Cooling System Design Factors related to Mechanical Load Component (MLC) in Data Center

Ji-Hye Kim

doi:10.22696/jkiaebs.20180050

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Research Article

Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems. 30 December 2018. 606-617
https://doi.org/10.22696/jkiaebs.20180050

Cooling System Design Factors related to Mechanical Load Component (MLC) in Data Center

데이터센터 냉방 시스템의 MLC(Mechanical Load Component) 관련 설계인자 도출

Ji-Hye Kim¹^*

김 지혜¹^*

¹Division of R&D, Han-Il Mechanical & Electrical Consultants

¹(주)한일엠이씨 기술연구소

^{* Corresponding Author}

License (open-access):

Ⓒ 2018 Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems. This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons. org/licenses/by-nc/4.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

ABSTRACT

Increased density of racks has resulted in increased use of data center cooling energy and the needs for energy efficient cooling systems has increased. In response to these needs, ASHRAE presented a performance indicator, which is Mechanical Load Component (MLC), for the purpose of evaluating systems at the design stage. However, the MLC metrics presented in the current standard can only be determined for system compliance and compared alternative systems with the system configuration completed. Therefore, there are limitations to considering MLC from the early stages of design. In this study, to extend the scope of application of MLC in the design phase, the design factors of the main equipment comprising the cooling system are classified by the MLC load component and interrelations between design factors were identified.

Keywords

Cooling system

Design Mechanical Load Component

Annualized Mechanical Load Component

System design factors

Data center

키워드

냉방시스템

Design MLC

Annualized MLC

시스템 설계인자

데이터센터

MAIN

서 론
ANSI/ASHRAE Standard 90.4
ANSI/ASHRAE Standard 90.4의 구성 및 특징
데이터센터 냉방 시스템 성능 지표: MLC (Mechanical Load Component)
데이터센터 냉방 시스템 설계를 위한 MLC 활용방안
MLC 지표를 활용한 냉방 시스템 평가
데이터센터 냉방 시스템 MLC 관련 설계인자 도출 및 인자 상호 연관성 파악
결 론

서 론

IT산업과 정보산업의 급속한 발전과 함께 데이터를 보관·처리·관리하는 서버를 안정적으로 운영하기 위한 데이터센터 수요가 증가하고 있다. 수초간의 전력 중단 또는 수분간의 냉방 중단은 서버에 치명적인 피해를 줄 수 있기 때문에, 데이터 센터는 매순간 안정적으로 운영되어야 하는 시설이다 . 즉, 데이터센터 운영에서 가장 중요한 것은 신뢰성과 안정성이라고 할 수 있다. 한편, 공간의 효율성과 관리 편리성을 이유로 서버랙이 고밀도로 설계되고 있으며, 이러한 고밀도 랙의 배치는 단위 랙 당 또는 단위 면적 당 요구되는 냉방 에너지도 크게 증가 시킨다. 이러한 변화 속에서 신뢰성과 안정성을 바탕으로 에너지 효율적인 데이터센터에 대한 오너들의 요구가 늘어나고 있다. 특히, ITE (Information Technology Equipment)에 공급되는 전력 에너지를 제외하고 전체 에너지에서 냉방 에너지가 차지하는 비율이 60~80%¹⁾에 이르므로, 냉방 시스템에 필요한 에너지를 저감시키는 것이 에너지 효율적인 데이터센터 설계 및 운영에서 매우 중요하다.

이러한 데이터센터의 에너지 효율을 객관적으로 평가하기 위한 다양한 평가 지표들이 제안되었다. 가장 대표적인 지표는 Green Grid에서 2007년에 발표한 미터법 기반의 PUE (Power Usage Effectiveness)로, 데이터센터의 ITE에서 소비하는 에너지 대비 데이터센터 전체에서 소비되는 에너지가 몇 배에 해당 하는지를 나타낸다. PUE는 건물주와 운영자 입장에서 데이터센터를 운영할 때, 데이터 센터의 에너지 효율을 평가하는데 유용하게 활용되고 있는 지표이다. 한편, ASHRAE에서는 데이터센터의 디자인 단계에서 냉방 시스템의 에너지 효율성을 평가할 수 있는 MLC (Mechanical Load Component)와 전력망에서의 손실률을 평가할 수 있는 ELC (Electrical Loss Component)를 제시하고, 평가 지표의 산출방법과 최대 허용값의 내용을 포함한 ASHRAE Standard 90.4 표준을 2016년 제정하였다.

