서 론

모바일 기기의 보급 확대와 개인의 인터넷 사용 증가로 인하여 IT 수요가 점차 증가하고 있으며, 이로 인한 방대한 양의 데이터를 처리하기 위하여 데이터센터가 점차 대형화되고 있다. 최근 6년간 데이터센터의 수는 매년 4%씩 지속적으로 증가하고 있으며(Andres et al., 2020), 규모와 수의 증가는 향후 더욱 가속화될 전망이다. 데이터센터의 IT 장비는 365일 24시간 운전되고 연중 거의 최대부하가 발생하며, 습기와 온도에 민감한 장비의 특성에 의하여 원활한 운영을 위해서는 내부의 온열환경을 적절하게 유지하는 것이 중요하다. 이에 냉방시스템의 에너지 사용량 역시 증가하여 건물 전체 에너지 사용량의 약 35% 달하고 있어, 데이터센터의 냉방에너지를 절감하기 위한 연구와 기술개발이 이루어지고 있다(Park et al., 2009).

Yeon et al. (2016)은 데이터센터의 Water-side economizer(외기냉수냉방, 이하 WSE)시스템 적용에 따른 에너지 절감량과 비용을 분석하였다. 에너지 절감량 산출을 위해 WSE의 사용 유무에 따른 터보냉동기의 전력사용량 차이를 분석하였고, 그 결과, WSE 적용으로 인하여 기존안 대비 8%의 에너지 절감을 확인하였다. Park and Seo (2014)은 Air-side economizer (외기냉방, 이하 ASE)의 적용에 따른 에너지 성능개선 효과 및 경제성을 분석하였다. ASE 적용 시 초기 투자 비용은 17% 증가하나, 기존 시스템 대비 48%의 에너지 저감효과로 2년 안에 손익분기점이 발생하는 것으로 나타났다. Cho et al. (2010)는 ASE와 WSE를 비교하였으며, ASE의 에너지 사용량은 WSE 대비 약 31%의 개선효과가 있음을 확인하였다. 그러나, 동파문제를 고려하여 개방형 냉각탑에 비해 성능이 저하되는 밀폐형 냉각탑을 사용하였으며, Free Cooling 시스템의 부분운전에 대한 검토까지는 이루어지지 않았다.

한편, 데이터센터는 IT 용량 및 기기 특성에 따라 냉방에너지의 수요가 상이해지므로, 건물 및 IT장비의 규모에 따른 냉방시스템의 성능을 일반화하기에는 어려움이 있다. 이에 ASHRAE는 데이터센터의 냉방에너지 성능지표로 MLC (Mechanical Load Component)를 제안하고 있다. MLC는 전산 장비의 수준에 따른 냉방시스템의 적합성 판단이 가능하며 규모에 상관없이 냉방시스템의 성능 비교가 가능한 특성을 지닌다. Kim (2018)은 MLC 관련 설계 인자를 분석하고, 후속 연구에서 CRAH (Computer Room Air Handler)에 ASE를 적용하여 운전조건에 따른 에너지 절감 성능과 MLC 값을 도출하였다(Kim et al., 2019).

Ryu et al. (2007)는 냉동기의 냉각수 입구 온도를 20℃에서 12℃로 저하시켜 운전할 시, COP가 약 0.8이상 상승하고 저온 냉각수 운전을 지속하는 동안에도 기기가 안정적으로 운전되는 것을 확인하였다. 또한, Ha et al. (2020)는 ASHRAE에서 제안하는 냉각수 하한 온도 및 운전 가능 시간을 국내 기후에 적용하여 검토하였다. 그 결과 냉방기 운전의 약 55~94%에 해당하는 시간 동안 21~27℃의 냉각수 제조가 가능한 것으로 나타났다. 저온냉각수 이용 시, 냉방에너지 절감이 가능하지만 Ryu와 Ha의 연구에서는 저온냉각수 적용에 따른 냉방에너지 절감량에 대한 정량적 검토까지는 이루어지지 않았다.

따라서 본 연구에서는 데이터센터의 냉방에너지 절감을 위해 해당 건물에 널리 적용되고 있는 Free Cooling 시스템 중, WSE 및 ASE의 성능 확인과 더불어 저온냉각수에 의한 효용을 동시에 비교하고, 상기의 에너지 절감 요소 기술에 따른 MLC 지표의 변화를 파악하고자 한다.

