최근 4차산업혁명으로 인한 기술발전, 코로나19로 인한 비대면 산업 성장과 디지털전환 등 증가하는 데이터 처리를 위한 필수 기반시설인 데이터센터 산업은 급성장 중이다.

데이터센터(DC: DataCenter)는 4차 산업혁명시대 ICT산업 활성화를 위한 핵심 기반시설로 D.N.A(Data, Network, AI) 및 ICBM(IoT, Cloud, Big data, Mobile) 기반 서비스를 구현하기 위한 데이터의 저장·처리·유통 역할을 담당하고 있다.

지난 5월10일부터 12일까지 서울 삼성동 코엑스(COEX)에서 개최된 ‘대한민국 기계설비전시회(HVAC KOREA 2023) 데이터센터 특별관에서는 한국설비기술협회(회장 김철영) 데이터센터기술위원회(위원장 연창근) 주최로 데이터센터 산업동향 및 탄소중립 달성 그리고 업계의 협력 강화를 모색하기 위한 컨퍼런스가 개최됐다.

첫날 고효율 데이터센터 전기설계 진행 방향(한일엠이씨기술연구소 조병구 부장)을 시작으로 3일간 총 43편의 주제 발표가 이어졌다.

한국데이터센터 임우영 상무는 데이터센터는 ICT 장비를 건물-공간에 집적시키고, IT서비스 제공에 필요한 장비를 통합·관리해 24시간 365일 무중단으로 안정적인 서비스를 제공할 수 있도록 하는 시설로 미래의 데이터센터는 Cloud Computing을 위한 하이퍼스케일 데이터센터와 Edge Computing을 위한 엣지(마이크로) 데이터센터로 이분화될 것이라고 전망했다.

국내 데이터센터 시장은 2027년까지 약 34개(+)의 신규 상업용 데이터센터 구축 프로젝트가 추진 및 계획 중으로 신규 프로젝트로 인한 투자액은 약 14조원 이상으로 예측했다.

시장 성장 요인으로 한국은 클라우드 시장 잠재력이 가장 큰 국가 중 하나로 글로벌 및 국내 CSP의 시장 확대를 위한 데이터센 확보가 활발하고 인공지능(AI) 및 빅데이터 시장은 빠르게 성장 중이며, 데이터 트래픽도 꾸준히 증가하고 있는 점을 들었다.

국내 클라우드 시장 규모(IDC, 2020)는 2019년 1.3조원 대비 연평균 16.7% 성장해 2024년 2.8조원이 예상되며 인공지능(AI) 시장 규모(IDC, 2021)는 2023년 1.3조원에서 연평균 18.8% 성장해 2025년 1.9조원에 달할 전망이다.

데이터센터 시장의 성장은 전력사용량 증가로 이어져 2021년 기준 국내 상업용 데이터센터의 연간 전력 사용량은 약 4,808Gwh로 추정되며 데이터센터 구축 및 이용 증가에 따라 전력 사용량은 더욱 증가할 전망이다. 2021년 기준 국내 총발전량(509,270Gwh)의 약 0.9%, 총 산업 에너지 소비량(278,660GWh)의 약 1.7%에 해당한다.

전력 사용량이 많은 만큼 탄소중립을 위한 지속가능한 데이터 센터 구축도 당면 과제다. 지속가능한 데이터센터는 환경친화적인 센터 구축과 운영올 통해 환경에 미치는 영향을 최소화 할 수 있는 데이터센터를 말한다. 또한 기업의 환경, 사회, 지배구조 책임(ESG)을 강화하는 전 세계적 움직임에 따라 데이터센터의 ESG 평가는 센터를 어떻게 관리하고 운영하는지가 핵심이 될 전망이다.

임우영 상무는 데이터센터 사업화의 이슈로 서울 및 수도권 지역 신규 데이터센터 구축을 위한 부지 확보와 전력 수전 가능 여부를 꼽았다.