특히, MLC의 경우 ITE에 소비되는 전력 (or 에너지) 대비 냉방 시스템 전체에서 소비되는 전력(or 에너지)의 관계를 나타내는 평가 지표로서 데이터센터의 냉방 시스템 에너지 효율성을 평가하는데 유용하게 활용될 수 있다. 또한, 기후 조건에 따라 제시된 MLC 최대 허용값을 바탕으로 데이터센터 냉방 시스템 설계의 적합성을 평가할 수 있고, 시스템 대안의 MLC 비교를 통해 에너지 효율적인 시스템 선정에 도움을 줄 수 있다. 그러나 표준에서 제시하고 있는 지표의 계산 방법은 장비가 선정된 후, 장비의 스펙에 의해 계산 할 수 있거나 상세한 계산 방법을 제시하지 않고 있어 시스템의 설계인자와 MLC 부하요소 간의 간극이 존재한다.

이에 본 연구에서는 MLC 평가 지표를 활용하여 에너지 효율적인 냉방 시스템을 설계하고 평가하기 위해서 설계 인자와 MLC 부하요소 간의 간극을 메울 수 있는 자료로서 MLC와 관련된 설계인자를 도출하고자 한다.

ANSI/ASHRAE Standard 90.4

ANSI/ASHRAE Standard 90.4의 구성 및 특징

ASHRAE는 에너지 효율적인 데이터센터의 설계·시공·운영을 위한 표준 제정을 TC 9.9에 요청하였고, 2016년 'Energy standard for data center (ANSI/ASHRAE standard 90.4)'를 발표하였다. 90.4는 Standard 90.1의 자매표준(Sister standard)에 해당한다. 기준의 포맷과 사용된 단어의 정의 등의 형식측면에서 Standard 90.1을 그대로 차용하고 있으며, 내용면에서도 외피설계, 급탕설계, 조명설계 등은 90.1 표준을 준용하도록 하고 있다. 다만, 90.4 표준에서는 데이터센터가 기존 건물과 차이를 보이는 HVAC과 전기 부문을 새롭게 규정하였다. 90.1 표준은 HVAC을 구성하는 개별 장치의 최소 스펙 기준 등을 제시하는 규범적 표준(Prescriptive standard)인 반면에 90.4 표준은 개별 장치보다는 전체 시스템의 성능을 제시하는 성능기반 표준(Performance based standard)이다.

Standard 90.4에서는 HVAC과 전기 시스템의 성능을 평가할 수 있는 평가 지표로서 MLC와 ELC를 제시하고 있다. MLC는 기후 존(Climate zone)별로, ELC는 ITE 부하와 리던던시(Redundancy) 조건에 따라 최대 허용값을 제시함으로써 데이터센터의 최소 성능 기준을 마련하였다. Standard 90.4는 시스템 전체 성능을 평가하는 성능 지표를 활용하기 때문에 엔지니어가 다양한 에너지 절약적 요소를 적용하는 것이 가능하고, 시스템 설계의 유연성이 높다. 이상의 ASHRAE Standard 90.4의 구성과 특징을 정리하면 Table 1과 같다.

Table 1. Summary of ANSI/ASHRAE Standard 90.4

Categories		Description
Released year		2016
Purpose		To establish the minimum energy requirements of data centers for design, construction, and a plan for operation and maintenance
Scope		Data center: ITE load ＞10 kW and ＞215W/m² (ASHRAE standard 90.4) Computer room: ITE load ≤10 kW or ≤215W/m² (ASHRAE standard 90.1)
Characteristics		Performance-based standard Design standard Compliance with standard 90.1
Contents	Building envelop	Comply with ASHRAE standard 90.1
	HVAC	Design MLC, Annualized MLC, Maximum design MLC and annualized MLC based on climate zone
	Service water heating	Comply with ASHRAE standard 90.1
	Electrical	Design ELC, Maximum design ELC based on ITE load and redundancy
	Lighting	Comply with ASHRAE standard 90.1
	Other equipment	Comply with ASHRAE standard 90.1
	Appendix	Informative references, Compliance checklist, Example ELC calculation, etc.

