서 론
연구방법
시뮬레이션 개요
대상건물
HVAC 시스템 개요
시뮬레이션 결과
Free cooling 운전 모드
냉열원 시스템 에너지 사용량
운전모드에 따른 월간 에너지 사용량
기후존에 따른 WSE 시스템 운전
결 론
서 론
최근 개인 및 기업의 데이터 수요 증가로 인해 다량의 데이터를 처리 및 공급하기 위한 데이터센터 산업이 발전하고 있다. 지난 10년간 데이터센터 산업의 CAGR (Compound annual growth rate)은 5.6%로, 해당 산업의 발전은 향후에도 지속적으로 성장할 것으로 전망된다(Song, 2020). 데이터센터는 전산실이라는 한정된 공간 안에 다수의 전산 장비들을 집적시킨 건물로써, 냉방부하가 일반 사무실 건물의 100배에 달하는 시설이다. 연중 높은 냉방부하로 무중단 운영되기 때문에 IT 장비 및 냉방시스템에서 대부분의 에너지가 사용된다. 이에, 데이터센터의 냉방에너지 절감을 위하여 동계 및 중간기의 저온의 외기조건을 활용하는 Water-side economizer(이하, WSE) 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
Cho and Kim (2016)의 연구에서는 데이터센터 간의 기후 및 냉방시스템의 차이를 특성화하였으며, ASHRAE TC 9.9에 따른 기후를 분류하여 위치에 따른 이코노마이저의 에너지 효율성을 분석하였다. Ham and Jung (2016)의 연구에서는 WSE가 있는 모듈식 데이터센터의 연간 에너지 소비량에 대한 모델 기반 시뮬레이션을 수행하였으며, 연간 24%의 에너지 절감이 가능함을 확인하였다.
WSE는 동계 및 중간기와 같이 외기 습구온도가 낮은 기간에 냉각탑과 열교환기를 이용하는 Free cooling 운전을 하며, 이를 통해 냉동기의 사용량을 효과적으로 절감시킬 수 있는 시스템이다. WSE는 기본적으로 Full-free cooling과 Chiller cooling (Non-Free cooling) 모드로 운전되며, 냉수 Loop의 냉동기와 열교환기 연결방식에 따라 Partial-free cooling 운전 모드가 추가될 수 있다.
WSE의 Full-free cooling은 주로 동계에 외기 습구온도를 이용하여 저온의 냉각수와 부하측의 열을 처리한 리턴냉수의 열교환을 통해 설정된 온도의 공급 냉수를 제조하는 방식으로, 냉동기를 사용하지 않는 운전 모드이다. Chiller cooling은 중앙냉방시스템과 동일하게 운전되며, 냉동기를 이용하여 설정된 온도의 공급 냉수를 제조한다. Partial-free cooling은 설정된 온도의 냉수를 제조할 수 있을 만큼 외기 습구온도가 충분히 낮지 않은 경우에 사용되며, 냉동기와 열교환기를 모두 사용하여 냉동기의 부하를 감소시키는 운전 방식이다. 해당 운전 모드는 연중 Chiller cooling 기간을 감소시킬 수 있으므로 효율적인 WSE 운전을 위해서는 Partial-free cooling의 구현이 필수적이다.
Stein (2009)은 WSE의 실용적이고 에너지 절약적인 운전을 위해 통합된 WSE 시스템 사용을 제시하였으며, Taylor (2014) 및 Nall (2014)는 Free cooling 기간 증가를 위해 통합배관으로 구성하여야 하며, 열교환기와 냉동기를 직렬로 연결시켜야 한다는 것을 제시하였다. WSE 시스템은 열교환기 및 냉동기 배치방식 및 통합배관의 유무에 따라 Non-Integrated 및 Integrated WSE 시스템으로 구분된다. Non-Integrated WSE는 열교환기와 냉동기의 냉수배관이 분리되어 있으므로, Partial-free cooling 운전이 불가능하다. 이는 Full-free cooling 시에 리턴 냉수가 열교환기에만 유입되고, Chiller cooling 시에는 리턴 냉수가 열교환기를 거치지 않고 냉동기만을 사용하여 열을 제거한다.
