2.1 IT장비의 발열 제거를 위한 냉각방식 구분

데이터센터의 적정 IT환경을 유지하고 IT장비에서 발생하는 열-에너지를 실외로 전달하는 냉각방식은 일반적으로 13가지로 구분된다.⁽⁷⁾ 발열제거 및 IT장비 냉각방법은 냉동사이클의 구성요소를 IT환경에서 이격하여 설치하고 물과 기타 열매체의 순환(자체 배관 포함)을 구성하여 프로세스를 수행한다. 발열제거는 IT공간에서 실외로 열-에너지를 이송(transport)시키는 프로세스라고 생각할 수 있다. 열-에너지를 실외로 이송하는 수단으로 IT서버룸의 가열된 공기를 덕트를 통하여 직접 배출하는 것이 가장 간단하지만 배출된 공기만큼 다시 공급하는 방법이 간단하지 않다. 이러한 열-에너지를 이송은 일반적으로 열교환기를 사용하여 하나의 유체에서 다른 유체로 열-에너지를 전달함으로써 달성된다. Fig. 2와 같이, 실내 및 실외 전환지점 사이의 열매체는 두 지점 사이의 열-에너지를 운반하는 역할을 하며, 크게 물, 공기, 부동액(글리콜) 및 냉매로 구분된다.⁽⁸⁾ 중앙에 열원(냉동기 및 히트펌프)을 통하여 생산된 냉수를 이용하는 중앙냉수식(centeral chilled water) 냉각시스템은 CRAH 유닛을 사용하고, 다시 열원에서 냉수를 만드는 방식에 따라서 다시 공랭식(air-cooled), 수냉식(water-cooled) 또는 글리콜식(glycol-cooled)의 6가지 방식으로 세분화된다. CRAC 유닛은 내부의 냉각사이클을 수행하여 직접 IT서버룸의 발열을 제거하는 방식으로 실내유닛와 실외유닛으로 구분된다. 냉매를 사용하여 압축기와 증발기가 설치된 실외유닛을 동작하는 공랭식(air-cooled)방식, 압축기는 CRAC유닛에 있고 냉각수 순환으로 냉각탑을 사용하는 수냉식(water-cooled)방식, 그리고 열매를 물이 아닌 부동액을 사용하고 냉각수 순환으로 드라이쿨러(dry-cooler)를 사용하는 글리콜식(glycol-cooled)의 3가지 방식으로 구분된다. 마지막으로 CRAC/H 유닛을 사용하는 방식 외에 소규모 전산센터에 적용 가능한 방식으로 외기를 처리하여 직접 공급하고 배출하는 직접/간접 증발냉각방식과 소형 냉각기를 덕트내 또는 건물옥탑에 설치하는 방식 등 4가지 방식을 포함하여 총 13개의 냉각방식이 데이터센터 냉각방식으로 사용가능하다.

Fig. 2 The 13 fundamental heat removal methods of data center cooling.(7)

2.2 IT장비의 발열 제거를 위한 공기분배방식 구분

Fig. 3 The basic concept of room, row, and rack-based cooling.(9)

