Inżynieria oddymiania w data center.

Pożar i oddymianie: właściwa strategia dla serwerowni

Pożar w wentylowanym środowisku technicznym: podejście szczególne

EOLIOS otrzymało zlecenie na analizę oddymiania data center o dużej gęstości mocy, w którym ryzyka pożaru nie dało się potraktować w sposób konwencjonalny. Analiza dotyczy hali reprezentatywnej dla pozostałych sal budynku, mającej pomieścić około 400 szaf informatycznych, co daje całkowite obciążenie cieplne ponad 4 MW, w całości odprowadzane przez układ chłodzenia powietrzem nawiewanym w galerii technicznej.

Taki poziom mocy, w połączeniu z gęstością zabudowy, oznacza duże nagromadzenie materiałów palnych, źródeł ciepła i ruchu powietrza, w przestrzeni jednocześnie podzielonej na strefy i wysoce technicznej.

Zapewnienie bezpieczeństwa strażaków: analiza warunków znośnych

Inaczej niż budynek dostępny publicznie, ten obiekt nie jest przeznaczony do stałego przebywania ludzi. Obowiązujące przepisy bezpieczeństwa wymagają jednak zapewnienia warunków znośnych dla działań gaśniczych, w szczególności pod względem widoczności, temperatury i promieniowania cieplnego.

Wymaganie to obowiązuje przy braku oddymiania uruchamianego samoczynnie: uruchomienie pozostaje decyzją człowieka, podejmowaną na miejscu po ocenie przez służby ratownicze. Instalacja musi więc umieć przywrócić warunki korzystne, nawet jeśli doszło już do wybuchu pożaru.

Zagadnienie do rozwiązania polegało na wskazaniu układów krytycznych ognia miejscowego albo rozprzestrzenionego oraz na ocenie zdolności instalacji oddymiania do usunięcia dymu bez nasilenia spalania. Trzeba było zrozumieć, kiedy i w jakich warunkach można podjąć się działań ratowniczych, z uwzględnieniem zachowania instalacji technicznych — w szczególności recyrkulacji powietrza za pomocą fanwalli, roli plenum nawiewnego i geometrii budynku.

Symulacja musiała także ująć działanie tryskaczy, które — choć skutecznie ograniczają rozprzestrzenianie ognia — mogą nie wystarczyć do zapewnienia dostatecznej widoczności ani do szybkiego obniżenia temperatury otoczenia.

Krótko mówiąc, celem nie było jedynie potwierdzenie doboru oddymiania i instalacji ratowniczych, ale przede wszystkim zrozumienie ich rzeczywistej dynamiki w złożonym otoczeniu, aby dać klientowi i organom kontroli dokładny i uzasadniony obraz bezpieczeństwa obiektu.

Symulacja CFD pożaru hali serwerowej

Budowa realistycznego modelu dopasowanego do układów centrów danych

Aby odpowiedzieć na cele analizy i dać realistyczny, wyprzedzający obraz zjawisk pożaru w hali serwerowej, EOLIOS zastosowało podejście oparte na symulacji numerycznej mechaniki płynów. Zastosowane narzędzie, Fire Dynamics Simulator (FDS), jest międzynarodowym punktem odniesienia w modelowaniu pożarów. Opracowane przez National Institute of Standards and Technology (NIST), pozwala dokładnie zasymulować rozprzestrzenianie dymu, przebieg temperatur i zachowanie powietrza w złożonych środowiskach.

Pierwszym krokiem była budowa modelu 3D wiernego rzeczywistej geometrii sali, obejmującego wszystkie elementy wpływające na przepływ: zabudowę korytarzy, dokładne rozmieszczenie szaf informatycznych, wysokości w świetle, galerie techniczne, plena nawiewne oraz układy wywiewu powietrza.

Szczególną uwagę poświęcono odwzorowaniu urządzeń uzdatniania powietrza, czyli fanwalli, oraz poszczególnym punktom wymiany powietrza między przestrzeniami. Klapy oddymiające, kraty nawiewne oraz czerpnie powietrza świeżego również odwzorowano, aby ocenić ich rolę w mechanizmach oddymiania po ich uruchomieniu.

Przyjęta w tej analizie siatka pozwoliła uzyskać dużą rozdzielczość, ponad sto milionów komórek czynnych, co zapewnia wierne odwzorowanie gradientów temperatury, dymu i prędkości.

Wskazanie możliwych źródeł pożaru

Określono trzy scenariusze pożaru, aby objąć główne układy krytyczne w zależności od położenia źródła:

• A

  Scenariusz A  — ogień na początku korytarza.

