데이터센터가 에너지 낭비 시설이라는 이미지를 탈피하고 친환경적인 미래 핵심 기반시설로 자리매김하기 위해선 데이터센터 폐열의 적극 활용을 위한 법제화와 신냉각 기술 필요성에 대한 공감대가 형성됐다.

지난 10월 31일 한국설비기술협회 데이터센터기술위원회(위원장: 연창근, 한일엠이씨)와 대한설비공학회 공조부문위원회(위원장 김선혜, 서울과기대)가 공동 주최한 ‘2023 추계 데이터센터 기술 컨퍼런스’에서 데이터센터의 폐열 재활용 및 신냉각기술에 대한 주제로 최근 데이터센터의 정부 정책, 최신 기술, 관련 장비 및 국내외 활용사례 등 세개의 섹션으로 나눠 각 분야 전문가들의 발표가 이어졌다. 세 번째 섹션 데이터센터 장비 및 제조, 기타 분야 주제발표를 요약한다.

수열원 활용 데이터센터의 냉각 시스템 소개

신성엔지니어링 김한영 이사

김한영 신성엔지니어링 이사는 ‘수열원 활용 데이터센터의 냉각 시스템 소개’ 발표에서 소양강댐 심층수 이용 IDC용 프리쿨링형 공기조화 시스템 개발 배경과 실증단지 구축 현황 및 운전 데이터를 기반으로 한 에너지 분석에 대해 발표했다.

김한영 이사는 “소양감댐은 국내 최다 심층 냉수를 보유하고 있으며 수심 30~50m 지점의 수온은 연평균 7~13℃로 안정적인 온도 유지가 가능하다.”라며 “IDC의 에너지 절약을 위해 수열에너지 활용 프리쿨링형 공기조화 시스템을 개발하게 됐다.”라고 언급했다.

신성엔지니어링은 수열원 활용 프리쿨링형 공기조화기를 적용한 DC 100RT급 실증단지를 구축하고 냉동기 및 펌프/팬 유량 대비 소비전력 변화 시뮬레이션 반영 알고리즘 구현을 통해 연중 전력효율 지수 PUE 1.2 달성, 기존 공랭식 냉동기 대비 전력사용량을 30% 이상 절감하는 실증데이터를 얻었다. 또한 실증단지에는 수열 활용에 따른 오염 및 이물질 유입방지와 취수 모니터링 시스템도 개발, 적용됐다.

이한영 이사는 “현재까지 분석한 결과, 데이터센터 내에 프리쿨링을 구성할 때 가장 소비동력을 많이 차지하는 것이 FWU(FAN WALL UNIT)이다.”라며 “공기측 온도차를 크게 하든지 하는 FWU의 소비동력을 줄일 수 있는 방안을 찾는 게 데이터센터 에너지절감을 위해서 중요하다.”라고 강조했다.

고효율 하이브리드 냉각 시스템

명태운 한국공조엔지니어링 팀장

명태운 한국공조엔지니어링 팀장은 ‘고효율 하이브리드 냉각 시스템’ 발표에서 “공기냉각에 있어서 가장 중요한 것은 효율이다”라며 공기냉각 방식과 더불어 액침냉각(LIQUID COOLING)을 하이브리드로 적용하는 방법에 대해 소개했다.

한국공조엔지니어링의 공기냉각방식인 팬 월 유닛(FAN WALL UNIT)은 장비 운송 및 설치 용이성 확보를 위한 2단 적층 구조의 현장 맞춤 모듈형 설계와 고효율 인증 EC팬 및 온습도 센서, 차압센서를 이용한 최적의 운전 효율성 확보 등을 통해 공랭식, 냉수식, 프리쿨링 모두에 적용 가능한 게 장점이다.

액체 냉각은 공랭식 서버를 액냉식 서버로 변환한 데이터센터 솔루션이며 비전도성 액체를 발열 부위(CPU, GPU, RAM 등)에 직접 분사해 냉각하는 장비로 적은 양의 액체를 사용해 냉각할 수 있어 실제로 서버냉각 시 에너지 비용을 최대 97% 절감할 수 있고 공간도 60% 이상 축소할 수 있다.

