액체냉매기반 데이터센터 냉각시스템의 설계기준 및 에너지 효율평가에 관한 연구

조진균 대한건축학회 2024 대한건축학회논문집 Vol.40 No.5

본 연구는 데이터센터의 수요와 IT장비의 고집적도 및 전력밀도에 대응하고 기존의 공랭식 시스템을 전환하기 위한 액체기반 냉각시스템의 설계기준 및 에너지 평가지표를 제시하였다. IT부하 200 kW 대응 냉각시스템 별 기본모델을 도출하였고 에너지효율 지표에 근거하여 정량적 비교와 객관적인 판단기준을 제시하였다. (1) 데이터센터 워크로드는 유형별로 7개로 세분화되었고 IT전력밀도가 50 kW/rack이 넘으면 전통적인 공랭식으로는 냉각이 불가하여 액체기반 냉각방식을 실질적인 대안으로 제시하였다. (2) 현재 적용 가능한 액체냉매기반 냉각은 그 시스템 구성에 따라 운전조건 및 방법 등이 다양하지만 일반적으로 RDEX, 플레이트 냉각과 액침냉각으로 구분할 수 있다. (3) 기존 공냉식 시설에 액체기반 냉각의 통합은 열 제거 성능, 배관구성, 냉각분배, 냉각용량, 위험관리 및 열 제거 방법의 6가지로 설계 고려사항이 정의된다. (4) TUE는 데이터센터로 유입되는 총 에너지와 IT장비 내부의 컴퓨팅 구성요소로 유입되는 총 에너지의 상관관계로 액체기반 냉각의 에너지효율 평가를 위한 새로운 개념의 지표를 제하였다. (5) 에너지 효율평가를 위해서 200 kW급 IT부하를 기준으로 액체냉매기반 냉각시스템을 설계하고 정격(설계) 에너지소비를 기반으로 PUE와 TUE를 산출하였다. (6) PUE 분석결과, 공랭식, RDEX, 플레이트 냉각과 액침냉각 순서대로 1.42, 1.32와 1.24와 1.05로 에너지효율이 개선되었다. (7) TUE는 공랭식, RDEX, 플레이트 냉각과 액침냉각 순서대로 1.90, 1.77와 1.59 및 1.34로 수냉식 및 공랭식 IT장비의 적용차이를 반영한 효율을 도출하였다. 향후, 액체냉매기반 냉각시스템의 적용이 증가할 것이 예상되는바 보편적인 설비모델을 제시하고 각 조건에 부합하는 설계를 수행하는 객관적인 판단기준을 제공할 수 있는 것이 지금까지 제시되지 않은 기술적 학술적인 의미는 충분히 있을 것으로 판단된다. 데이터센터 액체기반 냉각시스템을 위한 판단기준은 IT전력밀도를 기반으로 본 논문에서 도출된 IT환경기준 등 냉각시스템 설계 및 제어 그리고 에너지효율성을 복합적으로 고려하여 적용 유무를 판단을 해야 할 것으로 사료된다. This study explores the design and energy assessment of liquid-based cooling systems to meet the growing demands and high power densitiesof IT equipment in data centers. It creates a baseline model for cooling systems to handle a 200 kW ITE equipment load and sets objectivecriteria for evaluating cooling energy efficiency. This study identified seven distinct data center workloads and points out the limitations oftraditional air-cooling methods for IT power densities exceeding 50 kW/rack, suggesting a shift to liquid-based alternatives. Liquid-basedcooling systems were classified into three main types: RDEX, plate cooling, and immersion cooling, with specific operational characteristicsdepending on the system configuration. To gauge system efficiency, this study introduces the TUE metric, correlating the total energy inputto the data center with the energy used by computing components. An analysis of energy efficiency showed a significant reduction in thePower Usage Effectiveness (PUE), with immersion cooling achieving an outstanding PUE of 1.05. The TUE metric also revealed considerableefficiency gains across all liquid-based cooling systems compared to traditional air cooling. This study anticipates a rise in the adoption ofliquid-based cooling systems and stresses the need for universal design criteria, taking into account ITE power density and energy efficiency.