데이터센터 공조(공기분배)방식의 기본 구성 및 일반적인 개념은 Fig. 3과 같고, CRAC/H 유닛과 랙-서버(rack server)에 장착된 IT장비와의 연계를 보여준다.⁽⁹⁾ CRAC/H 유닛의 실제 물리적 레이아웃은 다를 수 있지만 공간단위 공조방식의 CRAC/H 유닛은 IT서버룸 전체를 제어하고 구역단위 공조방식은 랙-서버가 배열된 일부의 구역 또는 열(군), 그리고 IT장비단위 공조방식은 개별 랙-서버에 대응한다. 공간단위 냉각방식의 경우, CRAC/H 유닛은 IT서버룸 단위를 설정하고 공간 전체의 열-부하를 처리하기 위해 여러 개의 CRAC/H 유닛이 동시 운전된다(Fig. 3(a) 참조). 공간단위 공조방식은 덕트, 댐퍼, 환기구 등에 의한 제어를 하지 않고 실내에 설치된 하나 이상의 CRAC/H 유닛에서 공조공기를 직접 공급하는 경우도 있고, 이중마루(raised floor) 통로와 천장의 공간을 사용하여 급기 및 환기를 부분적으로 제어 할 수 있다. 설계 시 공기분배에 대한 고려가 프로젝트 특성에 따라 크게 달라질 것이 일반적이다. 대규모 전용 데이터센터의 경우는 IT장비 및 랙-서버에 효율적인 공기흐름을 만들기 위해 계획적으로 배치한 hot aisle/cold aisle에 공기를 분배하기 위해 이중마루를 사용한다. 공간단위의 공조방식에 착안한 디자인은 공간 제약(천장 높이, 공간 형태, 이중마루 하부 장애물, 랙-서버 배치, CRAC/H 유닛 위치 및 각 IT장비의 배전 등)에 큰 영향을 받는다. 특히 전력 밀도가 증가하는 경우, cold/hot aisle containment가 적용되지 않을 경우, IT서버룸 전체의 공조에 대한 균일한 성능은 기대하기 어렵다. CRAC/H 유닛의 정격 용량이 증가하는 것과 containment를 적용하지 않은 공간단위 방식은 공조효율 저하의 문제가 될 수 있다. 공조유실 (by-pass)은 CRAC/H 유닛에서 분배되는 냉기의 대부분이 IT장비에 도달하지 않고 그대로 CRAC/H 유닛으로 돌아갈 때 발생한다. 이 경우의 적정한 정격 용량에도 불구하고 일부 지역에서는 냉각요구 사항이 CRAC/H 유닛의 냉각능력을 초과 할 수도 있다. 또한 IT장비에서 발열을 제거한 고온의 공기가 다시 유입되는 재순환 (re-circulation) 현상으로 서버의 내부 온도가 증가하여 오류가 발생할 위험이 커진다. Fig. 3(b)의 구역단위 공조방식의 경우, CRAC/H 유닛은 일부의 랙-서버 열을 대상으로 전용 공조시스템을 구성한다. CRAC/H 유닛은 랙-서버 사이 또는 천장에 설치 가능하다. 기존의 방식인 공간단위 공조방식보다 공기분배 통로를 짧고 명확하게 정해져 있다. 또한 공기분배 흐름을 예측하기 용이하여 CRAC/H 유닛의 정격 용량을 최대한 이용할 수 있어 더 높은 전력 밀도에 대응 가능하다. 구역단위 공조방식은 냉각성능 외에도 여러 가지 장점이 있다. 공조공기 이동 경로를 단축할 수 있기 때문에 CRAC/H 유닛의 팬 소비동력을 줄이고 효율성을 높일 수 있다. 데이터센터의 공조․냉각 에너지 팬 동력이 차지하는 비율이 크며, 공간단위 공조방식은 데이터센터의 확장성을 고려하여 아직 설치되지 않은 IT기기까지 고려하여 큰 용량의 CRAC/H 유닛이 운전되기 때문에 비효율성이 커진다. Fig. 3(c)와 같이, IT장비단위 공조방식의 CRAC/H 유닛은 IT장비와 일체화되며 랙-서버 전용으로 직접 설치된다. IT장비 기반 공기분배 경로는 공간 또는 구역단위 공조와 비교하여 더 짧고 정확하게 정의되므로 기류순환은 랙-서버 설치, 변경 또는 배치의 제약조건에 완전히 영향을 받지 않는 장점이 있다. CRAC/H 유닛의 모든 정격용량을 충분히 사용할 수 있고, 초고도 전력 밀도(최대 50 kW/rack)에 대응 가능하다. IT장비단위 설계를 통해 블레이드 서버, 통신장비 등 높은 전력밀도의 특성을 갖는 랙-서버의 실제 필요 냉각용량과 예비장비를 지정할 수 있다. N+1 또는 2N 이중화는 특정 랙-서버를 대상으로 할 수 있기 때문에 효율적인 운영이 가능하다. 구역단위 또는 공간단위에서만 지정할 수 있는 것보다 효율적이지만 공조․냉각장비의 수량이 증가하여 비용에 대한 문제가 매우 큰 단점이다.

