LEED 인증 친환경 데이터 센터의 구축

근래의 데이터 처리 및 통신 기술의 빠른 발전과 광범위한 도입은 IT 장비의 놀라운 성장을 이끌었다. 통계에 따르면 전 세계의 데이터 센터는 현재 전 세계 전력 소비량의 3%를 차지한다. IDC는 이제 IT 산업에서 에너지 소비에 드는 비용이 하드웨어 비용의 25%에 육박하는 것으로 추정한다. 이러한 수치는 매년 52% 속도로 꾸준히 증가하고 있다. 2016 년에 작성된 한 피어-리뷰 연구 보고서에 따르면 효율성이 크게 증가하지 않는다면 ICT 산업은 전 세계 전력의 20%를 소비하게 될 것이다. 2025 년까지 이 산업은 전 세계 탄소 배출량의 5.5%를 차지할 것이며, 오직 미국, 중국, 인도만이 이러한 배출 수준을 뛰어넘을 것이다. 몇몇 산업 분석에서는 2025년까지 전 세계 데이터 센터가 소비하는 전력의 비용을 오늘날 전기 가격으로 환산하면 미화 100억 달러를 초과할 것으로 예상하고 있다. 데이터 센터는 막대한 양의 전력을 소비하며, 정부는 현재 탄소 배출 저감의 필요성을 충분히 인식하고 있다. 이미 몇몇 대도시에서는 데이터 센터가 충분한 전력을 얻는 것이 어려울 수도 있다. 예를 들어 북경의 경제화신식화위원회(Municipal Commission of Economy and Information Technology)는 데이터 센터의 건설과 확장을 금지한다고 발표하였다. 에너지 효율은 이제 데이터 센터 개발의 최우선순위가 되었다. 그러므로 이제 어떻게 하면 데이터 보안과 가용성을 높은 수준으로 유지하면서도 “친환경적이고 에너지 효율적인” 데이터 센터를 구축할 수 있을까? 오늘날에는 데이터 센터에 대한 여러 가지 에너지 효율 인증이 부각되고 있다. 이러한 여러 가지 인증 중에서 가장 대표적인 것은 바로 LEED 인증이다.

 

LEED 친환경 건축물 등급 시스템

LEED (Leadership in Energy and Environmental Design)는 혁신적인 등급 인증 표준으로서 완전하고 올바른 친환경 건축물 표준을 정의하고, 친환경 통합 기술의 개발을 촉진하고, 친환경 건축물의 건설을 위한 실용적인 기술 가이드라인을 제공하는 것을 목표로 한다. 현재 LEED는 오늘날 사용되는 여러 가지 환경 친화적 건축물 표준, 그린 빌딩 표준, 건축물 지속가능성 등급 표준 중에서 종합적이고 영향력 있는 표준으로 간주되고 있다.

LEED는 전체적으로 “친환경화”(Greening) 요구조건에 대한 만족도를 강조하는 “성과 기반 표준”이다. 이 표준은 에너지 소비를 감소시키고 재료를 절약함으로써 유해한 온실 가스의 배출을 감소시키는 건축물 설계와 관리를 위한 환경 전략을 제시한다. LEED는 논리에 의거한 자원 사용과 건축물 설계에 대한 총체적인 접근 방식을 모두 담고 있다.

LEED 친환경 건축물 등급 시스템은 건축물의 설계, 건설, 미세 조정, 운영, 철거까지 모든 수명주기에 걸쳐 건축물의 지속 가능성에 초점을 맞추고 있다. 이를 위해서는 개발자, 건축가, 구조공학자, 기계 및 전기 기술자, 조명 설계자, 조경 설계자, 건설업자, 관리자의 전체적인 교류와 협력이 필수적이다.

 

LEED 인증 등급의 구성요소

LEED 등급 시스템과 그것의 기술적 체계는 다섯 가지 측면과 다양한 지표들로 구성된다. 환경 영향은 통합 프로세스(2 점), 위치 및 수송(18 점), 수자원 효율(12 점), 에너지 및 환경(38 점), 자재와 자원(3 점), 실내 환경 품질(17 점), 혁신 및 설계 과정(6 점), 지역적 우선순위(4 점)를 바탕으로 평가된다. 전체적인 점수가 각각의 지표마다 할당된다. 인증 레벨은 총 4 개로서, 친환경(greenness) 수준을 반영하여 그림 1에서와 같이 플래티넘(80 점 이상), 골드(60 점 이상), 실버(50점 이상), 브론즈(40 점 이상) 인증이 각각 부여된다.

