KR101759239B1 - 직접 외기 이용 방식의 항온항습장치 - Google Patents
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Abstract
콜드존의 절대습도기준보다 높고 핫존의 엔탈피보다 낮으며 콜드존의 최대허용 온도 및 습도에서의 절대습도보다 낮은 구간에서도 실내 온습도를 유지하며 외기냉방이 가능하도록 외기와 핫존의 공기를 혼합하여 공급하도록 한 직접 외기 이용 방식의 항온항습장치가 개시된다. 직접 외기 이용 방식의 항온항습장치는 외기유입구와 연통되는 혼합챔버; 상기 외기유입구와 혼합챔버의 사이에 설치된 외기댐퍼; 상기 혼합챔버의 하부에 연통 설치된 내부순환챔버; 상기 혼합챔버와 내부순환챔버의 사이에 설치된 제3 바이패스댐퍼; 상기 혼합챔버와 연통된 환기챔버; 상기 혼합챔버와 환기챔버의 사이에 설치된 제1 바이패스댐퍼; 상기 내부순환챔버와 연통되어 설치되고 환기챔버의 하부에 설치된 냉각코일 및 가습기; 상기 환기챔버의 하부에 연통 설치된 적어도 하나의 급기팬 및 급기그릴; 상기 환기챔버와의 사이에 제2 바이패스댐퍼를 구성한 급기부; 및 상기 급기그릴에 면한 서버랙이 설치된 전산실 작업공간부의 배출공기를 공급받도록 구성되고, 상기 환기댐퍼와 연통되며 상부 타측에 내부의 공기를 배출하는 배기댐퍼를 구비한 내기 배기구와 배기팬이 형성된 배기부를 포함한다.
Description
본 발명은 직접 외기 이용 방식의 항온항습장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 데이터 센터(Data Center)의 전산실 온도 및 습도와 같은 공조 환경을 일정하게 유지하기 위한 직접 외기 이용 방식의 항온항습장치에 관한 것이다.
일반적으로, 공기 조화는 실내의 온도, 습도, 세균, 냄새, 기류 등의 조건을 그 장소의 사용 목적에 적합한 상태로 유지함으로써, 주택, 호텔, 회관, 사무실, 전산 기계실, 인터넷데이터센터, 문서고, 시험실 및 각종 산업현장 등에서 생활하는 실내의 사람 및 사물을 쾌적한 상태로 만드는 것을 목적으로 한다. 즉, 공기 조화는 기본 환경에서 일정 기준의 항온항습이 요구되는 곳에 사용되는 것으로서, 순수 열부하를 냉각하는 현열냉각과정과 하절기 우기 때와 같이 고습의 환경에서 제습하는 냉각제습과정이 등이 있다.
사람에게 쾌적한 공기상태는 기후 조건, 대사량, 복장, 생활수준 및 건강 상태 등 여러 조건에 의해 영향을 받게 되므로 일정한 값이 정해진 것은 아니나, 통상 여름에는 온도 26℃ 내지 28℃, 상대습도 약 50%, 겨울에는 온도 20℃ 내지 22℃, 상대습도 약 40%를 목표로 한다.
그러나, 이러한 값은 절대적인 것은 아니며, 공장의 작업장, 창고, 실험실, 전산실 등의 장소가 그 기능을 충분히 달성하기 위해서는 그곳에서 생산되고 가공되며 저장 또는 시험되는 물건이나 해당 장소에서 운영중인 각종 기기에 가장 알맞은 상태를 유지하도록 하여야 한다.
한편, 전산실은 서버에서 많은 에너지를 사용하는 시설로서, 항온항습이 필수적으로 요구된다. 동절기에 서버에서 사용되는 전기에너지량은 건물 외부로 빠져 나가는 열에너지보다 크기 때문에 실내에는 많은 열이 발생하며, 서버 발열이 매우 커 구조체의 부하는 상대적으로 무시할 정도이다.
따라서, 데이터센터 전산실에는 실내온도 및 습도를 유지하기 위하여 항온항습장치라는 냉방장치를 설치하여 서버 발열을 제거하도록 운영되고 있으며, 이 항온항습장치는 전산실에서 서버에 사용되는 전기에너지를 제외하고 많은 냉방에너지(냉수를 제조하기 위한 냉동기 소비전력)를 소비하는 장치 중의 하나이다.
전산실에서의 항온항습장치의 에너지 사용량을 줄이기 위해 여러 가지 방안이 시도되고 있으나, 에너지보존의 법칙에 따라 서버에서 사용되는 전기 에너지는 대부분 열로 실내에 배출되며 발생된 열에너지를 제거하기 위해 냉방에너지도 동일한 양만큼 공급해야 하므로 냉방에너지를 줄이기 어렵다. 또한, 서버는 사계절 지속적으로 냉방부하를 발생시키므로 항온항습장치 역시 사계절 쉬지 않고 운전되어야 한다.
전산실은 2000년대 이전인 비교적 과거에 소규모로 구축되어 에너지 절감에 민감하지 않았으나, 최근에는 수년 동안 대규모 전산실이 구축되며 하나의 전산센터에서 대량의 전기에너지를 사용하고 있다. 이 전산센터들은 기존 일반건물에서는 상상도 못할 에너지를 사용하고 있으며 디지털 기기의 사용량 증대로 IT 서비스업뿐 아니라 금융업 분야에서도 데이터처리 및 저장을 위한 데이터센터의 수요가 급속도로 증대되면서 냉각이 필요한 서버 또한 상면 면적 대비 변화하고 있다. 이는 고발열을 동반하게 되며 냉각용량 또한 이에 맞추어 증대되므로, 서버 발열 제거를 위한 냉각비용이 증가하며 신뢰성(안전성)과 효율성(경제성)을 모두 고려하여야 한다.