명태운 이사는 ”앞으로 데이터센터 같은 경우, 공랭식 서버랙실은 고효율 FWU와 프리쿨링으로, 고밀도칩 서버랙실은 액침냉각과 CDU, 드라이 쿨러를 하이브리드로 적용하는 방식이 전력비 절감에 효과적이다.“라고 강조했다.

데이터센터 솔루션

정남종 오텍캐리어 이사

정남종 오텍캐리어 이사는 ‘데이터센터 솔루션’ 발표에서 데이터센터에 들어가는 기본적인 베이스 솔루션을 중심으로 데이터센터의 에너지 효율을 높이면서 ESG 실현을 최적화할 수 있는 ‘캐리어의 데이터센터 솔루션’을 소개했다.

캐리어는 터보냉동기, 스크류냉동기 등 광범위하고 폭넓은 고효율 칠러 플랜트와 수냉식·공랭식 냉동기, 공조시스템을 이용한 프리쿨링 솔루션, 폐열을 재사용하는 히트리커버리 솔루션, 최적화된 설비 운영관리를 위한 디지털 솔루션을 구축, 다양한 현장에 제공하고 있다.

정남종 이사는 그동안 데이터센터에서 폐열을 사용하지 않았던 이유에 대해 “우선 온도가 낮기 때문에 폐열을 사용하려고 하는 소비자가 없다는 점과 설치비용 대비 효율이 떨어진다는 점이 크게 작용했다.”면서 “최근 히트 리커버리 시스템의 효율 향상 및 시스템 실증에 대한 레퍼런스가 증가하며 새롭게 관심을 받고 있다.”고 언급했다.

히트리커버리 솔루션은 냉난방 동시 공급이 가능하고 응축열을 재활용해 난방에 사용하는 에너지절감 시스템으로 수냉식 ·공냉식 냉동기 이용시 히트리커버리 냉동기를 이용하면 동시 냉난방 가능, 추가 냉각을 통한 냉동기 이중화로 더 높은 안전성 도모, 메인 냉동기 냉각부하 감소에 따른 냉동기 에너지 감소, 연중 고효율 운전 및 안정적인 난방 가능, 보일러 운전시간 감소로 탄소 배출량 저감 등의 이점이 있다.

또 응축열을 이용한 히트리커버리 냉동기 열회수 시 △Heat machine 효율 향상 △더 높은 온수 공급 가능 △응축수 온도를 낮추어 냉동기 효율 향상 △연중 안정적인 난방 △보일러 사용 감소에 따른 탄소 배출 저감 등의 효과를 거둘 수 있으며 응축열을 이용한 열교환기 열회수 시에는 △냉각탑 팬 동력 감소 △보일러 에너지 소비 및 탄소 배출 감소 △최소 초기 비용 △ 간단한 제어 및 동작 등의 효과를 거둘 수 있다.

데이터센터의 지열에너지를 이용한 복합열원 설계 사례

유병기 유천써모텍 상무

유병기 유천써모텍 상무는 ‘데이터센터의 지열에너지를 이용한 복합열원 설계 사례’ 발표에서 ”데이터센터는 365일 24시간 무중단 운영되는 시설로서 전산장비를 안정적으로 운영하기 위해서는 막대한 양의 에너지를 소모해 냉각 및 냉방을 하게 되는데, 이는 유지관리비가 상승되고 온실가스 배출량 증가의 원인이 된다.“라며 OO데이터센터 전산실 냉각용으로 설치된 터보냉동기의 냉각수를 지열히트펌프 열원으로 사용해 에너지절감 및 CO2 삭감 사례를 소개했다.

OO데이터센터 전산실에는 히트펌프 내에 내장된 디슈퍼히터(복합열원)를 이용해 지중 열원을 저온 유지 후 냉매가스의 과냉각 열원으로 활용해 냉방성능을 극대화시킬 수 있는 시스템을 구축했다.

