W pierwszej części artykułu (Zabezpieczenia nr 4/2017) wspomniałem, jak ważne jest zabezpieczenie serwerowni. W części drugiej (Zabezpieczenia nr 5/2017) opisałem podstawowe źródła zagrożeń pożarowych serwerowni, scharakteryzowałem pożary oraz przedstawiłem kwalifikację pożarową obiektu. W niniejszej części opiszę techniki wykrywania pożaru w serwerowniach.
Techniki wykrywania pożaru w serwerowniach
Sposób klimatyzowania obiektu ma wpływ na metodę wykrywania pożaru w serwerowni. Głównym celem wentylacji jest odprowadzenie ciepła (na poziomie ok. 1,5 kW/m2 ) wytwarzanego przez działające urządzenia elektroniczne i elektryczne. Są szafy, w których gęstości mocy sięgają 10 kW/m2. Jednym z podstawowych warunków nieawaryjnej pracy tych urządzeń jest utrzymanie stałej wartości temperatury na poziomie ok. 22°C i wilgotności na poziomie ok. 45%. Realizuje to system klimatyzacji precyzyjnej.
Urządzenia elektroniczne są zainstalowane w specjalnych 19" szafach np. typu rack o wysokościach do 42U, dlatego najczęściej stosowanym sposobem wykrywania pożaru jest detekcja dymu zawartego w powietrzu chłodzącym układy elektroniczne zainstalowane w szafie. W zależności od konfiguracji szafy (przód/tył/góra otwarty/zamknięty o prześwicie 80%), przepływ powietrza chłodzącego będzie różny i różny w związku z tym będzie sposób nadzorowania – wykrywania dymu.
Ze względu na przewidywany, najczęściej bezpłomieniowy, rozwój pożaru, a także silną wentylację przyjmowanie typowych powierzchni dozorowania stosowanych w większości obiektów budowlanych nie jest zasadne. Rozchodzenie się dymu ku stropowi w postaci pióropusza w większości przypadków nie ma miejsca.
Do detekcji dymu można wykorzystać:
- Czujki zainstalowane wewnątrz szafy. Z powodów, które podano wcześniej, taki sposób nadzoru może dotyczyć jedynie przypadku, gdy w szafach znajdują się różne urządzenia elektryczne lub elektroniczne wbudowywane kolejno. W rzeczywistości jako czujka wykorzystywany jest otwór próbkujący rury systemu zasysającego wprowadzonej do wnętrza szafy. Takie rozwiązanie nie powoduje jakichkolwiek obustronnych oddziaływań elektromagnetycznych między urządzeniami elektronicznymi a czujką.
- Czujki kontrolujące powietrze wylotowe (z szafy).
- Czujki kontrolujące powietrze wlotowe (do klimatyzatorów).
- Czujki kontrolujące strefy podpodłogowe, przestrzeń główną, przestrzeń międzystropową w pomieszczeniu, w którym zainstalowane są szafy.
Podłoga podniesiona jest zwykle stosowana z dwóch powodów:
- umożliwienie wykorzystania przestrzeni podpodłogowej do doprowadzania schłodzonego przez klimatyzatory powietrza przez kratki wentylacyjne bezpośrednio pod szafy lub w ich pobliże,
- umożliwienie prostego rozprowadzania przewodów instalacji elektrycznej, telekomunikacyjnej itp.
Z kolei strop podwieszony jest wykorzystywany głównie jako odprowadzenie z pomieszczenia ogrzanego powietrza i skierowania go do systemu klimatyzacji precyzyjnej. Tu również mogą być prowadzone instalacje elektryczne.
Można wyszczególnić kilka sposobów odprowadzania ciepła i utrzymania wymaganych parametrów klimatycznych:
- Chłodzenie szaf poprzez wentylowanie całej przestrzeni serwerowni;
- Zastosowanie klimatyzatorów ustawianych w rzędzie z szafami elektroniki. W takim przypadku pojedynczy klimatyzator obsługuje jedną lub dwie szafy, umieszczone po obu jego stronach;
- Zastosowanie indywidualnego urządzenia chłodzącego w szafie. Rozwiązań jest wiele. Zwykle w szafach z elektroniką znajdują się chłodnice z wentylatorami. Są one połączone orurowaniem z głównym agregatem klimatyzatora obsługującym wiele szaf;
- Podział obszaru pomieszczenia z szafami, na strefy chłodu i gorąca.
