데이터센터는 전 세계적으로 클라우드 기반 IT 솔루션의 발전과 더불어 빅 데이터, 교육, 커뮤니케이션 수단의 발달과 전자기기 사용이 증가함에 따라 국내외로 그 수요가 꾸준히 증가하는 추세에 있다. 이러한 데이터센터의 증가는 IT장비의 발전을 가속화 시켰으며 서버 랙의 발열 또한 크게 높이는 결과를 가지고 왔다. 데이터 센터의 전산 발열량은 IT서버 전력사용의 99%이상이 열로 변환되므로, 서버의 크기와 용량이 증가할수록 발열량 또한 상승하게 된다. 본 논문에서는 공냉식 냉각방식을 중심으로, 데이터센터의 에너지 절감을 위한 공조시스템을 연구 하였으며, 해당 시스템의 성능분석 및 모의실험을 통하여 실제로 에너지 절감 효과가 있는 것으로 분석되었다.
데이터센터는 전 세계적으로 클라우드 기반 IT 솔루션의 발전과 더불어 빅 데이터, 교육, 커뮤니케이션 수단의 발달과 전자기기 사용이 증가함에 따라 국내외로 그 수요가 꾸준히 증가하는 추세에 있다. 이러한 데이터센터의 증가는 IT장비의 발전을 가속화 시켰으며 서버 랙의 발열 또한 크게 높이는 결과를 가지고 왔다. 데이터 센터의 전산 발열량은 IT서버 전력사용의 99%이상이 열로 변환되므로, 서버의 크기와 용량이 증가할수록 발열량 또한 상승하게 된다. 본 논문에서는 공냉식 냉각방식을 중심으로, 데이터센터의 에너지 절감을 위한 공조시스템을 연구 하였으며, 해당 시스템의 성능분석 및 모의실험을 통하여 실제로 에너지 절감 효과가 있는 것으로 분석되었다.
Data center, not only the development of globally of cloud-based IT solutions, As the big data, education, use of development electronic equipment of communication means is increased, Demand of domestic and international data center has increased steadily. Due to the increase of data center demand, ...
Data center, not only the development of globally of cloud-based IT solutions, As the big data, education, use of development electronic equipment of communication means is increased, Demand of domestic and international data center has increased steadily. Due to the increase of data center demand, heat generation of server rack due to the development of IT equipment is also increasing continuously. Calculating heat value of the data center, because more than 99% of the power usage of IT server is converted into heat, the calorific value as the size and capacity of the server is larger will increase. In this paper, to center the cooling system of air-cooled, and research and development of air conditioning systems for energy reduction of data center, through performance analysis and simulation, it has been analyzed that there is energy savings.
Data center, not only the development of globally of cloud-based IT solutions, As the big data, education, use of development electronic equipment of communication means is increased, Demand of domestic and international data center has increased steadily. Due to the increase of data center demand, heat generation of server rack due to the development of IT equipment is also increasing continuously. Calculating heat value of the data center, because more than 99% of the power usage of IT server is converted into heat, the calorific value as the size and capacity of the server is larger will increase. In this paper, to center the cooling system of air-cooled, and research and development of air conditioning systems for energy reduction of data center, through performance analysis and simulation, it has been analyzed that there is energy savings.
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문제 정의
이에 본 논문에서는 공냉식 냉각방식을 중심으로, 데이터센터의 공조 에너지 절감을 위한 공조시스템 개발하였다.
본 연구논문은 기존의 룸 단위 냉각방식에서 벗어나 에너지 효율성 최적화를 위한 열(Row) 단위 즉, 블록 단위 스마트 랙 기술을 개발하는 것으로 다음과 같은 두 가지 주요 기술을 개발 및 연구한다.
따라서 본 논문에서는 데이터센터 내 냉방효율증가를 위하여 IT 장비를 블록 단위별로 나누어 독립적으로 운영되도록 하고 랙 내부 정보를 모니터링 하여 관리 하도록 설계하였다. 또한 블록단위로 수집되어지는 상태정보들을 활용하여 에너지 사용량 수요를 예측 및 산출하는데 최적화된 관제 관리 시스템을 연구하였다.
제안 방법
첫째는 IT 장비를 블록단위별로 나누어 독립적으로 운용하도록 하여 에너지 효율성을 최적화하고 랙 내부의 온·습도 등의 정보를 실시간으로 모니터링 할 수 있는 공조시스템을 탑재한 블록 단위 스마트 랙 기술개발 연구이며, 둘째는 블록 단위로 수집되어지는 상태정보들을 활용하여 에너지 사용량 수요를 예측 및 산출하고 최적화를 이끌어 내는 관제 관리시스템 개발이다. 이를 위해 전산해석을 활용하여 설계된 제작품의 내부유동현상을 파악하고, 최적의 유량분배를 연구한다.
