차세대 전력 & 쿨링 ‘시선 집중’
전 세계적으로 에너지 절감이 화두로 떠오르며 국내에서도 IT운영에 있어 에너지 소모를 줄일 수 있는 방안 모색에 한창이다. 특히 에너지를 잡아먹는 거대한 공룡으로 불리고 있는 데이터센터의 에너지 소모량 감소에 관심이 높아지고 있다.
하지만 비즈니스의 근본인 서버의 수를 줄일 수도 없고, 기존 설비를 완전히 뜯어내고 재구축하기도 어렵다. 따라서 가장 최소의 비용으로 전기요금 및 IT소비전력을 줄일 수 있는 방법인 차세대 전력과 쿨링 시스템에 관심이 집중되고 있다.
데이터센터에서 소모되는 전력 비용은 어마어마하다. 이 비용의 1%만 줄일 수 있어도 연간 절감되는 전기비는 상상을 초월한다. 쿨링 역시 마찬가지. 갈수록 고집적화되어가는 설비들이 내뿜는 쿨링 시스템에 들어가는 비용 역시 기하급수적으로 증가하고 있어 이를 효과적으로 절감할 수 있는 새로운 시스템 및 구성방안이 절실하다. 또한 에너지 절감은 비단 데이터센터만이 아니라 웬만한 기업 전산실에도 모두 적용되는 개념이기 때문에 에너지 절감 효과가 높은 전력과 쿨링 비용을 줄이기 위한 새로운 시스템에 업계의 이목이 집중되고 있다.
차세대 전력과 쿨링 시스템은 어떤 것들이 있으며 어떻게 구성돼 있는지 살펴본다. <편집자>
- 1부 _ 국내 차세대 전력 & 쿨링 특징과 시장현황
- 2부 _ 국내 차세대 전력 & 쿨링 기술동향
제 1 부 국내 차세대 전력 & 쿨링 특징과 시장현황
차세대 데이터센터 포인트, ‘저전력·쿨링 실현하라’
친환경·에너지 효율·저전력 등 관건 … APC·에머슨 등 시장 양분
전기소모를 조금 더 줄일 수 있는 방법은 없을까? 보다 환경친화적인 제품을 구성할 수 없을까? 에너지를 줄이면서 공해 등을 절감할 수는 없을까? 이런 여러 가지 해결 요소로 ‘그린IT’가 화두로 부상하고 있다.
그린IT를 실현하는 가장 큰 수요처로 지목되고 있는 데이터센터는 에너지를 줄일 수 있는 가장 효율적인 방안으로 전력과 쿨링 시스템을 꼽는다. 전력비용을 줄일 수 있는 UPS, 핫스팟을 효과적으로 제거할 수 있는 쿨링 시스템 도입 등 연간 소비되는 엄청난 에너지 비용을 줄일 수 있는 방안 마련에 한창이다.
국내 기존 인터넷데이터센터들도 지은 지 약 10년 이상된 노후화된 설비들이 많아 보수나 신규 건축하기보다는 차세대 전력과 쿨링 시스템을 도입해 비용을 절감하는 방법에 관심이 높다. 현재 국내에는 지능형 UPS, 쿨링 시스템을 제공하는 업체로 APC와 에머슨 그리고 국내 업체인 이화전기 등이 선전하고 있다. 차세대 전력 & 쿨링 시스템을 실현할 수 있는 제품들과 이를 공급하는 업체들의 현황을 통해 향후 시장을 전망해본다.
| 장윤정 기자·linda@datanet.co.kr |
각종 애플리케이션과 첨단 IT인프라가 공존하는 데이터센터는 IT 시스템의 핵심적인 역할을 수행할 것으로 기대되며 IT업체들에게 최대의 수요처로 떠오르고 있다. 기존 통신사업자의 인터넷 데이터센터뿐만 아니라 최근 대기업 등을 중심으로 자체 데이터센터 설립이 속속 진행되며 데이터센터는 21세기 IT산업의 핵으로 부상하고 있다.
이렇게 늘어가는 데이터센터의 숫자와 함께 엄청난 전력을 소모하는 데이터센터의 에너지소모를 줄일 수 있는 방안 대한 국가적, 전 세계적인 고민도 늘어나고 있다.
에너지 절감=그린IT(?)
얼마전까지만 해도 IT시스템에 사용된 에너지 비용이 얼마인지에 대해 사용자들은 그다지 관심이 없었다. 그러나 고유가시대를 맞아 소비전력과 전기요금이 상승하면서 에너지 비용은 경비 절감 방법을 찾고 있는 경영진에서부터 일반사용자까지 모두 관심의 대상이 되고 있다. 특히 국내에서는 고유가 시대의 난관을 타개하기 위한 방법으로 ‘에너지 절감= 그린IT’라는 용어가 화두로 떠오르고 있다.
