집중기획
이창근
(주)목원엔지니어링 사장/기술사 [email protected]
유승엽
(주)목원엔지니어링 상무 [email protected]
머리말
통합 IT센터는 IT 인프라 보안 강화를 위해 은행권 데이터센터 중에 는 최대 규모로 건립된 데이터센터이다(그림 1). 최첨단 선진 IT센터 구 축을 목표로 설계를 진행했으며 데이터센터의 특성인 ① 365일 24시간 무중단 데이터센터 운영 ② 에너지 절약형 친환경 데이터센터 구축 ③ 안 전한 데이터센터 ④ 지속적인 부하 용량 증가에 대처할 수 있는 설비 확 에너지 다소비시설인 IT센터설립 시 외기를 이용한 공조시스템 설계사례를 중심으로 전반적인 적용 사 항을 소개하고자 한다
통합 IT센터 설계사례
[그림 1] 건물 조감도
집중기획기획 집중
보에 중점을 두어 기계설비 계획을 진행하였다.
건축개요(표 1)
- 사 업 명 : 통합 IT센터 신축공사 - 위 치 : 경기도 의왕시 - 대지면적 : 24,868.16 ㎡
- 연 면 적 : 92,247.31 ㎡ 지하 2층, 지상 10층
설계조건
설계 시 적용한 외기 온ㆍ습도 조건은 「건축물의 에너지절약설계기준」에서 “서울” 기준을 적용하였 으며 실내 온·습도 조건은 건축주의 요구사항을 충 족시킬 수 있도록 적용하였다(표 2, 표 3).
열원설비 계획
개요
본 건물의 전체적인 열원구성은 가스냉방, 축 냉식 및 신재생에너지를 이용하여 전체 냉방부하 의 60%를 담당할 수 있도록 열원을 구성하였으며 데이터센터는 24시간 상시 무중단 운전을 위해 열 원설비의 백업시스템을 통해 안정성을 확보하고 전산장비의 신설 및 증설에 대응할 수 있는 확장성 을 갖추어 전산시스템의 신뢰성을 확보할 수 있도 록 설계되었다.
개발센터
에너지 절감을 위해 슬러리타입의 빙축열시스 템과 흡수식 냉온수기를 적용하고 백업을 위해 지 열시스템으로 구성하였다(그림 2).
데이터센터
데이터센터는 1단계와 2단계로 열원이 구성되 며 1단계 지원시설은 흡수식 냉온수기에서 냉·온 수를 생산하고 냉·온수 순환펌프를 통하여 공급 헤더에서 부하 측으로 공급된다.
1단계 전산 기계실은 N+2로 터보냉동기와 흡 수식 냉온수기를 구성하고 비상시를 대비하여 4분
<표 1> 데이터센터 시설 건립요건
상면면적 12,562 ㎡
전력 부하 밀도 3.3 ㎡(1평) 당 5 kW
센터 수준 Tier Ⅲ
<표 2> 외기 온·습도 조건 조 건
계 절
온 도 상대습도
(% RH) 비 고 건구온도
(℃)
습구온도 (℃)
여 름 31.2 25.5 - TAC
겨 울 -11.3 -12.4 63 2.5%
<표 3> 실내 온ㆍ습도 조건 구 분
실 명
하 계 동 계
건구온도 (℃)
상대습도 (%)
건구온도 (℃)
상대습도 (%) 전산기계실 25±1 45±10 25±1 45±10
내화금고 25±1 45±10 25±1 45±10 UPS실 25±1 45±10 25±1 45±10
사무실, 식당 26 50 20 40
전기실 25±3 50 25±3 40
홀, 로비 28 55 18 40 [그림 2] 열원공급 계획
개발센터 열원 흐름도
이상의 냉수공급이 가능한 버퍼탱크를 터보냉동기 후단에 설치하였다(그림 3).
전산기계실의 항온항습기는 에너지 절감을 위 해 외기냉방을 할 수 있도록 시스템을 구성 PUE를 낮추도록 하였다.
냉온열원 장비 선정 및 온도조건
●장비선정 및 냉·온수 온도조건(표 4, 표 5) 전산기계실 계통의 냉수 공급온도는 전산서버 의 기기발열(현열) 제거용 항온항습기에 공급되는 냉수로서 냉각코일에서 과냉각되지 않도록 냉수의
공급온도를 높여 공급했다.