2.3 데이터센터 CRAC/H 유닛 형식 구분

CRAC/H 유닛은 실내의 온도 및 습도를 일정하게 필요로 하는 IT서버룸에 설치되어 냉각, 가습, 가열, 재열, 제습, 공기청정 및 공기순환 등의 기능으로 외부 기후조건에 관계없이 실내의 일정한 온도와 습도를 유지한다. 전통적인 공간단위 CRAC/H 유닛은 급기(SA) 및 환기(RA)에 따라서 일반적으로 4가지 형식으로 구분된다.⁽¹⁰⁾ Fig. 4(a), Fig. 4(b)와 같이, 상부방향으로 급기하는 상향식 유닛과 Fig. 4(c), Fig. 4(d)의 이중마루 하부방향으로 급기하는 하향식 유닛으로 나뉜다. 세부적으로 급기에 덕트를 연결하는 덕트연결 상향식 유닛과 환기에 덕트를 연계하는 덕트연결 하향식 유닛이 있다. 구역단위 CRAC/H 유닛은 Fig. 4(e), Fig. 4(f)와 같이, 랙-서버 사이에 (in-row) 설치하는 바닥 상치형 유닛과 cold 또는 hot aisle 상부에 설치하는 천정형 유닛으로 대표된다.⁽⁹⁾

3.1 데이터센터 IT장비 환경조건

특정 IT운영 환경등급을 유지하려면 정상적인 조건을 기준으로 허용되는 환경 범위에서 전체 장비가 작동 해야한다. Table 1은 ASHRAE TC9.9에서 제시하는 환경등급에 따른 데이터센터 IT장비의 운전조건을 제시하고 있다.⁽¹¹⁾ 첫째, IT장비가 정상적인 상황에서 권장되는(recommended) 환경범위 내의 운전조건을 유지하도록 하는 신뢰성 범위가 있다. 둘째, IT장비 제조업체가 허용되는(allowable) 환경범위 내에서 정상적으로 작동하는지를 확인하기 위해 장비를 테스트하는 조건인 IT장비의 물리적 범위가 있다. A1은 일반적으로 엄격하게 IT운영 환경요소(이슬점, 온도 및 상대습도)를 관리하고 무중단 운전(mission-critical operations)을 위해 설계된 유형의 제품은 서버-랙 및 스토리지로 구성된 IT서버룸에 해당된다. A2~A4는 IT운영 환경요소를 일부 제어하는 IT공간 으로 해당 조건으로 설계된 유형의 제품은 볼륨 서버, 스토리지, 개인용 컴퓨터 및 워크스테이션으로 구성된 공간이다. B와 C는 사무실이나 공장에 해당되기 때문에 데이터센터의 CRAC/H 유닛 기준에 고려대상은 아니다. 데이터센터는 대부분 A1에 해당되고 권장기준에 따라서 IT환경을 유지하는 것이 중요하기 때문에 CRAC/H 유닛의 성능평가도 이 기준을 준수하는 것이 반드시 필요하다.

3.2 국내 데이터센터 공조·냉각장비 성능시험 방법 및 기준

국내의 데이터센터 CRAC/H 유닛에 부합하는 시험방법 및 기준은 아직까지는 없는 현실이다. 유사 품목은 국가기술표준(KS)의 덕트없는 에어컨과 열펌프(KS B ISO 5151), 에어컨디셔너(KS C 9306)와 단체표준인 항온항습기(SPS-KARSE B 0001-164) 성능시험 및 평가기준이 있다. 그러나 해당 표준은 데이터센터의 IT환경 및 운영특성을 반영하지 못하고 있다. 따라서 필요시 기준의 변경이 필요한 상황이다.

3.3 해외 데이터센터 공조·냉각장비 성능시험 방법 및 기준

해외의 데이터센터 공조․냉각장비 시험방법 및 기준은 IT환경을 고려한 CRAC/H 유닛 유형의 정격용량의 성능과 효율을 평가하는 표준이 마련되어 있다. 대표적인 표준은 ANSI/ASHRAE Standard 127과 AHRI Standard 1361이 해당된다.

