대한설비공학회(회장 장영수) 하계학술발표대회가 지난 6월24일부터 26일까지 강원도 평창 알펜시아리조트에서 열린 가운데 데이터센터(DC) 국책과제 성과보고를 위한 액침냉각 특별세션이 기획돼 업계 및 과제 관계자 참석하에 진행됐다.

 

특별세션 ‘액침냉각3’은 삼화에이스 주관으로 진행됐다. 한호승 삼화에이스 회원이 좌장을 맡아 세션을 진행했으며 세션은 삼화에이스가 총괄로 참여 중인 ‘액침냉각 국책과제 컨소시엄’ 참여기관들의 국책과제 성과보고를 중심으로 꾸려졌다.

 

액침냉각 국책과제는 액침냉각 연계 미활용열시스템 DC 실증기술 확보 및 비즈니스모델 표준화를 목표로 2024년부터 4년간 진행돼 올해로 3차년도를 맞았다. ‘액침냉각3’은 컨소시엄의 액침 3세부 과제인 '데이터센터 액침냉각 시스템 연계 미활용에너지 활용 기술 통합 실증(과제 번호: RS-2024-00421998)'에 해당하는 DC 통합실증을 통한 액침냉각시스템 개발을 목표로 삼은 연구성과 보고로 꾸려졌다.

 

삼화에이스의 관계자는 “이번 세션에서는 기후에너지환경부 관할 한국에너지기술평가원 과제내용을 발표한다”라며 “액침냉각 시스템 DC 실증 및 비즈니스모델 및 표준화가 세 번째 세션이며 DC 액침냉각 시스템 연계 폐열활용 에너지 통합실증에 대한 학술논문발표를 진행한다”고 액침냉각 마지막 세션의 포문을 열었다.

 

세션은 △폐열활용을 고려한 목업실험기반 100kW급 액치냉각시스템의 성능평가 및 분석(김성호 삼화에이스 프로) △액침냉각 및 폐열 활용 통합시스템 실증적 분석(황예찬 우원엠앤이 회원) △데이터센터 액침냉각시스템 해석을 위한 수치해석 기법 개발(최종락 한국전자기술연구원 책임연구원) △데이터센터 공랭식 및 액침냉각시스템 성능평가방법과 에너지소비량 비교분석 연구(김민준 한국냉동공조시험연구원(K-HVAC) 책임연구원) △데이터센터 액침냉각시스템의 열성능 및 폐열품질에 대한 수치적 분석(김지겸 한밭대학교 회원) △고밀도 데이터센터를 위한 액침냉각시스템의 통합에너지 모델링 및 CFD기반 열성능평가(변상우 한밭대학교 회원) 등 발표로 진행됐다.

 

100kW급 액침냉각 시스템 성능평가 실증 연구 결과 발표

 

김성호 삼화에이스 프로는 ‘폐열활용을 고려한 목업실험기반 100kW급 액침냉각시스템의 성능평가 및 분석’ 결과를 발표했다.

 

AI 작업량 증가로 고성능서버 수요 급증에 따라 기존 공랭식 냉각이 한계에 부딪히면서 DC 냉각기술의 효율혁신이 요구되어왔다. 이에 따라 연구진은 고밀도 DC의 발열에 대응하기 위해 액침냉각 기술개발을 지속해왔다. 

 

이번 연구는 100kW급 액침냉각시스템의 성능을 목업실험을 통해 검증하고 시스템에서 발생하는 폐열을 실제로 회수해 활용하는 연계실증설계 데이터확보를 목표로 진행됐다.

 

연구진은 실험환경에 내부 IT장비의 발열부하를 모사한 액침탱크와 CDU, 폐열활용을 위한 흡착식 냉동기를 설치했다. 외부에는 드라이쿨러, 펌프, 배관시스템 등 주변장비를 배치해 시스템을 구성했다.

