Mobile QR Code QR CODE : Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

ISO Journal TitleKorean J. Air-Cond. Refrig. Eng.
  • Open Access, Monthly
Open Access Monthly
  • ISSN : 1229-6422 (Print)
  • ISSN : 2465-7611 (Online)

  1. 한국건설기술연구원 화재안전연구소 연구원 ( Researcher, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology, Gyeonggido, 10223, Korea )
  2. 한국건설기술연구원 화재안전연구소 선임연구위원 ( Senior Research Fellow, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology, Gyeonggido, 10223, Korea )



Computer room(전산실), Cooling system with outdoor air(외기냉방시스템), Design condition(설계조건), Operating method(운전방법), Energy saving(에너지절감)

기호설명

$\dot q$: 공조부하 [kal/h]
$\dot q_{equip}$: 전산장비 발열부하 [kal/h]
$\dot q_{th}$: 관류부하 [kal/h]
$\dot q_{i n f}$: 침기부하 [kal/h]
$K$: 열관류율 [W/m$^{2}$․K]
$A$: 공간의 면적 [m$^{2}$]
$T_{o}$: 외기온도 [℃]
$N$: 환기회수 [회/h]
$V$: 공간의 체적 [m$^{3}$]
$\dot Q$: 송풍량 [m$^{3}$/h]
$C$: 공기 비열 [kcal/kg․℃]
$\Delta T$: 실내․외 온도차 [℃]
$P_{f}$: 송풍기 소비동력 [kW]
$P_{s}$: 송풍기 정압 [mmAq]
$P_{R}$: 항온항습기 소비동력 [kW]

그리스 문자

$\eta$: 송풍기 효율 [%]

하첨자

equip: 전산장비
th: 관류
inf: 침기
o: 외기
f: 송풍기
s: 정압
R: 항온항습기

1. 서 론

2018년 기준 국내에는 총 145개(1)의 데이터센터가 있으며, 2016년 기준 연간 소비되는 전력량은 약 28 억 kWh로 산업용 전력 소비량인 2,800 억 kWh의 1%에 달하는 것으로 보고되고 있다.(2) 최근 인터넷 망의 보급 확대와 정보통신 기술의 비약적인 발달로 데이터센터의 수와 그에 따른 전력소비는 매우 가파르게 증가할 것으로 예상되고 있다.

한편, 실제 한 국내 연구단지에 대한 전력소비량 분석결과에 따르면, 20여 개의 건물들로 구성된 단지 전체 연간 전력소비량의 약 15% 이상의 전력을 전산실에서 소비하고 있는 것으로 나타났다. 특히 전산실에서는 심야와 같은 기저부하 시간대에는 하절기 98.4%, 중간기 99.1%, 동절기 98.7%, 그리고 휴일에는 계절에 관계 없이 99% 이상의 전력을 소비하고 있어, 근무일과 휴일에 관계없이 많은 양의 전력에너지가 연중 상시 소비 되고 있었다.(3,4) 이와 같이 전산실에서 전력소비가 집중되는 원인은 발열 밀도가 높은 전산장비의 안정적인 운영을 위해 실내 환경을 일정하게 유지해주는 항온항습기가 연중 가동되기 때문이며, 에너지 절약의 여지가 큰 것으로 판단된다. 즉, 냉방용 에너지 소비 비중이 높은 전산실에 상대적으로 낮은 외기온도를 도입해 실내 공간을 냉각시킬 수 있는 외기냉방시스템을 항온항습기와 연계 설치하면 상당한 양의 에너지를 절감할 수 있을 것으로 예상된다. 기존에 수행된 주요 연구들을 분석해보면, Soe et al.(5)은 에너지 시뮬레이션을 수행하여 외기도입 냉방시스템 적용으로 약 49%의 에너지 소비량이 감소한 결과를 밝혔다. Chang et al.(6)은 멀티 외기냉방 시스템(외기냉수+외기냉방)을 제안하였고 에너지 절약효과에 대해 에너지 시뮬레이션을 통해 검토결과, 26.7% 절감 가능함을 논하였다. Jeong 등(7)은 에너지 시뮬레이션을 통해 제어 기법별 연간 에너지 소비를 분석한 결과 엔탈피 제어 기법이 기준 대비 54.5%의 에너지 절감률로 가장 우수한 성능을 확인하였다. Jung et al.(8)은 멀티 외기냉방 시스템(외기냉수+외기냉방+VAV)에 대해 실증효과를 검증하고 에너지시뮬레이션 프로그램을 통해 연간 에너지비용 약 44.72% 절감되는 것으로 분석하였다. 따라서 전산실 외기냉방시스템의 설계 및 시설개선에 따른 절감효과 예측, 분석에 관한 연구들이 주를 이루고 있고, 효과적인 설계 및 운전방법과 실제 현장적용에 따른 에너지 절감효과를 확인한 연구는 거의 찾아볼 수 없는 실정이다.

