요 약

제 목 : 냉각탑 냉각수 바이패스 열교환기 이용 데이터센터 냉방의 경제성 분석

본 연구는 냉각탑 냉각수 바이패스 열교환기를 이용하여 동절기 데이터센터 냉방 에너지에 대한 절약 및 비용의 경제성 분석 연구로서 최근 정보화 시스템이 급속도로 발전하면서 IT 산업의 발전에 따른 IT 장비의 높은 발열로 인한 냉방 에너지 소비의 증가와 안정된 시스템 운영을 위한 냉각수, 냉수의 대온도차를 이용한 외기냉수냉방 공조 시스템(Free Cooling system)을 제시하고자 한다.

1. 외기냉수냉방 공조 시스템(Free Cooling system)의 제안 목적
외기냉수냉방 공조 시스템(Free Cooling system)의 제안 목적은 냉각수, 냉수의 대온도차를 이용하여 장치의 효율화(축소)를 통해 초기투자비 및 운전비를 절약 하므로서 가장 오래 가동하는 장비가 동력비(전기)를 가장 적게 발생하게 하는 구조의 냉방운영 시스템을 사용하여 국내에서 가장 전력 사용량이 높은 데이터 센터의 에너지 비용을 효율적으로 관리하고자 함이다.

2. 외기냉수냉방 냉수공급온도 조건 변화(△T=5℃ 보다 △T=8℃가 더 유리하다)
데이터 센터의 고발열 서버 진화에 따른 서버 최저 보증온도 구현으로 기기 내열온도가 60℃까지 견딜 수 있는 내구성을 가지면서 부하측 냉수공급 온도 조건의 변화가 발생했다.
기존 부하측 냉수 공급온도 5℃~10℃(△T=5℃), 냉각수 온도 32℃~37℃(△T=5℃)로 운영되었으나 2021년부터 냉수온도 20℃~28℃(△T=8℃), 냉각수 온도 32℃~39℃(△T=7℃)로 설계, 운영되고 있다.
냉각수는 일반적으로 물의 증발 잠열을 이용하여 냉각하기 때문에 외기의 습구온도와 입구, 출구 온도가 외기 냉수냉방 시스템의 성능을 좌우하는 핵심적 요소이며,
냉각탑 출구 수온은 외기 습구온도의 영향을 크게 받기 때문에 습구 온도의 파악은 중요하다. 그러므로 데이터센터의 설치 위치 선정 시 연간 외기습구온도 기상데이터를 면밀히 분석하여 프리쿨링 운영에 적합한 지역에 설치하는 것이 중요하다.

3. 냉수공급온도 조건 변화로 시스템별 장치용량의 효율화(축소) 효과
냉수공급 온도 조건의 변화로 외기냉수냉방(Free Cooling) 시스템의 냉각수가 어떤 온도로 운용할 때 가장 효과적인지 분석을 위해 냉각탑, 냉각수 순환 펌프의 장치 효율화(축소)로 시스템별 장치구성 분석을 실시 한 결과 초기투자비 9.1% (1,155,000천원), 운전비 2% (722,355천원/15년간)의 비용 절감을 가질 수 있는 것으로 분석되었다.
시스템 장치용량 효율화(축소)에 따라 외기냉수냉방 가동 시간이 –8.7%(-233h) 감소 되었지만 어느 쪽이 유리한지를 분석하여 나타낼 수 있었으며, 시스템별 장치용량이 작아짐에도 불구하고 동일한 능력을 내는 기기에서 가동률이 높은 장비라면 에너지 절약을 할 수 있는 key를 가지고 있다고 볼 수 있다.
자연조건에서 얻을 수 있는 외기냉수 냉방을 가장 최적화해서 운전될 수 있는 방법이 기존 냉각수 온도가 △T=5℃ 보다 변화를 준 △T=8℃ 경우가 훨씬 더 유리할 수 있다는 것을 입증하는 계기가 되었다.

4. 시스템별 초기 투자비 비교
시스템별 초기 투자비는 1안 대비 터보 냉각탑이 370,000천원, 냉각수 순환펌프가 325,000천원, 배관설치비가 460,000천원 절감되어 총 1,155,000천원이 절감되었으며, 9.1%의 절감율이 발생 되었다.

