1. 개요
배경
데이터센터의 층별 레이아웃 설계 단계에서는 랙 배치, 급기량, 천공 타일 위치와 같은 파라미터를 바꿔가며 다수의 대안을 비교 검토해야 합니다. 범용 CFD는 정확도가 높지만 케이스당 계산 시간이 길어 충분한 수의 대안을 검토하기 어렵습니다.
Boreas FFD는 이 스크리닝 구간을 겨냥한 FFD(Fast Fluid Dynamics) 기반 해석기입니다. Semi-Lagrangian 시간적분을 채택해 거친 격자와 큰 시간간격에서도 수렴하도록 설계되었으며, 하나의 배치안을 수 분에서 수십 분 안에 계산합니다.
대상 선정
실규모 데이터센터는 랙 열의 길이가 제각각이고, 독립적으로 배치된 랙과 통로를 점유하는 PDU가 존재하며, 천공 타일의 개수와 위치도 통로마다 다릅니다. 스크리닝 도구의 실효성은 이러한 비정형 배치에서 확인되어야 합니다.
다만 실제 수행한 프로젝트의 대상 시설은 공개할 수 없습니다. 대부분의 국내 데이터센터는 중요 보안시설이며 랙 배치와 발열 분포는 그 자체가 고객의 설비 정보에 해당합니다. 따라서 본 사례에서는 형상과 운전 조건이 문헌에 공개되어 있는 실측 데이터센터를 대상으로 선정하였습니다. 입력 조건이 대부분 공개되어 있어 독자가 해석 조건을 직접 확인할 수 있고, 동일한 문제를 다른 해석 도구로 계산해 비교하는 것도 가능합니다.
본 사례는 문헌에 보고된 조건을 입력으로 재구성한 적용 사례이며, 문헌에 제시된 정보의 한계로 정량 검증은 다루지 않습니다. 솔버의 정량 검증은 문헌 벤치마크를 통해 별도로 수행하고 있습니다.
2. 해석 대상 및 모델 구성
대상은 미국 매사추세츠에 위치한 약 690 m² 규모의 raised-floor 데이터센터입니다. 기준 문헌에는 랙 151개, PDU 12개, 개구율 25%의 바닥 천공 타일 183개와 천장 배출 타일 42개가 제시되어 있습니다. 시설의 총 전력은 약 344 kW, 총 냉각 급기량은 152,000 m³/h입니다.
평면도에는 42U 및 45U 랙과 천공 타일, PDU가 불규칙하게 배치되어 있습니다. 긴 랙 열과 짧은 랙 군이 혼재하며 천공 타일의 개수와 위치도 통로마다 다릅니다.
Boreas 모델은 이 비정형 배치를 30.0 m × 22.2 m × 3.3 m 계산 영역에 재구성하였습니다. 각 랙은 흡기면에서 공기를 받아 지정된 유량과 발열량을 적용한 뒤 반대쪽 배기면으로 배출하는 black-box recirculator로 처리하였고, PDU는 단열 고체로 모델링하였습니다. 바닥 천공 타일은 급기 경계로 변환하고 천장에는 42개의 배출 경계를 배치하였습니다.
3. 해석 조건
| 항목 | 설정값 |
|---|---|
| 계산 영역 | 30.0 m × 22.2 m × 3.3 m |
| 랙 재순환 경계 | 151개 |
| PDU | 12개 |
| 바닥 급기 경계 | 183개 |
| 천장 배출 경계 | 42개 |
| 총 랙 발열량 | 344 kW |
| 전체 랙 통과 유량 | 72,928 m³/h |
| 총 바닥 급기량 | 152,000 m³/h |
| 급기·초기온도 | 20°C |
랙 통과 유량은 기준 문헌과 동일하게 IT 발열량 1 kW당 212 m³/h로 설정하였습니다. 총 랙 발열량 344 kW에 따른 전체 랙 통과 유량은 72,928 m³/h입니다. 183개 바닥 천공 타일에는 위치별 급기 속도를 지정하였으며, 각 타일의 유량 합계는 기준 문헌의 총 냉각 급기량과 동일한 152,000 m³/h입니다.
