05.29
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[기고] Row 기반 냉방의 효용성한산씨엔에스

   
 
[컴퓨터월드] 에너지의 절감은 냉각 에너지 소비 수준에 의존하고 있다. 데이터 센터가 전체 에너지 소비의 절반을 소비한다는 점을 감안하면 데이터 센터의 효율적인 냉각 인프라가 얼마나 중요한지를 알 수 있다. 따라서 PUE 수준 향상의 첫걸음은 효율적인 냉각 생태계부터 시작해야 한다고 할 수 있다.

13가지 물음을 통해 데이터 센터의 냉방 효율성을 올리는 방안을 알아봤다. 또한 열(Row) 기반 냉각 시스템인 Liebert XD에 대해서도 알아봤다. Liebert XD는 열 기반 냉각을 최적화한 효율적이고 안정적인 솔루션으로 한산씨엔에스에서 공급하고 있다. <편집자 주, 자료제공 : 한산씨엔에스>


데이터 센터의 전형적인 에너지 소비 패턴은?

냉방장치의 소비전력은 일반적으로 IT 장비의 40% 부하를 처리하기 위해 약 30~40%의 에너지 소비 패턴을 보이고 있으며 전원 분배 및 기타 전기 계통에서 약 20%의 에너지 소비 패턴을 보이고 있다.

시장조사기관의 분석을 종합하면 전력의 70 ~ 80%가 1kW의 서버 전력을 공급하기 위해 열 폐기물로 발산된다. 이러한 과열은 핫스팟(Hot Spot)을 방지하기 위해 제거해야 한다. 각각의 IT 장비는 냉각된 공기를 받아 들여 폐열로 배출한다. 공기 조절 시스템을 통해 공기의 흐름을 효율적으로 유도하고 실내에서 배출해야 한다.

   
▲ <그림 1> Load Pattern


효율적인 냉각을 위해 필요한 요소는?

효율적인 냉각을 위해 필요한 주요 요인은 아래와 같다.

- 물리적 통합: 더 작은 공간에 높은 성능의 시스템을 통합
- 데이터 통합 ​​: 서로 다른 데이터 형식을 하나의 플랫폼에 통합

시간이 지나면서 발생하는 요인은 아래와 같다.

- 에너지 가격의 증가
- 서버의 증가
- 데이터 센터 성능 향상
- 증가하는 전력 밀도
- IT 공간의 점진적 임대료 상승


공기 흐름이 서버 방열과 일치하는가?

IT 장비 제조업체들은 에너지 효율을 극대화하기 위해 공기 흐름에 주목하고 있다. 그 결과 서버의 입구와 출구의 온도 차이가 계속 늘어나고 있다.

   
▲ <그림 2> Server air flow trend

<그림 2>에서 알 수 있듯이 2008년 이전까지는 서버단의 온도차가 10 ~ 15 ℃인데 이는 175 ~ 400 CMH / kW와 동일하다. 2010 년까지 온도차는 17 ~ 27 ℃로 이는 110 ~ 200 CMH / kW에 해당한다. 2020년까지는 75에서 150 CMH / kW로 격차가 더 벌어질 것으로 예상된다. IT 장비를 설계할 때 에너지 효율에 관심을 가져야 하는 이유이다.


하향 토출 냉각 방식(DownFlow) 사용시 IT 장비의 현대적인 설계에 어려움은 없는가?

하향 토출 냉각 시스템은 주변 냉각을 지원하기 위해 설계됐으며 개방형 아키텍처에서 공급되는 공기량은 비교적 높다는 것을 알 수 있다. 여분의 공기량은 실제로 데이터 센터의 PUE에 영향을 미치는 더 많은 에너지 소비를 의미한다.

   
▲ <그림 3> Traditional air flow system

다음은 이중 마루를 통한 공기 순환의 영향이다.

- CRAC와의 거리가 멀어지면 공기 압력이 감소한다.
- 뜨거운 공기와 차가운 공기가 서로 섞인다.
- 고밀도의 경우 일반적으로 랙의 상단 부분이 충분히 냉각되지 않는다.

그 결과 랙의 상단부위 냉각 부족으로 인해 서버 장애의 75 %가 발생한다.


IT 공간의 기류 설계 측면에서 주요 냉각 장치는?