5. 시스템별 운전조건 및 운전시간 분석
1) 냉동기
냉동기 운전조건은 외기습구온도는 (1안) 29.1℃ ⇒ (2안) 29.1℃로 동일 적용 하였다.
냉동기의 전동기 동력은 냉각 효율을 향상 시키기 위해 5,420kW에서 6,080kW로 12% 용량을 증가 시겼다.
냉동기 운전시간(부분부하를 Full Load로 변환 결과) 분석결과 여름철(6~8월) 변화 없음, 간절기(3~5월/9~10월)는 176h(26%) 증가 되었으며, 겨울철(1~2월/11~12월)은 56h(500%)가 증가되어 총 233h(10.7%)가 증가 되었다.
냉동기 가동시간 증가 사유는 간절기, 동절기 기간 동안 외기 습구온도가 높아지면서 외기냉수냉방을 가동 할 수 없는 조건이 되면서 233h 만큼 냉동기를 가동하여 데이터 센터 냉방부하를 제거 하였다.
2) 외기냉수냉방(Free Cooling)
외기냉수냉방(Free Cooling) 냉각탑 운전시간 분석결과 외기냉수냉방(Free Cooling) 시간이 줄고, 냉동기 가동시간이 늘었지만 전기 소비량 기준으로 232h의 가동시간 절감이 발생하여 외기냉수냉방(Free Cooling) 운전비 48,000천원/년 절약이 가능한 것으로 분석 되었다.
냉각탑 외기습구온도 조건 변화는 (1안) 10.6℃ ⇒ (2안) 8.6℃로 적용하여 운영한 외기냉수냉방 연간 총 가동시간은 -8.7%(-233h) 감소하였으며, 외기냉수냉방 가동시간 감소 사유는 간절기 외기 습구온도가 높아지면서 외기냉수냉방 운전 조건이 안 되어 냉동기를 가동 할 수 밖에 없어서 10.7%(233h) 만큼 냉동기가 가동 되었다. 냉각탑 외기습구온도 조건을 (1안) 10.6℃에서 (2안) 8.6℃로 적용하면서 외기냉수냉방이 가능한 조건은 외기습구온도가 8.6℃까지 이다. 또한 고발열 서버진화(서버 최저 보증온도 구현)에 따른 2차측 부하율 감소도 원인으로 분석된다.
외기냉수냉방(Free cooling) 냉각탑 운전시간(부분부하를 Full Load로 변환 결과) 분석결과 여름철(6~8월)은 변화 없음, 간절기(3~5월/9~10월)는 177h(-26%) 절감되었으며, 겨울철(1~2월/11~12월)는 –57h(-2.8%)가 절감되어 총 232h(-8.7%) 절감되었다.

6. 전기사용량 분석
1) 동절기 외기냉수냉방(Free cooling) 동력비 절감
동절기 냉각탑 전기용량은 총 33%의 절감 효과를 보았다. 용량변화는 720W(10대)에서 480kW(10대)로 축소 되었다. 냉각수 펌프 전기용량은 총 20%의 감소 효과를 보았으며, 용량 변화는 2000kW(10대)에서 1600KW(10대)로 축소 되었다.
2) 하절기 정상운전 동력비 증가
하절기 정상운전 시 동력비는 총 12% 증가 하였으며, 용량 변화는 5420kW(10대)에서 6080kW(10대)로 축소 되었다. 그럼에도 불구하고 시스템별 총 전기 사용량은 총 5.7%(620kW)를 절감이 가능하였다. 동절기 외기냉수냉방(Free cooling)에서 총 640kW를 절감하였으며, 하절기 정상운전 시에는 냉동기 가동으로 총 20kW가 증가 되었다.

7. 경제성 비교분석
본 연구에서 외기냉수냉방(Free cooling) 시스템 적용시, 시스템별 장치 구성 분석, 외기습구온도(WB)에 따른 외기냉수냉방 가동 효율 분석, 냉각수 온도의 효율적인 운영조건 비교를 통한 경제성 분석으로 초기투자비는 총 9% 감소 되어 1,155,000천원의 절감효과가 분석되었으며, 운전비(전력비)는 총 2% 감소되어 연간 48,000천원이 절감되므로 총 15년간 사용시 예상 절감액은 약 700,000천원 이상 절감이 가능하다.
15년간 초기투자비 + 운전비의 경제성 분석결과 총 1,877,355천원의 비용절감을 가질 수 있는 것으로 증명되었다.

IT 장비의 발열로 인한 냉방에너지 소비의 증가와 안정된 시스템 운영을 위한 공조 시스템이 필요한 데이터 센터(IDC) 등 의 대형건물 냉각을 위한 구조상 지하층 냉동기, 열교환기에서 옥상에 있는 냉각탑까지 여러 종류의 많은 물량의 배관이 설치 되기 때문에 초기투자비, 운전비의 관계는 더욱 중요하다고 볼 수 있다.

8. 결 론
본 연구에서는 자연에너지(외기냉수냉방)를 이용 데이터 센터(IDC)의 고효율 장비에 대한 냉방 에너지 절약 및 운영비를 절감 할 수 있는 방법을 제안하였다.
외기냉수냉방(Free Cooling) 냉각탑 운전시간 분석결과 외기냉수냉방 시간이 줄고, 냉동기 가동시간이 늘었지만 전기 소비량 기준으로는 연간 48,000천원의 절감 효과가 발생하였다.
동절기 냉각탑 전기용량은 총 33%, 냉각수 펌프 전기용량은 총 20%의 절감 효과를 확인 할 수 있었다.

