인공지능(AI) 산업의 폭발적 성장과 함께 급증하는 데이터센터가 도시 열섬 현상을 부추기는 새로운 환경 위험 요인으로 떠오르고 있다는 연구 결과가 나왔다.
미국 애리조나주립대학교 지리과학-도시계획대학원의 데이비드 J. 세일러 교수 연구팀은 최근 미국기계학회(ASME)가 발행하는 학술지 '지속가능한 빌딩과 도시를 위한 공학 저널 (Journal of Engineering for Sustainable Buildings and Cities)'에 발표한 논문에서 데이터센터에서 배출되는 폐열이 인근 주거지역의 기온을 실제로 상승시킨다는 사실을 현장 관측을 통해 최초로 입증했다.
연구진은 애리조나주 피닉스 대도시권의 대형 데이터센터 4곳 주변을 차량 이동식 정밀 온도센서로 측정해 주변 지역 기온 변화를 분석했다.
◇근처에선 한낮 태양보다 2~6배 강한 열
연구진이 주목한 것은 데이터센터의 엄청난 폐열 밀도다.
일반적으로 도시 전체의 인위적 열 배출량은 ㎡당 10~75와트(W) 수준이다. 도쿄 도심의 최고 밀집지역조차 약 1600W/㎡ 수준이다.
반면 이번에 측정된 애리조나의 주도(州都) 피닉스 대도시권의 최신 공랭식 데이터센터들은 2000~6000W/㎡의 열을 뿜어냈다. 이는 한낮 태양 복사열(약 1000W/㎡)의 2~6배에 달한다.
예를 들어 피닉스의 위성도시인 메사(Mesa)시에 위치한 NTT PH1 데이터센터는 36㎿ IT 부하(데이터센터 안에서 서버·저장장치·네트워크 장비 같은 핵심 IT 장비들이 실제로 소비하는 전력 용량이 36㎿(메가와트)라는 뜻)를 처리하는데, 전체 소비전력은 약 47㎿에 이른다. 이는 미국 가정 약 4만 가구가 동시에 쓰는 전력과 맞먹는 열을 한곳에 집중 배출하는 셈이다.
같은 피닉스의 위성도시인 챈들러에 위치한 사이러스원(CyrusOne)이란 업체의 대형 캠퍼스형 시설은 더 크다. 총 169㎿ IT 용량에, 전체 소비전력은 약 220㎿나 된다. 18만 가구 이상이 내는 것과 같은 규모의 열을 단일 부지에서 방출한다.
쉽게 말해 데이터센터는 '초대형 전기난로 수십만 대를 한 블록에 몰아놓은 것'과 비슷하다.
◇최대 500m 떨어진 주택가까지 영향
측정 결과는 예상보다 뚜렷했다.
데이터센터 바람이 불어가는 방향의 주거지역 기온은 반대편보다 평균 0.7~0.9℃ 높았다. 최대 상승폭은 2.2℃에 달했다.
영향 범위는 시설 경계에서 100~500m까지 확인됐다. 일부 지역은 아파트 단지와 데이터센터가 50m도 채 떨어지지 않은 경우도 있었다.
시설별로 보면 △사이러스원(챈들러 시) 약 0.5~0.8℃도 상승, 최대 500m 확산 △얼라인드 (챈들러) 약 0.7℃ 상승 △디지털 리얼티 (챈들러) 평균 1℃, 최대 2℃ 상승 △NTT PH1 (메사) 0.9℃ 상승, 300~500m 범위 영향 등이다.
연구진은 “폐열 플룸(plume), 데이터센터가 품어내는 뜨거운 공기 덩어리는 바람 방향과 정확히 일치해 이동했다"면서 “주변 기온 상승은 데이터센터가 직접 원인일 가능성이 매우 높다"고 설명했다.
논문에 따르면 이 배출된 폐열 플룸은 주변 공기보다 8~14℃ 더 뜨겁고, 피닉스 여름에는 50℃를 넘기도 했다. 이 공기가 초속 2~4m 속도로 밀려 나오면서 바람을 타고 주변으로 퍼진다.
