데이터센터에 적용된 외기도입 냉방시스템에서 필터유형별 에너지 소비량 변화 논문자료

 

데이터센터에 적용된 외기도입 냉방시스템에서 필터유형별 에너지 소비량 변화
Energy Consumption Analysis based on Filter Differential Pressure when Adopting an Air-side 
Economizer System for a Data Center

최근 데이터센터의 에너지 소비 절감과 관련된 많은 연구가 진행되고 있다. 이러한 연구는 주로 서버실에 있는 컴퓨터실 공기조화장치(CRAH)의 공기 흡입 및 배기 시스템, 디퓨저 유형, 발생하는 열의 억제 및 방출에 중점을 두었습니다.

[연구 주제]

1. 문제 정의

본 연구에서는 외기도입 냉방시스템 적용 시 필터 유형별 에너지 소비량을 분석하기 위하여 기존 중앙냉수 냉방시스템과 필터적용을 고려하지 않은 외기도입 냉방시스템의 전력 소비량을 산출하고, 이 후 등급별 필터적용에 따른 외기도입 팬 동력 증가를 고려한 외기도입 냉방시스템의 전력 소비량을 분석하였다.

[연구 방법]

1. 제안 방법

Kwak et al에서 사용된 동일조건의 공조기 팬을 동적에너지 시뮬레이션에 적용하여 기존 중앙 냉수 냉방시스템과 필터차압을 고려하지 않은 외기도입 냉방시스템의 에너지 소비량을 분석하였다.

따라서 본 연구에서는 외기도입 냉방시스템에 MERV 8급, 13급, 16급에 해당하는 필터를 적용하여 필터적용에 따른 전력 소비량 산출을 위한 동적에너지 시뮬레이션을 수행하였다.

본 연구에서는 이를 고려하여 엔탈피제어에 외기 건구온도 0℃이상 28℃ 이하 조건을 추가하였으며, 이에 따라 B영역의 외기조건에서 시스템이 가동하도록 설정하였다.

또한 조명 및 상주하고 있는 인원에 의해 발생되는 부하를 고려하였으며, 서버운전에 따른 부하패턴 변화는 시간별로 0.7~1.0을 적용하였다.

에너지 소비량 감소율 및 PUE(Power Usage Effectiveness)를 이용하여 적용 필터별 차압변화에 따른 에너지 소비량 분석 결과값을 검토하였다.

본 연구에 적용된 외기도입 냉방시스템은 외기조건에 따라 가동되며, 중앙냉수 냉방시스템과 On/Off 제어된다.

TRNSYS 17.0 동적에너지 시뮬레이션을 수행하여 각 냉방시스템별 전력 소비량을 검토하고, 필터차압 변화가 외기도입 냉방시스템의 전력 소비량에 미치는 영향을 분석하였으며, 그 결과는 다음과 같다.

이를 시간별로 산출하여 외기도입 급기팬의 연간 총 전력 소비량을 분석하였다.

이에 따라 사용일수를 기준으로 필터 막힘점을 예측하였다.

2. 대상 데이터

또한 연간(8760시간) 데이터센터의 냉방에너지 소비량을 정량적으로 분석하기 위하여 TRNSYS 17.0(6) 시뮬레이션을 사용하였으며, 외기조건은 자체 제공하는 서울기상 데이터를 사용하였다.

연구 대상 건물은 목동에 위치한 ○○데이터센터로 지하 4층, 지상 12층 규모로 2층부터 10층까지 총 9개 층에 IT서버 룸이 있으며, 바닥면적은 층별 22,500 m2이다.

[연구 결과]

1. 성능/효과

(1) 중앙냉수 냉방시스템의 경우 냉동기의 전력 소비량이 전체 냉방시스템 전력 소비량의 47% 차지하는 것으로 나타났으며, 하절기에는 다소 높은 외기습구온도에 의한 냉각수 온도상승으로 전력 소비량이 연중 가장 높은 것을 확인하였다.

(2) 제습 및 서버기기 오류발생을 고려한 외기도입 냉방시스템을 적용할 경우 중앙냉수 냉방시스템 대비 38%의 전력 소비량을 감소시킬 수 있는 것으로 나타났다.

(3) 외기도입 냉방시스템 적용 시 MERV 등급별 필터 적용에 따라 최소 35%, 최대 196% 외기도입 급기팬의 전력 소비량이 증가하는 것으로 나타나 외기도입 냉방시스템 전력 소비량 예측 시뮬레이션 수행 시 필터차압에 대한 고려가 필요할 것으로 판단된다.

(4) 냉방시스템 및 적용 필터별 PUE를 산정한 결과, 외기도입 냉방시스템을 적용할 경우 MERV 등급에 따라 값의 차이는 발생 하였으나, PUE가 다소 개선되어 외기도입 냉방시스템에 의한 에너지 소비량 감축효과가 있음을 확인하였다.

ASHRAE의 권장 필터등급인 Medium filter의 경우 필터 종류 및 막힘에 의한 급기팬 소비 전력 증가율이 필터를 고려하지 않은 외기도입 냉방시스템의 급기팬 소비전력 대비 100%로 나타났다.

냉각탑 및 냉동기를 제외한 구성기기의 월별 전력 소비량은 일정한 것으로 나타났다.

냉각탑의 전력 소비도 외기 습구온도가 상대적으로 높은 하절기에 소폭 상승함을 확인하였다.

냉동기의 전력 소비량이 전체 전력 소비량의 47%를 차지함을 확인하였다.

너무 낮거나 높은 외기조건을 형성하는 동절기와 하절기에는 전력소비량 감소율이 다소 낮았으나, 외기도입 냉방시스템 적용에 따른 연간 전력 소비량 감소율은 약 38%로 기존 시스템 대비 에너지 절감효과가 큰 것으로 나타났다.

따라서 서버 룸의 공조효율을 개선시키면 CRAH에서의 취출온도를 높일 수 있고, 이에 따라 냉동기에서 CRAH로 공급하는 냉수온도를 증가시켜 냉동기의 전력 소비량을 낮출 수 있을 것으로 판단된다.

또한 동절기에서 중간기 그리고 하절기로 접어들수록 냉동기의 소비 전력이 증가함을 확인하였다.

외기도입 냉방시스템에 Medium filter를 적용할 경우 PUE가 기존 1.92에서 1.70로 개선됨을 확인하였다.

외기조건에 따라 가동되는 외기도입 냉방시스템에 필터가 적용 될 경우, 교체주기가 250일인 Prefilter는 필터교체점인 최종압력 128 Pa에 도달 일수가 500일로 예측되었으며, 교체주기 200일인 Medium Filter는 451일, 교체주기 140일인 HEPA filter는 332일로 예측되었다.

필터의 등급이 높아질수록 동일 풍량을 서버 룸으로 공급하기 위한 급기팬의 인버터 회전율이 높아짐을 확인하였다.

필터의 등급이 높아짐에 급기팬의 전력 소비량이 큰폭으로 증가하였고, 이에 따라 중앙냉수 냉방시스템 대비 연간 총 전력 소비량이 34% 감축에서 32%, 29%, 26%로 감소폭이 낮아지는 것으로 나타났다.

▼출처 및 바로가기 : 
https://scienceon.kisti.re.kr/srch/selectPORSrchArticle.do?cn=JAKO201324136582743

[논문]데이터센터에 적용된 외기도입 냉방시스템에서 필터유형별 에너지 소비량 변화