2-3. 데이터센터에 적용되는 냉열원 냉동기와 냉각탑, Free Cooling 열교환기를 선정하고자한다. 다음 사항에 대하여 설명하시오.

onha09 2025. 3. 7. 08:47

데이터센터 냉열원 냉동기, 냉각탑, Free Cooling 열교환기 선정 기준 설명

데이터센터는 24시간 365일 안정적인 IT 서비스 운영을 위해 막대한 열을 발생시키며, 이를 효율적으로 제거하는 냉각 시스템은 핵심 설비입니다. 냉동기, 냉각탑, Free Cooling 열교환기는 데이터센터 냉각 시스템의 중요한 구성 요소이며, 각 설비 선정 시 다양한 기준을 종합적으로 검토해야 합니다.

1. 냉동기 선정 기준 검토 사항

냉동기는 데이터센터의 냉수 공급을 담당하는 핵심 설비로, 안정적인 운전과 높은 에너지 효율이 요구됩니다. 냉동기 선정 시 다음 사항들을 종합적으로 검토해야 합니다.

1) 효율 및 에너지 성능:

성능 계수 (COP, Coefficient of Performance) / 에너지 효율비 (EER, Energy Efficiency Ratio): 냉동기의 냉방 효율을 나타내는 지표로, 높을수록 에너지 효율이 높습니다. 데이터센터는 24시간 운전되므로 높은 COP/EER 냉동기 선정이 중요합니다.
부분 부하 효율 (IPLV, Integrated Part Load Value / AHRI Efficiency Ratings): 데이터센터는 항상 최대 부하로 운전되지 않으므로, 부분 부하 조건에서의 효율이 중요합니다. IPLV 또는 AHRI Efficiency Ratings 등의 지표를 통해 실제 운전 조건에 가까운 효율을 평가해야 합니다.
에너지 절감 기능: 인버터 제어, 최적 운전 제어, Free Cooling 연동 등 에너지 절감 기능을 갖춘 냉동기를 고려하여 운영 비용을 절감할 수 있습니다.
냉매 선정: 친환경 냉매 (GWP, 지구온난화지수가 낮은 냉매) 적용을 고려하고, 냉매의 안전성, 효율, 법규 제약 등을 종합적으로 검토해야 합니다. 최근에는 R-1234ze, R-513A, R-1233zd(E) 등 저 GWP 냉매가 주목받고 있습니다.

2) 용량 및 대수:

냉방 부하 계산: 데이터센터의 예상 최대 냉방 부하를 정확하게 계산하고, 냉동기 용량을 결정해야 합니다. 현재 부하뿐만 아니라 미래 확장성까지 고려하여 용량을 선정하는 것이 좋습니다.
대수 분할 운전: 단일 대용량 냉동기보다는 여러 대의 냉동기를 병렬 운전하는 방식을 고려하여 부분 부하 효율을 높이고, 고장 발생 시에도 일부 냉각 성능을 유지할 수 있도록 Redundancy (N+1 또는 2N) 구성을 검토해야 합니다.
모듈형 냉동기: 필요에 따라 용량 확장이 용이한 모듈형 냉동기를 고려하여 초기 투자 비용을 절감하고, 단계적인 용량 증설에 유연하게 대응할 수 있습니다.

3) 냉각 방식 및 종류:

수냉식 vs 공냉식: 데이터센터의 규모, 설치 공간, 에너지 효율 목표, 수자원 확보 가능성 등을 고려하여 냉각 방식을 결정해야 합니다.
수냉식 냉동기: 일반적으로 공냉식 대비 효율이 높고 대용량에 적합하지만, 냉각탑, 냉각수 배관 등 추가 설비가 필요하고 수자원을 소비합니다.
공냉식 냉동기: 설치가 간편하고 수자원 소비가 없지만, 수냉식 대비 효율이 낮고 외기 온도에 영향을 많이 받으며, 소음 문제가 발생할 수 있습니다.
압축기 종류: 냉동기 효율, 용량 범위, 가격, 유지보수 등을 고려하여 압축기 종류를 선정해야 합니다.
스크류 냉동기: 중대용량에 널리 사용되며, 안정적인 운전과 부분 부하 효율이 우수합니다.
터보 냉동기: 대용량에 적합하며, 높은 효율을 제공하지만 초기 투자비용이 높습니다. 오일프리 터보 냉동기는 오일 관리 부담을 줄여줍니다.
스크롤 냉동기: 소용량에 적합하며, 정숙 운전과 초기 투자비용이 저렴합니다.
흡수식 냉동기: 폐열, 도시가스 등을 열원으로 활용 가능하며, 전기 에너지 소비를 줄일 수 있지만, 효율이 압축식 대비 낮고 초기 투자비용이 높습니다.