신뢰성의 기준으로 Uptime Tier(Ⅰ~Ⅳ)등급과 효율성의 기준으로 PUE(Power Usage Effectiveness) 등을 들 수 있는데, 이 둘의 지표는 다소 상반관계가 있어 Tier등급이 올라갈수록 PUE는 높아지게 된다. Tier등급을 높이기 위해 UPS구성을 2N, 2(N+1) 등으로 구성할 경우 UPS수량이 늘어남에 따라 발열량이 높다는 것을 의미하고 UPS & 축전지의 발열을 낮추기 위해서는 냉방기용량이 증가한다는 것이다. 따라서, PUE 수치 및 운전비가 증가하기 때문에 최근 데이터센터에서의 에너지절감이 중요한 이슈로 떠오르고 있다.
운전비를 줄이기 위해서 여러 가지 방법들이 설계 및 제안되었고 실제 반영되어 왔다. CRAC(Computer Room Air Conditioner)의 예비포함 연합운전, 외기냉방(Air-side Free Cooling, Water-side Free Cooling), Containment System(Cold Asile Containment, Hot Asile Containment), EC fan 적용, 냉수 대온도차 적용, 냉수 출구온도상승에 의한 냉동기 COP 증대, 냉수순환펌프의 인버터운전, 인버터냉동기, 고효율저소음변압기(고조파내량 K-7, K-13), 고효율 UPS, 리튬전지, LED조명, 대기 전력 차단콘센트 등이 있으며 에너지절약을 위해서 당연히 반영되어야 하는 항목이다.
선 출원된 대한민국 공개특허 2012-0130944호에는 IDC에서 전체적으로 소모되는 과도한 전력 사용량을 줄일 수 있는 서버 랙 및 이의 냉각 방법이 개시된바 있다. 또한, 대한민국 등록특허 1418779호에는 서버장비를 통합하여 관리하는 통합서버관리실내의 일정범위에 밀폐된 공간을 형성한 집중공조 서버룸이 개시된바 있다. 아울러, 대한민국 등록특허 1491307호에는 공조 냉기가 서버실 내 서버랙들의 전산부하 냉각에 집중적으로 사용될 수 있도록 한 데이터센터의 공조 시스템이 개시된바 있다.
데이터센터에서는 서버용 전력 사용량을 줄이기 위한 IT장치의 고효율화를 시도하고 있지만, 이에 못지않게 서버 발열 제거를 위한 기계설비에서 사용되는 에너지를 줄이기 위한 노력도 이루어지고 있다. 최근에 구축되는 데이터센터는 동절기 낮은 외기 공기를 이용하여 냉동기의 냉방전력에너지를 줄이기 위해 냉동기를 가동하지 않고 자연에너지인 외기를 직접 이용한 외기냉방이 가능한 항온항습장치가 도입되고 있다.
그러나, 현실은 외기냉방의 운전이 계획대로 잘 운영되지 않고 있으며 외기냉방 시 과냉각이나 실내상대습도가 상승하기도 하며, 이것을 해결하기 위해 재열에너지(냉각코일 후단에 재가열하는 장치의 에너지) 사용과 같은 추가 에너지가 소요되는 문제들이 발생하여 원하는 만큼의 항온항습장치에서의 에너지 절감이 이루어지지 못하고 있다.
최근의 데이터센터 전산실에 설치되는 항온항습장치는 일반적인 100% 실내 공기 순환냉방 모드를 구비하며, 일부의 항온항습장치는 에너지 절약을 위한 외기냉방운전이 가능한 기능을 갖춘다. 그러나, 지금까지 개발된 항온항습장치는 최근 데이터센터에 적용되는 서버 밀폐형(Containment Type) 전산실에서 외기냉방이 가능함에도 불구하고 냉동기를 가동하는 기간이 발생하고 있다.
이 기간은 외기공기 상태가 콜드존의 기준절대습도보다 높고 핫존의 엔탈피보다 낮으며 콜드존의 최대허용 온도 및 습도에서의 절대습도보다 낮은 기간으로서, 외기공기와 실내공기를 혼합하여 실내로 유입시킴으로써 에너지 절감이 가능토록 구성해야 한다.
하지만, 현재까지 개발 제공되는 항온항습장치에서는 이 구간에서 외기 냉방이 이루어지지 않고 냉동기를 가동하여 100% 실내공기 순환냉방 모드로 운전하거나, 외기를 냉각제습하고 실내공기(핫존공기)와 혼합하여 상면에 공급토록 운전된다. 이때, 외기의 냉각제습이 필요하므로 냉수출구온도가 10℃가 아닌 7℃이하로 운전해야 하므로, 냉동기 소비전력이 증가하고 노점온도까지 냉각해야하므로 통과공기 입출구 엔탈피차는 순환냉방 모드에 비해 증가하게 되므로 에너지를 과다하게 소비한다.
현재까지는 외기온도습도상태가 제2 모드(콜드존의 기준절대습도 이하이며 콜드존의 최저온도 및 콜드존의 온습도 최대 및 최소 허용범위를 벗어날때)와 제4 모드(콜드존의 온습도 최대 및 최소 허용범위에 들어올 경우)에만 외기운전이 가능한 항온항습장치는 존재하나, 외기공기상태가 제3 모드(콜드존의 기준절대습도보다 높고 핫존의 엔탈피보다 낮으며 콜드존의 최대허용 온도 및 습도에서의 절대습도보다 낮은 구간)에서도 외기에너지를 활용한 외기냉방이 가능하도록 운전 모드를 구성하지 못하고 있다.
