데이터센터의 공조효율 향상을 위한 공조파티션시스템 성능평가에 관한 연구 논문자료

 

데이터센터의 공조효율 향상을 위한 

공조파티션시스템 성능평가에 관한 연구

Evaluation of Aisle Partition System's Thermal

Performance in Large Data Centers for

Superior Cooling Efficiency

 

일반적인 데이터 센터에서는 다수의 IT 서버 랙이 여러 행으로 배열되어 있습니다. 광범위한 전자 하드웨어가 공냉식인 IT 환경에서는 장비에서 배출되는 가열된 공기가 냉각에 사용되기 전에 차가운 냉각수 공기와 조기에 혼합될 때 냉각 시스템의 비효율성이 발생합니다. 차가운 공기를 사용하기 전에 가열된 배출 공기와 혼합하면 많은 시스템에서 상당한 냉각 비효율이 발생합니다. 과열로 인해 고가의 전자 장비가 손상될 뿐만 아니라 중요한 수익 창출 서비스도 중단될 수 있습니다. Cool Shield는 IT 서버실의 차가운 통로와 뜨거운 통로의 공기를 차단하는 비용 효율적인 통로 파티션 시스템 입니다. 본 문서는 데이터 센터의 통로 파티션 시스템을 분석하기 위한 성능 지표의 중점을 둡니다.

 

[연구 주제]

 

1. 문제 정의

 

본 연구는 데이터센터의 IT서버 발열제거와 관련된 공조효율 증대를 위한 공조파티션시스템을 제안하고 그 성능을 객관적으로 분석하는데 목적이있다.

 

2. 가설 설정

 

랙 서버는 내부에 4kW/rack의 발열을 주었으며 표면은 단열로 가정하였다.

 

마지막으로 유체는 이상기체로 설정하여 온도와 압력에 따라 결정되어 부력이 작용하는 것으로 설정하였다.

 

벽면조건은 건축계획상 외란의 영향을 최소화하기 위해 이중벽체를 구성하여 완충공간을 구성하고, 서버룸의 4열 모듈 일부구간을 해석하였기 때문에 벽체조건이 없거나, 어떠한 발열도 없는 단열된 상태로 가정하였다.

 

본 시뮬레이션은 공조효율 분석하기 위하여 실시되었으며, 이때 공조파티션 패널 설치 유무를 제외한 모든 실내조건은 동일하다고 가정하였다.

 

형태는 단순화하여 급, 배기 슬롯을 4개씩 가지는 것으로 가정하였으며 각각 동일한 풍량으로 합계 650CMH로 설정하였다.

 

[연구 방법]

 

1. 제안 방법

 

계산을 위한 온도인 TRetume CRAC 유닛 환기공기온도로 서버룸환기구에서의 평균온도, Tsu는 CRAC유닛 급기온도 그리고 IT서버의 전/후단의 온도차인 ATEguip는 IT서버 통과 후 평균 상승온도를 기준으로 한다.

 

공조효율이 가장 우수한 바닥급기/천장환기 방식은 서버 최상부의 높이 0.6m ~ 1.0m지점에서 공기의 재순환이 이루어지는 것으로 분석되었고 이를 방지하기 위해 서버상부의 0.6m 지점까지 cold aisle과 hoy aisle을 물리적으로 구분하는 공조파티션시스템을 제안하였다.

 

그러나 이 지표는 전체적인 공조효율 평가는 가능하지만 공기의 재순환과 또는 바이패스 방지에 의한 자세한 공조효율개선 판단이 어려워서 각 서버의 유입구와 배출구의 온도를 기준으로 가장 보편적으로 평가할 수 있는 RCI와 RTI를 사용하여 분석하였다.

 

그리고 IT서버룸 전체 inlet 조건은 랙 60대의 발열량을 기준으로 CRAC 유닛의 용량을 선정하고 급기는 CRAC 유닛 2대에서 16℃의 공기가 총 45, 600 CMH로 급기 되는 것으로 하였다.