데이터센터 냉방 시스템 성능 지표: MLC (Mechanical Load Component)

MLC는 ITE에 필요한 전력 또는 에너지를 공급하기 위해 냉방, 가습, 반송에 필요한 동력 또는 에너지가 얼마나 필요한지를 나타낸다. 최대 부하 조건에서 계산하는 Design MLC와 기상 데이터를 바탕으로 계산하는 Annualized MLC는 각각 식(1)과 (2)로 계산할 수 있다. 표준에서는 전부하(100% IT load)와 부분부하(50% IT load)조건에서 각각 계산하도록 제시하고 있는데 이것은 데이터센터의 경우 미래의 ITE 증설을 대비하여 설계되기 때문에 완공 초기에 대부분 부분부하로 운전되는 상황을 반영한 것이다. 시스템의 MLC를 계산하면 Table 2의 기후 존별 Design/Annualized MLC의 최대 허용값에 따라 시스템 성능의 적합성을 판단하는 것이 가능하다. Design MLC의 최대 허용값은 기후 존에 따라 0.38~0.55의 값의 범위를 갖는다. 이것은 ITE 전력(or 에너지) 대비 냉방 시스템에서 사용하는 전력(or 에너지)이 약 40%~55% 이하가 되도록 설계되어야 한다는 것을 의미한다. 우리나라의 기후는 4A~6A에 분포하므로, 국내 데이터센터는 ITE 전력(or 에너지) 대비 냉방 시스템이 약 45% 이하의 전력(or 에너지)을 사용하도록 설계되어야 한다.

$$MLC_{design}\lbrack kW\rbrack\;=\;\frac{P_{cooling}\lbrack kW\rbrack+P_{pump}\lbrack kW\rbrack+P_{fan,HJ}\lbrack kW\rbrack+P_{fan,AHU}\lbrack kW\rbrack}{P_{ITE}\lbrack kW\rbrack}$$

(1)

여기서,P_cooling 은 데이터센터에서 냉방과 가습에 필요한 모든 전력, P_pump는 펌프에 소요되는 전력, P_fan,HR과 P_fan,AHU는 각각 냉각탑과 공조기의 팬에 소요되는 전력, P_ITE는 ITE에 소요되는 전력이다.

$$MLC_{annualized}\lbrack kWh\rbrack\;=\;\frac{E_{cooling}\lbrack kWh\rbrack+E_{pump}\lbrack kWh\rbrack+E_{fan,HJ}\lbrack kWh\rbrack+E_{fan,AHU}\lbrack kWh\rbrack}{E_{ITE}\lbrack kWh\rbrack}$$

(2)

여기서, E_cooling은 데이터센터에서 냉방과 가습에 필요한 모든 에너지, E_pump는 펌프 에너지,E_fan,HR 과 P_fan,AHU는 각각 냉각탑과 공조기의 팬에너지, E_ITE는 ITE 에너지이다.

Table 2. Maximum design MLC and maximum annualized MLC

Climate Zones as Listed in ASHRAE Standard 169		Design MLC at 100% and at 50% IT Load	Annualized MLC at 100% and at 50% IT Load
0A:	Extremely Hot Humid	0.48	0.37
0B:	Extremely Hot Dry	0.52	0.40
1A:	Very Hot Humid	0.46	0.36
2A:	Hot Humid	0.48	0.35
3A:	Warm Humid	0.45	0.33
4A:	Mixed Humid	0.45	0.33
5A:	Cool Humid	0.44	0.33
6A:	Cold Humid	0.43	0.32
1B:	Very Hot Dry	0.55	0.38
2B:	Hot Dry	0.53	0.36
3B:	Warm Dry	0.51	0.35
4B:	Mixed Dry	0.46	0.35
5B:	Cool Dry	0.48	0.33
6B:	Cold Dry	0.41	0.34
3C:	Warm Marine	0.38	0.32
4C:	Mixed Marine	0.40	0.32
5C:	Cool Marine	0.38	0.32
7:	Very Cold	0.40	0.32
8:	Subarctic/Arctic	0.38	0.32

