데이터센터 공조․냉각시스템 효율개선을 위한 실험적 연구 :룸 단위에서 구역 단위 공조․냉각방식 변경을 중심으로 = Experimental Study on Data Center Cooling System for Improving Thermal Performance : Comparing with Room-based Cooling and Row-based Cooling

국문 초록 (Abstract)

본 연구의 목적은 데이터센터의 IT환경 및 에너지사용 특성을 반영한 룸 단위 공조․냉각방식과 구역 단위공조․냉각방식의 운영효율을 비교측정 및 분석을 통하여 개선효과 제시를 위한 것이다. 데이터센터의특수성을 반영한 정량적인 평가지표를 사용하여 실증 대상 데이터센터의 룸 단위 냉각시스템을 구역 단위냉각시스템으로 변경하고, IT환경 등 현장측정과 그 결과를 성능지표에 적용하여 시스템 효율을 객관적으로비교하였다. 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
(1) 룸 단위의 공조․냉각방식은 공간 제약에 큰 영향을 받고 전력 밀도가 증가하는 경우, cold/hot aisle containment가 적용되지 않을 경우, IT서버룸 전체의 공조․냉각에 대한 균일한 성능유지가 힘든 반면에 구역 단위공조․냉각방식은 공조공기 이동 경로를 단축할 수 있기 때문에 냉각능력과 송풍동력을 줄이고 효율성을높일 수 있다.
(2) 전력밀도가 높은 데이터센터(랙 당 5 kW 이상)를 증설 또는 신설하는 경우는 구역 단위 공조․냉각방식을적용하는 것이 유리하고 이중바닥 구조가 불필요하기 때문에 공간구성에도 융통성을 갖는 장점이 있다.
(3) 중소규모 데이터센터를 대상으로 룸 단위 서버냉각 방식의 IT환경을 측정하였고 IT장비의 인입/배출 공기및 CRAC의 급기/환기 공기의 온도 및 습도를 기준으로 다양한 평가지표를 분석하였다.
(4) 공조․냉각효율은 SHI, RHI, RCI, RTI 및 β의 6개 지표로 분석하였고 룸 단위 서버냉각 방식은 이동경로에서의 손실, 공조공기의 혼합과 공기유실의 비효율이 발생하였고 적정한 IT환경을 유지하기 위해 더많은 냉각에너지를 공급하는 비효율성이 큰 것으로 분석되었다.
(5) Cold aisle과 hot aisle을 완전하게 구획한 구역 단위 공조․냉각효율은 룸 단위 서버냉각 방식에 비해 SHI/ RHI는 각각 37.1%와 20,0% 향상되었고 RTI는 73.2%, β 지표는 44.3% 개선효과가 있었다.
(6) 향후, 급기온도 등을 변화 시키면서 공조․냉각 전력량 감소에 대한 민감도 분석의 후속 연구가 요구된다.
이는 급기온도의 변화에 따른 직접적인 냉각열량의 감소 효과 및 CRAC/H 유닛의 COP 향상 효과 등을구체적으로 제시하는 것이 필요할 것으로 판단된다.
데이터센터 설계단계에서 IT서버룸의 구성에 따른 공조효율을 미리 평가하여 설계에 반영하는 것이 건립후 운영 중에 투입되는 막대한 에너지 비용을 방지할 수 있는 가장 중요한 선행업무이다. 고밀도 데이터센터의공조․냉각 에너지를 저감하기 위해 공조효율에 영향을 주는 운영요소와 각각의 영향도를 종합적이고 객관적인분석이 이루어진다면 룸 기반, 구역기반 나아가서 랙 기반의 상호 비교 검증한 공조성능 효율평가가 가능할것으로 사료된다. 국내에서는 공조, 에너지관리시스템, 모듈러 관련 데이터센터의 요소기술 중심으로 연구가지속적으로 진행되고 있으나, 데이터센터 운영․서비스 중심의 국내시장 특성 및 해외 기술과의 격차에 따른데이터센터 관련 장비의 외산 의존도의 극복과 요소기술이 상호 연계된 종합적인 통합 시스템 개발이 요구된다.
따라서 구역 단위 공조시스템은 궁극적으로 데이터센터의 신축 및 기축에 유연하게 직접 적용 가능한 모듈화된패키지 기술 제공이 필요하다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As server and IT equipment densities become more, the need for proper installation facilities is also becoming high. In addition to higher power supply density, cooling has become a major issue in data centers. This study evaluates two thermal performance strategies in data center cooling. The advantage of row-based cooling is that it is close to the hot spots, as opposed to room-based cooling systems where are losses in the air delivery path in the room. This paper examines IT environment (temperature and humidity distribution) and air distribution efficiency by field measurement of 6 performance indices. Row based cooling strategy was suggested, as it was found to be the more efficient in server cooling based on the observations and index evaluation results as compared to a room-based cooling system. Air management helps to reduce operating costs by enhancing economizer utilization and improving efficiency of the cooling system. Metrics play a significant role in providing performance indices of air management systems.

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