Literature Review: Data Center- Physical, Environmental and Energy Footprint/ko

▼웨스턴 대학교의 자유적절지수기술(FAST) 연구 그룹

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문헌 검토

데이터센터 냉각 기술, 운영 조건 및 이에 따른 저온 폐열 회수 기회에 대한 검토 ^{[ 1 ]}

• 데이터 센터는 미국 전체 전력 사용량의 2% 이상을 차지합니다.
  • 전 세계 직류 소비량(300억 와트)의 25~35%가 미국에서 소비됩니다.
  • 전자 장비 냉각에 사용되는 전력의 절반
• 저품질 폐열을 회수 및 재사용하는 데 따르는 어려움
  • 캡처 온도는 전자 장치의 온도 제한에 의해 제한되며, 대부분의 경우 85°C 미만으로 유지됩니다.
• 대부분의 서버는 최대 용량으로 거의 가동되지 않습니다.
  • 대다수 기업은 최대 자본금의 20% 이하로 운영되고 있습니다.
  • 시스템이 유휴 상태일 때, 전력망에서 끌어오는 최대 전력의 60~100%를 사용합니다.
  • 많은 데이터 센터에는 100W/cm2를 초과하고 심지어 200W/cm2에 달하는 전력 밀도를 가진 서버가 사용되고 있습니다. 이는 0.65m2 크기의 랙이 최대 30kW의 열을 방출해야 한다는 것을 의미하며, 이는 1990년 당시 동일한 크기의 랙이 방출하던 에너지량보다 약 30배 높은 수치입니다.
• 물리적 조직
  • 랙은 표준 금속 프레임 또는 케이스입니다.
  • 높이: 78인치, 너비: 23-25인치, 깊이: 26-30인치 >>> 랙
  • 표준형 랙은 약 2m 간격으로 여러 줄로 배열됩니다.
  • 랙에 장착된 모듈형 자산의 높이 또는 두께는 1U == 1.8인치로 표시됩니다.
  • 일반적인 크기의 랙에는 총 42개의 1U 자산을 수용할 수 있습니다.
• 열 부하 및 온도 제한
  • 기존 데이터센터에서 소모되는 에너지 플럭스는 430~861W/m2 범위인 반면, 차세대 데이터센터에서 소모되는 에너지 플럭스는 최소 10배 이상 증가한 6458~10,764W/m2입니다.
  • 비슷한 크기의 방에 대한 기존 HVAC 시스템의 용량(40~86W/m2)
  • 표 1(최근 문헌에 나타난 마이크로프로세서/코어의 열 부하 및 물리적 크기)을 참조하십시오.
  • 하드 디스크 하나는 최대 12W의 전력을 소모할 수 있으며, 대용량 저장 장치는 전체 전력 공급량의 20~30%를 소비합니다.
  • 표에 따르면 일반 서버의 총 전력 소비량은 일반적으로 300~400W 범위이지만, 사용자가 많이 탑재된 서버의 경우 전력 소비량이 최대 525W에 달할 수 있습니다.
  • 블레이드 서버의 전력 소비량은 대당 약 250W였습니다.
  • 랙당 전력 소비량은 약 7kW입니다.
  • 고성능 랙이 최대 활용률로 작동할 때의 전력 소비량은 약 10~15kW입니다.
  • 블레이드 서버가 장착된 랙에서 소모되는 전력은 최대 21kW에 달할 수 있습니다.
  • ASHRAE는 초고밀도 통신 장비로 채워진 단일 랙의 전력 소비량을 60kW, 초고밀도 컴퓨터 서버로 채워진 단일 랙의 전력 소비량을 35kW로 예상합니다.
  • 가로세로 0.6m 크기의 랙 하나에서 방출되는 열량은 0.26kW에서 1.3kW 사이였습니다.
  • 액체 냉각 시스템의 경우 250kW, 강제 공랭식 시스템을 사용하는 랙의 경우 60kW의 전력 소모가 허용됩니다.
  • 오늘날 데이터 센터용 냉각 시스템을 설계할 때 랙의 예상 열용량은 10~15kW 범위이지만, 랙에 슈퍼컴퓨터 서버가 가득 차면 60kW 이상의 열이 발생할 수 있습니다.
  • 열 관리 시스템은 기존의 공랭식에서 액체 냉각 또는 2상 냉각 방식으로 전환되고 있습니다.
  • 효율적인 공랭식 시스템을 갖춘 데이터 센터에서는 일반적으로 25°C의 냉기가 공급되고, 배출되는 공기는 실내를 빠져나간 후 40°C로 CRAC(공랭식 냉매 순환 시스템)로 다시 유입됩니다.
  • 표 5 참조. 최근 문헌에 나타난 공랭식 데이터센터 열원 및 열 흐름
  • 0.5MW 용량의 이중 바닥형 데이터센터에는 50개의 랙이 설치되어 있으며, 랙당 냉각 유량은 약 1500 CFM이고, 각 랙의 바닥에서 상단까지의 평균 온도 상승은 10.5°C입니다.
  • 가변 속도 서버 팬을 사용하여 데이터 센터 에너지 효율을 향상시키는 연구를 수행했습니다. 이 연구는 최대 공기 유량 2400 CFM, 냉각 공기 온도 15 °C, 최대 온도 상승 40 °C를 적용한 초고전력 밀도 랙 28개로 구성된 데이터 센터를 대상으로 진행되었습니다.
  • 실리콘 밸리 리더십 그룹이 발표한 보고서에 따르면 CRAC는 공급수 및 환수 온도의 표준 범위로 각각 10~13°C와 15.5~18.4°C를 제시했습니다.
  • 표 6 참조. 일반적인 공랭식 데이터 센터 열원 및 열 흐름 요약
  • 표 8 참조. 일반적인 수냉식 데이터 센터 열원 및 열 흐름 요약
• Liu et al. [73]은 개별 가정에 원격으로 서버를 배치하여 가정용 난방을 제공하는 것을 "데이터 용광로"라고 부릅니다.
• 국제에너지기구(IEA)에 따르면 미국 전체 에너지 사용량의 6%가 가정 난방에 사용됩니다.
• 지역난방은 액체 냉각 서버의 높은 폐열 회수 온도(35~45°C가 아닌 최대 50~60°C)에 더 적합하지만, 서버를 원격지에 설치할 필요는 없습니다.
• 헬싱키의 빈 2차 세계대전 대피소에 설치된 2MW 데이터 센터는 폐열로 가열된 물을 충분히 공급하여 500가구 또는 1000개 아파트를 난방할 수 있습니다.[75]
• 열펌프를 사용할 때 필요한 폐열 공급 온도는 22~92°C 범위입니다.
• Intel[78]은 기존 데이터 센터의 폐열을 포착하기 위해 열회수 냉각기를 개발했습니다.
  • 증발기와 응축기로 구성됩니다.
  • 폐열은 판형 열교환기를 통해 포착되어 증발기로 전달됩니다.
  • 히트펌프 시스템은 증발기를 흐르는 저온의 물에서 응축기를 흐르는 고온의 물로 열을 전달합니다.
• 기존 공랭식 지역난방 설비에서 폐열을 추출하여 지역난방 또는 온수 생산에 재활용하기 위한 열교환기 설치의 최적 위치는 CRAC 장치로의 환수부 또는 냉각기 냉각수 환수부(온도가 최저 35°C인 경우)입니다.
• 폐열을 포착하기 가장 쉬운 곳은 수냉식 DC(온도 범위 60~70°C)의 냉각판 루프 열교환기입니다.

