Современная IT-инфраструктура всё сильнее полагается на центры обработки данных (ЦОД), поэтому обеспечение их безопасности – как информационной, так и физической – становится приоритетной задачей отрасли. Особенности ЦОД делают их уязвимыми к пожарам, что требует создания надёжных систем автоматического пожаротушения. Несмотря на проводимые в ходе строительства комплексные испытания пожарной автоматики, сопровождающиеся запуском установок пожаротушения, огневые испытания практически не проводятся по причине высокой стоимости.

Специалисты АО «ЦИФРА» и ООО «Пожтехника-проект» совместно разработали методику виртуальных испытаний, которая позволяет моделировать поведение систем пожаротушения в условиях возгорания в машинном зале ЦОД. Компьютерная модель даёт возможность получать данные о развитии пожара и работе датчиков в любой момент времени, что закладывает перспективы для новых подходов к проектированию систем пожаротушения.

Обеспечение пожарной безопасности ЦОД: особенности и вызовы

Число и энергопотребление ЦОД возрастают с каждым годом – так же, как и их роль в современном мире. Обеспечение пожарной безопасности ЦОД становится критической задачей для поддержания работоспособности цифровой инфраструктуры. Выход из строя 647 государственных серверов Южной Кореи в результате пожара в дата-центре Тэчжона в сентябре 2025 года [1] показал это особенно чётко.

В условиях роста цифровизации и увеличения масштабов IT-инфраструктуры обеспечение пожарной безопасности ЦОД становится одним из важнейших вызовов для отрасли. Однако ЦОД обладают рядом особенностей, которые отличают их от других зданий и усложняют проектирование систем пожаротушения:

• Значительная площадь (1000 м² и более), которая затрудняет локализацию и изоляцию очага пожара.
• Необходимость максимально сохранять работоспособность IT-оборудования. Для обеспечения конкурентоспособности ЦОД должны работать непрерывно: любой сбой грозит финансовыми и репутационными потерями. Поэтому в случае локального пожара (например, возгорание одной IT-стойки из нескольких сотен) незатронутое оборудование не должно отключаться. Это создаёт ограничения, к примеру, для систем водяного пожаротушения.
• Постоянное тепловыделение от IT-оборудования. Энергоёмкие технологии (в частности, технологии искусственного интеллекта) требуют всё более и более мощных кластеров. По прогнозам Nvidia, к 2027 году стойки для ИИ-нагрузок будут потреблять до 600 кВт, а к 2030 на рынке появятся IT-стойки мощностью вплоть до 1 МВт [2]. Часть потребляемой энергии неизбежно рассеивается в виде тепла, поэтому внутри даже штатно работающего ЦОД могут возникать локальные области перегрева. Это осложняет калибровку температурных датчиков и делает необходимой работу по предотвращению ложных срабатываний.
• Постоянно работающая система принудительного охлаждения. В соответствии с СП 485 и СП 541, допускается не отключать при пожаротушении вентиляционные установки, которые обеспечивают безопасность технологического процесса в защищаемом помещении [3], [4]. Поскольку для ЦОД уровня надёжности Tier III (наиболее распространённая категория ЦОД в России) допустимый даунтайм составляет не более 1,6 часа в год [5], сохранение работоспособности оборудования критически важно даже в условиях пожара.

Перечисленные особенности обуславливают сложность проектирования систем автоматического пожаротушения для машинных залов ЦОД. Традиционное применение установок газового пожаротушения для защиты машинных залов обеспечивает надёжную защиту оборудования, поскольку не имеет ограничений в части совместной работы с установками охлаждения. Кроме того, перемешивание газовоздушной смеси благоприятно влияет на равномерное распространение газового огнетушащего вещества по помещению машинного зала.

Однако, в ряде случаев машинные залы ЦОД оснащаются установками водяного пожаротушения, чаще всего тонкораспыленной водой высокого давления (АУП ТРВ ВД). Для машинного зала проведение испытаний АУП ТРВ ВД, приближенных к реальности, с учётом стоимости оборудования крайне затратно – и, кроме того, опасно. Поэтому узнать, насколько надёжна такая система пожаротушения, практически невозможно до возникновения реальной аварийной ситуации.

В случаях, когда возможность непосредственного наблюдения за ходом физического процесса недоступна, альтернативой становится компьютерное моделирование. Специалисты АО «ЦИФРА» и ООО «Пожтехника-проект» разработали методику, позволяющую оценить работоспособность систем пожаротушения путём виртуальных испытаний.

CFD-моделирование пожара

Цифровое моделирование пожара в ЦОД сталкивается с вызовами вследствие недостаточного объёма накопленных данных, а также значительными масштабами вычислительной задачи. Чтобы успешно разрешить задачу, была применена декомпозиция: сперва проведено стационарное CFD-моделирование штатной работы ЦОД (задача, хорошо изученная специалистами АО «ЦИФРА» [6], [7], [8]), а затем – нестационарное моделирование процесса горения.

