IT Insight 2009 - Green & Beyond 녹색 IT 전략컨퍼런스 에너지효율화 - 전력과공조 박현규실장 IBM Global Technology Services
목차 국내서버룸의상면현황 전력효율지수 에너지효율화설계 - 전기부문 운영중인데이터센터의전력에너지효율화 직류사용 에너지효율화설계 - 냉각부문 운영중인데이터센터의냉각에너지효율화 IBM Best Green Practice 녹색 IT 전략컨퍼런스 1 2009 IBM Corporation
국내서버룸의상면현황 (1/3) 조사대상서버룸 : 176개 서버룸상면면적 서버룸의 61.2% 가 300m² 이하 대부분의서버룸은데이터센터전용건물이아닌일반사무용건물을사용 서버룸사용전력량 IT 장비의전기사용량이50kW이하인소규모전산실이 43% 약 60% 가 100kW이하의전기를사용 서버룸상면면적 서버룸사용전력량 녹색 IT 전략컨퍼런스 2 2009 IBM Corporation
국내서버룸의상면현황 (2/3) 상면부하밀도 전체의약 73% 가 500W/m² 이하, 2kW/Rack 이하사용 상면의평균부하밀도 : 405W/m², 1.7kW/Rack 조사된 Rack당전기사용량과평방미터당전력밀도는상면의부하밀도가높지않음을의미하며, 대부분의서버룸은 IT 장비를증설할여유공간이존재함 상면부하밀도 (W/m²) 랙당사용전력량 (kw/rack) 녹색 IT 전략컨퍼런스 3 2009 IBM Corporation
국내서버룸의상면현황 (3/3) 서버룸의발열량대비보유냉각용량의단순비교 64.8% 의서버룸은항온항습기를과다하게보유 6.8% 의서버룸은적정냉각용량을보유또는부족 냉각용량과다보유이유및충분한냉각용량으로도서버룸이더운이유 비효율적인서버룸상면구성 공기흐름관리미흡 고밀도장비에의한열섬발생 항온항습기의단순추가설치를통한온도유지 초기설계오류 부적절한예비율설정 발열량대비보유냉각용량비율 녹색 IT 전략컨퍼런스 4 2009 IBM Corporation
전력효율지수 (PUE Power Usage Effectiveness, DCiE Data Center infrastructure Efficiency) (1/3) 전력효율지수는? 데이터센터의전체전력대비 IT 장비에사용한전력의비율 The Green Grid 에서제정 전력효율지수산정목적 데이터센터의운영효율향상 데이터센터의효율성비교 에너지효율성향상을통한데이터센터의 IT 장비수용능력증가 전력효율지수의현황 Total Facility Power PUE = IT Equipment Power 효율정도에대한공통합의미정 ( 지수에대한효율적 / 비효율적판단기준 ) The Green Grid 에서 Public Report( 공개보고서 ) 에대한기준을정하고제공함. IT Equipment Power DCiE = Total Facility Power PUE 와 DCiE 의개념도 Source : The Green Grid Technical committee white paper The Green Grid - Consortium of IT & Data Center equipment companies, - Develop standards & practices to improve energy efficiency in the data center 녹색 IT 전략컨퍼런스 5 2009 IBM Corporation
PUE 의구성요소및측정레벨 (2/3) 구성요소 냉각 냉동기실외기펌프항온항습기 데이터센터인입전원 UPS UPS 배터리 STS 배전반분전반 L1 L2 지원 발전기 ( 예열 ) 전등방제 FMS BAS 보안 건물 건물자체사용 지수보고의예 1.6 PUE L1,MW 0.51 DCiE L1,YM 0.43 DCiE L1,WD 1.8 PUE L2,WC 2.1 PUE L3,YC Monthly average PUE (1.6) using data points gathered weekly with a Level 1 meter placement Yearly average DCiE (0.51), using data points gathered monthly with a Level 1 meter placement Weekly average DCiE (0.43), using data points gathered daily with a Level 1 meter placement Weekly average PUE using data points gathered continuously with a Level 2 meter placement. Yearly average PUE (2.1) using continuous measurements with a Level 3 meter placement. Source : The Green Grid Technical committee white paper IT 장비 L3 측정레벨 Level 1 (L1) (Basic) Level 2 (L2) (Intermediate) Level 3 (L3) (Advanced) IT Equipment Power UPS PDU Server Total Facility Power Data Center input power Data Center input power less shared HVAC Data Center input power less shared HVAC plus building lighting, security Minimum Measurement Interval Monthly / Weekly Daily Continuous (XX min) Source : The Green Grid Technical committee white paper 녹색 IT 전략컨퍼런스 6 2009 IBM Corporation
