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.

 

액침냉각 국책과제는 액침냉각 연계 미활용열시스템 데이터센터 실증기술 확보 및 비즈니스모델 표준화를 목표로 2024년부터 4년간 진행돼 올해로 3차년도를 맞았다. ‘액침냉각1’은 컨소시엄의 1세부에 해당하는 데이터센터 액침냉각 핵심 요소기술을 주제로 기획됐다. 이어 ‘액침냉각2’ 세션은 미활용에너지 능동활용 및 열관리기술 연구를 목표로 삼은 연구성과 보고로 꾸려졌다.

 

특별세션 ‘액침냉각1’세션은 제우스유화공업의 주관으로 진행됐다. 좌장을 맡은 김경훈 제우스유화공업 연구소장은 ‘데이터센터 액침냉각 핵심요소 기술개발’ 주제로 DC시장 화두인 액침냉각 기술개발 배경 및 개발현황을 발표했다.

 

비불소계 냉각유체 개발현황 공유

제우스유화공업은 친환경 냉각유체를 개발하는 정유기업으로 다양한 종류의 산업용 윤활유를 생산, 공급한다. 7월 중 120억원을 투자한 신규 증류탑 시운전을 앞두고 있다.

 

기존 상용되던 불소계(PFAS) 물질은 냉각성능이 우수하나 불소사용에 의한 환경오염 문제로 생산중단이 예정돼 대체재 개발 필요성이 대두됐다. 이에 따라 비전도성 작동유체 개발에 착수했다.

 

시험대상은 광유, 천연에스테르, 합성탄화수소, 합성에스테르로 각 물질의 특성을 △절연성 △산화안정성 △난연성 △친환경성 등을 기준으로 측정한 결과 합성탄화수소와 합성에스테르가 적합물질로 평가기준을 충족했다.

 

이중 산화안정성 시험을 통해 산화안정성이 높은 소재 선정해 개발을 결정했으며 합성탄화수소가 합성에스테르대비 높은 산화안정성을 기록해 적합물질로 결정됐다.

 

연구진은 △인화점 250℃ 이상 △산화안정성 등을 충족하는 냉각유체 개발을 목표로 했다. 오픈컴퓨터프로젝트(OCP)에서 요구된 인화점 기준은 150℃ 이상이지만 국내 정유개발사는 일본과 마찬가지로 국내 소방법에 따라 국제기준보다 높은 인화점 기준을 만족해야 했다.

 

이에 따라 냉각유체의 점도가 높아지는 결과가 이어졌으며 유체점도는 대류순환에 의한 냉각효율과 직결되므로 유체점도 결정이 향후과제로 남았다. 발표 후 이어진 질의에서 김 연구소장은 국책과제 컨소시엄에 참여기관인 전북대학교 연구진에서 냉각유체 물성 관리를 담당하며 관련 과제를 해결할 예정이라 밝혔다.

 

제우스유화공업은 9월 중 삼화에이스 실증제품을 준비 중이며 기술전문 모 자동차기업과 MOU를 체결하는 등 국내·외 시장으로 영역을 확장할 계획이다. 더불어 유니와이드와 함께 친환경 DC자체구축도 목표하고 있다.

 

김 연구소장은 “액침냉각을 위해서는 점도가 낮은 냉각유가 관계대류가 용이해 활용도가 높으나 국내 소방법 기준 충족을 위해 점도가 높아지는 방향을 요구받고 있다”라며 “냉각유체는 소재별 특성이 다르나 생산가능성에서 큰 차이를 보이지 않으므로 시스템 운영관점에서 냉각유 개발할 때 개발성과와 효율이 달라질 것으로 전망된다”고 밝혔다.

 

 

이어진 특별세션 ‘액침냉각2’은 흡착식 냉동기(AHP)를 중심으로 DC 액침냉각 연구성과를 보고하는 강연으로 마련됐다. 김진섭 한국기계연구원 책임연구원이 좌장을 맡아 세션을 진행했다.