고집적 하이퍼스케일 데이터센터의 IT운영환경 확보를 위한 랙-기반 냉각시스템 적용성 연구

조진균,이영재,이웅복 대한설비공학회 2022 설비공학 논문집 Vol.34 No.4

COVID-19 펜데믹, 비대면 산업성장과 4차 산업혁명의 인과관계에 의해 모든 산업으로 디지털화되고 있으며 데이터센터는 이러한 현상에서 가장 핵심적인 역할을 하고 있다. 향후 수요가 예상되는 하이퍼스케일 데이터센터는 IT서비스 변화에 따른 신속한 대응뿐 아니라 무중단 운영의 안정성 확보를 위한 냉각시스템이 매우 중요한 요소이다. 본 연구는 신규로 요구되는 데이터센터의 핵심 요소인 고밀도 IT전력에 대응 가능한 냉각시스템의 필요 건축면적, 에너지성능 등을 정량적으로 비교하여 합리적인 냉각방식 선정의 객관적인 판단기준을 제시하였다. 냉각방식의 타당성 평가를 위해 3개의 150 kW급 IT룸 설비모듈을 도출하였다. 또한 각 설계 대안별 냉각 PUEcooling 및 에너지비용 대한 정량적 분석으로 경제성 관점에서도 객관적인 판단기준을 제시하였다. 그 결과는 다음과 같이 요약이 가능하다. ∙데이터센터 냉각을 효율적으로 수행하기 위해 구성된 IT전력밀도에 따라서 공간단위(room-based), 열-기반(row-based) 및 랙-기반(rack-based) 냉각방법이 구분할 수 있다. 공간단위 냉각은 5 kW/rack 이하의 저밀도, 열-기반 냉각은 6~10 kW/rack 범위의 중간밀도 데이터센터에서 사용가능하고 랙-기반 냉각은 15kW/rack 이상의 고도밀 랙-서버(최대 50 kW/rack)까지 대응가능하다. ∙냉각시스템의 설비모듈 구성의 타당성 평가를 위해 150 kW급 IT룸 독립모듈의 대안을 도출하였다. 고밀도 대응 랙-기반 냉각 설비모듈을 기준으로 필요면적을 분석한 결과, 중간밀도 대응 열-기반 냉각 설비모듈은 150% 증가하고, 저밀도 대응 공간단위 냉각 설비모듈은 230% 증가하는 것으로 분석되었다. ∙냉각유닛은 공단단위에서 열-기반 그리고 랙-기반 냉각으로 갈수록 분산도가 높아져서 장비의 수량은 증가하지만 IT장비의 증가에 따른 공간 점유율의 영향도와 비교하면 매우 낮다. ∙기준안: 랙-기반 냉각시스템의 연간 PUEcooling은 1.28이고 IT부하 1 kW를 운영하기 위해서는 연간 231 USD의 냉각에너지 비용이 발생하는 것으로 분석되었다. ∙ALT-1: 열-기반 냉각시스템의 연간 전력사용량은 기준안 대비 약 10%가 증가하고 PUEcooling은 1.31, 그리고 냉각에너지 비용은 255 USD/IT-kW가 소요된다. ∙ALT-2: 공간단위 냉각시스템의 전력사용량은 기준안과 ALT-1 대비 각각 18%와 7% 증가하고 PUEcooling도 1.33으로 증가하여 냉각에너지 비용이 272 USD/IT-kW가 된다. ∙CRAC/H 유형에 따른 송풍동력 감소, 그리고 냉수공급온도 상향에 따른 1차측 열원에너지 절감이 공간단위 냉각에서 열-기반 냉각과 랙-기반 냉각으로 갈수록 에너지효율이 향상되는 주요 원인으로 조사되었다. 지속적으로 증가하는 초고밀도 IT부하에 대응 가능한 냉각방식은 공랭식(air-cooled)으로는 한계에 도달했으며 수냉식(liquid cooling)을 고려해야한다. 수냉식 냉각은 IT장비의 칩셋에 냉매를 공급하여 냉각을 하거나 IT장비 자체를 냉매에 넣어서 냉각하는 액침냉각(immersion cooling)을 검토해야 한다. 그러나 이러한 기술들은 IT장비 제조사와 협의가 필요하고 데이터센터 내부에 수냉식 냉각 인프라를 구축해야하기 때문에 현재까지는 적용이 어렵다. 또한, 아직까지는 랙-기반 냉각이 적용된 사례가 많지 않다. 이것은 지금까지는 공간단위 또는 열-기반 냉각으로 가능한 IT전력밀도로 데이터센터가 구축되었기 때문이다. 그러나 하이퍼스케일 데이터센터가 주류가 되고 15.0 kW/rack이상의 전력밀도를 ... For the feasibility study of data center cooling strategy according to IT power density, a 150 kW class IT room independent module was derived. As a result of analyzing the required area based on the rack-based cooling module for high density IT power, it was deduced that the row-based cooling module for medium density IT power increased by 150%, and the room-based cooling module for low density IT power increased by 230%. It was deduced that the annual PUE cooling of the rack-based cooling system is 1.28, and the annual cost of cooling energy is 231 USD to operate 1 kW of IT load. For the row-based cooling system, the annual power consumption increased by approximately 10% compared to the rack-based cooling system, PUE cooling is 1.31, and the cooling energy cost is 255 USD/IT-kW. The power consumption of the room-based cooling system increased by 18% and 7%, respectively, compared to the rack-based and row-based cooling, and the PUE cooling also increased to 1.33, resulting in a cooling energy cost of 272 USD/IT-kW. When hyper-scale data centers become mainstream and IT power density of 15.0 kW/rack or higher, the rack-based cooling must be considered first.

