개요
AI 워크로드 확대에 대응하여 기존 데이터센터에 GPU 서버를 도입할 때에는 IT 장비의 증설·재배치와 함께 냉각 설비의 운전 조건을 재검토해야 합니다. 랙별 발열량과 요구 풍량의 변화는 서버실 내부의 기류 및 냉각 부하 분배에 영향을 주므로, 정상 운전뿐 아니라 냉각 장비 고장에 따른 과도 상태에서도 열 환경을 평가할 필요가 있습니다.
본 사례는 대한민국 서울의 기존 데이터센터 서버실을 AI 워크로드에 맞게 재구성하는 프로젝트를 대상으로 합니다. Boreas를 이용한 서버실 전체의 기류·열 해석을 통해 CRAH (computer room air handler)의 운전 대수와 예비 운전 구성을 비교하고, 단일 장비 고장 시의 냉각 여유를 평가했습니다. CRAH 풍량과 냉각 부하는 정격 대비 비율로 제시합니다.
재구성 후 서버실의 IT 발열은 약 0.33 MW (발열 랙 22 대)이며, 랙별 발열량은 4 ~ 28 kW입니다. 랙 배기는 핫아일 컨테인먼트와 천장 플레넘을 통해 벽면 CRAH로 회수됩니다. 평가 대상은 duty 운전 대수에 hot standby 1 대를 더한 두 운전안으로, 정상 운전 및 CRAH 1 대의 비상 정지 조건에서 랙 흡기 온도, CRAH 냉각 부하, 풍량 및 팬 운전 범위를 비교했습니다.
| 운전안 | 운전 대수 | 고장 시 |
|---|---|---|
| A | duty 2 + hot standby 1 = 3 대 | 2 대 |
| B | duty 3 + hot standby 1 = 4 대 | 3 대 |
설치된 CRAH는 총 6 대이며, 각 운전안에서 운전하지 않는 장비는 cold standby (정지, 댐퍼 닫힘) 상태로 설정했습니다. CRAH별 환기 온도 차이에 따른 부하 불균등을 반영하기 위해 최대 부하 장비를 기준으로 평가하고, 다음 세 기준을 적용했습니다.
- CRAH 냉각 부하와 풍량이 정격 이내일 것
- 랙 흡기 온도 ≤ 27 °C (ASHRAE 권장 상한), 32 °C (A1 등급 허용 상한) 는 절대 한계
- 고장 뒤 남은 CRAH 가 팬 회전수 범위 (30 ~ 100 %) 안에서 목표 풍량을 낼 것
설정한 해석 조건에서 두 운전안 모두 평가 기준을 충족했습니다. 고장으로 두 운전안 모두 정상 운전 대비 냉각 부하 여유가 감소했으며, 고장 후 잔여 여유는 운전안 A에서 약 29 %p, 운전안 B에서 약 50 %p였습니다. 이 차이는 운전 대수와 고장 대응 여유를 결정하기 위한 비교 지표로 제시합니다.
해석 대상 모델
서버실은 43 m × 22 m × 6.7 m (천장 플레넘 포함) 공간에 핫아일 2 개 (HA-01 · HA-02, 각각 랙 14 대 자리) 와 한쪽 벽의 CRAH 6 대로 구성됩니다. 모델은 고객이 제공한 평면 · 장비 사양 · 랙별 최대 풍량과 최대 발열에서 만들었습니다.
