1. 개요

 

에너지 절감형 데이터 센터 설계는 정보 기술(IT) 시스템 범주와 관련된 환경적 조건, 데이터 센터의 실내 공기 관리, 냉방 및 전기 시스템, 현장 발전, 열 반환 등의 분야를 포괄한다. IT 시스템 에너지 효율과 환경 조건이 선결되어야 하는데, 이들 분야에서 취해지는 조치들은 기계 및 전기 시스템에 대한 이차적 에너지 절감이라는 파급 효과를 지니기 때문이다. 데이터 센터는 표준 사무실 공간보다 100-200배의 전기를 소모한다. 이처럼 전기 소비량이 크기 때문에, 센터는 비용과 전기 사용을 줄일 수 있는 에너지 절감형 설계가 중요하다.

 

2. 정보 기술(IT) 시스템

 

고도의 효율적인 냉방 장치를 갖춘 전형적인 데이터 센터의 경우, IT 장비를 효율적으로 사용할 경우, 시스템 냉각 장비의 규모를 축소할 수 있다. 최선의 방법은 에너지 절감형 프로세서, 냉각 팬, 전원 장치가 구축된 서버와 고효율 네트워크 장비의 구입, 저장/기억 장치와 전원장치의 통합, 그리고 가상화 시스템 구현이다.

 

2-1) 에너지 절감형 서버

 

랙 서버는 에너지 소비의 주범으로, 전형적인 데이터 센터의 IT 에너지 부하의 상당 부분을 차지하는 경향이 있다. 대다수 서버는 운영 시간 대부분에 걸쳐 20% 이하의 이용률로 가동되지만, 작업을 처리하면서 전체 전력을 모두 소비한다.

서버를 새로 구입할 계획이라면, 속도 가변형 냉각 팬이 부착된 제품을 권장한다. 속도 가변형 냉각 팬이 장착된 서버는 다소 느린 운영 하에서도 충분한 냉각 성능을 발휘하여 그 만큼 에너지를 덜 소모하게 된다.

 

쓰로틀 다운(Throttle Down)이라는 드라이브는 유휴 상태의 프로세서의 에너지 소비량을 줄이기 위해 고안된 장치로, 서버가 평상시 20%의 이용률로 가동 중일 때에도 전체 전력을 끌어 내지 않는 기능을 제공한다. 서버의 전력 유입은 서버에 “전력 사이클(power cycle)” 소프트웨어를 설치해서도 조절이 가능하다. 전력 수요가 낮을 때에는 소프트웨어가 랙에 장착된 개별 장치들이 전력 소모를 낮추도록 유도한다.

 

멀티-코어 프로세서 칩은 다중 작업의 동시 처리를 허용하여 두 가지 측면에서 고 효율성을 확보할 수 있다. 첫째, 싱글-코어 프로세서와 비교했을 때 동일한 전력 및 냉각 처리 부하 내에서의 성능 개선이 보장된다는 것이다. 둘째, 멀티-코어 프로세서는 싱글 프로세서 코어 상부에 공유된 장치들을 통합한다는 점이다. 모든 어플리케이션이 다중-코어 프로세서의 이점을 활용할 수 있는 성능을 갖추고 있는 것은 아니다. 각 서버에 대해서 별도로 전원을 제공하는 대신 각 서버 랙에 전력을 한꺼번에 공급하는 통합 랙 탑재형 전력 공급 방식도 검토해볼 만하다.

 

2-2) 저장 장치

 

전력 소모는 사용되는 저장 모듈의 숫자에 비례한다.

저장 장치 드라이브를 네트워크 부착 저장 장치(Network Attached Storage)나 저장 영역 네트워크(Storage Area Network)로 통합하는 것은 항시 이용이 가능해야 할 필요성이 없는 데이터를 취해서 오프라인으로 전송하는 두 가지 단계로 구성된다. 오프라인에서 취할 수 없는 데이터의 경우에는 기존의 저장 매체를 씬 프로비저닝(thin provisioning)으로 업그레이드하는 방법을 권장한다. 씬 프로비저닝 기술은 필요한 만큼 공용의 공유 저장 풀로부터 저장 공간을 할당 받아 저장 용적 이용률을 최대화하는 방식을 채택하는데, 저장 풀의 사용자가 모두 전체 공간을 동시에 필요로 하지는 않을 것이라는 전제가 깔려 있다.

 

2-3) 네트워크 장비

 

새로운 개념의 차세대 네트워크 장비가 단위 전력당 더 많은 데이터 처리량을 보장하면서, 네트워크 수요 변화에 따라 에너지 사용량을 줄이는 목적으로도 적용할 수 있는 적극적인 에너지 관리 기법으로 유휴 상태 로직, 게이트 카운트(gate count) 최적화, 메모리 접근 알고리즘, 입출력 버퍼링 완화 기술 등이 있다.

