벤투리 효과(Venturi effect) 및 벤투리 효과가 데이터센터 효율에 미치는 영향
벤투리 효과 소개
빠르게 흐르는 강이 좁은 해협으로 몰리는 것을 본 적이 있거나 두 개의 산봉우리 사이에서 패러글라이딩을 해 본 적이 있다면 1797년 지오바니 바티스타 벤투리(Giovanni Battista Venturi)가 설명한 벤투리 효과라는 현상을 경험했거나 활용했다고 할 수 있습니다.
지형 위로 부는 바람이 두 개의 산봉우리 사이처럼 협소한 경로를 만나면 이 좁은 틈을 통과하도록 공기에 압력이 가해집니다. 압력과 관련된 위치 에너지가 운동 에너지로 전환되면서 공기 속도(v)는 증가하고 압력(P)은 떨어집니다. 공기가 좁은 틈을 빠른 속도로 통과할 때 이 저기압으로 인해 주변 공기가 흔적을 지우듯이 후미로 빨려 듭니다. 압력차 및 이로 인해 어긋난 균형을 맞추기 위한 흡입 효과는 한랭전선과 온난전선이 충돌할 때 관찰할 수 있습니다. 이러한 효과는 데이터 센터에 문제를 일으킵니다.
데이터 센터의 벤투리 효과
업계에서 가장 중요한 과제 중 하나는 높은 IT 부하 요구를 충족하면서 효율적으로 열을 관리하는 것입니다. 기존 온도 제어 시스템은 열 제거의 주요 수단으로 공기를 사용하며, 일반적으로 서버실 온도 조절에 컴퓨터실 에어컨(CRAC) 또는 에어 핸들러(CRAH) 방식이 선호됩니다. 이러한 방식은 즉각적인 작업(서버 열 제거)에는 효과적일지 몰라도 더 큰 측면에서 보면 효율이 크게 낮습니다.
풍속 및 풍량
CRAC 장비는 좁은 공간에서 작업이 가능하도록 설계되었으며 바로 그것이 이 장비의 기능입니다. 서버 열 1MW를 냉각하려면 70m³/s의 공기가 필요합니다(공급과 회수 사이 델타 온도가 12도인 조건하). 현실적으로 많은 시설이 12°CdT에 도달하지 못하므로 더 많은 공기가 필요합니다. CRAC 장비는 보통 크기가 작고 공기 속도를 증가시키지 않고는 필수 공기량을 전달할 수 없기 때문에 풍속이 높지 않으면 CRAC 장비로는 서버 랙에서 열을 충분히 제거할 수 있는 정도의 공기량을 제공할 수 없습니다.
데이터 센터에서 가장 높은 풍속은 대부분 CRAC 장비 출구에 있는 공기 궤도의 가장 작은 섹션(상층부 바닥 아래 지역 또는 서버 통로 사이 통로 내부)에서 발생합니다. 기존 온도 조절 솔루션을 갖춘 데이터 센터 내 풍속은 5m/s를 초과하는 경우가 많으며 최대 8~10m/s에 도달하는 경우가 많습니다.
이러한 경우는 데이터 센터 부하가 최대 설계 용량보다 상당히 낮을 때도 발생 할 수 있습니다. 때로는 이러한 비효율의 원인이 데이터 센터 내 통로 및 열 사이의 기류가 부실하게 설계된 것 때문일 수 있습니다. 시간 단위당 필요한 공기량은 서버에서 소실된 에너지 및 서버 내 공기 온도 증가와 직접적인 관련이 있습니다.
순환 공기의 용량은
1MW 당 100㎥/s에 달합니다.
공기 누출로 인해 순환 공기의 용량은 대부분의 데이터 센터에서 1MW당 100m³/s에 달합니다. 당연히, 데이터 센터를 순환시켜 적정 온도를 유지하려면 대용량의 공기가 필요합니다.
기압
속도가 빠른 대용량의 공기로 인한 공기 정압의 국부 강하는 서버실 내 압력 조건에 막대한 영향을 미칩니다.