4. 해석 결과
4.1 정상상태 온도 분포
z = 1.67 m 수평 단면에서는 cold aisle의 저온 영역과 hot aisle의 고온 영역이 구분됩니다. 온도 범례는 20~40°C로 설정하였습니다.
긴 랙 열에서는 배기면을 따라 연속적인 고온 영역이 형성됩니다. 독립 랙과 짧은 랙 군에서는 개별 배기면 주변에 국소적인 온도 상승 영역이 나타납니다. 랙 흡기측과 넓은 실내 영역은 주로 약 20~24°C 범위로 표시됩니다.
4.2 랙 흡기·배기 온도
151개 랙 전체의 유량가중 평균온도를 분석한 결과, 흡기온도는 20.00~20.64°C, 배기온도는 30.46~33.95°C 범위에 분포하였습니다.
R001~R010의 흡기온도는 약 20°C로 거의 일정했습니다. 배기온도는 R001~R005에서 약 31°C, R006~R010에서 약 34°C로 나타나 두 그룹 사이에 약 3°C의 차이가 발생하였습니다.
전체 랙 가운데 최저 흡기온도는 R006에서 20.00°C, 최고 흡기온도는 R012에서 20.64°C로 나타나 흡기온도 편차는 0.64°C였습니다. 배기온도는 R146에서 30.46°C로 가장 낮고 R041에서 33.95°C로 가장 높아 3.49°C의 범위를 보였습니다.
흡기온도 편차가 0.64°C에 그친다는 것은 151개 랙이 사실상 동일한 온도의 공기를 공급받고 있음을 의미하며, 본 배치와 급기 조건에서 냉각 공급이 고르게 이루어지고 있음을 나타냅니다. 배기온도의 3.49°C 범위는 랙별 발열량과 통과 유량의 차이에서 기인합니다.
4.3 유동장과 재순환
3차원 스트림라인에서는 랙 주변의 저온 유동과 배기측에서 가열된 유동의 이동 경로를 확인할 수 있습니다.
랙 배기측의 가열 공기는 상부로 상승한 뒤 천장 부근과 외곽 공간으로 확산됩니다. 또한 랙 열의 끝단에서는 배기 공기가 통로 바깥을 돌아 흡기측으로 이동하는 재순환 유동이 나타납니다.
재순환은 랙별 평균 흡기온도만으로는 파악하기 어려운 현상이며, 랙 열 배치나 끝단 차폐 조건의 변경으로 개선되는 경우가 많습니다. 배치안 비교 단계에서 이러한 영역이 식별되면 해당 구역을 정밀 CFD 검토 대상으로 선별할 수 있습니다.
5. 결론
실규모의 비정형 데이터센터를 대상으로 Boreas 해석을 수행하여 다음 결과를 얻었습니다.
- 수평·수직·다중 단면을 이용한 전역 온도 분포
- 랙별 흡기·배기 온도 — 흡기온도 편차 0.64°C, 배기온도 범위 3.49°C
- 랙 상부 상승류, 랙 열 끝단 우회 유동 및 외곽 순환 경로
- 배치와 급기 조건에 따른 냉각 성능 비교 자료
Boreas 해석은 상세 CFD 해석에 앞서 냉각 성능이 낮을 가능성이 있는 구역과 추가 검토가 필요한 운전 조건을 선별하는 데 활용할 수 있습니다.
본 사례는 정량 검증을 포함하지 않습니다. 솔버가 지배방정식을 정확히 푸는지에 대한 검증은 lid-driven cavity(Ghia 1982), 자연대류(de Vahl Davis 1983), 가열 덕트(Vardan & Dunn 1997)를 포함한 문헌 벤치마크 11건으로 별도 수행하고 있으며, 해석 조건과 결과는 기술 문서에 정리되어 있습니다.
참고문헌
- Tian, W., VanGilder, J., Condor, M., Han, X., and Zuo, W. “An Accurate Fast Fluid Dynamics Model for Data Center Applications.”
- Han, X., Tian, W., VanGilder, J., Zuo, W., and Faulkner, C. “An Open Source Fast Fluid Dynamics Model for Data Center Thermal Management.”
- Pardey, Z. M., VanGilder, J. W., Healey, C. M., and Plamondon, D. W. “Creating a Calibrated CFD Model of a Midsize Data Center.” InterPACK-ICNMM 2015.