최대 데이터 전송률이 계속 증가하면서 전력 소모량도 급격히 증가했으며, 시간이 감에 따라 작은 양의 데이터를 전송하는 데에도 점점 더 많은 에너지가 소모되고 있다. 네트워크 링크의 속도를 현재 전송되고 있는 데이터의 양에 맞추어 재빨리 변경하는 방식을 적용하면 이더넷(Ethernet) 네트워크의 에너지 효율을 상당한 수준으로 끌어올릴 수 있다.

 

2-4) 전력 공급

 

대다수 데이터 센터의 장비는 내부 또는 랙 탑재 교류/직류(AC-DC) 전원을 사용한다. 고효율 전원 장치를 사용할 경우, 직접적으로는 데이터 센터에 발생하는 전기 사용료를 낮출 수 있고 간접적으로는 냉방 시스템 비용을 줄이고 랙 과열 문제를 해소할 수 있다.

운영 차질이 최소화될 수 있는 부하 수준에서 최상의 효율성을 제공할 수 있는 전원 시스템을 결정해야 한다. 통상적으로 최적의 전력 공급 부하 수준은 전원 장치 성능 곡선의 가운데 범위가 적당하다. 즉, [그림 1]에서 보듯이 40-60%가 합리적이다.

 

[그림 1] 전형적인 전원 공급 장치의 각 부하 수준에서의 에너지 효율

 

2-5) 통합

 

유사한 열 부하 밀도와 온도 요건을 가진 장비를 하나의 그룹으로 묶으면 데이터 센터의 냉각 팬 소모 전력은 감소하고 냉방 시스템의 성능은 향상된다. 온도와 습도의 환경적 요건에 따라 장비를 분리하면, 각 설치 위치에 대해서 에너지 집약 설정 포인트가 최소화된 관리가 가능해진다. 가상화는 하나의 단일한 컴퓨터 장치에서 독립된 다중의 가상 운영 체제를 구동하는 한 수단이다. 즉, 서버의 이용 효율을 높여 동일한 양의 데이터 처리가 보다 적은 수의 서버에서 일어날 수 있게 하는 솔루션이다. 낮은 CPU 이용률에서 다수의 서버를 운영하는 대신, 데이터 처리에 필요한 전력을 높은 이용률로 운영되는 소수의 서버에 결집하는 기술이다. 가상화 기술을 적용할 경우, 데이터 센터 내 서버 숫자를 현저히 줄일 수 있어, 필요한 서버 소모 전력도 그 만큼 절감되어서 필요한 냉각 장비의 규모가 축소될 수 있다.

 

3. 공조 관리

 

데이터 센터의 공조 관리에는 장비에 공급되는 냉각 공기와 장비가 배출하는 뜨거운 공기가 혼합되는 것을 최소화하거나 완전히 방지하는 데 필요한 모든 설계 및 구성 요소가 투입되어야 한다.

바닥부의 공간 속에 케이블이 뭉쳐 있으며 전체 공기 유량이 현저히 줄어들 뿐 아니라 구멍이 난 바닥의 타일을 통한 공기의 순환이 나빠질 수 있다. 이 두 가지 현상 열 축적의 원인이 된다.

 

3-1) 케이블 관리

- 설치 바닥 아래 또는 천정 속 장애물로 인해 냉각 공기의 순환에 차질이 빚어지면 공기의 유량을 현저히 격감하고 공기 순환에 부정적인 영향을 준다.

- 장비를 설치할 때에는 바닥 면으로부터 최소 24인치의 공간을 두어야 한다.

- 데이터 센터에는 케이블과 와이어 때문에 발생하는 기류 방해 요인을 최소화할 수 있는 케이블 관리 전략이 있어야 한다.

- 끊임없는 케이블 관리 노력 또한 효과적인 공조 관리의 한 핵심 요소이다.

 

3-2) 통로 분리 및 포함

 

- 열기 통로/냉기 통로 구성을 철저히 해야 냉각 시스템의 공기부 냉각 성능을 높일 수 있다

- 선반의 열은 서로 마주한 형태로 배치하고 선반 중간의 구멍(비어 있는 장비 슬롯)은 공기 유입부에서 차단되어 공기 순환을 줄이는 벽을 형성하게끔 설계되어야 한다. 또한, 이중 바닥과 천장의 홈도 최대한 꼼꼼하게 봉해야 한다.