자연환경을 최대한 이용하자는 측면으로 냉각탑 용량도 키우고, 냉각탑 펌프도 키워야겠지만, 운전비 절감 차원으로는 용량을 줄이는 것은 당연하다. 왜냐하면 냉각수 펌프, 냉각탑 용량을 줄이므로서 갖게되는 효과가 크므로 데이터센터(IDC)는 냉수 온도차가 △T = 8℃로 사용되는 것이 바람직하다고 연구결과 나타낼 수 있다.

외기습구온도(WB)의 효율적 운영 조건 분석 결과 에너지절약 시스템 운용 방법은 다음과 같다.
간절기(Inter), 동절기(Winter) 외기습구온도(WB) 10℃ 이하 일 때 부하 대응은 Only Free Cooling(외기냉수냉방) 방식 운영이며, 간절기(Inter) 외기습구온도(WB) 10℃ ~ 18℃ 일 때 부하 대응은 MIX운전(냉각탑+냉동기 가동) 운영 방법이 적합하다고 분석 결과 나타낼 수 있다.

마지막으로 본 연구를 통해 얻어진 다양한 분석값들은 데이터센터의 냉방 시스템 설비를 설계하고 시공하는데 많은 활용이 될 것으로 판단되며, 자연에너지(외기냉수냉방)를 이용 데이터 센터의 고효율 장비에 대한 냉방 에너지 절약 및 운영비를 절감 할 수 있는 방법이 다양하게 이용되고, 활성화 되길 기대해 본다. 또한 차후 관련 국내 데이터 센터의 폐열을 회수하여 실험실과 사무실 및 지역난방 공급 등에 활용할 수 있는 방안도 필요하다 사료 된다.

Abstract

Economic Analysis of Data Center Cooling using Cooling Water Bypass Heat Exchanger of Cooling Tower


Kim, Young Cheol
(Supervisor Kim, Young Il)
Dept. of Built Environment and Building Service Eng.
Graduate School of Housing
Seoul National University of Science and Technology


This study aims to present a free cooling system using cooling water and cold water temperature difference for stable system operation due to IT equipment''s high heat generation due to rapid development of information system.

1. Proposed Purpose of Free Cooling System for Outdoor Air-Cooling
The purpose of the free cooling system is to efficiently manage the energy cost of the data center with the highest power consumption in Korea by using a cooling operation system that saves initial investment and operation costs by reducing the temperature difference between cooling water and cold water.

2. Changes in the supply temperature conditions of cold and cold water (△T=8℃ is more advantageous than △T=5℃)
Due to the development of high-heat servers in the data center, the minimum guaranteed temperature of the server has been implemented, resulting in a change in the load-side cold water supply temperature conditions as the device''s heat resistance temperature can withstand up to 60℃.
The existing load-side cold water supply temperature was 5°C to 10°C (△T=5°C) and cooling water temperature 32°C to 37°C (△T=5°C), but since 2021, it has been designed and operated at 20°C to 28°C (=T=8°C) and cooling water temperature 32°C to 39°C (△T△7°C).
Because cooling water is generally cooled using the latent heat of water evaporation, the humidity temperature, inlet and outlet temperatures of the outside air are key factors that determine the performance of the outside air cooling and cooling system
The water temperature at the outlet of the cooling tower is greatly influenced by the wet bulb temperature outside, so it is important to grasp the wet bulb temperature. Therefore, when selecting the location of the data center, it is important to closely analyze the annual outdoor humidity temperature weather data and install it in an area suitable for pre-cooling operation.

3. Effect of efficiency (reduction) of each system by changing the cold water supply temperature conditions
According to the analysis of the system''s configuration by reducing the unit efficiency of the cooling tower and the cooling water circulation pump, the cost can be reduced by 9.1% (1,155,000 won) and 2% (722,355,000 won/15 years) due to changes in the cold water supply temperature.
Although the operation time of outdoor cooling and cooling was reduced by -8.7% (-233h) due to the efficiency of the system''s device capacity, it can be analyzed and expressed which is advantageous. It can be seen that the device with high operation rate has a key to save energy.
The method that can be operated by optimizing the cooling of outdoor cold water obtained under natural conditions was an opportunity to prove that the case of △ T=8℃, where the existing cooling water temperature changed, could be much more advantageous than △ T=5℃.

4. Comparison of initial investment costs by system
The initial investment cost for each system was KRW 370,000 for turbo cooling tower, KRW 325,000 for cooling water circulation pump, and KRW 460,000 for pipe installation, resulting in a total reduction of KRW 1,155,000, and a 9.1% reduction.