 

시스템은 크게 네 가지 루프로 구성되며 각 루프는 물리적으로 분리돼 열교환기를 통해 연결된다. 첫 번째 용액루프(ICS)는 서버를 직접 냉각하는 오일을 CDU에서 냉각하며 냉각수 루프인 FWS와 열교환한다. 두 번째 냉각수루프(FWS)는 연결 문제를 해결하기 위한 중간 열교환 수단으로 활용된다. 세 번째 드라이쿨러는 FWS루프의 열을 외기로 방출해 시스템 전체의 냉각 능력을 보완한다. 마지막 루프에서 흡착식 냉동기는 FWS에서 회수된 폐열을 온수루프(HWS)로 받아 가열된 온수를 활용하고 냉수루프(CWS)에서는 냉각수를 도시냉수와 열교환하며 냉수를 생산한다.

 

연구진은 성능검증을 위해 세 가지 유형의 테스트를 진행했다. 먼저 ASHRAE TC 9.9 가이드라인 냉각수 조건(FWS W32)을 기준으로 안정화상태를 검증하는 테스트진행에 드라이쿨러 출구온도 32℃, 액침탱크 입구온도 35℃를 기준환경으로 설정했다. 둘째로 IT 출력을 10%부터 100%까지 단계별로 변화시키는 부하변동 테스트를 수행했다. 마지막으로 탱크용액온도를 설계 기준인 60℃를 중심으로 55℃에서 70℃까지 변화시키며 장비성능을 확인하는 테스트를 진행했다.

 

안정화테스트에서는 액침서버와 직접연결되는 탱크의 입·출구 온도를 안정화 판단기준으로 삼았다. 실험 결과 탱크용액 출구온도는 약 59℃로 설계 기준인 60℃에 근접해 안정적 운영 및 각 루프의 일정온도 유지를 통해 정상운영을 확인했다.

 

흡착식 냉동기 특성상 약 8분 주기를 갖기 때문에 용액 출구온도에도 주기적인 변동이 나타났으나 각 루프마다 판형열교환기가 설치돼 온도편차가 감쇄하는 효과를 보였다. 약 57.4℃에서 최대 온도편차가 0.4℃로 측정될 때 온수 열회수량은 약 4kW였다.

 

시스템효율지표인 PUE는 설계용량대로 운영 시 약 1.03 수준을 기록해 양호한 효율임이 확인됐다. 시스템 구성요소별 소비전력 중 FWS 펌프가 평균 약 1.64kW를 소비해 가장 많은 비중을 차지했다.

 

IT부하변동 테스트에서는 부하가 낮을수록 PUE가 저하되는 경향이 확인됐다. 흡착식 냉동기펌프를 제외한 구성요소들이 정격제어방식이어서 IT부하와 무관하게 소비전력이 유사하게 유지되는 특징을 보였다. FWS 기준으로 IT부하가 약 50kW 수준까지 증가하는 구간에서는 효율증가효과가 소비전력감소효과보다 커 PUE가 개선됐으며 약 10kW 지점에서 전환점이 형성되어 그 이하로 부하가 내려가면 효율이 다시 낮아지는 양상을 보였다.

 

탱크용액 온도변화 테스트에서는 용액온도가 높아질수록 소비전력이 감소하고 효율이 향상되는 결과가 확인됐다. 폐열활용 측면에서는 온도조건 17℃ 이상 환경에서 효과가 확인됐으며 흡착식 냉동기는 IT부하가 증가하더라도 효율을 유지하고 탱크용액 온도가 높을수록 전체효율 개선이 나타났다.

 

다만 용액온도를 무한정 높이는 것은 서버안전성 측면에서 제약이 따른다. 연구진에 따르면 탱크 입·출구 간 온도차가 약 20~25℃ 수준으로 발생하므로 출구온도가 70℃에 달할 시 서버주변 오일온도는 90℃를 초과할 수 있다고 밝혔다.