또한, 냉각된 공기의 급기부를 하부 공기유동 통로인 이중마루(Access Floor) 하부로 구성하고 냉복도 밀폐를 구성할 경우, 이중마루 설치로 인해 층고가 증가하여 건축비가 증가하며 항온항습실에 가까운 바닥취출구에서 부압이 발생하여 취출이 어렵고 상면의 온도가 서버발열을 제거한 핫존의 온도이므로 유지 관리자에게 있어 쾌적한 상황을 제공하지 못하였다.
아울러, 최근의 데이터센터 전산실에 설치되는 항온항습장치는 혼합챔버를 통과한 후에 냉수코일 및 가습기를 거쳐 상면으로 공급되는 흐름이므로, 운전모드별로 팬정압의 감소가 없어 에너지절감이 가능한 운전 모드를 달성하지 못하였다.
이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 전산실의 작업공간부에 서버랙의 전단(콜드존, 냉복도), 후단(핫존, 열복도)에 설치된 온도 및 습도 센서와 외기공기의 온도와 습도센서를 제어부로 감지비교하여 제어부에서 전산실 작업공간부의 콜드존 실내온도 및 상대습도를 감지한 현재온도 및 상대습도와 사용자의 설정온도 및 상대습도를 비교하여 항온항습장치를 제어부로 제어하고, 동시에 항온항습장치에서 전산실 작업공간부의 서버랙의 전단의 공기상태점을 습공기선도상에서 콜드존의 기준절대습도선으로 기준하여 구분하고 핫존의 엔탈피 및 콜드존의 최대허용온도 및 습도에서의 절대습도로 구분하여 콜드존의 기준절대습도보다 높고 핫존의 엔탈피보다 낮으며(냉방에너지가 있는) 콜드존의 최대허용온도 및 습도에서의 절대습도보다 낮은 구간의 외기공기 상태의 모든 외기 공기상태에서 냉동기의 가동없이 외기냉방이 가능하도록 한 직접 외기 이용 방식의 항온항습장치를 제공한다.
또한, 서버랙이 배치되는 상면과 항온항습실의 구획벽을 통하여 냉각공기를 전산실내부로 직접 토출하도록 급기그릴을 구성하고 열복도 밀폐를 구성할 경우, 취출풍속 감소가 가능하고 이에 따라 상면으로의 저속 취출이 가능하여 바닥취출에 따른 부압방지, 항온항습실 점검공간 확보 및 팬 정압이 감소하므로 팬동력이 절감되고, 상면의 컨테인먼트 외부의 온도가 저온으로 유지되고 서버를 냉각한 후 온도가 상승된 공기를 신속히 배출시키는데 효과적이며 기존 항온항습실에 적용하는 하부 공기유동 통로인 이중마루의 설치가 불필요할 뿐 아니라 IT용 케이블 설치만 가능한 최소 높이로 구현이 가능하여 건물의 층고를 낮출 수 있는 직접 외기 이용 방식의 항온항습장치를 제공한다.
아울러, 운전 모드별로 댐퍼조절을 통해 정압이 적게 걸리는 공기흐름 통로를 구성함으로써 운전 모드별로 팬소비전력을 줄여 에너지절감이 가능하도록 한 직접 외기 이용 방식의 항온항습장치를 제공한다.
본 발명에 따른 직접 외기 이용 방식의 항온항습장치는 외기유입구와 연통되는 혼합챔버; 상기 외기유입구와 혼합챔버의 사이에 설치된 외기댐퍼; 상기 혼합챔버의 하부에 연통 설치된 내부순환챔버; 상기 혼합챔버와 내부순환챔버의 사이에 설치된 제3 바이패스댐퍼; 상기 혼합챔버와 연통된 환기챔버; 상기 혼합챔버와 환기챔버의 사이에 설치된 제1 바이패스댐퍼; 상기 내부순환챔버와 연통되어 설치되고 환기챔버의 하부에 설치된 냉각코일 및 가습기; 상기 환기챔버의 하부에 연통 설치된 적어도 하나의 급기팬 및 급기그릴; 상기 환기챔버와의 사이에 제2 바이패스댐퍼를 구성한 급기부; 및 상기 급기그릴에 면한 서버랙이 설치된 전산실 작업공간부의 배출공기를 공급받도록 구성되고, 상기 환기댐퍼와 연통되며 상부 타측에 내부의 공기를 배출하는 배기댐퍼를 구비한 내기 배기구와 배기팬이 형성된 배기부를 포함한다.
본 발명에 따른 직접 외기 이용 방식의 항온항습장치는 콜드존의 절대습도기준보다 높고 핫존의 엔탈피보다 낮으며 콜드존의 최대허용 온도 및 습도에서의 절대습도보다 낮은 구간에서도 실내 온습도를 유지하며 외기냉방이 가능하도록 외기와 핫존의 공기를 혼합하여 공급하도록 구성함으로써, 최대 기간동안 냉동기를 가동하지 않고 에너지 절감을 실현할 수 있다.
또한, 제3 모드 구역, 즉, 외기온습도상태가 콜드존의 절대습도기준보다 높고 핫존의 엔탈피보다 낮으며 콜드존의 최대허용 온도 및 습도에서의 절대습도보다 낮은 구간에서도 데이터센터에서 요구하는 실내온도와 실내 상대습도를 유지하며, 종래의 외기냉방기간 이외에도 추가 외기조건기간에서 외기냉방을 구현함으로써 사계절이 뚜렷한 환경에서 혹서기를 제외한 대부분의 계절에 외기냉방을 수행하여 획기적인 에너지의 절감을 달성할 수 있다.
