김종헌
(Jong Hun Kim)
1
엄병환
(Byung Hwan Um)
2†
-
국립한경대학교 대학원 식품생명화학공학부 박사수료
(Ph.D Candidate, Department of Food Biotechnology and Chemical Engineering, Hankyong
National University, Gyeonggi-do, South Korea)
-
국립한경대학교 탄소중립자원연구센터, 식품생명화학공학부 교수
(Professor, Carbon-Neutral Resources Research Center, Department of Food Biotechnology
and Chemical Engineering, Hankyong National University, Gyeonggi-do, South Korea)
Copyright © 2016, Society of Air-Conditioning and Refrigeration Engineers of Korea
키워드
냉방 부하, 프리쿨링, 고효율 데이터 센터, Water-side Economizer, WSE(외기냉수간접냉각)
Key words
Cooling load, Free cooling, High Ambient Temperature Data Center, Water-side Economizer, WSE
기호설명
$Tf$：
프리쿨링 온도 (℃)
$Th i$：
냉수 입구 온도 (℃)
$Tc i$：
코일 입구 온도 (℃)
$LMTD$：
코일 출구 온도 (℃)
$EER$：
Energy Efficiency Rating
$Th o$：
냉수 출구 온도 (℃)
$Tc o$：
코일 출구 온도 (℃)
$Qf$：
프리쿨링 용량 (kW)
1. 서 론
데이터 센터의 수는 급격하게 증대하였다. 그러나 전 세계적으로 데이터 센터의 수와 처리 데이터의 양은 폭발적으로 증가한 반면 데이터 센터의 에너지
소비량의 증가율은 다른 양상을 보였다(2010년 194 TWh는 2018년 205 TWh로 증가에 그쳤다). 이러한 상대적으로 낮은 증가율의 원인은
UPS(무정전 전원장치)의 보급, 냉방 효율의 증가 등에 있다.(1) 에너지 소비율은 또한 향상된 반도체가 기여했음은 유추할 수 있다. 이러한 고효율 데이터 센터의 증가로 인한 전기 동력의 감소는 선행의 연구를 통해
확인할 수 있다.(2) 데이터 센터의 반도체 성능 증대로 실내 온도 조건이 완화되는 기준에서 다양한 냉각 방식이 있다.(3) 최근 국내 데이터 센터에도 프리쿨링을 채용한 시스템의 도입이 늘고 있다. 본 연구에는 WSE와 냉동기가 일체화된 공냉식 프리쿨링 냉동기(Air Cooled
Free-cooling Chiller)와 일반 공냉식 냉동기(Air Cooled Chiller)의 에너지 성능을 대한민국 서울의 과거 데이터를 토대로
전력량을 비교하고 데이터 센터의 냉수 조건에 따른 에너지 효율을 분석을 했다.
2. 연구 방법
2.1 분석 가정
본 연구는 일반적인 공냉식 냉동기, 응축기 코일과 동일 면적의 냉수용 프리쿨링 코일이 추가된 공냉식 프리쿨링 냉동기를 동일한 부하 조건, 같은 기후
조건으로 가정하였다. 본 연구 기준 분석 데이터의 가정은 Table 1과 같다.
선행연구(4)에서 데이터 센터의 실내 발열부하는 외기 온도의 영향을 크게 받지 않고 거의 일정함이 알려졌다. 따라서 Table 1의 냉방부하 1,500 kW는 연중 일정하고 이에 따라 냉동기의 동일한 입출구 온도, 동일한 냉수량으로 산정되었다. 연구에 적용한 모델은 일반적인
공냉식 냉동기(Case 1)와 동일한 냉매 사이클을 가지나 응축기 코일과 동일 면적의 냉수 프리쿨링 코일로 구성된 공냉식 프리쿨링 냉동기(Case
2)를 사용하였다. 제공된 온도 별 데이터는 유럽의 냉동기 성능 공인 기관인 유로벤트(Eurovent)의 인증된 데이터를 기준한다. Case 1과
Case 2의 냉수 순환 유량은 식(1)에 의한다.
Table 1 Enviromental values
|
Item
|
Value
|
|
Site
Cooling Load [kW]
Total Hours for Cooling [hr]
|
Seoul, Korea
1,500
8,760
|
|
Max. Ambient Temperature [Dry Bulb, ℃]
|
37
|
|
Water Outlet [℃]
|
18
|
|
Water Inlet [℃]
Water Flow [L/s]
|
26
44.75
|
2.2 프리쿨링의 기전
본 연구의 공냉식 프리쿨링 냉동기는 일반적인 공냉식 냉동기의 외부에 프리쿨링 코일이 설치되고 증발기 입구에 V1, V2밸브로 외부 온도에 따라 압축기
사용 냉각, 압축기와 프리쿨링의 혼합 냉방, 100% 프리쿨링 만의 냉방으로 운전되도록 한다. 냉수 분무를 이용한 증발 냉각 코일은 사용하지 않는다(Fig. 1).
Fig. 1 Free cooling operation.
2.3 적용 기후 조건
본 연구 기초한 기후 데이터는 ASHRAE weather data 2013을 사용한다. 년간 총 에너지 사용량은 각 온도 별 누적 시간의 개념을 도입하면
직관적으로 설명이 용이하다. Fig. 2의 X축은 ASHRAE weather data의 외기 건구 온도(℃)를 온도에 따라 나열하고 Y축은 각 온도의 연간 누적 시간을 표시한다.
Fig. 2 Ambient temperature by hours.