데이터센터 냉방 시스템 설계를 위한 MLC 활용방안

MLC 지표를 활용한 냉방 시스템 평가

1) MLC 계산방법

MLC는 ① Cooling power (or energy), ② Pump power (or energy), ③ Heat rejection fan power (or energy), ④ AHU fan power (or energy), 그리고 ⑤ ITE power (or energy)의 5가지 부하요소로 구성되어 있다. 이 중에서 냉방 시스템 성능과 직접적으로 관련된 부하요소는 ①~④ 이고, ITE power (or energy)는 냉방 시스템의 성능을 공칭화(Nominalization)하기 위한 요소이다. 첫 번째 부하요소인 Cooling power (or energy)는 냉방과 가습에 요구되는 모든 전력(에너지)에 해당한다. 여기에는 ITE의 발열이외에도 UPS와 변압기 등을 냉각시키는데 필요한 전력도 포함된다. MLC는 미터법을 차용하고 있으므로, 냉방과 가습을 위해 전기를 사용하지 않는 경우에는 kW (or kWh)로 환산하여 구한다. Pump power (or energy)는 Cooling과 Heat rejection을 위해 유체를 이송시키는데 사용되는 모든 펌프에 필요한 전력(or 에너지)의 합으로 구한다. Heat rejection fan power (or energy)와 AHU fan power (or energy)는 각각 Heat rejection 장비의 송풍기와 AHU에서 냉방 및 환기를 위해 사용되는 송풍기에 필요한 전력(or 에너지)의 합으로 구한다. 이상의 각 부하요소는 Table3의 계산식에 의해 구할 수 있다.

Table 3. Formulas of MLC_design,100, MLC_design,50, MLC_{annualized,100}, MLC_{annualized,50}

Components	MLC_design,100	MLC_design,50
P_cooling	$Σ (P_{c, 100} + P_{h, 100})$	$Σ (P_{c, 50} + P_{h, 50})$
P_pump	$\sum_{i = 1}^{n} (P_{B P, p, 100}^{i} / η_{m o t r o r, p, 100}^{i})$	$\sum_{i = 1}^{n} (P_{B P, p, 50}^{i} / η_{m o t r o r, p, 50}^{i})$
P_fan,HR	$\sum_{i = 1}^{n} (P_{B P, H R f, 100}^{i} / η_{m o t r o r, H R f, 100}^{i})$	$\sum_{i = 1}^{n} (P_{B P, H R f, 50}^{i} / η_{m o t r o r, H R f, 50}^{i})$
P_fan,AHU	$\sum_{i = 1}^{n} (P_{B P, A H U f, 100}^{i} / η_{m o t r o r, A H U f, 100}^{i})$	$\sum_{i = 1}^{n} (P_{B P, A H U f, 50}^{i} / η_{m o t r o r, A H U f, 50}^{i})$
P_ITE	$Σ P_{I T E, 100}^{i}$	$Σ P_{I T E, 50}^{i}$
	MLC_{annualized,100}	MLC_{annualized,50}
E_cooling	$Σ (E_{c, 100} + E_{h, 100})$	$Σ (E_{c, 50} + E_{h, 50})$
E_pump	$\sum_{i = 1}^{n} (P_{B P, p, 100}^{i} / η_{m o t r o r, p, 100}^{i}) \times T_{o p}^{i}$	$\sum_{i = 1}^{n} (P_{B P, p, 50}^{i} / η_{m o t r o r, p, 50}^{i}) \times T_{o p}^{i}$
E_fan,HR	$\sum_{i = 1}^{n} (P_{B P, H R f, 100}^{i} / η_{m o t r o r, H R f, 100}^{i}) \times T_{o p}^{i}$	$\sum_{i = 1}^{n} (P_{B P, H R f, 50}^{i} / η_{m o t r o r, H R f, 50}^{i}) \times T_{o p}^{i}$
E_fan,AHU	$\sum_{i = 1}^{n} (P_{B P, A H U f, 100}^{i} / η_{m o t r o r, A H U f, 100}^{i}) \times T_{o p}^{i}$	$\sum_{i = 1}^{n} (P_{B P, A H U f, 50}^{i} / η_{m o t r o r, A H U f, 50}^{i}) \times T_{o p}^{i}$
E_ITE	$Σ E_{I T E, 100}^{i}$	$Σ E_{I T E, 50}^{i}$