(1) 냉수배관 계통의 구분
① 전산기계실 계통 : 항온항습기의 냉수배관을 이중화 배관으로 병렬 설치하여 냉수공급에 차질이 생길 경우 상호호환이 되도록 하였다.
② 사무실계통 : 단일계통으로 배관 설치
공기조화설비 계획
기본방향
• 데이터센터의 특수성을 고려하여 에너지 절약 적인 공조시스템을 선정
• 공조 조닝은 실의 용도 및 기능, 온ㆍ습도 조건, 사용시간대, 부하특성 등을 고려하여 구분 적용 함(그림 4).
[그림 3] 열원공급 계획
데이터센터 열원 흐름도 <표 5> 냉·온수 온도조건
용 도 종류 조 건(℃) 입구 출구 비고
전산기계실 계통 냉수 16 9 실내부하에
따라 냉·온수 설정 온도 조정
사무실 계통 냉수 16 9
온수 55 60
<표 4> 장비선정
구 분 전체
용량
장비선정 비고
형 식 용 량 대수
개발
센터 1,560
빙축열 1,000 RT - 흡수식 280 RT 2
지열 50 RT 8 예비
데이터센터 (1단계) 2,800
터보 700 RT 3
터보 700 RT 2 예비
흡수식 750 RT 2 흡수식 140 RT 1 데이터센터
(2단계) 1,800 터보 600 RT 2 흡수식 950 RT 2
급탕용 4,000 증기 2,000 kg/hr 2 [그림 4] 공조조닝 및 주요 계통 공조방식
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주요 실별 공조방식
●사무실 계통 (1) 고려사항
① 사무실은 근무자가 항시 거주하는 공간으로 쾌적한 집무 환경이 유지될 수 있도록 한다.
② 실 구획, 용도 및 배치변경 등에 대해 유연하 게 대처할 수 있도록 한다.
③ 방위별 열부하 특성을 분석하여 각 존의 부하 변동에 대응할 수 있도록 검토한다.
(2) 공조방식
• 가변풍량 단일덕트(변풍량디퓨저)+팬코일 유닛
• 각층에 2대의 공조기를 좌, 우에 설치하고 루프 덕트를 구성함으로써 부하변동과 고장시에 대 처가 용이하도록 하였다(그림 5).
●전산기계실 계통 (1) 고려사항
① 충분한 용량의 항온항습 설비와 백업시설 고려
② 전산센터 안전성 확보
③ 공조의 효율성 확보
④ 장기 투자계획을 위한 확장성 확보 (2) 공조방식
하부 토출 천장에서 환기가 될 수 있도록 했으 며 예비용으로 30%의 항온항습기를 추가 설치하 고 배관 또한 2N 방식으로 적용했다.
중간기 및 동절기 외기냉방이 가능하도록 시스 템을 구성하였다(그림 6, 그림 7)
환기설비 계획
●기본방향
① 실의 용도에 적합한 환기방식 선정
② 실별로 적정한 환기량 유지
③ 취기 및 오염 발생되는 실은 취기 확산 방지
●주요 실별 환기량(표 6)
<표 6> 주요 실별 환기량
용 도 환기량(회/hr) 환기 방식
주 차 장 CO 농도 25 ppm 이하 제1종 환기 주 방 주방기구 발열량 제1종 환기
화 장 실 15 제3종 환기
신선공기량 36 CMH/인 최소외기 도입량
[그림 6] 전산기계실 공조시스템 [그림 5] 사무실 계통 공조시스템 개념도
[그림 7] 외기냉방 개념도
위생설비 계획
급수공급방식으로는 시직수 및 부스터펌프가 압방식으로 저층부는 시직수 공급을 통한 급수방 식을 적용하고, 고층부는 부스터 펌프를 통한 급수 가 되도록 계획하였다.
증기보일러와 순간급탕가열기에 의한 중앙공 급방식으로 상향공급하며 저층부와 고층부로 구역 을 구분하여 공급함으로써 급탕 공급의 안정성을 확보하였다(그림 8).
오수는 하수종말처리장으로 연결되도록 인프 라가 구축되어 있으며 배수는 일반 잡배수와 오수, 우수 등으로 분류하였다.