연구범위 및 방법

2017년에 준공된 수도권의 데이터센터를 참조하여 건물과 IT장비를 모델링하고 저온냉각수, ASE 및 WSE의 운전을 모사하기 위해 Energy Plus 엔진 기반의 동적 시뮬레이션 프로그램인 DesignBuilder를 이용하였다. 대상 건물이 위치한 지역의 표준기상데이터를 사용하였고, 냉방 운전의 에너지 사용량을 검토하므로 난방운전은 시뮬레이션 모델에서 제외하였다. 계산을 통해 냉각탑, 냉동기, 펌프 및 CRAH의 에너지 사용량을 산출, 파악하였으며 MLC 지표 분석은 ASHRAE의 Annualized MLC를 이용하였다.

이론적 고찰

Free Cooling

Free Cooling은 낮은 온도의 외기를 이용하여 냉동기 사용량을 줄이거나 운전을 하지 않고 실내를 냉각하는 기술을 의미한다. 이 중, WSE는 외기의 습구온도가 일정 온도 이하로 유지되는 기간에 냉각탑과 열교환기를 이용하여 냉수의 온도를 저하시키며, ASE는 저온의 외기를 직접 실내에 도입하여 냉각하는 방식이다. Figure 1은 ASHRAE에서 제안하는 데이터센터의 실내환경 조건이며 건구온도는 18~27℃, 상대습도는 20~80%를 권장하고 있다(ASHRAE, 2019b).

Figure 1.

Indoor environment conditions of the data center proposed by ASHRAE

MLC

MLC는 데이터센터의 냉방시스템 성능지표로 IT 장비에 투입되는 에너지 사용량과 장비의 운영에 필요한 냉방에너지의 비를 의미하며, 냉방시스템의 적합성 판단과 시스템 간의 성능 비교가 가능하다. MLC 값이 최대 허용값 이하이면 냉방시스템의 성능이 적합하게 설계되었다고 판단할 수 있다. ASHRAE Standard 90.4에서는 기후존에 따라 설계(Designed) 및 연간 운전(Annualized)에 따른 값을 각각 제시하고 있어, 계획 단계에서 냉방시스템 선정의 타당성을 확인하고, 준공 이후 운전의 적합성 여부를 파악할 수 있다. 그러나 본 논문에서는 기축건물을 이용하였기 때문에 연간 운전의 값인 Annualized MLC만을 검토하는 것으로 하였다. 식 (1)은 Annualized MLC 환산 식을 나타낸 것이다.

여기서, $E_{cooling}$은 냉방과 가습에 필요한 모든 에너지를 말하며, $E_{pump}$는 펌프에너지, $E_{fan,HJ}$와 $E_{fan,AHU}$는 각각 냉각탑과 AHU에 사용되는 에너지, $E_{I.TE}$는 IT 장비의 에너지를 의미한다. 한편, Table 1은 ASHRAE Standard 90.4에서 제시하는 기후존 및 IT 장비의 용량에 따른 MLC 최대 허용값을 나타낸 것이다.

저온냉각수

데이터센터에서 냉동기는 냉방시스템 전체의 에너지 사용량 중 약 37%를 차지하고 있어, 냉동기의 효율 개선은 에너지 절감에 중요한 요소 중의 하나이다(Park et al., 2009). 냉각탑의 원리는 응축기에서 발생한 응축 잠열을 고온의 냉각수에 흡수시켜 증발냉각하여 방열함으로써 냉각된 냉각수를 냉동기에 공급하는 것이다. 일반적으로 냉각수는 외기 습구온도보다 2~3℃ 낮은 온도까지 생산 가능하므로 중간기 및 동계에는 10℃ 이하의 냉각수를 생산할 수 있으나, 지나치게 낮은 온도는 응축 압력을 과도하게 감소시켜 냉동사이클이 파괴될 수 있으므로, 냉각수의 온도 범위를 냉동기가 받아들일 수 있는 수준으로 유지하여야 한다(하주완 외, 2020). ASHRAE에서는 냉각수 하한 온도 범위를 기후에 따라 18.3~26.7℃로 정하고 있지만, 국내의 기준은 [KS B 6364:2014]에 따라 냉각탑의 출구 온도를 32℃로 정하고 있다(하주완 외, 2020). Figure 2는 냉각탑의 출구 온도 저하에 따른 몰리에르 선도의 변화를 나타낸 것이다. 그림과 같이 냉각수 온도가 낮아지면 압축기에 투입되는 에너지가 감소하나, 냉방능력에는 변화가 없으므로 냉동기의 효율이 높아진다.

Figure 2.

