데이터센터 냉각기: 공랭식과 수랭식 중 선택하기

데이터 센터의 모든 서버, GPU, 스위치는 전기를 열로 변환하는데, 이 열은 IT 장비가 과열되지 않도록 하면서 건물 밖으로 배출되어야 합니다. 칠러는 바로 이러한 열 배출을 가능하게 하는 장치입니다. 칠러는 열을 외부로 전달하는 냉각수를 생산하며, 칠러의 설계는 시설 전체의 냉방 유지를 위해 사용되는 전기 및 물의 양을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다.

운영자와 설비 엔지니어에게 실질적인 질문은 현장에 냉각기가 필요한지 여부가 아니라, 부하, 기후 및 물 공급 상황에 어떤 유형의 냉각기가 적합한지입니다. 이 글에서는 칩 레벨 루프에 대한 논의를 제외하고 바로 그 결정 과정에 집중합니다., 데이터 센터 액체 냉각, 냉각수 분배 장치와 냉동 사이클 자체는 각각 별도의 논의 주제입니다.

데이터센터 냉각 시스템에서 칠러의 역할

데이터센터 칠러는 냉수를 생산하고 시설 내 열을 외부로 방출하는 냉동 장치이며, 필요한 용량은 랙 밀도와 주변 환경에 따라 달라집니다. 건물 내부에서는 컴퓨터실 공조기, 인라인 유닛 또는 칩 직접 냉각판 루프가 장비에서 발생하는 열을 흡수하여 냉수 회로로 전달합니다. 칠러의 역할은 이 물이 따뜻한 상태로 돌아오는 지점에서 시작하여 열이 외부 환경으로 방출되는 지점에서 끝납니다.

냉각기는 전체 과정의 한 연결 고리일 뿐, 전체 공급망이 아닙니다. 냉각기가 최종적으로 실외로 열을 전달하는 방식이 바로 두 가지 주요 냉각기 제품군을 구분하는 핵심이며, 이러한 차이가 하류 공정의 비용 및 효율성에 대부분의 영향을 미칩니다.

공랭식 vs 수랭식: 진정한 차이는 열 방출량에 있다

공랭식과 수랭식이라는 용어는 칠러가 열을 어디로 보내는지를 나타내는 것이지 서버를 어떻게 냉각하는지를 나타내는 것이 아닙니다. 따라서 적절한 냉각 방식 선택은 물의 가용성과 주변 최고 온도에 따라 달라집니다. 건물 전체에 냉각수를 순환시키더라도 "공랭식"이라고 할 수 있는데, 이는 "공랭식"이라는 용어가 랙 자체가 아닌 열을 방출하는 단계를 의미하기 때문입니다.

공랭식 칠러는 응축 코일과 팬을 통해 열을 직접 실외 공기로 방출하므로 냉각탑이 필요 없고 정상 작동 시 물을 거의 또는 전혀 소비하지 않습니다. 수랭식 칠러는 열을 응축수 순환 루프와 냉각탑으로 전달하며, 냉각탑에서 증발을 통해 최종적으로 열을 방출합니다. 수랭식의 효율성 이점은 마케팅이 아닌 물리적 원리에 기인합니다. 냉각탑은 실외 습구 온도에 대해 열을 방출하는데, 이는 공랭식 응축기가 작동해야 하는 건구 온도보다 낮기 때문에 냉매가 더 낮은 온도에서 응축됩니다. 컴프레서가 전력을 덜 소모합니다.. 하지만 그러한 이점은 지속적인 물 사용, 처리 및 더 많은 플랜트 인프라 구축이라는 대가를 치러야 합니다.

흔히 발생하는 용량 산정 오류가 이 표에 숨어 있습니다. 덥고 건조한 기후에서는 공랭식 냉각기의 응축기 측이 여름철 주변 온도가 최고조에 달할 때 가장 먼저 용량 손실을 겪습니다. 온화한 설계일을 기준으로 용량을 산정한 설비는 정작 가장 중요한 날에 제 성능을 발휘하지 못하게 됩니다. 이러한 오류를 방지하는 검증 단계는 설계 주변 온도를 연평균 온도가 아닌 최악의 지역 환경 조건과 비교하는 것입니다.

냉각기를 비교하기 전에 확인해야 할 표준 및 등급 항목

냉각기 비교는 명시된 등급 기준을 통해서만 의미가 있습니다. 두 제조업체의 수치는 동일한 방식으로 측정되지 않으면 비교할 수 없기 때문입니다. 따라서 한 설비를 다른 설비와 비교하기 전에 각 수치의 출처를 확인해야 합니다.