◇도시 열섬 현상을 부추겨
데이터센터는 도시 열섬 현상을 부추긴다. 다만 전통적 열섬과는 다른 '국지적 열섬'이다.
기존 도시 열섬은 아스팔트, 콘크리트, 자동차, 건물 축열 등이 복합적으로 도시 전체를 덥힌다. 반면 데이터센터는 특정 지점에서 매우 강한 열을 집중 배출해 '포켓형 열섬(data center heat island)'을 만든다.
연구진은 피닉스에 이미 이런 포켓형 열섬이 다수 형성됐을 가능성을 제기했다. 향후 데이터센터가 급증하면 도시 전체 열환경을 재편할 수 있다는 뜻이다.
이런 가운데 연구진은 흥미롭게도 도시 열섬 현상의 완화 가능성도 포착했다. 챈들러의 한 데이터센터 주변에서는 물이 흐르는 공원과 수목지대가 폐열 일부를 상쇄하는 냉각 효과를 보였다. 즉, 충분한 녹지와 물순환 설계는 도움이 된다는 것이다.
다만 한계도 있다. 데이터센터 폐열은 워낙 강해 단순한 잔디 조성만으로는 부족하다.
◇주민건강·생태계 피해 가능성도
현재까지 직접적인 건강 피해가 확인된 것은 아니다.
다만 연구진은 폭염 지역에서는 1~2℃의 추가 상승만으로도 냉방 전력 수요와 열 스트레스 위험이 크게 증가할 수 있다고 경고했다.
피닉스처럼 여름철 낮 기온이 43℃를 넘는 지역에서는 △실외 체감온도 악화 △열사병 위험 증가 △야간 냉방 부담 확대 △전기요금 상승 △저소득층 에너지 빈곤 심화 등이 발생할 수 있다.
연구진은 이를 “데이터센터가 주변 가정의 냉방비를 올리는 역설적 피드백 루프"라고 표현했다.
논문에서는 생태계 직접 영향은 아직 조사하지 않았다. 그러나 도시 생태학 관점에서는 우려할 만하다.
기온이 지속적으로 1~2℃ 상승하면 △곤충 활동 주기 변화 △야간 냉각 감소 △토양 수분 증발 증가 △도시 조류·식물 생육 교란 △미(微)기후 의존 생물 서식지 악화 등이 나타날 수 있다.
특히 도시 녹지 가장자리나 소규모 습지는 이런 미세 기온 변화에 민감하다.
◇“AI 인프라 확장, 열관리도 함께 설계해야"
데이터센터로 인한 도시 열섬 문제를 해결하기 위해서는 다양한 해법이 있을 수 있다.
먼저 배출구를 상향 설계해 뜨거운 공기를 위로 분산할 필요가 있다. 배출 속도·각도를 최적화해 열기가 지면 근처를 따라 확산하는 것을 최소화할 필요가 있다.
두 번째로는 건물 간격을 확대해 열기 데이터센터 부근에 정체되는 것을 방지해야 한다.
세 번째로는 더워진 냉각수를 회수해 지역난방에 활용할 필요가 있다. 폐열을 에너지로 재사용하자는 것이다.
네 번째로는 데이터센터 근처에 완충 녹지 설치를 의무화할 필요도 있다. 녹지를 통해 열을 흡수하고, 증발산을 강화해 열을 식히자는 것이다.
마지막으로는 입지 규제 강화다. 주거지와 최소의 이격거리를 확보하도록 하는 것이다.
세계 데이터센터 전력 사용량은 2024년 약 415TWh(테라와트시, 1TWh=10억kWh)에서 2030년 945TWh로 두 배 이상 증가할 전망이다.
연구진은 “AI 시대 데이터센터는 디지털 인프라이자 동시에 새로운 도시 기후 인프라"라며 “전력망 영향만 볼 것이 아니라 도시 미기후까지 포함한 환경영향평가 체계가 필요하다"고 강조했다.