 

 

[그림 2] 열기 통로/냉기 통로 구성 예

 

- 선반의 상부와 공기 반환부 사이에 탄성이 있는 플라스틱 판 등을 사용하면 아래 쪽 컴퓨터 장비를 유지관리 함에 있어 유연성을 보장함과 동시에 열기 통로/냉기 통로를 보다 공고히 격리할 수 있게 된다.

 

[그림 3] 밀봉된 가열/냉기 통로 구성

 

- 냉각 팬에 대한 에너지 절감은 주어진 공간이 요구하는 만큼의 공기만을 공급하도록 팬의 구동 속도를 줄이는 방식으로 실현된다.

 

3-3) 공급/반환 공기 구성 최적화

 

- 공기 처리기 제어를 위한 온도 감시 장치는 장비 뒤쪽 벽이 아닌 컴퓨터 장비 앞쪽 장소에 배치해야 한다. 천정 급기 시스템을 통해 가변 풍량(VAV)을 사용하면 초과 용적에 대해 장비의 규모 확대가 가능해지면서도 가변속 팬의 구동 속도를 낮춘 부분적 부하 조건에서 최적의 운영 상태를 보장받을 수 있다.

- 옥상 설비는 공기 분배 구역의 중앙에 설치해야 한다. 그래야 배관 공사 규모를 줄여서 설치 비용을 절약하고 효율성을 약간이나마 높일 수 있다.

 

3-4) 온도 설정 포인트 높이기

 

- 공기의 온도 차이 때문에 필요한 공기 유량이 줄어들면 팬의 소모 에너지를 절감할 수 있다. 뿐만 아니라, 외부의 공기 유입 및 열기 배출에 필요한 통풍구의 크기도 줄어들어 외기 냉방이 용이해질 수 있다.

- 외기 냉방의 에너지 절감은 외부 공기의 온도가 반환 공기의 온도보다 낮고 습도 조건이 적절할 경우에만 외부 공기를 유입하는 제어 알고리즘을 활용하는 방식으로 구현된다.

- 반환 공기의 온도가 높으면 사무실의 시스템 부하를 조절하기 위한 일체형 표준 장비의 처리 용량도 보다 잘 활용될 수 있다.

- 냉각수 공기 처리 장치의 급기 온도 설정 포인트를 올리면 냉각수 온도를 높이게 되어 냉각수 설비의 운영 효율을 개선할 수 있다. 냉각수 온도를 높이면 외부 냉수 냉방의 사용 시간이 늘어날 수 있다.

 

4. 냉방 시스템

 

- 데이터 센터의 공조 시스템의 경우 특수 설계된 중앙 집중식 공기 처리 장치를 활용한 방식에서 더 나은 성능이 관찰되고 있다.

 

[그림 5] 지역 분산식과 중앙 집중식 급기 방식의 비교

 

- 좌측 시설은 공랭식 기반의 다중 분산 시스템을 사용하고, 우측의 설비는 중앙 집중식 공기 처리 시스템을 사용하고 있다. 이상적인 데이터 센터 설계의 경우, 장비를 운영하면서 전기를 100% 모두 소모해야 한다.(팬과 압축기, 전력 시스템을 운영하는 데 소모되는 에너지는 엄격히 말해 간접비에 해당한다.) 중앙 집중식 급기 시스템(우측 차트)을 갖춘 데이터 센터는 입력 전력의 2/3를 사용하고 있는데 반해, 다중 분산 시스템은 입력 전력의 1/3을 약간 웃도는 수준에 그치고 있다.

 

5. 고효율 냉각수 시스템

 

5-1) 효율적인 장비

 

- 중앙 집중식 냉각수 설비의 경우에는 에너지 효율이 높은 냉각기를 사용해야 한다. 대규모 시설의 경우에는 통상적으로 적절한 응충기 냉각수 리셋 장치가 장착된 고효율 VFD 장착 냉각기가 가장 효율적인 냉방 시스템으로 손꼽히고 있다. 데이터 센터는 최대 용량 이하로 운영되는 경우가 많기 때문에 냉각기의 부분 부하 효율도 감안해야 한다. 냉각기의 부분 부하 효율은 가변 주파수 기반 압축기와 증발기의 고온 유지, 저온의 응축기 유입수로 최적화할 수 있다.

- 응축기 냉각수와 냉각수 펌프는 최대 부하 조건이 아닌 평상시 운영 조건에서 최고 효율을 발휘할 수 있는 것으로 선택해야 한다.

 

5-2) 효율적인 펌프 장비

 

- 다음은 기존 및 새로 추가되는 시설에 대해 펌프 장비의 효율을 최적화할 수 있는 종합적인 지침이다.