4.1 IT환경 조건을 고려한 CRAC/H 유닛 성능시험 방법 및 기준

Table 7과 Table 8은 국외의 데이터센터 전용 CRAC/H 유닛에 적용되는 특화된 시험조건과 국내의 공조․냉각 시스템의 시험기준을 검토하여 합리적인 성능평가를 위한 대안조건을 제시하였다.

Table 7의 CRAC/H 실내 유닛의 경우, 해외표준은 실내에서 장비로 유입되는 공기의 온도를 기준으로 하고 국내표준은 대상 유닛이 설치되는 실내온도를 기준으로 한다. 결론적으로는 큰 차이가 없다. 그러나 습도관련 사항은 해외의 경우, 이슬점온도를 기준으로 하고 국내는 습구온도(상대습도)를 기준으로 한다. 냉방능력에 가장 중요한 요소가 되는 CRAC/H 유닛의 인입온도 조건은 세분화 되어 있기 때문에 5단계로 구분하여 건구온도는 최저 24.0℃에서 최대 40.5℃로 기기의 유형별로 다양성을 부여 하였고, 이슬점온도는 11.0℃로 설정 값을 단일화 했다. Table 8의 냉각기 열원조건은 적용 가능한 모든 유형인 공랭식, 수냉식, 글리콜식의 CRAC 유닛과 중앙냉수식의 CRAH 유닛을 모두 포함하였다. 국내기준은 공랭식과 수냉식에 국한되었기 때문에 해외기준과 유사사항을 그대로 반영하되 공랭식 CRAC 유닛의 조건에는 외부 습구온도 조건을 추가하였다. 이외, 글리콜식과 중앙냉수식의 경우, 해외 표준인 ASHRAE와 AHRI는 동일하여 본 해당 조건을 반영하여 최종적으로 시험조건의 대안을 제시하였다.

4.2 CRAC/H 유닛 성능시험 적용사례

IT환경 조건을 고려하여 국내의 실정에 맞게 제시한 CRAC/H 유닛 성능시험 방법 및 기준을 바탕으로 신규 CRAC 실내유닛, 냉매분배기, 냉동기로 구성된 데이터센터 공조․냉각 장비의 시작품을 냉각능력 칼로리미터 성능시험을 진행하였다.

4.2.1 공조․냉각장비 성능평가 시험장비 개요

Table 9는 데이터센터 공조·냉각장비의 성능평가를 실시한 시험장치의 사양을 보여준다. 냉방성능 평가를 위한 핵심 인프라인 칼로리미터는 냉방 최대용량 30 kW, 측정 최대풍량 100 m³/min의 풍동으로 구성되어 있다. 최대 순환유량은 150 L/min 및 냉수온도 3~60℃의 열원을 공급할 수 있는 용량으로 구성되어 있다. 해당 시험 장비를 이용하여 IT환경에 부합하는 데이터센터 서버룸의 환경조건을 모사하였고 CRAC 유닛에서 토출되는 공기의 온도, 습도, 풍량을 측정하고 엔탈피 열량 계산을 통하여 냉방능력을 산출하였다.

Table 9. Specification of performance testing equipment for CRAC/H units

	Indoor side chamber volume	9,000 m(W)×5,000 m(D)×4,000 m(H)
	Outdoor side chamber volume	5,500 m(W)×5,000 m(D)×4,000 m(H)
	Cooling capacity	Max 30 kW
	Heating capacity	Max 30 kW
	Chamber temperature range	-20~60±0.1℃
	Air flow measurement range	8~100 m3/min
	Supply water temperature range	3~60±0.1℃
	Water flow measurement range	0~150 L/min

Fig. 5 A sample CRAC unit package for performance testing.