아울러, 냉각공기를 상면에 면한 항온항습실벽면의 급기그릴을 통해 전산실 내부로 직접 토출하도록 구성하고 열복도 밀폐를 구성함으로써, 이중마루의 설치가 불필요하고 IT용 케이블 설치만 가능한 최소 높이로 건물의 층고를 낮출 수 있어 건축비의 절감 및 공간확보의 유리함의 이점이 있으며 서버를 냉각한 후 온도가 상승된 공기를 신속히 배출시킬 수 있다.
또한, 운전 모드별로 댐퍼 제어를 통해 정압이 적게 걸리도록 회로를 구성함으로써, 운전 모드별로 팬소비전력을 줄여 에너지 절감을 극대화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 직접 외기 이용 방식의 항온항습장치를 도시한 것이고,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 직접 외기 이용 방식의 항온항습장치의 급기부를 도시한 것이며,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 직접 외기 이용 방식의 항온항습장치의 배기부를 도시한 것이고,
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 일 실시 예에 따른 직접 외기 이용 방식의 항온항습장치의 냉방모드를 구분하는 습공기선도를 도시한 것이며,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 직접 외기 이용 방식의 항온항습장치의 제어부를 도시한 것이고,
도 6a 내지 도 6e는 본 발명의 일 실시 예에 따른 직접 외기 이용 방식의 항온항습장치의 각 모드별 작동 상태를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 직접 외기 이용 방식의 항온항습장치의 급기부를 도시한 것이며,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 직접 외기 이용 방식의 항온항습장치의 배기부를 도시한 것이고,
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 일 실시 예에 따른 직접 외기 이용 방식의 항온항습장치의 냉방모드를 구분하는 습공기선도를 도시한 것이며,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 직접 외기 이용 방식의 항온항습장치의 제어부를 도시한 것이고,
도 6a 내지 도 6e는 본 발명의 일 실시 예에 따른 직접 외기 이용 방식의 항온항습장치의 각 모드별 작동 상태를 도시한 것이다.
이하 첨부된 도면에 따라서 직접 외기 이용 방식의 항온항습장치의 기술적 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 직접 외기 이용 방식의 항온항습장치를 도시한 것이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 직접 외기 이용 방식의 항온항습장치의 급기부를 도시한 것이며, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 직접 외기 이용 방식의 항온항습장치의 배기부를 도시한 것이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 직접 외기 이용 방식의 항온항습장치는 크게 급기부(1)와, 배기부(2) 및 전산실 작업공간부(3)로 구성된다.
급기부(1)는 환기챔버(50a)와, 혼합챔버(50b)와, 내부순환챔버(50c)와, 냉각 가습부 및 급기팬 설치부를 포함한다.
혼합챔버(50b)는 급기부(1)의 상부 일 측에 설치되고, 외기도입용 프리필터(30a), 외기도입용 미디음필터(30b)를 구비한 외기유입구(4)와 연통되며, 외기유입구(4)와 혼합챔버(50b)의 사이에 외기댐퍼(40a)가 구비된다. 외기유입구(4)는 외부의 공기를 유입하여 외기댐퍼(40a)에 의해 공기 유입이 제어되도록 구성된다.
내부순환챔버(50c)는 혼합챔버(50b)의 하부에 연통 설치되고, 혼합챔버(50b)와 내부순환챔버(50c)의 사이에 제3 바이패스댐퍼(40f)가 구성된다.
환기챔버(50a)는 혼합챔버(50b)와 연통되어 설치되고, 혼합챔버(50b)와 환기챔버(50a)의 사이에 제1 바이패스댐퍼(40d)가 구성된다.
또한, 환기챔버(50a)의 하부에 냉각코일(6) 및 가습기(7)가 구성된다. 냉각코일(6) 및 가습기(7)는 내부순환챔버(50c)와 연통되어 설치된다.
환기챔버(50a)의 하부에는 다수개의 급기팬(10), 내기순환용 프리필터(30c) 및 급기그릴(12)이 냉각코일(6) 및 가습기(7)와 연통되어 설치된다. 급기부(1)와 환기챔버(50a)의 사이에 제2 바이패스댐퍼(40e)가 구성된다.
환기댐퍼(40b)는 전산실 작업공간부(3)의 냉각후 가열된 공기의 항온항습장치로의 유입을 제어하도록 구성된다. 급기그릴(12)은 급기팬(10)들로 인해 냉각공기를 운전 모드별로 급기그릴(12)을 통해 전산실 작업공간부(3)의 콜드존(14)으로 공급하도록 구성된다.
또한, 냉각코일(6)은 냉수제어밸브(8)와 연결되며, 가습기(7)는 가습제어밸브(9)와 연결된다.
배기부(2)는 배기그릴(13)과, 배기구(5)와, 배기댐퍼(40c) 및 배기팬(11)을 포함한다.
배기댐퍼(40c)는 환기댐퍼(40b)와 연통되며 상부 타측에 내부의 공기를 배출하는 것으로서, 전산실 작업공간부(3)의 냉각후 가열된 공기의 건물외부로의 배출을 제어하도록 구성된다.
전산실 작업공간부(3)는 급기그릴(12)에서 냉각공기를 공급받도록 구성된다. 즉, 급기그릴(12)에 면한 서버랙(16)이 설치된 전산실 작업공간부(3)의 배출공기를 공급받도록 구성되어 있다. 이 경우, 미설명된 부호 18은 배수판이며, 19는 바닥배수구이다.