• B

  Scenariusz B  — ogień na końcu korytarza, blisko central wentylacyjnych.

• C

  Scenariusz C  — ogień w środku korytarza.

Dla każdego z tych przypadków przeanalizowano dwa warianty: ogień bez rozprzestrzeniania (płonie jedna szafa) oraz ogień z rozprzestrzenianiem (rozszerzenie na szafy sąsiednie co dwie minuty, z odwzorowaniem zadziałania tryskaczy).

Wielkość pożaru i rola tryskaczy

Zachowanie ognia odwzorowano realistycznie, na podstawie danych z literatury naukowej o zapłonie szaf informatycznych. Moc cieplna przyjęta w modelu odpowiada przypadkowi reprezentatywnemu dla pożaru wentylowanego w środowisku data center.

Każda symulacja była prowadzona przez kilkadziesiąt minut, aby zaobserwować opóźnione skutki ognia dla otoczenia i ocenić wpływ uruchomienia oddymiania w połowie czasu. Taki dobór okna czasowego pozwolił przeanalizować zarówno fazę narastania mocy pożaru, jak i fazę stabilizacji po zadziałaniu tryskaczy, z uruchomieniem oddymiania albo bez.

Wreszcie dla każdego scenariusza, EOLIOS wyodrębniło wielkości fizyczne istotne na wysokości człowieka, czyli wartości: temperatury, widoczności, strumienia cieplnego promieniowania i prędkości przepływu powietrza. Dane te przeanalizowano według progów warunków znośnych uznanych w przepisach francuskich i w normach międzynarodowych, co pozwala obiektywnie ocenić wykonalność działań człowieka w środowisku zadymionym.

Analiza warunków działań gaśniczych

Skutki ognia ograniczonego (1 szafa)

Symulacje przeprowadzone w scenariuszach ognia miejscowego pokazały, że środowisko wewnętrzne pozostaje opanowane. Gdy ogniem objęta jest tylko jedna szafa, obciążenie cieplne pozostaje umiarkowane, a skutki cieplne ograniczają się do bezpośredniego sąsiedztwa źródła. Na wysokości człowieka wartości temperatur nie przekraczają progów krytycznych dla działań ratowniczych, a strumienie cieplne promieniowania pozostają poniżej granic dopuszczalnych dla bezpieczeństwa ratowników.

Rozprzestrzenianie dymu również pozostaje ograniczone w tego typu układzie. Dzięki skuteczności podziału pionowego i nawiewowi z podłogi podniesionej dym skupia się w warstwach górnych, tworząc uwarstwienie stabilne, które bardzo słabo oddziałuje na strefy komunikacji. Układ wentylacji mechanicznej, stale czynny, ogranicza rozchodzenie się poziome tego dymu, nie tworząc nadciśnienia niekorzystnego. Ogólny poziom widoczności jest zadowalający w większej części obiektu, także w korytarzach sąsiednich.

To zachowanie potwierdza strategię podstawową przyjętą przy organizacji hali serwerowej: ukierunkowane strumienie powietrza, rozdzielenie stref nawiewu i wywiewu oraz wyraźne oddzielenie dróg ewakuacji od stref możliwego rozprzestrzeniania. W takich warunkach służby ratownicze mogą szybko podjąć działania bez czekania na uruchomienie instalacji oddymiania — to duża zaleta w razie wykrycia ognia we wczesnym stadium.

Wpływ rozprzestrzeniania na widoczność i temperatury

Gdy ogień rozprzestrzenia się na kilka szaf, pod wpływem ciepła albo z braku wykrycia we wczesnym stadium, warunki działań ratowniczych pogarszają się znacząco. Wyniki pokazują szybki wzrost temperatur w korytarzach objętych pożarem, przekraczający 100 °C na wysokości człowieka w przypadkach najbardziej niekorzystnych. Rozprzestrzenianie zmienia miejscowo strumienie powietrza, zwłaszcza w sąsiedztwie central wentylacyjnych, co może wywołać recyrkulację gorących gazów ku strefom wywiewu.

To zjawisko obiegu zamkniętego tworzy kieszenie przegrzanego powietrza w niektórych strefach hali, nawet z dala od ognia, co utrudnia, a chwilami wręcz uniemożliwia przemieszczanie się służb ratowniczych bez ochrony wzmocnionej. Ponadto wskutek długotrwałego spalania kilku szaf bogatych w tworzywa sztuczne powstała duża ilość sadzy, co spowodowało szybki spadek widoczności poniżej wymaganych progów. Już od dziesiątej minuty niektóre strefy hali stawały się całkowicie nieprzejrzyste, co uniemożliwiało poruszanie się bezpieczne bez odpowiedniego wyposażenia.

