[데이터센터] ⑤ PUE 효율화 방안(외기 냉방과 공조)

안녕하십니까? Marv입니다. 

이번에는 데이터센터에서 중요하다고 할 수 있는 PUE 효율화 방법에 대해 설명하고자 합니다. 내용이 많으므로 PUE 효율화 방안은 쪼개서 설명하도록 하겠습니다.

 

1. PUE의 정의

 PUE는 Power Usage Effectiveness의 줄임말로 데이터센터 총전력량을 IT 장비의 전력량으로 나눈 값입니다. 즉, IT장비가 운용되는데 얼마만큼의 전기가 필요가 되는지로 이해하시면 됩니다. 그렇기 때문에 1에 가까울수록 효율이 좋은 것으로 평가됩니다. 해외 선진국의 경우 1.7 내외 정도로 PUE가 형성되어 있고, 우리나라는 현재 2가 훌쩍 넘는 것으로 알고 있는데, 최신 시설은 개선을 통해 선진국 수준의 데이터센터로 건설되고 있습니다.

반응형

2.  PUE 계산식

PUE = 데이터센터 에너지 총 소비량 ÷ IT장비 에너지 소비량 
        = (IT전력 + IT동력 + IT기타)  ÷ IT 전력

 

3. PUE 개선 방안

 - 고효율 장비 사용: UPS, 냉동기, 펌프, 전동기, 송풍기

 - 외벽 단열: 단열재 적절한 사용을 통해 전산 기계실 항온 항습 유지

 - 창호: 외기 차단으로 항온 항습 유지

 - 조명제어, 조명기구: 원격제어 사용, LED 등기구 사용

 - 전력 간선 최적화: 전선 굵기 최적화하여 에너지 손실 최소화

 - 지역 기후 이용, 열미로, 태양광, 선큰, 우수 및 지하수, 항온항습기 배치, 외기 간접 증발 냉각, 빌트업 항온항습, 항온항습기 제어, 인버터 운전, EC FAN, 전산 기계실 모듈화 등

 

1) 외기 냉방 시스템

(1) 직접 외기 냉방

- 공조 방식: 찬 외기를 내부로 바로 도입하는 방식으로 항온항습실에서 외기를 직접 공급하고 별도의 실내공기 배기 시스템을 추가 설치합니다. 외기를 직접 도입하기 때문에 항온항습실의 열교환을 위한 공간이 비교적 작고 넓은 외기 온도 범위에서 활용이 가능해 효율적입니다. 증발냉각장치와 함께 사용 가능하나 실내 습도가 상승하는 문제점이 발생합니다.

- 동력/전압: 간접 외기 대비 정압 및 송풍기 동력은 감소합니다.

- 가동시간: 우기, 미세먼지, 황사 시 외기 냉방이 어렵습니다.

 

(2) 간접 외기 냉방

- 공조 방식: 찬 외기를 내부 열 교환기를 통해 간접 열 교환을 하는 방식입니다. 항온항습기 내부 열 교환기 장치를 기준으로 1차 측 외기 순환/2차 측 실내공기 순환합니다. 외기를 항온항습실의 열교환기를 통해 간접 열교환을 하기 때문에 비교적 넓은 공간이 필요하며 좁은 외기 온도 범위에서 활용이 가능합니다. 내부 미스트 분사 설치로 증발 효과가 상승합니다.

- 동력/정압: 직접 외기 대비 휀 정압 상승 및 동력이 증가합니다.

- 외기 조건에 상관없이 외기 냉방 운전 가능합니다.

 

(3) 의견

최근 추세적으로는 공조 효율이 상대적으로 높은 직접 외기 냉방이 적용이 많이 되었습니다. 물론 외부 인자 영향을 최소화하고 외기 활용이 가능한 공조 방식의 검토가 필요합니다.

2) 공조 장비 최적화

(1) 최적화 방법의 의견

 데이터센터 서버실의 온도는 통상 20~30℃ 정도로 유지하고, 상대습도는 약간의 편차는 있지만 40~60% 내외의 조건으로 유지합니다. 실내 온도, 습도 조건의 범위를 확대 적용한다면, 온습도가 변동되는 것에 대한 가동이 상대적으로 적어지므로 유지관리비 절감이 가능합니다.

 또한, 외기 냉방이나 프리쿨링을 최대로 활용할 수 있는 방안을 검토하면 좋습니다. 열미로 형식이라던가, 미스트 분사, 아디아바택 등이 있습니다. 

 동일 시스템에서도 고효율 장비와 COP높은 장비 사양을 검토해 보면 좋고, 냉각탑 일체형 냉동기, 냉수대 온도차, 냉각수대온도차 시스템 추가 검토하면 좋습니다. 대신 공사비가 높아지므로, 전체적인 검토가 필요합니다. 

 냉수 시스템 저온 생산을 하게 되면 냉동기 동력은 높아지더라도, 항온항습기 송풍기 동력은 낮아질 수 있습니다. 

 급기 방식 최적 인자를 시뮬레이션을 통해 선정합니다.

 그 외에 백업용 냉동기를 활용한 수축열 시스템, 수열원 및 기타 자연에너지 활용방안을 보시면 좋습니다.

 

(2) 추세

서버의 고밀도화로 인해 발열량은 증가하는 추세이지만, 서버의 발전으로 높은 열에서도 견딜 수 있게 설계 되어 점차 서버실 내부 온도 및 습도 조건은 점차 완화되고 있습니다. 

 

(3) PUE 절감을 위한 기계설비 장비 최적화 아이템

  a. 터보 냉동기 공급온도 상향 조정 및 대온도차 시스템 적용

      - 터보 냉동기 공급 온도 10℃ 이상으로 적용

      - 대온도차 냉동 시스템 적용(서보 온도, 습도 환경조건에 따라 공급 온도/ 환수 온도 최적화 검토가 돼야 합니다.)

      - 공급/환수 온도 변화에 따라 최적의 냉동기를 선정하여 가장 높은 값의 COP를 구현하여 소비동력을 최소화

 

  b. 냉동기/냉각탑 통합 설치 계획

      - 냉동기를 지하가 아닌 옥탑층에 설치

      - 냉동기 일체형 냉각탑 적용하거나 냉동기/냉각탑 2단설치(냉각수 순환 펌프 동력 절감 및 냉각 효율 향상)

 

  c. 냉각탑을 활용한 프리쿨링 시스템

      - 동절기에 터보냉동기 가동하지 않고 외기를 활용하여 냉각탑에서 냉수를 생산

      - 중간기에도 냉각탑에서 생산되는 냉수를 활용하여 직접 실내 열부하를 처리하고 부족한 열량에 대해서만 냉동기를 운전하여 냉방을 실시.

 

  d. 서버 성능에 따른 항온항습 풍량 최적화

      - 서버에 주입될 때 공기의 온도와 배출될 때 온도가 차이가 큰 고사양 서버 사용. 발주자가 선정하는 것으로 높은 열차이는 PUE 효율화에 도움이 됨.

      - 서버 냉각을 위한 급기 풍량 최적화 계산. 

      - 주입될 때 / 배출할 때 온도 차이가 크면 냉각 급기 풍량은 감소하고, 송풍기 소비 동력도 감소 됨.

        (이때, 항온항습기 급기 풍량에 따라 건축 층고도 같이 검토 필요)