 

가. 기존 시설

- 평상시 부하에 응답하는 평균 냉각수 유량을 줄인다.

- 기존의 일차/이차 냉각수 펌프 장비를 모두 일차로 전환한다.

- 기존 시스템을 불변 유량에서 가변 유량으로 변경한다.

- 펌프 균형 유지 밸브를 열고 펌프의 VFD가 유량을 제한하도록 설정하여 냉각수 분배 시스템의 압력을 줄인다.

- 냉각수 공급 압력 설정 포인트를 내린다.

- 냉각수 펌프의 응차 압력 설정 포인트 리셋 제어 프로세스를 추가한다.

- 3방향 냉각수 밸브를 2방향 밸브로 대체하여 우회하는 불필요한 냉각수를 제거한다.

 

나. 신규 시설

 

- 평상시 부하에 응답하는 평균 냉각수 유량을 줄인다.

- 1차로만 가변 유량 냉각수 펌프 방식을 구현한다.

- 다듬지 않은 임펠러(impeller)를 규정하고 펌프 균형 유지 밸브를 설치하는 대신 VFD를 사용하여 펌프 유량을 줄인다.

- 낮은 급수 수압 설정 포인트로 설계한다.

- 급수 펌프의 응차 수압 설정 포인트 설정 포인트 리셋 제어 프로세스를 규정한다.

- 펌프에 대해서 낮은 압력 강하 파이프 배치를 설계한다.

- 3방향 밸브 대신 2방향 냉각수 밸브를 규정한다.

- 모든 펌프에 VFD를 설치하고 저 속도로 다수의 펌프를 운영한다.

 

5-3) 자유 냉방

 

- 데이터 센터의 냉각 부하는 실외 공기 온도와는 무관하다. 대부분의 밤 시간과 온화한 동계 기후 조건에서, 데이터 센터를 가장 저 비용으로 냉각할 수 있는 방법은 외기 냉방이다. 일부 IT 기반 센터의 경우 눈에 띄는 문제 없이 외부 공기를 일상적으로 사용하고 있지만, 센터 내 IT 장비의 오염과 환경적 관리에 유의해야 한다.

 

5-4) 열 저장 방식

 

- 열 저장은 열 에너지를 차후 사용을 위해 저장소에 보관하는 것으로, 데이터 센터와 같이 냉방 부하가 특히나 높은 시설에 유용하게 적용될 수 있다. 요구 전력량이 최대로 절감되며 냉각수 시스템의 안정성도 강화할 수 있다.

 

5-5) 액체 직접 냉각

 

- 액체 냉각은 열 밀도가 높은 경우에 효과적으로 적용될 수 있으며, 냉각수는 열을 전달하는 수단으로 매우 탁월한 효능을 발휘할 수 있기 때문에 전통적인 공랭식보다 훨씬 더 효율적이다.

 

5-6) 가습

 

- 전기 저항 가습기는 냉방 시스템의 부하가 줄어들어 에너지를 절약할 수 있다.

 

5-7) 제어

 

- 습도 제어의 경우, 중앙 집중식이 아닌 경우에는 동일한 공간에 배치된 인접한 장비들이 습도 설정 포인트를 맞추기 위해 서로 충돌한다. 습도 센서에 대해서 주기적으로 영점 조절을 실시하지 않으면, 습도 센서에 오류가 발생하여 습도 제어에 문제가 발생할 수도 있다.

？ 냉각수 설비에, 가변속 압축기가 장착된 가변 유량 펌프와 냉각기를 설치해서 저부하 조건에서 에너지 효율적인 운전을 보장해야 한다. 냉각기 설비의 효율성을 높일 수 있는 또 한 가지 방법은 저 부하 조건에서 냉각수 급수 온도를 적극적으로 재설정하는 하는 것이다. 비교적 건조한 기후대에 속하고 상대적으로 낮은 부분 부하가 발생하는 데이터 센터의 경우에는, 외부 급수 냉방 방식이 연중 어마어마한 에너지 절감 효과를 가져다 줄 수 있다.

 

6. 전기 시스템

 

6-1) 전력 공급

 

- 데이터 센터는 통상적으로 편의 서비스와 배전반, 개폐기, 예비용 전원(예: 예비 발전기), 예비용 병렬 연결 장비, 보조 조화 설비로 구성된 전력 공급 통로를 가지고 있다. 이들 구성 장비들은 각각 데이터 센터 내의 부하와 직접적으로 관련된 열 출력을 발생한다.