 

액침냉각 폐열 활용 하이브리드 시스템 시뮬레이션

설성훈 부경대학교 회원은 ‘데이터센터 액침냉각 폐열활용 흡착식히트펌프의 운전최적화 시뮬레이션’을 주제로 발표했다.

 

연구진은 기존 DC의 공랭식 냉각은 증기압축식 냉동기를 가동해 냉수를 생산하는 구조로 인한 전력소비가 큰 단점 극복을 위해 액침냉각과정에서 발생하는 폐열을 흡착식 히트펌프의 열원으로 활용하는 시스템을 고안해 이에 대한 운전 최적화 시뮬레이션을 수행했다.

 

설 회원은 "액침냉각탱크의 비전도성 유체와 열교환해 얻은 폐열을 흡착식 히트펌프의 열원으로 삼아 냉수를 생산해 공랭식 냉각시스템에 공급함으로써 증기압축식 냉동기의 전력소비를 줄이는 에너지절감 개념"이라고 설명했다.

 

이 시스템의 핵심은 액침냉각과 공랭식냉각이라는 두 가지 방식을 흡착식히트펌프로 연결한 하이브리드 구조이다. 액침냉각탱크에서 비전도성 유체가 순환하며 서버열을 흡수하면 그 열이 냉각수와의 열교환을 거쳐 흡착식 히트펌프의 탈착과정을 구동하는 열원이 된다. 이를 통해 생산된 냉수는 공랭식 서버냉각에 활용된다. 냉각부하가 흡착식 히트펌프만으로 처리되지 않을 경우를 대비해 보조드라이쿨러와 증기압축식 냉동기도 함께 구성된다.

 

흡착제의 특성인 흡착등온선(흡착용량정보)과 흡착동특성(흡착속도정보)은 모두 히트펌프 성능에 관여한다. 이에 따라 연구진은 두 가지 성능을 보유한 알루미늄 푸마레이트(Aluminum Fumarate)를 흡착제로 선택했다. 운전최적화를 위해 연구진은 코팅 흡착제 열교환기의 개수와 열교환기당 냉매유량을 조건으로 설정했다. 코팅 두께를 바꾸면 흡착속도 특성이 달라지므로 코팅두께는 고정하고 열교환기 개수를 변수로 삼는 방법을 택했다.

 

분석 결과, 열교환기 개수가 늘수록 절대적인 냉방용량은 증가했으나 흡착제 단위질량대비 냉방성능지표는 열교환기 수가 적을수록 오히려 유리한 경향을 보였다. 특히 6개와 8개 사이에서는 성능 차이가 크지 않은 것으로 나타났다.

 

연구진은 에너지성능지표만으로는 최적조건을 단정하기 어렵다는 판단 하에 경제성 분석도 함께 수행했다. 초기투자비와 운영비 절감액을 기반으로 투자회수기간을 산출했다. 경제성과 에너지소비량을 종합한 결과 열교환기 6개 구성이 가장 유리한 조건으로 도출됐다. 연구진은 흡착식 히트펌프와 증기압축식 냉동기의 소비전력 합산값이 최소가 되는 지점을 에너지 최적기준으로 삼았으며 이 기준에서도 6개 구성이 최적이었다고 밝혔다.

 

시뮬레이션은 연간 분석까지 완료된 상태이며 연구진은 냉각부하 300kW를 기준으로 일반 부하조건과 고부하조건 두 가지 케이스로 나눠 24시간단위 결과를 제시했다.

 

주목할 점은 외기조건의 변동이 심한 상황에서도 흡착식 냉동기의 냉방기 여분이 비교적 안정적으로 유지됐다는 것이다. 이는 버퍼탱크가 흡착식 냉동기의 흡·탈착 전환에서 발생하는 출수 온도편차를 완충하기 때문이다.

 

설 회원은 "버퍼탱크의 용량을 적정하게 설계하는 것이 시스템 안정성 확보에 중요하다"고 강조했다.