한 업계의 전문가는 “전 세계적으로 그린IT에 관심이 높아지고 있지만 국내에서는 친환경이라는 의미보다 에너지 절감이라는 쪽으로 더 무게중심이 쏠리고 있다”며 “하지만 RoH S(Restriction of Hazardous Substances)나 각종 친환경 규제들이 글로벌하게 적용되고 있는 등 에너지 절감은 단순히 운영비용을 몇푼 아낀다는 의미가 아니라 장기적으로 기업의 생존을 위해 반드시 실현해야할 미션”이라고 언급하고 있다.
또한 서버 등 시스템 벤더들이 데이터 처리를 위한 시스템의 성능을 높이기 위해서 CPU의 경우 무차별적으로 클럭 속도를 증가시키는 형태의 경쟁이었으므로, 이로 인해 발열량이 늘고, 전력도 많이 사용하게 됐다. 이 결과 동일한 면적에서 작게는 50%, 많게는 3배 이상의 발열량과 전력소비량을 고스란히 데이터센터가 떠안게 된 것이다.
IT환경이 급변하도 있지만 새로운 서버를 구매하는 데 소요되는 비용은 큰 변동이 없다. 이에 비해 파워와 쿨링을 위해 투자돼야 하는 비용은 2006년을 기점으로 시스템을 구매하는 비용을 초과하기 시작하고 있다.
데이터센터의 산업특성상 고용량의 전력설비, 항온항습설비를 다수의 고객이 공유하는 형태이므로, 서버가 소비하는 전력을 제외한 전력비용에 대해서 고객에게 청구하는 것이 현실상 어렵다. 이런 문제 때문에 데이터센터 사업자들은 지속적으로 증가하고 있는 서버 전력과 이를 위해 쿨링 등에 들어가는 시설에 대한 투자 및 운영비용을 모두 부담하고 있는 상황이다. 따라서 상면과 전력, 냉각 부족 등의 골칫거리를 떠안고 있는 데이터센터들은 이를 효과적으로 해결할 수 있는 방향으로의 제품을 도입하는데 주력하고 있다.
물론 단순히 상면이 부족하면, 데이터센터를 확장하고, 전력과 냉각용량이 부족하다면 전력용량을 늘리고, 항온항습기를 추가하면 나열된 문제들이 해결될 수 있다. 하지만, 물리적으로 증설된 장비들은 그에 비례해서 에너지를 소모하게 되고, 이것만으로는 IT를 유지하는데 과도한 비용이 소요되어 TCO의 문제를 그대로 떠안게 된다.
즉, ‘얼마나 많은 고집적화된 시스템들을 위한 전력량을 적절한 온도와 습도를 유지하며 공급해줄 수 있는지’에서 ‘얼마나 많은 전력량을 효과적으로 잘 공급해줄 수 있을지’까지 고려돼야 한다는 것.
IDC에 의하면, 전원 및 쿨링 문제에 대해 전원 및 공조 모두 문제 있다는 응답은 서버룸 등을 사용하는 소형 사용자와 대형 데이터센터 사용자 모두에서 33~35%로 높게 나타 났다.
EYP 미션 크리티컬에서 조사한 바에 의하면, 데이터센터 전원의 사용 현황에서 IT설비가 차지하는 비중이 50%, 쿨링이 25%, 공기 청정 12%, 전기 및 전압 UPS 10%, 조명 3% 등으로 전력과 쿨링에 약 35% 가량이 소모되고 있음을 알 수 있다. EYP 미션 크리티컬은 에너지의 낭비 요소로 예비 장비의 팬, 케이블용 개구부, 기계실 구조 등의 공기흐름을 저해하는 요소, 습도 제어 부족, 뜨거운 공기와 찬 공기의 혼합 등을 주요인으로 꼽았다. 따라서 쿨링 전원만 감소시켜도 IT 가용량을 22% 이상 증가시켜 동일한 전원 용량으로 IT 시스템에 더 많은 전원 자원을 할당할 수 있다고 주장했다.
이렇게 대표적인 IT전산 장비를 운영하는 데이터센터의 현황을 봐도 알 수 있듯이 전력과 쿨링을 효율적인 장비로 대체해 에너지를 아껴야한다는 위기의식이 시급하다.
효율적 핫스팟 제거· 고효율 제품 ‘중심’
최근 자사 데이터센터 5층을 차세대 데이터센터로 전환한 호스트웨이, 목동에 신규 데이터센터를 구축하고 있는 KT 등 대형 IDC들은 모듈타입의 UPS와 쿨링 시스템 등으로 필요시마다 확장하는 방안을 선호한다고 응답했으며, 이중마루 설치, 외기 쿨링 시스템의 도입 등을 최근 차세대 데이터센터의 필수 설치 조건이라고 꼽고 있다. 물론 에너지 효율이 높은 제품을 도입하는 것은 기본이고 찬공기와 뜨거운 공기를 분리해 핫스팟 지역을 효과적으로 제거할 수 있는 쿨링시스템 등을 기본으로 선택하고 있다.