 

이번 연구는 국내에서 실증데이터가 부족했던 액침냉각 분야에서 100kW급 시스템의 정량적 성능데이터를 확보했다는 점에서 의미가 크다. 냉각효율 향상과 폐열재활용이라는 두 가지 과제를 동시에 다룬 이번 연구결과가 국내 DC 산업의 에너지효율화에 기여할 것으로 기대된다.

 

김 프로는 “앞으로의 계획은 실증스케일인 200kW급 액침시스템의 구성 및 제어데이터를 확보할 예정”이라며 “폐열활용과 관련 흡착식 냉동기 성능에 대해서도 추가적인 검증을 진행할 계획”이라고 밝혔다.

 

액침냉각·폐열 활용 통합시스템, LGCNS 상암DC 실증설계 완료

황예찬 우원엠앤이 회원은 논문 ‘액침냉각 및 폐열 활용 통합시스템 실증적 분석’을 발표했다.

 

이번 연구는 국내에서는 액침냉각 시스템에서 발생한 폐열 활용의 실증사례 및 연구부족 문제 대응을 위해 실제운영 중인 DC 환경에 액침냉각과 폐열활용시스템을 통합구축하기 위한 실증설계의 기초자료를 마련을 위해 추진됐다.

 

실증대상지는 LG CNS 상암 클라우드DC 1층이다. 약 13.6m×35m 규모의 제한된 공간에 인프라를 구축해야 하는 과제였다. 공간확보가 쉽지 않은 데다 기존에 운영 중인 시스템과의 간섭을 피하면서 설비를 최적으로 배치하는 것이 핵심과제였다.

 

설계 안정성을 높이기 위해 ASHRAE 핸드북의 부산지역 20년 극한값을 기준으로 외기조건을 적용했다. 여름철 외기 조건은 36℃, 겨울철은 -13.4℃로 설정했다. 일반적으로 DC설계에서 10년 기준을 적용하는 것과 달리 LG CNS 측의 요청에 따라 더 보수적인 20년 기준을 채택했다. 실내공조조건은 ASHRAE TC 9.9 가이드라인의 W32 냉각수조건을 기준으로 삼았다.

 

폐열활용측면에서는 액침냉각을 거치며 발생하는 50~55℃ 수준의 폐열을 회수해 흡착식 냉동기의 구동열원으로 활용하고 이를 통해 50kW급의 냉열을 생산할 수 있도록 설계됐다. 전파방지를 위한 ASHRAE기준 적용과 함께 단열케이싱 및 드립팬 등이 검토됐다.

 

냉각방식 선정과정에서는 여러 차례의 검토 끝에 스프레이와 공랭을 결합한 350kW급 하이브리드 쿨러를 선정했다. 높은 습구온도로 인한 냉방능력 저하를 보완할 수 있는 방식으로 제한된 공간 안에서 효율적인 냉각성능을 확보하는 해법이다.

 

냉방모듈은 전산실과 기계실 두 공간으로 구분해 구성됐다. 전산실에는 IT장비가 배치되고 기계실에는 CDU, 흡착식 냉동기, 펌프, 열교환기 등 주요기계설비가 들어간다. 초기에는 컨테이너 하나에 모든 시스템을 통합하는 구조를 검토했으나 컨테이너 내부에서 발생하는 발열문제와 공간제약을 검토 후 전산실과 기계실을 분리하는 방향으로 최종결정했다.

 

시스템 배치는 액침모듈 관련장비를 내부에 배치하고 흡착식 냉동기와 하이브리드 쿨러 등은 외부에 배치하는 구조로 이루어졌다. 이에 따라 설비배치도 기준으로 액침 CDU, 흡착식 냉동기, 하이브리드 쿨러, UPS, 전산실 및 기계실이 외부에 배치됐다.