가. 무정전 전원 장치(UPS)

- UPS의 효율성 제고는 직접적으로는 UPS 장비 자체적으로 그리고 간접적으로는 낮은 열 부하를 통해서 24시간 에너지 절감 효과를 낳을 수 있고, 건물의 변환기 손실을 줄일 수도 있다. 이중 변환 시스템에서(가장 흔히 사용되는 데이터 센터 시스템), UPS 효율성은 86-95%로 유지된다. UPS 시스템을 통해 전체 데이터 센터 장비 부하가 관리될 경우에는 시스템의 효율성에 조그만 개선만 있더라도 연간 큰 비용 절감을 기대할 수 있다.

나. 전압 옵션

- AC 및 DC 전력 공급 손실을 줄일 수 있는 일반적인 지침은 다음과 같다.

- 전력 공급 통로에서 교차 지점을 확대하고 그러한 지점을 최대한 짧게 설계하여 저항을 최소화한다.

- 전류를 최소화하기 위해 가급적 높은 전압을 길게 유지한다.

- 전력 조절에 스위치 모드의 트랜지스터를 사용한다.

- 모든 전압 조절기를 해당 부하 가까이에 설치해서 저 전압에서 발생하는 전력 공급 손실을 최소화한다.

 

6-2) 수요 응답

 

- 수요 응답 프로그램은 건물 관리 시스템을 통해 부하를 줄이거나 예비 전기 발전으로 전환하는 방식으로 실시할 수 있다.

- 수요 응답 계획이 발표될 때 부하를 줄이는 것과 관련해서, 데이터 센터 운영자들은 조명의 1/3을 소등하거나 유휴 사무실 장비의 전원을 차단하는 등의 전력 공급 감소 조치를 취할 수 있다. 자동화된 네트워크 빌딩 시스템 솔루션을 이용하면 이러한 조치를 보다 간편하고 효율적이고 저렴하게 시행할 수 있다.

 

6-3) DC 전력

 

- 전류의 변환 횟수를 줄일 수 있는 한 가지 방법은 DC 전류 공급을 활용하는 것이다. DC 전원을 사용하는 시설은 AC 전원 방식을 사용하는 시설과 비교했을 때, 7%의 에너지 절감 효과를 거둔 사례로 있다.

 

6-4) 조명

 

- 데이터 센터 내 공간은 연중 100%의 조명이 필요한 것은 아니다. UPS와 배터리, 스위치 장치실 등이 대표적이다. 따라서, 데이터 센터 내 구역별 인원 탐지 센서는 조명의 전력 사용 절감에 지대한 영향을 미칠 수 있다.

 

7. 기타 에너지 절감형 설계 대상

 

7-1) 현장 발전

 

- 거의 지속적인 전기 부하와 높은 수준의 안정성을 결합하게 되면 대형 데이터 센터의 구조를 현장 전력 발전 조건에 맞출 수가 있다. 초기 비용을 줄이려면, 예비 발전 시스템을 현장 발전 설비로 교체해야 한다. 이러한 발전 설비는 전력 배분 시설의 대안적 수단뿐 아니라 근처의 열 요구를 충족하거나 흡수나 흡수 냉각기 기술을 통해 데이터 센터를 식히는 데 사용될 수 있는 폐열을 제공할 수 있다. 어떤 경우에는 현장 발전 설비의 이러한 여분의 잔여 발전 용량을 통해 전력을 그리드에 되돌려 보내서 발전 설비에 투자된 비용을 상쇄할 수도 있다.

- 열병합 발전 설비의 발전기에서 나오는 폐열은 데이터 센터에 냉기를 공급하는 흡수 냉각기를 가동하는 데 쓰일 수 있다.

- 예비 발전기는 통상적으로 전기를 사용해 시스템을 항시 대기 상태로 유지하는 장비로 재킷과 오일 난방기(jacket and oil warmer)로 구성된다. 이들 난방기는 예비 발전기가 생산하는 것보다 더 많은 전기를 소모한다. 장비의 중복 구성에 대해 세심한 주의를 기울여 예비 발전기의 숫자를 최소화하는 것이 중요하다. 데이터 센터에서 발생하는 폐열을 사용하게 되면 블록 히터(block heater)에서 발생하는 손실을 최소화할 수 있다. 발전기 블록 난방의 대안으로 태양 전지판을 고려해 볼 수도 있다.

 

7-2) 폐열 활용

 

- 폐열은 직접 사용하거나 흡수나 흡수 냉각기를 통해 데이터 센터가 요구하는 냉매를 공급하는 데 사용될 수 있으며, 냉각수 설비 에너지 비용을 50% 이상까지 절감하는 효과가 있다.