| 항목 | 설정 |
|---|---|
| 계산 영역 | 43 × 22 × 6.7 m (천장 플레넘 포함) |
| 격자 | 기본 0.2 m, 랙 둘레 0.15 m 세분. 352 만 셀 (유체 278 만) |
| 랙 | 다공 매질 + 팬 곡선 + 발열 (랙마다 최대 풍량 · 최대 발열). 발열 랙 22 대 + 비전원 랙 6 대 |
| 컨테인먼트 | 핫아일 양 끝 문과 상부 칸막이를 두께 0 내부벽으로, 배기는 천장 개구를 통해 플레넘으로 |
| CRAH | 급기 24 °C 고정. 운전 방식은 아래 두 모델, 정지한 CRAH 는 벽 |
| 기둥 · 칸막이 · 천장 보 · 배관 장비 | STEP 형상에서 변환한 고체 100 여 개 |
| 난류 · 이류 | Chen 0 방정식 모델, 1차 upwind, 부력 포함 |
| 시간 | dt 1 s × 1,000 s (랙 발열은 처음 30 s 램프), 정상 상태 = 900 ~ 1,000 s 평균 |
| 솔버 · 하드웨어 | Boreas v0.10 계열 (GPU, mixed precision), GPU 1 장 (NVIDIA RTX A2000 12 GB) |
방법 — CRAH 를 두 가지로 모델링
CRAH 는 BMS 가 제어하는 장비라, 제어 가정이 결론을 바꾸지 않도록 두 방식으로 계산해 둘 다 기준 안인지 봤습니다.
| 구분 | 압력 경계 방식 | 팬 경계 방식 (풍량 제어 + 팬 곡선) |
|---|---|---|
| CRAH 모델 | 급기면 전압 0 Pa, 리턴면 정압 −2 Pa. CRAH 풍량은 입력이 아니라 결과 | 장비 모델 crac: 운전 대수로 나눈 목표 풍량을 매 스텝 팬 곡선으로 역산, 냉각 용량 상한 |
| 보여 주는 것 | 제어 없이 방 저항과 랙 팬이 정하는 자연스러운 풍량 · 부하 분배 (부하 집중의 상한) | BMS 가 균등 풍량으로 제어할 때의 운전점과 고장 과도 |
| 고장 | 해당 CRAH 를 벽으로 바꾼 정상 상태 | 600 s 에 전원 상실 → 10 s 관성 정지 (냉각 0) → 남은 CRAH 가 610 ~ 640 s 에 증속 |
| 케이스 | 4 (운전안 A · B 정상, 각 운전안의 고장) | 4 (같은 구성) |
팬 경계 방식의 CRAH 팬 곡선. 정격점을 지나는 곡선에 상사 법칙으로 회전수 30 ~ 100 % 의 곡선족을 만들고, 매 스텝 목표 풍량과 외부 정압에서 필요 회전수를 구합니다. 세 운전점을 표시했습니다. 운전안 B 의 4 대 운전은 최소 회전수 30 % 에 걸려 있습니다.
두 방식의 최대 부하율은 몇 % 안에서 일치했습니다 (운전안 A 고장 시 압력 경계 69.6 % · 팬 경계 71.2 %, 정상 48.2 % · 48.9 %). 그래서 아래 결과는 둘 중 큰 값으로 판정합니다.
결과 1 — 정상 운전의 온도장
운전안 A 정상 운전, z = 1.15 m (랙 중간 높이) 온도. 콜드 영역 (방 전체) 은 급기 24 °C 그대로이고, 핫아일 두 개 안은 34 ~ 40 °C 입니다. 아래 띠는 CRAH 뒤쪽 리턴 갤러리로, 천장 플레넘에서 내려온 36 ~ 37 °C 의 리턴 공기가 흐릅니다. 진한 글씨가 운전 중인 CRAH 입니다.
(a) 핫아일 두 개를 가로지르는 단면. 랙 배기가 컨테인먼트 안에서 올라가 천장 개구로 플레넘에 들어갑니다. (b) CRAH 3 을 지나는 종단면. 플레넘 → 갤러리 → CRAH → 방으로 되돌아오는 순환이 보입니다. 화살표는 방향만 (길이 일정).
정상 운전에서 22 대 랙의 흡기 최고 온도는 24.2 °C (급기 + 0.2 K) 로, 어느 운전안에서도 27 °C 를 넘는 랙은 없었습니다. CRAH 에너지 수지 (냉각 부하 합 = 랙 발열) 는 1 % 안에서 닫혔습니다.