본 연구에서는 전산실에 대한 외기냉방시스템 도입함에 있어 다양한 변수들이 냉방시설의 에너지 소비에 미치는 영향을 검토, 분석하고 외기의 도입을 통해 전산실 소비전력을 최소화하기 위한 운전방안을 도출하기 위해 각종 설계 및 운전 변수의 변화에 따른 수치해석을 수행하였다. 또한 해석결과를 바탕으로 국내의 한 연구단지에서 운영하는 전산실에 실제 외기냉방시스템의 현장적용을 통해 해석결과와 비교하고 에너지 절감 효과를 확인하였다.

2. 해석모델 및 방법

2.1 해석모델

Fig. 1은 해석모델로 선정한 국내 한 전산실의 제원과 운영현장 모습이다. 면적은 156.48 m$^{2}$이고, 층고는 2.97 m이며, 대상 공간은 북쪽과 동쪽이 외기에 접하고 있고 남쪽과 서쪽은 냉난방 중인 인접한 공간에 면하고 있다. 서버 랙의 개수는 32개로 전산장비의 운전에 따른 발열량은 약 34,400 kcal/h로 확인되었다. Table 1에 해석 모델로 선정한 전산실의 세부 제원을 정리하였다.

해석을 위해 건물 외벽의 열관류율은 0.48 W/m$^{2}$․K, 복층유리의 열관류율은 3.3W/m$^{2}$․K, 그리고 침기량은 2면이 외기에 접하고 창 또는 문이 있는 경우(1.5회/h)를 적용하였다. 또한 계산의 편의를 위해 전산실 내 전산장비의 발열부하는 장비 사용률에 따라 변하지 않고 항상 일정하고, 공간의 위와 아랫방향의 열손실과 태양 일사는 무시하였다.

이와 같은 조건에서 주어진 기후환경과 전산장비의 발열을 고려한 열부하를 식(1)로부터 구할 수 있다.

(1)
$\dot q =\dot q_{equip}\pm \dot q_{th}\pm \dot q_{i nf}$

Fig. 1 The consideration model of a computer room in this study
../../Resources/sarek/KJACR.2020.32.4.191/fig1_1.png../../Resources/sarek/KJACR.2020.32.4.191/fig1_2.png

Table 1. Specifications of the computer room and server

Test bed

∙Site : Koyang, Kyeonggi

∙Floor area : 156.48 m$^{2}$

∙Height : 2.97 m

∙Heat transmission rate wall : 0.48 W/m$^{2}$․K

∙Heat transmission rate window : 3.3 W/m$^{2}$․K

∙Infiltration : 1.5 times/h

Servers

∙Number of racks : 32(600×1,000×2,000)

∙Heat release rate from servers : 34,400 kcal(Estimated)

Facilities

∙Air conditioner : 15RT Dual×2

∙SA Fan Air volume : 19,800 m$^{3}$/h

여기서 $\dot q_{equip}$와 $\dot q_{th}$ 및 $\dot q_{i nf}$는 각각 전산장비의 발열부하와 외기와 건물 구조체에 따라 결정되는 관류부하, 그리고 외기의 침입에 의한 침기부하이다. 전산장비의 발열부하는 일정한 값으로 주어지는 반면, 관류부하와 침기부하는 식(2)식(3)으로 계산된다.

미국 냉동공조학회(ASHRAE)에서 전산실 내 실내온습도를 18~27℃를 권장하고, 상대습도는 20~80%까지 완화된 기준을 토대로, 본 실증 대상에는 실내온습도 조건을 24℃, 60%로 설정하였다.

(2)
$\dot q_{th}=K\times A\times(24-T_{o})$

(3)
$\dot q_{i nf}= 0.29\times N\times V\times(24-T_{o})$

이와 같이 발생된 열부하 $\dot q$는 항온항습기 또는 외기냉방시스템에 의해 제거되어야 하며, 외기냉방 수행을 위해 설치되는 송풍기의 용량, 즉 송풍량 $\dot Q$는 식(4)로부터 얻을 수 있다.

(4)
$\dot Q =\dfrac{\dot q}{C\times\Delta t}$

여기서 $C$는 공기의 비열이고, $\Delta T$는 외기와 실내공기의 온도차이다. 열부하의 제거를 위해 사용되는 송풍기와 항온항습기의 소비동력 $P_{f}$와 $P_{R}$은 각각 식(5)식(6)으로부터 구할 수 있다.

(5)
$P_{f}=\dfrac{\dot Q\times P_{s}}{102\times 3600\times\eta}$

(6)
$P_{R}=\dfrac{\dot q}{COP\times 864}$

2.2 해석방법

앞 절에서 설정한 해석모델을 이용해 전산실 설계 및 운전변수의 변화에 따른 외기냉방시스템 도입방안 및 효과를 분석하기 위한 수치해석을 수행하였다. 수치해석을 위해서는 먼저 일정 시간간격을 주기로 주어진 기후 조건과 건물의 제원 및 전산장비의 발열부하 등을 고려한 열부하를 계산하였다. 이후에는 주어진 송풍기와 항온항습기 용량에 대해 해당 계산시간의 실내 및 외기의 상태를 고려해 외기를 이용해 냉방을 수행하는 외기 냉방 또는 항온항습기를 이용한 기기냉방의 수행여부를 결정한 후, 각 방식의 수행에 따른 송풍기 풍량과 송풍기 소비동력 또는 항온항습기 소비동력 등을 계산하였다. 송풍기를 이용해 외기냉방을 수행하는 경우에는 열부하와 외기온도에 따라 송풍기의 풍량을 가변제어하는 것으로 하였고, 이와 같은 계산을 시간간격을 증가시키며 계산을 반복 수행하였다.