• AHRI 550/590(IP) 또는 551/591(SI) 이 표준은 증기 압축 사이클을 사용하는 공장 제작 냉각 패키지(공랭식 및 수랭식 장치 모두 포함)의 성능을 평가합니다. 표준은 최대 부하 효율을 kW/톤(kW/톤 ≈ 3.516 ÷ COP) 단위로 정의하고, 부분 부하 시의 IPLV(초기 부하 전압)와 NPLV(비초기 부하 전압)도 함께 정의합니다. 표준 자체에 명시된 주의 사항에 유의해야 합니다. IPLV는 단일 냉각기의 평균 성능을 나타내므로, 건물별 분석을 통해 실제 에너지 사용량을 더 정확하게 예측할 수 있습니다.
• ASHRAE 표준 90.4 ASHRAE는 데이터 센터의 에너지 효율 표준으로, 20W/ft² 이상의 냉난방 밀도와 10kW 이상의 IT 부하를 가진 시설에 적용됩니다. 이 표준은 냉방, 팬, 펌프 및 열 방출에 필요한 에너지와 IT 장비에 필요한 에너지의 비율인 기계 부하 성분(MLC)을 통해 설비의 효율성을 평가합니다. ASHRAE는 MLC가 전력 사용 효율(PUE)과 직접적인 유사점이 없으므로 두 가지를 별개의 기준으로 검토해야 한다고 명시하고 있습니다.
• ASHRAE TC 9.9 열 가이드라인 냉각수가 흐를 수 있는 온도를 결정하는 허용 가능한 공급 온도 및 습도 범위를 설정하고, 이는 결국 해당 시설이 확보할 수 있는 무료 냉방 시간을 결정합니다.
• 그린 그리드 PUE 및 WUE 아래에서 논의될 에너지와 물 사이의 상충 관계를 틀로 나타내십시오.

간략한 사전 선정 체크리스트를 통해 이러한 요소들이 추상적으로 변하는 것을 방지할 수 있습니다. 체크리스트에는 설계일 건구 온도 및 습구 온도, 목표 냉수 공급 및 회수 온도, 실제 현장 조건에서의 최대 부하 kW/톤 및 IPLV/NPLV, 예비 용량 및 그에 따른 장치 수, 그리고 보충수, 배출수 및 처리수를 포함한 용수 예산이 포함됩니다.

어떤 냉각기 유형이 현장에 적합한지 결정하는 변수

냉각기 선택은 단일 최적 기술보다는 여러 상호 작용하는 현장 변수에 따라 결정됩니다. 냉각 부하가 출발점이 되는데, 공랭식 장치는 일반적으로 소규모 및 중규모 용량에 사용되는 반면, 대규모 중앙 냉방 시설에는 수랭식 장치가 더 많이 사용됩니다. 하지만 제조사별로 공개된 범위는 다르며, 시스템 중복성을 고려하면 최적의 선택 기준이 달라질 수 있습니다. 기후 또한 중요한 변수인데, 공랭식 장치는 건구 온도가 최고점에 달할 때 용량이 감소하므로, 길고 무더운 여름에는 수랭식 또는 하이브리드 방식이 더 적합하게 될 가능성이 높습니다.

물 공급량은 종종 결정적인 제약 조건이 됩니다. 물이 부족하거나, 비싸거나, 규제 대상인 경우, 공랭식 또는 폐쇄형 순환 방식 설계는 냉각탑의 지속적인 냉각수 끌어다 쓰기와 그에 따른 인허가 문제를 피할 수 있습니다. 발전소 공간 및 구조도 마찬가지입니다. 냉각탑, 응축기 배관, 펌프는 공간과 구조적 지지대가 필요하므로, 지붕 공간이 제한적이거나 기존 설비를 개조해야 하는 경우 자립형 공랭식 발전소가 유리할 수 있습니다. N+1 또는 2N 목표를 달성하기 위해 설비 수와 설치 공간이 충분히 늘어나면, 단일 설비로 설치하더라도 총 설치 비용 측면에서 손해를 볼 수 있으므로, 이러한 모든 요소는 더욱 복잡해집니다.

반복되는 사양 오류는 이러한 변수 중 하나를 간과하는 데서 직접적으로 비롯됩니다. 즉, IT 부하 용량만을 기준으로 크기를 정하거나, 최고 주변 온도가 아닌 평균 주변 온도를 기준으로 검증하거나, 습구 온도를 무시하거나, 이중화로 인해 추가되는 공간을 고려하지 않거나, 냉각 아키텍처가 실제로 제공할 환수 온도를 확인하지 않는 것입니다.

에너지가 실제로 어디로 가는지 보여주는 자유냉방 및 부분부하 작동 방식

칠러의 실제 에너지 사용량은 명판상 최대 부하 효율보다는 기후 및 냉수 설정값에 훨씬 더 크게 좌우되는 부분 부하 성능과 자유 냉각 시간에 따라 결정됩니다. 데이터 센터는 연중 대부분 부분 부하로 가동되므로 100% 정격 용량에서의 성능보다 40% 또는 60% 용량에서의 성능이 더 중요하며, IPLV(Induced Power Load Value)는 바로 이러한 범위 내에서의 성능을 설명하기 위해 존재합니다.

자연 냉각은 효율적인 발전소와 비용이 많이 드는 발전소를 구분하는 핵심 요소입니다. 외부 온도가 충분히 낮으면 칠러는 기계식 압축을 줄이거나 멈추고 주변 온도를 이용하여 물을 냉각할 수 있습니다. 온대 기후에서는 이를 통해 연중 상당 기간 동안 압축기 에너지 소비를 줄일 수 있습니다. 냉수 설정 온도를 높이면 이러한 에너지 절감 효과를 볼 수 있는 기간이 넓어지고, 냉온 통로를 잘 분리하면 IT 장비에 손상을 주지 않고 발전소를 더 높은 온도로 가동할 수 있습니다.