PUE 산출의예, 2.11PUEL2MW (3/3) Oil Tank Main 한전 A MOF ALTS 한전 B 1,550kW PUE = 650/1370 (1550-180) = 2.11 Oil Tank SVC GEN 1500kVA 6600V GEN 1500kVA VCB 600A TR 2500kVA 22.9/6.6KV Main INTER-LOCK VCB 600A TR 2500kVA 22.9/6.6KV 예비 VCB 1200A VCB 1200A VCB 600A VCB 600A VCB 600A VCB 600A 800kW TR 1500kVA 6600/380V ACB 6300A Main TR 1500kVA 6600/380V ACB 6300A 예비 300RT 300RT 500kW TR 1000kVA 6600/380V TR 1000kVA 6600/380V 200kW 냉동기 냉동기 33,000kcal x 6 UPS 500K Battery UPS 500K Battery UPS 500K Battery Water Tank 40,000L 5 도 Water Tank 40,000L 11 도 1 Flr. CAC B1 Flr.CAC 33,000kcal x 17 L1 Power Dist. Panel L2 Power Dist. Panel 사무실. AHU 전등, 전열 650kW 100kW 80kW 녹색 IT 전략컨퍼런스 7 2009 IBM Corporation
에너지효율화설계 - 전기부문 에너지효율화설계 - 전기부문 (1/8) 에너지효율화설계의전제 가용성과효율성을함께추구하여야함 가용성과효율성은상반관계임 가용성 효율성 설계의주요고려사항 최적의상면부하밀도선정 : 상면부하밀도설계기준은 2kW/m² 이하 데이터센터의전체전기사용량산정 : PUE 목표를 1.5 로설정 장비의효율성고려 : 고효율장비적용 전력계통의장비구성단계최소화 : 인입단에서 IT 장비까지의전력계통의단계를최소화 장비예비율최적화 : IBM Level 3+, Uptime Institute Tier3 의적용 Modular Data Center 적용 : Modular Data Center 도입또는 Modular 개념을사용한설계 IBM 의 Level3+ 의기본구성도 IBM 은가용성있는센터로서의최소기준을 Level 3+ 로정하고있습니다. 이레벨은무중단보수 (Concurrent Maintenance) 를하기위한모든중요시설에예비장비 (N+1 redundancy) 를갖추어야합니다. 녹색 IT 전략컨퍼런스 8 2009 IBM Corporation
상면부하밀도의산정 에너지효율화설계 - 전기부문 (2/8) 데이터센터특성에따른부하밀도기준의효율적적용 표준 Rack의비율이높은 IDC : kw/rack 다양한 IT 장비가섞여있는통합데이터센터 : kw/m² 부하밀도확장의경제성고려 1kW/m² 로시작, 1.5kW/m² 까지확장 2kW/m² 이상은 High Density Zone을적용 kw/rack 을적용할경우의서버룸상면설계를먼저하여, 상면의설치가능랙수를산출 IBM 의데이터센터상면부하밀도설계기준 : 2kW/m² 이하 서버랙 통신트레이 전력트레이 항온항습기실 녹색 IT 전략컨퍼런스 9 2009 IBM Corporation
New Data Center 의 PUE/DCiE 기본목표치 에너지효율화설계 - 전기부문 (3/8) ASHRAE TC9.9 Committee 에서 New Data Center 의 PUE/DCiE 기본목표치를 Tier Level 및기후조건별로구분하여선정 PUE by Climate Zone & Data Center Type DCiE by Climate Zone & Data Center Type Tier I Tier II Tier III Tier IV Tier I Tier II Tier III Tier IV 1A 1.79 1.89 1.92 2.00 1A 0.56 0.53 0.52 0.5 2A 1.75 1.82 1.89 1.92 2A 0.57 0.55 0.53 0.52 3A 1.69 1.75 1.82 1.89 3A 0.59 0.57 0.55 0.53 4A 5A 1.64 1.56 1.69 1.64 1.75 1.69 1.82 1.79 4A 5A 0.61 0.64 0.59 0.61 0.57 0.59 0.55 0.56 서울의기후조건 6A 1.52 1.59 1.64 1.72 6A 0.66 0.63 0.61 0.58 7A 1.47 1.52 1.59 1.67 7A 0.68 0.66 0.63 0.6 8A 1.41 1.47 1.54 1.59 8A 0.71 0.68 0.65 0.63 Source :DCiE by Climate Zone & Data Center Type, ASHRAE TC9.9 Committee_Table 1, 4/28/08 녹색 IT 전략컨퍼런스 10 2009 IBM Corporation