IT 장비를 운용함에 있어 무엇보다도 중요한 안정성 확보를 위해 OS가 탑재된 융합시스템과 랙 제어를 위한 컨트롤러 시스템을 분리하여 설계하였다. 융합시스템은 OS를 기반으로 GUI를 담당하는 QT Application과 데이터베이스 그리고 관제시스템을 위한 웹 서버 등을 포함하였다.
아래의 그림의 결과를 보면 35℃/50%(온도/상대습도)에서 최고 45℃/50%까지 행하여지며, 40℃/50%에서 입력되는 전압 ±10%의 변화를 주어 이에 대한 안정성과 능력에 대해서 테스트를 실시하였다.
블록단위 공조시스템 개발을 위해 공조기를 세로 형태로 구성하였으며, 이로 인해 증발기의 팬을 2개로 수직 구성하여 랙에 냉풍을 고르게 토출할 수 있도록 개발하였다. 또한 랙 간의 원활한 COOL Zone 공유도 가능해졌으며, 공기의 유로에 대한 부분은 세로형 수직구성으로 열교환기(Evaporator ,Condenser)의 최대 면적으로 열 교환이 이루어지므로 효율성 증대 효과도 가져올 수 있을 것으로 판단된다.
또한 랙 간의 원활한 COOL Zone 공유도 가능해졌으며, 공기의 유로에 대한 부분은 세로형 수직구성으로 열교환기(Evaporator ,Condenser)의 최대 면적으로 열 교환이 이루어지므로 효율성 증대 효과도 가져올 수 있을 것으로 판단된다. 마지막으로 응축수 처리를 위해 Drain Pan과 Pump외에 자연식 기화 장치를 설치하여 응축수 처리에 대한 부분도 연구하였다.
따라서 본 논문에서는 데이터센터 내 냉방효율증가를 위하여 IT 장비를 블록 단위별로 나누어 독립적으로 운영되도록 하고 랙 내부 정보를 모니터링 하여 관리 하도록 설계하였다. 또한 블록단위로 수집되어지는 상태정보들을 활용하여 에너지 사용량 수요를 예측 및 산출하는데 최적화된 관제 관리 시스템을 연구하였다.
성능/효과
블록단위 공조시스템 개발을 위해 공조기를 세로 형태로 구성하였으며, 이로 인해 증발기의 팬을 2개로 수직 구성하여 랙에 냉풍을 고르게 토출할 수 있도록 개발하였다. 또한 랙 간의 원활한 COOL Zone 공유도 가능해졌으며, 공기의 유로에 대한 부분은 세로형 수직구성으로 열교환기(Evaporator ,Condenser)의 최대 면적으로 열 교환이 이루어지므로 효율성 증대 효과도 가져올 수 있을 것으로 판단된다. 마지막으로 응축수 처리를 위해 Drain Pan과 Pump외에 자연식 기화 장치를 설치하여 응축수 처리에 대한 부분도 연구하였다.
공조기 성능분석 및 모의실험은 20개 항목에 대한 온도 측정 결과이며, 에바 모터는 50%의 조건하에서 모든 조건과 동일하게 하여 제품의 안정성과 능력에 대한 테스트한 결과이다.
해당 테스트 결과 모든 조건(설정한 온도/상대습도)에서 정상적으로 운전하고 있으며 1차 공조시스템보다 △t (Eva 흡입온도 - Eva 토출 온도의 차)가 1~2℃정도 높게 형성되고 있으며 Fan도 2개로 구성되어 1.5~2배정도의 풍량이 형성되고 있다. 이것은 압축기의 용량증대에 따른 효과로 볼 수 있으며 블록 단위 랙 구성에 있어도 효과를 볼 수 있는 부분으로 판단할 수 있다.
Discharge 1, 2구간에서 온도가 약 10℃정도 내려가는 현상을 볼 수 있는데 이것은 고압의 파이프가 기화장치를 통과하면서 발생하는 현상이며, 이러한 현상으로 인해 기화장치에 있는 응축수의 온도가 상승하여 섬유의 흡수를 빠르게 하는 효과와 냉각기의 열 교환에 있어서도 이득을 가져와 전체 적으로 냉방 능력의 3%정도 증가하며 압축기의 소비동력은 20%정도 적게 소비하는 효과를 얻을 수 있었다. 또한 Eva In 1, 2 구간과 Eva Mid 1, 2구간에서는 온도의 변화를 이루기 위해 에바의 면적의 크기를 조절하여 효율성이 개선된 연구결과를 얻을 수 있었다.
