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커버스토리

데이터센터 에너지효율 향상 ‘프리쿨링’ 확대 공감대 형성

RE100·EGS 트랜드…DC 고효율화 앞당겨
연중 냉방부하 필요 DC, PUE 낮추기 급선무
프리쿨링 극대화, Adiabatic cooling기술 접목




데이터센터(DC: Data Center)는 ICT장비를 건물·공간에 집결시키고 IT서비스 제공에 필요한 장비를 통합·관리해 24시간 365일 무중단으로 안정적인 서비스를 제공할 수 있도록 하는 시설을 말한다. 


또한 초연결 지능화사회의 IT 서비스 제공 및 이용을 위한 필수 기반시설로 우리 생활에서 발생되는 수많은 데이터의 저장·처리·유통을 담당하고 있다.

 

미래 데이터센터는 Cloud Computing을 위한 하이퍼스케일 데이터센터와 Edge Computing을 위한 엣지(마이크로) 데이터센터로 이분화될 것으로 전망된다. 


국내 사업자 데이터센터(상업용) 현황을 보면 2022년까지 서울에 △KT 5개 △LG U+ 4개 △SK브로드밴드 2개 △기타 6개 등 총 17개가, 경기도에는 △KT 1개 △LG U+ 1개 △SK브로드밴드 1개 △기타 12개 등 총 17개, 기타 지방에는 총 4개 등 36개의 데이터센터가 건립돼 있다.

 

2027년까지 약 34개의 신규 상업용 데이터센터 구축 프로젝트가 추진 및 계획 중이며 신규 프로젝트로 인한 투자액은 약 14조원 이상이 될 것으로 전망된다. 


데이터센터효율협회의 관계자는 “한국 클라우드 시장잠재력이 가장 큰 국가 중 하나로 글로벌 및 국내 CSP시장 확대를 위한 데이터센터 확보가 활발하며 한국의 인공지능(AI) 및 빅데이터시장은 빠르게 성장 중이어서 데이터 트래픽도 꾸준히 증가할 것”이라며 “2021년 기준 국내 상업용 데이터센터의 연간 전력사용량은 약 4,808GWh로 추정되며 데이터센터 구축 및 이용 증가에 따라 전력사용량은 더욱 증가할 것”이라고 전망했다.

 

전 세계적으로 데이터센터에 대한 탄소중립을 강하게 요구하고 있어 지속가능한 데이터센터를 위해 환경친환적인 센터 구축·운영을 통해 환경에 미치는 영향을 최소화해야 한다. 


특히 ESG는 기업의 환경, 사회, 지배구조책임을 강화하는 전 세계적 움직임으로 데이터센터의 ESG평가는 어떻게 관리·운영하는지가 핵심이 될 것으로 예상된다. 결국 데이터센터의 에너지효율을 향상시켜 PUE를 얼마나 낮출 수 있는지가 관건이 될 전망이다. 




프리쿨링이란 

데이터센터는 연중 냉방부하가 발생하기 때문에 에너지사용량을 최소화하고 PUE(Power Usage Effectiveness)를 낮추는 것이 가장 급선무이다. 특히 IT기술들의 발달, 사용량 증가 등의 이유로 데이터센터는 매년 급격하게 규모가 커지고 있으며 점차 뜨거워지고 있다. 이러한 증가는 IT장비에서 처리해야 하는 일이 많아지기 때문에 각 장비들에서 발생하는 발열량도 그 만큼 증가할 수밖에 없다. 


증가하는 발열량을 냉각하기 위해 많은 양의 전력이 사용되고 있으며 데이터센터 운영의 약 31%가 공조에 사용되고 있는 전력량이다. 데이터센터에서 발생하는 막대한 전력을 줄이기 위해, 큰 발열을 해결하기 위해서 데이터센터에서는 프리쿨링(Free cooling) 냉동기를 적용하고 있다. 


프리쿨링 냉동기는 겨울철 외기온도가 낮을 경우 압축기를 운전하지 않고 낮은 외기온도와 냉수의 열교환을 통해 냉방부하를 처리할 수 있어 에너지 사용량을 최소화할 수 있다. 


프리쿨링이란 동절기와 같은 낮은 외부의 공기온도를 사용해 냉각수를 냉각시키는 경제적인 방법이다. 냉각이 필요한 조건에서 외기온도가 낮다면 냉동기를 가동하지 않고 자연에 의해 냉각하는 방법이다. 프리쿨링 냉동기는 공랭식 냉동기에 별도로 내부 순환이 가능한 열교환기를 설치해 외기온도가 낮을 때 냉동기 사용없이 내부 순환으로 냉수를 공급하고 외기온도가 높을 때 냉동기를 가동해 냉수를 공급하는 냉동기를 말한다. 