유병기 상무는 ”복합열원(냉각탑 등)을 이용해 지중을 안정화하고 냉.난방 성능을 개선해 대온도차 (△t8~10℃ 이상) 및 고온수(60℃) 운전이 가능하다.“라며 ”별도의 급탕열원(보일러) 없이 지열히트펌프 1대로 냉·난방 운전과 동시에 급탕 사용이 가능하고 냉·난방 유량 감소로 운전비 및 초기투자비가 절감된다.“고 말했다.

이어 ”일반 지열시스템에 비해 온도조건 및 온도차 설정범위가 넓어 현장 적용성이 뛰어나고, 타 열원 설비와 호환이 가능하며 복합열원 지열시스템 적용으로 연간 CO2 배출량이 절감돼 온실가스 감축에도 유리하다.“고 강조했다.

SPLC(State Point Liquid Cooling) New Technology Cooling Solutions

최병남 삼화에이스 이사

최병남 삼화에이스 이사는 ‘SPLC(State Point Liquid Cooling) New Technology Cooling Solutions’ 발표에서 △공기조화기 △데이터센터 항온기 △냉동기 △SPLC 등 삼화에이스의 데이터센터 적용 라인업을 소개했다.

SPLC cooling solution은 이상적인 데이터센터 냉각방식으로 글로벌기업 Meta사와 미국 Nortek사가 공동 개발한 장비로 멤브레인을 열교환에 활용해 공기와 물을 동시 냉각할 수 있다.

최병남 이사는 “SPLC cooling solution은 △연간 전력소비량 20~30% 감소 △연간 물 소비량 20~30% 감소 △최대 전력 소비량 상당부분 감소 △대부분 지역에서 기계적 냉방 대체 △냉수 및 냉각탑 설계 대비 유지보수비용 감소 △간접시스템을 통한 데이터센터 내 습도 변화 최소화 및 외부 오염으로부터 보호할 수 있는 특장점을 구비하고 있다.”라며 “전력소비량 및 물소비량을 상당 부분 줄일 수 있고 거의 모든 기후에 적용 가능하다.”고 말했다.

데이터센터의 폐열활용 설계 사례

박배균 한일엠이씨 본부장

박배균 한일엠이씨 본부장은 ‘데이터센터의 폐열활용 설계 사례’ 발표에서 데이터센터에서 발생되는 폐열과 폐열 활용 설계사례, 폐열 활용 방안 등에 대해 소개했다.

데이터센터의 폐열은 서버를 냉각하고 나온 공기에서 취득한 열과 이 열을 낮추기 위해 공급된 냉수의 취득열 및 냉각수의 온도 강하에 필요한 열로 정의된다.

박배균 본부장은 “아직 데이터센터에서 배출되는 폐열은 전환해 사용하기에는 온도가 낮아 효용성이 떨어지는 열특성을 지니고 있기 떄문에 37℃ 내외의 공기열을 활용하기 위해서는 얼교환 및 직접 이용에 한계로 열회수 측면을 적용하는 것이 타당하다.”라며 “쓸모 없는 수준의 열을 쓸모 있는 수준의 열로 전환하기 위해서는 열펌프(heat Pump)에 의한 온도상승으로 열 사용성 측면을 강화하는 방식이 유리할 것으로 판단된다.”고 언급했다.

이어 데이터센터 폐열 활용 사례로 △미국 국립재생에너지연구소 에너지시스템통합시설 △중국 후허하오터시의 데이터센터 △스웨덴 스톡홀룸시의 데이터센터 △덴마크 오덴세시의 페이스북 등을 소개하며 “이 적용시설에서는 내부 건물 및 인근 건물에 난방 공급, 내부 건물에서 냉난방 에너지로 활용, 지역난방 열원으로 활용하고 있다.”고 말했다.

박배균 본부장은 “국내에서 폐열을 지역난방으로 이용하는 데이터센터는 아직 없다.”라며 “그 이유로 정부의 실질적인 지원이 매우 제한적이고, 미활용에너지에 관한 법령(Renewable Heat Certificate, 에너지이용합리화자금, 집단에너지사업법 등)이 미흡해 데이터센터 폐열을 난방용으로 활용하는 것은 집단에너지사업자와 수급 계약을 통해서만 가능하므로 현재 국내 상황에서 지역난방열 공급은 사실상 불가능하다.”라고 지적했다.

