3-3. 데이터센터를 설계하는데 있어 다음의 내용을 설명하시오.(1)프리쿨링시스템의 개념과 종류(2)프리쿨링시스템의 계통도(3)MLC

데이터센터 설계 시 중요한 고려 사항 중 하나는 안정적이고 효율적인 냉각 시스템 구축입니다. 여기서 질문하신 프리쿨링 시스템과 MLC는 데이터센터의 냉각 효율을 높이고 에너지 소비를 절감하는 데 기여하는 기술입니다.

 

(1) 프리쿨링 시스템의 개념과 종류

 

개념:

프리쿨링(Free Cooling) 시스템은 외기(Outside Air) 또는 외부의 저온 환경(예: 외부 차가운 물)을 이용하여 기계적인 냉동기(Chiller)의 가동 없이 또는 최소화하여 데이터센터의 열 부하를 처리하는 방식입니다. 즉, 외부의 "자유로운" 냉열원을 활용하는 것으로, 에너지 소비가 큰 냉동기 가동 시간을 줄여 데이터센터의 에너지 효율을 크게 향상시키는 핵심 기술입니다.

 

종류:

프리쿨링 시스템은 크게 외기의 찬 공기를 직접 이용하는 방식과 열교환기를 통해 간접적으로 이용하는 방식으로 나눌 수 있습니다.

• 직접 외기 냉방 (Direct Air-Side Economizer):
  • 개념: 외부의 차고 건조한 공기를 필터링하여 데이터센터 내부로 직접 공급하고, 데이터센터에서 발생한 뜨거운 공기는 외부로 배출하는 방식입니다. 필요한 경우 내부 순환 공기와 혼합하여 온습도를 조절하기도 합니다.
  • 장점: 냉동기 가동이 없어 에너지 효율이 매우 높습니다. 구조가 비교적 간단할 수 있습니다.
  • 단점: 외부 공기의 온도와 습도, 미세먼지 등 대기 질에 직접적인 영향을 받습니다. 특히 습도 제어와 오염물 유입 방지가 중요하며, 환경 조건 변화에 대한 정밀한 제어가 필요합니다. 모든 기후 조건에서 적용하기 어렵습니다.
• 간접 외기 냉방 (Indirect Air-Side Economizer 또는 Water-Side Economizer 포함):
  • 개념: 외부 공기 또는 외부의 찬 물을 이용하여 데이터센터 내부의 공기 또는 냉수(Chilled Water)를 간접적으로 냉각하는 방식입니다. 외부 공기/물과 데이터센터 내부 공기/냉수가 직접 섞이지 않고 열교환기를 통해 열만 전달됩니다. 간접 외기 냉방은 열교환 매체에 따라 다시 구분됩니다.
    • 공기 대 공기 간접 냉방: 외부 공기를 이용하여 데이터센터 내부의 뜨거운 공기를 열교환기(판형 열교환기 등)를 통해 냉각합니다. (예: 에어사이드 이코노마이저의 간접 방식)
    • 수액 이용 간접 냉방: 외부의 찬 물(냉각탑수, 외기 냉각 코일 등)을 이용하여 데이터센터의 냉수 순환 계통을 열교환기(판형 열교환기 등)를 통해 냉각합니다. (예: 워터사이드 이코노마이저)
  • 장점: 외부 환경 조건(습도, 오염 물질)에 덜 민감하여 내부 공기질 관리가 용이합니다. 직접 외기 냉방이 어려운 환경에서도 적용 가능성이 높습니다.
  • 단점: 직접 외기 냉방보다는 열교환 단계를 거치므로 효율이 다소 낮을 수 있습니다. 추가적인 열교환기 설비가 필요합니다.
• 증발 냉방 (Evaporative Cooling):
  • 개념: 물이 증발할 때 주변 열을 흡수하는 원리를 이용하여 공기를 냉각하는 방식입니다. 건구 온도와 습구 온도의 차이가 클수록 효과적입니다.
  • 종류:
    • 직접 증발 냉방: 외기에 직접 물을 분무하여 습도를 높이고 온도를 낮춘 후 데이터센터로 공급 (데이터센터에서는 습도 상승 문제로 잘 사용되지 않음).
    • 간접 증발 냉방: 증발을 통해 한쪽 공기(주로 외기)를 냉각시킨 후, 이 찬 공기를 이용하여 열교환기를 통해 데이터센터 내부 공기를 냉각 (습도 문제 없이 온도만 낮출 수 있음).
  • 장점: 물만 있으면 냉각이 가능하여 에너지 소비가 적습니다 (기계식 냉동기 대비). 건조한 지역에서 특히 효과적입니다.
  • 단점: 물 사용량이 발생하며, 물 관리(수질, 스케일 방지)가 필요합니다. 습도가 높은 환경에서는 효율이 제한적입니다. 간접 방식은 직접 방식보다 효율이 낮습니다.