핫스팟은 주로 랙의 상부 혹은 후면에 나타나며, 냉각된 공기가 제대로 공급되지 못할 경우에는 뜨거운 공기가 계속 재순환돼 온도가 점점 올라가는 악순환이 일어나기도 하는 현상을 말한다. 이런 핫스팟 지점이 많으면 공기의 순환을 방해해 아무리 찬 공기를 계속 주입해도 효과적인 쿨링이 구현되기 어렵기 때문에 핫스팟을 가능한 발생시키지 않도록 시스템을 배열하거나 핫스팟이 생기지 않도록 고안된 랙을 구매하는 추세다.
최근 가장 흔히 쓰이는 방식은 서버시스템의 프론트와 리어(Rear)를 서로 마주 보도록 배치하는 형태다. 마주 보도록 배치하면 공기의 흐름을 방해하지 않아 찬 공기와 뜨거운 공기를 분리시켜 고밀도 장비하에서 효율 높은 냉방이 지속되도록 한다. 또 랙과 천정 사이의 높이를 최대한 줄여서 핫 아일의 더운 공기가 랙의 상부를 통해 콜드 아일로 전달되는 현상을 최소화한다.
이외에 액세스 플로어의 높이를 높여서 설계할 수 있도록 한다거나 열 손실을 최소화하기 위한 배치에 대해서도 꾸준히 연구가 진행되는 상황이다.
한편 UPS 측면을 살펴보면 대부분이 축전지(배터리)를 이용하는 스태틱(Static) UPS와 다이내믹(Dynamic) UPS 두 가지가 널리 사용되고 있으며, 대표적인 장점은 일반적으로 많이 사용돼 안정성 등이 검증돼 있다. 반면 단점은 초기도입비용이 비싸며, 추가 증설 시 상당한 기간이 소요된다는 점이다.
반면 모듈형 UPS는 초기 구입시 비용부담이 적고, 부하의 증가량에 따라 UPS를 쉽게 추가할 수 있다. 사용할 부하만큼 구매하여 사용할 수 있으므로, 대용량 UPS구입시 현재 사용하지 않는 부하량 만큼의 유지보수비용이 없다. 또 UPS의 고장, 장애, 작업자의 실수 등으로 인한 전원 장애 시 해당 UPS가 담당하고 있는 구역의 장애로 한정될 수 있어 장애 발생에 쉽게 대처할 수 있다.
UPS뿐만 아니라 항온항습기에도 모듈 타입이 선호되고 있다. 전통적인 방식의 데이터센터의 항온항습시스템은 ‘일정면적+일정수량의 IT장비+기타 열량을 가지는 조건들(사람, 조명, 등) = 총 열량 kcal’를 냉각시키기 위해서 공용항온항습시스템이 운영되고 있다. 하지만 이러한 구성은 평균열량을 초과하는 구역에서 발생하는 열량(핫스팟)을 냉각시킬 수 없는 단점이 발생하게 된다. 이럴 때, 모듈타입의 항온항습기(APC나 에머슨 등)를 과다한 열량을 방출하는 구역에 도입함으로서 국부적인 발열이 전산실 전체로 확대되는 것을 막는다.
또한 예전에는 장비의 손상을 우려해 공랭식 방식의 쿨링을 선호했으나 최근에는 물을 사용하는 수랭식이 보다 발열에 효과적이라며 수랭식 쿨링 시스템이 등장하는 추세다. 최근 IBM같은 경우는 물이 공기에 비해 최대 4천배까지 효과적이라며 서버에 수랭식 쿨링을 장착하기도 하는 등 수랭식이 선호되고 있다. 간혹 장비 손상을 우려하기도 하지만 공급업체들이 수랭식 방식의 안전한 설치 및 운영을 보장하고 있어 크게 걱정할 것은 없다.
또한 랙과 랙 사이에 쿨링 시스템을 두거나 천장 등에 보조 쿨링 장치를 둬 보다 효과적으로 핫 스팟을 방지하는 시스템도 인기다. 공기 흐름과 순환을 돕는 이중마루의 설치도 데이터센터의 기본으로 자리잡고 있다.
고객 맞춤형 솔루션·모듈형 제품 ‘인기’
한편 가을이나 겨울 등 4계절이 뚜렷한 국내 환경에서는 동절기에 외부의 찬 공기를 사용해 데이터센터 냉방을 보충하는 ‘무동력 냉방(Free Cooling)’ 즉 에코노마이져 장비를 설치하는 것도 인기다.
에코노마이져 시스템에는 외기 도입형과 외기를 이용한 열교환(냉각수 이용)형의 두 가지 기본 유형이 있는데 외기 온도 18도 이하가 되면 에코노마이져를 쓸 수 있다. 그러나 국내의 대기상태가 그다지 좋지 않고 겨울에 지나치게 온도가 내려갈 때도 있어 공기정화 필터 등을 설치, 공기 상태를 제어하는 것이 필수라고 관련전문가들은 지적한다. 최근 건립된 롯데정보통신, 호스트웨이 등의 데이터센터에서 에코노마이저를 적용한 쿨링시스템으로 친환경 및 에너지 절감을 실현했다.