그러나, 기존의 연구에서는 WSE 시스템의 종류인 Non-Integrated 및 Integrated의 시뮬레이션 상의 구현에 대한 연구가 부족한 실정이며, WSE 시스템의 종류에 따른 에너지 절감 효율에 대한 정량적 검토가 이루어지지 않았다. 또한, Li and Li (2020)의 연구에서 Partial-free cooling 운전 조건에 따라 Chiller cooling 보다 더 많은 에너지가 소요될 수 있으므로, Partial-free cooling 구현에 따른 에너지 사용량 평가가 필요하다. 그러나, WSE의 두 시스템의 에너지 사용량을 정량적으로 비교 분석한 연구는 이루어지지 않았으며, WSE시스템을 대상으로 진행된 다양한 연구의 경우, Partial-free cooling 운전 유무에 대해 명시되지 않고 있는 실정이다. 따라서, WSE 시스템의 효율적인 운전을 위해 Partial-free cooling 운전 모드에 따른 에너지 절감 효용성 검토가 필요하다.
본 논문에서는 동적 에너지 시뮬레이션 프로그램인 EnergyPlus를 이용하여 대규모 데이터센터의 WSE 시스템 냉수배관 구성에 따른 정량적인 냉방에너지 사용량 검토를 통해 에너지 절감 효율을 극대화하기 위한 WSE 시스템 모델을 선정하고자 한다. 또한, 국내 기후에 따른 WSE 시스템 에너지 사용량 및 Free cooling 시간을 비교 분석하고자 한다.
연구방법
효율적인 Free cooling 운전이 가능한 WSE 시스템을 선정하기 위해, 중앙냉방시스템과 WSE 시스템을 대상으로 선정하였다. WSE 시스템의 종류로는 Full-free cooling 운전만 구현되는 Non-Integrated 및 Full/Partial-free cooling 운전이 가능한 Integrated WSE 시스템을 선정하였다. 또한, Non-Integrated 및 Integrated WSE 는 냉수 배관의 배치 방식만 상이하므로, 에너지 사용량은 1차측 냉열원 시스템만을 검토하였다. 대상 지역은 국내 지역 중 가장 많은 수의 데이터센터가 위치한 서울(4A)을 기준으로 하였으며(Song, 2020), 추가적인 Free cooling 기간 확대를 위해 ASHRAE Fundamental의 기상데이터에 따라 분류되는 기후존에 위치한 부산(3A), 대관령(6A), 춘천(5A)을 대상으로 WSE 시스템의 에너지 사용량 및 Free cooling 시간을 분석하였다(ASHRAE, 2019). 대상건물 및 중앙냉방시스템 모델링은 EnergyPlus 기반 동적 시뮬레이션 프로그램인 DesignBuilder v.7.0을 이용하였으며, Non-Integrated 및 Integrated WSE 시스템은 EnerygPlus에서 제공하는 Example file의 “WaterSideEconomizer_ Integrated”, “WaterSideEconomizer_NonIntegrated”를 기반으로 모델링 하였다(DOE, 2021). 시뮬레이션 결과는 1시간 단위의 연간 데이터를 분석하였으며, 본 논문에서는 HVAC 시스템 제어 관점보다는 설계방식에 따른 운전현황 및 에너지 사용량을 중점적으로 검토하였다.
본 논문의 연구 프로세스 및 방법의 개략도는 Figure 1과 같다. WSE 시스템 구성에 따른 냉방에너지 사용량을 비교하였으며, Case 별 시뮬레이션 결과는 Free Cooling 운전 시간 및 에너지 사용량을 분석하여 시스템 및 기후 존에 따른 에너지 절감 효율을 검토하였다.
시뮬레이션 개요
대상건물
본 논문의 대상 건물은 데이터센터이며, 해당 시설은 보안상의 이유로 대상 평면 및 배치에 관한 정보를 취득하기 어려운 특징이 있다. 따라서, 대상건물은 Sun et al. (2020)의 연구에서 제안하는 데이터센터 Prototype 모델 중 대규모 데이터센터 조건의 전산실을 선정하였으며, 정밀한 시뮬레이션 구현 및 분석을 위해 하나의 전산실만을 대상으로 하였다. 해당 시설은 557.4 m²로, 단위면적당 발열량이 5,382 W이다. 대상 지역은 먼저, 국내 중 데이터센터의 분포가 가장 높은 서울(4A)을 기준으로 하여, 국내의 서로 다른 4가지 기후존에 해당하는 부산(3A), 춘천(5A), 대관령(6A)을 대상으로 하였다. 대상 지역의 연간 외기 습구 및 건구온도는 각각 부산 –8.3~27.1℃, –6~32.6℃, 서울 –15.8~26.5℃, -14.9~34.3℃, 춘천 –16.2~27℃, -15.9~33.8℃, 대관령 –25.5~25.8℃, -25.3~29.9℃에 분포한다(PHIKO, 2017). Table 1은 대상 건물의 개요를 나타낸 것이다.
