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공조사업부 / 유원공조(주)
4차 산업혁명의 영향으로 제조업과 산업의 변화가 시작되고 있다. 제조업의 | 혁신인 스마트 팩토리, 자율주행 자동차 등이 활성화 됨에 따라 데이터 센터
의 수요도 증가하여 냉각탑의 수요도 같이 증가하고 있다. 데이터 센터의 시장규모는 2018년 준 395억 달러에서 연평균 10% 성장 2024년에는 약 700억 달러로 성장할 전망이다.
유비쿼터스 시대의 대표적인 건물로서 데이터 센터는 수많은 데이터 저장소 가 필요로 하는 상황에 대비하고 에너지 절감이 주된 목표가 되어야 한다.
데이터 센터의 PUE (Power Usage Effectiveness) 설정에 결정적 역할 을 하는 냉동기 효율을 높이기 위해서 냉각탑의 성능도 그 어느 때보다 중요한 설계인자로 고려되고 있다. 이러한 상황에서 냉각탑을 선정함에 있어 반드시 고려되어야 할 사항에 대해서 제시하고자 한다.
국내에 있는 데이터 센터는 2018년 기준 총 155개로 그 중 80%는 수도권에 위치하고 있다. 2021년에 9,500억 원 이상 규모가 예상됨에 따라 클라우드 서비스를 시장에 구축시켜야 할 필요가 있다. 데이터 센터는 24시간 운전이 필요한 건물로 발열 부하를 줄이고 쾌적한 환경을 유지하기 위하여 냉각시스템은 필수이다.
또한 서버 운영 이외에 가장 많은 에너지를 소비하는 것이 냉각시스템이다. 한국 데이터 센터 연합회에 따르면 5년간 고속 성장 뒤에 침체기가 있을 것으로 예상되지만 5년간 물량이 구축되더라도 일본을 포함한 우리나라와 동양의 국가들은 성장세를 지속할 것이라고 전망하고 있다.
한국전력공사에 따르면 우리나라의 2023년 IT 최대 전력 공급량은 700MW로 일본에 비해 15MW 더 적다. 데이터 센터에 들어가는 에너지비용의 90% 이상이 전력 비용이며 이중 냉각탑 냉동기가 총 전력량의 40%를 사용하고, 나머지 60%는 배전시설과 전력공급 설비 등에서 사용하는 필수 전력량이다. 따라서 전력량을 줄이기 위한 가장 효율적인 방안은 냉각시스템의 전력을 줄이는 것이라고 HVAC KOREA 컨퍼런스의 데이터 냉각 트렌드 세션에서 발표했다. 이에 따라 냉방 전력을 줄이기 위해 Free Cooling 시스템 등 여러가지 절약 방법에 대한 관심이 어느 때보다도 높아지고 있다.
Free Cooling은 에너지 절약에 대한 관심이 많아지는 상황에서 냉각탑의 가장 중요한 설계인자로써 고려되어야 한다. 초창기 데이터 센터에서 최초로 접목했던 냉각탑 타입은 압입송풍형 냉각탑으로, 유도송풍형에 대비하여 소비동력도 높고 재순환에 대한 이슈가 항상 있어 왔다.
해외에서는 직교류 혹은 대향류 유도송풍형 설치가 다수를 이루고 있으며 압입송풍형의 경우 실내 및 지하에 설치 하는 특수한 경우를 제외하고 데이터 센터에는 거의 적용하지 않고 있다.
최근 데이터 센터용 냉각탑에 대한 고려 사항은 아래와 같으며 이에 대한 적용방법을 정리하였다.
24시간 운전이 필요한 냉각탑 운전에서 냉각탑 구동부 및 충진재 부분 상태를 확인하기 위해서는 대향류의 경우 냉각탑 가동 중지가 필수이나 직교류형의 경우 가동 중지 없이 상태 파악이 가능하다. 냉각탑의 성능에 따라 냉동기 소비 동력을 크게 줄일 수 있으며 (Fig. 1 참조) Free Cooling 기간이 길어진 현재 데이터 센터의 냉각 설계에 있어서 냉각탑에 대한 신뢰성은 어느 때보다도 중요한 사항이다. 또한 냉각탑 성능에 대한 가장 높은 신뢰성을 가지는 인증은 CTI 인증 (Fig. 2 참조)으로서 냉각탑 열성능 테스트 100% 이상일 때를 기준으로 인증을 부여하는 세계에서 유일한 인증이며 철저 한 사후 관리와 성능에 대한 추적 관리를 통하여 신뢰성을 검증한다.
