지를 설치하고, 운영하는 장소로 고도화된 시스템을 갖추어 개인 및 기업을 위한 웹 호스팅 관련 데이터 서비스 등을 제공하는 곳으로 대규모 데이터센터의 경우는 크게 서버 룸, 전산실, 전력변환실, 운영실 그리고 소화가스실로 이루어져 있다. 이 중 서버 룸은 Rack으로 구성된 서버들이 자리하는 곳으로 안정적인 운영을 위해서는 서버로 부터 발생되는 열을 제어하여 서버의 오작동 초래를 방지해야 한다.

참고문헌 (9)

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상세보기
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상세보기
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상세보기
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상세보기
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원문보기 상세보기
Donald, G. N., Ted, G. E., and Jerome, P. L., 2004, Study Guide for ENGINEERING ECONOMIC ANALYSIS, 9th ed., Oxford University Press, pp. 71-93.
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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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