효율이높은장비의선정 에너지효율화설계 - 전기부문 (4/8) 고효율장비적용시, 일반효율대비 PUE 2.0기준약 4% 의에너지효율차 UPS는기종별로효율차이가큼고효율 UPS는 35/40% 사용율에서에너지효율이높으므로전원이중화의경우특히유리함 고효율과일반적인효율장비의비교 고효율 일반적인효율 고효율과일반적인효율의전체효율차이 변압기 99.5% 98.5% 8.42% UPS 94% 88% 계통 99% 98% 계통에서장비들의전력담당 % 50% 분전반전체효율 99% 91.67% 98% 83.25% 실제효율차이 4.21% IGBT UPS Efficiency 주요제조사의 500kVA 급의 UPS 규격 Schneider Electric Emerson Eaton APC MGE Liebert Powerware Model Symmetra PX EPS 7000 Liebert 610 Eaton 9395 용량 kva NA 500 500 550 kw 500 450 400 495 효율 96% 93% Up to 94% Up to 94% 출처 : MGE EPS 8000 Brochure 역율 0.95 0.9 0.95 주 : 효율과역율은입출력전압과절연변압기의유무및필터의장착유무에따라상이함. 표의효율과역율은최대치임. 0.9 녹색 IT 전략컨퍼런스 11 2009 IBM Corporation
효율이높은장비의선정 에너지효율화설계 - 전기부문 (5/8) 고효율몰드변압기는 40% 부하율에서가장효율이높으며일반몰드변압기보다 0.51% 효율적임 변압기는 10년이상을사용하므로작은효율의차이도전기료에있어서는큰차이발생 40% 부하율에서의높은효율특성은전원이중화구성시유리함 500kVA 고효율몰드변압기의 3년사용시일반몰드변압기와비교하여약 336만원의전기료가절감 부하율에따른효율 부하손에의한전기료 ( 전기료 80 원 /kw 적용, 3 상 22.9kV/380-220V, 500kVA) 구분 부하손 (kw) 전기료 ( 원 ) 운전시간 (1 년 ) 1 년 부하손의전기료 2년 3 년 일반몰드 6.8 80 8760 4,765,440 9,530,880 14,296,320 고효율몰드 5.2 80 8760 3,644,160 7,288,320 10,932,480 부하손차이 1.6 80 8760 1,121,280 2,242,560 3,363,840 주 ) LS 산전의저소음고효율몰드변압기팸플릿을참조함. 녹색 IT 전략컨퍼런스 12 2009 IBM Corporation
전력계통의구성단계최소화 에너지효율화설계 - 전기부문 (6/8) 전기인입단에서전산장비전원단까지의단계를최소화 ( 오른쪽예시의구성1의경우가에너지효율이가장높음 ) 국내사용전압유형은여전히 208V 삼상을 50% 정도사용중 현재의계통표준에맞추어재구축시 380V 삼상으로전환하는것을권장함 구성 1 : 일단강압 22,900V/380V UPS 구성 2 : 이단강압 22,900V/6,600V 6,600V/380V 구성 3 : 이단강압 22,900V/6,600V 6,600V/380V+ 강압변압기 380V/208V UPS UPS 3 상 208V 를사용한이유는 IT 장비가주로미국제품이며미국은 208V 를사용하기에우리나라가 380V 로전환한뒤에도데이터센터는기존의설비가 208V 를기준으로구축되었기에계속해서사용되었습니다. 그러나지금의 IT 장비, 특히 IBM 장비는거의가 Free Voltage 이므로국가표준인 380V 로전환하여에너지효율화를도모하여야합니다. 사용전압유형 녹색 IT 전략컨퍼런스 13 2009 IBM Corporation
예비율의최적화 에너지효율화설계 - 전기부문 (7/8) 구성및사용용량모두감안해야함 N+1 2N 우측표와같이예비율이최적화된구성하기위해서는 UPS 의효율과역율이 90% 이상되는제품을선정 구성 UPS 450kW UPS 450kW UPS 450kW UPS 450kW UPS 450kW UPS 450kW UPS 450kW 모듈의증가에따라용량이늘어나는 UPS 채택시예비율의최적화가용이 부하 개별용량 총대수 kw/ 대 부하 kw/ 대 부하율 / 대 장애시부하율 * 부하 800kW 800kW 500kVA / 450kW 3 (2+1) 450 267 53% 88.9% * : N+1 은 UPS 1 대, 2N 은한쪽 UPS System 의장애 부하 800kW 800kW 500kVA / 450kW 4(2&2) 450 200 44.4% 88.9% 녹색 IT 전략컨퍼런스 14 2009 IBM Corporation
Modular Data Center 적용 EMDC(Enterprise Modular Data Center) SMDC(Scalable Modular Data Center) PMDC(Portable Modular Data Center) HDZ(High Density Zone) 에너지효율화설계 - 전기부문 (8/8) EMDC 의개념도해 SMDC PMDC 녹색 IT 전략컨퍼런스 15 2009 IBM Corporation
