생성형 AI 보급과 함께 신규 고집적 데이터센터 구축은 물론 기존 공랭식 시설을 개조하는 액체냉각 레트로핏(Retrofit) 수요가 빠르게 늘고 있다. 하지만 기계실 공간 부족과 배관 경로 제약, 무중단 운영 요건 등은 현장 적용과정에서 상당한 기술적 난제로 작용하고 있다.

 

융도엔지니어링은 공기흐름과 수배관의 유량·압력 등을 분석해 랙 밀도에 맞는 최적의 하이브리드 냉각방식을 검토하고 기존 데이터센터는 단계적으로 냉각방식을 전환해 기존 인프라를 최대한 활용하고 있다.

 

특히 데이터센터분야에서는 안산 글로벌 클라우드센터, 장성 PINE DC, 안산 TIMBUKTU 데이터센터, 인도네시아 자카르타 데이터센터(Yellow Stone Project), 다우클라우드 데이터센터, 고양 삼송지구 데이터센터, 영등포 DITTO 데이터센터, 인천 구월 AI 허브센터, 울산 등 프로젝트에 참여하며 설계 및 엔지니어링 역량을 축적해 왔다.

 

오명석 융도엔지니어링 전무를 만나 신규 및 개조현장의 배관설계 노하우와 액체냉각의 통합설계 역량 및 하이브리드 냉각방식, 기존 시설 전환 전략 등을 들었다.

 

■ 액체냉각 설계역량과 제공가능한 서비스 범위는
융도엔지니어링은 액체냉각과 공랭식을 조합한 Hybrid방식으로 AI·HPC 데이터센터의 고집적 서버 열을 안정적으로 제거하고 이를 데이터센터 전체 MEP 인프라와 연계하는 통합설계역량을 강화하고 있다.

 

액체냉각방식은 크게 직접칩냉각(D2C: Direct-to-Chip)과 Immersion Cooling 등으로 구분된다. 이중 콜드플레이트기반 D2C방식 적용으로 시설 측 냉각수와 IT장비 측 기술냉각수 계통을 연계해 서버의 열을 최종 열원설비로 전달하는 시스템을 검토하고 있다. 이에 따라 △IT 부하 △랙 밀도 △액체냉각 적용비율 △공급·환수온도 △유량·압력조건뿐만 아니라 △열원·공조·전력·소방설비 △인터페이스까지 함께 고려하고 있다.

 

주요 서비스 범위는 △IT부하 및 랙 밀도 분석 △하이브리드 냉각방식 검토 △D2C·콜드플레이트 계통 △CDU·냉각수배관 설계 △칠러·열교환기·펌프·냉각탑 용량계획 △공기 측 CFD 및 수배관 Hydraulic Analysis를 통한 유량·압력조건 검증 △에너지효율 및 PUE 검토 △기존 데이터센터 Retrofit 설계 △누수감지·배수계획 △시공·커미셔닝 기술지원 등이다.

■ 융도엔지니어링만의 액체냉각솔루션 특장점은
액체냉각솔루션의 특장점은 액체냉각을 개별 장비가 아닌 데이터센터 전체 MEP시스템과 연계해 통합적으로 검토할 수 있다는 점이다. 랙 밀도, IT부하, 액체냉각 적용비율을 기준으로 공랭식과 액체냉각을 조합한 Hybrid 냉각방식을 검토하고 CDU·배관·열교환기·칠러·냉각탑을 기존 기계설비와 연계해 가용성·확장성·초기 투자비·운영에너지를 함께 최적화할 수 있다.

 

또한 CFD를 활용해 서버실의 공기 측 기류와 열환경을 검토하고 별도의 수배관 유량·압력손실 및 에너지분석을 통해 액체냉각 계통의 수력적 정합성과 에너지효율을 종합적으로 검증한다. 신규 데이터센터뿐만 아니라 기존 데이터센터의 액체냉각 레트로핏과 단계적 증설도 고려하며 배관·전력·소방 인터페이스와 유지관리성도 함께 검토 가능하다.