(2) 프리쿨링 시스템의 계통도 (예시: 워터사이드 이코노마이저)

워터사이드 이코노마이저 방식의 프리쿨링 계통도를 개념적으로 설명하면 다음과 같습니다. (실제 계통도는 밸브, 펌프, 제어 장치 등이 더 복잡하게 표시됩니다.)

1. 정상 운전 모드 (Chiller 가동):
   • 데이터센터 서버에서 발생한 열을 CRAC/CRAH(항온항습기/항온기)가 회수하여 냉수 순환 라인을 통해 냉동기(Chiller)로 보냅니다.
   • 냉동기가 이 온수를 냉각하여 찬 냉수를 만듭니다.
   • 찬 냉수는 다시 CRAC/CRAH로 공급되어 서버룸 공기를 식힙니다.
   • 냉동기에서 발생한 응축열은 냉각탑(Cooling Tower)을 통해 외부로 배출됩니다.
2. 프리쿨링 운전 모드 (Chiller 미가동 또는 최소 가동):
   • 외부 환경이 충분히 차가워 냉각탑에서 나오는 냉각수 온도가 데이터센터의 냉수를 식히기에 충분할 때 작동합니다.
   • 밸브 제어: 자동 밸브의 전환을 통해 CRAC/CRAH에서 나오는 온수가 냉동기로 가는 경로 대신 **프리쿨링 전용 열교환기(Plate Heat Exchanger 등)**로 흐르도록 경로가 바뀝니다.
   • 열교환: 냉각탑에서 공급되는 차가운 냉각수(또는 별도의 외기 냉각 루프)가 프리쿨링 열교환기의 다른 쪽을 흐르면서, 데이터센터의 온수로부터 열을 흡수합니다. 이 과정에서 냉각수는 온도가 상승하고 데이터센터의 온수는 냉각됩니다.
   • 순환: 열교환기를 거쳐 차가워진 냉수는 다시 CRAC/CRAH로 공급되어 서버룸 공기를 식힙니다.
   • 냉각탑: 냉각탑은 프리쿨링 열교환기에서 열을 흡수하여 온도가 높아진 냉각수를 다시 외부 공기를 이용하여 식힙니다.

계통도 상의 주요 구성 요소:

• 데이터센터 서버 (Heat Source)
• CRAC/CRAH (공기-냉수 열교환)
• 냉수 순환 펌프 (Chilled Water Pump)
• 냉동기 (Chiller)
• 냉각탑 (Cooling Tower)
• 냉각수 순환 펌프 (Cooling Water Pump)
• 프리쿨링 전용 열교환기 (Free Cooling Heat Exchanger)
• 삼방 밸브 또는 조합된 밸브류 (Three-way Valves or Control Valves) - 냉수 흐름 경로 전환 역할

개념적인 흐름:

서버(발열) -> CRAC/CRAH(온수 발생) -> (밸브) -> [프리쿨링 열교환기 or 냉동기] -> CRAC/CRAH(냉수 공급) -> 서버

• 프리쿨링 모드 시: 온수 -> 프리쿨링 열교환기 (여기서 냉각탑수와 열교환) -> 냉수
• 정상 모드 시: 온수 -> 냉동기 (여기서 냉매 이용하여 냉각 후 냉각탑으로 열 방출) -> 냉수

즉, 프리쿨링 모드에서는 냉동기를 건너뛰고 열교환기를 통해 냉각탑의 냉열을 직접 이용하게 되는 것입니다.