 

월별 분석에서는 여름철(7·8월)보다 봄철(3·4·5월)과 가을철(11월)에 흡착식 냉동기의 냉방 기여량이 더 큰 것으로 나타났다. 이는 외기 온도가 낮을수록 냉각탑을 통한 냉각수 온도가 내려가고 그 결과 흡착과정과 탈착과정간 온도차이가 커져 흡착 성능이 향상되기 때문이다.

 

부하변동에 대응하는 운전제어는 시간대응과 예측기반 대응으로 구분된다. 냉각부하가 적은 시간대에 흡착식 냉동기만으로도 부하를 충당하고도 남는 경우를 제어 없이 방치하면 출수온도가 목표치 이하로 내려가 증발 압력저하와 성능저하로 이어진다. 연구진은 이를 방지하기 위해 응축기 측 공기흐름 차단이나 바이패스 유량조절 등의 제어방법을 시스템에 적용했다.

 

현재 시뮬레이션에 적용된 알루미늄 푸마레이트는 상용화된 흡착제로 기본적인 성능검증에 활용됐다. 연구진은 현재 개발 중인 새로운 흡착제를 동일한 시뮬레이션 프레임워크에 적용하면 더욱 유의미한 성능향상 결과를 확인할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

 

설 회원은 "초기의 흡착식 냉동기 단독 시뮬레이션에서 출발해 연구를 확대해 온 바에 따라 향후 실제 DC 환경에 적용가능한 설계지침 도출을 목표로 연구를 지속할 계획"이라고 밝혔다.

 

55℃ 폐열 활용 흡착식 냉동기 실증 평가

우성민 삼중테크 이사는 ‘액침냉각열 활용 흡착식 히트펌프시스템의 평가’를 주제로 논문을 발표했다.

 

삼중테크는 DC 액침냉각과정에서 발생하는 55℃ 수준의 저온폐열을 열원으로 활용하는 흡착식 히트펌프시스템을 개발하고 실증평가에 나섰다. 이번 과제의 PUE 목표치는 1.07로 냉각시스템의 대폭적인 에너지효율 개선을 지향하고 있다.

 

시스템의 기본원리는 액침냉각수조에서 나오는 폐열을 흡착식 냉동기의 구동열원으로 전환하는 것이다. 액침냉각 수조 안에는 비전도성 오일이 채워져 있고 서버가 오일에 잠긴 채 운전된다. 오일이 서버열을 흡수하면 온도가 올라가고 이 열은 열교환기(RDHx)를 통해 물과 열교환돼 약 55℃의 온수를 만들어낸다. 이 온수가 흡착식 냉동기의 열원으로 공급된다.

 

흡착식 냉동기의 핵심 특징은 이처럼 낮은 온도의 폐열만으로도 냉수를 생산할 수 있다는 점이다. 국내 냉각탑 설계기준상 냉각수 온도는 약 32℃ 수준인데 55℃의 열원으로 탈착을 구동하고 이 냉각수로 응축하는 것은 일반적인 냉동주기로는 구현하기 어렵다. 흡착식 냉동기는 내부를 진공상태로 유지하고 물을 냉매로 사용함으로써 이 문제를 해결한다. 물이 기체로 상변화할 때의 잠열을 이용해 냉수를 만들어내는 방식이다.

 

현재 기술 수준에서는 55℃ 온수를 열원으로 활용할 경우 최소 15℃ 이상의 냉수를 생산할 수 있으며 5℃ 냉수를 만들려면 약 70℃ 이상의 온수가 필요하다. 삼중테크는 냉수 25℃가 입력돼 20℃로 냉각되고 온수 55℃가 입력돼 50℃로 반환되는 조건을 기본설계기준으로 삼고 연구를 진행했다.

 

흡착식 냉동기 내부 구조는 증발기와 응축기, 그리고 두 개의 흡착탑으로 구성된다. 두 흡착탑은 교번방식으로 운전되며 한쪽이 흡착(냉수 생산) 과정을 수행하는 동안 다른 한쪽은 탈착(재생) 과정을 거친다. 외부에서 냉수와 냉각수가 지속적으로 교번 공급되기 때문에, 이를 절환하는 밸브류가 다수 포함돼 구성이 다소 복잡하다.