Moliere diagram with cooling water temperature drop

연구 내용

건물 및 시뮬레이션 개요

본 연구의 시뮬레이션 모델 작성을 위해 인천(Climate Zone : 4A)에 위치한 H사의 데이터센터를 참조하였다. Table 1의 인천 지역 기후존인 4A는 CDD(냉방도일) 10℃ 값이 3,500 미만이며, HDD(난방도일) 18℃ 값이 2,000~3,000의 조건이다. 건물 규모는 지상 9개층, 연면적 32,379 m² 이며 1~3층은 기계실, 4~9층은 전산실로 구성되어있다. 기준층 면적은 3,597.6 m²이고 서버실, 항온항습실 및 기계실로 구성되어 있으며, 공간단위 공조방식이 적용되었다. 대상 건물의 개요는 Table 2와 같다. 공조면적은 21,585 m² 로 전체면적의 약 67%를 차지하고, 전산실을 위주로 365일 24시간 동안 냉방 운전된다. 실내 발열부하량은 1601 W/m²이며, 실내의 온습도 조건은 ASHRAE 기준에 따라 건구온도 26℃, 상대습도 60%로 설정하였다.

Table 3는 냉방시스템 설계조건을 나타낸 것이다. CRAH는 변풍량 방식, 냉동기는 인버터 방식을 선정하였다. ANSI/ASHRAE Standard 127의 기준에 따라 냉동기의 수요측 입출구 온도는 각각 10℃, 16.7℃, 냉각탑의 입출구 온도는 각각 28.3℃, 35℃이며, 온도차는 6.7 K으로 설정하였다.

운전 조건

Table 4는 각 시스템의 운전조건을 나타낸 것이다. 일반 운전의 냉각수 제조 온도를 28.3℃로(ASHRAE, 2012), 저온냉각수 운전 시에는 15℃로 설정하였다. 냉동기 제조사의 카탈로그에서 제시하는 냉각수 하한 온도는 12℃이나(LG Electronics, 2019), 여유율을 반영하여 3 K 높은 값으로 하였다.

WSE는 일반적으로 28.3℃의 냉각수를 사용하고, Free cooling 운전 시에는 냉각탑의 냉각수와 냉동기의 냉수 열교환기를 통해 저온의 냉수를 생산한다. WSE 운전은 외기의 습구온도를 기준으로 제어되며 습구온도가 3℃ 이하일 경우, 냉각수와 냉수의 열교환만으로 2차측에 송수되는 냉수를 제조한다. 또한 3℃보다 높을 경우에는 Free cooling과 냉동기를 동시에 이용하여 실의 부하를 처리하는 것으로 하였다. 추가로, 건구온도 3℃ 이하에서는 동파방지를 위해 냉각수의 리히팅 운전이 실시된다.

ASE는 엔탈피 조건으로 제어하며, 외기의 엔탈피가 34.3 kJ/kg 이하일 경우 외기만을 도입하여 실을 냉각하였다. 외기의 엔탈피가 34.3 kJ/kg보다 크면서 리턴 공기의 엔탈피 이하일 경우, 부분적으로 외기를 도입하여 냉동기와 혼합운전을 하며, 리턴 공기의 엔탈피보다 큰 경우에는 ASE 운전은 정지하는 것으로 하였다.

Figure 3은 Free Cooling 시스템의 계통도이다. (a)는 WSE의 계통도를 나타낸 것이며, 냉각수 제조 측에 냉각탑, 냉수 제조 측에 냉동기와 열교환기((a)의 붉은 원)로 구성되어있다. WSE 운전조건 시, 냉각탑에서 제조한 냉각수는 열교환기로 공급되고 CRAH에서 돌아온 냉수와 열교환하여 냉수를 제조한다. 열교환기를 통과하여 제조된 냉수는 냉동기를 거쳐 CRAH의 냉각 코일로 공급되지만, 냉동기는 작동되지 않는다. WSE 운전 조건을 만족하지 않는 경우, 냉각수는 열교환기를 거치지 않고 바로 냉동기로 공급되어 냉수를 제조한다.

Figure 3.

HVAC schematic of free cooling system

(b)는 ASE의 계통도이며, 냉수 제조 시스템은 일반 수랭식 냉방시스템과 동일하다. ASE는 CRAH에 차이가 있는데((b)의 붉은 원 참조), 외기의 엔탈피가 기준 엔탈피 34.3 kJ/kg보다 낮을 경우, CRAH의 댐퍼를 열고 리턴공기와 외기를 혼합하여 실에 공급한다. 기준 엔탈피와 리턴 공기 엔탈피 사이일 경우, 댐퍼를 닫고 외기만을 도입하여 실에 직접 공급하며, 리턴 공기의 엔탈피보다 높은 경우에는 외기를 도입하지 않고 냉동기를 이용하여 공기를 냉각한다.