4) 제어 및 운전:

자동 제어 시스템: 냉동기의 효율적인 운전을 위해 자동 제어 시스템 (냉각수 온도 제어, 대수 제어, 용량 제어 등) 적용이 필수적입니다.
원격 감시 및 제어: 중앙 감시 시스템 (BMS) 연동을 통해 냉동기 운전 상태를 실시간으로 모니터링하고, 원격 제어 기능을 확보하여 유지보수 효율성을 높일 수 있습니다.
예측 진단 및 유지보수: 냉동기 고장 예방 및 수명 연장을 위해 예측 진단 기능, 유지보수 알람 기능 등을 갖춘 제품을 고려할 수 있습니다.

5) 신뢰성 및 내구성:

주요 부품 신뢰성: 압축기, 모터, 열교환기 등 주요 부품의 신뢰성이 높은 제품을 선정하여 시스템의 안정적인 운전을 확보해야 합니다.
가혹 환경 운전: 데이터센터는 24시간 연속 운전되므로, 가혹한 운전 환경에서도 안정적으로 작동하는 내구성이 강한 제품을 선정해야 합니다.
제조사 기술력 및 서비스: 제조사의 기술력, 품질 관리 시스템, A/S 대응 능력 등을 종합적으로 평가하여 신뢰할 수 있는 제조사를 선정하는 것이 중요합니다.

6) 기타 고려 사항:

소음 및 진동: 데이터센터 주변 환경을 고려하여 저소음, 저진동 냉동기를 선정하고, 방진 대책을 적용해야 할 수 있습니다.
설치 공간 및 무게: 데이터센터의 제한적인 공간을 고려하여 콤팩트한 디자인, 경량화된 제품을 검토하고, 설치 가능성을 사전에 면밀히 검토해야 합니다.
초기 투자비 및 운영비: 냉동기 종류, 효율, 용량 등에 따라 초기 투자비 및 운영비가 달라지므로, Life Cycle Cost (LCC) 분석을 통해 경제성을 평가하고 최적의 제품을 선정해야 합니다.
법규 및 인증: 에너지 효율 기준, 냉매 관련 법규, 안전 인증 등 관련 법규 및 기준 준수 여부를 확인해야 합니다.

2. 냉각탑 선정 기준 검토 사항

냉각탑은 수냉식 냉동기의 응축기에서 방출된 열을 대기 중으로 방출하는 설비로, 냉각 시스템 효율에 큰 영향을 미칩니다. 냉각탑 선정 시 다음 사항들을 고려해야 합니다.

1) 냉각 용량:

냉동기 응축 열량: 냉각탑은 냉동기의 응축 열량을 충분히 처리할 수 있는 용량으로 선정해야 합니다. 냉동기 용량과 냉각탑 용량의 균형을 맞춰 시스템 전체 효율을 최적화해야 합니다.
설계 습구 온도: 냉각탑 성능은 외기 습구 온도에 크게 영향을 받으므로, 데이터센터 위치의 설계 습구 온도를 정확하게 파악하고 냉각탑 용량을 선정해야 합니다.
냉각수 입구/출구 온도 조건: 냉각탑은 냉각수 입구 온도와 목표 출구 온도 조건을 만족해야 합니다. 냉각수 온도 조건은 냉동기 및 데이터센터 냉각 시스템 요구 조건에 따라 결정됩니다.

2) 효율 및 에너지 성능:

접근 온도 (Approach): 냉각탑 출구 냉각수 온도와 외기 습구 온도 차이인 접근 온도가 낮을수록 냉각 성능이 우수합니다. 낮은 접근 온도를 달성하는 고효율 냉각탑을 선정하여 냉동기 효율을 높일 수 있습니다.
냉각 범위 (Range): 냉각탑 입구 냉각수 온도와 출구 냉각수 온도 차이인 냉각 범위가 클수록 열교환 효율이 높습니다. 적절한 냉각 범위를 확보하여 냉각탑 크기를 최적화할 수 있습니다.
송풍기 동력: 냉각탑 송풍기 소비 전력은 운영비에 큰 영향을 미치므로, 저소음 고효율 송풍기 (인버터 제어 팬 포함) 를 적용하여 에너지 소비를 최소화해야 합니다.
수처리: 냉각탑 내 스케일, 부식, 미생물 번식 등을 방지하기 위해 적절한 수처리 시스템을 적용하고, 블로우다운 (Bleed-off) 량을 최소화하여 용수 사용량을 절감해야 합니다.