공기 흐름을 제어하는 것은 다양한 냉각 시스템 설계 접근법의 주요 목표이다. 폐열을 효율적으로 제거하기 위해서는 ‘룸 기반 냉각시스템’과 ‘열 기반 냉각시스템’이라는 두 가지 기본적인 냉각 패턴이 있다.

1) 룸 기반 냉각 시스템
룸 지향 아키텍처에서 하나 이상의 냉각 장치가 냉기를 이중 마루 또는 이중 마루 없이 공급하고 직접 고온 리턴 또는 리턴 공기 덕트를 통해 회수된다. 또한 냉방/ 열기 통로 배치는 더 큰 기술적 공간 냉각을 위해 선호된다.

룸 기반 냉각 시스템에는 천장 높이, 룸 모양, 랙 배치 및 IT 부하 분산과 같은 고유한 제약이 거의 없다. 열 밀도가 증가하는 넓은 공간에 대한 CFD 분석은 룸 기반 냉각 시스템이 배치되는 동안 종종 핫스팟 생성을 보여주기도 한다.

   
▲ <그림 4> Room & Row Cooling Architecture

2) 열(Row) 기반 냉각 시스템
냉각 장치는 공기 흐름 경로가 더 짧고 명확하게 정의된 IT 랙 사이에 위치하고 있다. 조정 가능한 배플 설계로 인해 공기 흐름의 방향은 하중 배치에 따라 달라질 수 있다. 이 시스템은 정격 용량 활용도와 함께 IT 랙의 높은 전력 밀도를 처리하는 데 매우 유용하다.

냉각 성능 외에도 공기 흐름 경로를 줄이면 실제로 냉각 장치의 팬 전력 소비가 최적화되어 설비PUE가 증가한다. 열(Row) 기반 설계는 특정 전력 밀도를 처리하도록 설계 될 수 있다. 이 시스템에서 공간이 확보된 이중마루 바닥은 더 이상 필요 없으며 냉기 통로의 내부 배치로 통합 될 수 있다.


룸 및 열(Row) 냉각 아키텍처의 선택?

대부분의 사용자는 룸(Room) 또는 열(Row) 냉각 아키텍처를 설계하는 동안 냉각 장치가 IT 부하를 100% 처리한다고 가정한다. 그러나 이는 사실이 아니다. 실제 용량의 비율은 실제 세계에서 얻을 수 있으므로 ‘사용 가능 용량’ 이라고 하는게 맞다.

   
▲ <그림 5> Usable capacity as function of avg rack density

<그림 5>는 랙 전력 밀도의 함수로서 실내 및 열 냉각 아키텍처에서 사용 가능 용량이 어떻게 다른지 보여주고 있다. 룸 지향 아키텍처의 사용 가능한 용량은 모든 용량이 룸 수준에서 공유 될 수 있기 때문에 밀도가 낮은 공간에서도 냉방이 100% 사용되는 경향이 있다.

그러나 랙 전력 밀도가 5kW / 랙 이상으로 높아지면 사용 패턴은 크게 달라진다. 이중 마루 배기구에서 더 높은 밀도의 찬 공기가 나오면 실제로 아래에서부터 전체 고밀도 랙의 60%까지만 폐열을 제거하고 리턴 공기와 혼합되어 냉기를 잃어 버리게 된다. 요구되는 랙 수준에서 최적의 공기량을 전달할 수 없기 때문에 용량이 손실돼 핫스팟(Hotspot)의 발생을 초래하게 되는 것이다.

반면 초과 용량의 설계가 초과 전력 소비, PUE 저하의 원인이 되기도 한다. 아래 그림은 가장 넓은 범위의 랙 전력 밀도에서 열(Row) 기반 냉각 아키텍처를 통해 사용할 수 있는 가장 높은 가용 용량을 보여주고 있다. 이는 냉각 장치를 IT 부하에 더 가깝게 배치하기 때문에 가능하다. 열(Row) 기반 아키텍처에 의해 룸 용량의 약 3배를 사용할 수 있다. 그러나 사용 가능 용량은 매우 낮은 밀도의 랙에서는 줄어들게 된다. 냉방 장치는 저밀도가 되는 것과 상관없이 모든 열(Row)에 대해 설계되어야 하기 때문이다.

   
 

높은 밀도의 경우, 열(Row) 기반 아키텍처 및 최적의 설계로 에너지 소비를 절약, PUE를 향상시킬 수 있다.