Discharge 1, 2구간에서 온도가 약 10℃정도 내려가는 현상을 볼 수 있는데 이것은 고압의 파이프가 기화장치를 통과하면서 발생하는 현상이며, 이러한 현상으로 인해 기화장치에 있는 응축수의 온도가 상승하여 섬유의 흡수를 빠르게 하는 효과와 냉각기의 열 교환에 있어서도 이득을 가져와 전체 적으로 냉방 능력의 3%정도 증가하며 압축기의 소비동력은 20%정도 적게 소비하는 효과를 얻을 수 있었다. 또한 Eva In 1, 2 구간과 Eva Mid 1, 2구간에서는 온도의 변화를 이루기 위해 에바의 면적의 크기를 조절하여 효율성이 개선된 연구결과를 얻을 수 있었다.
테스트 결과를 바탕으로 습공기선도를 적용하여 Compressor GK113KBA의 냉각용량 2784kcal/h 95%수준인 2652kcal/h인 것을 확인하였으며, 능력에 대한 계산은 아래 표1과 같다.
그 결과 스마트 랙 공조시스템, 제어 및 관제시스템 성능 분석 및 모의실험을 통하여 냉각 사이클 부분에서 냉방 능력의 효율을 높이는 결과를 얻을 수 있었다. 추후 최적화된 설계를 통하여 조립성, 유지보수 측면 및 효율성 증대를 위한 추가 연구가 필요하다.
후속연구
테스트 결과 냉각 사이클 부분에서 냉각 효율이 상승하는 결과를 얻을 수 있었으며, 설계상 개선을 통하여 조립성, 유지보수 측면 및 효율성 증대를 위한 추가 개선이 이루어진다면, 추후 데이터센터 내부 랙의 냉각효율증대에 많은 도움이 될 것으로 예상된다.
그 결과 스마트 랙 공조시스템, 제어 및 관제시스템 성능 분석 및 모의실험을 통하여 냉각 사이클 부분에서 냉방 능력의 효율을 높이는 결과를 얻을 수 있었다. 추후 최적화된 설계를 통하여 조립성, 유지보수 측면 및 효율성 증대를 위한 추가 연구가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
서버 랙의 발열이 증가하는 이유는?
이러한 데이터센터의 증가는 IT장비의 발전을 가속화 시켰으며 서버 랙의 발열 또한 크게 높이는 결과를 가지고 왔다. 데이터 센터의 전산 발열량은 IT서버 전력사용의 99%이상이 열로 변환되므로, 서버의 크기와 용량이 증가할수록 발열량 또한 상승하게 된다. 본 논문에서는 공냉식 냉각방식을 중심으로, 데이터센터의 에너지 절감을 위한 공조시스템을 연구 하였으며, 해당 시스템의 성능분석 및 모의실험을 통하여 실제로 에너지 절감 효과가 있는 것으로 분석되었다.
공냉식 냉각방식이란 무엇인가?
데이터센터의 냉방은 크게 공냉식 냉각방식(Air-Cooled System)과 수냉식 냉각방식(Water-Cooled System)으로 구분될 수 있다. 공냉식 냉각방식은 랙, 무정전 전원장치 (UPS), 전원분배장치(PDU)와 같은 장비에서 발생되는 열을 차가운 공기를 이용하여 냉각하는 방식으로 대부분의 데이터센터에서 채택하여 사용되고 있는 방식이다. 반면, 수냉식 냉각방식은 냉각수를 장비 근처 혹은 표면까지 순환시켜 냉각하는 방식으로 공냉식 냉각방식에 비해 급기 풍량을 줄일 수 있다는 장점이 있다.
데이터센터의 냉방 방식에는 무엇이 있는가?
데이터센터의 냉방은 크게 공냉식 냉각방식(Air-Cooled System)과 수냉식 냉각방식(Water-Cooled System)으로 구분될 수 있다. 공냉식 냉각방식은 랙, 무정전 전원장치 (UPS), 전원분배장치(PDU)와 같은 장비에서 발생되는 열을 차가운 공기를 이용하여 냉각하는 방식으로 대부분의 데이터센터에서 채택하여 사용되고 있는 방식이다.
참고문헌 (13)
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