운영중인데이터센터의전력에너지효율화 전력계통의에너지효율화는전적으로설계단계에서결정됨 운영단계에서전력계통의에너지효율화는가용성관리의일환으로자연스럽게달성할수있음 용량관리를통한예비장비최소화 운영중인데이터센터의전력에너지효율화및관련된주요관리항목 가용성 효율성 발열관리 열화상측정과비접촉식적외선온도계를사용하여장비와접점의열관리 용량관리 장비의안전용량기준을준수하고예비율의최적화를도모 고조파관리 차단기트립, 변압기의과부하, 캐패시터의과부하, 배전선로의추가손실, 중성선의과전류, 전자제어반과서버등의오동작, 계측시스템의오동작등과같은이상현상을방지 역율관리 역율의개선은실제수용가의전기사용량과직접적인연관은없다. 그러나역율을개선하면국가전체의발전량과송배전의손실을줄이며역률할증제에의하여개선비율에비례한요금할인을받음 녹색 IT 전략컨퍼런스 16 2009 IBM Corporation
직류사용 (1/4) LBNL(Lawrence Berkeley National Laboratory) 에서실험적연구를실시함. 교류 / 직류 (AC/DC), 직류 / 교류 (DC/AC) 다시교류 / 직류 (AC/DC) 의변환과정을거치지않고서버가직류를직접사용함. 380V HVDC(High Voltage Direct Current) 에대한실험적연구를통해전력사용량을교류시스템과비교측정하였음. 2006년에 DC Power for Improved Data Center Efficiency 보고서를발표하였음. 교류와 HVDC의양자간의에너지효율을비교하면구성에따라서 HVDC가 5%~28% 의에너지향상이있다고발표함. 이연구에서사용한교류전력변환계통은 3상 208V, 절연변압기 (Isolation Transformer) 를적용한미국의일반적인데이터센터의전력구성이었음. 우리나라데이터센터의교류전원시스템과비교하면 4.3% 의에너지이득이있음. IT 장비의 Power Supply 효율이 93% 에달하고UPS의효율도최대97% 이므로고효율장비를채택하면에너지효율의차이는거의없을것임. 기존의직류 48V 장비가있다면활용하여야하나부가적인투자를하여직류체계로전환하는것은신중하게검토하여야함. 녹색 IT 전략컨퍼런스 17 2009 IBM Corporation
직류사용 (2/4) Efficiency Gain (% Energy Consumption Improvement vs. AC System), I = (ACEin DCEin)/ACEin으로정의함. I = (16.445-11.815) / 16.445 = 0.282, 28.2% AC System 과 HVDC System 의전원구성도 AC System 과 HVDC System 의에너지효율비교 (LBNL 에서측정한결과 ) UPS Efficiency Transformer Efficiency PS Efficiency System Efficiency Computer Load(kWh) Input Load(kWh) AC System 85.0% 98.0% 73.0% 60.8% 10 16.445 HVDC System 92.0% 100.0% 92.0% 84.6% 10 11.815 Efficiency Gain (% Energy Consumption Improvement vs. AC System) : 28.2% 녹색 IT 전략컨퍼런스 18 2009 IBM Corporation
직류사용 (3/4) 우리나라의교류전원시스템과의효율비교 절연변압기를사용하지않음. 현재의장비효율을적용함. I = (12.09-11.56) / 12.09 = 0.043, 4.3% AC System 과 HVDC System 의전원구성도 380 VAC 380 VAC AC System 과 HVDC System 의에너지효율비교 ( 우리나라의교류전원시스템적용 ) UPS Efficiency PS Efficiency System Efficiency Computer Load(kWh) Input Load(kWh) AC System 94.0% 88.0% 82.7% 10 12.09 HVDC System 94.0% 92.0% 86.5% 10 Efficiency Gain (% Energy Consumption Improvement vs. AC System) : 4.3% 11.56 녹색 IT 전략컨퍼런스 19 2009 IBM Corporation
에너지효율화설계 - 냉각부문 에너지효율화설계 _ 냉각부문 (1/5) 전체냉각시스템산정 기후조건과데이터센터의규모 부하밀도산정에따른단계적증설 공랭식, 글리콜, 냉수식 효율이높은장비의적용 고효율모터, 가변운전장비 서버룸의상면설계 부하밀도에부합한항온항습기용량산정 ( 여유용량 25%) 급배기방식결정 열복도-냉복도배치 High Density Zone 수냉식가스식지역냉각장비 Containment 적용 냉복도밀폐와온복도밀폐 IT 장비와천장까지의거리, 이중마루높이, 케이블트레이배치 최소 30Cm, 60Cm 이상, 정압유지 전산유체역학 (CFD: Computational Fluid Dynamics) 의적용 시행착오를최소화하며최적의 IT 장비배치안검증 녹색 IT 전략컨퍼런스 20 2009 IBM Corporation