 

삼중테크는 김포공장에 소형 흡착식전용 성능시험설비를 보유하고 있으며 이곳에서 10kW급 흡착식 냉동기 시제품을 제작해 실험을 진행해왔다. 현재 생산하는 흡수식 냉동기의 구조와 유사하게 쉘-앤-튜브방식 또는 판형열교환기방식으로 제작하고 있어 장비크기가 상대적으로 크다. DC는 공간제약 문제 때문에 소형화 및 간소화가 향후 핵심과제 중 하나로 꼽힌다.

 

공장 내 성능시험을 마친 삼중테크는 총괄기관인 삼화에이스 안성공장에 실제 DC와 유사한 실증설비를 구축해 목업테스트를 진행하고 있다. 액침냉각 수조, 공랭식 서버랙, 드라이쿨러 등 실제 액침냉각시스템 장비를 갖춰 올해 4월부터 운전을 시작해 현재 약 두 달째 데이터를 축적하고 있다.

 

실증 테스트의 핵심 관심사는 흡착식 냉동기가 실제로 어느 수준의 성능을 발휘하느냐다. 기본 설계조건인 냉수 25℃, 온수 55℃ 입력기준으로 냉각수 입구온도가 32℃일 때와 34℃일 때의 냉방성능을 각각 평가하고 있다.

 

현재까지의 실측 결과 목표 조건(냉수 25℃, 온수 55℃, 냉각수 32℃)에서 목표 성능의 약 70%에 근접한 수치가 확인됐다. 다만 냉각수 온도가 34℃로 높아지면 냉방능력이 약 20% 추가 감소하는 것으로 나타났다. 반면 냉수온도를 25℃에서 30℃로 높이면 냉방능력이 약 40% 증가하는 결과도 확인됐다. 최근 액침냉각 방식이 확산되며 30℃ 냉수를 요구하는 사례도 늘고 있어 이 결과는 적용가능성 측면에서 긍정적인 신호로 해석된다.

 

실험실 조건대비 실증현장에서의 성능 차이도 확인됐다. 브라인 혼합에 따른 영향이 일부 작용하고 있으며 냉각수 온도가 올라갈수록 성능이 저하되는 경향은 예상과 일치했다.

 

한편 현재 시제품이 목표성능을 온전히 구현하지 못하는 주된 원인은 흡착제 코팅기술의 완성도다. 삼중테크는 코팅이 70% 이하로 떨어지면 코팅이 미흡한 것으로 판단하고 있으며 차기 제품에서는 코팅개선을 통해 성능목표대비 70% 이상을 확보할 방침이다.

 

삼중테크는 내년 상반기 부산지역에 하이브리드 드라이쿨러설비를 설치해 실증을 이어갈 계획이다. 그러나 부산은 하절기에 고온다습하고 바람이 약한 기후특성상 냉각수온도가 34℃ 이상으로 올라가는 경우가 잦다. 냉각수 온도가 34℃에 달하면 냉방성능이 약 절반수준으로 떨어질 수 있으며 심한 경우 40%까지 감소할 수 있다는 것이 현지의 우려다.

 

이에 따라 삼중테크는 드라이쿨러 단독운용 대신 하이브리드방식을 채택할 계획이다. 우리나라 하절기에는 드라이쿨러만으로 냉각수 온도를 32℃ 이하로 유지하기 어려워 복합운용체계를 통해 이 문제에 대응하겠다는 구상이다.

 

해외 DC에서는 아직 액침냉각 폐열을 냉방에 직접 활용하는 사례가 없다. 부산 실증이 성공적으로 이뤄진다면 세계 최초의 DC 폐열냉방 적용사례가 될 수 있다는 것이 삼중테크의 판단이다. 다만 현재로서는 기술적 가능성을 확인하고 있는 단계다.

 

삼중테크의 로드맵에 따르면 올해 하계 목업테스트를 마무리하고 설계를 전면 개선해 내년 상반기 이후 본격 운전에 들어갈 예정이다.

