Моделирование пожара в машинном зале ЦОДа
Современная ИТ-инфраструктура все сильнее полагается на ЦОДы, поэтому обеспечение их безопасности – как информационной, так и физической – становится приоритетной задачей отрасли. ЦОДы уязвимы для пожаров – следовательно, требуется создать надежные системы автоматического пожаротушения.
Специалисты компании участвуют в проектах по защите от пожара особо опасных, технически сложных объектов, зданий с массовым пребыванием людей. Практически на всех подобных объектах защиты в состав комплекса инженерных противопожарных систем входят автоматические установки пожаротушения различных типов: водяные, газовые, порошковые, пенные и др.
В большинстве случаев выбор типа пожаротушения не представляет сложности, поскольку отраслевыми специалистами давно определены подходы и основные решения в данной области. Однако по мере развития технологий, например майнинга или искусственного интеллекта, возникают ситуации, в которых привычные решения либо перестают работать, либо нуждаются в переосмыслении. Кроме того, практика прохождения государственных экспертиз и согласования документации со службами заказчиков учит «побуквенному» соблюдению требований нормативных документов, хотя витиеватость последних нередко размывает основную характеристику проектируемой установки – она должна быть простой, надежной и эффективной.
Работа, результаты которой представлены ниже, задумывалась для того, чтобы продемонстрировать разницу в подходах к выбору средств пожаротушения и показать, что разные установки тушения работают по-разному, а ожидания и действительность могут сильно расходиться. Это очень полезно, поскольку в ходе строительства комплексные испытания пожарной автоматики, включая запуск установок пожаротушения, конечно, выполняются, но огневые испытания по причине их высокой стоимости, как правило, не проводятся.
Специалисты АО «Цифра» по заказу компании «Пожтехника-Проект» разработали методику виртуальных испытаний, которая позволяет моделировать поведение систем пожаротушения в условиях возгорания в машинном зале ЦОДа. Компьютерное моделирование дает возможность получать данные о развитии пожара и работе датчиков в любой момент времени, что открывает перспективы для новых подходов к проектированию систем пожаротушения.
Обеспечение пожарной безопасности ЦОДА: особенности и вызовы
Количество ЦОДов и их энергопотребление с каждым годом – так же, как их роль в современном мире. Обеспечение пожарной безопасности ЦОДов становится критически важной задачей для поддержания работоспособности цифровой инфраструктуры. Выход из строя 647 государственных информационных систем в Южной Корее в результате пожара в дата-центре Тэчжона в сентябре 2025 г. показал это особенно наглядно.
В условиях углубления цифровизации и увеличения масштабов ИТ-инфраструктуры обеспечение пожарной безопасности ЦОДов становится для отрасли одним из важнейших вызовов. Вместе с тем ряд особенностей ЦОДов, которые отличают их от других зданий, усложняют проектирование систем пожаротушения.
- Значительная площадь (1000 м² и более) затрудняет локализацию и изоляцию очага пожара.
- Необходимо максимально сохранять работоспособность ИТ-оборудования. Для обеспечения конкурентоспособности ЦОДы должны работать непрерывно: любой сбой грозит финансовыми и репутационными потерями. Поэтому в случае локального пожара (например, возгорания одной ИТ-стойки из нескольких сотен) незатронутое оборудование не должно отключаться. Это создает ограничения, к примеру, для систем водяного пожаротушения.
- ИТ-оборудование постоянно выделяет тепло. Энергоемкие технологии (в частности, технологии искусственного интеллекта) требуют все более и более мощных кластеров. По прогнозам Nvidia, к 2027 г. стойки для ИИ-нагрузок будут потреблять до 600 кВт, а к 2030 г. появятся ИТ-стойки мощностью вплоть до 1 МВт. Часть потребляемой энергии неизбежно рассеивается в виде тепла, поэтому внутри даже штатно работающего ЦОДа могут возникать локальные области перегрева. Это осложняет калибровку температурных датчиков и делает необходимой работу по предотвращению ложных срабатываний.