수자원 절약 계획
건물 상부에서 발생되는 우수를 조경용수로 재 활용했으며 건물에서 발생하는 일반 잡배수 계통은 중수처리시설을 거쳐 세정용수로 재활용하였다.
건물 최하층에서 발생하는 영구배수는 냉각탑 보급수로 공급하여 수자원절감 통해 유지관리비가 최소화되도록 하였다(그림 9).
자동제어설비 계획
중앙에서 집중 감시하고 원격제어를 할 수 있 는 직접 디지털 제어(DDC) 방식을 적용하였다(그 림 10, 그림 11).
전산센터 시뮬레이션
배기풍도 시뮬레이션
●해석방법
Phoenics Ver 3.4를 이용하여 전산센터의 중앙 에 설치된 공용 연도의 통풍력을 계산하기 위해, 속도분포 및 온도 분포를 해석하였다.
[그림 10] 자동제어 시스템 개요 [그림 8] 급수, 급탕 공급 개념도
[그림 9] 지하수 및 영구배수 활용 계획
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●시뮬레이션 목적
본 시뮬레이션에서는 하부에서 공용 연도의 통 풍력을 향상시키기 위해 그림 12와 같이 공용 연 도의 하부에서 외기가 유입될 수 있는 덕트를 설치 한 경우, 통풍력을 증가시키는 현상을 시뮬레이션 으로 분석하고자 한다.
●시뮬레이션 개요
본 시뮬레이션의 대상인 공용풍도의 형상은 그
림 13과 같은 조건으로 구성하였다. 단, 1안은 전 산실 공용 연도의 하부에 외기도입구가 없는 경우 이며, 2안은 전산실 공용 연돌의 하부에 외기도입 구를 설치한 조건이다.
●시뮬레이션 결과
(1) 온도 분포 분석 : 공용 연돌 좌, 우측에 위치한 전산센터에서 층별로 각각 배기하는 경우 공용 연돌 하부에서 온도 분포가 미소하게 감소하다 가 상부로 이동함에 따라 공용 연돌의 평균온도 를 나타내고 있다. 이는 외기가 각 공용 연돌로 유입되는 양이 적기 때문이다(그림 14).
(2) 속도분포 분석 : 1안의 경우, 상부(10층)로 이동 하면서 풍량이 증가하고 각 공용 연돌하부에 외 기도입구를 설치한 경우는 2안과 같이 공용 연 돌 하부에 설치된 덕트를 통하여 외기가 유입되 는 것을 나타내고 있다(그림 15).
(3) 공용 연돌 하부에 외기를 유입하는 2안의 경우 가 외기를 도입하지 않는 1안의 경우보다 위치 에 관계없이 약 4 Pa정도 낮은 압력분포를 나타 내고 있다. 또한 전체적으로 최소 164 Pa에서 178 Pa범위에서 압력분포를 유지하고 있다(그 림 16).
시스템 안전성 24시간 상시 보완 대책
DDC의 데이터 백업 방식을 플 래쉬 메모리를 통해 보존
주요 경보 발생시 운용자 휴대폰에 문자 메시지 통보
최적 기동/제어 외기 엔탈피 제어
장비별 최적운전 제어 공조시스템의 최적 운전제어 [그림 11] 자동제어 시스템 주요 특징
[그림 12] 도면
(b) 평면도 (a) 단면도
(4) 결론 : 시뮬레이션을 수행하여 온도, 기류, 압력 분포를 분석한 결과, 공용 연돌하부에 외기도 입구를 설치하여도 압력은 약 4 Pa정도 상승하 는 것으로 나타났다. 그러므로 자연 통풍력을 확보하면서 공용 연돌의 배기 능력을 향상시킬
수 있는 2안으로 적용했다.
전산실 시뮬레이션
●해석방법
실내기류와 온도, 농도장의 해석은 상용 전산 유체역학 패키지인 Phoenics Ver 3.4를 이용하여 수행한다.
●시뮬레이션 목적
IT센터의 공조 및 환기성능을 평가하기 위해, 그림 17과 같이 2개 안에 대해, 열환경 및 환기성 능을 평가하였다. 전산기기에서 발열되는 열량이 커 열부력이 많이 발생하므로 일반적으로 냉기류 를 하부에서 급기하고 상부에서 배기하는 1안과 2안을 비교했으며, 평면구성은 그림 18, 전산실 CFD 계산 모형은 그림 19와 같다.