전산실 작업공간부(3)에 설치된 다수개의 서버랙(16)들 일 측에서 타 측으로 순차적으로 콜드존(14)과 핫존(15)이 교대로 구성된다. 핫존(15)의 상부에는 천정환기구(20)가 구성되며, 콜드존(14)과 핫존(15)에 온도 및 습도센서(17)를 구비한다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 직접 외기 이용 방식의 항온항습장치는 서버랙(16)이 배치되는 상면과 항온항습실의 측벽을 통하여 냉각공기가 전산실 내부로 직접 토출되도록 급기그릴(12)을 구성함으로써 열복도 밀폐를 형성한다.
아울러, 본 발명의 일 실시 예에 따른 직접 외기 이용 방식의 항온항습장치는 댐퍼들(40a,40b,40c,40d,40e,40f)과, 냉수제어밸브(8), 가습제어밸브(9), 급기팬(10), 배기팬(11), 온도 및 습도센서(17) 중 적어도 하나를 구동 제어하는 제어부(21)를 포함한다.
특히, 제어부(21)는, 외기공기상태가 콜드존의 기준절대습도보다 높고 핫존의 엔탈피보다 낮으며 콜드존의 최대허용온도 및 습도에서의 절대습도보다 낮은 구간에서, 외기와 핫존(15)의 공기가 상기 외기댐퍼(40a), 환기댐퍼(40b) 및 배기댐퍼(40c)를 비례제어하여 콜드존(14)의 최대 및 최소 허용 온습도 범위에 들어오도록 혼합하며, 상기 제1 바이패스댐퍼(40d)는 개방 제어한다. 이러한 모드에 대한 구체적인 작동은 이후에 다시 설명하기로 한다.
더욱 상세하게는, 콜드존(14) 및 핫존(15)의 온도 및 습도를 온도 및 습도센서(17)를 통해 감지 비교하고, 제어부(21)는 외기댐퍼(40a)를 통한 외부공기, 환기댐퍼(40b)를 통한 핫존(15)의 내부공기의 항온항습장치로의 유입, 배기댐퍼(40c)를 통한 핫존(15)의 냉각후 가열된 공기의 건물외부로의 배출 등을 제어하게 된다. 아울러, 제어부(21)는 바이패스댐퍼들(40d,40e,40f)을 통한 항온항습기 내부에서 순환되는 순환공기를 운전 모드별로 조정하여 급기그릴(12)을 통해 전산실 작업공간부(3)의 콜드존(14)으로 공급함으로써, 전산실 작업공간부(3)의 내부 콜드존(14) 및 핫존(15)의 온도 및 습도를 조절하도록 구성된다.
한편, 도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 일 실시 예에 따른 직접 외기 이용 방식의 항온항습장치의 냉방모드를 구분하는 습공기선도를 도시한 것이며, 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 직접 외기 이용 방식의 항온항습장치의 제어부를 도시한 것이다.
도 5를 더 참조하면, 제어부(21)는 외기댐퍼(40a), 환기댐퍼(40b), 배기댐퍼(40c), 바이패스댐퍼들(40d,40e,40f), 필터들(30a,30b,30c), 냉수제어밸브(8), 가습제어밸브(9), 급기팬(10), 배기팬(11) 및 온도 및 습도센서(17)를 제어하게 된다.
도 4a 내지 도 4f는 습공기선도를 도시한 것으로서, 이 습공기선도 상에서 공기가 가지고 있는 에너지의 기준인 엔탈피와 데이터센터 전산실에서 요구하는 실내 조건 중에 상대습도와 절대습도를 구분하여야 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 직접 외기 이용 방식의 항온항습장치는 기존의 데이터센터용 항온항습기에 적용된 바가 없거나 시도되었으나 에너지 절약 효과가 없고 오히려 실내 상대습도를 높게 하거나 과냉되어 재열에너지를 필요로 하여 에너지 손실을 발생시키거나 외기냉방이 가능함에도 불구하고 냉동기를 가동하는 기간이 발생하는 특정구간에서의 외기냉방 모드를 구현하고자 한 것이다.
이 경우, 외기공기상태에 따라 습공기선도상에서 총 5개의 운전 모드로 구분하며, 제1 모드, 제2 모드, 제4 모드 및 제5 모드는 통상의 항온항습장치로도 구현이 가능한 기술이지만, 본 발명의 일 실시 예에 따른 직접 외기 이용 방식의 항온항습장치는 제3 모드(외기 및 환기 혼합냉방 모드)를 포함 5개의 운전 모드를 하나의 장치에서 각각의 외기조건에 따라 구현이 가능하다.
또한, 기존방식처럼 냉각된 공기의 급기부를 하부 공기유동 통로인 이중마루 하부로 구성해 냉복도 밀폐를 구성할 경우 층고 증가, 건축비 증가의 문제점 등을 해결하고, 항온항습실에 가까운 바닥취출구에서 부압이 발생하여 취출이 어려운 문제와 상면의 온도가 서버발열을 제거한 핫존의 온도이므로 유지관리자에게 불쾌한 환경을 유발하는 문제 등을 해결할 수 있는 것이다.
아울러, 기존방식처럼 외기 및 환기의 혼합챔버를 통과한 후에 냉각코일 및 가습기를 거쳐 상면으로 공급되는 구조와 구별되도록, 운전 모드별로 댐퍼 조절을 통해 정압이 적게 걸리는 공기흐름 통로를 구성하여 운전 모드별로 팬소비전력을 줄여 운전 모드별로 에너지 절감이 가능하다.
도 4a를 참조하면, 전산실 작업공간부(3)에 구성된 콜드존(14)과 핫존(15)을 구분하여 제어부(21)를 통해 항온항습장치를 구동한다. 습공기 선도상에 냉방모드 조건으로 구분하며 구분정의주요기준은 외기의 온습도상태점과 전산실 작업공간부(3)의 실내 온도의 콜드존(14) 및 핫존(15) 두 지점의 공기상태점 "가"와 "나"를 기준으로 제어한다. "가" 및 "나" 두 지점의 절대습도가 같은 것으로 정의하며, "라" 지점은 콜드존의 최대허용 온도 및 습도에서의 절대습도로 정의하며, "다" 지점은 콜드존의 최소허용 엔탈피로 정의한다.