5. Analysis of operating conditions and operating hours by system
1) a refrigerating machine
The operating conditions of the refrigerator were applied equally to the outside humidity port temperature of (inside 1) 29.1℃ ( (inside 2) 29.1℃.
The electric power of the refrigerator increased its capacity by 12% from 5,420 kW to 6,080 kW to improve cooling efficiency.
As a result of analyzing the refrigerator operation time (conversion of partial load to Full Load), there was no change in summer (June-August), 176h (26%) increased in the change of seasons (March-May/September-October), and 56h (500%) increased in winter (January-February/November-December), increasing a total of 233h (10.7%).
The reason for the increase in refrigerator operating time was that the outside humidity temperature increased during the change of season and winter, and the refrigerator was operated for 233h to remove the data center cooling load.
2) Free Cooling of Outdoor Air Cold Water
As a result of analyzing the operation time of the free cooling tower, it was analyzed that the operation time of the free cooling tower was reduced and the operation time of the refrigerator was increased, but it was possible to save 48,000 won/year by reducing the operation time of 232h based on electricity consumption.
The total annual operating time of outside air cold water cooling decreased by -8.7% (233h), and the reason for the decrease in outside air cold water cooling operating time was that the outside air cold water cooling operating conditions were not met during the change of season, so the freezer was operated by 10.7% (233h). The cooling tower''s outdoor humidity port temperature condition is applied from 10.6℃ (one plan) to 8.6℃ (one plan) and the outdoor air cold water cooling is possible is the outdoor humidity port temperature is up to 8.6℃. In addition, it is analyzed that the secondary load rate decreases due to the high-heat server evolution (implementation of the minimum guaranteed temperature of the server).
As a result of analyzing the operation time of the free cooling cooling tower (as a result of converting the partial load to Full Load), there was no change in summer (June-August), 177h (-26%) was reduced in the change of season (March-May/September-October), and -57h (-2.8%) was reduced in winter (January-February/November-December).

6. Analysis of electricity usage
1) Power cost reduction for free cooling of outside air and water during winter
The electric capacity of the cooling tower in winter showed a total saving of 33%. The capacity change was reduced from 720W (10 units) to 480 kW (10 units). The electric capacity of the cooling water pump decreased by 20%, and the capacity change was reduced from 2,000 kW (10 units) to 1,600 kW (10 units).
2) Increase in normal operating power costs in summer
During normal operation in summer, the power ratio increased by 12%, and the capacity change was reduced from 5,420 kW (10 units) to 6,080 kW (10 units). Nevertheless, the total electricity usage by system could be reduced by 5.7% (620 kW). A total of 640kW was reduced in free cooling outside in winter, and a total of 20kW was increased by operating the refrigerator during normal operation in summer.

7. Economic comparison and analysis
In this study, the initial investment cost was reduced by 9% by analyzing the configuration of each system, the operation efficiency of outside air cooling by WB, and the efficient operation conditions of cooling water temperature, and the operation cost (power cost) was reduced by 2%, so it is expected to be reduced by 48,000 won per year.
As a result of the economic analysis of initial investment and operating expenses for 15 years, it was proved that it could have a total cost reduction of 1,877,355,000 won.
The relationship between initial investment and operating cost is more important because many types of pipes are installed from underground refrigerators, heat exchangers to rooftop cooling towers due to the increase in cooling energy consumption of IT equipment and the cooling system for stable system operation.

8. Conclusion
In this study, a method to save cooling energy and reduce operating costs for high-efficiency equipment in a data center (IDC) using natural energy (outdoor air cold water cooling) was proposed.
As a result of analyzing the operation time of the free cooling tower, the operation time of the outside air cooling tower decreased and the operation time of the refrigerator increased, but the reduction of 48,000 won per year was achieved based on electricity consumption.
The electric capacity of the cooling tower in winter was 33% and the electric capacity of the coolant pump was 20%.

In order to make the most of the natural environment, it is necessary to increase the capacity of the cooling tower and increase the pump of the cooling tower, but it is natural to reduce the capacity to reduce operating costs. Because the effect of reducing the capacity of the cooling water pump and the cooling tower is great, the data center (IDC) is preferably used with a cold water temperature difference of △ T = 8°C.

As a result of analyzing the efficient operating conditions of the humidity chamber temperature (WB), the method of operating the energy saving system is as follows.
When the temperature of the outside humidity (WB) of Inter and Winter is below 10°C, the load response is only free cooling (outdoor cooling and cooling) method, and when the outside humidity temperature (WB) of Inter is 10°C to 18°C, the load response is suitable.

Finally, various analysis values obtained through this study are expected to be used to design and construct cooling system facilities in the data center, and various ways to save cooling energy and reduce operating costs for high-efficiency equipment in the data center are expected to be used and activated. In addition, it is necessary to collect waste heat from related domestic data centers and use it for laboratory, office, and district heating supply It''s going to be fed.