한편, 본 연구에서 고려하는 외기냉방의 적용여부는 실내 설정조건과 외기상태 및 전산장비의 발열 수준은 물론, 송풍기와 항온항습기의 용량과 성능 등에 의해 좌우되지만, 특히 외기상태의 영향이 지배적이다. 즉 외기의 상태에 매우 큰 영향을 받으며, 외기온도가 실내온도보다 일정 수준 이하인 경우에는 외기냉방의 수행이 가능한 반면, 일정 수준 이상인 경우에는 외기냉방의 적용이 불가능해 항온항습기를 가동해야 한다. 또한 동일한 실내 설정온도 하에서 외기냉방을 적용하는 경우에도 외기의 상태에 따라 송풍기의 풍량과 소비동력이 달라지게 된다. 다만, 전산장비의 운영특성을 감안해 실내 습도의 영향도 고려하여야 하나, 이는 상대적으로 다습한 외기와 항온항습기의 작동을 감안해 고려대상에서 제외하였다.

Fig. 2 Annual variation of daily averaged outdoor air temperature
../../Resources/sarek/KJACR.2020.32.4.191/fig2.png

Fig. 3 Time variation of outdoor air temperature for typical days
../../Resources/sarek/KJACR.2020.32.4.191/fig3.png

Table 2. Averaged outdoor air temperature for typical days

Types of weather conditions

Averaged temperature(℃)

S(Summer)

31.40

MS(Near Summer)

23.15

M(Middle season)

14.90

MW(Near Winter)

3.00

W(Winter)

-8.91

이와 같이 지배적인 영향을 미치는 외기의 상태를 고려하기 위해 본 연구에서는 계절별 대표일의 기후모델을 선정하였다. Fig. 2는 2014년 기상청 자료를 활용한 일간 외기 평균온도의 연간 변화를 도시한 것으로, 이를 기준하여 계절을 대표하는 것으로 판단되는 5개의 일간 외기온도 패턴을 Fig. 3과 같이 설정하였다. 즉, 일평균 외기온도가 최고(Summer, S), 최저(Winter, W), 그리고 중간(Middle Season, M)인 날과, 최고와 중간 사이(Near Summer, MS)의 날과 최저와 중간 사이(Near Winter, MW)의 날 등 5개의 일간 외기온도 패턴을 준비하였다. Table 2에 각 대표일의 외기 평균온도를 정리하였다.

이상에서 기술한 해석모델을 이용해 각각의 기후 및 설계조건, 그리고 운전조건의 변화에 따른 수치실험을 수행하기 위해 외기냉방시스템의 운전 상태와 에너지 소비율을 계산하도록 수치해석 프로그램을 작성한 후, 계산을 수행하였다.

3. 해석결과 및 고찰

3.1 외기냉방 운전패턴

Fig. 4는 실내 설정온도가 24℃인 경우 앞 절에서 기술한 식(1)~식(5)로 산출된 열량을 제거하기 위한 외기 냉방 송풍기 풍량을 5가지 대표일에 대해 도시한 것이다. 하절기인 S와 MS 모델의 경우에는 실내 설정온도 대비 외기온도가 상대적으로 높아 외기냉방시스템의 이용이 전혀 불가능하고, 중간기인 M 모델의 경우에는 외기온도가 높은 13:00부터 17:00까지를 제외하고는 외기냉방이 가능한 것으로 나타났다. 즉, 주어진 송풍기의 정격용량(19,800 m$^{3}$/h)을 초과하거나 외기온도가 실내 설정온도보다 높은 경우에는 외기냉방이 불가능함을 보여주었다. 반면 동절기인 MW와 W 모델의 경우에는 낮은 외기온도로 인해 전체 시간동안 외기냉방의 수행이 가능하며, 외기온도가 낮을수록 작은 풍량으로도 실내에서 발생되는 열량을 효과적으로 제거할 수 있어 효과적임을 알 수 있다.

3.2 외기냉방용 풍량

앞 절에서 기술한 바와 같이, 모든 열부하를 외기냉방을 통해 제거될 수는 없으며, 외기냉방시스템을 이용할 수 있는 시기는 다른 조건이 동일하다면 해당 지역의 기후와 전산장비의 발열량 등에 따라 변하며, 송풍기와 항온항습기의 용량이나 성능에 따라서도 변하게 된다. 따라서 조건이 허락하는 경우에는 외기냉방을 최대한 이용하는 것이 바람직하지만 부득이하게 외기냉방 운전을 중단하고 항온항습기를 가동시켜야 한다. 이는 주로 외기온도가 높은 하절기와 시기적으로 그에 가까운 중간기가 될 것이다.