▲ LEED 인증의 레벨

 

LEED 데이터 센터의 핵심 요

앞에서도 설명한 바와 같이 친환경 데이터 센터의 LEED 등급은 단순히 전력 사용 효율(PUE)만을 평가하는 것이 아니라 데이터 센터의 전체 수명주기에 대한 일반적인 평가라고 간주할 수 있다:

• 에너지 효율의 최적화
  데이터 센터와 그 시스템의 에너지 효율을 극대화하여 과도한 에너지 소비에 의해 발생하는 환경 및 경제적 위험을 감소시킨다. 에너지 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 ASHRAE 90.1에 정의된 기본 값에 대하여 해당 연도의 에너지 소비량을 비교하고 에너지 절약 방법을 분석할 수 있다. 또한 관련된 모든 시스템의 잠재적인 에너지 절약과 그것이 비용에 미치는 영향을 예측하고 에너지 절약률(%)을 기준으로 이에 대한 점수를 계산할 수 있다. 미국 에너지부(DoE)가 작성한 보고서에 따르면 데이터 센터는 일반적인 사무실보다 100 배 더 많은 에너지를 소비한다. 실제 측정을 실시한 결과 IT 장비에서 소비하는 전력 외에도 공조장치와 UPS의 소비전력은 IT 외 장비의 전력 사용량의 97.8%를 차지하였다. 그러므로 공조장치와 UPS의 효율을 향상시키는 것은 IT 장비의 효율성을 향상시키는 것만큼이나 중요하다.

• 에너지 관리
  측정 장치들은 영구적으로 설치되어야 하며 자동으로 데이터를 수집할 수 있어야 한다. 이러한 측정 장치들은 웹브라우저를 통한 사용자의 원격 액세스가 가능해야 한다. 사용자가 자신의 에너지 소비 습관을 이해하고 낭비되는 에너지를 확인할 수 있도록 에너지 관리 시스템을 통해 에너지 소비 통계를 분류하고 분석해야 한다. 또한 이 시스템은 에너지 효율성 모니터링을 수행하여 시간별 보고서, 일간 보고서, 월간 보고서, 연간 보고서를 작성해야 한다. 에너지 효율이 꾸준히 향상되고 있다는 근거를 제시하기 위하여, 모든 자료는 최소 18 개월 이상 보존해야 한다.

• 재생 에너지
  프로젝트의 에너지 비용을 감소시키기 위하여 재생 에너지 시스템을 사용할 수 있다. 그리고 재생 에너지원을 통해 충족시킨 에너지 소비량의 비율(%)을 기준으로 점수가 계산된다.

• 환경 친화적 제품
  환경 친화적 냉매의 사용, 지속 가능성 보고서를 반영한 제품 사용, 지역 생산 제품의 사용은 제조 및 수송 과정 동안 배출되는 이산화탄소와 온실가스에 의해 발생하는 환경의 피해를 감소시킨다. 다시 말해 환경 친화적 제품의 사용은 탄소 배출을 최소한으로 감소시키기 위하여 매우 중요하다.
  
  ▲ 환경 친화적 냉매

• 건설 관리
  폐기물의 생산량을 최소화하기 위하여 건설 과정이 진행되는 동안 유해하지 않은 건설 자재 및 철거 건물 자재는 회수하거나 재사용해야 한다. 건설 환경 내 대기를 깨끗하게 유지해야 하며, 휘발성 물질을 사용하는 작업 방법을 검토해야 하며, 재료 목록의 관리를 실천해야 한다.