결과 2 — 운전안별 CRAH 부하 여유
가장 부하가 큰 CRAH 의 냉각 부하 (정격 = 100 %). 정상 운전과 1 대 고장, 두 방식 중 큰 값.
| 운전안 | 운전 대수 → 고장 시 | 정상 최대 부하율 | 고장 시 최대 부하율 | 고장 시 최대 풍량 | 랙 흡기 최고 (정상 → 고장) | 판정 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| A (2+1) | 3 → 2 | 49 % | 71 % | 65 % | 24.2 → 24.3 °C | 충족, 여유 29 %p |
| B (3+1) | 4 → 3 | 37 % | 50 % | 47 % | 24.2 → 24.3 °C | 충족, 여유 50 %p |
운전안 A 는 이미 기준 안입니다. 운전안 B 는 정상 운전 부하를 낮추고 고장 시 여유를 약 20 %p 더 줍니다. 풍량은 모든 케이스에서 정격의 65 % 이하였습니다.
팬 경계 방식 (균등 풍량 제어). 위: 운전안 A 에서 CRAH 5 가 멈추면 남은 두 대가 각각 +24 · +26 %p 를 받습니다. 아래: 운전안 B 에서 CRAH 2 가 멈추면 남은 세 대가 +11 %p 씩 받습니다. 풍량이 같아도 리턴 온도 차이 때문에 부하는 대마다 몇 %p 다릅니다.
결과 3 — CRAH 1 대 고장 과도
팬 경계 방식의 고장 케이스 2 개. 위: 고장 CRAH (실선) 와 남은 CRAH 평균 (점선) 풍량. 가운데: 모든 랙의 흡기 최고 온도. 아래: CRAH 냉각 부하 합 / 랙 발열. 회색 띠는 관성 정지 10 초.
| 운전안 | 고장 CRAH | 흡기 최고 피크 | 27 °C 초과 | 냉각 부하 합 최저 | 남은 CRAH 필요 회전수 최대 | 정상 범위 복귀 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| A (3 → 2) | CRAH 5 | 26.6 °C (607 s) | 없음 | 랙 발열의 64 % (601 s) | 56 % | 620 s |
| B (4 → 3) | CRAH 2 | 26.1 °C (607 s) | 없음 | 75 % (601 s) | 39 % | 637 s |
랙 흡기 최고 온도는 고장 발생 7 초 후 최대값에 도달한 뒤 10 초 이내에 26 °C 미만으로 감소했으며, 700 s에는 24.5 ~ 25 °C 범위를 나타냈습니다. 두 운전안 모두 평가 기간 동안 27 °C 이하를 유지했고, 잔여 CRAH의 필요 회전수도 설정한 상한 이내였습니다. 이 과도 응답에는 관성 정지 중인 CRAH에서 냉각되지 않은 공기가 공급되는 모델링 가정이 반영되어 있습니다. 실제 응답은 댐퍼 폐쇄 시간과 코일의 잔류 냉각 특성에 따라 달라질 수 있습니다.
결과 4 — 운전 조건에 대한 검토
- CRAH 간 부하 불균등: 장비별 환기 온도가 36 ~ 37.4 °C로 달라, 균등 풍량 제어 조건에서도 최대 CRAH 부하는 평균보다 4 ~ 6 % 높았습니다. 따라서 용량 적합성은 전체 평균과 함께 개별 장비의 최대 부하를 기준으로 평가해야 합니다.
- 운전안 B의 저부하 운전: 4 대 운전 시 장비당 요구 풍량은 정격의 약 32 %이며, 계산된 운전점은 설정한 최소 회전수 30 %의 제약을 받았습니다. 냉각 용량 기준은 충족했으나, 부분 부하 제어의 안정성과 기동·정지 주기는 제조사 사양 및 실제 제어 조건을 확인할 필요가 있습니다.