Fig. 5는 전산장비에서 발생되는 열량을 제거하는데 필요한 송풍량 변화를 외기온도의 변화에 따라 도시한 것으로, 전반적으로는 외기온도가 증가함에 따라 송풍량은 증가하는 경향을 보여주며, 외기온도가 증가함에 따라 송풍량은 기하급수적으로 증가함을 보여주고 있다. 즉, 외기온도가 낮은 영역에서는 매우 적은 송풍량 으로도 전산장비로부터 발생되는 열을 제거할 수 있지만, 외기온도가 상대적으로 높은 영역에서는 매우 큰 송풍량이 요구되고 있다. 결국 앞 절에서 설정한 모델의 경우(송풍량 19,800 CMH) 외기온도가 19.8℃ 이하이면 외기냉방시스템의 가동이 가능함을 의미한다.

결과적으로, 전산실에 외기냉방시스템을 도입하는 경우 풍량을 지나치게 크게 하면 외기를 도입해 냉방을 수행하는 기간은 길어지지만 송풍기에 의한 전력소비가 오히려 크게 증가하게 되므로, 시스템 설계 시에는 단순히 외기에 의한 냉방이 수행 가능한 최대 풍량을 선택하기에 앞서 전산장비의 발열량과 송풍기의 효율 및 항온항습기의 성능 등을 고려해 최적의 풍량을 선정하는 것이 바람직하다. 본 연구에서 현장적용 대상 전산실 에는 앞에서 계산된 다양한 실험과 분석을 위해 외기온도 19.8℃를 기준으로 송풍기의 설계풍량을 19,800 m$^{3}$/h로 결정하였다.

Fig. 4 Time variation of air flow rate of fan with weather conditions
../../Resources/sarek/KJACR.2020.32.4.191/fig4.png

Fig. 5 Variation of air flow rate for cooling with of outdoor air temperature
../../Resources/sarek/KJACR.2020.32.4.191/fig5.png

3.3 외기냉방 가동시간

Fig. 6 Variation of operating time for cooling with daily averaged outdoor air temperature
../../Resources/sarek/KJACR.2020.32.4.191/fig6.png

Fig. 7 Comprehensive operating results of outdoor cooling system by climate model
../../Resources/sarek/KJACR.2020.32.4.191/fig7.png

지금까지 살펴본 바와 같이 외기냉방시스템은 무엇보다 외기의 상태에 지배적인 영향을 받으며, 결국 하루 중 외기냉방을 가동할 수 있는 기간도 이에 따라 좌우된다. 즉, 동절기과 같이 하루 종일 외기냉방의 수행이 가능한 시기가 있는 반면, 하절기과 같이 외기냉방시스템을 전혀 가동할 수 없는 시기도 존재하게 된다.

Fig. 6은 앞 절에서 주어진 조건 하에서 일평균 외기온도에 따른 외기냉방 가능 시간을 분석한 것으로, 일평균 외기온도가 낮을수록 외기냉방 수행기간이 길어지는 반면, 일평균 외기온도가 높을수록 외기냉방 수행기간이 길어지는 경향을 보여주고 있다. 특히 본 연구에서 검토대상으로 한 모델에서는 일평균 외기온도가 약 9℃ 이하인 영역에서는 외기냉방이 종일 수행 가능하지만, 26℃ 초과인 경우에는 외기냉방을 전혀 수행할 수 없는 것으로 예측되었다.

3.4 에너지 절감 효과

Fig. 7은 앞에서 설정한 조건 하에서 식(1)~식(5)를 통해 산출된 기후모델별 열부하와 외기냉방용 송풍기에 의한 제거열량, 외기냉방용 송풍기의 가동시간과 소비전력, 절감된 에너지량 및 절감율을 각각 도시한 것으로, 참고로 일평균 외기온도를 기후모델과 함께 괄호 안에 표기하였다.

먼저 동절기에서 하절기로 갈수록, 즉 일평균 외기온도가 증가함에 따라 열부하는 증가하는 반면, 외기냉방용 송풍기에 의한 일간 제거열량은 증가하다가 감소해 하절기에 가까운 중간기에는 0이 됨을 보여주는데, 이는 동절기와 동절기에 가까운 중간기에는 열부하가 증가해도 외기냉방에 의해 모든 열부하의 제거가 가능하지만, 중간기 이후에는 외기온도가 증가함에 따라 열부하 제거능력이 감소하기 때문이다. 한편, 동절기에는 외기 온도가 낮아 종일 외기냉방 운전이 가능해 일간 송풍기 운전시간에 변화가 없다가 중간기로 감에 따라 운전 시간은 감소하는 경향을 보여주고 있고, 송풍기 소비동력은 외기온도가 증가함에 따라 동일한 풍량으로 제거할 수 있는 열량이 감소함으로써 중간기까지는 꾸준히 증가하다가 외기온도가 더 증가하면 운전이 정지되는 것을 볼 수 있다.