호스트웨이 박흥배 센터장은 “향후 전통적인 방식의 운영모델 + 모듈 타입의 UPS나 항온항습기들이 적용될 것”이라며 “이와 더불어 그린IT로 대변되는 전력효율화를 제공하는 설비에 대한 관심이 점차 증가되는 추세”라고 말했다.
현재 국내 데이터센터 등에 공급되고 있는 UPS와 쿨링 시스템 등은 거의 APC와 에머슨 등의 제품들이다. 양사 모두 UPS와 쿨링 등 전 제품라인을 보유하고 있지만 UPS는 APC 제품이 강하고 쿨링 시스템은 에머슨이 특화됐다고 전문가들은 평가하고 있다. 또한 솔루션과 가격 경쟁력 등에 밀려 거의 국내 기업들이 사라진 상황이지만 이화전기 등이 자체 개발한 UPS 시스템을 공공기관 등에 공급하며 나름대로 좋은 성과를 올리고 있다.
APC코리아(대표 오영수)의 APC 인프라스트럭쳐(Infrastruxure)는 고객주문형(On-demand) 방식의 물리적 기반시설로 고객 맞춤형 솔루션이라는 점을 내세운다. 전원, 쿨링, 랙, 물리적 보안, 소프트웨어와 서비스 등을 통합하는 인프라스트력쳐 설비는 표준화된 모듈형으로 구성돼 장비 설치 시 기존의 제품보다 빠르게 설치 가능하며, 확장 및 이전 시에도 기존의 제품보다 뛰어난 유동성을 보여주는 컴포넌트다.
APC코리아 천재홍 상무는 “UPS, 트레이, 분전반 그리고 관리에 이르기까지 통합 개념으로 들어가는 온디맨드 방식을 지향한다”라며 “또한 APC는 최근의 트렌드인 모듈형 UPS와 수랭 방식의 쿨링 등을 위주로 공급, 고객 요구에 가장 앞선 기술을 제공하고 있다”고 강조했다.
또 천 상무는 “APC의 표준화 및 모듈화를 통해 향후 확장이 쉽고 변해가는 환경에 맞춰 데이터센터의 물리적 기반시설의 아키텍처를 쉽게 확장할 수 있다”며 “즉, 초기부터 과대한 데이터센터를 운영하느라 낭비되는 전력소모를 효과적으로 절감할 수 있다”고 강조했다.
APC가 최근 선보인 데이터센터의 전원분배장치(PDU)를 포함하는 UPS 장치 ‘시메트라 PX 160kW(Symmetra PX 160kW)’는 기존 제품에 비해 두 배의 파워를 공급해주면서도 배터리 수명은 더 길어져 효율적이다.
이 제품은 런타임 또한 25% 더 길어졌고, 배터리/바이패스/랙의 완성도를 높여 공간활용도 역시 63%나 높였다. 대용량 모듈로 구성된 모듈 시스템으로 보다 쉽고 효율적인 서비스를 제공한다. 확장성이 좋기 때문에 높은 전원 밀도와 효율적인 전원분배를 통해 전체 비용을 감소하고 설치시간 단축 및 시스템의 가용성을 높였다는 특징이 있다.
이외에도 배선실과 서버룸을 위한 인로우 냉각장치 ‘인프라스트럭처(InfraStruXure) 인로우 SC’, 고밀도 장비를 포함하여 중형에서 대형 데이터센터를 위한 인로우 냉각장치 ‘인프라스트럭처 인로우RC’, 고밀도 장비를 포함해 중대형 데이터센터를 위한 인로우 냉각장치 ‘인프라스트럭처 인로우RP’, ‘스마트-UPS RT’, ‘시메트라 MW’ 등 다양한 제품라인을 갖추고 있다.
공간 절약형 제품으로 인지도 ‘강화’
한국에머슨일렉트릭(대표 사라 양 보스코)의 ‘리버트(Liebert) 시리즈’는 ‘리버트 DS 항온항습기’와 맞춤형 쿨링 아키텍처를 제공하는 ‘리버트 XD’ 등으로 구성된다.
리버트 DS 항온항습기는 상·하향식, 공랭식, 수랭식, 글리콜 방식, 듀얼 쿨링 등의 기능을 제공하며 항온항습기 간 통신기능으로 그룹운전을 통해 다양한 전산실의 조건을 능동적으로 인식하고 조절할 수 있다. 다양한 컴프레서, 그룹운전, 적외선 가습기, 프리미엄 에피션시(Premium Effi ciency) 모터, 가변용량 팬 모터, 팬 스피드 조절 실외기, 듀얼 쿨링, 프리 쿨링 등으로 기존 대비 30% 이상의 에너지 절감 효과를 낼 수 있는 것이 특징이다.