- 고장 직후의 냉각량 감소: 운전안 A에서는 고장 장비의 관성 정지 구간에 총 냉각량이 랙 발열량의 64 %까지 감소한 뒤, 잔여 두 장비의 증속이 완료되는 640 s에 약 100 %로 회복되었습니다. 이 구간에서 플레넘과 실내 공기의 열용량이 과도 응답에 영향을 주었으며, 랙 흡기 최고 온도의 상승폭은 정상 운전 대비 약 2.4 K였습니다.
결론 · 한계
설정한 부하와 제어 조건에서 두 운전안 모두 정상 운전 및 단일 CRAH 고장 시의 평가 기준을 충족했습니다. 고장 시 최대 CRAH 부하율은 운전안 A에서 71 %, 운전안 B에서 50 %로, 정격 대비 냉각 부하 여유는 각각 약 29 %p와 50 %p였습니다. 고장 직후 랙 흡기 최고 온도는 각각 26.6 °C와 26.1 °C로, 두 경우 모두 27 °C 이하를 유지했습니다.
고장으로 운전 가능한 CRAH 대수가 감소하면서 두 운전안 모두 정상 운전 대비 냉각 부하 여유가 감소했습니다. 동일한 단일 고장 조건에서 비교하면, 운전안 B의 잔여 냉각 부하 여유는 운전안 A보다 약 21 %p 크고 과도 최고 온도는 0.5 K 낮았습니다. 다만 상시 운전 대수가 증가하고 최소 팬 회전수 부근에서 운전하므로, 최종 운전안은 고장 대응 여유, 부분 부하 제어 특성 및 운영 정책을 함께 고려하여 선정해야 합니다.
결과의 적용 범위는 다음 모델링 가정에 따릅니다.
- 급기 온도는 24 °C로 설정했습니다. 냉각 용량 초과에 따른 급기 온도 상승은 팬 경계 방식에서만 표현할 수 있으며, 본 평가의 검토 범위에는 포함하지 않았습니다.
- 실제 BMS의 PID 및 정압 제어 루프는 모사하지 않았습니다. 지정한 풍량 일정에 따라 팬 곡선으로 운전점을 산정했으므로, 실제 제어기의 응답 지연과 조정 특성은 결과에 포함되지 않습니다.
- 팬 곡선의 체절 정압은 데이터시트에 제시되지 않아 가정값을 사용했습니다. 본 결과는 해당 팬 곡선에 대한 평가이며, 실제 장비 곡선이 확보되면 운전점을 재확인할 필요가 있습니다.
- 랙별 풍량과 발열량에는 제공된 최대 사양값을 적용했습니다. 실제 운전 조건에 적용할 때에는 IT 부하 분포와 장비 운전 상태를 반영하여 검토해야 합니다.
해석 수행 규모와 설계 검토 활용
| 항목 | 값 |
|---|---|
| 케이스 수 | 8 (압력 경계 4 + 팬 경계 4) |
| 격자 | 352 만 셀 (octree, 랙 둘레 세분) |
| 계산 시간 (1,000 s 과도) | 케이스당 8 ~ 18 분, GPU 1 장 (RTX A2000) |
| 사용 기능 | 다공 매질 랙 + 팬 곡선, 팬 곡선 · 냉각 용량이 있는 공조 장비 모델, 시간 일정 · 고장 trip, 핫아일 컨테인먼트 내부벽, STEP 형상 변환, 장비별 풍량 · 부하 · 회전수 CSV 출력 |
| 산출물 | 운전안별 판정 표, 온도 · 유동 평면 · 단면, 고장 과도 시계열, 수행 계획서와 두 가지 방식의 결과 보고서 |
본 프로젝트에서는 약 352 만 셀 규모의 모델로 1,000 s 과도 해석을 수행했으며, 케이스당 계산 시간은 GPU 1 장에서 8 ~ 18 분이었습니다. 동일한 공간 모델에서 장비 운전 구성과 고장·증속 일정을 변경하여 총 8개 조건을 비교했습니다. 이를 통해 CRAH 운전 대수에 따른 냉각 부하 분배와 고장 과도 응답을 정량화하고, 운전안 선정에 필요한 비교 자료를 제공했습니다.