외기냉방의 수행에 따른 에너지소비량은 상대적으로 송풍기 풍량이 적고 운전시간이 긴 동절기에 크지만, 이 시기에 높은 에너지절감율을 보여주고 있다. 결과적으로 외기온도가 낮은 경우에 외기냉방 수행에 따른 에너지 소비는 증가하지만, 항온항습기에 비해 효율적 운전이 가능해 열부하 제거를 위한 총 에너지 소비는 감소하고 효율은 증가함을 알 수 있다. 반면, 외기온도가 상대적으로 높은 하절기 영역에서는 외기냉방의 수행 및 도입효과가 미미하였다.

Table 3은 이상의 결과를 정량적으로 정리한 것으로, 도입효과가 가장 큰 동절기인 W 모델의 경우 외기냉방에 따른 에너지 절감량은 156.17 kWh, 절감율은 91%을 보여주었다.

Table 3. Quantitative results of outdoor cooling system by climate

Model

Cooling load

(㎉/h)

Removed heat

(㎉/h)

Fan operating time

(h)

Fan power

(kWh)

Saved energy

(kWh)

Energy Saving ratio

(%)

W

712,530

712,530

24

15.22

156.17

91

MW

745,212

745,212

24

23.02

132.01

85

M

777,997

645,738

19.6

40.32

129.15

76

MS

800,692

0

0

0

0

0

S

823,239

0

0

0

0

0

Table 4. The expected monthly operation time and energy saving ratio of cooling system with outdoor air

Month

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Summation

Operating time(h)

744

672

728

647

515

259

28

89

393

662

716

744

6,197

Energy saving ratio(%)

72

73

79

78

65

35

3

11

70

77

72

71

56

Fig. 8 The expectation effect of electric energy savings by month after introducing outdoor air cooling system
../../Resources/sarek/KJACR.2020.32.4.191/fig8.png

한편, 보다 구체적인 결과로 외기냉방시스템의 월별 운전현황과 예상되는 절감효과를 Table 4에 정리하였다. 국내 기후데이터를 참고해 앞 절에서 외기냉방 수행이 가능한 것으로 예상된 외기온도 19.8℃ 이하인 경우를 대상으로 외기냉방시스템의 이용에 따른 월별 및 연간 외기냉방 송풍기 운전시간의 합과 그때 필요한 에너지를 예상하였고 외기냉방시스템을 도입하기 전 실측데이터와 비교하여 에너지 절감효과를 분석하였다.

6~8월의 하절기에는 높은 외기온도 상태로 인해 외기냉방 가능 시간이 감소하나, 중간기에서 겨울철로 갈수록 외기냉방 수행이 가능한 시간이 증가해 연간 총 8,760시간 중 약 6,197시간 동안 외기냉방이 가능하고, 이에 따라 연간 약 56%의 전력에너지 절감효과가 있을 것으로 예측되었다. Fig. 8에 외기냉방시스템 도입 전․후의 전산실 열부하 제거를 위해 소비된 전력 에너지량을 비교, 도시하였다.

4. 현장적용 및 실증

4.1 현장 적용 및 설치

먼저, 기존의 전산실의 운영현황을 분석한 결과, 비효율적인 서버 랙 배치로 열 순환이 되지 않아 서버의 냉각효과가 현저히 떨어져 있었고, 항온항습기의 급기온도 설정이 22±2℃임에도 불구하고 실제 실내온도 분포는 약 26~31℃로 매우 불균일하고 열악함을 확인하였다. 이에 본 연구에서는 효율적인 시설운영을 위해 전산실 내 서버 랙을 고온영역과 저온영역을 구분하여 재배치하고, 기존의 상부 토출 냉각방식을 Fig. 9에 보인 바와 같이 고온영역에 급․배기 덕트를 통한 하부 토출 냉각방식으로 개선함으로써 21~26℃의 양호한 실내 온도분포를 확인하였다. 앞 절에서 기술한 바와 같이, 실내 온․습도 조건을 24℃ 및 40~60%로 선정하였다. Table 5에 전산실 시설 및 운영 개선 전․후의 결과를 비교하였다.

Fig. 9 Schematic diagram of the outdoor air cooling system.
../../Resources/sarek/KJACR.2020.32.4.191/fig9_1.png../../Resources/sarek/KJACR.2020.32.4.191/fig9_2.png

Fig. 10 Operating method of the cooling system for computer room
../../Resources/sarek/KJACR.2020.32.4.191/fig10.png

Table 5. Comparison of indoor conditions before and after improvement work

Before

After

Operating set condition

22℃±2℃ DB,

50%±5% RH

24℃+1℃ DB,

40~60% RH

Temperature distribution

26~31℃

21~26℃

Table 6. Details of the outdoor air cooling system installed

Equipments

Air volume

(m$^{3}$/h)

Electricity consumption (kW)