유럽 데이터 센터의 경우 냉각탑에 대해서는 CTI 및 EUROVENT 인증서를 발급 받은 제품만 설치하고 있다.
냉각탑을 생산하는 대부분의 업체는 벨트타입 (Fig. 3 참조)을 기본으로 설치하여 테스트하고 있으나 벨트타입 감속기의 경우 벨트의 텐션을 3개월 주기로 확인해야 하며, 텐션에 문제가 생길 경우 냉각탑 팬의 풍량 변화에 의해 성능에 문제가 발생한다.
24시간 운전 및 신뢰성 있는 운전이 중요한 요소인 데이터 센터에서 벨트타입 감속기에 대한 대안으로 기어감속기 타입의 냉각탑이 주류를 이루고 있는 상황이다. 기어감속기 타입의 경우 기본 5년의 보증기간을 가지며 별도의 보수없이 5년에 한 번 윤활유 정도만 교체하면 되기 때문에 획기적으로 유지보수 비용 및 시간을 줄일 수 있다.
24시간 운전이 필요한 다른 플랜트 현장도 기어감속기 타입을 사용함으로써 냉각탑을 안정적으로 운영하고 있다.
24시간 운전이 필요한 냉각탑 운전에서 냉각탑 구동부 및 충진재 부분 상태를 확인하기 위해서는 대향류의 경우 냉각탑 가동 중지가 필수이나 직교류형의 경우 가동 중지 없이 상태 파악이 가능하다.
최근까지 여러 차례 발생한 냉각탑 화재 우려는 현재까지도 계속되고 있는 상황이며 가동 중지가 되어서는 안되는 데이터 센터의 경우 특히 화재에 대한 안정성이 어느 때보다 중요하게 고려되어야 한다. 그러나 국내에는 냉각탑에 대한 별도의 화재 안정성을 인증하는 규격이 아쉽게도 재정되어 있지 않다. 따라서 해외 및 국내에서 널리 인정받고 있는 FM approval에 대해서 날로 관심이 높아지고 있는 상황이다.
FM approval은 미국의 재보험사 협회가 만든 화재 및 재난 관련 안정성 인증으로 내진, 풍압, 화재에 대한 안정성 테스트 후 인증을 주고 있다. 특히 내진 및 풍압은 냉각탑 설계에 대한 부분을 면밀하게 검토한 후 인증을 주며 화재에 대한 부분은 직접 테스트를 진행한 후 인증 을 부여하고 있다. 화재 안정성에 대한 부분은 직접 충진재 부분에 화재를 발생시켜 자기 소화성을 확인하며 화재진압이 완료된 후 냉각탑을 가동 시켜 75% 이상의 성능을 발휘해야 최종 인증을 받을 수 있다.
이에 따라 외국 재보험사의 경우는 해당 인증을 획득 시 보험료율을 인하하며 미국의 경우 냉각탑에 스프링 쿨러 설비 설치가 의무이나 해당 인증 장비 설치 시 스프링 쿨러 설비 설치를 면제하고 있다. 국내에서는 화재에 관한 인증이 전무한 상황에서 가장 안정된 냉각탑을 선정하기 위해 FM 인증 (Fig. 6 참조)이 최우선으로 요구 되어야 할 것이다.
데이터 센터는 기본적으로 건축부터 내진설계를 기본으로 하고 있으며 설계기준을 진도 7 에 맞춰서 설계 및 건축하고 있다.
이에 관련 설비들도 해당 규격에 맞춰서 설치 및 제작하고 있으나 냉각탑 자체에 대한 내진 인증 규격이 현재 설정되어 있지 않아 지진 발생 시 냉각탑 파손으로 의해 데이터 센터 가동 이 멈출 수 있는 부분에 대한 기준이 없다. 화재인증과 마찬가지로 이 부분에 대해 현재는 외국 내진 설계 규격을 참고로 냉각탑을 선정할 수밖에 없는 실정이다.
