전산실 현열비 높은 부하: 거의 수평인 공정선과 건코일

상황

예를 들어 IT 장비 발열 100 kW 의 전산실에서 공조기 습도 제어가 가습과 제습을 번갈아 하며 전력을 쓰고 있다고 하자. 서버 입구는 20 °C, 서버를 지난 복귀 공기는 32 °C 이고 습도비는 거의 변하지 않는다. 사람 발열처럼 수분이 나오는 부하는 0.5 kW 뿐이라 현열비가 0.995 이다. 확인할 것은 세 가지다. 필요한 풍량은 얼마인가, 코일 표면 온도가 얼마여야 제습이 생기지 않는가, 서버 온도 상승폭을 키우면 풍량이 얼마나 줄어드는가. 조건은 설명을 위한 예이고, 실제 판단은 장비 사양과 그 현장의 냉수 온도로 한다.

주어진 조건

선도에서 읽는 순서

1. 복귀점 R(32 °C, 8.36 g/kg)과 급기점 S(20 °C, 8.33 g/kg)를 찍는다. 두 점은 거의 같은 높이라 S 에서 R 로 가는 실내 부하선이 수평이다.
2. R 에서 왼쪽으로 습도비가 일정하게 가 포화선과 만나는 점이 복귀 공기의 이슬점 11.3 °C 이다. 코일의 표면이 이 온도보다 낮으면 응축이 생긴다.
3. 코일 선은 R 에서 코일 표면 평균 온도 ADP 의 포화점으로 향하는 직선이고, 그 위에서 건구 20 °C 가 되는 점이 코일 출구 C 이다. ADP 가 이슬점보다 낮으면 선이 아래로 기울어 C 의 습도비가 S 보다 낮다.
4. S 의 건구 18 ~ 27 °C, 이슬점 15 °C 이하 범위 안에 있는지 본다.

단계별 계산

1) 풍량. 목표 24 °C·45 % 의 습도비 W = 8.36 g/kg, 습공기 비열 c_p = 1.006 + 1.86 × 0.00836 = 1.0215 kJ/kg·K. 건공기 질량유량 ṁ = 100 / (1.0215 × 12) = 8.158 kg/s. 급기 상태의 비체적 0.8416 m³/kg 로 24,715 CMH.

2) 급기 습도비. 잠열 0.5 kW 는 ṁ 에 실려 W_S = W_R − 0.5 / (8.158 × (2501 + 1.86 × 32)) = 8.332 g/kg 이다. 복귀와의 차이가 0.024 g/kg 뿐이라 선도에서 두 점이 거의 같은 높이다.

3) 복귀 이슬점. 복귀 공기 32 °C·28.2 % 의 이슬점은 11.35 °C. 상대습도는 28.2 % 로 낮아 보이지만 습도비는 같고 건구만 높은 것이다. 코일 표면이 11.3 °C 아래면 응축이 시작된다.

4) ADP 8 °C 코일. 급기 20 °C 를 얻으려면 바이패스 팩터 BF = (20 − 8) / (32 − 8) = 0.50. ADP 의 포화 습도비 6.66 g/kg 이고, 출구 습도비는 W_out = 6.66 + 0.50 × (8.36 − 6.66) = 7.51 g/kg. 복귀보다 0.85 g/kg 낮아, 코일이 시간당 25.0 kg 을 응축한다. 급기를 목표 습도비로 되돌리려면 같은 양을 가습해야 하고, 증기 가습이면 18.1 kW 다.

5) ADP 를 올리면. ADP 를 복귀 이슬점(11.3 °C) 이상으로 올리면 선이 수평이라 제습이 0 이다. 같은 급기 20 °C 를 얻는 코일은 BF 가 ADP 6 °C 의 0.54 에서 0.40 로 작아진다. BF 가 작다는 것은 공기가 코일 표면 온도에 더 가까워져야 한다는 뜻이라 더 넓은 전열 면적(코일 열 수, 면적)이 필요하고, 그 대신 냉수 온도는 높일 수 있다.

결과 해석과 실무 판단

급기 20 °C·57.3 %, 이슬점 11.3 °C 는 권장 범위(건구 18 ~ 27 °C, 이슬점 15 °C 이하, 상대습도 60 % 이하) 안에 있다. 복귀 32 °C 의 상대습도는 28.2 % 로 낮지만 서버 입구가 아니라 출구이므로 권장 범위 판정에 쓰지 않는다. 습도는 이슬점(습도비)으로 관리하는 편이 낫다. 온도가 달라져도 습도비는 변하지 않기 때문이다.