Klimatyzowanie – chłodzenie szaf serwerów poprzez wentylowanie całej przestrzeni serwerowni
Koncepcja 1
Zabezpieczanie serwerowni poprzez chłodzenie całego pomieszczenia z wykorzystaniem wymuszonego przepływu powietrza było stosowane przed laty nawet w dużych serwerowniach. Aktualnie stosuje się je najczęściej w małych obiektach. Wymaga dużej liczby wymian powietrza – w niektórych przypadkach 50 wymian na godzinę. Poszczególne szafy są schładzane również w wyniku działania indywidualnych wentylatorów.
Rys. 1. Koncepcja 1 – zabezpieczenie serwerowni z wykorzystaniem systemu wentylacji mechanicznej
Intensywna wentylacja wymusza prędkości przepływu powietrza sięgające w zależności od miejsca od 0,2 m/s do 15 m/s, a nawet więcej.
Ze względu na dozorowanie całej przestrzeni serwerowni, w której na skutek intensywnej wentylacji dym jest praktycznie równomiernie rozprzestrzeniony, nie jest możliwe wykrycie zagrożonego pożarem urządzenia.
Problemem jest silne rozrzedzenie dymu w pomieszczeniu. Przy określonym rozwoju pożaru dym wytworzony w małej przestrzeni może być z powodzeniem wykryty przez czujki punktowe o czułości rzędu D=5÷10%/m. Jednak w przypadku dużej ilości wymian powietrza, przy silnym rozcieńczeniu dymu, pożar na takim samym etapie rozwoju wymaga wielokrotnie większych czułości czujek – D=0,01÷0,001%/m. Takie czułości są w stanie zapewnić praktycznie jedynie czujki/systemy zasysające.
Fot. 1. Nadzorowanie przestrzeni głównej w serwerowni z wykorzystaniem systemu zasysającego zainstalowanego w przestrzeni międzystropowej
Fot. 2. Nadzorowanie przestrzeni międzystropowej
Fot. 3. Czujka w osłonie przeciwwietrznej zainstalowana na wlocie do klimatyzatora
Nadzorowanie przestrzeni serwerowni
Serwerownię zabezpiecza się za pomocą dwóch systemów zasysających. Pierwszy z nich nadzoruje przestrzeń główną.
Rurki zasysające równomiernie rozmieszcza się na całej powierzchni stropu właściwego. Rurki do pneumatycznego transportu dymu instaluje się w przestrzeni międzystropowej, a smoczki/kapilary zasysające z otworami próbkującymi – w stropie podwieszonym. Przepływy powietrza w poszczególnych gałęziach są zrównoważone. Gwarantuje to stałość czułości poszczególnych otworów próbkujących. Rozmieszczenie otworów próbkujących (zasysających) powinno być zgodne z wytycznymi zawartymi w DTR czujki. Uwzględnia się również wymagania odnoszące się do dopuszczalnej powierzchni dozorowania lub zasięgu, które są zawarte w wytycznych dotyczących projektowania czujek zasysających. Przyjmuje się, że zasięgi są takie jak dla czujek dymowych punktowych.
System zasysający (oznakowany na fotografii 2 strzałkami koloru czerwonego) składa się z rurek zasysających, których otwory próbkujące umieszczone zostały w pobliżu otworów wlotowych systemu wentylacji serwerowni. Jak widać na fotografii, otwory zasysające są zwrócone w stronę napływającego powietrza. Nie jest to polecane rozwiązanie, ze względu na występujące silne nadciśnienie przy wlocie do rurki. Optymalną konfiguracją jest zastosowanie pewnego kąta odchylenia (ok. 45°) osi otworu względem wektora prędkości napływającego powietrza. W takim przypadku na czas transportu próbki dymu ma wpływ jedynie wentylator czujki. Na fotografii 2 pokazano również rurkę (oznaczoną żółtą strzałką) zasysającą próbki powietrza, zainstalowaną bezpośrednio na wlocie systemu wentylacyjnego.
