데이터센터는 24시간 365일 IT 서비스를 제공하는 곳이기 때문에 IT장비가 안정적으로 운영될 수 있도록 충분한 공조환경이 갖춰져야 한다. 최근 고밀도 IT장비들의 도입이 점차 증가하면서 공조 성능 개선 및 효율 향상을 위한 다양한 공기분배시스템과 차폐 기술이 등장하고 있고 이에 대한 다양한 연구가 요구되고 있는 상황이다.
본 연구는 고밀도 IT장비로 구성된 데이터센터의 공기분배방식별 공조시스템 성능 분석에 관한 것이며, IT장비 냉각을 위한 CRAC유닛을 정상, 비정상 운전 조건으로 구분하여 IT장비에 미치는 영향도를 데이터센터 전용 CFD 시뮬레이션을 통해 객관적으로 분석하였다. 연구결과 요약은 다음과 같다.

1. CRAC유닛 정상 운전 조건
1) 8kW/랙인 고발열 조건에서 냉기 또는 열기통로를 차폐시킨 ALT-1 ~ ALT-4 모두 ASHRAE 2011 Class A1 기준인 18℃ ~ 27℃ 온도기준을 충족시키는 것으로 나타났다.

2) 구간별로 서버에 유입되는 평균 및 최대온도 분포를 분석한 결과 ALT-1 ~ ALT-4 모두 24.0℃ ~ 24.5℃ 이내에 있었으며, CRAC유닛 공급 설정온도인 24℃에 근접하게 유지되고 있는 것으로 나타났다.

3) 이중바닥이 설치된 바닥급기방식인 ALT-1 ~ ALT-3은 다공판의 위치가 CRAC유닛과 멀수록 취출 풍량이 많았고, 가까울수록 취출 풍량이 적었다. 하지만 냉기 및 열기통로를 차폐할 경우, IT장비가 열기의 재순환없이 차가운 냉기를 충분히 공급받을 수 있기 때문에 문제는 없는 것으로 나타났다.

4) CRAC유닛 정상 운전 조건에서는 냉기통로나 열기통로 중 한부분만 차폐하여도 서버에 적정온도의 충분한 냉기를 공급할 수 있으며, 급기방식에 따라 효율의 차이가 발생하는 것으로 나타났다.

2. CRAC유닛 비정상 운전 조건(1대 fault 운전)
1) 최대 발열인 8kW/랙 조건에서 ALT-4가 SHI 0.01, RHI 0.99, RCIHI 100%, RTI 96%로 효율이 가장 높았고, ALT-1이 SHI 0.03, RHI 0.97, RCIHI 98.4%, RTI 94.3%로 효율이 가장 낮았다.

2) 바닥급기 방식인 ALT-1 ~ ALT-3은 Y=6.3m 지점에서 랙 하단부(Z=0 ~ 0.6m)의 온도 상승이 가장 높았다. 이는 랙 하부가 상부보다 전원 케이블 연결 로 기밀성이 낮고, 다공판에서 취출되는 기류의 영향을 받기 때문이다.

3) 랙 발열량이 낮아질수록 RCIHI 효율은 증가하지만 풍량 감소로 인해 RTI, SHI, RHI 효율은 오히려 감소하는 경향을 보였다. 급기온도를 낮출수록 RCIHI는 증가하였지만 공급 풍량과 온도차는 변화가 없기 때문에 RTI, SHI, RHI는 모두 동일하였다.

4) 전체 Case중에서는 ALT-4가 공조효율이 가장 높았고, 바닥급기 방식 중에서는 열기통로를 차폐한 ALT-2가 RCIHI 효율은 가장 높았지만, 에너지 효율성을 판단하는 RTI, SHI, RHI는 ALT-3가 가장 높았다.

5) 서버룸 전체 체적 중 냉기가 차지하는 비율이 ALT-4가 54%(472m3)로 ALT-1 28%(248m3)보다 1.9배나 많고, ALT-4는 이중바닥에 다공판이 없기 때문에 서버로 유입되는 공기의 유동 저항이나 압력 변화가 적어 CRAC유닛 1대 fault 조건에서 가장 안정적인 것으로 나타났다. 따라서 CRAC유닛 1대 fault 조건에서는 냉기통로보다 열기통로를 차폐하는 것이 IT장비의 온도 상승을 최소화할 수 있고, 이중바닥이 있는 바닥급기방식보다 이중바닥이 없는 측면급기 방식이 냉기공급 측면에서는 보다 유리한 것으로 나타났다.

본 연구를 통해서 차폐장치를 가진 다양한 공기분배시스템 중 열기통로를 차폐한 측면급기 + 천장환기 방식이 CRAC유닛 고장 조건에서도 비교적 안정적으로 IT장비에 냉기를 공급해주는 것을 확인하였다. 데이터센터의 냉방 계획에 있어 공기분배시스템은 매우 중요한 설계 요소이기는 하지만 건축, 전기, 통신 및 IT장비의 배치 계획과 공사비, 에너지 비용 등을 종합적으로 고려하여 합리적인 선정을 하여야 하며, 이에 대한 추가적인 연구가 수행되어야 할 것으로 판단된다.