데이터센터 구축 프로세스 / 연창근 한임엠이씨 대표

연창근 한임엠이씨 대표는 데이터센터 구축 프로세스 발표에서 △사업부지 선정 시 피해야 할 요소 △사업부지에 반드시 필요한 사항 △주요 민원 대응 방안 △데이터센터 건축계획에 대해 소개했다.

데이터센터 사업부지 선정 시에는 바람, 폭설, 확산, 범람, 대기오염 등 자연환경적 조건과 공항, 군부대, 주유소, 수소충전소, LGP충전소 등 잠재적 위험요소가 있는 입지적 조건을 고려해야 한다.

이와 반대로 통신용량 및 속도, 통신서비스의 다중 공급/ 물리적 MPOE 확보 등 중복성, WAN인프라 지하화 등 신뢰성, 전력선 이중화/거리 등 전원 인프라 등은 사업부지에 반드시 필요한 사항이다.

데이터센터 건축 기본 계획시 대지형상, 위치에 따른 지역지구·건폐율·용적률 검토, 교통영향성평가 등 심의, 인허가 등을 고려해야 한다. 또 RACK 배치계획, 전기실 및 비상발전기 계획, 154kV TR N+1 이상 구성, 장비잔출입 동선 확보(3m), 폭발에 의한 2차 피해방지를 위해 154kV TR 격벽처리, GIS 인입용 PIT 및 설치공간 확보, 집유트랜치 및 집유조 설치, 환기용 DA 설치 등을 고려해야 한다.

데이터센터 지붕층 열원장비의 효율저하 방지를 위한 고려사항

홍민호 한일엠이씨 기술연구소 사업부장

홍민호 한일엠이씨 기술연구소 사업부장은 데이터센터 지붕층 열원장비의 효율저하 방지를 위한 고려사항 발표에서 국내외 CFD 분석 사례에서 검토됐던 지붕층에 설치된 열원 장비의 효율 저하 사례와 이를 방지하기 위한 설계 단계에서의 검토 프로세스 및 고려사항을 제시했다.

일반적으로 데이터센터는 상당히 큰 냉방부하로 인해 많은 대수의 냉동기, 냉각탑 등이 설치된다. 냉방 방식에 따라 지붕층에는 냉각탑 또는 공랭식 냉동기 등이 주로 설치되며, 시스템 구성에 따라 펌프, 버퍼탱크, 비상 발전기 등이 추가로 설치된다.

지붕층의 경우 비상발전기 연도 배기열이나 주변의 물리적인 여건 등에 의해 주변 온도가 상승할 수 있으며, 이로 인해 냉각탑 또는 공랭식 냉동기의 입구온도가 상승해 각 열원장비의 용량 감소를 유발할 수 있다.

홍민호 사업부장은 “데이터센터의 지붕층은 다수의 장비와 대구경 배관 설치, 유지관리 공간 확보 등으로 인해 충분한 공간 확보가 쉽지 않지만 운영시에 발생할 수 있는 장비의 용량 감소를 방지하기 위해 다음과 같은 항목에 대한 사전 검토가 필요하다.”고 언급했다.

설치시 고려 사항은 △비상발전기 연도 배출구 위치를 열원장비보다 상부에 배치하고, 열원장비와 최대한 이격 △비상발전기실 배기구 위치에 따른 지붕층 온도 상승 영향 확인 △로드 뱅크 및 실외기와의 열적 간섭이 발생하지 않도록 충분한 이격거리 확보 △공랭식 냉동기 블랭킹 패널(Blanking Panel) 설치 고려((발전기 연도 등의 물리적 위치 조정이 어렵고, 냉동기의 용량 감소가 예상될 경우) △각 열원 장비별 최소 이격거리 이상의 공간 확보 △장비와 외벽체와의 충분한 이격거리 확보 등이다.

