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논문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 데이터센터의 대표적인 에너지효율 개선 솔루션인 HAC 및 CAC의 IT공조환경을 비교분석을 위하여 S 데이터센터를 대상으로 CFD 시뮬레이션을 수행하였다. HAC와 CAC에 적용된 냉각시스템의 가동성능과 서버룸 내부의 IT공조환경의 차이를 비교하는 목적으로 수행되었다. 본 논문의 가장 큰 학술적인 기여는 고밀도 5G 환경의 데이터센터의 실제상황을 정교하게 모델링하고 운영조건을 적용하여 기존의 이론적으로 단순 비교한 HAC와 CAC 시스템의 효과를 현실적으로 구현한 점이다. 운영조건으로는 냉각시스템이 정상적으로 가동하는 상태와 1대가 고장난 미가동 상태인 비상시의 열 성능의 차이를 분석하였다. 결론적으로 공기분배시스템에서 HAC를 적용하는 것이 CAC에 비해 냉각효율이 우수한 적으로 평가되었다. 연구의 주요 결과는 다음과 같이 요약할 수 있다. (1) 공통적으로 HAC 및 CAC 시스템의 기장 중요한 기능은 냉-복도와 열-복도를 물리적으로 구획하여 재순환과 유실현상을 효과적으로 저감하는 것이다. HAC 시스템은 정상적 및 비정상적인 냉각조건 모두에서 냉-복도 전 지역이 CRAH 유닛의 급기온도인 15℃에서 약 1.0℃ 이하로 온도 상승을 잘 억제한다. 따라서 HAC 시스템은 온도제어 측면에서 기능이 잘 작동하고 적정한 IT 환경을 유지한다. (2) 랙-서버의 인입공기온도 및 재순환율를 고려할 때, CRAH 유닛 전체 가동하는 정상적인 냉각운전 상태와 N+1의 냉각용량이 반영된 경우, 1대 미가동하는 비상시 냉각운전 사이에 IT공조환경을 심각하게 저하하는 결정적 차이는 보이지 않는다. (3) 랙-서버 적정 운전조건인 IT공조환경을 종합적으로 고려할 때, HAC를 적용하는 것(ALT-1, ALT-3)이 CAC를 적용한 것(ALT-2, ALT-4)보다 온도의 균질도 측면에서 약 43.2%, 재순환 저감 측면에서 14.9% 보다 안정적으로 평가된다. (4) 급기온도 15℃의 HAC와 CAC 시스템을 비교해보면, 냉-복도와 열-복도 각각의 평균온도는 CAC가 약 3℃ 높은 분포를 보였기 때문에, HAC 시스템의 급기온도를 2~3℃를 높여도 CAC 시스템의 IT공조운영환경과 비슷하게 유지될 것은 예상된다. (5) HAC와 CAC 시스템 두 방법 모두 열기와 냉기의 혼합을 최소화하지만, 실제 구현 및 운영상의 차이로 공조환경조건, PUE, 이코노마이저 시간에 많은 영향을 준다. 상대적으로 HCA 적용에 따라서 공조효율을 보다 증대시켜 에너지비용을 절약할 수 있으며 이에 따라 연간 PUE를 향상시킬 수 있을 것이다. (6) 정상적인 냉각운전 상태라 할지라도, 고밀도 랙-서버에 요구되는 풍량이 크기 때문에 CRAH 유닛 토출측 기류속도가 상당히 높다. 또한 랙-서버 인입구/토출구 온도차가 더 작게 요구되는 경우, 필요 풍량은 더 증가하게 된다. 통상적인 풍량에서도 CRAH 유닛 토출측 기류속도는 10 m/s 이상을 나타내며, 이와 같은 높은 기류속도는 CRAH 유닛에서 가까운 랙-서버에 재순환 문제를 일으킬 가능성이 높다. (7) 이를 완화하기 위해서는 급격하게 빠른 기류는 지연시킬 수 있는 인위적인 저항 막을 설치하는 등 이중마루 내부의 기류속도를 줄이는 방안에 대한 고려가 필요하다고 판단된다. 향후, 위의 결과로 적용된 HCA 시스템의 실측을 통하여 공조 에너지 감소에 대한 민감도 분석의 후속 연구가 요구된다. 이는 급기온도의 변화에 따른 직접적인 냉각열량의 감소 효과 및 COP 향상 효과 등을 구체적으로 제시하는 것이 필요할 것으로 판단된다. High energy costs and spiking energy consumption rates have forced data centers to rethink cooling strategies. Although traditional cooling approaches, such as perimeter cooling through a raised floor plenum, are prevalent, containment approaches are gaining significant inroads. Hot aisle containment (HAC) and cold aisle containment (CAC) can improve the efficiency of legacy data center cooling and the air distribution systems. While both solutions mitigate the air recirculation and bypass, there are operational differences in application that have significant results on IT environment conditions and the thermal performance of cooling. Based on the computational fluid dynamics (CFD), the purpose of this study was to investigate the thermal performance of an air distribution system as compared to the two HAC and the CAC. By using the CFD models, the simulation and analysis were performed, with a focus on comparing the inlet air temperature distribution of rack servers based on the ASHRAE guideline. The selection of the HAC over the CAC can improve 43.2% in cooling system efficiency, corresponding to 15.9% reduction in the recirculation ratio. This paper analyzes the methods and highlights why HAC appears as the preferred solution.