효율적인 냉각을 위해 고려해야 할 요소는?

- 핫스팟에 중점
- 데이터 센터 전체가 아닌 서버 냉각
- 뜨거운 공기와 차가운 공기의 분리 유지
- 14 ~ 17 °C 대신 냉기 온도를 22 ~ 26 °C로 유지
- 최적의 차가운 냉기 전달을 갖춘 설계
- 컨테인먼트, 프리쿨링 등의 에너지 효율적인 대안 고려


In-Row 솔루션 배치의 이점은?

데이터 센터 냉각 아키텍처는 냉각 방식, 랙 전력 밀도 및 랙 배치에 따라 달라진다. 설계시 검토 및 분석해야할 사항은 다음과 같다.

a) 적절한 열을 생성하고 랙 밀도가 5kW / 랙 이상인 경우 냉각 장치가 열원에 최적의 공기를 공급할 수 있는 열(Row) 지향 아키텍처로 이동하는 것이 좋다.
b) 배출원에 대한 접근성과 공기 흐름 관리가 향상돼 송풍기 전력 소비가 줄어들게 된다.
c) 이중마루 설계를 지향할 필요는 없다.
d) IT부하 증가시 더 많은 유닛을 추가 할 수 있으므로 룸 기반 시스템보다 유연하다.
e )빠른 배치는 열 기반 냉각 아키텍처를 선택하는 또 다른 이유이다.

열(Row) 기반 시스템을 구현하는 방법 및 시기를 선택하는 것은 매우 중요한 일이다. 열(Row) 기반 아키텍처는 고밀도 어플리케이션에서 신속하게 배치될 수 있고 핫스팟 냉각이 필요한 고밀도 랙에 최적화 되어 있다.


열(Row) 기반이 시스템 가용성 측면에서 룸 방식보다 나은 이유는?

‘가용성’은 데이터 센터의 냉각 관련해 가장 까다로운 문제라 할 수 있다. 다음 내용은 문제 해결에 도움을 주는 다양한 냉각 아키텍처의 효율성을 보여주고 있다.

a) 열 기반 솔루션은 사전 설계된 별도 구성 품이 사용될 때까지 공급 및 환기 공기가 혼합되는 룸 지향 시스템과 달리 열원과 밀접하게 결합되므로 핫스팟을 더 잘 제거할 수 있다.
b) 열(Row) 기반 시스템은 높은 리턴 공기 온도에서 작동하기 때문에 룸 기반 시스템이 혼합 리턴 공기로 인해 응축 및 가습으로 이어지는 불필요한 에너지 낭비를 줄일 수 있다.


열(Row) 기반 설계에서 이중화가 문제가 될 수 있는지?

사고 발생시에도 데이터 센터를 중단 없이 운영하고 시스템의 원활한 유지보수를 위해서는 중복 패턴이 계층 분류에 따라 다르기는 하지만 공조 시스템의 이중화가 필요하다. 열(Row) 지향 아키텍처에서 중복성은 열(Row)에 따라 설계되며 N + 1 열(Row) 냉각 장치가 필요하다.

그러나 이러한 방식의 설계는 1-2 kW 이하의 밀도에서는 단점을 갖고 있다. 낮은 밀도의 경우 냉방기의 냉각 용량에 비해 부하가 현저히 낮다. 저밀도 상황에서의 이러한 단점은 고밀도 상황에서는 반대로 장점으로 작용한다. 냉각 장치가 거의 없는 고밀도 상황에서 이중화를 제공하는 것은 열(Row) 지향 아키텍처의 주요 이점이며 상당한 TCO 이점을 제공한다. 이 아키텍처는 ‘필요할 때만 냉각기를 추가하면 된다’는 것으로 비용 효율적이라는 의미이다.


두 개 이상의 인접한 랙에 냉방을 할 수 있는가?

랙의 밀도 및 설치된 냉각 장치의 용량에 따라 달라지게 된다. 이중 공기 흐름 설계의Liebert CRV 장치로 가능하다고 할 수 있다. 조절식 배플의 도움으로 양쪽 또는 양쪽에 배치 된 랙을 냉각 할 수 있다.

방향조절이 가능한 배플 제품을 설계해 일상적인 어플리케이션에서 최고 수준의 효율성과 신뢰성을 발휘할 수 있다. 조절식 배플은 차가운 공기의 흐름을 가장 필요한 곳으로 향하게 하여 효율성을 높이고 장비를 보호할 수 있도록 한다.