P: Power [kW], E: Energy [kWh], T_op: Operating time [h], 𝜂: Motor efficiency [-]

[Subscript] c: Cooling, h: Humidification, BP: Brake power, p: Pump, HRf: Heat rejection fan, AHUf: AHU fan, ITE: IT equipment, 100: @ IT design load 100%, 50: @ IT design load 50%

[Superscript] i: ith equipment

2) 데이터센터 냉방 시스템의 적합성 평가 및 대안 비교 방법 제시>2) 데이터센터 냉방 시스템의 적합성 평가 및 대안 비교 방법 제시

MLC 지표를 활용하면, 데이터센터 냉방 시스템의 적합성 판단과 시스템 대안간의 성능 비교가 가능하다. 냉방 시스템의 적합성은 표준에서 제안하고 있는 준수 경로(Compliance path)에 따라 판단이 가능하다. Figure 1의 상부 점선 박스에서와 같이 최대 부하조건에서의 Design MLC 또는 연간 기상데이터로 계산하는 Annualized MLC의 두가지 옵션 중 엔지니어가 선택한 후, 100% ITE 부하와 50% ITE 부하조건에서 계산된 MLC 값을 표준에서 제시하고 있는 기후 존별 최대 허용값과 비교한다. MLC 값이 최대 허용값보다 작거나 같으면 표준에 근거하여 냉방시스템 성능이 적합하게 설계되었다고 판단할 수 있다. ASHRAE 표준을 준수하는 냉방 시스템은 MLC 값의 상대비교를 통해 시스템의 에너지 성능 우위를 판단할 수 있다. ASHRAE 표준은 MLC를 활용한 시스템 성능 비교 절차나 방법을 자세히 기술하지 않고 설계자의 영역으로 남겨두었다. 본 연구에서는 Figure 1의 하부 점선 박스에서와 같이 100% ITE 부하 조건에서 계산된 MLC 값과 50% ITE 부하 조건에서 계산된 MLC 값을 가중 평균하여 시스템 선정에 활용하는 방안을 제시하고자 한다. 가중치는 ITE의 평균 부하율과 ITE　운영 스케줄 등에 의해 정해질 수 있으며, 프로젝트의 특성을 고려하여 오너와 엔지니어의 협의에 의해서 결정될 수 있다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2018-012-06/N0280120607/images/Figure_KIAEBS_12_6_07_F1.jpg

Figure 1.

MLC compliance path and system comparison flow

데이터센터 냉방 시스템 MLC 관련 설계인자 도출 및 인자 상호 연관성 파악

MLC 지표의 활용은 시스템을 구성하는 장비가 결정된 후, 냉방 시스템 전체 성능의 적합성을 판단하는 것이 가능하고, 시스템 간 비교를 통한 성능 우위를 평가하는데 활용될 수 있다. 하지만, 식(1)과 (2), 그리고 Table 3과 같이 각 부하요소를 축동력, 효율 등으로 계산하는 방법으로는 시스템을 구성하거나 장비를 선정하는 단계에서 활용하기에 MLC 부하요소와 설계인자 간의 간극이 있다. MLC의 목적이 설계가 어느 정도 확정된 안을 평가하는 것에 있다고 하더라도 설계자는 설계 단계에서부터 평가 지표를 고려하게 되므로, 설계 단계에서 설계인자의 변화에 따라 달라지는 시스템의 성능과 그에 따른 MLC 값을 예측할 수 있어야 한다.

예를 들어, 데이터센터는 잠열부하가 크지 않기 때문에 냉수 온도차를 작게 할 수 있고, 이는 냉동기의 COP를 증가시켜 결과적으로 Cooling power (or energy)를 감소시킬 수 있다. 그러나 냉수 온도차가 작아지면, 같은 부하를 처리하기 위해 보내야 하는 유량은 커지기 때문에 Pump power (or energy)는 증가하게 된다. 즉, 설계인자 변화에 따라 다른 설계인자가 영향을 받게 되고, 이러한 영향 관계에 따라 전체 시스템의 성능이 결정된다. 이와 같은 설계 인자 변화에 따른 시스템 전력(or 에너지)을 평가하기 위해서는 MLC 부하요소 계산이 설계인자 수준에서 가능해야한다. 또한, 특정 장비의 설계인자의 변화가 개별 장비가 아닌 시스템 전체 성능에 미치는 영향을 평가하기 위해서는 설계인자 간의 영향 관계를 파악하여 MLC 계산 알고리즘에 반영되어야 한다.