 

이 같은 통합 엔지니어링을 바탕으로 Rack–CDU–TCS–FWS–Heat Rejection System 간 온도·유량·압력조건을 하나의 Thermal·Hydraulic Chain으로 검토하는 것이 중요하다.

 

■ AI DC 신규 구축 및 기존시설 개조현장에서 액체냉각 배관 설치시 유의점은
AI 데이터센터의 액체냉각 배관은 신규 구축과 기존시설 Retrofit의 조건이 다르기에 건축·기계설비 제약과 향후 IT부하 증가계획을 반영해 다르게 접근해야 한다. 신규 데이터센터는 액체냉각을 전제로 건축·기계·전기·IT인프라를 처음부터 통합 설계할 수 있다. IT Load와 Rack Density를 기준으로 CDU, 1·2차 냉각수 계통, 열원설비 용량과 배관 관경·압력손실을 최적화하고 배관 동선·누수감지·배수·유지보수 공간과 향후 증설 여유까지 초기 설계에 반영해야 한다.

 

반면 Retrofit은 기존 구조, 기계실, 서버실 공간, 냉각 Plant의 여유용량, Shaft, 천장고, 전력·소방설비 등 기존 조건을 먼저 분석해야 한다. 공랭식을 일괄 철거하기보다는 Hybrid 방식을 적용해 고밀도 AI 랙부터 단계적으로 전환하는 것이 현실적이다.

 

특히 기존 칠러·냉각탑·열교환기·펌프·배관의 여유용량과 운전조건을 확인하고 부족할 경우 열원·열방출설비와 Facility Water 계통, CDU 증설을 종합적으로 검토해야 한다. 운영 중인 데이터센터는 Tie-in 위치, 작업순서, 임시 냉각 및 전환 시나리오를 사전에 수립해 무중단 운영을 확보하는 것이 중요하다.

 

결국 신규 구축은 ‘액체냉각을 전제로 한 최적화’를, 레트로핏은 ‘기존 인프라를 활용한 단계적 전환’이 핵심이다.

 

■ 랙 전력밀도와 CDU·TCS 배관용량 산정·정합방식은
액체냉각 설계에서는 랙별 전력밀도(kW/Rack)를 실제 액체 측 설계 열부하로 연결하고, 이를 CDU와 TCS(Technology Cooling System)의 용량·유량·차압·배관조건과 일관되게 정합시키는 것이 중요하다.

 

이에 따라 랙의 최대 설계 IT 부하와 액체냉각 적용비율로 액체 측 열부하를 산정하고 서버·CDU 제조사가 요구하는 공급·환수온도, ΔT, 단위부하당 유량 및 압력조건을 반영하고 있다.

 

CDU는 담당 랙의 최대 액체냉각 열부하와 가용성 기준으로 선정하고 이를 기준으로 TCS Main·Branch 배관의 설계유량과 관경을 결정한다. TCS는 가장 불리한 Rack에서도 요구 유량과 차압이 확보되도록 밸브·필터·퀵커넥트·Cold Plate까지 포함한 전체 압력손실을 계산하고, CDU의 정격 유량과 가용 차압(또는 펌프 양정)이 이를 만족하는지 확인해야 한다. 여기에 부분부하 유량제어, 주요 설비 고장·정비 조건 및 향후 랙 증설을 비롯한 액체냉각 비율 변화까지 함께 고려해야 한다.

 

■ FWS와 TCS의 경계 및 배관 소재·경로 결정기준은
FWS(Facility Water System)와 TCS(Technology Cooling System)의 경계는 CDU(Coolant Distribution Unit)를 중심으로 하되 △수질·온도·압력조건 △운영책임 △장애 격리 △유지관리 방식을 종합적으로 고려해 설정해야 한다.

 

일반적인 D2C 구성은 CDU 내부 열교환기를 기준으로 시설 측과 IT 장비 측 냉각수 계통을 분리한다. 시설 측은 열원·열방출설비(FWS)와 CDU 1차측을 연결하고 TCS는 CDU 2차측에서 랙의 콜드플레이트까지 냉각수를 공급·환수한다.