전체냉각시스템의산정 에너지효율화설계 - 냉각부문 (2/5) 냉각시스템 : 공랭식, 글리콜, 냉수식 절대적인냉각방식의선정기준은없음 각각의방식에따른장단점이존재함 지리적조건 신규구축, 재구축, 용량증설 설치공간과확장성 빌딩의구조 데이터센터의규모 예산 공랭식시스템 글리콜시스템 냉수식시스템 녹색 IT 전략컨퍼런스 21 2009 IBM Corporation
급배기방식 에너지효율화설계 - 냉각부문 (3/5) 1, 2, 3번방식이주로채택되고있으며모두적용가능함. 에너지효율은 3, 2, 1번순이며, 층고가높은경우에는 2번의방식도효율이높음. 4번의방식은공기순환조절불가. 소규모의서버룸에만적용가능함. 5번의방식은이중마루가설치되지않은경우에적용시효율적임. 열기가냉기와혼합되지않도록환기를할경우효율이가장높아짐. 시공이까다롭고복잡함. 6번은발열부하가높은경우적용. 1. 이중마루하부급기 / 상부환기 2. 이중마루하부급기 / 상부환기항온항습기실분리 3. 이중마루하부급기 / 천장상부환기항온항습기실분리 Not Recommend 4. 상부급기 / 상부환기 5. 천장상부급기 / 천장상부환기 6. 이중마루하부 & 천장상부급기 / 천장상부환기 녹색 IT 전략컨퍼런스 22 2009 IBM Corporation
가변운전장비의적용 (Variable Speed/Frequency Drive) 에너지효율화설계 _ 냉각부문 (4/5) 가변운전장치 (VSD, VFD) 는회전체의회전수를변환하는장치로펌프, 팬, 냉동기등의장비에적용되어냉각부하에대응하여가변용량냉각을구현해줄수있는장치이며, 펌프와팬과같은구동장치에가변운전장치를적용하면냉방부하에따라서장비의가동상태를조절할수있으므로전력사용을가변시켜에너지효율화를도모할수있다. 냉동기의가변속도드라이브의적용효율 항온항습기에도디지털스크롤 (digital scroll) 압축기와가변풍량송풍팬이적용된에너지효율적인제품들이출시되어있다. 특히팬의전력사용은회전속도 (rpm) 의세제곱에비례하기때문에풍량팬의속도를 80% 로줄이게되면 50% 의전력절감효과를볼수있다. 원심식냉동기에적용할경우, 인버터의전력사용과열손실등의이유로전부하 (Full-load) 운전시에는오히려효율이떨어지므로운전에유의해야한다. 가변풍량팬의가동율에따른전력소모량 녹색 IT 전략컨퍼런스 23 2009 IBM Corporation
열복도 - 냉복도배치 / 항온항습기의배치 (Perforated panel pressure optimize) 에너지효율화설계 _ 냉각부문 (5/5) 다공판 다공판 항온항습기는전산장비에서배출되는더운공기를곧바로 회수할수있는열복도위치에설치하여야에너지효율을높일수있다. 항온항습기의토출구와다공판의위치가멀수록이중마루의하부정압이골고루유지되며항온항습기가까운곳의다공판으로이중마루상부공기가빨려드는부압을방지할수있다. 그러나실제설치는항온항습기의용량과항온항습기가담당하는전산장비의발열과일치하여야하므로열복도에맞추어설치하려면이에알맞은항온항습기의용량을고려하여야한다. IT 장비는열복도 - 냉복도를구분하여배치하여야서버룸의공기흐름을관리할수있다. 부압발생 녹색 IT 전략컨퍼런스 24 2009 IBM Corporation
운영중인데이터센터의냉각에너지효율화 서버룸내의공기흐름관리 (Air Flow Management) 냉각에너지효율향상은서버룸의공기흐름관리에좌우된다. 공기흐름관리의 A to Z. 항온항습기에서공급되는냉기는최소의저항으로 IT 장비로인입되어야한다. IT 장비에서배출된열기는냉기와혼합되지않으면서항온항습기로회수되어야한다. 효율적인냉기순환을방해하는문제점 냉기와열기의혼합 열기의재순환 (Recirculation) 냉기의무효순환 (Short circuit) 블랭킹패널 (Blanking panel) 미사용 케이블설치를위한타공판 (Cable Cut out) 으로냉기가허비됨. 부압 (Negative Flow) 에의한이중마루상부의냉기역류 케이블트레이배치및관리 (Cabling Management) 냉기의손실, 이중마루바닥은밀폐되어야함. 다공판배치와개구율조정 IT 장비의냉기인입구전면에다공판이위치하여야한다. IT 장비의발열에비례한냉기가다공판을통하여공급되어야한다. Front Rear Rear Front Front Rear 냉각에너지효율화 (1/18) CRAC Rack Rack Rack CRAC 녹색 IT 전략컨퍼런스 25 2009 IBM Corporation
서버의냉기인입과열기의배출방식 냉각에너지효율화 (2/18) 대부분의서버는전면급기후면배기방식을채택하고있다. 약간의서버는전면급기상부배기, 전면급기후면 / 상부배기의방식이적용되었다. 대형스토리지장치와특정거버는전면 / 후면으로급기하고상부로배기한다. 이경우전면급기의풍량이후면급기풍량의 2 배이상이다. 통신장비의일부분은전면급기옆면배기를하고있어서열복도 - 냉복도적용을하여도냉각효율이떨어진다. 대부분의서버 일부서버 전면 / 후면급기상부배기 대형스토리지 HP SD, SUN 21K 전면급기옆면배기 일부통신장비 열복도 - 냉복도적용시특성을고려하여야함. 녹색 IT 전략컨퍼런스 26 2009 IBM Corporation