데이터센터 프리쿨링 냉동기 트렌드 및 제품소개

고민건 삼화에이스 과장

고민건 삼화에이스 과장은 데이터센터 프리쿨링 냉동기 트렌드 및 제품소개 발표에서 “최근 급증하는 데이터 처리를 위해 데이터센터 신축이 꾸준히 증가하고 있는데 데이터센터 전력량 중 약 31%가 HVAC 시스템에서 사용되고 있다”라며 탄소중립과 각 IT장비의 부하 증가에 대응할 수 있는 프리쿨링 도입 필요성을 강조했다.

프리쿨링은 낮은 외기온도를 사용해 냉각하는 냉각방식으로 Air side 와 Water side로 구분된다.

삼화에이스의 프리쿨링 냉동기 Smardt Chiller는 오일프리 컴프레서를 적용해 유지비용이 절감되고 건물 내 전력 소모량을 현저히 축소 시켜 최고의 효율을 제공한다. 자기(마그네틱) 베어링을 사용해 기계적 마찰 손실이 없어 수명이 연장되고 복잡한 오일 관리 시스템을 제거한 단순 원심형 구조로 오일 관련 열전달 손실을 최소화했다. 마이크론 단위의 제어와 통합 VSD로 최고의 부분부하 효율을 발휘한다.

또 정전시에도 오일 관련 압력/온도 체크, 타이머, 안전 이슈가 없으며 Restart 동안 컴프레서에 기계적 압박이나 시간 간격 제한이 없다. 신속한 냉각수 회복이 가능해 추가 축열도 필요 없는 게 장점이다.

데이터센터 솔루션 제안서

전호영 한국공조엔니지어링 이사

전호영 한국공조엔니지어링 이사는 데이터센터 솔루션 제안서 발표에서 △IT환경의 변화 △Liquid Cooling의 필요성 △Liquid Cooling방식 △Precision Liquid Cooling 에 대해 소개했다.

전호영 이사는 “공랭식 한계를 초과하는 CPU/GPU/Accelerator TDP(열 설계 전력)와 초고밀도 배치 필요에 따른 냉각효율 저하로 Latency 이슈가 발생하는 것은 물론 공랭식 서버구성 시 최대 20%까지 에너지 비용을 차지한다.”며 “Liquid Cooling을 적용하면 데이터센터의 냉방전력 90% 절감은 물론 60%의 열 손실 회수 및 재사용, 물사용량 85~90% 감소 및 제거할 수 있다.”고 말했다.

Liquid Cooling은 액체 용액으로 발열되는 CPU나 GPU 칩 등에 직접 냉각하는 Direct-to-Chip 방식, 오일 기반 절연용액을 사용해 IT 서버 전체를 절연 냉각에 침수하는 Tank/ Open Bath Immersion 방식, IT서버 내 주요 구성품을 전체 또는 부분 침수해 절연 냉각액과 직접 접촉시키는 Precision Liquid Cooling방식이 있다.

한국공조엔지니어링의 액체 냉각 장비(Precision Liquid Cooling)는 비전도성 액체를 발열 부위(CPU, GPU, RAM 등)에 직접 분사해 냉각하는 방식으로 적은 양의 액체를 사용해 냉각하기 때문에 보다 높은 효율로 냉각할 수 있으며 효율적인 냉각으로 하드웨어 밀도를 증가시키고 서버 룸의 소음이 크게 감소한다. 환경오염 물질로부터 하드웨어를 보호할 수도 있다.

데이터센터의 습도관리

한상봉 콘데어코리아 지사장

한상봉 콘데어코리아(Condair Korea) 지사장은 데이터센터의 습도관리 발표에서 △습도관리의 일반 이해 △데이터센터의 습도관리 △가습장치의 기술에 대해 소개했다.