 

운전방식은 하절기와 동절기를 구분해 적용했는데 하절기에는 액침탱크에서 발생하는 약 55℃의 폐열을 CDU를 통해 흡착식 냉동기로 전달해 냉열을 생산하는 방식으로 운전하며 하이브리드 쿨러는 보조 냉각 역할을 담당한다. 동절기에는 낮은 외기온도를 활용해 드라이쿨링 방식으로 전환해 전산실, 액침탱크, 하이브리드 쿨러만으로 운전하고 흡착식 냉동기가동을 최소화하는 방향으로 운영된다.

 

설계과정에서는 기존 DC운영에 간섭없이 독립적인 운영이 가능하도록 안전을 최우선 원칙으로 삼았으며 그라운드 및 배수라인이 통합된 최종 배관계통도와 시공도면, 시방서 작성까지 완료해 실증추진 준비를 마쳤다.

 

이번 연구는 제한적인 현장환경에서 액침냉각과 폐열활용시스템을 통합한 실증시스템의 최적 설계를 도출했다는 점에서 의의가 있다.

 

황 회원은 “액침냉각에서 발생하는 폐열을 흡착식 냉동기와 연계함으로써 운전모드에 따라 폐열회수율을 높이고 PUE 개선가능성을 시스템 설계단계에서 확인했다”라며 “실사례기반 DC 실증시스템 구축으로 10kW 이상 고발열 IT장비에 대응할 수 있는 냉각솔루션의 기초설계자료를 확보했다는 점이 이번 연구의 핵심 성과로 평가된다”고 강조했다.

 

액침냉각 시스템 수치해석 기법 개발… 실증 전 시스템 동적 거동 사전 검증

최종락 한국전자기술연구원 책임연구원은 ‘데이터센터 액침냉각시스템 해석을 위한 수치해석 기법 개발’을 발표했다.

 

연구진은 전력효율 측면에서 공랭식의 한계 극복을 위해 PUE 1.03x 수준을 달성할 수 있는 냉각시스템 설계를 목표로 연구를 진행하고 있다.

 

이번 발표에서는 액침냉각시스템의 실증에 앞서 시스템이 다양한 운전조건하에 설계범위 안에서 안정적으로 작동여부를 사전에 확인하기 위한 수치해석기법 개발내용이 소개됐다.

 

이번 연구목표는 △액침냉각모듈 실증모델 구성 및 열해석기법 정립 △DC 열관리기술을 외부기관과 연계해 진단 및 추가연구수행 등이다. 전체연구는 각 기관의 세부개발내용을 통합해 실증모델을 구성하고 성능을 평가하는 방향으로 수행된다.

 

수치해석대상인 시스템 P&ID는 ICS, FWS, CWS 등 여러라인이 복합적으로 연결된 구조다. ICS라인은 액침탱크와 펌프를 병렬로 구성하고 이중화를 위해 모터구동펌프를 인버터와 연결하며 FWS열교환기를 거쳐 냉각한다. CWS라인은 ICS라인에서 전달된 열을 열교환기를 통해 냉열을 생산하고 방열하는 구조다. FWS라인은 드라이쿨러에서 공급된 냉수를 활용하는라인이다.

 

또한 시스템에는 물보충라인도 포함돼 있으며 이는 운전 중 유체가 소실되거나 보충이 필요한 상황에 대비한 라인으로 주로 사용되지 않지만 보충목적으로 연결돼 있다.

 

핵심장치인 흡착식 냉동기는 약 8분 주기의 흡착 및 탈착주기를 시뮬레이션으로 모사했다. 현재는 흡·탈착 운전을 모듈화해 단순한 형태로 시뮬레이션에 적용하고 있으며 향후 흡착식 냉동기모델 개발이 완수되고 성능데이터가 확보 후 실제시스템에서 구동할 수 있도록 모듈에 통합할 계획이다.