냉기와열기의혼합 냉각에너지효율화 (3/18) 랙을전면이일률적으로바라보게배치하면 [ 그림 1] 과같이열 #1 의장비를식힌더운공기는 2 번통로상부로배출되고일부는랙열 #2 의장비로유입되며이악순환은랙열 #3 번에계속되고그뒤랙열에도계속되게된다. 그결과로랙상부에설치된장비의내부온도가상승하며에너지효율을저감하며랙상부에설치된전산장비는장애비율이증가하게된다. 처음부터전면을일률적으로바라보는배치로랙을설치하였고열복도냉복도배치로의전환이어렵다면아래의 [ 그림 2] 와같이랙전면에열기를차단하고냉기를공급하는장치를설치하는안을적용하는것도하나의해결방안이다. 그림 1. 일렬배치의열기혼합개념도 그림 3. 스노클의적용사례 IBM BCS 그림 2. 스노클 (Snorkel) 의적용개념 녹색 IT 전략컨퍼런스 27 2009 IBM Corporation
열기의재순환 (Recirculation) 랙을어떻게배치하여도랙상부로열기의재순환이일어날수있다. [ 그림 1] 과같이케이블설치를위한타공판 cut out 에서배출되는냉기가열기를밀어부쳐서전산장비의전면으로열기가재순환된다. cut out 을잘막고전산장비의배치가온복도 - 냉복도를적용하여도냉복도에서토출되는냉기의양이부족하면아래 [ 그림 2] 와같이열기가재순환되어실제적인전산장비의냉각효율을떨어뜨리게되어전산장비의장애빈도를높이고에너지손실을유발한다. 열기의재순환을방지하려면냉복도에서토출되는냉기의양이랙의발열을충분히담당할수있어야한다. 그러기위해서는이중마루의바닥은정압을유지하여야하며랙전면의다공판개구율도풍량에맞게조절되어야한다. 랙에공급되는풍량은냉방에필요한양보다약간많은편이에너지효율적이다. 이러한열기의재순환과열기와냉기의혼합을원천적으로방지하려면 [ 그림 3] 의봉쇄방식을적용하는것이다. 봉쇄방식에는냉복도밀폐와온복도밀폐가있다. 냉각에너지효율화 (4/18) 그림 1. Cut out에서배출되는냉기에의한재순환그림 2. 풍량의부족으로인한재순환그림 3. 재순환방지를위하여냉복도를봉쇄함. 녹색 IT 전략컨퍼런스 28 2009 IBM Corporation
냉기의무효순환 (Short circuit) 냉각에너지효율화 (5/18) 냉기의무효순환 #1 은다공판이항온항습기에근접하여위치하고전산장비와의거리가너무멀어항온항습기에서배출된차가운공기가전산장비로유입되지못하고항온항습기로바로되돌아가게되어냉기가손실되고있다. 냉기의무효순환 #2 는항온항습기전면에필요없는다공판을배치하여냉기가열기와섞여항온항습기로되돌아가항온항습기의순환공기의온도를낮추게되고항온항습기의운전효율을저해하게된다. 블랭킹패널 (Blanking panel) 미사용 IT 장비공급업체에서랙이나전산장비를공급할때랙의장비를설치하고남은공간을채울패널을함께보낸다. 이패널을블랭킹패널이라하며에너지효율측면에서보면이패널의용도는열기의재순환방지에있다. 아래그림이예시하는것과같이블랭킹패널이비어있으면그사이가굴뚝역할을하여랙의후면으로배출되는열기가전면으로되돌아와전산장비내부의실제온도를높이게되는열기의재순환통로가된다. 그러므로랙이나전산장비의초기설치시에공급된블랭킹패널은빈공간에반드시채워서열기의재순환을방지하여야한다. 녹색 IT 전략컨퍼런스 29 2009 IBM Corporation
케이블설치를위한타공판 (Cable Cut out) 으로냉기가허비됨. 냉각에너지효율화 (6/18) 케이블을위한타공은랙의후면에위치하며이곳으로토출되는냉기는전산장비를식히는데아무런연관이없으므로에너지손실을가져옴 Case Study - 타공부분의넓이 : 30cm x 30cm - 케이블이 50% 점유 - 냉기토출속도 : 250fpm 개구율 12.5% 인다공판과동일한냉기의양 약 850Watts 를냉각할수있음 Brushes Bags 랙후면타공부분에서발생하는냉기의손실 Mats Pillows 녹색 IT 전략컨퍼런스 30 2009 IBM Corporation
부압 (Negative Flow) 에의한이중마루상부의냉기역류 냉각에너지효율화 (7/18) 항온항습기로부터근접한위치에다공판을배치할경우빠른공기흐름으로인해다공판으로이중마루상부로차가운공기가배출되지못하고오히려서버룸의공기가흡입되어항온항습기에서토출되는냉기와혼합되는현상 적절한거리를두어기기를배치 부압이발생하는상면지점에는다공판을설치하지말고발열부하가적은장비를배치함 부압발생에의한서버룸의공기가이중마루하부로역류됨. 서버룸실사에서나타나는부압지점 녹색 IT 전략컨퍼런스 31 2009 IBM Corporation
케이블트레이배치및관리 (Cabling Management) 케이블의배치원칙 : 항온항습기에서토출되는냉기의흐름에방해를주지않도록구성함. 주트레이는서버룸중앙에, 랙열의트레이는토출바람방향과동일하게배치 항온항습기의전면에는트레이를설치하지않아이중마루하부의냉기흐름을원활하게함 열이발생하는전력케이블은냉복도에, 설치에일손이많이가는데이터케이블은열복도에배치 두트레이를분리배치하여전자파간섭EMI(electromagnetic interference) 에대비함 원할한공기흐름을위하여각종케이블을정리정돈이반드시필요함 냉각에너지효율화 (8/18) 서버랙 통신트레이 전력트레이 항온항습기실 녹색 IT 전략컨퍼런스 32 2009 IBM Corporation