연구 결과

Figure 4는 일반, 저온냉각수, WSE 및 ASE 시스템의 연간 운전 현황을 나타낸 것이다. 시뮬레이션 결과, (a)의 일반 시스템에서는 냉동기, 냉각탑, CRAH 등의 에너지 사용량의 변화가 계절과 무관하게 거의 일정한 값으로 나타났으며, 이는 연간 부하량이 거의 동일한 패턴으로 나타나는 데이터센터의 특성에 기인한 것이라 사료된다. (b)의 저온냉각수 시스템은 기존의 냉각수 온도 28.3℃보다 13.3 K낮은 냉각수를 제조하기 위해 냉각탑의 Fan 사용량이 증가하여 중간기와 하계에 냉각탑 에너지 사용량이 증가하는 경향을 보였다. 반면, 낮은 온도의 냉각수가 공급되는 시기에는 냉동기의 효율이 증가하여 에너지 사용량이 감소하였다.

Figure 4.

Monthly energy consumption of calculated cases

(c)의 WSE 운전에서는 중간기 일부와 동계에 낮은 외기온에 의해 냉동기 운전이 정지하는 구간이 나타났으며, 그 외의 구간에서 냉각탑 에너지 사용량이 증가하는 경향이 보였다. 이는 WSE 운전 시, 기존의 냉각수보다 더 낮은 온도의 냉각수를 제조해야 하므로, 냉각탑 팬의 에너지가 증가하기 때문인 것으로 판단된다.

(d)의 ASE 운전에서는 동계 및 중간기 일부에 냉각탑, 냉동기, 냉각수 및 냉수 펌프의 작동이 정지되는 구간이 발생하였다. 이는 낮은 온도의 외기만으로 실의 부하를 처리할 수 있어, 상기에 언급된 요소 기기들의 운전이 정지되었기 때문으로 사료된다. 또한, 중간기와 하계 일부에 외기도입과 냉동기 운전을 병행하는 시간대가 발생하였으며, 해당 기간동안 CRAH의 에너지 사용량이 감소하였다. 외기가 34.3 kJ/kg(건구온도 약 13℃전후)보다 높으나 급기온도 18.1℃보다 낮은 온도에서 외기가 도입될 경우, 풍량이 적어도 실의 부하를 처리할 수 있기 때문에 CRAH에서 인버터 Fan의 회전수를 낮출 수 있으므로, 그 결과 에너지 사용량이 줄어든 것으로 사료된다.

Figure 5는 각 냉방시스템의 요소 기기별 에너지 사용량을 연간과 동계 및 중간기로 구분한 것이다. 또한, Table 5는 각 냉방시스템의 요소 기기별 에너지 사용량과 일반시스템 대비 절감량 및 절감률을 나타낸 것이다. 표 안의 괄호는 절감율로 (-)기호가 표기된 항목은 증가율을 의미한다. 냉동기의 에너지 사용량은 일반수랭식 시스템 대비 저온냉각수가 19% (15,085 MWh), WSE 및 ASE가 각각 59% (46,201 MWh), 49% (38,158 MWh) 절감되는 것으로 나타났다. 저온 냉각수의 냉동기 에너지 사용량이 줄어든 것은 낮은 온도의 냉각수에 의한 냉동기 효율 상승이 주된 요인으로 보인다. 또한, WSE 및 ASE 운전은 동계 및 중간기의 Free Cooling 운전에 의해 냉동기 운전이 정지하거나 운전시간이 줄어든 것이 그 원인으로 파악된다.

Figure 5.

Simulation results of low cooling temperature, WSE and ASE ((a) Annual, (b) Heating & Mid-term)

냉각탑의 Fan 에너지 사용량은 일반 시스템이 626 MWh이며, 저온냉각수와 WSE는 각각 398% (2,493 MWh), 974% (6,093 MWh) 증가하는 것으로 나타났다. 이는 저온의 냉각수를 만들기 위해 냉각탑의 운전 시간이 늘어나고, 특히 WSE는 냉각수 온도를 10℃까지 확대하였기 때문으로 판단된다. 반면, ASE는 100% Free cooling 시간대에 냉동기와 냉각탑이 동시에 정지되므로 절감량이 36% (225 MWh)로 나타났다.

CRAH의 에너지 사용량은 일반 시스템, 저온 냉각수, WSE가 동일한 값으로 나타났으나, ASE는 앞서 언급하였듯 중간기 및 하계 일부 기간에 34.3 kJ/kg(약 13℃)~18.1℃의 저온의 외기로 인한 CRAH Fan 사용량 감소로 3% (1,663 MWh)의 에너지가 절감었다.