데이터 용광로: 클라우드 컴퓨팅으로 가열[73] ^{[ 2 ]}

• 본 논문에서는 40~400개의 CPU로 구성된 마이크로 데이터센터인 '데이터 퍼런스'가 단독주택(약 1700평방피트 규모에 단열 및 밀폐가 잘 되어 있고 난방 설정 온도가 21°C(70°F)인 주택)의 주요 열원으로 사용될 수 있는지 여부를 조사했습니다.
• DF의 3가지 장점: 1) 작은 설치 공간 2) 서버당 총 소유 비용 절감 3) 사용자 위치 근접성
• 컴퓨터 서버 >> 금속 상자 >> 전기를 열로 변환
• 배기가스 온도 > 40-50°C >> 전기를 효율적으로 재가열하기에는 너무 낮은 온도
• 제안 >> 실리콘 발열체를 사용한 전기 저항 가열 소자
• 100kW 규모의 중형 데이터 센터는 건물 내부에 설치할 수 있으며, 발생하는 폐열은 건물의 난방에 활용할 수 있습니다.
• DF(다기능 주택)는 주택의 열 분배 시스템이 이미 공기를 순환시키기 때문에 사실상 추가적인 냉방이나 공기 순환 비용이 들지 않습니다.
• 분산형 발전(DF)의 한 가지 단점은 주거 지역의 전기 소매 가격이 산업 지역보다 일반적으로 10%에서 50% 더 높다는 점입니다.

참고 문헌 목록 (스타일: 재생 에너지)