Galerie techniczne, połączone z przestrzeniami głównymi przez trasy kablowe albo kanały wentylacyjne, również podlegają wzrostowi temperatury i stopniowemu zanieczyszczeniu przez dym, co ogranicza możliwości pośredniego dostępu do źródła. W takich scenariuszach uruchomienie oddymiania jest konieczne, aby przywrócić minimalne warunki widoczności i ograniczyć wzrost obciążenia cieplnego budynku.

Wpływ instalacji oddymiania na bezpieczeństwo pożarowe

Symulacje potwierdzają skuteczność instalacji oddymiania w przyjętym rozwiązaniu, pod warunkiem uruchomienia jej ręcznie we właściwym momencie. W badanych scenariuszach uruchomienie klap oddymiających od czternastej minuty zapoczątkowuje korzystną dynamikę wymiany powietrza, usuwając zalegający dym i stopniowo obniżając temperatury w strefach komunikacji.

To działanie przebiega z pewną bezwładnością, ale jego skutki stają się odczuwalne w ciągu pięciu do sześciu minut od uruchomienia. Warstwy gorących gazów są zasysane przez klapy wyrzutowe i zastępowane powietrzem świeżym wprowadzanym z poziomów niskich albo ze stref buforowych, co pomaga przywrócić przestrzenie dostępne przy posadzce. Poprawia to poziom widoczności, ale zmniejsza też obciążenie cieplne konstrukcji wrażliwych i materiałów jeszcze nieobjętych ogniem.

W połączeniu z instalacją tryskaczy, która ogranicza intensywność cieplną ognia, uruchomienie oddymiania stabilizuje sytuację i otwiera okno na działania dla służb ratowniczych. Symulacje pokazują, że połączenie tych dwóch instalacji technicznych może przywrócić atmosferę znośną w większej części hali serwerowej w ciągu kilku minut, nawet w razie rozprzestrzeniania początkowego — co potwierdza wagę ścisłej koordynacji między wykryciem, gaszeniem i usuwaniem dymu, aby zapewnić skuteczne opanowanie ognia w tego typu środowisku technicznym.

Wkład EOLIOS: doświadczenie w skuteczności ochrony pożarowej

Narzędzia numeryczne w służbie skuteczności ochrony pożarowej

Wobec środowisk tak szczególnych jak serwerownie o dużej gęstości mocy narzędzia konwencjonalne analizy pożarowej szybko pokazują swoje granice. W tym projekcie EOLIOS zastosowało zaawansowane modelowanie, aby dokładnie odwzorować rzeczywiste skutki ognia w nowoczesnej hali serwerowej. Zastosowanie programu FDS, w połączeniu z pełnym modelem 3D obiektu, pozwoliło zasymulować scenariusze zarazem reprezentatywne i użyteczne, obejmujące złożone wzajemne oddziaływania między urządzeniami nawiewnymi, podziałem na strefy, recyrkulacją powietrza i oddymianiem.

Poza samym modelowaniem, EOLIOS ułożyło analizę tak, aby dostarczyć jasne wskaźniki: temperatury, widoczności, promieniowania cieplnego, warunków znośnych… Każdy parametr przeanalizowano na wysokości człowieka, ze szczególną uwagą na progi dopuszczalne dla długotrwałego działania człowieka. Ta praktyczna postawa, skupiona na potrzebach eksploatacyjnych, pozwala ocenić nie tylko sprawność własną instalacji, ale też ich skuteczność w warunkach rzeczywistych.

Podejście jasne, wiarygodne i przydatne wobec organów

Analiza wyróżniła się też zdolnością do zgromadzenia stron projektu wokół wspólnego rozumienia zagadnień. Wyniki przedstawiono w formie raportów ilustrowanych, fragmentów wideo symulacji i map czasoprzestrzennych, co ułatwia ich przyswojenie przez inwestora, operatorów, jednostki kontrolne oraz straż pożarną i służby ratownicze. Ta umiejętność wyjaśniania techniki jest jedną z mocnych stron EOLIOS, łącząc rygor metodyczny ze zdolnością uczynienia informacji zrozumiałą i wprost użyteczną.

Wreszcie ta analiza jest cennym narzędziem dialogu z organami administracji. Pokazuje, że obiekt nie tylko spełnia wymagania przepisów, ale też został objęty dobrowolnym działaniem na rzecz wyprzedzania i optymalizacji ryzyka pożarowego. W tym sensie wykracza poza samo potwierdzenie projektu i odzwierciedla odporność, skuteczność i odpowiedzialność techniczną.