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본 연구에서는 데이터센터의 대표적인 에너지효율 개선 솔루션인 HAC 및 CAC의 IT공조환경을 비교분석을 위하여 운영 중인 데이터센터를 대상으로 IT공조환경 현장측정을 수행하였다. HAC와 CAC에 적용된 공조시스템의 차폐구조에 따라서 서버룸 내부의 IT공조환경과 공조효율의 차이를 실험 및 비교하는 목적으로 진행 하였다. 본 논문의 가장 큰 학술적인 기여는 데이터센터의 실제상황과 운영조건을 변경하여 기존의 CFD 기반 수치해석으로 비교한 HAC와 CAC시스템의 공조효율을 현장실험을 통해서 현실적으로 구현한 점이다. 대상 데이터센터에 국한될 수도 있지만, IT서버룸을 구성하는 시설의 차폐 및 기밀도가 좋지 않을 경우, 공기분배시스템에서 HAC를 적용하는 것이 CAC에 비해 공조효율이 우수한 것으로 분석되었다. 연구의 주요 결과는 다음과 같이 요약할 수 있다. (1) 룸 기반 공조방식인 CRAH 유닛의 급기온도 15℃를 기준으로, HAC와 CAC 시스템을 비교한 결과, HAC 시스템의 냉복도 평균온도는 CAC 시스템보다 2.46℃ 낮았고 열복도 평균온도도 CAC 시스템보다 3.70℃ 낮았다. CAC이 HAC보다 IT서버를 통과한 과열공기가 CRAH 유닛으로 환기되지 않고 IT 서버로 재순환되는 현상에 더 취약한 것으로 분석되었다. (2) HAC 시스템의 CRAH 유닛 급기온도 17℃로 상향했을 경우, 급기온도 15℃의 CAC와 비교하면 냉복도와 열복도의 평균온도는 ±.05℃ 미만으로 매우 유사한 분포를 보였다. 따라서 HAC 시스템은 CAC 시스템과 비교하여 동일한 IT환경을 유지하면서 CARH 유닛의 취출온도를 2℃ 상향이 가능하다. (3) 급기온도 15℃의 동일조건으로 HAC 시스템의 공조효율이 CAC 시스템 보다 우수하다. 열성능 지표분석에 따르면, SHI와 RHI는 각각 10.9%, 9.3% 개선되고 RCILo는 모든 IT서버 입구에서 허용온도 100% 범위에서 최적의 상태를 유지했다. RTI와 β도 각각 26.1%와 30.0% 개선되었다. (4) 급기온도 17℃에서 HAC 시스템을 적용하면 SHI와 RHI가 각각 17.4%, 14.8% 개선되었다. HAC은 CAC 보다 더 안정적인 IT공조환경을 유지할 수 있지만 일부 공조효율은 여전히 열악했다. RTI와 β도 각각 26.1%와 30.0% 향상되었다. (5) 이중마루, 천장 및 랙 서버의 빈공간 등 전반적인 차폐 및 기밀도가 좋지 않을 경우, HAC와 CAC 시스템은 상호 차이는 있지만 이동경로의 손실과, 냉복도와 열복도의 공기혼합과 같은 비효율적인 열성능이 지속적으로 유지된다. 따라서 적절한 IT공조환경을 유지하기 위해 더 많은 냉각에너지가 필요했기 때문에 단일복도 차폐시스템은 여전히 비효율적이다. 향후, 위의 결과로 구역 기반 공조시스템인 FAC 시스템의 개발 및 적용을 통하여 공조 에너지 감소에 대한 영향도 분석의 후속 연구가 요구된다. 이는 해당 시스템 급기온도의 변화에 따른 직접적인 냉각열량의 감소 효과 및 냉각효율(COP : coefficient of performance) 향상 등을 구체적으로 제시하는 것이 필요할 것으로 판단된다.
With the increased awareness of data center cooling and its energy cost impact, the hot aisle containment (HAC) system and the cold aisle containment (CAC) system are considered to be two of the most prominent techniques for IT environment control. This study investigated the thermal performance of the two systems in an experimental test, analyzing the thermal environment based on the inlet and outlet air temperature distribution according to the type of IT equipment. The filed measurements show that the HAC is more effective at cooling the IT equipment. The supply air temperature of the HAC system can be raised by 2.0℃, but the IT operation environment will be similar to that of the CAC system. The distributions of SHI and RHI of the HAC system were higher than those of the CAC system by 17.4% and 14.8%, respectively. Moreover, RTI was improved by 26.1%. This paper analyzes both systems and highlights the reasons why HAC is often the preferred solution. Even though the HAC could maintain a more stable IT environment than the CAC, the air distribution efficiency still operated imperfectly with losses in the distribution path and a mixing of hot and cold air. The development of a prototype of a fully air containment system could be a possible future development, as it could improve the two systems we tested and result in a lower risk of air recirculation and bypass.
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Data center, IT environment, Hot aisle containment, Cold aisle containment, Site measurement, Evaluation metrics