• 시운전
  친환경 데이터 센터를 사용하기 위해서는 성능의 검증이 필요하다. ASHRAE 가이드라인은 시운전을 “시설, 시스템 조립체의 성능이 정해진 목표와 기준을 충족시키도록 만들고, 이러한 목표와 기준이 달성되었는지 확인하고, 이를 적절히 문서화하는 품질 지향적 프로세스”라고 정의한다. 시운전 과정의 실행에는 소유자, 설계자, 건설자가 함께 참여해야 한다. 계획 단계, 설계 단계, 건설 단계, 건설 완료에 따른 시스템 성능 시험, 시스템 유지보수 관리는 모두 소유자의 프로젝트 요구사항(OPR)과 설계의 기본(Basic of Design)을 지켜야 한다. 시운전은 데이터 센터의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
  
  ▲ LEED 규격에 따른 건설의 시운전 단계   

• 운영 및 관리
  일단 시설에 직원이 배치되고 장비가 설치되면, 시각적인 지원이 제공되는 데이터 센터 인프라스트럭처 관리 (DCIM) 시스템은 관리자가 직접 에너지 효율을 지속적으로 모니터링하여 설계상의 요구조건과 실제 운전 성능을 비교할 수 있도록 보조한다. 또한 관리자는 운영자의 습관을 육안으로 확인하여 낭비되는 에너지를 감소시킬 기회를 확인하고 시스템을 지속적으로 보정/최적화한다.
  
  ▲ DCIM 시스템의 시각적 지원을 보여주는 도해

 

세계 최초의 LEED V4 인증 논-모노리식 데이터 센터

2018년 3월에 델타의 우장 데이터 센터는 LEED v4 ID+C 골드 인증을 달성하기 위한 세계 최초의 논-모노리식 데이터 센터가 되었다. 계획, 설계, 건설은 B+ 중국 국립 표준과 LEED 친환경 데이터 센터를 기반으로 하였다. 이 데이터 센터는 에너지 효율 솔루션을 도입하였을 뿐만 아니라 직원 관리를 위한 보안상의 필요성 때문에 안면 인식 시스템도 설치하였다.

▲ 델타의 우장 데이터 센터

• 에너지 효율의 최적화는 친환경 데이터 센터를 만드는 열쇠이다.
  중국의 공업화신식화부(Ministry of Industry and Information Technology: MIIT)도 1.5 미만의 뛰어난 전력사용효율(PUE) 등급을 달성하기 위하여 2015년부터 완전히 새로운 대규모 클라우드 컴퓨팅 센터를 건설할 필요가 있었다. 2017년에 델타 우장 데이터 센터의 PUE 는 1.29였으며 이러한 수치는 MIIT가 요구하는 것보다 41% 더 높은 것이었다. PUE 향상에 사용된 방법은 다음과 같다:

  • 냉복도와 열복도의 분리
    그림 6에서 볼 수 있는 냉복도(cold aisle)와 열복도(hot aisle)의 분리는 가장 간단하고 가장 효과적인 에너지 절약 방법이다. 차가운 영역과 뜨거운 영역을 서로 분리한다면 차가운 공기와 뜨거운 공기가 서로 혼합되는 것을 막을 수 있다. 이것은 랙의 전면부에서 IC 장비 인렛의 온도를 증가시키고, 냉각 효율을 감소시키며, 과열 때문에 IT 장비가 충돌을 일으키도록 만드는 수직 온도 기울기(vertical temperature gradient)를 제거한다. 이와 동시에 실증적인 테스트를 통해 냉복도 온도를 점진적으로 증가시킨다면 공조 장치에 의해 소비되는 전력 소비량을 감소시키는데 도움이 될 수도 있다. 하지만 온도가 25℃를 초과하면 이것은 오히려 IT 장비의 전력 소비를 증가시켜 과열에 의한 장비의 충돌의 가능성을 증가시킬 수도 있다. 따라서 냉복도 온도를 25℃로 설정한다면 공조장치 전력 소비량의 최적화라는 목표를 달성할 수 있다.
    
    
    ▲ 냉복도(cold aisle) 및 열복도(hot aisle)의 분리
    

  • 효과적인 방열을 위하여 열점의 근처에 인-로우 공조장비를 배치
    모듈형 데이터 네트워크 장비의 공기 흐름은 대개 수평적이므로 모듈형 인-로우 공기조화를 사용할 때에도 마찬가지로 수평적인 유동 경로를 고수해야 한다. 이렇게 하면 그림 7에서 볼 수 있듯이 열원까지의 거리가 감소되어 공기 순환 경로가 크게 짧아진다. 열점에서의 효과적인 열 제거를 위하여 팬에 의한 정압 손실(Static pressure loss)과 복도로부터의 열손실(heat loss)이 감소된다.