Free라는 말에 걸맞게 겨울철 프리쿨링 냉동기의 사용되는 전력량은 여름철대비 굉장히 절약되며 설치되는 지역의 온도조건에 따라 절감 효과는 더욱 부각된다.


프리쿨링 냉동기는 응축기에 프리쿨링 코일이 설치돼 냉각탑이나 이코노마이저 열교환기 없이 외기를 이용한 프리쿨링 운전이 가능한 공랭식 냉동기를 말하며 보통 압축비가 넓은 스크류 압축기를 사용한다. 이중 공랭식 프리쿨링 냉동기는 프리쿨링 코일이 설치된 냉동기가 외기온도에 따라 기계식 냉방과 외기를 이용한 프리쿨링 운전모드를 자동으로 변환한다.

 

프리쿨링 냉동기는 차가운 외기와 냉각이 매칭이 잘 안되는 일반 건물보다는 겨울에도 열부하를 냉각해줘야 하는 산업프로세스 및 특수공조분야에 많이 사용되는 냉동기다. 결국 365일 24시간 냉각부하가 필요한 데이터센터에 특히 더 중요한 요소라고 할 수 있으며 Gartner는 2013년 데이터센터시장에서 프리쿨링 냉동기의 시장성을 우수하게 판단한 바 있다. 

 

해외에서는 이미 2010년 초부터 프리쿨링 냉동기를 데이터센터의 냉원으로 선택해 사용하기 시작했으며 프리쿨링 효과 극대화를 위해 Adiabatic cooling 기술을 접목하고 있다. Adiabatic cooling은 물의 증발잠열을 이용해 냉방을 돕는 기술로 에너지절약기술 중 하나이며 물의 증발로 인해 일반적인 공랭식 냉동기 기준 약 30%의 에너지절감 효과가 있는 것으로 알려지고 있다. 


냉수의 설계온도변화 측면에서도 불과 몇 년전까지만 해도 저온냉수인 7~12℃의 공급이 일반화됐지만 최근에는 프리쿨링 능력 극대화 및 FWU 시스템 등의 도입이 데이터센터에서 트렌드화되며 고온냉수인 18~22℃의 공급 설계가 주를 이루고 있다. 

 

친환경 측면에서 보면 세계적으로 HFO냉매로 전환 부분에 대한 규제 및 요구 사항이 증가하고 있다. 이에 따라 기존에 일반적으로 많이 적용되는 R134a뿐만 아니라 GWP가 낮은 R1234ze, R513a 등 다양한 친환경 냉매의 적용이 이뤄지고 있다. 또한 프리쿨링 냉동기에서 동파방지를 위해 필연적으로 적용되는 부동액 사용을 최소화하기 위해 비부동액 방식 등 다양한 친환경기술이 개발 및 적용되고 있다.





RE100·ESG, 프리쿨링 역할 강화 

국내외 유명 기업들을 필두로 RE100 움직임이 활발하게 이뤄지고 있다. RE100은 재생에너지를 뜻하는 Renewable Energy와 100%를 합친 용어로 사용되는 모든 전력을 신재생에너지로 사용하겠다는 자발적인 글로벌 캠페인이다. 


세계적으로 많은 소비자들은 온실가스를 대량으로 배출하는 기업의 사회적 책임을 묻기 시작했으며 투자기관 등도 ESG를 비롯해 기업의 기후위기 대응을 중점적으로 다루기 시작했다. 이는 데이터센터에서 사용되는 전력도 포함되기 때문에 앞으로 데이터센터는 고효율, 고집적 시스템을 구성하기 위한 방향으로 나아가야 한다. 


최근 업계 경향은 냉복도의 온도를 25℃ 이상으로 높게 유지해 냉각시스템 효율을 극대화하는 것이 추세다. 데이터센터를 설계할 경우 반드시 프리쿨링이 적용하되 단순하고 신뢰성있는 프리쿨링 운전변환이 가능한 프리쿨링 냉동기가 데이터센터에 적용돼야 한다. 

 

서울시의 경우 일반적인 데이터센터의 설계조건에서 프리쿨링이 가능한 시간은 연중 작동시간의 84%에 달한다. 프리쿨링 냉동기 적용이 냉각시스템운영에 있어 더 효율적이라는 얘기다. 그런 만큼 설계단계에서 프리쿨링 적용이 반드시 고려돼야 한다.

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