3) 종류 및 재질:

개방형 vs 밀폐형:
개방형 냉각탑: 냉각 효율이 높고 초기 투자비가 저렴하지만, 냉각수가 외기에 노출되어 오염 가능성이 높고 수처리 관리가 중요하며, 겨울철 동결 방지 대책이 필요합니다. 일반적인 데이터센터에 널리 사용됩니다.
밀폐형 냉각탑 (Fluid Cooler): 냉각수가 코일 내부를 순환하며 외기와 열교환하므로, 냉각수 오염을 줄이고 수처리 관리가 용이하며, 동결 위험이 적습니다. 개방형 대비 효율이 낮고 투자비가 높습니다.
대향류형 vs 직교류형:
대향류형 냉각탑 (Counterflow): 공기와 물이 반대 방향으로 흐르며 열교환하여 효율이 높지만, 높이가 높고 펌프 양정이 높습니다.
직교류형 냉각탑 (Crossflow): 공기와 물이 직각 방향으로 흐르며, 높이가 낮고 펌프 양정이 낮지만, 대향류형 대비 효율이 낮습니다.
재질: 냉각탑 구조재, 충진재, 팬, 케이싱 등 각 부품의 재질은 내식성, 내구성, 수명 등을 고려하여 선정해야 합니다. FRP, 스테인리스강, 내후성 합성수지 등이 주로 사용됩니다.

4) 신뢰성 및 유지보수:

내구성 및 수명: 데이터센터는 장기간 연속 운전되므로, 냉각탑의 내구성과 수명이 중요합니다. 구조적 안정성, 부식 방지 대책 등을 꼼꼼히 확인해야 합니다.
유지보수 용이성: 냉각탑 내부 점검, 청소, 부품 교체 등 유지보수가 용이하도록 설계되어야 합니다. 점검구 위치, 접근 공간 확보 등을 고려해야 합니다.
진동 및 소음: 냉각탑 송풍기 및 워터펌프에서 발생하는 진동과 소음이 데이터센터 운영에 영향을 미치지 않도록 방진 및 소음 저감 대책을 적용해야 합니다. 저소음 팬, 방진 패드 등을 고려할 수 있습니다.

5) 기타 고려 사항:

수자원 절약: 데이터센터의 지속가능성을 위해 용수 소비량을 최소화하는 냉각탑 기술 (밀폐형 냉각탑, 하이브리드 냉각탑 등) 적용을 고려할 수 있습니다.
설치 공간 및 환경: 냉각탑 설치 공간, 건물 구조, 주변 환경 (소음 민감 지역 여부 등) 을 고려하여 적절한 냉각탑 크기 및 형태를 선정해야 합니다. 공기 재순환 방지, 배수 처리, 겨울철 동결 방지 등 설치 환경을 고려해야 합니다.
비산 방지 대책: 레지오넬라균 확산 방지를 위해 고효율 드리프트 엘리미네이터 (Drift Eliminator) 를 설치하고, 정기적인 수질 관리 및 소독을 실시해야 합니다.
비용: 초기 투자비, 운영비 (전기 요금, 용수 요금, 유지보수 비용), 수명 등을 종합적으로 고려하여 경제성을 평가하고 최적의 냉각탑을 선정해야 합니다.

3. Free Cooling 열교환기 선정 기준 검토 사항

Free Cooling 열교환기는 외기 온도가 낮을 때 냉동기 가동 없이 외기를 이용하여 냉방 부하를 처리하는 설비로, 데이터센터 에너지 절감에 효과적입니다. Free Cooling 열교환기 선정 시 다음 사항들을 고려해야 합니다.

1) Free Cooling 효과 및 적용 가능성:

기후 조건 분석: 데이터센터 위치의 기후 데이터 (외기 온도, 습도 분포) 를 분석하여 Free Cooling 적용 가능 시간 및 에너지 절감 효과를 예측해야 합니다. 연간 Free Cooling 운전 시간, 예상 에너지 절감량, 투자 회수 기간 등을 평가해야 합니다.
데이터센터 냉방 부하 특성: 데이터센터의 냉방 부하 패턴 (계절별, 시간대별 부하 변동) 을 분석하여 Free Cooling 효과를 극대화할 수 있는 시스템 구성 및 제어 방식을 검토해야 합니다.
Free Cooling 목표: Free Cooling 시스템을 통해 달성하고자 하는 에너지 절감 목표, 냉동기 운전 시간 감소 목표 등을 명확히 설정하고, 목표 달성에 적합한 Free Cooling 방식 및 용량을 선정해야 합니다.