또한, "가" 지점은 콜드존의 기준온도 및 습도의 공기상태점으로 정의한다.
"가" 지점을 중심으로 엔탈피를 기준으로 하는 "가" 지점으로 우하향 경사선으로 형성된 가지점 경사선(2)으로 구성하며, 가지점 경사선(2)을 콜드존의 엔탈피선으로 나타내도록 한다.
"나" 지점을 중심으로 엔탈피를 기준으로 하는 "나" 지점으로 우하향 경사선으로 형성된 나지점 경사선(1)으로 구성하며, 나지점 경사선(1)을 핫존의 엔탈피선으로 나타내도록 한다.
"다" 지점을 중심으로 엔탈피를 기준으로 하는 "다" 지점으로 우하향 경사선으로 형성된 다지점 경사선(3)으로 구성하며, 다지점 경사선(3)을 콜드존의 최소허용 엔탈피선으로 나타내도록 한다.
"가" 지점을 중심으로 절대습도를 기준으로 하는 가지점 수평선으로 형성된 가지점 수평선(4)으로 구성하며, 가지점 수평선(4)을 콜드존의 기준 온도 및 습도에서의 절대습도선으로 나타내도록 한다.
"라" 지점을 중심으로 절대습도를 기준으로 하는 "라" 지점으로 수평선으로 형성된 라지점 수평선(5)으로 구성하며, 라지점 수평선(5)을 콜드존의 최대허용 온도 및 습도에서의 절대습도선으로 나타내도록 한다.
"가" 지점을 중심으로 상부 및 하부로 우상향 경사곡선으로 형성된 경사곡선(6)으로 구성하며, 좌측 및 우측으로 수직선으로 형성된 수직선(7)으로 구성하여, 상부경사곡선(6a)을 콜드존의 최대허용상대습도경계선으로 나타내고, 하부경사선(6b)을 콜드존의 최소허용상대습도경계선으로 나타내며, 우측수직선(7a)을 콜드존의 최대허용온도경계선으로 나타내고, 좌측수직선(7b)을 콜드존의 최소허용온도경계선으로 나타내도록 한다.
나지점 경사선(1)의 상부 및 라지점 수평선(5)의 상부를 제1 모드로 구성하고, 가지점 수평선(4)의 하부, 다지점 경사선(3)의 하부 및 우측수직선(7b)의 좌측을 연결한 범위를 제2 모드로 구성하며, 가지점 수평선(4)의 상부, 라지점 수평선(5)의 하부, 상부경사곡선(6a)의 상부 및 우측수직선(7b)의 좌측을 연결한 범위를 제3 모드로 구성한다. 아울러, 경사곡선(6a,6b) 및 수직선(7a,7b)을 연결한 내측 범위를 제4 모드로 구성하며, 다지점 경사선(3)의 상부, 나지점 경사선(1)의 하부 및 상부경사곡선(6b)의 하부를 연결한 범위를 제5 모드로 구성한다.
이러한 외기공기상태점에 따라 제1 내지 제5 모드로 구획 분할하여 각각의 다른 모드를 운전하도록 함으로써 외기에너지를 최대로 활용할 수 있다.
- 제1 모드 -
도 4b를 참조하면, 외기공기상태점이 제1 모드 구간인 경우 핫존(15) 공기를 순환하여 냉각한 후 콜드존(14)에 공급함으로써 콜드존의 온습도를 유지한다.
- 제2 모드 -
도 4c를 참조하면, 외기공기상태점이 제2 모드 구간인 경우 별도의 냉각열원없이 실내온습도를 유지할 수 있는 구간으로서, 공기 프로세스가 움직인다. 외기와 핫존의 공기가 외기댐퍼(40a), 환기댐퍼(40b) 및 배기댐퍼(40c)를 제어부(21)로 비례제어하여 콜드존의 공기 엔탈피를 검출하여 설정된 콜드존의 상태점에 맞게 비례제어한다. 이 경우, 제1 바이패스댐퍼(40d)는 개방된다. 혼합된 공기는 콜드존(14)으로 취출하기 전 가습제어밸브(9)에 의해 수가습 제어되어 콜드존(14)의 상대습도를 일정하게 유지한다.
- 제3 모드 -
도 4d를 참조하면, 외기공기상태점이 제3 모드 구간인 경우 별도의 냉각열원없이 실내온습도를 유지할 수 있는 구간으로서, 공기 프로세스가 움직인다. 외기와 핫존의 공기가 외기댐퍼(40a), 환기댐퍼(40b) 및 배기댐퍼(40c)를 제어부(21)로 비례제어하여 콜드존의 최대 및 최소 허용 온습도범위에 들어오도록 혼합하여 콜드존의 최대 및 최소 허용 온습도범위에 들어오도록 비례제어한다. 이 경우, 제1 바이패스댐퍼(40d)는 개방된다.
- 제4 모드 -
도 4e를 참조하면, 외기공기상태점이 제4 모드 구간인 경우 별도의 냉각열원없이 실내온습도를 유지할 수 있는 구간으로서, 공기 프로세스가 움직인다. 외기가 콜드존의 최대 및 최소 허용 온습도범위에 들어올 경우, 외기댐퍼(40a) 및 배기댐퍼(40c)는 100% 개방되며, 환기댐퍼(40b)는 100% 폐쇄되도록 제어부(21)를 통해 제어하여 콜드존의 최대 및 최소 허용 온습도범위에 들어오도록 제어한다. 이 경우, 제1 바이패스댐퍼(40d) 및 제2 바이패스댐퍼(40e)는 개방되며, 제3 바이패스댐퍼(40f)는 폐쇄된다.