두 가지 지표에서 상충 관계가 나타납니다. PUE는 총 설비 에너지 소비량을 IT 장비 에너지 소비량으로 나눈 값이고, WUE는 연간 설비 용수 사용량을 IT 장비 에너지 소비량으로 나눈 값으로, 리터/kWh 단위로 표시됩니다. 설계는 한 지표에서는 우수하지만 다른 지표에서는 열릴 수 있습니다. 예를 들어, PUE가 뛰어난 수냉식 발전소라도 물 부족 지역에서는 WUE가 낮아 성능이 저하될 수 있습니다. 공랭식과 수랭식 혼합 설비의 경우, PUE만으로는 전체적인 상황을 제대로 반영하지 못할 수 있으므로 총 전력 사용 효율과 같은 추가적인 지표를 사용하는 경우가 많습니다. 따라서 초기에 어떤 지표를 기준으로 평가하는지 확인하는 것이 중요합니다.

랙 밀도가 높아짐에 따라 칠러와 칩 레벨 쿨링이 어떻게 작업을 분담하는지

랙 밀도가 실내 공기가 감당할 수 있는 한계를 넘어서면서, 냉각 시스템은 공기를 직접 냉각하는 대신 칩 레벨의 액체 냉각 루프에 냉각수를 공급하는 방식으로 전환되는 추세이지만, 열 방출의 핵심 역할을 하는 것은 변하지 않습니다. 칩 직접 연결 방식에서는, 콜드 플레이트 프로세서에서 발생하는 열을 포착합니다. 냉각수 분배 장치 기술 냉각 루프를 관리하고, 칠러 또는 건식 냉각기가 그 열을 외부로 방출합니다. 칠러는 여전히 전체 냉각 시스템의 맨 끝에 위치합니다.

한 가지 경계 조건이 널리 오해되고 있는데, 칩 직접 냉각 방식이 자동으로 더 차가운 냉각수를 의미하는 것은 아닙니다. 콜드 플레이트 설계, CDU 접근 온도, 냉각수 종류, 칩 입구 제한에 따라 일부 아키텍처에서는 상당히 높은 냉각수 또는 2차 루프 온도를 허용할 수 있으며, 이는 자유 냉각 및 리프트 효율을 향상시킬 수 있습니다. 이러한 더 높은 설정값은 아키텍처별 결과이며 보편적인 설계값이 아니므로 가정하기보다는 실제 루프에서 확인해야 합니다. 변함없는 사실은 칠러가 해당 냉각 아키텍처에 맞춰져야 한다는 것입니다. 랙 밀도가 높아지고 특정 냉각수 온도가 적용되면 플랜트가 처리해야 하는 환수 조건이 달라집니다.

냉각기 선택을 냉각기가 공급하는 부하량으로 다시 돌려봅시다.

냉각기 선택은 열 방출 위치, 기후 및 수자원 상황, 부하 분산을 위한 이중화 방식 등 세 가지 연관된 변수에 따라 결정됩니다. 공랭식 또는 수랭식 냉각기 선택은 품질 순위가 아닌, AHRI 인증 최대 부하 및 부분 부하 수치와 ASHRAE 90.4 기준에 따른 전체 기계 부하 분석을 통해 특정 현장에 적합한지 여부를 판단해야 합니다.

Trumonytechs에서 저희 업무는 이 공정에서 칩과 냉각제 사이의 연결 과정, 즉 콜드 플레이트와 관련된 부분에 집중되어 있습니다. 열 인터페이스 재료 냉각기가 궁극적으로 배출하는 루프에 전달되는 열은 냉각 과정에서 발생합니다. 이러한 관점에서 냉각기 사양을 정하기 전에 결정적인 변수 하나가 반복적으로 드러나는데, 바로 환수 온도입니다. 환수 온도는 냉각기의 증발기 작동 조건, 사용 가능한 자유 냉각 시간, CDU 접근 온도, 그리고 칩이 실제로 접하는 냉각판 입구 온도를 결정하기 때문입니다. 낙관적인 냉각수 온도를 기준으로 칩 레벨 루프를 설계하면, 적절하게 용량이 지정된 설비라도 제대로 작동하지 못할 수 있습니다.

냉각 아키텍처를 칠러 플랜트에 맞추는 경우, 다음 단계는 설계 건구 온도 및 습구 온도, 목표 냉각수 공급 및 회수 온도, 그리고 장비 비교 전에 이중화 계층을 확정하는 것입니다. 칩 측면에서는 콜드 플레이트 열 부하, 칩 TDP, 냉각수 종류, 목표 CDU 입구 및 출구 온도, TIM 두께 및 열전도율, 그리고 압력 강하 예산을 공유해 주시면 당사 엔지니어링 팀이 계획 중인 열 방출 플랜트에 맞춰 칩 레벨 냉각 설계를 최적화할 수 있도록 지원해 드립니다.

자주 묻는 질문