Модель ЦОД

Для расчёта создана упрощённая модель машинного зала ЦОД, представленная на рисунке ниже. Конфигурация и оборудование ЦОД приняты на основе реально существующих прототипов. Модель системы пожаротушения в ЦОД создана при поддержке специалистов ООО «Пожтехника-проект» - участника разработки отраслевых рекомендаций по обеспечению пожарной безопасности в ЦОД [9].

Геометрическая модель машинного зала ЦОД

Площадь машинного зала составляет 1090 м², высота – 6 м. 300 IT-стоек размещены в 6 рядов по 50 стоек в каждом, суммарное тепловыделение стоек составляет 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, как показано на рисунке ниже.

Организация охлаждения по принципу изоляции холодных коридоров

Модель горения IT-стойки

Очаг возгорания расположен в случайно выбранной IT-стойке, как показано на рисунке ниже. Горение смоделировано как выделение тепла и дымовых газов в объёме IT-стойки.

Очаг возгорания

На сегодняшний день нет подробных данных о выделении тепла и дыма при горении IT-стоек. Отчасти это связано с высокой стоимостью оборудования (и, соответственно, со значительными затратами на эксперименты), а отчасти – с тем, что наполнение каждой стойки в ЦОД индивидуально. Для корректного моделирования выделения тепла и дыма в процессе пожара был проведён анализ существующей литературы и выбран эксперимент из серии Heat Release Rates of Electrical Enclosure Fires (HELEN-FIRE), 2015 [10]. В данной серии экспериментов рассматривалось горение различных шкафов с электрооборудованием. Выбран эксперимент (тест № 41), наполнение и конструкция шкафа в котором наиболее близки к современной IT-стойке. Зависимость тепловыделения от времени, зафиксированная в этом эксперименте, показана на рисунке ниже.

График зависимости 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, учтён расход кислорода воздуха в ходе реакции горения. Экспериментальные данные по выделению дыма взяты из теста № 41 NRC Electrical Cabinet Experiments [11].

Система кондиционирования включена на всём протяжении пожара в соответствии с рекомендациями СП 485 и СП 541 – кондиционеры охлаждают воздух по замкнутому циклу. Встроенные вентиляторы горящей стойки в модели отключены. Общеобменная вентиляция отключается через 10 секунд после срабатывания 2 дымовых извещателей.

Результаты моделирования

Работа оросителей с тепловым замком

На рисунке ниже показан график зависимости температуры от времени на оросителях, расположенных вблизи горящей IT-стойки.

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 проходит момент пикового тепловыделения, температура на оросителях в течение примерно 20 секунд остаётся постоянной, а затем начинает убывать.

Поскольку работа кондиционеров не останавливается при возгорании, 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 воздух, доходящий до оросителей, не достигает необходимой для их срабатывания температуры.

Максимальное тепловыделение при пожаре одной IT-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 приведёт к срабатыванию оросителей спринклерной системы пожаротушения.

Работа дымовых извещателей

При низком пороге срабатывания дымовые извещатели срабатывают спустя 3 минуты после начала возгорания, при высоком пороге – спустя 4 минуты. На рисунках ниже дымовые датчики отмечены в порядке срабатывания и приведён график зависимости концентрации дыма вблизи оросителей от времени.

Дымовые извещатели (отмечены в порядке срабатывания).
Горящая стойка выделена красным

Как видно из рисунка выше, первыми срабатывают дымовые датчики, расположенные вблизи горящей IT-стойки. Движение воздуха, создаваемое кондиционерами, не препятствует обнаружению пожара.

Концентрация дыма на уровне дымовых извещателей

За счёт постоянной циркуляции воздуха в помещении дымовые газы перемешиваются с воздухом, но не исчезают из помещения, т.к. система охлаждения замкнута. Это делает дымовые датчики более надёжным средством контроля, чем тепловые, т. к. работе последних в значительной степени препятствует работа кондиционеров.

Итоги

В условиях роста требований к надёжности и безопасности инфраструктуры ЦОД, экспертность в проектировании систем пожаротушения становится ключевым фактором. Разработанная методика цифрового моделирования возгорания в машинном зале ЦОД демонстрирует, как инженерные расчёты могут стать основой для новых проектных решений.

Цифровая модель пожара в машинном зале ЦОД построена с опорой 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 на протяжении всего времени пожара.

Результаты проведённого исследования формируют основу для новых подходов к проектированию систем безопасности, основанных на инженерных расчётах. Это открывает перспективы для повышения эффективности пожаротушения, снижения рисков и оптимизации затрат на защиту критически важных объектов.

Список использованных источников

x

x

Изображение заголовка сгенерировано нейросетью