 

계통을 분리함으로써 시설 측과 IT장비 측의 수질·온도·압력조건을 독립적으로 관리할 수 있으며 시설 측에서 발생한 오염이나 이상상태가 TCS 및 IT장비로 직접 전파되는 위험을 줄일 수 있다.

 

배관 및 접액부 재질은 냉각유체의 화학적 조성, 수질, 온도·압력, 부식 및 이종금속 영향, 청정도, 접속방식과 서버·CDU 제조사의 재질호환성 기준을 고려해 선정한다. 프로젝트 조건에 따라 스테인리스강 또는 승인된 엔지니어링 플라스틱 등을 적용할 수 있다. 특히 TCS는 콜드플레이트의 미세유로와 직접 연결되므로 배관 자체의 내식성뿐만 아니라 부식생성물과 입자 발생가능성까지 고려해야 한다.

 

배관경로는 랙 배치와 CDU 위치를 기준으로 신뢰성, 누수위험, 유지관리성 및 확장성을 고려해 천장 또는 이중마루 하부 등에 계획해야 한다. 또한 가용성 요구수준에 따라 배관 이중화, 구간 격리 또는 분리경로를 검토하고, 전기실·통신실 등 누수에 민감한 시설과의 불필요한 교차를 최소화해야 한다.

 

■ 랙별 유량균형과 동시 유지보수성을 확보하기 위한 최적 배관구성은
액체냉각 배관은 모든 랙에 필요한 유량을 안정적으로 공급하면서도 특정 배관이나 CDU 정비 시 서비스 중단을 최소화하도록 구성해야 한다.

 

랙 요구유량과 허용 차압을 기준으로 Main·Branch 배관을 산정하고 가장 불리한 수력경로에서도 설계유량이 확보되는지 확인한다. 필요에 따라 Reverse Return 또는 Loop 구성을 적용하고 Rack 또는 Rack Group별 차단·밸런싱기능과 차압·유량 계측을 확보하는 것이 중요하다. 다만 Reverse Return이나 Loop 구성 자체가 유량균형을 보장하는 것은 아니므로 실제 랙 및 Branch의 압력손실 특성과 제어밸브의 Authority를 포함한 Hydraulic Balancing 검토가 필요하다.

 

유지보수성은 CDU와 TCS Main· Branch가 단일 고장점에 과도하게 의존하지 않도록 계획해야 한다. A/B 이중배관이나 2N을 일률적으로 적용하기보다 발주처의 가용성 기준과 IT 장비 연결방식에 따라 CDU N+1, 구간격리, 이중경로 등 적정한 Redundancy를 선택하는 것이 합리적이다.

 

또한 Main Header와 Branch에 Drain·Vent, 주요 구간에 누수감지 설비를 적용하고, CDU와 배관 주변의 유지관리·반출입 공간을 확보해야 한다.

 

■ 설계도서상 누수·결로·청정도·커미셔닝 요구 반영을 위한 솔루션은
액체냉각은 누수·결로·수질·청정도 관리가 IT장비의 안정성과 직접 연결된다. 이에 따라 관련 요구사항을 설계도면·시방서·계산서와 커미셔닝 계획에 구체적으로 반영할 필요가 있다.

 

누수는 CDU, 밸브, 랙 연결부 등 위험지점을 중심으로 감지설비를 계획하고 필요시 경보 연동이나 구간 차단기능을 검토한다. 서버실 배관경로와 드립트레이, 배수·방수계획도 건축·IT·전기계획과 연계해 영향범위를 최소화해야 한다.

 

결로는 냉각수 공급온도와 서버실 온·습도를 기준으로 표면온도가 이슬점 이하로 내려가는지 확인하고 필요한 구간에만 단열·방습을 적용한다. Warm-water방식처럼 이슬점 이상으로 운전되는 계통은 조건에 따라 불필요한 단열을 줄일 수 있다. 이때 정상 설계조건뿐만 아니라 예상 최대 Dew Point와 비정상 운전조건도 함께 검토하는 것이 중요하다.