- Постоянно работает система принудительного охлаждения. В соответствии с СП 485.1311500.2020 «Системы противопожарной защиты. Установки пожаротушения автоматические. Нормы и правила проектирования» и СП 541.1325800.2024 «Здания и сооружения центров обработки данных. Правила проектирования» при пожаротушении допускается не отключать вентиляционные установки, которые обеспечивают безопасность технологического процесса в защищаемом помещении. Поскольку для ЦОДА уровня надежности Tier III (наиболее распространенная категория ЦОДов в России) допустимое время простоя составляет не более 1,6 часа в год, сохранение работоспособности оборудования критически важно в условиях пожара.
Перечисленные особенности обуславливают сложность проектирования систем автоматического пожаротушения для машинных залов ЦОДов. Традиционно применяемые для защиты машзалов установки газового пожаротушения обеспечивают надежную защиту оборудования, поскольку могут работать параллельно с установками охлаждения. Более того, перемешивание газовоздушной смеси способствует равномерному распространению газового огнетушащего вещества по помещению машинного зала.
Однако в ряде случаев машинные залы остаются установками водяного пожаротушения, чаще всего тонкораспыленной водой высокого давления (АУП ТРВ ВД). Из-за высокой стоимости оборудования проведение приближенных к реальности испытаний АУП ТРВ ВД в машинном зале крайне затратно и даже опасно. Поэтому до возникновения реальной аварийной ситуации узнать, насколько надежна система пожаротушения, практически невозможно.
В случаях, когда нет возможности непосредственного наблюдения за ходом физического процесса, альтернативой становится компьютерное моделирование. Специалисты АО «Цифра» разработали методику, позволяющую оценить работоспособность систем пожаротушения путем виртуальных испытаний.
Цифровое моделирование пожара в ЦОДе – непростая задача из-за недостаточного объема накопленных данных и масштабности необходимых вычислений. Чтобы успешно решить эту задачу, была применена декомпозиция: сперва проведено стационарное CFD-моделирование штатной работы ЦОДа (задача, хорошо изученная специалистами АО «Цифра»), а затем – нестационарное моделирование процесса горения.
Модель ЦОДа
Для расчета была создана упрощенная модель машинного зала ЦОДа (рис. 1). Конфигурация и оборудование ЦОДа приняты на основе реально существующих прототипов.
Рис. 1. Геометрическая модель машинного зала ЦОДа
Площадь машинного зала составляет 1090 м², высота – 6 м. 300 ИТ-стоек размещены в шесть рядов по 50 стоек в каждом. Суммарное тепловыделение стоек – 2700 кВт. Принудительное охлаждение осуществляется с помощью 20 попарно расположенных кондиционеров.
В машинном зале установлены оросители с тепловым замком (температура срабатывания 57°С) и дымовые извещатели, что отражено в модели. Система охлаждения организована по принципу изоляции холодных коридоров (рис. 2).
Рис. 2. Организация охлаждения по принципу изоляции холодных коридоров
Модель горения ИT-стойки Очаг возгорания расположен в случайно выбранной ИT-стойке (рис. 3).
Рис. 3. Очаг возгорания
Горение смоделировано как выделение тепла и дымовых газов в объеме ИТ-стойки.
На сегодняшний день подробных данных о выделении тепла и дыма при горении ИТ-стоек нет. Отчасти это связано с высокой стоимостью оборудования (и, соответственно, со значительными затратами на эксперименты), а отчасти с тем, что наполнение каждой стойки в ЦОДе индивидуально. Для корректного моделирования выделения тепла и дыма в процессе пожара был проведен анализ существующей литературы и взяты данные, полученные в рамках выполнения программы Heat Release Rate of Electrical Enclosure Fires (HELEN-FIRE, 2015 г., США). В данной серии экспериментов изучалось горение различных шкафов с электрооборудованием. Выбран тест №41 (NRC Electrical Cabinet Experiments), наполнение и конструкция шкафа в котором наиболее близки к современной ИТ-стойке. Зависимость тепловыделения от времени, зафиксированная в этом эксперименте, показана на рис. 4.