Table 1.
Target building outline
HVAC 시스템 개요
Table 2는 ASHRAE TC 9.9에서 제시하는 데이터 통신 시설의 실내환경 조건이다. 데이터센터는 전산실에 다수의 전산 장비들이 집적된 시설로, 가장 엄격한 수준의 실내환경 조건을 달성하여야 한다. 따라서, 본 논문에서는 ASHRAE TC 9.9의 Recommended 조건인 건구온도 18~27℃, 상대습도 60% 조건을 따라 실내 설정 온도를 24℃로 하였다(ASHRAE, 2019).
Table 2.
Proposed indoor environment conditions of the data center by ASHRAE TC 9.9
| Class | Product operation | |
| Dry-bulb temperature | Relative humidity | |
| Recommended | 18 to 27(°C) | 60% |
해당 시설의 최대냉방부하는 3,978 kW 이며, 이에 따라 여유율 15%를 반영하여 장비를 선정하였고, 본 논문의 Condenser loop, Chilled water loop, Air loop로 구성된 장비 Set을 부하에 따라 총 4개로 구성하였다. Table 3은 냉방시스템의 장비 사양을 나타낸 것이며, 냉각탑 및 열교환기 유무를 제외한 모든 장비의 사양은 동일하다. Case 3의 경우, Partial-Free Cooling 운전을 위해 냉동기와 열교환기 양 측에 냉각수가 유입되어야 하므로 냉각탑이 냉동기의 200%로 설계된다(Udagawa et al., 2010). 냉동기 모델은 EnergyPlus에서 제공하는 제조사 모델인 Electric EIR Chiller Carrier 19XR을 적용하였으며(DOE, 2021), 냉동기의 증발기 입/출구 온도는 12℃/7℃, 냉동기의 응축기 입/출구 온도는 32℃/37℃를 적용하였다. 냉동기 용량은 1,407 kW, 성적계수(COP, Coefficient Of Performance)는 6.04이다. 냉각탑은 Variable speed로 용량은 1,573 kW이다. 냉각수 및 냉수 펌프의 소비전력은 각각 26.4 kW, 25.8 kW이며, 이는 규모가 하나의 컨테인먼트만을 구성하는 단일 전산실로 구성된 대상 건물의 규모를 반영한 값이다.
Table 3.
HVAC system outline to simulation
Figure 2은 Case 1-3의 냉방시스템 개요도를 나타낸 것이다. 각 시스템의 Air loop 구성은 동일하며, 중앙냉방시스템과 WSE 시스템은 Chilled water loop의 열교환기 유무에 의하여 구분된다. 또한 두 WSE 시스템은 냉동기와 열교환기의 연결 방식 차이에 따라 구분된다. Case 3의 경우, Partial-free cooling 운전 시 냉동기와 열교환기가 동시에 운전되어야 하므로 위해 냉동기 및 열교환기의 Condenser loop를 별도로 구성하였다.
먼저, Figure 2(a)는 Case 1의 구성을 나타내며, 일반적으로 증발기, 압축기, 응축기, 팽창밸브로 구성된 냉동기와 냉동사이클을 통해 발생하는 열을 제거하는 냉각탑으로 구성되어 있다. Figure 2(b)는 Case 2이며, Chilled water loop에 냉동기와 병렬로 연결된 열교환기가 추가된 형태이다. 해당 시스템은 저온의 외기조건에서 냉각탑을 통해 제조된 냉각수와 부하측의 열을 처리한 리턴 냉수의 열교환을 통해 설정된 온도의 공급 냉수를 생산함으로써 냉동기의 작동을 정지시킬 수 있다. Figure 2(c)는 Case 3의 시스템 구성으로, 시스템을 구성하는 장비는 Case 2와 동일하다. 그러나, 열교환기와 냉동기가 직렬로 연결되며, 냉방코일과 열교환기 및 냉동기를 연결하는 냉수 배관 구성이 상이하다. 해당 시스템은 동계나 하계에는 Case 2와 동일하게 운전되지만, 중간기에는 서론에서 언급한, Partial-free, Chiller cooling 으로 운전되므로, 이를 통해 냉동기의 부하를 감소시켜 에너지 사용량을 절감시킬 수 있다.