이어 친환경적인 데이터센터 구축을 위해서는 △에너지 낭비 시설이라는 이미지 탈피 △ 데이터센터 폐열의 적극적 활용 노력 △정부정책과 연계한 데이터센터 폐열 회수 방안 법제화 △데이터센터 주변에 폐열을 적극적 활용 등의 필요성을 제기했다.

데이터센터 냉각시스템 폐열 활용방안

조진균 한밭대학교 교수

조진균 한밭대학교 교수는 ‘데이터센터 냉각시스템 폐열 활용방안’ 발표에서 “글로벌 데이터센터 시장 성장의 저해 요인은 가용 전력이 부족하다는 점으로 충분한 전력 확보가 최우선 과제”라며 “하지만 제한된 전력 가용성에도 불구하고 북미, 유럽, 라틴아메리카, 아시아 태평양 4개 지역 모두에서 새로운 데이터센터 사업 진행이 활발히 진행중이다.”라고 언급했다.

이어 “IT기술 발전과 관련 사업자의 고성능 컴퓨팅의 높아진 전력밀도 요구사항을 충족하는 용량을 제공하기 위해서는 데이터센터 설계 및 기술 혁신이 필요하다.”고 강조했다.

데이터센터는 4차산업의 꽃인 반면 △특고압 송전로 및 데이터센터 주변에 발생하는 전자파 △냉각 및 비상발전 과정에서 발생하는 환경오염 △데이터센터 인근의 일조권 및 조망권 침해 △막대한 전력사용으로 인한 엄청난 양의 온실가스 배출 △열섬 현상 등으로 인해 혐오시설로 인식되고 있다.

조진균 교수는 ”발상의 전환으로 막대한 전력이 필요한 데이터센터 특성을 역이용하면 그만큼 폐열도 많이 발생하므로 이 폐열을 재이용해 지역사회에 환원할 수 있다면 혐오시설이라고 인식되던 이미지를 개선할 수 있는 계기가 될 것“이라고 말했다.

데이터센터 IT장비에 공급되는 전력의 약 40%는 IT장비 발열 제거 및 냉각을 위한 CRAC/H(Computer Room Air Conditioning/Handling) 시스템에서 소비되며 이로 인해 연중(7/24/365) 일정한 상당한 양의 폐열이 발생한다. 하지만 데이터센터 폐열은 품질이 낮기 때문에 폐열을 회수하고 재사용하는 것이 핵심이다.

조진균 교수는 데이터센터 폐열 활용을 위해서는 우선 연중 발생하는 상당한 양의 폐열 수요처로 대규모 아파트 단지 및 지열열원 네트워크 연계를, 별도 에너지를 투입해 폐열 품질을 상향하지 않는 대상으로 급탕(연속성 Yes) 및 난방(동절기 only No)을, 최대한 단순한 폐열 재활용 시스템 구성으로 폐열의 낮은 품질이 허용되는 급탕 예열(ΔT=5°C) 활용을 제시했다.

대규모 아파트 단지 및 지열열원 네트워크 연계한 데이터센터 폐열 적용성 평가 결과, 데이터센터 폐열을 지역열원 네트워크로 연결하기 위한 공급 손실을 약 30%로 가정할 때, 냉각탑 1대당 활용가능한 폐열량은 평균 5,737 kWh로 발생되는 폐열량을 기준 예열부하의 수용 가능한 세대수는 27,000세대(5,670 Kwh)이며 급탕에너지 사용량의 평균 12.5% 에너지 절감이 가능할 것으로 분석됐다.

조진균 교수는 ”향후 분석된 결과를 기반으로 지역열원 시스템에 연결하기 위해 예열 열교환기의 용량을 기반으로 실제 공동주택의 적용 가능성 분석이 필요하다.“고 언급했다.