미국에서는 IBC와 FM approval 인증으로 내진 성능을 규정하고 있으며 테스트를 (Fig. 7 참조, 오른쪽사진) 통해서 내진 성능을 확인하고 있다.
데이터 센터의 냉각탑은 동절기에도 고부하 운전이 필요하며 필연적으로 비산으로 인해 냉각탑 공기 흡입 부위에 얼음 및 고드름이 생성되어 충진재에 대한 파손, 고드름에 의한 낙하물 사고, 냉각탑 주위 빙판 생성에 의한 사고 등 여러가지 문제를 일으킨다.
(Fig. 8 참조) 이에 따라 충진재 설계 시 냉각효율에 대한 고려 및 비산량을 줄임으로써 최대한으로 동결현상을 방지해야 한다.
데이터 센터의 경우 주로 수도권 및 도심지 지역에 많이 건축되고 있는데, 이러한 경우 주위 주거지역 및 오피스 지역에 소음 피해를 최소화 하기 위하여 냉각탑에 대한 소음 검증이 필수적이다. 특히 주거지역의 밤시간대에 법으로 규정한 소음치인 55db를 맞추기 위해서는 소음기와 초 저소음팬을 적용함으로써 발생 소음을 낮추고 있다. (Fig. 9. Fio. 10 참조)
따라서 각 냉각탑 업체들은 기본 소음치에 대한 자료를 제품 설계 시 제공하고 있으나 해당 소음치에 대한 검증은 각 회사의 측정자료 로만 제공하고 있어 공신력에 대한 의심을 받고 있는 실정이다. 이것에 대한 대응책으로 해외 냉각탑 업체들은 제품 소음치를 직접 CTI (국제 열성능 인증)에서 인증한 소음측정 기관의 테스트를 받아 제공하여 소음 규격에 대한 좀 더 정확하고 신뢰성 있는 데이터를 제공하고 있다.
앞에서 언급한 것과 같이 데이터 센터 냉각탑의 경우 24시간 운전 및 Free Cooling 운전이 필수인 상황에서 신뢰성 있는 성능과 안정적인 운영이 그 어느 때보다 중요한 상황이다. 특히 냉각탑 고장에 의한 가동이 중지되거나 혹은 성능저하로 서버룸 냉각에 문제 가 생겨 온도 증가에 따른 서버 다운 발생 시 1분 단위로 고객사의 비용으로 보상을 해야한다.
데이터 센터의 경우 최초에 이러한 모든 리스크에 대처하기 위하여 초기 투자보다는 안정성과 유지보수성에 초점을 맞춰서 설계하고 있으나, 냉각탑에 대한 국내 인식은 아직까지는 냉동기보다 중요도가 떨어지는 것이 현실이다. 그러나 앞에서 설명하였듯이 냉각탑의 문제가 자칫 데이터 센터의 운영에 심각한 문제를 야기시킬 수 있으므로 신뢰성 있는 장비를 선택해야 할 것이며, 신뢰성과 안정성이 있는 냉각탑 선택 기준은 위와 같은 각종 인증 및 신뢰성 있는 데이터를 가지고 있는 냉각탑을 기초로 설계하는 것이 타당하다.
유원 공조(주)는 데이터 센터를 효율적으로 운영할 수 있게 하고, 냉각탑에 의해 발생할 수 있는 에너지 손실을 최소화하며 전세계적으로 품질을 인정받고 있는 말리사의 냉각탑을 수입하여 공급하고 있다. 또한 요구기술조건에 대한 엔지니어링 솔루션을 통하여 에너지 절약, 내구성 향상 등 최적의 시스템을 제시하고 있다.
참고문헌
(1) ASHRAE Handbook (2017, ASHRAE)
(2) Cooling Tower Fundamentals (John C. Hensley, 2009, SPX Cooling Technologies, Inc.)
(3) Gear Speed Reducers – STD – 111 (2018. 2, CTI)
Fig. 8 외기온도 -15°C 시 동결현상 방지기능 비교 사진
(4) Standard for the Certification of Water Cooling Tower Thermal Performance – STD – 201RS (2019. 02, CTI)