Liebert In-Row 항온항습기는 어떤 방법으로 열(Row) 지향 솔루션을 설계하는가?

데이터 센터 열 관리 분야의 글로벌 리더인 Network Power는 열(Row) 기반 냉각 시스템인 Liebert XD 라인을 2003년에 최초로 출시했다. 이후 Liebert는 열 기반 냉각을 최적화해 효율적이고 안정적인 솔루션 인 Liebert CRV ™를 개발하게 됐다. 열 기반 냉각 솔루션 Liebert CRV는 공냉식 및 냉수식 버전으로 제공된다.

DX & Chilled Water 버전은 300mm 및 600mm 폭의 제품으로 구성돼 있다. 공랭식/ 냉수식 버전은 전체 범위가 11kW ~ 60kW이지만 DX 버전은 35kW까지 사용할 수 있다. 공랭식 버전의 내장형 가변 용량 컴프레서와 EC 팬을 통해 CRV는 부분 부하 시나리오뿐만 아니라 전체 부하에서도 최고의 효율을 제공한다.

전자식 팽창변(EEV), 히터& 가습기, 응축수 펌프, 에어 배플 및 지능형 컨트롤러 등 기타 액세서리는 CRV 시리즈를 다른 브랜드에 비해 훨씬 더 지능화하고 응용할 수 있는 제품으로 만들어준다. Liebert CRV의 주요 특징은 다음과 같다.

- IT 장비에 최적화 : 열원에 가깝게 배치 된 통합형 조절 식 공기 배플로 공기 흐름을 열 부하 방향으로 유도한다.
- 안전성: Liebert CRV는 서버가 항상 적절한 온도, 습도 및 공기 필터링을 유지할 수 있도록 해준다.
- 효율성: 인버터 스크롤 압축기, EC Fan 그리고 전자식 팽창변과 같은 최신의 고효율 기술을 사용한다.


열(Row) 기반솔루션에서 차이를 가져오는 것은 어떤 제어 메커니즘인가?

Liebert의 지능형 컨트롤러(PACC) Liebert CRV 시스템은 토출 온도 센서, 랙 센서 또는 리턴 온도 센서의 데이터를 기반으로 냉각 작동을 제어하는 옵션을 제공한다. 유닛이 다른 Liebert CRV 장치와 나란히 배치되든 수용 설계에 배치되든 그다지 중요하지 않다.

또한 Liebert CRV 시스템은 팬 속도를 용량에서 분리해 서버가 필요로 하는 것(즉, 더 많은 기류, 더 낮은 온도 또는 자동으로)을 수신할 수 있도록 하는 유일한 열(Row) 기반 솔루션이다. 서버 작동이 변경될 때 서버 열 부하 및 공기 흐름을 독립적으로 일치시키는 6가지 제어 모드를 기본으로 제공한다. 

   
 


결론

기존 룸 지향 접근 방식은 저밀도 설치 및 IT 기술 변경이 최소화 된 응용 프로그램에 대한 효과적이고 실용적인 대안으로 남아 있다.
하지만 열(Row) 지향 냉각 아키텍처는 차세대 데이터 센터에 필요한 유연성, 확장성, TCO 감소 및 최적의 가용성을 제공한다. 열(Row) 지향 아키텍처는 고밀도 및 가변 밀도 요구 사항, 특히 랙 당 5kW 이상의 열 밀도에서 높은 가용성을 제공한다.

   
▲ Liebert CRV
Liebert CRV의 주요 특징

1. 컴팩트한 사이즈로 낮은 점유 면적
2. 최대10-12 kW까지의 고밀도 랙 부하 처리가능
3. 전체 부하뿐만 아니라 부분 부하에서도 탁월한 효율성
4. 이중 마루 유무에 관계없이 설치 가능한 유연성
5. 가변 용량 (인버터 스크롤 컴프레서, EEV)
6. 가변 풍량 제어 기술(EC Fan)
7. 습도 조절이 가능한 가습기 선택 가능
8. 공랭식 및 냉수식 모델 이용 가능
9. 친환경 냉매가 포함된 공랭식 타입 (R410a)
10. 엔터프라이즈 급의 광범위한 팀웍 모드 지원

 

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