8m/s의 풍속은 대략 400Pa의 압력 강하 효과가 있습니다. 설계가 부실한 서버실에서 이러한 압력차는 서버 팬의 냉각 기능에 영향을 미쳐 열점이 쉽게 생성될 수 있으므로 심각한 문제가 됩니다. 또한 기류 저항 손실을 보완하고 이를 극복해야 하기 때문에 서버 쿨러 팬의 전기 소모가 높아지게 됩니다.
벤투리 효과 확인
높은 풍속으로 CRAC 장비로부터 상층부 바닥 밑의 빈 공간으로 이동하는 대용량의 공기 흐름은 서버실에서 원치 않는 압력 변화를 일으킵니다. 저기압의 국부적 발생은 서버 입구 쪽에 저기압이 발생한 경우, 두 가지 방식으로 서버 작업에 영향을 줄 수 있습니다.
- 서버 내부에 있는 냉각 팬이 서버를 통해 충분한 양의 공기를 흡수하기 어렵거나 불가능하게 됩니다.
- 저기압으로 인해 주변 공기에서 이용 가능한 냉기량이 감소하기 때문에 열기가 서버 입구 쪽으로 이동할 수 있습니다.
압력차 해결을 위한 기존의 솔루션
과압력 적용
이렇게 원치 않는 압력차를 해결하기 위해 가장 널리 사용되는 솔루션 중 하나는 과압력을 적용하는 것입니다. 하지만 적용된 압력이 서버실의 모든 부분에 서 압력 강하를 완전히 보충하지는 못하며 그 결과 열점이 남게 됩니다.
또한 데이터 센터 내 과압력 적용으로 인해 의도치 않게 공기 누출이 발생합니다. 누출 예방에는 많은 비용이 들 뿐만 아니라, 압력 손실을 보완하기 위해 40% 이상의 공기를 추가로 서버실에서 순환시켜야 합니다. 역설적으로 이는 풍속을 더 높여 눈덩이 효과를 발생시킵니다.
과압력을 적용하면 명백하게 에너지 소비가 크게 증가하고 팬이 마모되며 회수 온도가 낮아지고, 그 결과 외부 온도에 따라 기계 냉각 또는 프리 쿨링 프로세스에서 에너지 효율이 떨어집니다.
지속적 기류 시스템에서는 제어 장치(공기 댐퍼, 조정 가능 바닥 타일 등)를 조정하여 기류를 제어할 수 있습니다. 하지만 오늘날 데이터 센터 내 기류는 지속 적이지 않고 공기 수요 및 기류에 관한 여러 가지 상황이 발생하기 때문에 기류 및/또는 압력 제어 장치를 지속적으로 조정해 주어야 합니다.
과압력 적용으로 비용 증가
- 에너지 낭비
- 비효율적 냉각
- 시스템 가압
- 복잡한 제어
| 서버 쿨러의 온도 차이 | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| 5 | 7.5 | 10 | 12.5 | [k] | |
| 5㎾ 서버 냉각에 따른 기류 | 0.83 | 0.55 | 0.41 | 0.33 | [㎥/s] |
| 압력차 기류 순환 | [Pa] | 팬의 부분 PUE(IT - 부하 = 1.0) 70% 팬/모터 효율 [Pa] 전력 소비 팬 : P = △p x Φv/η |
|||
| CRAC/CRAH | 400 | 9.6% | 6.3% | 4.7% | 3.9% |
| CRAC/CRAH | 200 | 5.3% | 4.4% | 3.6% | 2.9% |
| 저속 환기, 전체 재순환 | 30 | 0.9% | 0.71% | 0.53% | 0.39% |
| 저속 환기, 외부 공기 | 15 | 0.61% | 0.49% | 0.37% | 0.24% |
저속환기를 통한 압력차 해결 방법
압력 제어 방식에서 공기 가용성 방식으로 전환
비용 효율 및 안전한 온도 제어 시스템에 대한 필요가 증가하면서 저속 환기 솔루션이 거대한 패러다임의 변화를 이끌게 되었습니다. 저속 환기가 CRAC 장비, 높은 공기 속도, 벤투리 효과와 관련된 수많은 문제를 해결하는 방식은 간단하고 효율적입니다. 바로 높은 공기 속도가 발생하지 않도록 하는 것입니다.