한상봉 지사장은 “공기 중 습도관리는 제조 효율성을 개선 또는 유지하기 위해서, 수분 손실에 민감한 물품을 보존하기 위해서 그리고 인체 건강을 보호하기 위해서 반드시 필요하다.”라며 “스터링차트에 의하면 가장 쾌적하게 생활할 수 있는 적정습도는 40~60%RH이지만 산업과 분야에 따라 30~70%RH까지 범위를 넓히고 있으며 ASHRAE의 건물 설계기준에는 30~60%RH를 거주에 최적 습도로 제시하고 있다”고 말했다.

데이터센터는 초창기 입출력 장치에 종이를 사용했기 때문에 습도에 따라 민감한 반응 및 오작동이 속출해 습도제어를 했지만 점차 입출력 장치가 분리 및 축소되면서 ASHRAE에서 IT장비 설치공간에 대한 온습도 가이드 라인이 제정됐다.

ASHRAE의 데이터센터 장비 등급에 따른 온도와 습도관리 지침을 보면 △A1 : 20%···80%RH에서 15···32℃에서 작동 △A2 : 20%···80%RH에서 10···35℃에서 작동 △A3 : 8%···85%RH에서 5···40℃에서 작동 △A4 : 8%···90%RH에서 5···45℃에서 작동해야 한다.

한상봉 지사장은 “현재 대부분의 데이터센터 장비는 클래스 A1 또는 A2에 속해 있으며 Dell과 같은 점점 더 많은 서버 제조업체가 클래스 A3 또는 A4 작동에 적합한 장비를 도입하고 있다.”라며 “데이터 센터의 서버를 손상시키는 정전기 발생을 억제하기 위해 가습기들이 필요한데, 대용량 저비용의 증발 냉각시스템이 권장된다.”고 밝혔다.

이어 공기 특성에 따른 가습장치의 종류와 콘데어의 무화식 이류체 노즐 및 일류체 고압 노즐과 증기식, 기화식, 복합식 가습장치에 대해 특장점을 소개했다.

데이터센터용 냉동기 및 CRAC

이명규 LG전자 어플라이드SE파트 책임

이명규 LG전자 어플라이드SE파트 책임은 데이터센터용 냉동기 및 CRAC 발표에서 무급유 인버터 직결구동식 터보냉동기의 특장점과 세대별 CRAC(Computer Room Air Conditioner)의 특장점 및 적용사례 등을 소개했다.

LG전자의 IDC 전용 무급유 인버터 터보냉동기는 효율향상을 통한 PUE 개선 및 운전비 절감은 물론 Harmonic Free Inverter로 별도의 고조파 필터가 필요없다는 점에서 경제성이 뛰어나다. 또한 무급유 직결구동으로 신뢰성 및 유지관리성을 향상시켰으며 AI머신러닝으로 서지 회피 연속운전이 가능하다. 복전 후 90초 내 정격부하에 도달할 수 있는 퀵스타트기능과 AHRI인증 S/W 및 테스트설비 등을 갖췄다. 15인치 대화면으로 시인성 및 조작성 등 기능이 개선됐으며 제어기 모듈화와 Easy 펌웨어가 업데이트됐다.

무급유 인버터 직결구동식 터보냉동기는 자체 개발한 마그네틱 베어링·인버터, 고효율 임펠러, Oil Free 등을 적용해 정속 터보냉동기대비 열원시스템 COP는 14% 향상됐으며 연간운전비는 4,273만원 절감이 가능하다.

LG전자 CRAC는 1세대 바닥 급기 빌트업 CRAC(직접 외기 도입, 빌트업 타입 바닥 급기, 유닛 그룹제어)과 2세대 빌트업 FWU(직접 이기도입, 빌트업 타입 FWU 정면급기, 유닛 단위로 제어) 상용화 적용에 이어 3세대 2단 모듈형 FWU(공기 재순환 방식, 2단 모듈형 FWU 정면급기, 전기/제어판넬 내장형, 상부 배관 연결 방식)가 현장 설치 전에 자체 테스트 베드를 통해 성능 검증 중이다.