맞춤형 쿨링 아키텍처를 제공하는 리버트 XD는 천장에 설치하는 XDO, 랙 상부에 설치하는 XDV 랙간 설치가 가능한 XDH 등으로 구성되며 고밀도 전산장비를 위한 보조 쿨링 시스템이다. 기존 건물 냉수 사용 또는 공랭식 실외기를 선택해서 사용할 수 있다. 천장 설치형은 전산실의 상면을 점유하지 않아 더 많은 전산장비를 도입할 수 있어 전산실 상면관리에 효과적이다.
냉매로 물 대신 ‘R134a’를 사용함으로 전산실 내부의 누수 사고를 원천적으로 봉쇄하고 불의의 사고로 냉매가 누출돼도 공기와 접촉 시 즉시 기화됨으로 전산장비를 보호할 수 있으며 동일 용량의 항온항습기 대비 30%의 에너지 절감 효과를 낸다. 발열 문제로 사용하기 어려운 블레이드 서버, 1U 서버를 랙에 모두 채워서 사용함으로써 전산실 상면 활용률을 높일 수 있으며, 핫스팟 제거에 효과적이다.
한국에머슨 오세일 사업본부장은 “보조쿨링 장비도 전력을 소모하기 때문에 보조쿨링을 도입하면 전기소모가 늘어날까 걱정하는 고객들도 있지만 리버트 XDO는 소모 전력을 최소화하는 동시에 필요에 따라 천정, 랙상부, 랙사이 등의 방식으로 설치할 수 있어 상면을 넓게 활용시켜주기 때문에 전체적으로 보면 데이터센터에 이익이다”라고 말했다. 또 그는 “에머슨의 차세대 쿨링 시스템에 대한 인지도가 아직 높지 않아 인지도를 높이며 사용의 필요성을 유도할 방침”이라며 “글로벌한 고객의 요구를 해결해 줄 수 있는 대응력과 제품의 신뢰성을 바탕으로 승부할 계획”이라고 덧붙엿다.
이화전기, 국산 UPS 명맥 유지
지난 1958년 설립된 이화전기(대표 김종환)는 오랜 역사를 바탕으로 국내업체로서 국산 UPS의 명맥을 굳건히 이어가고 있다.
이화전기의 기술로 개발된 ‘에투스(ETUS)’는 입출력 써지에 대한 UPS 보호, 모듈 방식 구성으로 시간과 비용을 절감하고 내부 변압기를 제거해 소형, 경량화를 실현했으며 터치스크린 및 컬러 LCD를 통한 사용자 인터페이스 등이 특징이다.
이화전기 영업전략부 쿨링시스템 이주광 팀장은 “50년 UPS 명가로서의 자존심을 지켜가는 이화전기는 공공, 군 등에 꾸준히 제품을 납품하며 좋은 실적을 올리고 있다”며 “외산 업체에 잠식된 국내 UPS 시장에서 제품의 신뢰성과 믿을 수 있는 사후관리 등을 강점으로 고객들에게 제품의 우수성을 알려나갈 것”이라고 밝혔다.
이 팀장은 “외산제품이 거의 중국 등에서 OEM으로 생산됨에도 불구하고 글로벌 인지도라는 명목하에 외산제품을 구입하려 하지만 부품이나 조립 공정에서 국산제품에 비해 떨어지는 부분이 많다”며 “오히려 순수 기술로 국내에서 개발된 에투스가 보여줄 수 있는 제품 신뢰성에 자신있다”고 강조했다.
이화전기는 현재 APC의 쿨링 시스템을 자사 UPS 등과 함께 공급하고 있지만 연내 자사가 직접 개발한 쿨링시스템을 출시할 예정이다. 워터사이드형 에코노마이져 제품이 될 예정인데 이에 대해 이 팀장은 “겨울에는 냉매의 온도가 너무 떨어져 에어콘 등의 시스템으로도 별로 효과가 없고 공기오염도가 높은 외부 공기를 유입시키는 에어사이드형도 별로 좋지 않다고 판단해 자동차 부동액 ‘에틸론그리콜’을 활용한 워터사이드형 에코노마이져를 개발, 곧 출시할 계획이다”고 밝혔다.
또한 이화전기는 오랜 역사를 통한 노하우와 함께 전국 지점을 보유한 사후관리 능력을 최대의 장점으로 내세운다. 고객을 최우선에 둔 사후관리 시스템의 강화로 국내 UPS 장비의 장점을 지속적으로 알린다는 방침이다.
제 2 부 국내 차세대 전력 & 쿨링 기술동향
데이터센터 에너지 효율화위한 다섯 가지 전략
밀폐·송풍최적화·보조 쿨링으로 쿨링 효과 ‘UP’ …쿨링 변경으로 에너지 절감 ‘OK’
최근까지만 해도 IT 시스템에 사용된 에너지의 비용에 대한 관심이 많지 않았다. 그러나 소비전력과 전기 요금이 상승함에 따라 에너지 비용은 경비 절감 방법을 찾고 있는 경영진으로부터 더 많은 주목을 받고 있다. 사실 에너지 비용은 이제 데이터센터 위치나 설계에 관한 의사결정을 할 때 중요한 요인 중 하나가 됐다.