 

우성민 상중테크 이사는 “흡착식 냉동기가 단기간 내 DC에 전면 적용되기는 어렵다”라며 “하지만 에너지규제가 강화됨에 따라 삼성, SK, 네이버 등 국내 대형 DC사업자들도 비전기식 냉동방식에 관심을 보이기 시작했다”고 밝혔다. 이를 통해 흡착식 히트펌프가 이러한 수요에 부응하는 현실적인 대안이 될 수 있다는 기대를 드러냈다.

 

Al·Fe MOF 흡착제 성능 비교

김진섭 한국기계기술연구원 책임연구원은 ‘데이터센터 저온 폐열활용 흡착식 히트펌프 성능향상 연구’ 결과를 발표했다.

 

현재 국내 DC의 평균 PUE는 약 1.5 수준에서 정체돼 있다. DC 내 전력소비구조를 보면 냉각시스템이 전체의 약 30%를 차지하는데 PUE를 1.1이나 1.07 수준까지 낮추려면 냉각에너지를 전체의 10% 이하로 줄여야 한다. 이를 위해서는 기존 공랭식 방식에서 벗어나 DLC 등 액체냉각으로의 전환이 불가피하다는 것이 연구진의 판단이다.

 

액체냉각이 보편화되면 DC에서 배출되는 폐열의 온도도 올라간다. 약 59~60℃ 수준의 열이 배출되면 이를 단순히 버리는 것이 아니라 지역난방은 물론 냉방구동까지 활용할 수 있다는 것이 이번 연구의 출발점이었다.

 

연구는  폐열을 흡착식 히트펌프의 탈착열원으로 활용해 냉수를 생산하고 이를 기존 공랭식 서버냉각에 공급하는 구도를 취하며 흡착제 소재를 금속유기골격체(MOF)로 전환해 성능을 높이는 것을 목표로 삼았다.

 

기존에 흡착식 냉동기 연구에서 주로 사용된 흡착제는 실리카겔이다. 실리카겔은 어느 온도영역에서든 흡착작동이 가능하다는 장점이 있으나 흡착량의 온도의존성(흡착 등온선의 기울기)이 완만해 단위 질량당 냉각열량(SCP)이 낮다는 단점이 있다.

 

반면 MOF계열 흡착제는 특정 온도구간에서 흡착량이 급격하게 변하는 계단형 흡착특성을 보인다. 연구진의 분석에 따르면 실제 운전조건(냉각수 약 30~40℃ 구간)에서 MOF를 적용하면 실리카겔대비 SCP를 약 3배 이상 높일 수 있다는 결론이 도출됐다.

 

연구진은 MOF계열 후보 소재 가운데 성능지표가 상대적으로 우수한 두 가지를 선정해 비교 실험을 수행했다. Al-MOF(알루미늄 기반 MOF)와 Fe-MOF(철 기반 MOF)가 그 대상이다.

 

흡착용량 측면에서는 Fe-MOF가 더 높은 흡착량을 보였다. 그러나 실제 운전온도조건에 따른 성능 차이도 확인됐다. Al-MOF는 저온탈착 조건에서 상대적으로 유리하고 Fe-MOF는 탈착 온도가 높을수록 SCP성능이 더 좋아지는 특성을 보였다. 반대로 탈착온도가 낮아질 경우 Fe-MOF의 SCP 손실이 더 크게 나타났다.

 

탈착온도를 50℃에서 64℃까지 변화시켜가며 실험한 결과 고온탈착 조건에서는 Fe-MOF가 유리하고 저온탈착 조건에서는 Al-MOF가 더 유리한 특성을 보였다. 연구진은 두 소재의 이러한 특성차이를 바탕으로 운전조건에 따른 최적소재 선택기준을 마련할 계획이다.

 

흡착제 소재 비교와 함께 연구진은 열교환기 구조에 주목했다. 기존의 일반 튜브형 열교환기대신 알루미늄 마이크로채널 열교환기를 적용하면 전열면적이 넓어지고 무게도 줄어드는 장점이 있다. 또한 코팅작업에도 적합한 구조적 특성을 지닌다.