과제는 여전히 동일합니다. 초당 대용량의 공기로 서버를 냉각시키는 것입니다. 이 솔루션은 간단하며 이점이 많은데, LSV 시스템에서는 대형 단면적에서 공기를 냉각해 공기 속도를 낮은 수준으로 유지할 수 있으며 벤투리 효과가 발생하지 않습니다.
LSV 기술을 사용하는 데이터 센터에서 공기는 1~1.5m/s의 속도로 움직입니다. 압력차와 벤투리 효과는 공기 속도가 높을 때 부정적인 영향을 미칩니다. 기존 온도 제어 시스템은 공기의 반복적인 순환 개념을 토대로 하고 있습니다. 이러한 시스템에서 CRAC 장비의 조정 변수는 온도 및 압력입니다. 이러한 조정 원칙은 사실상 피할 수 없는 문제입니다. 데이터 센터 내 압력 상황 제어는 열점을 예방하는 데 중요한 역할을 하며 나아가 서버를 안정적으로 작동하는데 중요한 역할을 하기 때문입니다. 하지만 저속 환기 방식을 사용하면 고객이 원하는 사양(0~5Pa)에 맞게 압력을 조정할 수 있기 때문에 압력 관련 문제가 차지하는 비중이 줄어듭니다. 기본적으로 압력차가 방지되며, 이로 인해 공기 순환에 사용되는 에너지량을 큰 폭으로 절감할 수 있을 뿐 아니라 온도 제어가 훨씬 쉬워집니다.
데이터 센터 온도 제어 방식은 ‘유인 공기 순환’ 방식에서 ‘공기 가용성’ 방식으로 패러다임이 바뀌어야 합니다. 제어 시스템이 매우 간소화될 수 있으며, 시스템은 더욱 견고해집니다.
건강하게 숨쉬는 생명체와 마찬가지로 서버에는 충분한 양의 공기가 필요합니다. 충분한 공기가 있다면 서버는 자체 관리가 가능하지만, 여기에는 새로운 온도 제어 방식이 필요합니다. 이러한 방식은 서버에 사용 가능한 냉기의 여부만을 기준으로 하는 관점입니다.
저속 환기를 구현하는 데는 주요 조건 두 가지가 있습니다.
- 공기 처리 장비와 데이터 센터 내 공기 회로 궤도의 단면적이 낮은 공기 속도를 유지할 수 있을 정도로 충분해야 합니다. 이는 원치 않으며 불필요한 압력차를 예방하고 압력 적용 필요를 완전히 해소합니다.
공기 가용성 조정 - 충분한 양의 공기를 전달하고 냉기 공급 및 열기 회수 사이 기류의 균형을 측정하는 온도 제어 시스템이 있습니다. 서버의 공기 수요가 증가하면 시스템의 스마트 튜브에서 이를 감지하고, LSV 시스템에서 더 많은 공기를 공급하기 시작합니다.
지속적인 기류에서 풍속을 낮추면 공기 회로 궤도의 단면적이 증가합니다. 특히 LSV 서버 냉각 기술에는 이른바 분리 통로라고 하는 다른 공기 회수 구조가 필요합니다.
데이터실 내에서는 서버실 및 열기 플레넘(냉기의 부족 또는 초과) 사이에서 기류 누출을 측정합니다. LSV 쿨러에서 팬을 조정해 데이터실 내 냉기의 공급 및 수요 균형을 맞출 수 있습니다.
결론
CRAC 장비의 좁은 출구에서 발생한 높은 풍속으로 인해 빈 공간에서 압력차가 발생하고 이는 데이터 센터의 운용 비용을 증가시킵니다. 압력 손실을 보완하기 위해 과압력을 적용하면 팬의 마모가 증가할 뿐만 아니라 에너지 요금 또한 증가하며, 향후 공기 누출을 최소화하기 위해 자본을 추가적으로 들여 값비싼 솔루션을 이용해야 합니다. 이러한 자본은 다른 곳에서 더욱 효율적으로 쓰일 수 있었을 비용입니다.
이러한 압력차를 모두 최소화할 수 있다면 어떨까요? 알파라발 저속 환기 시스템을 사용하면 이를 실현할 수 있는 동시에 제어 장비 및 전기 시설을 감축할수 있고, 누출 예방 시스템이 필요 없으며, 기존 솔루션보다 초기 투자금이 일반적으로 저렴합니다.