2) Free Cooling 방식 및 종류:

간접 외기 냉방 방식 (Indirect Air Economizer): 외기를 열교환기를 통해 간접적으로 냉각에 활용하는 방식입니다. 외기 오염 물질 및 습도 영향을 최소화하고, 데이터센터 내부 공기 질을 유지할 수 있습니다.
판형 열교환기 (Plate Heat Exchanger): 공기-공기 열교환에 널리 사용되며, 콤팩트하고 효율이 높습니다.
현열-잠열 열교환기: 현열 교환뿐만 아니라 잠열 교환도 가능하여 제습 효과를 얻을 수 있습니다.
열 파이프 (Heat Pipe) 열교환기: 냉매 순환을 통해 열을 전달하며, 별도 동력 없이 작동하는 장점이 있습니다.
직접 외기 냉방 방식 (Direct Air Economizer): 외기를 직접 데이터센터 내부로 도입하여 냉방하는 방식입니다. 냉각 효율이 가장 높지만, 외기 오염 물질, 습도, 먼지 유입 가능성이 높아 고성능 필터, 가습/제습 설비, 제어 시스템 등이 필요합니다.
수측 Free Cooling 방식 (Water-side Economizer): 냉각탑 냉각수를 이용하여 냉동기 대신 냉수를 생산하는 방식입니다. 수냉식 냉동기 시스템에 적용 가능하며, 에너지 절감 효과가 크고 시스템 구성이 비교적 간단합니다.
판형 열교환기: 냉각탑 냉각수와 냉동기 냉수를 열교환하여 Free Cooling 냉수를 생산합니다.

3) 성능 및 효율:

열교환 효율: Free Cooling 열교환기의 열교환 효율이 높을수록 Free Cooling 효과가 커집니다. 열교환기 종류, 유량 조건, 온도 조건 등을 고려하여 효율적인 제품을 선정해야 합니다.
압력 손실: 공기측 또는 수측 압력 손실이 적은 열교환기를 선정하여 송풍기 또는 펌프 동력 소비를 최소화해야 합니다.
제어 성능: 외기 조건 변화에 따라 Free Cooling 시스템 운전을 최적화하고, 냉동기 운전과 Seamless 하게 전환될 수 있도록 정밀한 제어 시스템 적용이 중요합니다.

4) 신뢰성 및 유지보수:

내구성 및 수명: Free Cooling 열교환기는 외부에 설치되는 경우가 많으므로, 내후성, 내식성이 우수한 재질을 사용하고, 혹독한 환경 조건에서도 안정적으로 작동하는 제품을 선정해야 합니다.
유지보수 용이성: 열교환기 청소, 필터 교체, 부품 점검 등 유지보수가 용이하도록 설계되어야 합니다. 점검구 위치, 접근 공간 확보 등을 고려해야 합니다.
동결 방지: 겨울철 외기 온도가 낮은 지역에서는 동결 방지 대책 (히터 설치, 자동 드레인 밸브 등) 을 적용하여 열교환기 손상을 예방해야 합니다.

5) 기타 고려 사항:

공기 질 관리 (간접/직접 외기 냉방): 외기 오염 물질, 먼지, 습도 유입 방지를 위한 고성능 필터, 제습기, 가습기 등 공기 질 관리 설비 적용을 고려해야 합니다.
설치 공간 및 환경: Free Cooling 열교환기 설치 공간, 건물 구조, 주변 환경 (소음 민감 지역 여부 등) 을 고려하여 적절한 크기 및 형태를 선정해야 합니다. 공기 흡입구 위치, 배기 방향 등을 고려해야 합니다.
제어 시스템 연동: 기존 냉각 시스템 제어 시스템 (BMS) 과 Free Cooling 제어 시스템 연동 방안을 검토하고, 통합 운영 및 관리가 가능하도록 설계해야 합니다.
비용: 초기 투자비, 운영비 (필터 교체, 유지보수 비용), 에너지 절감 효과 등을 종합적으로 고려하여 경제성을 평가하고 최적의 Free Cooling 시스템을 선정해야 합니다.

결론적으로, 데이터센터 냉각 시스템 설비 (냉동기, 냉각탑, Free Cooling 열교환기) 선정은 데이터센터의 안정적인 운영, 에너지 효율 향상, 운영 비용 절감에 매우 중요한 영향을 미칩니다. 각 설비별 선정 기준을 종합적으로 검토하고, 데이터센터의 특성, 환경 조건, 에너지 절감 목표 등을 고려하여 최적의 시스템을 구축해야 합니다. 전문가와 충분히 협의하여 신중하게 설비를 선정하는 것이 중요합니다.