- 제5 모드 -
도 4f를 참조하면, 외기공기상태점이 제4 모드 구간인 경우 별도의 냉각열원없이 실내온습도를 유지할 수 있는 구간으로서, 공기 프로세스가 움직인다. 외기가 제5 모드 구간인 경우, 외기댐퍼(40a) 및 배기댐퍼(40c)는 100% 개방되며, 환기댐퍼(40b)는 100% 폐쇄되도록 제어부(21)를 통해 제어하여 콜드존의 최대 및 최소 허용 온습도범위에 들어오도록 제어한다. 이 경우, 제3 바이패스댐퍼(40f)는 개방되고 배기댐퍼(40b), 제1 바이패스댐퍼(40d) 및 제2 바이패스댐퍼(40e)는 폐쇄되도록 제어된다. 외기댐퍼(40a)를 통과한 공기는 콜드존(14)으로 취출하기전 콜드존의 최대 및 최소 허용 온습도범위에 들어오도록 가습기(7)의 수가습에 의해 냉각 가습되어 전산실 작업공간부(3)의 콜드존(14)에 공급되도록 제어된다.
이와 같이, 도 4b 내지 도 4f에 도시하는 작동으로 인해 제어부(21)가 외기온습도, 콜드존(14)와 핫존(15)에 연결된 온도 및 습도센서의 정보를 감지 비교하여, 항온항습장치를 구동함으로써, 항온항습장치에서 공급되는 외기, 외기+내기순환 = 혼합기, 순환 및 배기 등을 선택적으로 선별하여 콜드존(14)으로 공급하고 콜드존(14)과 핫존(15)의 온습도를 보다 효율적으로 제어하여 최대한 외기냉방 운영을 수행하며 냉동기를 최소한으로 구동하여 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 도 6a 내지 도 6e는 본 발명의 일 실시 예에 따른 직접 외기 이용 방식의 항온항습장치의 각 모드별 작동 상태를 도시한 것이다.
도 6a 내지 도 6e를 참조하면, 전산실 작업공간부(3)에 다수의 서버랙(16)에 순차적으로 설치된 콜드존(14)과 핫존(15)에 연결된 온도 및 습도센서(17)의 정보를 제어부(21)로 감지 비교한다. 즉, 제어부(21)에서 전산실 작업공간부(3)의 실내온도 및 습도를 감지된 정보와 사용자의 설정 정보와 비교하여 냉동기 가동을 최소로하도록 외기냉방을 최대한 적용함으로써 에너지를 절감할 수 있다.
다시말해, 작업공간부를 서버랙의 전단(콜드존)과 후단(핫존)으로 구분하고, 콜드존과 핫존에 설치된 온도 및 습도센서의 정보를 감지 비교하여 외기공기상태가 콜드존의 기준절대습도보다 높고 핫존의 엔탈피보다 낮으며 콜드존의 최대허용 온도 및 습도에서의 절대습도보다 낮은 구간에서도, 실내 온습도를 유지하며 외기냉방이 가능하도록 외기와 핫존의 공기를 믹싱댐퍼를 통해 외기냉방함으로써, 최대 기간동안 냉동기를 가동하지 않고 데이터센터에서 요구하는 실내온도와 실내 상대습도를 유지할 수 있다. 아울러, 외기조건기간에 대해서도 외기냉방을 구현하게 함으로써 혹서기를 제외한 대부분의 계절에 외기냉방을 통해 에너지 절감운전이 가능하다.
또한, 서버랙이 배치되는 상면과 항온항습실의 측벽을 통하여 냉각공기를 전산실 내부로 직접 토출하도록 급기그릴을 구성하고 열복도 밀폐를 구성함에 따라, 취출풍속 감소가 가능하고 이에 따라 상면으로의 저속 취출이 가능하여 바닥취출에 따른 부압방지, 항온항습실 점검공간확보 및 팬 정압 감소에 따른 팬동력 절감의 효과 등이 있으며, 상면의 컨테인먼트 외부의 온도가 저온으로 유지되고 서버를 냉각한 후 온도가 상승된 공기를 신속히 배출시킬 수 있고, 기존 항온항습실에 적용하는 이중마루의 미설치 효과, IT용 케이블 설치만 가능한 최소 높이로 건물의 층고를 낮출 수 있어 건축비 절감, 에너지 절감 등의 획기적 효과를 달성할 수 있다.
또한, 외기공기상태점이 제3,4,5 모드 구간인 경우 댐퍼들을 제어하여, 냉각코일 및 가습기를 통과하지 않고 바이패스시켜 운전 모드별로 댐퍼조절을 통해 정압이 적게 걸리는 공기 흐름 통로를 형성하게 되며, 이로 인해 운전 모드별로 팬동력을 줄여 에너지를 획기적으로 절감할 수 있는 것이다.