 

연구진은 Al-MOF를 마이크로채널 열교환기에 딥코팅방식으로 약 6회 코팅해 실험을 수행했다. 그러나 코팅횟수가 늘어나면서 흡착제 층이 조밀하게 채워지는 패킹현상이 발생했고 이것이 기공구조와 흡착성능에 미치는 영향에 대해 연구진 내부에서도 의견이 엇갈렸다. 패킹상태에서도 수증기가 기공을 타고 이동할 수 있다는 분석도 있지만 완전히 열린 구조보다는 불리할 수 있다는 우려도 제기됐다.

 

이에 따라 연구진은 코팅횟수를 절반으로 줄였을 때 성능이 어떻게 달라지는지를 비교하는 후속 실험을 계획하고 있다. 코팅량이 줄어들면 기공구조가 더 잘 유지돼 성능이 오히려 개선될 가능성도 있다는 판단에서다. 이번 연구를 통해 연구진은 Al-MOF가 SCP측면에서 기존 실리카겔을 넘어서는 성능을 낼 가능성을 확인했다. Al-MOF는 저온탈착 조건과 Fe-MOF는 고온탈착 조건에서 각각 유리한 특성을 보이므로 운전조건에 따라 두 소재를 전략적으로 선택해 활용하는 방안이 검토될 것으로 보인다.

 

김진섭 기계연 박사는 "코팅량 조절에 따른 성능변화를 추가로 확인하고 마이크로채널 열교환기에서의 성능도 계속 평가해나갈 계획"이라며 "△흡착제 소재선택 △코팅기술 최적화 △열교환기 구조개선 등이 모두 만족될 때 흡착식 히트펌프의 실용화 가능성이 한층 높아질 것으로 기대하고 있다"고 밝혔다.

 

5kW급 목업 열교환기 설계 및 성능 실험

정영권 더엠지 회원은 ‘데이터센터 액침냉각 폐열활용 흡착식 열교환기 성능향상 연구’를 주제로 실증용 열교환기 설계 및 제작과정을 공유했다.

 

더엠지는 점점 더 고밀화되는 DC 발열문제에 공랭식 냉각방식이 한계를 드러냄에 따라 액침냉각으로의 전환에 열교환기의 중대성에 주목했다. 열교환기는 장비안정성을 확보하고 냉각에너지효율을 개선하는 핵심설비로 꼽힌다.

 

연구목표는 5kW급 액침냉각 시스템용 목업 열교환기 설계 및 개발로 설정했다. 설계방법론으로 유효도-NTU법(Effectiveness-NTU method)를 적용했다.

 

성능실험 결과 설계단계에서 유효도-NTU법으로 사전 계산한 열교환기 유효도는 80~85% 수준으로 예측됐다. 그러나 실제 실험을 통해 측정한 결과는 96%로 예측값을 크게 넘어섰다.

 

연구진은 이 차이의 주된 원인으로 열용량비(Cr)의 영향을 꼽았다. 열교환기 양측 유체의 열용량 차이가 크게 벌어지면 열용량이 작은 쪽 유체가 상대측 입구온도에 근접할 때까지 열을 흡수하게 돼 유효도가 1에 가까이 올라가는 현상이 나타난다. 이번 실험에서도 한쪽 유체의 열용량이 상대적으로 매우 작아 이러한 효과가 크게 작용한 것으로 분석됐다.

 

연구진은 향후 실험결과의 실증적용을 목표로 △액침냉각열 능동활용 흡착식 5kW 열교환기 성능시험 △목업용 열교환기 25kW 설계 및 제작 △열교환기 시험장치 설계 및 제작 △125kW 열교환기 상세설계 등 연구를 지속해나갈 방침이다.

 

정 회원은 “열교환기는 고밀도 AI서버에서 발생하는 방대한 열을 효율적으로 제거하여 장비 안정성을 확보하고 PUE를 절감하는 핵심설비”라며 “55℃ 저온열원 구동 흡착식 히트펌프 요소기술 개발로 DC 내 액침냉각 실증적용을 계획하고 있다”고 밝혔다.