 

수치해석기법 개발에서는 배관 내 압력강하계산이 핵심과제였다. 특히 분기점에서의 해석이 난점이었는데 분기 이후의 유량이 분기점 처리방식에 따라 크게 달라지기 때문이다. 연구진은 유동저항수식을 통해 플로우 저항을 계산하고 유량과 압력 강하의 관계를 이용한 압력 계산방법을 구현했다.

 

해석결과 초기에는 순환유량을 고정한 채 온도를 평가하는 방식으로 접근해 여름과 겨울 각 운전 조건에서 FWS, HWS, 드라이쿨러라인의 온도변화와 시스템안정성을 분석했다. 이후 실증운전방식을 반영하기 위해 온도기반으로 펌프유량을 제어하는 PID 제어방식을 모델에 적용했다. 목표온도대비 출력제어량을 PID로 산출해 시뮬레이션에 반영하는 방식으로 CWS·HWS·FWS라인 전체에 걸쳐 적용했다.

 

PID제어 적용 전후 비교에 따라 ICS라인의 탱크 출구온도에서 펌프제어를 적용했을 때 일부 구간에서 편차가 다소 커지는 현상이 확인됐다. HWS 및 FWS라인에서는 큰 차이가 없었으나 펌프제어를 적용하면 설계값대비 약 9% 수준의 차이가 발생할 수 있음이 확인됐다.

 

이번 수치해석모델 개발의의는 실증 이전단계에서 부하변동이나 제어방식 변경, 운전조건 변화가 발생 시 시스템이 동적으로 안정적으로 작동하는지를 미리 확인할 수 있다는 점이다. 현재 시뮬레이션은 수 시간 내로 계산이 완료되며 다양한 운전조건이나 펌프사양을 변경하면서 시스템성능을 상대적으로 비교하고 검토하는 용도로 활용가능하다.

 

연구진은 실증이 이뤄지면 실측데이터와 캘리브레이션을 수행할 계획이다. 또한 PUE분석을 위해 흡착식 냉동기 및 펌프소비동력 등 모니터링기능을 현재모델에 추가할 예정이며 각 구성요소별 방열에너지 분석도 병행할 계획이다. 열교환기 성능차와 흡착식 냉동기제어 등을 종합한 에너지 분석을 통해 시스템운전을 최적화하는 방안도 탐색한다.

 

한편 연구대상시스템은 100kW급 목업실험기준이며 약 200kW급의 실증규모에서 향후 추가검증이 필요한 상황이다.

 

최 책임연구원은 “지금까지 수행한 연구의 목표는 부하변동이 있고 다른 제어방식이 들어가거나 다른 운전조건이 변경됐을 때 시스템이 동적으로 잘 작동하고 원하는 범위 안에서 움직이는지를 사전에 확인하는 것”이라며 “향후 모델링단계를 지나고 나면 PUE 분석을 진행할 것”이라고 밝혔다.

 

공랭식·액침냉각 성능평가 표준화·MRV 체계 마련 본격화

김민준 한국냉동공조시험연구원(K-HVAC) 박사는 ‘데이터센터 공랭식 및 액침냉각시스템 성능평가방법과 에너지소비량 비교 분석 연구’ 발표를 통해 이번 연구목표를 공개했다. 공개된 목표는 2026년 중 액침냉각 구성기기에 대한 성능평가방법을 개발하고 평가방법론을 수립하는 것과 이로부터 도출된 결과를 바탕으로 향후 실증현장 적용방법을 검토하는 것이다. 김 책임연구원은 이번 발표는 특정한 결론값을 제시하는 것이 아닌 중간보고 성격임을 강조했다.

 

연구는 ASHRAE TC9.9를  기준으로 수냉식 관련 내용과 ICS(액침냉각시스템) 관련 W등급 규격 등을 참고했다. 연구진은 DLC시스템을 구성하는 요소기기별로 국내외 표준 현황을 분석했다. 냉각탑은 KS B 6364 및 ISO 16345, 드라이쿨러는 KS B ISO 13706 및 ASME PTC 30 및 BS EN 1048, 열교환기는 KS B ISO 15547-1 및 AHRI Standard 401, 냉동기는 KS B 6270·AHRI 551 또는 591·ISO 13256-2를 기준으로 삼았다.