서버룸의온도와풍량측정의예 Frame 냉각에너지효율화 (9/18) Power - Row 56 케이블설치를위한이중마루타공부분의최적화 타공부분에서낭비되는냉기의양은 40% Heat Load(kW) 30.00 20.00 10.00 0.00 S T U V W X Y Z AA BB Row Location 타공부분은막으면바닥의공기압력이증대되어다공판으로더많은냉기가올라오게됨 랙전면에다공판을재배치하면서버룸의전반적인온도가내려가게됨 Flowrate(CFM) 2000 1500 1000 500 0 Perforated Panel Flowrates - Row 57 S T U V W X Y Z AA BB Row Location Cut-out Opening Flowrates - Rows 54 and 55 Flowrate(CFM) 2000 1500 1000 500 0 S T U V W X Y Z AA BB Row Location Perforated Panel and Cut-out Opening Flowrates - Row 54, 55, and 57 Flowrate(CFM) 2000 1500 1000 500 0 S T U V W X Y Z AA BB Row Location Inlet Temperature - Row 56 Temperature(C) 25 20 15 10 5 0 S T U V W X Y Z AA BB Row Location Airflow CFM % Notes Accuracy Perforated Panels 99947 53.8% Measured 5% Cut-outs 75156 40.5% Calculated with approx blockages 15% Leakage 10597 5.7% 0.2% distributed area in the model 5% Total Volumetric Flow 185700 100.0% Liebert specifications 10% 녹색 IT 전략컨퍼런스 33 2009 IBM Corporation
다공판풍압의최적화 (Perforated panel pressure optimize) 냉각에너지효율화 (10/18) IT 장비의발열냉각을위한냉기의통로인다공판의풍압을최적화함 전산장비의종류와형식, 구성에따라서냉기의양을공급하여야하므로적정개구율의다공판을적정위치에배치해야함 다공판 : 25% open Q = 그레이트 : 56% open 1.085 ΔT CFM Q: 열전달율, T: 온도변화, CFM:ft 3 /min 1.08: 열과공기밀도의관계를나타내는상수 냉복도에적정다공판을설치한모습 IBM 고밀도서버인 p 595 의급기온도와풍량과의관계를나타내는그래프 풍량부족 개구율과풍량, 열부하계산의예 풍량적정 녹색 IT 전략컨퍼런스 34 2009 IBM Corporation
냉복도밀폐 (Cold Aisle Containment) 냉각에너지효율화 (11/18) 방식 : IT장비의열기가배출되는냉복도를밀폐하여냉기가오로지 IT 장비로유입되게함차단벽은 IT 장비배출구에서나오는더운공기와찬공기와섞이지않도록함 효과 : 발열의예측이불가능한환경에서예측을가능하게하는환경으로전환시킴 공급되는찬공기가손실없이전산장비로만급기되므로공기순환에소요되는에너지량감소 가변풍량공급방식을적용하면부하변동에따른안정성과효율성을동시에달성할수있음 냉복도내에조명과소방법을만족하는소화설비가필요함 랙과랙사이, 랙내부는블랭킹패널 (blanking panel) 을설치하여열기의재순환을방지함 특수재질의커튼을이용한냉복도밀폐 냉복도밀폐솔루션 (IBM IRS) 녹색 IT 전략컨퍼런스 35 2009 IBM Corporation
열복도밀폐 (Hot Aisle Containment) 냉각에너지효율화 (12/18) 방식 : IT장비의열기가배출되는열복도를밀폐해서항온항습기로효과적으로회수되도록함 효과 : 발열의예측이불가능한환경에서예측을가능하게하는환경으로전환시킴 회수되는열기가전체전산실의온도상승에영향을미치지않게할수있음 High Density Zone의솔루션으로적용됨 더운공기의회수기밀성을유지하기위한덕트설치비용이증가함 Hot aisle isolation and ceiling plenum return 특수재질의커튼을이용한열복도밀폐 녹색 IT 전략컨퍼런스 36 2009 IBM Corporation
온도와습도기준의완화에의한에너지절약 냉각에너지효율화 (13/18) 미국냉난방공조학회 (ASHREA) 2008 년데이터센터의 IT 장비에대한환경지침중권장환경범위, 즉온습도범위를확장함 데이터센터운영에높은가용성을유지하면서최대의에너지효율화를도모하고자함 외기냉각상태가아니라면, 최고온도는 24 o C, 최저습도는 32% 로운영 IT 장비의가변풍량장치는 25 o C 이하에서가장전기를적게사용하도록설계됨 낮은습도는정전기에의한장애유발가능성을높임 변경에따른우선순위과제 : 서버룸의설비및 IT 장비의적정배치, 공기흐름의관리 녹색 IT 전략컨퍼런스 37 2009 IBM Corporation
온도와습도기준의완화에의한에너지절약 냉각에너지효율화 (14/18) 습공기선도상에서녹색마름모에서적색오각형으로온도와습도의기준이확장됨 녹색 IT 전략컨퍼런스 38 2009 IBM Corporation
외기냉각시스템의도입 (Air-side Economizer) 냉각에너지효율화 (15/18) 사용환경 : 간절기및동절기 방식 : 실외에서유입한차가운공기를그대로또는서버룸의환기된따뜻한혼합하여온도를맞추어사용함. 항온항습기를거쳐서서버룸에공급하거나덕트를사용하여직접서버룸으로보냄. 데이터센터가위치한지역의온도조건에따라도입을고려해야함. 중앙집중식의외기냉각개념도 외부공기의상태 가습부하 연중온도조건 덕트설치공간 녹색 IT 전략컨퍼런스 39 2009 IBM Corporation