SA Fan

9,900×1EA

3.2×2EA

Compressor

-

7.2×4EA

EA Fan, Inverter

19,800×1EA

4.7×1EA

또한, Fig. 10에 보인 바와 같이 항온항습기에 의한 기존 전공기 재순환 냉각방식을 개선하여 급기, 배기 및 외기 댐퍼를 추가로 설치해 외기도입 풍량의 조절로 가능한 외기냉방시스템을 구축하였다. (a)는 전공기 재순환 냉각방식은 실내 설정온도를 고려한 외기온도가 일정 수준 이상으로 높을 경우 외기도입에 의한 냉방수행이 불가능하기 때문에 외기를 차단하고 항온항습기로만 냉방운전을 하는 방식이다. (b)는 외기온도가 실내 설정 온도보다 일정수준 이하로 낮아질 때 냉방장치를 중단하고 외기에 의해서만 냉방운전을 하는 방식이다. (c)는 혼합운전 방식으로 동절기과 같이 외기온도가 지나치게 낮을 때 상대적으로 고온인 실내공간으로부터 회수된 공기와 혼합하여 필요로 하는 온도의 공기를 공급하는 운전방식이다.

Table 6에 실증현장에 설치된 외기냉방시스템의 제원을 보였다. 용량이 15RT인 항온항습기 2대로 구성된 기존의 시설에 배기용 송풍기와 필요에 따라 송풍량을 조절하기 위한 인버터를 설치해 외기냉방시스템을 구축 하였다. 급기용는 기존 항온항습기의 급기팬을 같이 사용함으로써 비용과 설치공간을 절약하였다. 급기팬과 배기용 송풍기의 총 풍량은 각각 19,800CMH이고, 급기팬은 정풍량, 배기용 송풍기는 인버터 제어에 의한 변풍량 방식을 채택하였다.

Fig. 11 View of the monitoring screen for outdoor air cooling system
../../Resources/sarek/KJACR.2020.32.4.191/fig11.png

Fig. 11은 현장에 설치된 시설의 실시간 모니터링을 위해 구축된 관제화면으로, 실내․외 및 환기의 온도와 습도를 비롯해 출구와 고온영역 및 저온영역의 온도, 인버터 출력값, 송풍기와 항온항습기의 소비전력에 관한 데이터를 수집, 분석에 활용하였다.

4.2 운전결과 및 고찰

Fig. 12는 현장적용 대상 전산실에 외기냉방시스템의 도입을 통해 얻은 운전결과로, 중간기 외기냉방이 가능한 대표일의 외기와 실내공기, 즉 환기의 온도와 습도, 급기 및 저온영역과 고온영역의 온도 분포를 도시한 것으로, 외기냉방시스템의 작동범위도 함께 표기하였다.

먼저, 외기의 온도와 습도는 전형적인 일간 시간변화 형태를 보여주고 있고, 급기온도는 외기냉방 수행기간 에는 외기의 온도변화에 거의 비례하나 외기온도보다 약간 높은 값을 보여주는데, 이는 송풍기의 발열 등에 기인하는 것으로 판단된다. 또한 저온영역은 급기온도보다 약간 높은 수준인 반면, 고온영역은 환기온도와 거의 같은 값을 보여주고 있다. 외기냉방에서 항온항습기에 의한 기기냉방으로 전환되는 시점 및 기기냉방에서 외기냉방으로 전환되는 시점에는 전산실 내의 온도분포가 불연속적인 현상을 보여주는데, 이는 기기냉방의 경우는 항온항습기에 의해 비교적 일정한 값으로 유지할 수 있는 반면, 외기냉방의 경우는 외기의 영향을 받아 외기냉방으로부터 기기냉방으로 또는 기기냉방으로부터 외기냉방으로의 절환 시 전산실 내 온도분포가 전반적 으로 증가하는 경향을 보여주고 있다. 또는 환기의 습도는 전산기기의 발열 등의 영향을 받아 외기에 비해 낮은 값으로 유지되는 것을 볼 수 있다.

Fig. 12 Time variation of indoor and outdoor air conditions at the testing computer room for typical day
../../Resources/sarek/KJACR.2020.32.4.191/fig12.png

Fig. 13 Comparison of daily electric power consumption by cooling method
../../Resources/sarek/KJACR.2020.32.4.191/fig13.png

한편, 9시 53분 경 이후에는 외기온도의 상승으로 더 이상 외기냉방의 수행이 불가능해 항온항습기가 작동 되며, 이 기간에는 앞에서도 기술한 바와 같이 기기냉방으로의 절환 초기에는 전산실 내 온도분포가 낮아지나 이후에는 일정하게 유지되는 경향을 보여주고 있다. 외기온도가 낮아지며 17시 35분 이후에는 기기냉방을 멈추고 외기냉방이 수행됨을 보여주고 있다.