 

CDU는 AHRI 1634 규격을 참조해 개정작업을 진행 중이며 OCP(Open Compute Project) 규격에서 액침냉각 CDU 구성요소별 지침도 함께 분석하고 있다. FWS는 ISO 5801 등 현재 가장 많이 사용되는 표준을 기반으로 표준화를 추진 중이다. 흡착식 냉동기의 경우 최근 새롭게 제정된 단체표준을 기반으로 표준화작업을 수행 중이다.

 

김민준 박사는 추진 중인 성능평가방법이 CDU나 액침탱크 등 DC 구성요소기기별 온도조건을 단계별로 설정하고 각 조건에서의 성능을 측정하는 가이드라인 형식임을 강조했다.

 

연구진은 향후 부산 LG CNS 실증현장 적용에 앞서 공랭식과 액침냉각시스템을 대상으로 MRV(측정·보고·검증) 방법론의 사전검토를 거쳤다.

 

공랭식시스템 측정은 로드뱅크를 사용해 진행했다. 외기온도 약 30.3℃, 습도 64.8%의 하절기조건에서 PUE는 1.65로 분석됐다. 액침냉각시스템은 외기온도 24.4℃, 습도 86.3% 환경에서 측정됐으며 PUE는 1.25로 분석됐다. 공랭식대비 PUE가 0.4 개선돼 약 22.4%의 에너지 절감효과에 보였다.

 

김 박사는 이번 측정은 하절기 특정시간대에 한정된 결과라는 점에서 연간 평균값으로 논의되는 일반적인 PUE와는 차이가 있다고 밝혔다. 현재 시스템구성이 고정부하방식이어서 장기 연속측정 데이터확보에 난항을 겪기에 실증현장 구축 이후 실제운영데이터를 기반으로 연간 PUE 측정이 이루어질 예정이다.

 

연구진은 향후 표준화와 관련해 위원회를 운영하고 의견을 수렴하면서 단계적으로 진행할 계획이다. 아울러 MRV 측정 및 평가 판정에 관한 연구를 이어가며 그 결과를 실증현장에 적용하는 것을 다음 목표로 삼고 있다. 또한 공랭식과 액침냉각을 아우르는 판단기준을 마련하고 향후 실증현장에서의 평가방법을 구체화할 예정이다.

 

김 박사는 “이번 발표는 특정한 결론값을 가지고 연구 방법을 제시한 것이 아니”라며 “현재 저희가 과업을 진행하고 있는 과정에서 과업을 어떻게 준비하고 있는지를 공유하는 것으로 평가해 주시면 된다”고 밝혔다.

 

액침냉각 냉각유 물성·폐열 품질 CFD 분석

김지겸 한밭대학교 회원은 ‘데이터센터 액침냉각시스템의 열성능 및 폐열품질에 대한 수치적 분석’ 발표를 통해 CFD 분석결과를 공유했다.

 

액침냉각시스템의 성능은 냉각유의 물성에 따라 크게 달라진다. 기존연구에서는 액침냉각의 우수한 열성능과 유량증가에 따른 냉각성능 및 펌프동력 간 상충관계(trade-off)가 보고된 바 있다. 그러나 실제서버 수준에서 냉각유 물성, 유입온도, 유량이 동시에 작용하는 복합적 영향, 그리고 엑서지(Exergy)기반 폐열 품질분석에 대한 연구는 충분히 이루어지지 않은 상태였다.

 

이번 연구는 액침냉각의 열성능과 함께 폐열의 열역학적 품질을 동시에 평가했다. 냉각유 물성에 따른 폐열활용 효율 등 폐열의 질적측면에 초점을 맞췄다.