Figure 3는 EnergyPlus에서 제공하는 Example file을 참고하여 구성한 Case 2, 3의 Component를 나타낸 것이다. 시스템 구성 중 냉수펌프의 경우, Case 2는 Constant speed, Case 3는 Variable speed로 구성된다. Case 3는 냉동기와 열교환기가 직렬로 연결되어 Cooling coil에서 열을 처리하고 돌아온 냉수를 열교환기에서 1차적으로 냉각수와 열교환하여 온도를 저하시킨다. 그 후 냉동기에서 설정된 온도의 냉수를 제조하기 위해 남은 열을 처리한다. 반면, Case 2의 경우, 냉동기와 열교환기가 병렬로 연결되므로 냉동기 증발기의 입구와 열교환기 출구는 냉수 Loop의 splitter와 이어지므로, 열교환기와 냉동기 사이의 냉수는 혼합되지 않으며, 외기 조건에 따라 냉동기와 열교환기 두 장치 중 하나의 장비만 운전 된다.
시뮬레이션 결과
Free cooling 운전 모드
본 연구에 적용된 HVAC 시스템 중 Case 2, 3은 WSE 시스템이므로 연중 외기 습구온도에 따라 Free cooling 운전이 이루어지며, Case 1-3의 시스템 모두 연중 실내 온도 24℃를 만족하였다. Case 1은 Free cooling 운전이 이루어지지 않는 시스템이므로 분석대상에서 제외하였다. Case 2는 Partial-free cooling이 이루어지지 않고 연중 Full-free cooling과 Chiller cooling 모드로 운전된다. Case 3는 Partial-free cooling 모드의 추가 운전으로 Chiller cooling 시간이 축소되었다. Table 4는 외기 습구온도 변화에 따른 Case 2, 3의 월별 Free cooling 운전 시간을 나타낸 것이다.
Table 4.
Monthly free cooling time according to the outside air wet-bulb temperature
| Month | Case 2 [hour] | Case 3 [hour] |
| 1 | 586 | 744 |
| 2 | 385 | 672 |
| 3 | 145 | 740 |
| 4 | 12 | 558 |
| 5 | 0 | 194 |
| 6 | 0 | 6 |
| 7 | 0 | 0 |
| 8 | 0 | 0 |
| 9 | 0 | 8 |
| 10 | 16 | 372 |
| 11 | 130 | 621 |
| 12 | 458 | 744 |
| Sum | 1,732 | 4,659 |
1, 2, 3, 4, 10, 11, 12월의 두 WSE 시스템의 Free cooling 운전 시간 차이는 Partial-free cooling 운전에 의한 것이며, 해당 운전 시간의 차이 만큼 Partial-free cooling 운전이 이루어진다. 5, 6, 9월에는 높은 외기조건에 의하여 Partial-free cooling 운전만 이루어져 Case 3만 Free cooling 운전이 가능하였다.
냉열원 시스템 에너지 사용량
Figure 4는 Case 1-3의 장비별 에너지 사용량을 나타낸 것이다. Case 1의 에너지 사용량은 5,005 MWh로 냉동기에서 전체에너지 사용량의 약 67%를 차지하였다. Case 2의 에너지 사용량은 동계 및 중간기 일부에 Full-free cooling으로 운전됨에 따라 중앙냉방시스템 대비 약 10.9% 절감된 4,460 MWh이다. Case 3은 Full-free 및 Partial-free cooling 운전으로 하계의 일부 기간까지 Free cooling 운전이 가능하였으며, 이로 인해 Case 1, 2 대비 각각 13.7%, 3.2% 절감되어 4,318 MWh의 에너지를 사용하였다.