ADP 8 °C 코일은 응축 25.0 kg/h 를 만들고 이를 가습으로 다시 채우는 낭비가 생긴다. ADP 가 이슬점 11.3 °C 이상이면 건코일이 되어 이 낭비가 없다. 그래서 전산실은 냉수 공급 온도를 일반 공조보다 높게(이 예에서는 코일 표면 평균이 11.3 °C 이상이 되도록) 잡는다. 냉수 온도가 오르면 냉동기 효율도 좋아진다.

서버 온도 상승폭을 키우면 같은 100 kW 를 더 적은 풍량으로 옮긴다 (복귀 32 °C 고정).

ΔT 8 K 에서 15 K 로 키우면 풍량이 37,579 CMH 에서 19,570 CMH 로 줄어 팬 동력이 크게 준다. 다만 급기를 낮추면 18 °C 하한에 닿고, 복귀를 높이면 서버 내부 온도가 올라가므로 장비 사양을 먼저 확인한다.

계산 밖의 문제

이 계산은 모든 열이 서버를 지나는 공기로 간다고 보았다. 실제로는 냉기와 열기가 섞이는 우회 기류와 재순환이 있어 서버 입구 온도가 급기보다 높아진다. 냉기통로나 열기통로를 막는 격벽(컨테인먼트)은 이 섞임을 줄여 같은 급기 온도에서 더 높은 복귀 온도를 만든다. 바닥재 틈이나 문으로 들어오는 외기, 서버실 벽에서 새는 습기는 가습·제습 부하로 따로 더해진다.

건코일은 응축수를 줄일 뿐 외기 도입이 있으면 외기에 실린 수분이 다시 문제가 된다. 외기냉방을 쓰는 전산실은 외기의 이슬점이 권장 범위 안인지 확인한다. 이 계산의 권장 범위는 서버 입구에 대한 것이다.

흔한 실수

• 일반 사무실 코일(냉수 7 °C 급)을 그대로 쓴다. ADP 8 °C 에서 시간당 25.0 kg 이 응축되고, 가습기가 같은 양을 다시 넣는다.
• 복귀 상대습도가 낮다고 가습한다. 복귀 32 °C 의 28.2 % 는 습도비가 급기와 같다. 서버 입구의 이슬점 11.3 °C 로 판단한다.
• 풍량을 서버 ΔT 와 상관없이 정한다. ΔT 8 K 와 15 K 사이에서 풍량이 1.92 배 다르다.
• 현열비를 고려하지 않고 잠열을 키운다. 현열비 0.995 의 공정선은 수평이다. 습도를 유지하는 것은 제습·가습의 균형이 아니라 습도비를 건드리지 않는 것이다.
• 복귀점을 서버 입구 기준에 적용한다. 권장 범위는 서버 입구용이다.

이 계산을 사이트에서 해보기

선도에서 전산실 공정 열기

선도 링크는 복귀점과 급기점 두 점과 공정 카드를 그려 현열만 있는 수평 공정과 풍량을 확인하게 한다. 코일 선정과 재열은 여름 냉각코일 선정과 재열 판단, 가습량은 겨울 사무실 가습량 계산, 풍량 환산은 단위 변환, 작도 원리는 습공기선도 보는 법에서 볼 수 있다.

근거

• ASHRAE Handbook Fundamentals 2017 (SI), 1장 Psychrometrics: 습도비·엔탈피·비체적·포화 수증기압(Hyland-Wexler). 이 글의 습공기 숫자는 이 식을 구현한 사이트 계산 엔진(101.325 kPa)으로 계산했다.
• ASHRAE TC 9.9, Thermal Guidelines for Data Processing Environments: 서버 입구 권장 범위 건구 18 ~ 27 °C, 이슬점 -9 ~ 15 °C, 상대습도 60 % 이하. 허용 범위는 장비 등급에 따라 더 넓다. 이 글은 권장 범위만 쓰고, 실제 값은 장비 제조사 사양과 그 지침의 해당 판본으로 확인한다.
• 코일의 ADP와 바이패스 팩터 방식은 냉각코일 선도 해석의 일반적인 방법이다. 증기 가습 열수지는 ASHRAE Handbook HVAC Systems and Equipment 의 Humidifiers 장을 따르며, 증기 엔탈피 2676 kJ/kg 은 100 °C 포화 증기 값(IAPWS-IF97 2675.6), 급수 가열에 물 비열 4.186 kJ/kg·K 를 썼다.
• IT 부하 100 kW, 잠열 0.5 kW, 급기·복귀 온도, 전산실 목표 24 °C·45 % 는 예시값이다.