 

실험결과를 바탕으로 연구진은 냉각유를 특성에 따라 세 종류로 구분했다. 높은 열용량을 갖는 냉각유체는 폐열회수에 유리하다. 저점성유체가 속하는 영역은 냉각성능이 뛰어나다. 그 중간에 위치한 균형영역의 미네랄오일 계열은 출구온도 85℃ 미만을 유지하면서 안정적인 냉각운전이 가능한 특성을 갖는다.

 

연구진은 냉각성능과 폐열품질이 서로 상충관계에 있음을 피어슨 상관분석으로 확인했으며 두 성능을 동시에 만족하기 위해서는 미네랄오일 계열과 같이 균형영역에 위치한 냉각유를 사용하는 것이 유리하다는 결론을 내렸다.

 

연구진은 향후 DC 내 IT장비 발열량이 지속적으로 높아지는 추세를 감안해 저점성이면서도 열용량이 어느 정도 높은 냉각유를 선택하는 것이 폐열회수와 냉각성능 두 측면을 모두 만족하는 현실적인 방향임을 제시했다. 이에 따라 이번 연구에서 도출된 누셀트 수 상관식과 엑서지 분석결과는 향후 액침냉각시스템 설계 및 냉각유 선정에 유용한 기초데이터로 활용될 것으로 기대된다.

 

김 회원은 “DC에서 많은 발열량이 발생하다 보니 폐열활용에 관한 연구가 진행 중에 있다”라며 “저희는 폐열의 양보다는 액침냉각의 냉각유 물성에 따라 얼마나 열을 활용할 수 있는지, 즉 폐열의 열역학적 품질에 대해서도 함께 평가를 진행하였다”고 설명했다.

 

액침냉각 고온 운전 가능성 확인… S40~S45 조건서 냉각 에너지 81% 절감

변상우 한밭대학교 회원은 ‘고밀도 데이터센터를 위한 액침냉각시스템의 통합에너지 모델링 및 CFD기반 열성능평가’ 결과를 공유했다.

 

ASHRAE S-class 기준에 따르면 냉각유 공급온도범위는 약 30℃에서 50℃까지 제시되어 있으며 AH1 등급에서는 더 높은 온도범위도 허용된다. 공급온도가 높아질수록 냉동기 필요성이 줄어드는 반면 핫스팟 발생가능성이 커지기 때문에 열적안정성에 대한 검증이 필수적이다. 이에 따라 연구는 고온 운전조건에서의 열적안정성과 에너지성능을 함께 평가하는 것을 목표로 삼았다.

 

연구는 30MW급 DC를 기준모델로 설정해 500kW급 TCS(기술 냉각시스템) 모듈 60개로 구성된 것으로 가정했다. CFD 열적안정성 검토는 총 발열량 3.96kW의 단일서버(440W급 CPU 9개 장착)를 대상으로 Ansys Fluent 2024 R1을 활용한 3차원 정상상태 해석으로 수행했다. 난류 모델은 Realizable k-ε 모델을 적용했으며 격자 독립성 검증을 통해 약 213만 셀에서 해석 안정성을 확인했다. 검토한 냉각유체는 FC-40, Mineral Oil, Natural Ester, Shell-S3X의 4종이다.

 

에너지분석은 ASHRAE S-class 공급온도조건에 따라 냉각시스템 구성을 달리해 진행했다. S30~S35조건에서는 냉동기와 냉각탑을 함께 사용하는 기계식 냉각시스템을, S40~S45조건에서는 냉동기없이 냉각탑기반 프리쿨링시스템을, S50조건에서는 드라이쿨러기반 프리쿨링시스템을 적용했다. 각 조건의 냉각에너지 성능은 PUE로 평가했다.

 

CFD 해석에서는 칩의 안전한계 온도기준을 80℃로 설정했다. NVIDIA 등 주요 제조사가 약 80~100℃ 수준을 제시하고 있으나 연구진은 보수적 관점에서 80℃를 기준으로 삼았다.