오 세 일
한국에머슨일렉트릭 사업본부장 / james.oh@emerson.com
데이터센터 에너지 50% ‘IT시스템에 소모’
데이터센터 사용자 그룹(Data Center Users Group)이 최근 실시한 설문조사에서 응답자의 42%가 데이터센터 에너지 효율을 분석한 적이 있거나 현재 분석 중이라고 답해, 데이터센터 에너지 효율이 업계의 우선적인 과제로 빠르게 부상하고 있다고 한다. 응답자들은 냉방 장비 영역(49%), 서버(46%), 전원 장비(39%) 및 스토리지(21%)에서 에너지 효율을 대폭 개선할 기회가 있는 것으로 인식했다.
여기서는 전원, 쿨링 및 조명과 같은 필수적인 지원 시스템에 소모되는 나머지 50%에 초점을 맞춘다. IT 시스템 자체 다음으로, 쿨링 시스템은 데이터센터 전기 사용의 37%를 차지해 데이터센터에서 가장 많은 에너지를 소모하는 부분이다.
쿨링 시스템에 대한 수요는 서버 밀도가 전례 없는 수준으로 상승한 최근 몇 년간 엄청나게 증가했다. 이 변화로 인해 쿨링 시스템 용량 증가에 대한 요구가 분출됐을 뿐만 아니라 데이터센터 냉방에 대한 기존 접근방식의 비효율성을 노출시키기도 했다. 결국 냉방은 이제 많은 설비에서 IT 장비 부하 감소 다음으로 IT 비용 절감을 위한 두 번째 기회로 인식되고 있다.
이 절감은 매우 클 수 있다. 예를 들어, 부대설비 시스템이 대략 IT 시스템과 같은 전력량을 소모한다고 가정할 때 3MW의 IT 설비는 6MW의 전력을 필요로 한다.
전기 요금이 시간당 0.1달러라면 이 설비의 총 연간 에너지 비용은 525만달러이다(600달러 /시간 × 8,765시간). IT 부하가 10% 감소하면 105만달러가 절감되며, 쿨링 시스템 효율을 30% 높이면 약 58만달러가 절감된다.
이제부터 데이터센터의 에너지를 절감할 수 있는 5가지의 적절한 방법을 차례대로 살펴본다.
1. 데이터센터 환경의 적절한 밀폐
바닥, 벽 및 천장을 통한 냉방 손실 또는 전산실 외부에서의 습도 유입으로 쿨링 시스템 효율이 감소한다. 그러므로 데이터센터는 일반 건물과 외부 환경으로부터 가능하면 확실히 격리돼야 한다. 항상 문을 닫아 두고 방을 밀폐해 데이터센터를 외기에서 분리해야 한다. 밀폐는 데이터센터 환경을 유지하기 위한 가장 저렴하고 중요한 수단이며 특히 적절한 습도 수준을 유지하기 위해 특히 중요하다.
데이터센터의 습도가 너무 높으면 양도성 칩 문제(CAF), 흡습성 먼지 문제(HDF), 테이프 미디어 오류 및 과도한 마모와 부식이 발생할 수 있다. 이러한 위험은 상대 습도가 55% 이상으로 증가하면 기하급수적으로 증가한다. 습도가 너무 낮으면 정전기 방전(ESD)이 증가해 장비가 손상되거나 운전에 악영향을 끼칠 수 있다. 또한 낮은 상대 습도에 노출되면 테이프 제품과 미디어에 과도한 오류가 생길 수 있다.
ASHRAE는 데이터센터 환경에 최적의 상대 습도를 40~55%라고 정의했다. 컴퓨터실 항온항습기(CRAC)는 필요하면 가습이나 제습(두 가지 모두 에너지를 소모함)을 통해 습도를 제어한다. 효과적인 밀폐를 통해서 가습이나 제습에 필요한 에너지의 양을 줄일 수 있다.
이는 효율을 높이기 위한 계획의 첫 단계이다. 전산실이 적절히 밀폐되지 않으면 효율을 개선하기 위한 모든 다른 방법의 효과가 떨어진다.
2. 송풍의 최적화
전산실이 밀폐되면 다음 단계는 효율적인 송풍경로를 확보하는 것이다. 목표는 최소의 에너지만 사용하면서 장비에서 최대한 많은 양의 열을 제거하는 것이다. 공기 흐름을 최적화하려면 랙 구성, 공조기 배치 및 케이블 관리를 평가 및 최적화해야 한다.
·랙 배열
오늘날 제조되는 대부분의 장비는 전면을 통해 공기를 끌어들이고 뒤쪽에서 배출하도록 설계돼 있다. 따라서 장비 랙을 핫 아일(Hot Aisle)과 콜드 아일(Cold Aisle)이 형성되도록 배열할 수 있다. 이것은 랙들을 서로 마주 보게 배열하고 마주 본 랙들의 전면에서 콜드 아일의 찬 공기를 끌어들이게 하는 방식이다. 두 열의 더운 공기가 핫 아일로 배출되므로 항온항습기로 복귀되는 공기의 온도가 상승하여 항온항습기를 더 효율적으로 운전시킬 수 있다<그림 1>.