Usytuowanie pojedynczych otworów próbkujących (rurki ucięte pod kątem, tak jak w osłonach przeciwwietrznych) na brzegu wlotowego kanału wentylacji jest niewłaściwe ze względu na silne turbulencje strumienia powietrza, jakie występują na wlocie. Prawidłowym rozwiązaniem jest zastosowanie kilku otworów zasysających, zwróconych w stronę napływającego powietrza, zgodnie z zasadą (0,2–0,4) m2 powierzchni wlotu powietrza na otwór zasysający.
Celem wyeliminowania fałszywych alarmów zastosowano koincydencję zadziałania dwóch czujek zasysających. Sygnał koincydencji wykorzystany jest do wyzwolenia procedury automatycznego gaszenia. Zaistnieje on wówczas, gdy obie czujki (systemy) zasysające będą w stanie alarmu pożarowego. Sygnał koincydencji będzie rozpoznany przez centralę sygnalizacji pożarowej i zainicjuje ona uruchomienie gaszenia. Aby wyeliminować fałszywe alarmy mogące niezasadnie uruchomić gaszenie, zostały zróżnicowane czułości układów pomiarowych obu czujek zasysających. Taka metoda eliminacji fałszywych alarmów jest skuteczna i prawidłowa.
Klimatyzatornia jest nadzorowana przez punktowe optyczne czujki dymu, a czasem (w dużych obiektach) za pomocą liniowej czujki dymu. Do nadzoru kanałów wentylacyjnych stosowane są czujki punktowe w osłonach przeciwwietrznych.
Koncepcja 2
Często stosowanym rozwiązaniem jest konfiguracja z czujkami zasysającymi oraz punktowymi czujkami dymu. Koncepcja nadzoru polega w tym przypadku na wykryciu pożaru przy możliwie dużej czułości detekcji przez system zasysający, który kontroluje przestrzeń główną i (lub) otwory wlotowe systemu wentylacyjnego. Oczywiście w tym przypadku nie jest możliwe zidentyfikowanie zagrożonego pożarem miejsca. W celu wskazania zagrożonej szafy (lub grupy szaf) należy na pewien czas wyłączyć wentylację ogólną w serwerowni. Oczywiście ten czas zależy od ilości ciepła emitowanego przez szafy komputerowe, a także od czasu wybiegu wentylatorów systemu wentylacyjnego. W tym czasie każda szafa jest schładzana przez indywidualny, zainstalowany w niej wentylator. W takiej sytuacji możliwe jest wyrzucenie zadymionego powietrza z szafy do bezpośredniego otoczenia adresowalnych czujek rozmieszczonych na stropie, dzięki czemu można choćby w przybliżeniu określić, która szafa jest zagrożona. Takie rozwiązanie jest możliwe, jeżeli w serwerowni stosuje się szafy z wylotami wentylacyjnymi na górze. Po wyzwoleniu alarmu II stopnia przywraca się chłodzenie w serwerowni za pomocą wentylacji ogólnej.
Rys. 2. Alarm I stopnia – system zasysający. Alarm II stopnia – czujki punktowe
Przy rozmieszczaniu czujek w wentylowanej przestrzeni podpodłogowej należy (zgodnie z wytycznymi projektowania WP-02:2010 opracowanymi przez SITP) przyjmować powierzchnię dozorowania nawet trzykrotnie mniejszą niż w przypadku pomieszczeń wysokich – oczywiście przy dostatecznej wentylacji. Według innych wytycznych (np. prTS 54-14) redukcja powierzchni nie jest wymagana.
Fot. 4. Sposób montażu czujki nadzorującej przestrzeń podpodłogową
Rys. 3. Nadzorowanie poszczególnych szaf za pomocą systemu zasysającego wykorzystującego rurki kapilarne oraz dodatkowe czujki punktowe w celu identyfikacji grupy szaf
Rys. 4. Zasada nadzoru szaf w przypadku zastosowania klimatyzacji serwerowni wykorzystującej techniki zimnych i gorących korytarzy
Indywidualne nadzorowanie szaf
W celu uzyskania największej czułości systemu wykrywania pożaru, można wprowadzić kapilary systemu zasysającego bezpośrednio do wnętrza szaf telekomunikacyjnych. Tego rodzaju rozwiązanie charakteryzuje się brakiem wzajemnych oddziaływań elektromagnetycznych między urządzeniami elektronicznymi zainstalowanymi w szafie a detektorem pożaru. Wysoka czułość wynika przede wszystkim z faktu bezpośredniego zasysania próbek powietrza z szaf. Nie występuje tu zjawisko mieszania powietrza zasysanego z szafy z powietrzem z otoczenia.