데이터센터는 연중 높은 부하를 유지하는 건물이지만 본 논문에서는 하나의 전산실만을 대상으로 하였으며, 동계 및 중간기에 부분부하 운전이 실시된다. 따라서 Case 1의 냉수펌프는 Variable speed 펌프이므로, 부분부하 운전이 실시되는 기간에 의하여 냉수 펌프 에너지 사용량이 감소되었다. Case 2의 냉수 펌프는 Constant speed 펌프로 연중 냉수 펌프의 에너지 사용량이 설계 조건으로 운전된다. Case 3는 Variable speed 펌프이지만 Free cooling 운전 시, 열교환기를 이용하여 냉수의 온도를 저하시키기 때문에 열교환량 증가를 위해 Case 1 대비 많은 냉수 유량으로 운전되므로 냉수 펌프의 에너지 사용량이 Case 1 보다 높게 나타났다.
각 시스템의 Free cooling 운전 시간은 Case 2가 연간 8,760시간 중 1,731시간 동안 Full-free cooling 모드로 운전되었으며, Case 3이 Full-free cooling 및 Partial-free cooling 모드로 각각 2,187, 2,472시간 동안 운전되었다. 따라서, Case 3의 에너지 절감량인 142 MWh는 Partial-free cooling에 의한 절감으로 판단된다.
운전모드에 따른 월간 에너지 사용량
Figure 5은 Free cooling 운전 모드에 따른 1, 3, 5월의 에너지 사용량을 나타낸 것이다. Free cooling 운전 모드에 따른 에너지 사용량 분석을 위해 Full-free cooling, Full/Partial-free cooling, Partial-free cooling 운전을 대표하는 1, 3, 5월로 선정하였다. 전체 시스템의 에너지 사용량 중 냉각탑, 냉각수 및 냉수펌프는 모든 기간에서 유사한 운전 패턴을 보였으며, Free cooling 운전에 의한 영향으로 냉동기의 에너지 사용량은 높은 변화량이 나타났다.
1월의 경우, Case 2는 일부 기간만 Full-free cooling 운전이 가능하였고, Case 3는 전체기간 동안 Full-free cooling 운전 모드로 작동되어 냉동기 작동이 정지되었다. 그러나, Case 3의 경우, 냉각수 펌프의 Variable Speed 운전이 이루어지지 않아 열교환기 및 냉동기의 응축기 측에 냉각수 유량이 유입되어 냉각수 펌프의 에너지 사용량이 높은 비율을 보이는 것으로 판단된다. 3월은 Full/Partial-free cooling의 두가지 운전 모드가 모두 사용되는 기간으로, Case 2와 3의 에너지 사용량 차이는 Partial free cooling 운전에 의한 것이다. 5월은 Case 2의 Free cooling 운전이 이루어지지 않아, 냉동기의 에너지 사용량이 Case 1 (285 MWh)과 유사한 272 MWh로 나타났다. Case 3는 Partial-free cooling 운전으로 냉동기의 에너지 사용량이 251 MWh로 Case 1, 2 대비 각각 12.3%, 7.8%의 에너지가 절감되었다. 그러나, 냉수 및 냉각수 펌프의 에너지 사용량이 증가하여 Case 1대비 Case 2-3의 에너지 사용량이 증가하였으며, 이는 설정된 냉수 온도를 유지하기 위해 냉수 유량이 증가되었기 때문으로 판단된다.
기후존에 따른 WSE 시스템 운전
본 논문에서는 WSE 시스템의 Free cooling 운전 효율 향상을 위해 국내 4개의 기후존 서울(4A), 부산(3A), 춘천(5A), 대관령(6A)을 대상으로 연간 에너지 사용량 및 Free cooling 운전 시간을 분석하였다. Figure 6은 Case 2-3의 기후존 별 연간 Free cooling 시간을 나타낸 것이다. Figure 6(a)의 Case 2는 Partial free cooling 운전이 이루어지지 않아 연간 Chiller cooling 운전이 대부분을 차지하며, 외기습구온도 범위가 낮은 지역일수록 Full-free cooling 운전 시간이 증가하였다.
