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대한설비공학회|설비공학논문집 2021년 10월

논문명 데이터센터의 성능기반설계를 위한 냉방 시스템 설계지원 및 에너지 성능분석 툴 개발 / The Cooling System Design Support and Energy Analysis Tool for Performance-based Design of a Data Center
저자명 김지혜식별저자 ; 김희강
발행사 대한설비공학회
수록사항 설비공학논문집, Vol.33 No.10 (2021-10)
페이지 시작페이지(543) 총페이지(13)
ISSN 1229-6422
주제분류 환경및설비
주제어 데이터센터; 냉방 시스템; 설계 지원 툴; 에너지 분석 툴; 디자인빌더 ; Data center; Cooling system; Design support tool; Energy analysis tool; DesignBuilder
요약1 본 연구에서는 데이터센터 설계 단계에서 냉방 시스템의 용량 산정 및 에너지 성능을 평가할 수 있는 툴을 Matlab 기반으로 개발하였으며, 동적 에너지 시뮬레이션인 디자인빌더 결과값과 비교를 통해 개발 중인 툴의 신뢰성을 검토하였다. 본 연구의 결과는 다음과 같이 요약할 수 있다.
(1) 데이터센터 성능기반 설계에 활용하기 위하여 개발된 본 프로그램은 시스템 설계 모듈과 성능평가 모듈의 두 개의 모듈로 구성되어 있으며, 기계설비 엔지니어가 시스템 설계와 시스템의 에너지 성능을 검토하는데 활용할 수 있도록 개발하였다. 설계 모듈에서는 최대 냉방부하 계산 및 장비 선정을 위한 장비 일람표를 출력해주고, 성능평가 모듈에서는 설계 모듈에서 불러온 장비 데이터와 기상데이터를 바탕으로 연간 에너지 시뮬레이션을 통해 기간 부하, 장비별 에너지 사용량, 이코노마이저 가용시간, MLC, PUE 등을 출력해줌으로써 시스템 설계 초기에 설계 대안의 정량적인 평가가 가능하다.
(2) 연중 냉방부하가 발생하고, 대부분의 시간 부분 부하로 운전되는 데이터센터 건물의 특수성을 고려하여 off-design 조건에서의 장비 효율을 반영하여 동력이 계산될 수 있는 알고리즘을 적용하였다. 팬과 펌프는 부분 부하율에 따라서 동력을 계산하고, 냉동기는 부분 부하 및 냉수와 냉각수 온도에 따라 달라지는 장비 성능을 고려하여 동력이 계산되도록 하였다.
(3) 본 프로그램은 전체 냉방부하 중 서버발열의 비중이 큰 데이터센터의 특성을 고려하여 서버발열을 제외한 기타 냉방부하는 바닥면적 당 일정 상수를 곱하는 방식으로 계산하였다. 따라서, 기타 부하가 데이터센터 전체 냉방부하에서 차지하는 비중이 3% 이하가 되는 중대규모 이상의 데이터센터를 대상으로 유효하며 기타 부하의 비중이 높아지는 소규모 데이터센터에서는 부하계산의 오차가 커질 가능성이 있다.
(4) 개발 중인 프로그램의 검증을 위하여 상용 에너지 시뮬레이션인 디자인빌더 결과값과 비교한 결과, NMBE와 CVRMSE값이 외기냉방 운전시 냉동기 에너지 사용량을 제외하고는 모두 ASHRAE 가이드라인에서 제시된 모델 유효성 범위를 만족하는 것으로 나타났다. 개발 중인 툴의 경우, 냉각수 온도변화가 중요한 외기냉수냉방 모드를 제외하고는 냉각수 온도가 설정온도를 유지하도록 제어함으로써 냉각수 온도변화에 따른 냉동기 효율 차이가 반영되지 않아 생긴 오차로 판단되며 이 부분에 대한 추가적인 보완이 필요할 것으로 사료된다.
(5) 본 연구에서 Matlab으로 개발 중인 툴은 본 연구에서 확인된 보완사항을 반영하고, 추가적인 검증과정을 거쳐 향후 윈도우 기반의 툴로 개발될 예정이다.
요약2 Recently, the annual PUE level of data centers in Korea was around 1.3, which corresponds to a significantly improved energy performance as compared to conventional data centers. In order to achieve an annual PUE of 1.3, a cooling system equipped with an economizer is essential. Since the cooling energy saved by the application of the economizer depends on outdoor air conditions, annual energy simulation is required to evaluate the energy performance of the system. Meanwhile, most data centers operate under partial load conditions and only have cooling loads throughout the year. Therefore, evaluating system energy consumption requires considering the dynamic performance of the equipment under off-design conditions. The purpose of this study is to develop data center cooling system designs and energy analysis tools for mechanical equipment engineers. For verification of the developed tool, simulation results were compared to DesignBuilder model.
소장처 대한설비공학회
언어 한국어
DOI https://doi.org/10.6110/KJACR.2021.33.10.543
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