W celu poprawienia skuteczności identyfikacji zagrożonych pożarem szaf, na ramionach rurociągu zasysającego są stosowane punktowe czujki adresowalne (należące do tego samego systemu), tak jak pokazano na rysunku 3.
Rys. 5. Klimatyzacja wykorzystująca technikę zimnych i gorących korytarzy
Rys. 6. Technika krytych korytarzy
Rys. 7. Zastosowanie konfiguracji „kiosków”
Fot. 5. Brak skutecznego nadzoru agregatu prądotwórczego
Klimatyzacja serwerowni wykorzystująca techniki zimnych i gorących korytarzy
Najczęściej stosowanymi systemami wentylacji w aktualnie eksploatowanych serwerowniach są odmiany wykorzystujące techniki zimnych i gorących korytarzy. Jak widać na rysunku 4, klimatyzatory nadmuchują zimne powietrze do przestrzeni podpodłogowej. Z przestrzeni podpodłogowej zimne powietrze z korytarza zimnego jest przemieszczane przez chłodzone szafy do korytarza gorącego i następnie zasysane do klimatyzatorów. Cykl się powtarza. W porównaniu z poprzednio omawianym sposobem wentylacji liczba wymian powietrza jest znacznie niższa (maksymalnie kilka na godzinę).
Na rysunku 4 pokazane są typowe lokalizacje punktów zasysających próbki powietrza.
E1 Pod podniesioną podłogą. Nadzorowanie powietrza wylotowego z klimatyzatora ze względu na duże szybkości przepływu, wymaga ustawianie otworów zasysających pod kątem 20-45° do kierunku przepływu powietrza.
E Pod podniesioną podłogą. Nadzorowanie instalacji elektrycznych prowadzonych w tej przestrzeni.
A Nadzorowanie zimnego korytarza.
B Nadzorowanie gorącego korytarza służy do wykrywania pożaru z szafach telekomunikacyjnych, z których powietrze (wraz z dymem) jest wyprowadzane.
B1 Nadzorowanie powietrza napływającego z gorącego korytarza. Na skutek silnego mieszania się powietrza gorącego z chłodnym, zalegającym przestrzeń międzystropową następuje zmniejszenie czułości detekcji, a także pogorszenie identyfikacji miejsca zagrożenia. Pojedynczy otwór zasysający powinien nadzorować kratkę wentylacyjną o powierzchni nie większej niż 0,4 m2.
C Nadzorowanie przestrzeni międzystropowej. Zagrożenie pożarem związane z gęstością obciążenia ogniowego, wynikającego z ilości i rodzaju zainstalowanych tam kabli elektrycznych.
D Powrót powietrza wentylującego serwerownię. Powierzchnia nadzorowanej jednym otworem próbkującym kratki wentylacyjnej – jak wyżej. Kąt ustawienia otworów próbkujących jak wyżej.
Na rysunkach 4 i 5 pokazano różne konfiguracje nadzorowania.
Dym jest wykrywany przez system zasysający, pobierający próbki:
- gorącego powietrza dostającego się do klimatyzatorów,
- powietrza dostającego się do systemu wentylacyjnego całego pomieszczenia (wentylacji ogólnej),
- powietrza z przestrzeni pod podniesioną podłogą.
Głównym problemem jest brak możliwości ustalenia, która jednostka jest zagrożona pożarem. Dym zasysany przez czujkę zasysającą może pochodzić z wielu jednostek, gdyż powietrze w korytarzu gorącym jest silnie wymieszane.
Rozwinięciem koncepcji jest zastosowanie korytarzy krytych pokazanych na rysunku 6. Dzięki nim efektywność systemu chłodzącego jest znacznie wyższa niż w poprzedniej wersji.