MLC 부하요소 계산이 설계인자 수준에서 가능하도록 냉방 시스템 주요 장비의 설계인자가 MLC의 어떤 부하요소에 해당하는지를 파악하였다. 냉방 시스템의 주요 장비인 냉동기, 냉각탑, 냉각수펌프, 냉수펌프, AHU에서 에너지 성능과 직·간접적으로 관련 있는 설계 인자를 Table 4와 같이 도출하고, 각 설계인자를 MLC 부하요소에 따라 구분하였다. 에너지 성능관련 설계인자는 유량(or 풍량), 온도 등의 열매 상태와 연관 있는 인자와 장비 용량, 효율, 시스템 저항 등의 장비의 특성과 관련 있는 인자를 중심으로 도출하였다. 각 인자가 해당하는 MLC 부하요소는 ASHRAE에서 서술하고 있는 부하요소의 범위에 의거하여 구분하였다.

Table 4. Design factors of main equipments for cooling system and classification of design factors by MLC

Equipment	Design parameters related to MLC			Mechanical Load Component
				P_cooling	P_pump	P_fan,HR	P_fan,AHU
				E_cooling	E_pump	E_fan,HR	E_fan,AHU
Chiller	Type			●
	Cooling capacity		Full load (100% ITE load)	●
			Part load (50% ITE load)
	COP		Full load (100% ITE load)	●
			Part load (50% ITE load)
	VSD/EC motor application status			●
	Temperature difference of chilled water			●
	Pressure loss		Full load (100% ITE load)		●
			Part load (50% ITE load)
Cooling tower	Type			●
	Capacity		Full load (100% ITE load)	●
			Part load (50% ITE load)
	Approach temp. (water-side economizer)			●
	Temperature difference of condenser water			●
	Fan flow rate		Full load (100% ITE load)			●
			Part load (50% ITE load)
	Fan eff.		Full load (100% ITE load)			●
			Part load (50% ITE load)
	Fan motor eff.		Full load (100% ITE load)			●
			Part load (50% ITE load)
	Fan VSD/EC motor application status					●
	Pump flow rate (adiabatic cooling)		Full load (100% ITE load)		●
			Part load (50% ITE load)
	Pump eff. (adiabatic cooling)		Full load (100% ITE load)		●
			Part load (50% ITE load)
	Pump motor eff. (adiabatic cooling)		Full load (100% ITE load)		●
			Part load (50% ITE load)
	Pump VSD/EC motor application status				●
Pump (Condenser water)	Pump flow rate		Full load (100% ITE load)		●
			Part load (50% ITE load)
	Head		Full load (100% ITE load)		●
			Part load (50% ITE load)
	Pump eff.		Full load (100% ITE load)		●
			Part load (50% ITE load)
	Pump motor eff.		Full load (100% ITE load)		●
			Part load (50% ITE load)
	Pump VSD/EC motor application status				●
Pump (Chilled water)	Pump flow rate		Full load (100% ITE load)		●
			Part load (50% ITE load)
	Head		Full load (100% ITE load)		●
			Part load (50% ITE load)
	Pump eff.		Full load (100% ITE load)		●
			Part load (50% ITE load)
	Pump motor eff.		Full load (100% ITE load)		●
			Part load (50% ITE load)
	Pump VSD/EC motor application status				●
AHU	Capacity	Full load (100% ITE load)		●
		Part load (50% ITE load)
	Approach temp. (air-side economizer)			●
	Temperature difference of air			●
	Humidity difference of air			●
	Air flow rate	Full load (100% ITE load)					●
		Part load (50% ITE load)
	Filter type						●
	Pressure loss	Full load (100% ITE load)					●
		Part load (50% ITE load)
	Fan eff.	Full load (100% ITE load)					●
		Part load (50% ITE load)					●
	Fan motor eff.	Full load (100% ITE load)					●
		Part load (50% ITE load)
	Fan VSD/EC motor application status						●
	COP (DX system)	Full load (100% ITE load)		●
		Part load (50% ITE load)
	Compressor VSD/EC motor application status (DX system)			●
	Mist spray amount	Full load (100% ITE load)		●
		Part load (50% ITE load)