외기냉수냉각시스템의도입 (Water-side Economizer) 냉각에너지효율화 (16/18) 사용환경 : 동절기외기온도가습구온도기준으로약 7 이하 방식 : 냉동기를가동하지않고냉각탑을순환하는냉각수와대기를열교환시켜냉각된냉각수를직접이용. 열교환기를통한간접방식으로냉방하여에너지절감을유도함. 여름철 (Compressor 가동. 전기료 ) 겨울철 7 이하 (Compressor 정지. 전기료 ) 녹색 IT 전략컨퍼런스 40 2009 IBM Corporation
전산유체역학 (CFD) 해석 전산유체역학해석절차 적용분야 온도분포해석 냉각에너지효율화 (17/18) 공기흐름및풍압분석 자료수집 모델링 NO 모델링검증 최적배치안설계 YES 결과검증및개선안검토 최종결론도출 $ $ 녹색 IT 전략컨퍼런스 41 2009 IBM Corporation
전산유체역학 (CFD) 해석 [ 그림 1] 바닥의온도, 풍량과랙의부하와같은가상의자료를사용하여랙의냉각상태예측가능 3kW/Rack : 현재의풍량으로양호함 6kW/Rack : 중간 Rack 상부는열기가재순환되고있음 [ 그림 2] 실제측정한풍량과 CFD 모델링과차이가있음 결과검증및재해석하여모델링하는오차수정과정이필요함 3kW/Rack 일렬배치 3kW/Rack 냉복도 - 온복도배치 냉각에너지효율화 (18/18) 그림 1. 전산유체역학, CFD 으로해석한온도분포 100 Number 80 60 40 20 0-10% 11-20% 21-30% 31-40% 41-50% 51-60% 6kW/Rack 냉복도 - 온복도배치 0 Range of Percentages 그림 2. Percent Difference Between Measured and Modeled Perforated Panel CFM Rates 10kW/Rack 냉복도 - 온복도배치 녹색 IT 전략컨퍼런스 42 2009 IBM Corporation
IBM Best Green Practices (1/2) 에너지효율화이니시어티브조사 에너지효율화에대한정보습득 데이터센터구축, 운영정보확인 TFT 결성및전사적인실행 Executive의지원으로Green TFT 를결성하여전사적인실행을도모함 IT 장비와설비를함께고려한계획수립 총체적인에너지효율화및조화로운계획수립가능 IT 장비에서 1kW를줄이면부가적으로 1.35kW를줄여2.35kW의에너지를절감할수있음 사용하지않는장비전원 Off IT 장비의통합및가상화 고효율 IT 장비의사용 지역냉각방식적용 : High Density Zone, RDHx, XDO, InRow 녹색 IT 전략컨퍼런스 43 2009 IBM Corporation
IBM Best Green Practices (2/2) 정확한현황진단 개별장비의전력소모, 서버룸의온, 습도등을측정하여현재의상태파악 에너지효율화사업시행전 / 후비교의기초자료 데이터센터전력효율화지수 PUE 전력시스템 : 사용량, 발열, Power Quality( 전압, 전류, 역율, 고조파 ) 공조시스템 : 온도, 습도, 풍속, 유속, 냉각수와냉수의온도, Server Room의상면관리 에너지비용분석 에너지비용발생부분파악및비용절감기회포착 설비와 IT 장비의구매에 ROI 적용 에너지비용공유 전사적으로에너지효율화전략에동참 녹색 IT 전략컨퍼런스 44 2009 IBM Corporation
대표적인이니셔티브정보 이름주소역할이름주소역할이름주소역할이름주소역할 The green grid http://www.greengrid.com/ Consortium of IT & Data Center equipment companies Establish metric for data center Develop standards & practices to improve energy efficiency in the data center ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers) http://www.asrea.com/ Has various subcommittees that provide information Develop standards for the design of efficient data center cooling Uptime Institute http://www.uptimeinstitute.org/ Data center availability and reliability information Provide operating criteria for adding energy efficiency to a data center IBM 한국 : http://www.ibm.com/kr/green/ Global : http://www.ibm.com/green/ Provide information for green data center and green IT 녹색 IT 전략컨퍼런스 45 2009 IBM Corporation