Sposób wykrywania pożaru jest analogiczny do rozwiązania poprzedniego. Również w tym przypadku do detekcji wykorzystuje się powietrze wprowadzane do jednostek klimatyzatorów, zawierające już silnie rozrzedzony dym. Może to skutkować opóźnioną detekcją pożaru.
Kolejna odmiana systemu wentylacji wykorzystuje konfigurację zamkniętej od dołu i po bokach oraz otwartej od góry przestrzeni gorącego korytarza. W serwerowni może być kilka takich struktur („kiosków”). Chłodne powietrze z klimatyzatorów jest tłoczone do przestrzeni podpodłogowej, a następnie zasysane do szaf serwerowych. Gorące powietrze wydostaje się z szaf, przedostaje do przestrzeni między szafami, a następnie przemieszcza się do przestrzeni międzystropowej. Stamtąd trafia do szaf klimatyzatorów.
Zazwyczaj próbki powietrza są pobierane znad szaf klimatyzatorów, co nie jest najlepszym rozwiązaniem, gdyż znieczula system wykrywania pożaru na skutek silnego mieszania powietrza. Znacznie bardziej skuteczne jest pobieranie próbek powietrza z górnej części „kiosku” za pomocą systemu zasysającego zaznaczonego na rysunku 7 kolorem zielonym. W takim przypadku miejsce wystąpienia pożaru jest identyfikowane z dokładnością wynikającą z liczby szaf stanowiących strukturę „kiosku”.
W aktualnie budowanych serwerowniach, w których urządzenia elektryczne i elektroniczne są schładzane na wyżej wymienione sposoby, system wentylacji schładzającej nie jest wyłączany po wykryciu pożaru. W przypadku uruchomienia stałych urządzeń gaśniczych wyłączana jest jedynie wentylacja ogólna.
Fot. 6. Czujka płomieni nadzorująca agregat prądotwórczy
Rys. 8. Uproszczony schemat zasilania odbiorów elektrycznych serwerowni
Zabezpieczenie generatora prądotwórczego
Jak wcześniej powiedziano, jednym z czynników gwarantujących ciągłą i niezawodną pracę systemów informatycznych, jest zapewnienie bezpiecznego, bezprzerwowego zasilania. Dlatego system zasilania charakteryzuje się silną nadmiarowością.
Agregaty prądotwórcze w centrach przetwarzania danych stanowią zwykle zapasowe źródła energii elektrycznej, uruchamiane w przypadku braku zasilania podstawowego, a więc na skutek wykrycia zaniku napięcia w sieci. Rozruch agregatu trwa od kilkunastu do kilkudziesięciu sekund, dlatego do momentu ustabilizowania pracy i przejęcia obciążenia odbiorniki serwerowni są zasilane przez zasilacze UPS wyposażone w baterie akumulatorów o odpowiedniej pojemności. Z agregatem współpracuje układ samoczynnego załączania rezerwy (SZR), który ma wykryć zanik napięcia, uruchomić agregat, a następnie, po ustabilizowaniu pracy, przyłączyć agregat do odpowiedniego pola rozdzielni elektrycznej.
Warto przypomnieć, że agregaty będące źródłami zapasowego zasilania systemów różnicowania ciśnienia zwykle są uruchamiane na skutek wykrycia pożaru tak, aby nie było dodatkowego opóźnienia w działaniu tych systemów wynikającego z czasu uruchamiania agregatu.
Wydzielone pożarowo pomieszczenie, w którym znajduje się generator i zapas paliwa do niego, powinno być nadzorowane przez minimum dwie pracujące w podczerwieni czujki płomieni (4,3 µm) umieszczone przeciwlegle po obu stronach generatora tak, aby mogły nadzorować całe pomieszczenie i generator. Czujki płomieni nie są w stanie wykryć pożarów pirolitycznych, powstałych na skutek przegrzewania się układów elektrycznych i elektronicznych układów sterowniczych generatora, dlatego zasadne jest zainstalowanie w pomieszczeniu punktowej optycznej czujki dymu.
Bardzo często pomieszczenie (zwykle kontener) zabezpiecza się za pomocą stałego urządzenia gaśniczego.
W części 4 napiszę o zabezpieczeniu transformatorów, UPS-ów i akumulatorni.
mgr inż. Jerzy Ciszewski
IBP NODEX