데이터센터 냉각전력

조진균 국립한밭대 교수

조진균 국립한밭대 교수는 데이터센터 냉각전력 발표에서 “세계적인 코로나19 팬데믹으로 인한 비대면 산업의 성장과 4차 산업혁명과 맞물려 모든 산업으로 디지털화가 가속화되면서 데이터센터는 산업 디지털화의 가장 핵심적인 역할을 하고 있다.”라며 “데이터센터는 2016년 1,252개에서 2021년 1,851개로 최근 5년간 약 50% 증가했고 특히 하이퍼스케일 데이터센터는 2021년 659개로 급속히 증가해 데이터센터의 수요에 대응한 냉각시스템 등 운영환경의 안정성 확보가 매우 중요해졌다.”고 언급했다.

데이터센터의 운영 신뢰성 확보를 위해서는 Tier1 시스템 가용성(연간 96.671% 가동시간)에 대한 최소 요구사항이라도 충족하려면 데이터센터에 상당한 기술적 인프라가 필요하고 무중단 시스템 운영을 위해서는 막대한 시스템 구축 비용이 소요된다.

데이터센터의 비상시 무중단 운전 계획은 Hot standby, Warm standby, Cold standby가 있다. Hot standby는 예비 장비가 활성화 상태에 있고 가동 시스템의 일부로 연결돼 있다. 이러한 형태의 기술은 네트워크 시스템 및 항공기 엔진과 같이 복구시간이 중요한 시스템에 적용된다. Warm standby는 예비 장비는 대기 상태에 있을 때 부분적으로 전원이 공급되고 고장난 기본 장비를 교체할 때만 전체 전원이 공급된다. Cold standby는 장비에 장애가 발생해 교체해야 할 때까지 예비 장비에 전원이 공급되지 않는데 기존 데이터센터 냉각시스템에 적용된 방식이다.

조진균 교수는 “동일한 냉각시스템 구성 시에도 운전방법에 따라 차이가 발생한다.”라며 “예비장비 상시운전 냉각시스템에 인버터 제어를 적용하면 상대적으로 낮은 부하율로 운전돼 에너지절감 효과를 극대화 할 수 있다“고 말했다.

이어 VFD/VSD 인버터 기술을 적용해 저(부분)부하 운전 효율성을 극대화한 Hot standby 기반 냉각시스템 구성(변유량 냉동기, 펌프 인버터, 팬 인버터 등)과 케이스 스터디 결과에 대해 소개했다.

케이스 스터디 결과, Hot standby 기반 냉각시스템은 Cold standby(PUE=1.23) 기반 냉각시스템 대비 약 14.6% 입력전력이 감소되며 PUE(전력사용효율)는 1.20으로 IT에너지의 약 20%를 냉각에너지로 사용하는 것으로 나타났다.

댄포스 솔루션과 엔지니어링 노하우를 통한 지속 가능한 데이터센터 구현

이지섭 댄포스코리아 매니저

이지섭 댄포스코리아 매니저는 ‘댄포스 솔루션과 엔지니어링 노하우를 통한 지속 가능한 데이터센터 구현’ 발표에서 데이터센터의 에너지 세이빙, PUE 절감, 더 나아가 스마트 오퍼레이션을 지향하고 있는 댄포스 솔루션으로 오일프리 turbocor 압축기, 열교환기, 하이드로닉 발란싱 밸브, 고효율 HVAC 드라이브 솔루션인 EC+ 등에 대해 소개했다.

이지섭 매니저는 ”데이터센터의 전기사용량은 냉방시스템 45%, UPS 및 전기배선 시스템 30%, IT부하 24%, 건물 조명 및 간접조명 1%로 데이터센터의 PUE 절감의 핵심은 냉방시스템의 에너지 세이빙“이라며 ”댄포스는 데이터센터 PUE를 낮출 수 있는 데이터 센터 쿨링, 열회수 시스템 및 섹터 커플링, 초고압 직류 송전시스템(HVDC), 물분무 소방시스템 등 솔루션을 보유하고 있다.”고 말했다.