 

(3) MLC

MLC는 데이터센터 냉각 분야에서 Modular Liquid Cooling의 약자로 사용될 가능성이 높습니다. (문맥에 따라 다른 의미로 사용될 수도 있으나, 데이터센터 설계에서 냉각 관련하여 MLC는 Modular Liquid Cooling을 지칭하는 경우가 일반적입니다.)

 

개념:

Modular Liquid Cooling (MLC)는 기존의 서버룸 전체를 차가운 공기로 냉각하는 방식에서 벗어나, 서버 내의 고발열 부품(CPU, GPU, 메모리 등) 또는 서버 랙 자체에 직접 또는 매우 가깝게 액체를 이용하여 냉각하는 방식입니다. "모듈러(Modular)"는 필요에 따라 액체 냉각 시스템을 특정 서버나 랙 단위로 추가하거나 확장할 수 있음을 의미합니다.

 

사용 이유 및 특징:

• 고밀도 컴퓨팅 지원: CPU, GPU 등의 성능이 향상되면서 발열 밀도가 매우 높아져 기존 공랭 방식만으로는 효율적인 냉각이 어려워지고 있습니다. 액체는 공기보다 열 용량이 크고 열 전달 효율이 뛰어나 고밀도 발열을 효과적으로 처리할 수 있습니다.
• 에너지 효율 향상: 액체 냉각은 공기를 대량으로 이동시키는 팬의 사용을 줄이거나 없애 전력 소비를 줄일 수 있습니다. 또한, 공랭 시스템보다 더 높은 온도의 냉각수로도 효과적인 냉각이 가능하여 프리쿨링 활용 시간을 늘리는 데 유리할 수 있습니다.
• 공간 활용도 증대: 동일 면적에 더 많은 컴퓨팅 자원을 배치할 수 있게 하여 데이터센터 공간 활용도를 높일 수 있습니다.
• 소음 감소: 공기 흐름에 의한 소음 발생이 줄어듭니다.

종류 (구현 방식):

MLC는 액체를 이용하여 열을 제거하는 방식에 따라 여러 형태로 나뉩니다.

• Direct-to-Chip (DTC) 또는 Cold Plate 방식:
  • 가장 흔한 MLC 형태로, CPU, GPU 등 발열량이 높은 부품 표면에 직접 접촉하는 금속 블록(콜드 플레이트) 내부에 냉각수(또는 다른 액체)가 순환하면서 직접 열을 흡수하는 방식입니다. 액체는 랙의 매니폴드(manifold)를 통해 각 서버의 콜드 플레이트로 공급되고 열을 흡수한 후 외부 열교환기나 CDU(Coolant Distribution Unit)로 돌아가 냉각됩니다.
• 침지 냉각 (Immersion Cooling):
  • 서버 부품 또는 서버 전체를 전기적으로 비전도성인 특수 액체(유전체 액체) 속에 담가 냉각하는 방식입니다.
    • 단상 침지 냉각: 액체가 증발하지 않고 계속 액체 상태를 유지하며 열을 흡수하고 순환하는 방식입니다.
    • 이상 침지 냉각: 액체가 부품의 열을 흡수하여 증발하고, 증발된 증기가 응축기에서 다시 액체로 변하며 열을 방출하는 방식입니다 (끓는점 이용).
• 후면 도어 열교환기 (Rear Door Heat Exchanger):
  • 서버 랙의 후면 도어에 코일 형태의 열교환기를 부착하고 그 안에 냉각수를 순환시켜, 서버에서 배출되는 뜨거운 공기가 이 코일을 통과하면서 열을 빼앗기고 식혀져 서버룸으로 다시 나오는 방식입니다. 서버룸 전체의 온도를 낮추는 부담을 줄여줍니다.

MLC는 데이터센터의 IT 밀도가 높아지고 에너지 효율 요구가 커짐에 따라 점차 중요해지고 있는 냉각 기술입니다. 특정 부품이나 랙 단위로 도입이 용이하다는 장점이 있어 기존 데이터센터의 부분적인 업그레이드나 고밀도 구역 구축에 활용되기도 합니다.