Рис. 4. Зависимость тепловыделения при пожаре от времени
Дым в модели представлен в виде смеси угарного газа, углекислого газа и водяного пара. Также учитывается непрозрачность реального дыма. Кроме того, учтен расход кислорода воздуха в ходе реакции горения. Экспериментальные данные по выделению дыма взяты из теста № 41.
В соответствии с рекомендациями СП 485 и СП 541 система кондиционирования включена в течение всего пожара – кондиционеры охлаждают воздух по замкнутому циклу. Встроенные вентиляторы горящей стойки в модели отключены. Общеобменная вентиляция отключается через 10 с после срабатывания двух дымовых извещателей.
Работа оросителей с тепловым замком
На рис. 5 показана зависимость температуры от времени на оросителях, расположенных вблизи горящей ИТ-стойки.
Рис. 5. Работа оросителей с тепловым замком. Пожар
Как видно из графика, ни один из оросителей не срабатывает во время пожара; максимальная температура на оросителях составляет 48°С, тогда как для срабатывания необходимо достижение 57°С. После того, как момент пикового тепловыделения проходит, температура на оросителях в течение примерно 20 с остается постоянной, а затем начинает убывать.
Поскольку работа кондиционеров при возгорании не останавливается, к горящей стойке и соседним с ней продолжает поступать холодный воздух. Проходя через стойки, близкие к горящей, холодный воздух разбавляет поток горячего воздуха и дымовых газов. В результате температура воздуха, доходящего до оросителей, не достигает необходимого для их срабатывания порогового значения.
Максимальное тепловыделение при пожаре одной ИТ-стойки равно 250 кВт, что составляет менее 10% от суммарной холодовой мощности кондиционеров. Таким образом, чем более высоконагруженным является ЦОД, чем большей холодильной мощностью обладают его кондиционеры, тем выше риск, что пожар единичной стойки не приведет к срабатыванию оросителей спринклерной системы пожаротушения.
Работа дымовых извещателей
При низком пороге срабатывания дымовые извещатели срабатывают спустя 3 мин после начала возгорания, при высоком пороге – спустя 4 мин (рис. 6, дымовые датчики отмечены в порядке срабатывания). Рис. 7 показывает зависимость от времени концентрации дыма вблизи оросителей.
Рис. 6. Порядок срабатывания дымовых извещателей. Горящая стойка выделена красным
Рис. 7. Концентрация дыма на уровне дымовых извещателей
Как видно из рис. 6, первыми срабатывают дымовые датчики, расположенные вблизи горящей ИТ-стойки. Движение воздуха, создаваемое кондиционерами, не препятствует обнаружению пожара.
За счет постоянной циркуляции воздуха в помещении дымовые газы перемешиваются с воздухом, но не исчезают из помещения, так как система охлаждения замкнута. Это делает дымовые датчики более надежным средством контроля, чем тепловые, поскольку работе последних в значительной степени препятствует работа кондиционеров.
Сегодня, когда требования к надежности и безопасности инфраструктуры ЦОДов растут, экспертность в проектировании установок пожаротушения становится ключевым фактором. Разработанная методика цифрового моделирования возгорания в машинном зале ЦОДа демонстрирует, как инженерные расчеты могут стать основой для новых проектных решений.
Цифровая модель пожара в машинном зале ЦОДа опирается как на теоретические законы переноса тепла и массы, так и на экспериментальные данные, и учитывает нестационарность пожара как физического процесса. Особое внимание уделено влиянию работы кондиционеров на динамику тепловых потоков и распространение дыма. Кроме того, разработанная модель позволяет отслеживать работу дымовых извещателей и тепловых датчиков и на протяжении всего времени пожара.
Результаты проведенного исследования создают фундамент для новых подходов к проектированию систем безопасности, основанных на инженерных расчетах. Это открывает перспективы для повышения эффективности пожаротушения, снижения рисков и оптимизации затрат на защиту критически важных объектов.