 

실험결과 해석에 따르면 냉각유 공급온도가 가장 높은 S50조건(공급온도 50℃)에서도 검토한 모든 냉각유체에서 프로세서 접합부 최대온도가 안전한계 이하로 안정적으로 유지되는 것이 확인됐다. 이는 액침냉각시스템의 고온 운전가능성을 뒷받침하는 결과다.

 

냉각유체별 비교에서는 FC-40이 가장 우수한 열성능을 보였다. FC-40은 낮은 점도와 우수한 유동특성으로 히트싱크 주변에 균일한 유동장을 형성하고 열경계층을 효과적으로 교란해 프로세서 표면의 열축적을 완화하는 것으로 나타났다. 유속 분포에서도 FC-40은 다른 유체에 비해 더 빠른 유속을 형성해 히트싱크 주변에서 효과적인 열전달이 이루어지는 것으로 확인됐다. 이에 따라 FC-40이 시스템 에너지분석의 대표냉각유체로 선정됐다.

 

에너지분석 결과에서 가장 두드러지는 지점은 S30에서 S40으로 공급온도가 높아지는 구간이다. S30 및 S35조건에서는 냉동기운전이 필요한 것으로 나타났으나 S40조건에 이르면 냉동기 운전을 제거하고 냉각탑기반 프리쿨링만으로 운전이 가능해지면서 냉각동력이 1,210kW로 급감하고 PUE도 1.040으로 대폭 개선됐다. S30대비 냉각에너지를 약 81% 절감할 수 있는 수치다. S45조건에서도 이와 유사한 수준을 유지했다.

 

S50조건에서는 드라이쿨러만으로 운전이 가능하나 온도차 감소로 인한 요구유량 증가와 펌프동력 상승으로 냉각동력이 1,775kW로 다소 증가했으며 PUE는 1.059로 S40~S45보다 소폭 높아졌다. 다만 S50조건은 냉각탑의 증발 및 비산 손실을 제거해 물 사용량 저감의 장점이 확인됐다.

 

연구는 종합분석을 통해 최적운전범위를 S40~S45조건으로 제시했다. 이 구간에서는 냉각탑기반 프리쿨링운전이 가능하면서도 펌프동력 증가가 크지 않아 냉각에너지 성능이 가장 우수한 것으로 나타났다.

 

연구 결과 S50의 고온 공급 조건에서도 프로세서 접합부 온도를 안전 한계 이하로 유지할 수 있어 액침냉각시스템의 고온 운전 가능성이 확인됐다. 안정성 측면에서 FC-40이 4종의 냉각유체 중 가장 안정적인 온도분포를 보였으며 점도에 따른 유동특성이 액침냉각 설계의 중요한 인자임이 확인됐다. 전력효율 측면에서는 S30에서 S40으로 공급온도를 높이면 냉동기 운전을 제거하고 냉각동력을 약 81% 줄일 수 있다는 시사점이 도출됐다. 마지막으로 S40~S45 구간이 냉각에너지효율과 프리쿨링 운전을 동시에 달성할 수 있는 최적운전범위임이 확인됐다.

 

이번 연구는 액침냉각시스템의 고온운전 타당성과 에너지 절감효과를 정량적으로 제시했다는 점에서 향후 고밀도 DC 설계 및 운영최적화에 기초자료로 활용될 것으로 기대된다.

 

변 회원은 “냉각기술은 공랭식에서 시작해 DLC, 콜드플레이트방식 등이 개발돼 왔으며 이제는 액침냉각방식으로 넘어가는 패러다임 변화가 이뤄지고 있다”라며 “이전에는 서버를 차갑게 유지하는 방향이었다면 이제는 오히려 냉각유 공급온도를 높이는 방향이 에너지효율 측면에서 유리하다”고 말했다.