  • 모듈형 시스템 유닛 사용
    다수의 모듈로부터 온도 및 습도 파라미터를 수집하기 위하여 메인 유닛은 마스터-슬레이브 제어를 사용한다. 그 다음 동기화된 제어를 실현하기 위해 평균 값이 사용된다.
    
    
    
    ▲ 인-로우 공기조화의 공기 흐름 도해
    

  • 고성능 인버터 공조장비
    데이터 센터에 배치되는 IT 장비는 대개 시스템 운용 과정 중에 조금씩 추가될 필요가 있다. 이때 공기조화 장비 또한 반드시 포함되어야 하며 이중화(redundancy)도 고려해야 한다. 이러한 상황에서 가변 속도 공기조화를 사용하면 유연성이 향상된다. 다수의 인로우 공기조화 장치(in-row air-conditioning unit)가 동시에 작동 중일 때 저 부하 ~ 중간 부하에서는 고효율 EC 팬이 더 느리게 작동하며 컴프레서에서도 유량 제어를 위한 주파수가 변화될 수 있다. 실제 부하를 기준으로 하여 작동 속도를 조절함으로써 전력 소모량을 감소시켜 낮은 부하에서 고효율을 달성할 수 있다 (예: 풍속을 10% 감소시키면 전력 소비량은 27% 감소됨).
    
    
    ▲ 고성능 인버터 공조 장비
    

  • 천연 자원의 활용 (새로운 에너지 절약 환기 시스템)
    우장 지역의 기후 자료를 분석한 결과 연중 절반 정도의 기간 동안 그림 9에서와 같은 자연 냉각을 제공하는 새로운 환기 시스템을 사용할 수 있다는 것을 밝혀냈다. 이처럼 훌륭한 천연의 자원을 활용하면 에너지 소비가 크게 감소될 것이다. 그림 10에서처럼 새로운 환기 장치를 통한 자연 냉각을 위하여 전력선 통신(PLC)과 조합된 새로운 윈드 팬과 환기 팬이 사용되었다. 이 새로운 환기 시스템의 도입은 외부 온도, 상대 습도, 열가 및 실내 조건을 바탕으로 한다. 외부 조건이 설정 값보다 전부 낮으면, 기존의 시스템은 이 새로운 환기 시스템으로 대체된다. 그러면 인로우 공기조화 시스템의 전원이 꺼져서 에너지 소비를 최소화할 수 있다.
    
    
    
    ▲ 중국의 연간 온도 분포
    
    
    ▲ 새로운 에너지 절약형 환기 시스템에 대한 도해
    

  • 고효율 모듈형 UPS
    기존의 데이터 센터에서 부하는 UPS의 약 30 ~ 40%이다. 그리고 기존 UPS의 효율은 대략 87%이다. 기존 UPS 대신 고효율 모듈형 UPS (DPH)가 사용되는 경우, 이것의 운전 효율은 95%로 증가되거나 기존 방법보다 8% 더 높아질 수 있다. 부하가 100kW인 경우, 이것은 연간 70,000 kWh의 에너지 절약에 해당된다. 모듈형 UPS에서는 UPS가 지속적으로 높은 효율로 작동될 수 있도록 IT 장비에 맞추어 규모를 조정할 수 있다.
    
    
    ▲ 고성능 모듈형 UPS (DPH)의 효율과 기존 UPS의 효율의 비교
    

 

• 친환경 데이터 센터와 시각적 데이터 센터 인프라 관리(DCIM) 시스템의 지속적인 최적화
  시각적인 데이터 센터 인프라스트럭처 관리 (DCIM) 시스템의 디스플레이는 카테고리, 시간, 조직체계, 지표의 관리를 지원한다. 에너지 사용 분석 보고서는 추세 차트, 막대 그래프, 원 그래프로 표시되어 IT 인프라스트럭처 운영 및 유지보수, 자산 관리, 유틸리티 및 공조장치 관리, 에너지 관리, 환경 제어, 보안 감시, 액세스 제어, 공간 구성과 같은 중요한 정보를 한눈에 보여준다. DCIM을 갖춘 스마트 데이터 센터는 데이터 센터 환경을 자동으로 조절하여 IT 장비의 작동을 정상적으로 유지한다.
  