 

수질과 청정도는 콜드플레이트와 CDU의 성능에 직접 영향을 주는 요소이므로 제조사 냉각유체 사양을 기준으로 수질, 재질 호환성, 입자관리, 필터링 및 모니터링 기준을 설정해야 한다. 프로젝트 및 제조사 요구조건에 따라 pH, Conductivity, Turbidity, 냉각유체 농도 및 부식 관련 성분 등을 관리할 수 있다. 시공 중에는 배관 개구부 보호, Flushing, 필터 설치, 수질검사와 시운전 전 청정도 확인 등이 필요하다.

 

커미셔닝은 Pre-functional Check로 배관·밸브·계측·누수감지 기능을 확인하고, Functional Performance Test로 설계 유량·차압·공급·환수온도, CDU 성능, 제어 시퀀스, 경보 및 주요 고장 시나리오까지 검증하는 방식으로 계획하는 것이 좋다. 필요시 Pump·CDU Failure, Valve Fail Position, Sensor Failure 및 부분부하 운전 등 주요 Failure Mode도 검증한다.

 

■ 프리팹·DfMA·BIM이 액체냉각 배관 경쟁력에 어떤 영향을 미치는가
AI 데이터센터 액체냉각 배관은 배관 밀도가 높고 CDU·TCS·Rack·열원설비 간 연결 정밀도가 중요하므로 Prefabrication, DfMA(Design for Manufacturing and Assembly), BIM을 설계단계부터 연계하면 시공성과 품질을 높일 수 있다.

 

프리팹은 TCS Main·Branch, CDU 연결배관, Valve Station, Rack Header 등을 모듈화해 제작·검사 후 현장에서 조립하는 방식이다. 현장 작업량과 시공오류를 줄일 수 있지만 TCS는 청정도가 중요한 만큼 운송·보관·연결 과정의 오염방지와 최종 Flushing까지 함께 관리해야 한다.

 

DfMA는 표준모듈 길이, 연결부 위치, 밸브·계측기 접근성, 공차, 운반·양중 조건을 설계단계에서 검토해 반복되는 Rack Module을 표준화하는 방식으로 설계변경과 현장작업을 줄이는 데 효과적이다. 액체냉각에서는 표준 TCS 배관모듈에 Rack Density, CDU Capacity 및 배관분기 조건에 따른 Option Module을 조합하는 방식으로 적용할 수 있다.

 

BIM은 CDU, TCS, Rack, 전기·소방·구조설비를 통합해 간섭과 유지관리 공간을 사전에 검토하고 Rack별 유량·밸브·배관 정보를 연계하는 기반으로 활용할 수 있다.

 

결국 프리팹·DfMA·BIM을 설계부터 시공·커미셔닝까지 연계하면 구축기간 단축, 품질 균일화, 시공오류 저감에 기여해 액체냉각인프라의 생산성과 품질을 동시에 높일 수 있다.

 

 

■ 향후 설계시장 대응방안은
향후 AI·HPC의 고밀도화에 따라 액체냉각은 단순한 서버 냉각기술을 넘어 Rack–CDU–TCS–FWS–열원·열방출설비를 통합하는 시스템 엔지니어링 영역으로 확대될 것으로 전망된다.

 

이에 따라 고밀도 IT부하와 액체냉각 설계역량을 지속적으로 강화하고 신규 데이터센터뿐만 아니라 기존 시설의 AI전환과 Liquid Cooling Retrofit까지 대응범위를 확대할 계획이다. 또한 BIM·DfMA·Prefabrication을 설계·시공·커미셔닝과 연계해 액체냉각 배관의 품질, 시공성, 확장성과 유지관리성을 높일 예정이다.

 

궁극적으로 통합 엔지니어링 역량을 강화해 AI 데이터센터 액체냉각 인프라의 안정성과 에너지효율, 설계품질을 동시에 확보할 수 있도록 노력할 것이다.