설계인자 간의 영향관계에 따라 결정되는 시스템의 성능과 이를 반영한 MLC 계산을 위해서는 프로젝트마다 에너지 시뮬레이션을 수행하는 것이 바람직 할 수 있겠으나, 설계사에서 설계 변경이 있을 때마다 에너지 시뮬레이션을 수행하는 것은 어려움이 있다. 복잡한 시뮬레이션 대신 MLC 부하요소 간의 연관성을 설계 인자들을 변수로 하는 회귀식 등으로 간략하게 계산할 수 있는 알고리즘을 구축한다면 설계단계에서 활용하기에 용이하다. 본 연구에서는 그 전 단계로서 앞서 MLC 냉방 부하 요소 별로 구분한 주요 장비의 에너지 성능관련 설계인자 간의 상호 연관성을 파악하였다(Table 5 참조).

Table 5. Analysis of interrelationship between design factors

Equipment	In- dex	Design parameters related to MLC		Inter relationship
				From	To
Chiller	A1	Type			A2,A3
	A2	Cooling capacity	Full load (100% ITE load)	A1,E1	B2,D1
			Part load (50% ITE load)
	A3	COP	Full load (100% ITE load)	A1,A5,B1,B4
			Part load (50% ITE load)
	A4	VSD/EC motor application status
	A5	Temperature difference of chilled water			A3,D1
	A6	Pressure loss	Full load (100% ITE load)	C1,D1	C2,D2
			Part load (50% ITE load)
Cooling tower	B1	Type			A3,B2,E11
	B2	Capacity	Full load (100% ITE load)	A2,B1,B3	B5,B9,C1
			Part load (50% ITE load)
	B3	Approach temp. (water-side economizer)			B2
	B4	Temperature difference of condenser water		B5,B9	A3,C1
	B5	Fan flow rate	Full load (100% ITE load)	B2	B4,B6,B7
			Part load (50% ITE load)
	B6	Fan eff.	Full load (100% ITE load)	B5
			Part load (50% ITE load)
	B7	Fan motor eff.	Full load (100% ITE load)	B5
			Part load (50% ITE load)
	B8	Fan VSD/EC motor application status
	B9	Pump flow rate (adiabatic cooling)	Full load (100% ITE load)	B2	B4,B10,B11
			Part load (50% ITE load)
	B10	Pump eff. (adiabatic cooling)	Full load (100% ITE load)	B9
			Part load (50% ITE load)
	B11	Pump motor eff. (adiabatic cooling)	Full load (100% ITE load)	B9
			Part load (50% ITE load)
	B12	Pump VSD/EC motor application status
Pump (Condenser water)	C1	Pump flow rate	Full load (100% ITE load)	B2,B4	A6,C2,C3,C4,F2
			Part load (50% ITE load)
	C2	Head	Full load (100% ITE load)	A6,C1,F1,F2,F3
			Part load (50% ITE load)
	C3	Pump eff.	Full load (100% ITE load)	C1
			Part load (50% ITE load)
	C4	Pump motor eff.	Full load (100% ITE load)	C1
			Part load (50% ITE load)
	C5	Pump VSD/EC motor application status
Pump (Chilled water)	D1	Pump flow rate	Full load (100% ITE load)	A2,A5,E13	A6,D2,D3,D4,F2
			Part load (50% ITE load)
	D2	Head	Full load (100% ITE load)	A6,D1,F1,F2,F3
			Part load (50% ITE load)
	D3	Pump eff.	Full load (100% ITE load)	D1
			Part load (50% ITE load)
	D4	Pump motor eff.	Full load (100% ITE load)	D1
			Part load (50% ITE load)
	D5	Pump VSD/EC motor application status
AHU	E1	Capacity	Full load (100% ITE load)	E2,E3,E5	A2
			Part load (50% ITE load)
	E2	Approach temp. (air-side economizer)			E1
	E3	Temperature difference of air		E13	E1,E5,E11
	E4	Humidity difference of air		E13
	E5	Air flow rate	Full load (100% ITE load)	E3	E1,E7,E8,E9,E13,G2
			Part load (50% ITE load)
	E6	Filter type			E7
	E7	Pressure loss	Full load (100% ITE load)	E5,E6,G1,G2,G3
			Part load (50% ITE load)
	E8	Fan eff.	Full load (100% ITE load)	E5
			Part load (50% ITE load)
	E9	Fan motor eff.	Full load (100% ITE load)	E5
			Part load (50% ITE load)
	E10	Fan VSD/EC motor application status
	E11	COP (DX system)	Full load (100% ITE load)	B1,E3
			Part load (50% ITE load)
	E12	Compressor VSD/EC motor application status (DX system)
	E13	Mist spray amount	Full load (100% ITE load)	E5	E3,E4,D1,H2
			Part load (50% ITE load)

