Автор: Игорь Неплохов, эксперт, кандидат технических наук
Извещатели пожарные дымовые аспирационные Часть 2: нормативные требования и тесты для ЦОД
Извещатели пожарные дымовые аспирационные (ИПДА) – это устройства нового поколения, которые могут обеспечить противопожарную защиту объектов на максимально высоком уровне и практически при любых условиях эксплуатации. В первой части статьи [1] были рассмотрены принцип действия аспирационных извещателей, классы по чувствительности, методы определения чувствительности и огневые испытания ИПДА различных классов по ГОСТ Р 53325-2012 [2]. Во второй части статьи рассматриваются принципы конфигурирования трубной разводки аспирационных извещателей для эффективного обнаружения признаков пожарной опасности в ЦОД и тесты для оценки уровня противопожарной защиты. Аспирационные извещатели обеспечивают максимальный уровень противопожарной защиты в чистых помещениях, в гермозонах, в операционных, в кабинетах компьютерной магнитно-резонансной, позитронно-эмиссионной томографии, в барокамерах, в высоких помещениях и в зонах с воздушными потоками: в атриумах, ЦОД, ЦУП, промышленных цехах, в высотных складах и т. д. Обнаружение минимальных концентраций дыма определяет минимальные материальные потери, исключает необходимость проведения эвакуации и прерывания работы предприятия. Для обеспечения возможности оперативного реагирования персонала формируются несколько сигналов предтревоги и тревоги на различных уровнях задымления. Дымовые извещатели класса А в настоящее время достигли фантастической чувствительности 0,0002%/м (0,00001 дБ/м). Пожарная нагрузка в ЦОД Обеспечить обнаружение минимальных концентраций дыма в помещениях с электронным оборудованием чрезвычайно важно. При перегреве кабеля выделяется хлористый водород, который при соединении с парами воды образует соляную кислоту. После конденсации соляной кислоты на печатных платах возникают многочисленные короткие замыкания соседних проводников, что приводит к отказу электронного оборудования, не подверженного значительному нагреву при пожаре. Положение усугубляется отсутствием требования обязательного применения в ЦОД безгалогенного кабеля с индексом HF. По ГОСТ Р 53769–2010 [3] количество газов галогенных кислот, выделяемых в пересчете на хлористый водород HCl, для полимерной композиции кабеля нг-HF, не содержащей галогенов, должно быть не более 5 мг/г, а для поливинилхлоридного пластиката кабеля нг-LS допускается выделение газов галогенных кислот в 28 раз больше, не более 140 мг/г. Таким образом при перегреве кабеля с индексом LS выделяется значительный объем хлористого водорода. При нагревании 1 кг пластиката поливинилхлорида (ПВХ) выделяется около 600 л дымовых газов, в которых хлористый водород HCl составляет примерно 54–58%. Такой объем хлористого водорода HCl при соединении с водяным паром образует около 2 л концентрированной (25%) соляной кислоты, которая конденсируется на оборудовании, в том числе на электронных платах. Соляная кислота является хорошим проводником электрического тока и вызывает многочисленные короткие замыкания на печатных платах, а также коррозию электрических контактов, тем самым выводит из строя оборудование ЦОД. Причем выделение хлористого водорода HCl из ПВХ начинается уже при температуре +100 °С, при температуре +210 °С поливинлхлорид плавится, а при температуре +300 °С уже около 85% хлористого водорода переходит из изоляции кабеля в газообразное состояние. Таким образом, применение кабеля с индексом LS на большинстве объектов с технической точки зрения не оправданно, но в настоящее время не ограничено нормативно. Поэтому при проведении тестовых испытаний с перегревом кабеля ПВХ в помещениях с электронным оборудованием следует ограничивать объем выделения хлористого водорода HCl для исключения нанесения ущерба электронике. С другой стороны, хлористый водород является высокоопасным сильнодействующим ядовитым веществом, он относится к 2-му классу опасности. Предельно допустимая концентрация (ПДК) хлористого водорода HCl составляет всего лишь 0,02 мг/м3. Вдыхание хлористого водорода вызывает кашель, воспаление верхних дыхательных путей и удушье, а в тяжелых случаях приводит к отеку легких, нарушению работы кровеносной системы и смерти. Хлористый водород вызывает покраснение кожи, ожоги кожи, повреждения глаз. Для сравнения: монооксид углерода СО (угарный газ), который образуется при тлении хлопка, относится к 4-му классу опасности, т. е. к малоопасным веществам. Монооксид углерода имеет ПДК, равный 5 мг/м3, т. е. в 250 раз больше ПДК хлористого водорода. Для защиты персонала от воздействия ядовитого хлористого водорода рекомендуется производить