Fig. 13은 앞의 그림에서 보인 외기냉방 수행결과와 시설개선 이전 기후조건이 거의 유사한 것으로 판단되는 날(일평균 외기 온도 18.8℃, 상대습도 60.3%) 항온항습기만을 이용해 냉방을 수행한 결과를 비교하기 위해 각 경우의 일간 전력소비량을 도시한 것이다. 시설개선 이전에는 항온항습기만을 이용하므로 여러 대의 압축기가 주기적으로 단속제어를 통해 냉방을 수행함을 보여주고 있다. 반면, 외기냉방이 도입된 경우에는 앞에서 기술한 바와 같이 외기온도가 일정 수준 이상인 경우를 제외한 기간에는 외기에 의한 냉방을 수행함으로써 전력소비를 크게 절감할 수 있음을 알 수 있다.

즉, 기기냉방만을 수행하는 경우에는 항온항습기 작동을 위해 7.2 kW 용량의 압축기 3대와 3.2 kW 용량의 급기팬 2대가 총 28 kW의 전력을 소비한 반면, 외기냉방 모드로 운전되는 경우에는 3.2 kW 용량의 급기팬 2대와 4.7 kW 용량의 배기용 송풍기 1대가 총 11.1 kW의 전력을 소비하는 것으로 측정되었다. 상세한 에너지 절감효과에 대해서는 뒤에서 다시 기술하기로 한다.

한편, 외기온도가 20.6℃이하인 새벽, 아침(00:00~9:53)과 저녁시간(17:35~24:00) 구간에서 총 16시간 18분 동안 외기냉방시스템이 작동되었음을 볼 수 있 있다. 앞에서 기술했듯 본 연구에서 대상으로 한 전산실에 대한 이론 해석에서는 주어진 실내 설정온도를 기준으로 외기냉방이 가능한 외기온도는 19.8℃ 이하의 결과를 얻었으나, 실제 운전 시에는 외기온도가 20.6℃ 이하일 때 외기냉방이 작동을 시작했으며, 결국 이론해석 결과와 +0.8℃의 오차만을 보여 비교적 정확한 예측이 가능함을 확인하였다.

Table 7. Comparison of indoor condition and daily electric power consumption by cooling method

Conventional

Outdoor air introduced

Indoor set condition

22℃±2℃DB,

24℃+1℃DB,

50% ± 5% RH

40~60% RH

Averaged Indoor Temperature (℃)

27.6

26.1

Electric power consumption (kWh/day)

664

363

Table 7은 앞 그림에서 설명한 항온항습기만을 이용한 기존의 방식과 외기냉방시스템을 도입한 새로운 방식의 운영을 통해 얻은 실내 환경 및 냉방용 전력소비량을 비교해 정리한 것이다. 실내 설정온도를 항온항습기만을 이용한 경우에는 22±2℃로 설정한 반면, 외기냉방시스템을 도입한 경우에는 24+1℃로 높게 설정했음에도 전산실 내 실내 평균온도는 27.6℃에서 26.1℃로 1.5℃가 낮아졌음을 볼 수 있는데, 이는 전산장비와 급배기구의 재배치를 통해 실내 공간 내 온도분포가 균일해졌음을 의미하며, 결국 실내 설정온도의 상향 조정을 통해 냉방용 에너지의 소비절약에 적지 않은 기여를 할 것으로 기대된다. 또한 해당일의 일간 전력소비량도 항온항습기만을 이용한 경우에는 664 kWh인 반면, 외기냉방시스템을 도입한 경우에는 363 kWh로 감소해 약 45% 이상의 전력에너지가 절감되었음을 보여주고 있다.

4.3 에너지 절감효과 분석

Fig. 14는 외기냉방시스템 도입 이전의 일정 기간 동안(2017. 5~2018. 4) 기존 항온항습기를 이용해 현장적용 대상 전산실을 운영해 얻은 일간 전력소비량과, 외기냉방시스템을 도입한 이후 일정 기간 동안(2016. 1~2016. 12) 운영하며 측정된 전력소비량의 변화를 외기의 일간 평균온도에 따라 도시한 것이다. 어떤 경우든 일평균 외기온도가 낮은 영역에서는 일간 전력소비량에 큰 차이를 보이지 않지만, 쉽게 예상할 수 있듯, 일평균 외기 온도가 일정 수준 이상, 예를 들면 5℃ 이상의 영역에서는 냉방부하의 증가에 따라 전력소비량이 증가하는 경향을 볼 수 있다. 또 항온항습기만을 이용하는 기존의 방식에 비해 외기냉방을 이용하는 경우 전반적으로 전력소비가 크게 감소함을 보여주고 있는데, 앞에서 기술한 환경개선 효과를 고려하지 않더라도 동일한 목적을 위해 상대적 으로 적은 전력에너지를 소비함으로써 외기냉방시스템이 에너지 효율적임 시사한다.

결과적으로, 일평균 외기온도가 낮은 동절기, 예컨대 10℃ 이하의 영역에서는 외기냉방을 이용한 방식을 이용 하면 기존의 방식에 비해 66% 수준의 전력에너지 절감이 가능함을 보여주고 있다. 이 기간에는 항온항습기가 전혀 가동되지 않고 외기에 의한 냉방만이 수행되므로, 이 비율은 곧 기존의 방식에 대한 외기도입 냉방방식의 전력소비의 비율로 볼 수 있다. 일평균 외기온도가 증가함에 따라 일정 기간 동안에는 외기냉방용 송풍기 소비 동력의 증가와 항온항습기의 부분적인 운전에 따라 이와 같은 절감효과는 감소하기는 하나, 여전히 10℃~ 20℃의 중간기에도 약 37% 정도의 절감효과를 보여주었고, 20℃ 이상의 하절기에도 6% 수준의 절감효과를 확인할 수 있었다.

