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[특별기고] 데이터센터 프리쿨링 칠러의 경제성

외기간접냉수냉각방식 프리쿨링
공랭식대비 압축기 동력 최소화
평균 TER 12.36…연간 효율 ‘월등’

이제는 잠시도 핸드폰을 손에서 놓지 못하는 시대가 됐다. OTT, SNS가 필수가 됐으며 코로나19 시대에 들어 현대인은 더욱 핸드폰에 매달리게 됐다. 우리가 무수히 주고받는 통신과 찍는 사진이 클라우드 서버에 저장되고 있다. 핸드폰을 유지하기 위해 보조배터리를 몇개씩 휴대하기도 한다. 핸드폰을 예로 들었지만 앞으로 수많은 영역에서 폭증하는 데이터량에 따라 에너지를 쓸 일은 넘쳐난다.

1900년대 미국 금주령처럼 핸드폰과 OTT를 금지할 수는 없는 상황 속에서 탄소배출권, 탄소세, REC 등 익숙지 않은 단어들이 등장하고 있다. 이는 탄소중립으로 한발 전진하기 위한 발걸음을 가볍게 하자는 취지다. 현대인들은 탄소중립이라는 단어에 익숙해졌다.

인류는 먼 옛날의 퇴적물이 변해 만들어진 석탄, 석유를 산업혁명 이후 캐내 사용해 왔다. 발전기관, 자동차 등의 내연기관은 이러한 화석연료를 연소하며 그 결과 생성된 이산화탄소 등이 대기로 뿜어져 온실효과를 유발한다. 온실가스는 에너지를 쉽게 흡수하는 안정화된 기체로 지구에 심각한 문제를 야기할 수 있음은 이미 과학적으로 입증된 사실이다. 이제는 어떻게 지구 대기의 온실가스를 더 늘리지 않을 수 있는지 방법에 집중할 때다.

데이터센터 냉방설비의 요건
이미 많은 에너지를 소비하고 있으며 앞으로도 더 많은 에너지를 투입해야 할 것으로 예상되는 데이터센터(IDC: Internet DataCenter)에서 운용하는 냉동기는 365일 24시간 운전돼야 한다. 또한 단위면적당 냉방부하가 일반건축물 부하대비 훨씬 높다. 설비의 신뢰도와 더불어 에너지효율성이 선택요소다.

여기에 두가지 방법이 주목받고 있다. 외기직접냉방과 외기간접냉수냉각방식이다. 이중 외기간접냉수냉각방식에 대해 중점적으로 언급코자 한다. 이는 외기를 이용해 냉수를 외기와 간접적으로 열교환한 후 냉각에 사용한다는 것으로 줄여서 프리쿨링 냉동이라고도 한다.

이 방식의 기원은 유럽에서 시작했으며 ASHRAE는 워터사이드 이코노마이저(Water Side Economizer)라고 칭한다. 과거 워터사이드 이코노마이저는 쿨링타워를 이용한 간접냉각방식을 의미했지만 유럽인들의 아이디어로 공랭식 프리쿨링칠러가 탄생했다.



프리쿨링 칠러의 구조와 작동원리
HVAC분야에서 ‘프리’라는 단어가 자주 등장하는데 이번에 언급할 프리쿨링은 ‘공짜’와 ‘없다’라는 의미를 가진 ‘Free-Cooling’이다. 프리쿨링 칠러는 외기를 이용해 압축기사용을 줄여 일정 온도 이하에서 에너지사용을 줄인다는 의미다.

프리쿨링 칠러는 구조 상 필연적으로 공랭식이어야 한다. 프리쿨링 칠러의 외관은 공랭식 칠러와 동일하다. 외기를 이용한 냉각시스템이므로 사실상 공랭식이 효율적이다. 공랭식 칠러의 장점은 설비와의 간결화, 공간절약이다.

간단히 살펴보면 수랭식은 필연적으로 냉각탑이 필요하므로 냉각탑과 냉각수를 이송하기 위한 냉각수 펌프도 설치돼야 하지만 공랭식은 냉각탑과 냉각수 펌프가 필요없다.

프리쿨링 칠러는 외관상 응축기 코일외부에 프리쿨링 코일이 위치한다. 건물에서 돌아오는 저온의 냉수는 우선 외부온도에 따라 프리쿨링 코일을 거쳐 증발기로 들어온다. 냉동기의 소비동력 중 90% 이상이 압축기의 동력이므로 외부온도가 충분히 낮으면 압축기 사용량은 ‘0’이 될 수도 있다.

최근 데이터센터의 사용온도가 상향되면서 냉수 출구온도도 상승하고 있다. 이에 따라 프리쿨링 사용범위가 확대됐다. 일반적으로 건물에서 돌아오는 리턴냉수 온도보다 외기가 2℃ 낮은 시점부터 프리쿨링 가동이 시작된다. 프리쿨링 칠러의 장점은 압축기와 프리쿨링이 동시에 가능하다는 점이다.

예를 들어 현재 냉수 출구 세팅 18℃, 냉수 입구온도 26℃를 유지하는 프리쿨링 냉동기가 있다고 하자. 이때 외기가 간절기 15℃라면 리턴 냉수온도(26℃)-2℃인 외기 24℃부터 프리쿨링이 작동하고 있는 것이며 이미 압축기의 가동을 프리쿨링 코일이 대체하게 된다.