지금까지 본 발명에 따른 직접 외기 이용 방식의 항온항습장치는 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당업자라면 누구든지 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
1: 급기부 2: 배기부
3: 전산실 작업공간부 4: 외기유입구
5: 배기구 6: 냉각코일
7: 가습기 8: 냉수제어밸브
9: 가습제어밸브 10: 급기팬
11: 배기팬 12: 급기그릴
13: 배기그릴 14: 콜드존
15: 핫존 16: 서버랙
17: 온도 및 습도센서 18: 배수판
19: 바닥배수구 20: 천정환기구
21: 제어부 30a: 외기도입용 프리필터
30b: 외기도입용 미디움필터 30c: 내기순환용 프리필터
40a: 외기댐퍼 40b: 환기댐퍼
40c: 배기댐퍼 40d: 제1 바이패스댐퍼
40e: 제2 바이패스댐퍼 40f: 제3 바이패스댐퍼
50a: 환기챔버 50b: 혼합챔버
50c: 내부순환챔버
3: 전산실 작업공간부 4: 외기유입구
5: 배기구 6: 냉각코일
7: 가습기 8: 냉수제어밸브
9: 가습제어밸브 10: 급기팬
11: 배기팬 12: 급기그릴
13: 배기그릴 14: 콜드존
15: 핫존 16: 서버랙
17: 온도 및 습도센서 18: 배수판
19: 바닥배수구 20: 천정환기구
21: 제어부 30a: 외기도입용 프리필터
30b: 외기도입용 미디움필터 30c: 내기순환용 프리필터
40a: 외기댐퍼 40b: 환기댐퍼
40c: 배기댐퍼 40d: 제1 바이패스댐퍼
40e: 제2 바이패스댐퍼 40f: 제3 바이패스댐퍼
50a: 환기챔버 50b: 혼합챔버
50c: 내부순환챔버
Claims (7)
- 삭제
- 외기유입구(4)와 연통되는 혼합챔버(50b); 상기 외기유입구(4)와 혼합챔버(50b)의 사이에 설치된 외기댐퍼(40a); 상기 혼합챔버(50b)의 하부에 연통 설치된 내부순환챔버(50c); 상기 혼합챔버(50b)와 내부순환챔버(50c)의 사이에 설치된 제3 바이패스댐퍼(40f); 상기 혼합챔버(50b)와 연통된 환기챔버(50a); 상기 혼합챔버(50b)와 환기챔버(50a)의 사이에 설치된 제1 바이패스댐퍼(40d); 상기 내부순환챔버(50c)와 연통되어 설치되고 환기챔버(50a)의 하부에 설치된 냉각코일(6) 및 가습기(7); 상기 환기챔버(50a)의 하부에 연통 설치된 적어도 하나의 급기팬(10) 및 급기그릴(12); 상기 환기챔버(50a)와의 사이에 제2 바이패스댐퍼(40e)를 구성한 급기부(1); 및 상기 급기그릴(12)에 면한 서버랙(16)이 설치된 전산실 작업공간부(3)의 배출공기를 공급받도록 구성되고, 상기 환기챔버(50a)와 전산실 작업공간부(3) 사이에 구비되는 환기댐퍼(40b)와 연통되며 상부 타측에 내부의 공기를 배출하는 배기댐퍼(40c)를 구비한 내기 배기구(5)와 배기팬(11)이 형성된 배기부(2)를 포함하고,
상기 내부순환챔버(50c) 및 제3 바이패스댐퍼(40f)는 공기 유동 방향으로 상기 냉각코일(6) 및 가습기(7)의 상류 측에 배치되며,
상기 제2 바이패스댐퍼(40e)는, 환기챔버(50a)와 공기 유동 방향으로 냉각코일(6) 및 가습기(7)의 하류 측 사이에 배치되어, 환기챔버(50a)의 공기를 선택적으로 냉각코일(6) 및 가습기(7)를 바이패스하여 급기그릴(12)로 유동하도록 구성된 것을 특징으로 하는 직접 외기 이용 방식의 항온항습장치. - 제2 항에 있어서,
상기 전산실 작업공간부(3)에 설치된 서버랙(16) 일 측에서 타 측으로 순차적으로 콜드존(14)과 핫존(15)이 교대로 구성되고, 상기 핫존(15) 상부에 천정환기구(20)가 구성되며, 상기 콜드존(14)과 핫존(15)에 설치되는 온도 및 습도센서(17)를 구비하는 것을 특징으로 하는 직접 외기 이용 방식의 항온항습장치. - 제3 항에 있어서,
상기 냉각코일(6)과 연결된 냉수제어밸브(8)와, 상기 가습기(7)와 연결된 가습제어밸브(9)를 구비하는 것을 특징으로 하는 직접 외기 이용 방식의 항온항습장치. - 제2 항에 있어서,
상기 서버랙(16)이 배치되는 상면과 항온항습실의 측벽을 통하여 냉각공기가 전산실 내부로 직접 토출되도록 급기그릴(12)을 구성함으로써 열복도 밀폐를 형성하는 것을 특징으로 하는 직접 외기 이용 방식의 항온항습장치. - 제4 항에 있어서,
상기 댐퍼들(40a,40b,40c,40d,40e,40f)과, 상기 냉수제어밸브(8), 상기 가습제어밸브(9), 상기 급기팬(10), 배기팬(11), 온도 및 습도센서(17) 중 적어도 하나를 구동 제어하는 제어부(21)를 포함하는 것을 특징으로 하는 직접 외기 이용 방식의 항온항습장치. - 제6 항에 있어서,
상기 제어부(21)는,
외기공기상태가 콜드존의 기준절대습도보다 높고 핫존의 엔탈피보다 낮으며 콜드존의 최대허용온도 및 습도에서의 절대습도보다 낮은 구간에서, 외기와 핫존(15)의 공기가 상기 외기댐퍼(40a), 환기댐퍼(40b) 및 배기댐퍼(40c)를 비례제어하여 콜드존(14)의 최대 및 최소 허용 온습도 범위에 들어오도록 혼합하며, 상기 제1 바이패스댐퍼(40d)는 개방 제어하는 것을 특징으로 하는 직접 외기 이용 방식의 항온항습장치.
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