 

데이터센터 내부의 전반적인 실내환경을 고찰하기 위해 해석모델을 X, Y, Z축 구간별로 산술평균값을 도출하였다.

 

데이터센터의 공조파티션시스템 효율을 평가하기 위해 CFD 시뮬레이션에서 도출된 온도분포를 바탕으로 RCI와 RTI 평가지표를 활용하여 일반적인 바닥급기/천장환기 시스템과 비교하였다.

 

데이터센터의 온도분포를 분석하기 위해 전산유체해석을 수행하였다.

 

본 연구는 데이터센터의 공조를 효과적으로 향상시킬 수 있는 공조파티션시스템 적용을 위한 객관적인 방안을 정량적 해석과 평가지표를 사용하여 분석하였다.

 

시뮬레이션은 선행연구에서 검증된 가장 효율적인 공기분배방식인 바닥급기/천장 환기 방식을 기준으로 공조파티션시스템을 적용하였을 때와 미적용 하였을 때를 구분하여 해석하였다.

 

2. 대상 데이터

 

국내 최대 규모인 K데이터센터의 IT서버룸 일부구역을 대상으로 하였으며, 서버배치는 4열의 cold aisled hot aie을 기본모듈로 모델링 하였다.

 

유체영역의 크기는 8.4m x 15m x 3.2m 이며, 모델링에 사용된 격자는 polyhedral cell type으로 격자수는 약 30만 개이다.

 

이를 위해서 총 60대의 랙 서버의 240개의 공기유입구 온도(T)를 도출하였으며, 대안별 온도분포는 다음과 같다.

 

3. 이론/모형

 

상용 프로그램인 Star-CD 프로그램과 k-3 high reynolds 난류모델을 사용하였다.

 

[연구 결과]

 

1. 성능/효과

 

CFD 시뮬레이션 결과, IT서버 높이별 상하 온도차는 공조파티션 패널 설치 시는 10℃ 미만이지만 설치하지 않을 경우 최대 15℃까지 차이가 나는 것으로 분석되었고 배기온도는 공조공기 재순환 억제에 의해 약 1.4℃정도의 온도가 감소하는 것으로 분석되었다.

 

IT서버룸의 리턴배기구 위치에서 평균온도 차이는 파티션 설치 유무에 따라 3L8℃과 33.2℃로 공조공기 재순환에 의해 약 1.4℃ 정도의 온도가 상승하는 것으로 분석되었다.

 

결과 그래프에서와 같이 공조파티션시스템을 적용할 경우 기존 시스템에 비해 공조재순환의 현상을 어느 정도 방지할 수 있다.

 

공기분배시스템 방식별 효율평가는 급기와 환기의 공급방식에 의해서 6가지 대안에 대하여 실사하였는데, 바닥급기/천장환기 방식의 평균온도 분포로 보면 서버 상부에서 약간의 공기재순환현상만 효과적으로 방지하면 가장 효율적인 공기분배방식임을 검증하였다.

 

그리고 마지막으로 공조효율을 평가하는 지표를 통해 분석한 결과, RCI는 약 10%와 RTI는 약 8%의 성능향상을 보였다.

 

2. 후속 연구

 

따라서 추가적으로 물리적인 장치의 구성을 통해 공기분배효율 개선이 필요하며, 간단한 파티션 패널을 랙 서버에 설치하여 공조효율을 개선할 수 있다.

 

향후 공조파티션 패널의 높이와 형태변화를 변수로 하는 후속연구를 통해서 설계의 최적화를할 필요가 있는 것으로 판단된다.

 

▼출처 및 바로가기 : 
https://scienceon.kisti.re.kr/srch/selectPORSrchArticle.do?cn=JAKO201023557655507

[논문]데이터센터의 공조효율 향상을 위한 공조파티션시스템 성능평가에 관한 연구