설계인자는 다른 설계인자의 영향을 받기도 하고, 그 자신 다른 인자에 영향을 주기도 하기 때문에 설계 인자 각각에 대해 영향을 받는 인자(From)와 영향을 주는 인자(To)로 구분하였다. 하나의 시스템을 구성하는 장비의 설계인자는 서로 완벽히 독립적인 관계를 갖기는 어렵다. 예를 들어, A2 인자는 A1, E1 인자로부터 영향을 받고 B2, D1 인자에 영향을 주는 인자이다. 여기서, A2에 영향을 주는 E1 인자는 E2, E3, E5 인자의 영향을 받는다. 결과적으로 A2는 간접적으로는 E2, E3, E5의 영향도 받게 된다. 본 연구에서는 영향도가 높은 1차적인 영향관계를 파악하여 계산식을 세울 수 있도록 직접적인 연관성을 파악하는 것을 우선순위로 두었다. 영향을 무시할 수 없는 2차 영향 인자의 경우는 추후 다시 파악하여 계산식에 포함시키고자 한다.

결 론

고밀도 랙 증가로 인한 데이터센터 냉방 에너지 사용 증가로 에너지 효율적인 냉방 시스템 설계에 대한 요구가 증대되었다. 이러한 요구에 대응하여 ASHRAE에서는 디자인 단계에서 시스템을 평가할 수 있는 성능 지표인 MLC를 표준으로 제시하였다. 다만, 현재 표준에 제시된 MLC 지표는 시스템이 구성된 상태에 한하여 시스템의 적합성 및 대안 비교가 가능하기 때문에 설계 초기 단계에서부터 고려하기에는 한계가 있는 상황이다. 설계단계에서 MLC의 활용 범위를 확장시키기 위해 본 연구에서는 냉방 시스템을 구성하는 주요 장비의 설계인자를 MLC 부하요소에 따라 구분하고, 시스템 전체 성능 결정에 영향을 줄 수 있는 설계인자 간의 상호 연관성을 파악하였다. 본 연구는 정성적인 연구결과를 제시한 한계성이 있다. 본 연구의 결과로 도출된 MLC 부하요소에 해당하는 설계인자 간의 상호 연관성을 바탕으로, 후속 연구로서, MLC 부하요소를 회귀식 등으로 간략하게 계산할 수 있는 알고리즘을 구축하여 설계인자 수준에서 MLC를 계산할 수 있는 알고리즘을 제시하고자 한다. 아울러, ASHRAE 표준의 MLC 최대 허용값은 기후 존에 의해 구분되어 제시되어 있기 때문에, 표준에서 제시된 최대 허용값을 국내에서 활용하기 위해서는 ASHRAE 기후 존에 의거하여 국내 기후 존을 구분하거나 국내기후에 적합한 최대 허용값을 산출하는 추가 연구도 필요할 것으로 판단된다.

Acknowledgements

본 연구는 2018년도 한국에너지기술평가원 에너지수요관리핵심기술사업의 연구비 지원(과제번호 : 20182010600010)을 받아 수행한 기초 연구임.

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https://www.thegreengrid.org/en/newsroom/news-releases/statement-green-grid- regarding-pueashrae-standard-904.

Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems ISSN:1976-6483(Print) 2586-0666(Online) 한국건축친환경설비학회논문집

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Cooling System Design Factors related to Mechanical Load Component (MLC) in Data Center

ABSTRACT

MAIN

Figure 1.

Acknowledgements

References