[그림 13] 시뮬레이션 대상 전산실의 CFD 계산모형
[그림 14] 공용 연돌 내부의 온도 분포
1안 2안
[그림 15] 공용 연돌 내부의 속도분포
1안 2안
[그림 16] 공용 연돌의 수직방향 압력분포 2안
1안
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●시뮬레이션 대상실
본 전산실의 시뮬레이션을 수행하기 위한 설계 조건은 실내 평균온도를 25℃로 유지하기 위해, 설 정한다.
●시뮬레이션 결과
(1) 온도 분포 분석 : 전산실에 설치된 서버주변의 하부에서 냉기류를 공급하는 방식인 1안과 2안
중에서 서버주변의 온도균일도가 높은 급, 배 기구 배치안은 시뮬레이션에서 나타난 바와 같 이 1안으로 나타났다(그림 20, 그림 21).
(2) 국소공기 연령 분석 : 국소공기 연령은 최대 공 기연령을 나타내는 영역은 배기구 주변에서 나 타남을 확인하였다. 운전조건에 관계없이 전산 실의 상부에서는 열성층화 현상이 나타나고 있 으며 이로 인해, 측벽에 배기구를 설치한 1안의
[그림 18] 전산실 평면도 [그림 17] 전산실의 공조 및 환기개념도
2안
1안 [그림 19] 전산실의 CFD 계산 모형
1안 2안
[그림 20] 급 배기구 온도 균일도 2안
1안
[그림 21] 온도 분포
1안 2안
경우가 실평균 공기 연령이 가장 높게 나타나 고 있다(그림 22).
(3) 기류 분석 : 측벽상부에서 바라본 난방운전 온 도, 국소공기 연령, 기류이동흐름(그림 23) (4) 결론 : 시뮬레이션을 수행하여 온도, 기류, 국소
공기 연령을 종합적으로 평가한 결과, 수직방향 온도균일도와 환기효율 측면에서 1안이 최적안 으로 나타났다.
냉각탑 열간섭 현상 시뮬레이션
●해석방법
상용 전산유체역학 패키지인 Phoenics Ver 3.4 를 이용하여 수행한다.
●시뮬레이션 목적
IT센터의 옥탑층에 설치하는 냉각탑은 공조시 스템의 성능향상을 위해, 필수적으로 관리하여야 한다. 특히 본 현장은 배기구와 좁은 설치 공간으 로 인하여 냉각탑에서 요구하는 온도 이상으로 냉
각탑 유입공기의 온도가 상승할 수 있다. 이러한 현상을 분석하기 위해, 3가지 안을 비교 시뮬레이 션을 수행하였다(그림 24).
●결론
본 시뮬레이션은 대기의 바람이 무풍인 조건으 로 수행되었으나 풍향과 관계없이 바람이 부는 경 우를 예측하였을 때, 차단벽이 설치되는 3안이 최 적안으로 판단되었다(그림 25).
맺음말
이상으로 통합 IT전산센터 설계사례에 대해 소 개하였다. 본문 내용 외에도 외기를 이용한 전산실
[그림 22] 국소공기 연령 분포
1안 2안
[그림 23] 국소공기 기류 분포
1안 2안
[그림 24] 냉각탑 시뮬레이션 조건 (3안) 배기피트 주변에 차단벽을 설치하는 경우
(2안) 배기피트 주변에 차단벽이 없는 경우 (1안) 전산센터 배기 시로코팬 적용
집중기획기획 집중
냉방적용에 따른 여러 가지 비교 검토사항 및 에너 지절약 방안 등이 설계 시 검토 후 적용되었으며 특 히 건물의 용도, 형태, 사용목적 등 여러 가지 조건
에 따라서 본 설계와 차이가 있을 수 있으므로 추후 전산센터 설계 시 참고 바라며 간략한 소개로 마무 리하고자 한다.
온도 분포 3안 2안 1안
속도 분포 3안 2안 1안
[그림 25] 온도, 속도, 기류 시뮬레이션 비교
기류 분포 3안 2안 1안