그렇다면 100% 프리쿨링은 외기 몇 ℃부터 가능할까. 이는 제조사와 모델에 따라 차이가 있다. 당연하지만 응축기 코일 외부에 프리쿨링 코일이 있고 응축기 송풍기의 압력강하를 최소화하는 조건에서 프리쿨링 코일의 Row 수가 설계된다. 이탈리아 Aermec의 프리쿨링 칠러 TBA는 7℃ 이하 외기에서 압축기 동력은 ‘0’이 된다.

에너지측면에서 보면 상당히 고무적인 수치다. 냉각탑을 이용한 외기냉수냉방은 동일한 결과가 도출되기 어렵다. 일반적인 공조열원 구성에 있어 냉동기와 냉각탑의 운용 대수가 다르기 때문에 공랭식 프리쿨링 냉동기처럼 액티브한 제어가 어렵다.

또한 수랭식 냉동기는 실내에 설치되므로 실외온도를 감지하기 위한 센싱시스템과 밸브제어, 펌프제어가 따라 줘야 한다. 공랭식 프리쿨링 냉동기는 모든 프로세스를 각기 독립적으로 운전하게 되므로 온도반응 속도가 월등하다.



공랭식 프리쿨링 칠러의 경제성
모든 경제성 분석은 정확한 데이터와 합리적 근거와 고찰이 필요하다. 보다 정확한 분석을 위해 Aermec의 ACE S/W를 사용했다. ACE S/W는 이러한 목적에 가장 부합한 공학적인 접근방법이다. 아직 비교대상이 공랭식 칠러만 가능하다는 한계가 있지만 2022년 수랭식 설비와의 비교가 가능토록 업그레이드 예정이라고 하니 기대해도 좋은 훌륭한 엔지니어링 툴이다.

ACE는 건물 냉방부하를 예측하는 목적으로 사용하지는 않는다. 이미 산정된 냉방부하에 따라 적절한 모델과 대수를 입력한 후 운전방법을 선택해야 한다. 냉동기 대수제어 냉동기의 차순 운전부하 %를 정하는 것이다.

쉽게 말해 한 대의 냉동기는 100% 운전 후 다음 냉동기를 순차 기동하는 방식이 있을 수 있고 냉동기가 80% 능력에 도달 시 다음 냉동기를 기동하는 방식 등이 있을 것이다. 이 정도의 정보와 외기조건(ASHRAE Weather Data 사용) 입력이면 어느 정도 기초데이터는 입력이 끝나게 된다.



ACE 시뮬레이션의 가장 큰 장점은 특정 프리쿨링 칠러모델의 연간운전비를 실제 냉동기 운영에 매우 근접한 방법으로 예측할 수 있다는 점이다.

데이터센터 부하는 일반건축물의 공조부하와는 다른 특성이 있다. 계절적인 외기부하의 변동이 적다. 외기온도와 모드 작동시간 그래프를 보면 X축은 온도의 선형축이며 Y축 좌측은 에너지 동력, Y축 우측은 냉방능력이다.

즉 연중 필요한 냉방에너지는 일정하고 외기온도에 따라 프리쿨링과 압축기 사용모드가 표시된다. 여기서 압축기와 프리쿨링이 공존하는 특이한 구역을 발견할 수 있다. 이 부분이 프리쿨링 냉동기가 우월한 점이다. 터보와 냉각탑의 어떠한 조합도 프리쿨링과 압축기를 동시 작동하지는 못한다.

10월 어느날 아침 외기조건이 17℃라면 시간의 흐름에 따라 18℃ 외기조건에서 절반은 압축기, 절반은 프리쿨링이 된다. 외기 24℃까지 점차 프리쿨링이 줄다가 25℃부터는 100% 압축기 모드 운전이 되는 것이다. 이렇듯 공랭식 프리쿨링 칠러의 최대 장점은 프리쿨링 가동률이 굉장히 유연하게 작동한다는 점이다. 이를 도식화한 그래프에서 주목할 점은 무더위 중에도 프리쿨링 가능조건이 존재한다는 사실이다.



압축기 사용 시와 프리쿨링 사용을 감안한 전체 효율을 살펴보면 연간 에너지총량과 투입에너지 총합인 평균TER은 12.36이다. 이 수치는 어떠한 수랭식 및 수랭식 프리쿨링의 연간 효율보다 월등히 높은 수치다.

이를 터보냉동기 COP와 비교할 수 있으나 제조사에서 제공하는 IPLV(부분부하효율)가 TER과 다르다는 점을 유념해야 한다. IPLV는 부하율을 가중한 연간 효율값인 것은 맞지만 AHRI의 IPLV는 부하율에 따라 냉수의 입·출구 온도가 다르다. 데이터센터의 냉방부하는 연중 큰 차이가 없으므로 입·출구 온도차는 큰 차이가 없어야 한다. 이에 따라 제조사에서 제공하는 IPLV는 여기서 고려대상이 되지 않는다.




<김종헌 MTES 대표>