이 접근방식은 찬 공기와 더운 공기가 섞이지 않을 때 가장 효과적이다. 그러므로 이중마루 다공판은 핫 아일에서 제거되고 콜드 아일에만 사용된다. 빈 패널(Blank Panel)을 사용해 랙의 빈 공간을 채움으로써 더운 공기가 랙을 통해 다시 유입되지 않게 해야 한다.
찬 공기가 대개 랙의 후면에 있는 케이블 구멍을 통해 핫 아일에 유입되지 않도록 적절한 마감재를 사용해야 한다.
리턴되는 더운 공기를 천정속 닥트를 이용해 항온항습기로 끌어가는 방법도 더운 공기와 찬 공기가 서로 섞이는 것을 방지하는 매우 효과적인 방법이다.
· 항온항습기 배치
핫 아일/콜드 아일 방식을 사용할 때 항온항습기는 공기 이동을 줄이고 더운 공기가 공조기로 복귀할 때 찬 공기에 끌려 내려가지 않도록 항상 핫 아일에 수직으로 배치해야 한다. 천정 속 리턴 닥트는 더운 공기와 찬 공기의 섞임을 최소화하는 데 효과적일 수 있다.
· 케이블 관리
데이터센터가 수용해야 하는 서버 수가 폭발적으로 증가함에 따라 많은 센터에서 케이블 관리가 당면 과제로 떠올랐다. 케이블을 제대로 관리하지 않으면 다공판을 통한 공기의 공급을 방해하고 랙 후면으로 공기가 배출되지 않게 한다. 그러므로 수시로 이중마루 아래 공간을 확인해 케이블 포설이나 배관으로 인해 공기 흐름이 막히지 않는지 확인해야 한다.
3. 에코노마이져를 사용해 무동력 냉방(Free Cooling) 실현
많은 지역에서 동절기에 외부의 찬 공기를 사용해 데이터센터 냉방을 보충하는 ‘무동력 냉방(Free Cooling)’을 활용한다. 이 방법은 에코노마이져 장비를 사용해 실현된다.
배틀 래보레이토리(Battelle Laboratories)가 실시한 건물 관리 시스템 연구에서는 에코노마이져가 있는 건물의 난방 및 냉방 에너지 사용이 에코노마이져가 없는 건물에 비해 평균 13% 더 낮은 것으로 밝혀졌다.
에코노마이져 시스템에는 외기 도입형과 외기를 이용한 열교환(냉각수 이용)형의 두 가지 기본 유형이 있다. 기후, 법령, 성능 및 취향에 따라 특정 프로젝트에 맞는 유형을 선택해야 한다.
4. 실내 공조기의 효율 향상
항온항습기의 효율을 향상하려면 다음 세 가지 요소가 중요하다.
● 부분 부하시 얼마나 효율적으로 운전되는가
● 잠열대비 현열을 얼마나 효율적으로 제거하는가
● 다수의 장비가 얼마나 조화롭게 운전되는가
· 부분 부하에서의 효율 향상
데이터센터는 냉방 시스템 여유분을 어느 정도 갖도록 설계된다.
즉, 장비가 항상 100% 미만의 부하에서 운전하므로 일상 운전 상태에서 더 효율적으로 작동하도록 시스템을 설계할 수 있다는 것이다. 운전 상태가 안정되지 않으므로 운전조건에 따라 용량을 변동시키는 방법이 필요하다.
직팽식(공랭식, 수랭식/글리콜) CRAC에서 가변 용량을 제공하기 위한 여러 가지 접근방식이 있다. 가장 널리 사용되는 두 가지 방식은 4단 압축기 언로드와 디지털 스크롤(Digital Scroll) 압축기 기술이다.
4단 압축기 언로드라는 개념은 장비내의 일부 실린더에 대한 냉매의 흐름을 차단하여 용량을 제어하는 개념인데 압축기를 켰다가 끌 필요성을 최소화하는 방식이다. 언로드는 기본적으로 압축기 가동 지점을 변화시키므로, 이 방식을 이용하면 냉방 시스템이 낮은 부하에서 더 효율적으로 운전할 수 있다. 예를 들어, 압축기 2개가 언로드된 상태에서 운전하는 시스템은 완전히 로드된 시스템의 에너지의 약 50%를 소모하지만, 응축기와 증발기는 전체 사이즈를 이용하기 때문에 전체용량의 약76%의 용량을 제공한다. <그림 2>는 압축기 언로드를 통해 달성할 수 있는 효율 개선을 나타 낸다.
디지털 스크롤 압축기 기술은 용량과 소비전력을 원하는 부하와 정확히 일치시키는 더 새로운 방법을 제공하며 표준 고정 용량 압축기에 비해 훨씬 더 낮은 에너지 소비를 가능하게 한다.