4.2.3 CRAC 유닛 성능평가 방법 및 결과

시험 CRAC 유닛 및 시험장치는 Fig. 6과 같이 구성되었다. 시험방법은 냉각기와 냉매분배기, CRAC 유닛을 충분히 단열된 플랙시블 호스를 사용하여 연결하였으며, 냉동기와 냉매분배기의 순환 사이클에 수열원용 펌프와 유량계를 설치하여 응축수의 입출구 온도차에 따라 유량을 조절할 수 있도록 하였다. IT환경을 모사한 실내측 챔버의 공기온도는 구역단위 공조방식을 감안하여 부하의 대응성을 고려하여 CRAC 실내유닛 인입온도 (실내온도)를 최대 기준인 40.5℃로 설정하였다.

제안한 수냉식 시스템의 조건에 근거하여, 공급되는 냉각수의 입구온도는 28.3℃, 그리고 실내의 부하를 제거하고 냉각기로 돌아가는 출구온도를 35℃가 되도록 냉각수 유량을 조절하였다. Table 10에 명시하고 있는 성능평가 시험조건에서의 수냉식 CRAC 유닛의 냉각용량의 산출은 식(1)과 같다. Table 11은 IT환경을 반영한 시험조건으로 2개의 프로토타입의 CRAC 유닛의 냉방성능을 평가한 결과이다. 먼저, 냉각수 순환계통과 실내측의 공기 순환계통의 열적평형을 유지하는 것이 매우 중요하다. 성능시험 결과는 해당 프로토타입 모두, 냉각기의 냉각수 순환 입구와 출구 온도가 각각 28.3℃와 25.0℃에 매우 유사한 정확도를 보였고 실내 부하를 제거하기 위한 조건인 CRAC 유닛 환기온도도 설정온도 40.5℃ 근접하게 유지되었다. 그러나 습도계통에는 약간의 오차(Table 11의 remark)를 보였지만 냉방능력을 산정하는 사항은 큰 문제가 없었다. 실험대상 CRAC 유닛은 그 사용 목적에 맞는 IT환경을 반영한 운영조건에서 실제로 얻고자 하는 냉방능력을 확보할 수 있음을 확인 할 수 있었다. 국내의 시험기준은 정상상태 판단기준을 제시하고 있으므로 실험조건에 대한 정상상태 만족여부를 평균의 변동률로 제시할 필요가 있을 것으로 판단된다.

Fig. 6 Configuration of testing equipment and performance test method of CRAC units.

Table 10. Application of coverage conditions for the performance test of CRAC units

Indoor conditions	Heat rejection rating conditions			(1) $Q_{c}=\dfrac{m_{air}\left(h_{a1}-h_{a2}\right)}{v_{n}\left(1+x_{n}\right)}+Q_{loss}$
Return dry-bulb temp.	Entering water temp.	Leaving water temp.	Water flow rate
40.5℃	28.3℃	35.0℃	ΔT = 6.7

Table 11. Results of capacity test for of CRAC units

	Rating contents standard rating conditions		Test results		Remark
			Prototype #1 [5 kW]	Prototype #2 [15 kW]
Standard cooling system capacity	Rated cooling capacity Sensible heat capacity Latent heat capacity	Result Result Result	5.5 kW 5.1 kW 0.4 kW	17.0 kW 15.8 kW 1.2 kW	○ ○ ○
Air-side conditions (surrounding indoor part of unit)	Return dry-bulb temp. Return wet-bulb temp. Return relative humidity Supply dry-bulb temp. Supply wet-bulb temp. Supply relative humidity Air flow rate	40.5℃ 21.5℃ 17.3 % Result Result Result Result	40.44 ℃ 23.97 ℃ 25.13 % 29.34 ℃ 20.58 ℃ 45.10 % 1372.8 m3/h	40.44 ℃ 24.05 ℃ 25.36 % 28.83 ℃ 20.50 ℃ 46.86 % 4103.4 m3/h	○ △ △ ○ ○ ○ ○
Water-side conditions (heat rejection & cooling fluid)	Entering water temperature Leaving water temperature Water flow rate	28.3℃ 35.0℃ Result	28.21 ℃ 35.32 ℃ 15.6 L/min	28.26 ℃ 35.10 ℃ 39.0 L/min	○ ○ ○