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[특별기고] 한·일 주둔 미군기지 데이터센터 연구

외기냉수 간접냉방 ‘EER 5.6’ 데이터센터 냉방비 20% 절감
‘프리쿨링 일체형 공랭식 냉동기’ 시뮬레이션·현장연구

인터넷 트래픽과 데이터의 부하가 급증함에 따라 데이터센터의 에너지사용량은 나날이 증가하고 있다. 데이터센터는 매년 평균 약 200TWh의 전력을 사용하고 있으며 이는 세계 전력사용량의 1%에 해당하는 양이자 일부 국가의 총 전력사용량보다 많은 양이다. 


노후화된 데이터센터를 폐쇄하고 고효 율 데이터센터를 신규 구축하거나 전환하면서 데이터센터 전력소비량은 조금씩 감소하는 추세다. 소규모의 비효율적인 데이터센터에서 대규모의 하이퍼스케일 전환으로 에너지효율이 향상되고 있다. 

특히 미국 ASHRAE는 기존 ANSI/ ASHRAE/IES 스탠다드 90.1 외에 ANSI/ ASHRAE 스탠다드 90.4-2016, Energy Standard for DataCenters을 제정해 저에너지 데이터센터의 공조기술을 선도하고 있다. 

이중 ‘외기냉수 간접냉방(Waterside Economizer)’이 각광받고 있다. 외기냉수 간접냉방은 외기의 낮은 온도로 순환수를 냉각시켜 에너지절감을 도모한다. 

데이터센터 냉방장치의 80%는 냉동기 열원에 의해 소비되며 이중 압축기 운전에 90% 이상의 에너지가 소비된다. 특히 데이터센터는 하절기와 동절기의 냉방부하가 거의 동일한 특성이 있어 겨울철 압축기의 가동 여부는 에너지사용의 변곡점이 된다. 

그동안 동절기에 냉각탑을 이용해 외기냉수 간접냉방을 활용한 사례가 있었으나 배관계통의 분리 등 문제로 원활히 외기를 활용하지 못했다. 

MTES는 2019년 ASHRAE 저널 1월 호에 소개된 ‘데이터센터 외기냉수 간접 냉방 설계 2부: 설계 최적화(Designing Data Center Waterside Economizers Part 2: optimizing the Design)’에 다 양한 외기냉수 간접냉방 방식을 소개한 바 있으며 이에 앞선 1부에서는 ‘오픈형 쿨링타워 이용방안과 효율에 대한 연구’를 보고하기도 했다. 

그러나 국내 겨울철 영하의 외기를 고려할 때 오픈형의 프리쿨링은 적용이 불가능하다. 이번 기고는 ASHRAE 저널에 언급된 ‘프리쿨링 일체형 공랭식 냉동기’에 대한 에너지 시뮬레이션 분석을 통해 외기 간접냉수 냉방시 에너지예측을 실시하고 실제 현장에 적용한 사례를 소개한다. 



■ 오사카 미군기지 에너지시뮬레이션 
오사카 주둔 미군기지 에너지 시뮬레이션 프로젝트는 2019년 주한 미공군 시설대 의뢰로 실시한 사계절 냉방운전 건물의 에너지 시뮬레이션이다. 프리쿨링 효과비교는 Aermec사의 프리쿨링 모델 NRL FC로 수행했다. 

현장조건은 △냉방부하 1,000kW △ 여름 외기온도 36℃ △100% 프리쿨링 외기온도 2℃ △냉동기 대수분할 115톤 3대 △냉수 입·출구설정 10·15℃ 등이다.

에너지 시뮬레이션은 Aermec사의 ACE가 사용됐다. 각 냉동기는 프리쿨링 내장옵션을 선정했으며 외기온도에 따라 프리쿨링 열교환기. 증발기로 직렬로 통과토록 설정됐다.

냉동기 3대의 대수제어를 통해 총 1,000kW 냉방부하를 제어한다. 냉동기의 설정이 출구 10℃, 입구 15℃이므로 13℃부터 부분적으로 프리쿨링영역에 돌입하게 된다.

외기 3℃ 이하 구간은 냉동부하의 100%를 프리쿨링으로 운전하며 압축기 운전없이 팬 동력만으로 냉방운전이 가능하다.

에너지 시뮬레이션을 진행한 결과 연간 총 냉방에너지요구량 876만kW 중 일반압축기 동력사용에너지 697만6,589kW대비 프리쿨링 에너지생산은 178만3,411kW로 연간에너지의 20% 를 대체할 것으로 예상됐다.

또한 연중 냉방효율인 EER(Energy Efficiency Rating)은 1월 기준 16.89로 최대를, 8월 기준 3.64로 최소를 기록했다. 평균은 5.56으로 높은 효율이 예상됐다. 이는 수냉식 터보냉동기(Water cooled centrifugal chiller)를 상회하는 효율로 연중운전 시 프리쿨링시스템의 적합성을 입증한 것이다.



■ 캠프 험프리스 NYB FC 적용
2020년 평택미군기지 캠프 험프리스 내 건물에 ‘프리쿨링 일체형 NYB FC’를 적용·설치했다. NYB FC는 모듈형 칠러에 프리쿨링을 적용한 모델로 모듈형의 3가지 장점을 취할 수 있다.

먼저 ‘리던던시(Redundan-cy, 여분) N+1’ 설계다. 리던던시는 신뢰성을 높인 디자인 개념으로 특정 부분이 작동불가되더라도 전체 시스템은 목표를 완료해야 하는 설계 콘셉트다. 예컨대 120RT가 요구되는 현장에는 대당 30RT 용량인 NYB 5모듈을 설치한다. 평상시 4개모듈을 120RT정격으로 사용하며 추가 1대 모듈은 예비로 둬 유사시 대처할 수 있다.



가용성도 장점이다. 미군기지 내 건물은 하나의 커다란 지역사회다. 숙소, 근린시설, 사무건물, 데이터센터 등 용도와 부하범위가 다양하다. 이러한 다양한 부하에 모두 리던던시를 적용하기는 사실상 불가능하다. 모듈형인 경우 사용하지 않는 예비모듈을 이벤트가 발생한 곳에 전용할 수 있기 때문에 이러한 한계를 극복할 수 있는 좋은 콘셉트다.

펌프동력이 낮다는 점도 모듈형의 강점이다. 모듈형 NYB는 냉수헤더(Header)를 포함해 제작됐다. 이와 같은 디자인은 각 모듈이 순환펌프와 병렬로 배치돼 유량과 양정을 곱한 값인 펌프동력이 일체형 냉동기보다 현격히 감소한다.



또한 NYB는 냉수출구에 압축기 운전시에만 오픈되는 솔레노이드 밸브*옵션이 있어 전체 처리유량을 각 모듈이 나눠갖기 때문에 인버터 펌프 사용시 펌프유량 반송동력을 크게 절감할 수 있다.

이에 비해 일체형인 인버터 터보냉동기의 최소 유량범위는 80% 정도로 절감효과가 거의 없기 때문에 펌프인버터 투자비의 경제성이 떨어진다.

현재 오산 미군기지에 설치된 NYB FC 모델 5대와 관련해 미공군을 대상으로 유지관리 교육을 마친 상태이며 성능모니터링을 통해 실제 에너지절감 효과를 분석할 계획이다. 


*솔레노이드 밸브(solenoid valve): 전자밸브로서 전기가 통하면 플랜지가 올라가 밸브가 열리고 전기가 차단되면 플랜지 무게에 의해 자동으로 밸브가 닫힌다.