기존 압축기 단축방식(부하에 용량을 일치시키기 위래 압축기를 껐다 켰다함)은 필요한 용량과 관계없이 풀 부하 에너지에 가깝게 에너지를 소모하는 경우가 많다. 높은 신뢰성을 위해 설계된 시스템에서는 압축기가 단순히 켜지거나 꺼지지 않는다. 전원이 제거되기 전에 압축기가 실제로 가동하여 압축기 베어링에 적절한 오일 윤활을 확보하는 켜기 지연 시간 및 끄기 펌프다운 시간이 있다.
디지털 스크롤 기술을 이용하면 압축기를 끄지 않는다. 압축기의 용량을 변조함으로써 전력이 선형으로 감소해 최적의 시스템 성능과 제어가 유지된다.
정밀 온도 제어는 <그림 3>과 같은 간단하고 신뢰할 수 있는 방법으로 실현된다.
· 현열/잠열 제거 능력 개선
IT 장비는 현열(건조한) 을 발생시킨다. 잠열은 사람과 외부 습기 침투(앞서 설명한 밀폐를 통해 최소화할 수 있음) 에서 발생한다.
서버 밀도 또는 용량이 증가하면 현열 부하가 그만큼 증가한다. 잠열 부하는 영향을 받지 않는다. 그러므로 제습이 필요한 경우를 제외하고 100% 현열 제거용 용량으로 작동할 수 있는 냉방 솔루션을 사용하면 에너지 소비가 절감된다. 가변 용량 압축기를 낮은 용량으로 작동시키면 증발기 코일의 온도가 상승한다. 즉, 잠열 냉방이 적게 일어난다. 대부분의 부하 조건에서 증발기 코일 온도는 100% 현열 냉방을 달성하기에 충분할 만큼 높다. 그러므로 불가피하게 제거된 습도를 추가하기 위한 에너지가 필요 없다.
· 다수 장비들간의 연동운전 개선
데이터센터 환경은 구형 시스템 옆에 새로운 고밀도 서버가 배치됨에 따라 더욱 다양해지고 있다. 따라서 실내 냉방 장비들간의 적절한 연동이 이뤄지지 않으면 공조기가 서로 다른 온도 및 습도 제어 모드에서 작동할 수 있다.
공기 중의 실제 습도는 같지만 측정이 상대 측정이기 때문에 온도가 높을수록 상대 습도는 더 낮아진다. 실내의 모든 CRAC 장치에 진보된 제어 시스템을 장착하면 장비들이 통신하며 각자의 운전을 조정함으로써 ‘상충 모드’를 방지할 수 있다.
5. 보조 쿨링 배치
보조 쿨링은 데이터센터 관리자들이 다음과 같은 솔루션을 찾게 되면서 빠르게 보급됐다.
● 높은 열 밀도 환경에서 이중마루 방식의 냉방 용량 한계 극복
● 쿨링 시스템 효율 및 유연성 향상
이중마루 냉방은 데이터센터 환경 관리에 효과적인 접근방식인 것으로 입증됐다. 그러나 랙 밀도가 5kW를 초과하고 실내 부하가 다양해지면 냉각 시스템의 성능과 효율개선을 위해 보조 쿨링 시스템을 검토해 보아야 한다.
밀도가 높을수록 랙 하부 서버가 찬 공기를 더 많이 소모하여 남은 찬 공기의 양이 랙 상부의 서버를 냉각하는 데 부족할 수 있다. 이중마루의 높이로 인해 실내에 분배될 수 있는 공기의 양이 제한되므로 실내 공조기를 추가하는 방법으로는 문제를 해결할 수 없다.
업타임 인스티튜드(Uptime Institute)는 데이터센터 랙의 상단 3분의 1에 있는 장비는 같은 랙의 하단 3분의 2에 있는 장비보다 2배 더 자주 고장 난다고 보고했다. 또한 21℃보다 10℃ 상승할 때마다 전자기기의 장기적 신뢰성이 50% 하락할 것으로 추정 했다.
랙 밀도 상승 및 불균등한 실내온도 분포 해결 방법은 이중마루 개구부를 통해 올라오는 공기를 보충하기 위해 고밀도 랙 바로 위나 옆에 배치한 냉방 모듈을 지원하는 펌프식 냉매 냉방 설비라는 것이 입증됐다. 이 솔루션은 쿨링 시스템 확장성 향상, 유연성 향상 및 에너지 효율 향상 등 많은 장점이 있다.
쿨링 시스템은 효율 개선의 기회가 큰 분야라고 할 수 있다. 많은 경우 실내 밀폐, 케이블 또는 공기 흐름을 막는 다른 물체 이전 또는 차단 패널 설치와 같이 비교적 간단하고 저렴한 개선으로 즉시 이익을 얻을 수 있다. 또한 가변 용량 실내 공조기나 정교한 제어 시스템과 같은 신기술이 효율에 끼치는 영향을 고려해야 한다. 끝으로 보조 쿨링 시스템은 기존 쿨링 시스템의 확장성과 효율을 높일 수 있기 때문에 증가된 장비 밀도에 대한 대응책이 될 수 있다.