냉각수 펌프는 일반 시스템과 저온 냉각수의 사용량이 거의 동일하였으나 WSE는 동계기간에 Free cooling 운전과 냉동기 정지로 인해 약 9% (1,134 MWh) 절감되었으며, ASE 또한 Free cooling에 의한 냉동기 및 냉각탑 운전 정지의 효과로 인해 사용량이 50% (6,480 MWh) 줄어드는 것으로 나타났다. 냉수 펌프는 일반 시스템과 저온 냉각수의 사용량이 일치하며 WSE의 경우에는 외기 조건에 따라 냉수 온도가 변화하고, 그 결과 유량이 증가하여 에너지 사용량이 15% (1,026 MWh)증가하였다. 반면, ASE는 Free cooling에 의한 냉동기 및 냉수 펌프 운전의 정지로 인해 50% (3,534 MWh) 절감되었다.

MLC 평가 및 분석

상기의 산출값을 바탕으로 Annualized MLC 평가를 진행하였다. 해당 건물의 인천지역기후대의 MLC 최대 허용값 0.18은 냉방시스템의 적합성 여부를 판단하는 기준이 된다. Table 6는 검토 시스템의 연간 MLC 값을 나타낸 것이며, 표에서 ITE 장비의 에너지 사용량은 단위 면적당 기기 발열량에 건물의 연면적과 공조비율 67%를 고려하여 산출한 것이다.

냉수 및 냉각수 펌프의 사용량은 일반 수랭식, 저온 냉각수 및 WSE의 차이가 거의 나타나지 않았으며, 이는 냉동기를 기반으로 하는 실의 부하 제거 운전이 이루어졌기 때문이다. 반면 ASE의 Pump의 절감량이 가장 큰 것은 다른 시스템과는 달리, 동계 및 중간기에 냉수 및 냉각수 계통의 운전이 정지하는 특성과 관련이 있는 것으로 판단된다. 일반 시스템 대비, 저온 냉각수 시스템의 냉각탑 에너지가 변화한 것은 저온의 냉각수를 제조하기 위해 냉각탑 Fan의 운전 시간이 증가한 결과, WSE는 냉동기 운전을 하지 않고 냉각수와 냉수의 열교환만으로 실의 부하를 처리한 결과 사용량이 증가한 것으로 보인다.

상기의 식 (1)에 준하여 MLC를 계산한 결과, 일반 수랭식 냉방시스템은 0.13으로 나타나 해당 기후대의 최대 허용값을 만족하는 것으로 나타났다. 또한 저온냉각수, WSE 및 ASE의 연간 MLC는 각각 0.12, 0.11, 0.10로 일반 시스템 대비 각각 4.3%, 14.5%, 26.3% 개선되는 것으로 나타났다.

결 론

본 연구에서는 시뮬레이션을 이용하여 데이터센터의 냉방에너지 저감방안에 따른 에너지 사용량을 분석하였고, MLC 지표를 이용하여 냉방성능을 검토하였다. 저온냉각수의 경우, 냉동기의 에너지 사용량이 19% 감소하였지만, 냉각탑의 사용량이 약 4배 증가하여, 일반 운전 대비 8.1% 에너지 사용량이 줄어들었다. WSE는 냉동기의 절감율이 59%로 가장 크지만, 일반 시스템에 비해 냉각탑 사용량이 약 10배 증가하여 일반 운전 대비 약 25.7% 절감되었다. ASE는 CRAH, 냉동기, 냉각수 및 냉수 펌프의 에너지 사용량이 각각 3%, 49%, 50% 줄어 일반 시스템의 에너지 사용량 대비 약 32.0% 절감되었다.

MLC 지표를 이용한 냉방성능 평가에서, 일반 수랭식 시스템도 해당 기후대의 최대 MLC 허용값을 만족하였지만, 저온 냉각수 및 Free cooling을 적용하면 4.3~26.3%까지 향상 가능한 것으로 나타났다.

그러나 본 논문에서 검토한 ASE 운전은 외기를 직접 실내로 도입하는 방식이기 때문에 습도의 영향과 대기 오염 물질에 의한 ITE 기기 안정성에 영향을 미칠 가능성이 존재한다. 반면, WSE는 낮은 온도의 외기를 이용하여 냉수를 만들고 이를 다시 냉방에 이용하는 간접 방식이므로 시스템 안정성에서 유리한 측면이 있다. 향후, 냉방 에너지의 사용량 비교와 더불어 실제 시스템에 적용 가능한 수준의 모델링으로 검토를 지속해 나가고자 한다.