Fig. 15는 앞의 그림에서 설명한 것과 동일한 경우, 즉 외기냉방시스템 도입 이전(2017. 5~2018. 4)에 기존 항온항습기를 운영해 얻은 전력소비량과, 외기냉방시스템 도입 이후(2016. 1~2016. 12) 측정된 전력소비량을 월별로 비교, 도시한 것이다. 앞에서 기술한 바 있듯이, 동절기인 11~2월에는 약 66%, 중간기인 3~5월과 9~ 10월에는 약 37%, 하절기인 6~8월에는 약 6%의 에너지 절감효과를 보여주고 있다. 이들을 종합하면 결과적으로 연간 약 40%의 에너지절감이 가능한 것으로 나타났으며, 5월과 9월 중 외기냉방이 추가로 가능한 날이 있음 에도 불가피하게 외기냉방 운전을 하지 못한 것을 감안하면 에너지 절감효과는 더 증가할 것으로 예상된다.

Fig. 14 Comparison of daily electric power consumption according to daily averaged outdoor air temperature by cooling method
../../Resources/sarek/KJACR.2020.32.4.191/fig14.png

Fig. 15 Comparison of monthly electric power consumption and saving ratio by cooling method
../../Resources/sarek/KJACR.2020.32.4.191/fig15.png

5. 결 론

운영단계에서 많은 에너지가 소비되는 전산실에 외기냉방시스템을 설치해 전력소비를 절감하고자, 다양한 설계 및 운전변수가 에너지 소비에 미치는 영향을 분석하고, 전력소비를 최소화하는 운전방안을 도출하기 위한 이론해석과 현장적용을 통해 다음과 같은 결과를 얻었다.

(1) 외기의 풍량이 증가하면 외기냉방 수행기간은 길어지지만 송풍기에 의한 전력소비가 오히려 증가하므로 시스템 설계 시에는 이론적으로 가능한 최대 풍량에 전산장비의 발열량과 송풍기의 효율 및 항온항습기의 성능 등을 고려해 최적의 풍량을 선정하는 것이 바람직하다. 본 연구에서 대상으로 한 전산실의 경우 수치해석과 현장실험을 통해 이론적으로 외기냉방 수행이 가능한 외기온도로 각각 19.8℃와 20.6℃를 얻었다.

(2) 전산장비와 급배기구의 효율적 배치를 통해 실내 공간 내 온도분포를 균일화시킴으로써 실내 설정온도의 상향 조정이 가능해 냉방용 에너지의 소비를 줄일 수 있다. 본 연구의 경우, 전산실 내 설정온도를 2℃ 상향했음에도 실내 평균온도는 1.5℃ 낮아져 실내 환경 개선과 그에 따른 에너지절약이 가능하였다.

(3) 항온항습기만을 이용해 전산실 냉방을 수행하는 기존의 방식과 비교해, 외기냉방시스템의 도입으로 동절기인 11~2월에는 약 66%, 중간기인 3~5월과 9~10월에는 약 37%, 하절기인 6~8월에는 약 6%의 에너지 절감이 가능하며, 결과적으로 연간 약 40% 이상의 에너지 절감이 가능함을 확인하였다.

후 기

본 연구는 2020년도 국토교통부의 재원으로 도시건축연구사업의 지원을 받아 수행한 연구과제입니다(20AUDP-B099686-06).

References

1 
Seok D. K., 2018, Summer in the data center must be cold, Daily TodayGoogle Search
2 
Song, 2018, A Study on Realities of Actual Conditions for the Activation of Data Center Industry Ecosystem, Korea IT Services Industry AssociationGoogle Search
3 
Song, 2015, A foundation research for the data center industry development, Korea IT Services Industry AssociationGoogle Search
4 
Lee, 2015, Power consumption analysis and reduction methods for EPMS, Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems, Vol. 9, No. 2, pp. 48-56Google Search
5 
Seo, 2013, A Study on the Application of Air-side Economizer System for the Data Center, The Korean Solar Energy Society, Vol. 33, No. 2, pp. 150-153Google Search
6 
Jang, 2014, Study on the development of energy conservation system for data center by utilizing multi-staged outdoor air cooling, Architectural Institute Of Korea, Vol. 34, No. 2, pp. 267-268Google Search
7 
Jeong, 2014, A Study of Direct Air-side Economizer Control Strategies for a Modular Data Center, Architectural Institute of Korea, Vol. 34, No. 1, pp. 243-244Google Search
8 
Jang, 2014, Development of Cooling System for Reducing Energy Consumption Rates onto 50% in a Data CenterMinistry of Land, Infrastructure, Vol. and transport report, No. , pp. 1-213Google Search