  
  
  ▲ DCIM 시스템의 시각적 지원

• 태양광에 의해 공급되는 친환경 전기
  그림 13에서 볼 수 있듯이 프로젝트 건물의 지붕 위에는403.2 kWp의 발전 용량을 가진 태양광 패널이 설치되었다. 공장과 데이터 센터를 위하여 매년 생산되는 430,000 kW의 전력은 데이터 센터의 연간 전력 사용량의 약 4.05% 정도를 차지한다. 미국 본사의 델타 데이터 센터는 전적으로 재생 에너지로부터 전력을 공급받는다.
  
  
  
  ▲ 태양광 발전

• 친환경 운영 및 유지보수 – 자동 고장 검출 및 진단 기능과 자산 조사
  정전 또는 사람의 실수로 인하여 데이터 센터에서 고장이 발생하는 경우, 검출 및 복구는 상대적으로 쉬운 편이다. 그렇다면 정기적인 센터 운영을 실시하는 동안 데이터 센터에 조금씩 점진적으로 고장이 발생하는 경우에는 어떠할까? 대량의 센서를 수집할 수 있도록 데이터 센터에는 대개 여러 가지 센서, 드라이버, 장비들이 장착되어 있다. 센서가 매초마다 보고를 한다면 이것은 연간 3000만 개의 데이터 입력을 의미한다. 100 개의 센서가 있다면 이것은 연간 31억 개의 데이터 입력을 의미한다. 데이터 센터 인프라스트럭처 관리(DCIM) 시스템의 자동 고장 검출 및 진단(AFDD) 기능은 이러한 데이터를 유용한 정보로 변환하고, 그 다음에는 이 정보를 분석하여 관리자에게 필요한 보고서를 생산한다. 데이터 센터의 고장 진단은 마치 의사가 환자를 진료하는 것과 같다. 이 기능은 고장의 가능성이 높은 부분을 알려주고 예방적 정비를 수행해야 함을 관리자에게 상기시키기 위하여 여러 가지 지표와 과거의 경험을 사용하여 분석 규칙을 만든다. 이로써 데이터 센터의 신뢰성이 더욱 향상된다. 또 다른 기능은 자산 조사이다. 이 조사의 목표는 시스템과 타겟에 적용된 QR 코드를 통해 생성된다. 휴대폰을 사용하여 QR 코드를 스캔하면, 분석을 위하여 관련 검사 기록이 시스템에 업로드된다. 상위 관리자는 심사의 목적으로도 시스템을 활용할 수 있으며, 이를 통해 인쇄 기록의 양을 감소시키고 분석의 속도를 더욱 빠르게 할 수 있다.
  
  
  
  ▲ 자동 고장 검출 및 진단의 사례
  
  
  ▲ 휴대폰을 사용하는 자산 조사

 

요약

삶의 기준은 점점 향상되고 있으며 기술은 빠른 속도로 발전하고 있다. 친환경 목표를 달성하기 위하여 에너지를 절약하는 것은 오늘날 모든 사람들이 받아들이고 있는 개념이다. 사물인터넷(IoT), 인공지능(AI), 가상현실과 증강현실 (AR/VR), 클라우드, 모바일 및 빅데이터 분석 기술들이 출현함에 따라 친환경적이고 에너지 효율적인 데이터 센터는 산업 발전에서 최우선적 요소가 되었다. 에너지 효율적 친환경 데이터 센터의 건설은 일정한 수준의 창조성이 필요하며 기존의 사고방식에 의하여 제약을 받아서는 안 된다. 예를 들어 구이양에 위치한 폭스콘(Foxconn)의 데이터 센터는 대자연이 제공하는 자원을 활용하고 있다.

데이터 센터 관리자에게 좋은 DCIM 시스템은 자동 고장 검출 및 진단(AFDD)을 사용하여 자동화, 시각화, 조기 경보를 제공하여 시스템의 관리를 단순화하는 통합 플랫폼이어야 한다. 관리자가 시스템 관리와 분석을 더 빠르고 편리하게 수행할 수 있도록 만들고 IT에서 효율성이 낮은 부분을 찾아내어 이를 해결하고 탄소 배출량을 감소시킴으로써, 데이터 센터의 성능 및 수명 주기 관리를 최적화한다는 궁극적인 목표를 달성할 수 있다.