고밀도 데이터센터의 IT환경 최적화를 위한 디자인 방법

조진균 대한설비공학회 2011 설비저널 Vol.40 No.7

기후변화에 따른 기온 상승이 냉방설비에 미치는 영향

조진균 대한설비공학회 2024 설비저널 Vol.53 No.2

일본의 COVID-19 대응 건축물 환기설비 운영관리 지침

조진균 대한설비공학회 2020 설비저널 Vol.49 No.7

데이터센터의 에너지 효율화 기술

조진균 대한설비공학회 2012 설비저널 Vol.41 No.12

AFCOM Data Center World 2013

조진균 대한설비공학회 2014 설비저널 Vol.43 No.1

건강한 실내환경 조성을 위한 청정환기 기술 동향

조진균 대한설비공학회 2020 설비저널 Vol.49 No.7

최적 IT 환경제어를 위한 데이터센터 내 전산발열 경향 및 기준산정에 관한 연구

조진균,김병선,정차수 대한건축학회 2006 대한건축학회논문집 Vol.22 No.9

The primary purpose of a computer room of data center and associated infrastructure is to support the operation of critical IT equipment. Over the years, IT is advancing at a rapid pace, resulting in relatively short product cycles and an the power density of IT equipment has been steadily increasing. All electrical equipment produces heat, which must be removed to prevent the equipment temperature from rising to an unacceptable level. High-density servers present a significant cooling changes. And there need to find best estimates of heat release for fully configured IT systems and a power density road map as well as work toward standardizing power and cooling of the equipment for seamless integration into the data center. This study presents two method for estimating power and cooling requirements and provides guidelines for determining the total heat load.

최적 IT환경제어를 위한 데이터센터의 부하패턴 분석 및 에너지소비량 산정을 위한 실험적 연구

조진균,정차수,김병선 대한건축학회 2007 대한건축학회논문집 Vol.23 No.2

Today's IT server rooms of data centers require precise, stable environments in order for sensitive electronics to operate optimally and IT is advancing at a rapid pace, resulting in the cooling energy of data center has been steadily increasing. In this research, economical aspects of energy consumption and load-profile were studied through the survey of domestic data centers that need all year round cooling load. And through DOE-2 simulation program, energy using patterns of cooling system combined with real power density are compared and energy saving effects of data center are reviewed. Also energy conservation variables that effects the building energy were analyzed. The results are as follows, 1) The cooling load-profiles of IT sever room would be appeared within a fixed rate all around the year. 2) IT server heat load is at above 97% of cooling load and annual total cooling loads per square meter of IT server room would be from 5,800 to 17,800 kWh/㎡ in accordance with IT servers configuration.