Figure 6(b)의 Case 3은 Full-free cooling 운전 시간이 Case 2와 마찬가지로 외기습구온도 범위가 낮아짐에 따라 증가하였지만, Partial-free cooling은 대관령을 제외한 나머지 기후 존에서는 외기습구온도 범위가 높아짐에 따라 운전 시간이 증가하였다. 대관령의 경우, Partial-free cooling이 4,596시간 동안 운전되어 총 Free cooling 운전 시간이 8,108시간으로 가장 많았으며, 서울, 춘천, 부산이 각각 4,659시간, 4,716시간, 4,202시간 운전되었다. Case 2 대비 Case 3의 Full-free cooling 운전은 155~214시간 증가하였으며, 이러한 운전시간의 차이는 냉동기와 열교환기 연결방식에 따른 냉방 운전 효율에 의한 것으로 사료된다. 또한, Partial free cooling은 기후존에 따라 2,225~3,402의 운전시간 확보가 가능하였다.
Figure 7은 Case별 기후 존에 따른 연간 에너지 사용량을 나타낸 것이다. Case 2는 외기습구온도 범위가 증가함에 따라 Full-free cooling 운전 시간이 확대되어 Case 1 대비 부산, 서울, 춘천, 대관령에서 각각 4.0%, 10.9%, 12.5%, 18.4%의 에너지가 절감되었다. Case 3의 경우, Full-free cooling을 비롯한 Partial-free cooling 운전으로 Free Cooling 시간이 Case 2 대비 증가하였으며, 에너지 사용량은 Case1 대비 부산, 서울, 춘천, 대관령에서 각각 7.1% , 13.7%, 15.0%, 19.5% 절감되었다. Case 2 대비 Case 3의 에너지 사용량이 절감된 것은 Partial-free cooling 운전에 따른 냉동기 사용량이 감소하였기 때문이다.
결 론
본 연구에서는 데이터센터의 냉방에너지 절감을 위한 WSE 시스템 선정을 위해 EnergyPlus를 이용하여 중앙냉방시스템(Case 1) 및 Partial-free cooling 운전 유무에 따른 두가지 WSE 시스템(Case 2, 3)을 구현하였으며, 각 시스템별 연간 에너지 사용량 및 Free Cooling 시간을 비교분석 하였다. 또한, 국내 4개의 기후존을 대상으로 Free Cooling 시간에 따른 에너지 절감량을 정량적으로 분석하였다.
(1)Case 1 대비 Case 2-3은 Free cooling 운전에 의하여 10.9~13.7%의 에너지 절감이 가능하였으며, 열교환기 및 냉동기의 연결 방식의 변경으로 인해 Partial-free cooling은 연중 2,472시간 동안 운전되었다. 이로 인해 Case 3 적용 시 3.2%의 추가적인 에너지 절감이 가능하였다.
(2)기후존에 따른 WSE 시스템의 에너지 사용량은 외기습구온도 범위가 낮아질수록 더 많은 Full-free cooling 시간 확보가 가능하므로, Case 2, 3 모두 18.4%~19.5%의 추가적인 에너지가 절감되었다. 또한, Partial-free cooling의 구현에 따라 Case 3가 Case 2 대비 2.9~19.5%의 에너지가 절감되었다.
따라서, WSE 시스템을 적용하면 연중 냉동기 작동 시간 및 사용량을 감소시킬 수 있으며, 냉동기와 열교환기를 직렬로 연결시켜 Partial-free cooling 운전을 구현할 경우, 외기 활용을 극대화하여 에너지 절감 효율을 증대시킬 수 있다. 또한, 국내 기후를 반영하여 저온의 외기 조건에 부합하는 지역에 데이터센터를 설치할 경우, Free cooling 운전 시간을 확대할 수 있다.
Figure 5과 같이 5월에 WSE 시스템 적용에 따른 에너지 사용량이 증가하였지만, 본 연구에서는 시스템 구성에 따른 연간 에너지 사용량 비교 분석이 목적이므로, 추가적인 WSE시스템의 에너지 절감 효율 증가를 위해서는 Free cooling 전환 조건에 따른 정밀한 제어의 적용이 필요하다. 또한, EnergyPlus 시뮬레이션 프로그램 상의 variable speed 냉각수 펌프의 변유량 운전이 이루어지지 않는 오류의 해결이 필요하다. 따라서 추후 연구에서는 EnergyPlus 상의 오류 해결 및 제어의 적용에 따른 WSE 시스템의 효율 향상에 관한 연구를 진행할 예정이다.