2.4 프리쿨링 진입 온도
공냉식 프리쿨링 냉동기는 외기온도와 냉수온도의 관계에 따라 응축기 팬으로 냉수가 냉각된다. 본 연구의 사용되는 프리쿨링 온도 조건, Tf(℃)는 냉수의
입구 온도 Thi(℃)보다 2℃ 낮은 온도부터 설정한다.
3. 결과 분석
3.1 효율
본 연구는 공냉식 일반 냉동기와 프리쿨링 코일 냉동기의 시뮬레이션을 통해 외기온도별 효율을 비교하였다. 일반적인 공냉식 냉동기(Case 1)는 낮은
외기 조건에서는 응축기 압력을 팬 가동으로 조절한다. 냉동기의 대부분의 동력이 압축기에 소비되므로 건구 온도가 낮아짐에도 효율은 일정 수준에 수렴한다.
이에 반해 공냉식 프리쿨링 냉동기(Case 2)는 외기와의 간접 열교환을 냉수의 냉각에 사용하므로 유용 에너지를 이용하는 식(2)의 기전을 따른다.
Table 2 EER min & max for Case 1 & Case 2
|
|
Case 1 - Air cooled
|
Case 2 - Free cooling
|
|
EERmin
|
3.88
|
3.88
|
|
EERmax
|
6.10
|
133.93
|
Fig. 3과 Fig. 4에서 24℃(26℃－2℃ ) 이상 범위에서는 같은 EER을 관찰할 수 있었다. 프리쿨링 가능 온도 이하에는 Case 2가 우세했다(Case 1: 6.10,
Case 2: .133.93)(Table 2 참조).
3.2 에너지 사용 시뮬레이션
Case 1의 에너지 사용량은 2,348,791 kW, Case 2의 에너지 사용량은 1,200,064 kW로 Case 1 대비 51%이다. Case
2의 Input 1은 압축기 가동의 소비동력이며 Input 2는 프리쿨링 냉각의 소비 동력이다. Case 2(프리쿨링)의 혼합 범위 팬 동력은 압축기
모드의 입력전력으로 합산했다(Table 3 참조).
Table 3 EER by months for Case 1 & Case 2
|
Month
|
Cooling Load(kWh)
|
Case 1
|
Case 2
|
|
Input (kWh)
|
EER
|
Input1 (kWh)
|
Input2 (kWh)
|
EER
|
|
Jan
|
1,116,000
|
187,054.20
|
5.97
|
742.10
|
17,462.90
|
61.30
|
|
Feb
|
1,008,000
|
169,941.30
|
5.93
|
4,240.50
|
17,164.20
|
47.09
|
|
Mar
|
1,116,000
|
189,927.40
|
5.88
|
20,761.30
|
16,000.40
|
30.36
|
|
Apr
|
1,080,000
|
187,298.20
|
5.77
|
73,264.40
|
1,057.70
|
14.53
|
|
May
|
1,116,000
|
199,100.30
|
5.61
|
126,677.40
|
-
|
8.81
|
|
Jun
|
1,080,000
|
201,585.30
|
5.36
|
166,517.00
|
-
|
6.49
|
|
Jul
|
1,116,000
|
219,345.90
|
5.09
|
209,108.00
|
-
|
5.34
|
|
Aug
|
1,116,000
|
227,530.70
|
4.90
|
222,762.40
|
-
|
5.01
|
|
Sep
|
1,080,000
|
199,827.80
|
5.40
|
161,200.20
|
-
|
6.70
|
|
Oct
|
1,116,000
|
194,666.60
|
5.73
|
92,161.10
|
1,003.80
|
11.98
|
|
Nov
|
1,080,000
|
184,292.10
|
5.86
|
34,522.40
|
11,220.20
|
23.61
|
|
Dec
|
1,116,000
|
188,221.20
|
5.93
|
5,220.10
|
18,977.70
|
46.12
|
|
Total
|
13,140,000
|
2,348,791.00
|
5.59
|
1,117,176.90
|
82,886.90
|
10.95
|
Fig. 5 LMTD & free cooling capacity.
3.3 LMTD(Log Mean Temperature Difference)
열교환기를 통한 에너지량은 프리쿨링 공기-냉수 열교환기의 열관류율 U와 LMTD에 의하며 Cold 유체의 +Q와 Hot 유체의 -Q에 따라 LMTD를
유추할 수 있다. 식(3)은 에너지 방출, 식(4)는 열교환기 LMTD이다.
4. 결 론
본 연구에서는 서울 지역의 기후 데이터와 냉동기 운전 데이터로 일반 공냉식 냉동기와 공냉식 프리쿨링 시스템의 효율 분석을 실시하였다. 이를 통해 프리쿨링코일의
LMTD을 도출하여 프리쿨링 Capacity와의 연관성을 검증하였다. 본 연구의 결론은 다음과 같다.
(1) 서울 지역 온도데이터와 공냉식 프리쿨링 냉동기를 적용시, 49%의 에너지 절감을 확인하였다.
(2) 제한된 코일 면적을 갖는 프리쿨링 냉동기의 100% 외기 프리쿨링 조건에서는 외기 온도에 따라 Cooling capacity의 증가가 관측되고
LMTD도 증가됨을 확인하였다.
본 연구는 Energy Plus나 E20-ii와 같은 범용 에너지 모델링 소프트웨어를 사용하지 않고 각 온도별 운전 데이터를 제공받아 분석되었다.
따라서 타 소프크웨어에서 분석하기 혼합 온도에서의 세밀한 분석이 가능했다. 추후 연구에서는 본 연구에서의 공냉식 프리쿨링 냉동기와 기존의 수냉식 터보
WSE를 이용하는 방식과의 종합적인 경제성 분석을 진행하려고 한다.