댄포스의 데이터센터 쿨링용 솔루션은 오일 프리 및 스크롤 압축기, 열교환기, 전자식 팽창밸브, 센서, 드라이브, 발란싱 컨트롤 밸브 등 지속 가능한 방식으로 에너지 비용을 절감할 수 있는 광범위한 제품군을 확보하고 있다. 이를 통해 냉동기 성능의 최대 70%에 해당하는 스마트 기술로 성능 최적화 구현할 수 있다.

이지섭 매니저는 “매년 10% 이상의 성장률을 보이는 데이터센터 산업에 있어, 댄포스는 데이터센터 rack에서 전체 시스템까지, 그 이상에서 협력 가능한 파트너”라고 강조했다.

데이터센터 냉각 솔루션 및 에너지헌터 프로그램

노준석 한국알파라발 프로

노준석 한국알파라발 프로는 ‘데이터센터 냉각 솔루션 및 에너지헌터 프로그램’ 발표에서 데이터센터에서 발생하는 폐열을 활용한 지속가능한 데이터센터 운영을 위한 여러가지 방안을 소개했다.

노준석 프로는 “인공지능(AI), 클라우드 서비스, OTT(Over the Top) 서비스 등의 확대로 데이터 사용량은 폭발적으로 증가하고 있어 2025년이면 전체 글로벌 데이터를 DVD에 저장한다면 달을 12번 왕복하거나 지구를 222바퀴 감쌓 수 있는 175ZB(제타바이트)의 데이터량이 예상된다.”라며 “지속가능한 데이터센터의 운영관리를 위해서는 탄소배출을 줄이고 에너지를 절감할 수 있도록 효율적인 IT 장비와 냉각, 태양광/풍력 등 재생에너지 활용, 물 사용의 최소화, 폐열 재활용 등이 필요하다”라고 말했다.

이어 데이터센터의 대표적인 냉각 솔루션인 △공기를 활용한 직접냉각방식 △CRAH 공조냉각방식 △후면도어냉각방식 △콜드플레이트 냉각방식 △액침냉각방식에서 버려지는 열의 재활용률을 높일 수 있는 열 온도와 재활용 솔루션을 제시했다.

각 냉각솔루션에서 재활용할 수 열 온도는 30~55℃ 사이로 온실, 공간난방, 양식장, 바이오매스 건조, 초저온 지역난방 등에 활용 가능하다.

노준석 프로는 열 재활용과 전기 및 연료에너지 유지보수 비용 절감솔루션인 ‘에너지 헌터‘의 데이터센터에 접목할 수 있는 ’개방형 냉각탑 인터체인저 애플리케이션‘과 ’수열원을 이용한 프리쿨링 애플리케이션‘을 소개했다.

냉각탑 인터체인저 애플리케이션은 개방형 냉각탑의 파울링, 탄산칼슘 침전물, 염화물 등 유해한 영향으로부터 다운스트림 냉각장비를 보호한다. 추가적으로 펌프 및 가스켓열교환기 비용이 발생하지만 투자비용 회수 기간이 2년내로 짧고 냉각수 온도는 상당히 높일 수 있는 장점이 있다.

열원을 이용한 프리쿨링 애플리케이션은 냉각기 바이패스를 이용해 프리쿨링이 가능하고 부식 문제로 인한 계획되지 않은 종료 없이 가동 시간을 향상시킬 수 있다.

노주석 프로는 “알파라발의 AHRI 인증 판형 열교환기는 FlexFlow™, CurveFlowTM, OmegaPortTM, 오프셋 가스켓 그루브 같은 알파라발만의 효율적인 열전달 핵심 플레이트 기술이 적용돼 인터넷 데이터센터(IDC)의 지속가능성 및 비용 효율성을 높여준다.“고 강조했다.