дистанционное включение и выключение нагрева тестового кабеля. Требования по ИПДА в проекте СП5.13130 Требования по защите помещений с электронным оборудованием достаточно давно сформированы в зарубежных стандартах [4, 5], которые обсуждались в статьях [6, 7]. В новом проекте Свода правил СП 5.13130 [8], содержатся аналогичные требования по контролю наличия дыма на вытяжке из помещения: «14.9.7 Для обеспечения раннего обнаружения пожара допускается размещение воздухозаборных отверстий трубной сети ИПДА на входе трубы вытяжной вентиляции. При расчете количества всасывающих отверстий в этом случае исходить из максимально допустимого соотношения: 1 отверстие на 0,4 м2 площади сечения трубы». С учетом воздушных потоков значительно сокращается величина защищаемой площади: «14.9.8 В случае защиты помещения с электронным оборудованием максимальная площадь защищаемая одним отверстием трубной сети ИПДА, размещаемой в потолочной части помещения, не должна превышать 25 м2». Причем величина защищаемой площади варьируется в зависимости от скорости воздушного потока и класса ИПДА: «14.9.9 Рекомендуются следующие изменения величины защищаемой площади, приходящейся на одно отверстие трубной сети ИПДА: – уменьшение на 5 м2, если скорость воздушного потока на площади, составляющей не менее 25% общей площади помещения, находится в интервале от 1 до 4 м/с; – уменьшение на 10 м2, если величина воздушного потока на площади, составляющей не менее 25% общей площади помещения, больше 4 м/с; – увеличение на 10 м2, если система кондиционирования будет отключена по предварительному сигналу ИПДА о раннем обнаружении дыма; – увеличение на 5 м2, при использовании ИПДА класса А или B». Как-то странно сформулировано в п. 14.9.7 требование по размещению труб ИПДА на входе вытяжной вентиляции. Обязательного требования нет, такое размещение «допускается» и только «для обеспечения раннего обнаружения пожара». Хотя для ЦОД, несомненно, такое требование должно быть обязательным. Воздушные потоки в ЦОД В помещениях с электронным оборудованием воздушные потоки, формируемые системой охлаждения оборудования, исключают возможность концентрации дыма под потолком. В зависимости от размера и потребляемой мощности ЦОД выбираются различные конструкции систем охлаждения. В простейшем случае используются небольшие сплит-системы с расположением внутреннего блока под потолком. В помещениях большей площади внутренний блок выполняется в виде шкафа. Холодный воздух из кондиционера нагнетается в основное помещение через решетки в фальшполу, поступает в стойки с блоками (рис. 1 а) и далее возвращается в кондиционер через верхнюю часть (рис. 2 б, в). При расходе воздуха 5,25 м3/с и площади воздухозабора 1,5 м2 скорость воздушного потока на входе кондиционера составляет порядка 3,5 м/с.
Рис. 1. Холодный воздух поступает в блоки а) теплый – в систему охлаждения б), в) В ЦОД больших размеров основной объем помещения обязательно разделяется на холодные и горячие коридоры таким образом, что воздух из холодного коридора поступает в горячий только через стойки с оборудованием. Например, в ЦОД на рис. 2 холодный воздух через фальшпол поступает в холодный коридор, который изолирован от основного объема помещения. На рис. 3 показан ЦОД, в котором, наоборот, выделен горячий коридор. Здесь воздушные потоки имеют большие скорости.
Рис. 2. Холодный коридор (нижний) отделен от основного объема помещения
Рис.3. Горячий коридор (сверху) отделен от основного объема помещения Чувствительность ИПДА в ЦОД В помещениях с электронным оборудованием Свод правил СП5.13130 [8] допускает использование ИПДА не только класса А, но и класса В: «14.9.3 Аспирационные извещатели класса А, В рекомендуются для защиты больших открытых пространств и помещений с высотой помещения более 8 м: в атриумах, производственных цехах, складских помещениях, торговых залах, пассажирских терминалах, спортивных залах и стадионах, цирках, в экспозиционных залах музеев, в картинных галереях и прочее, а также для защиты помещений с большой концентрацией электронной техники: серверные, АТС, центры обработки данных». По ГОСТ Р 53325-2012 [2] аспирационные извещатели высокой чувствительности класса А должны обнаружить концентрацию дыма удельной оптической плотности менее 0,035 дБ/м (0,8%/м), а ИПДА класса В – менее 0,088 дБ/м (2%/м). Более детальные требования по чувствительности ИПДА приведены в стандарте по защите от пожара телекоммуникационных средств NFPA 76 2016 г. [4]. Помещения площадью более 232 м² (2500 фут²) защищаются системами сверхраннего обнаружения признаков пожарной опасности VEWFD (Very Early Warning Fire Detection), помещения площадью 232 м² и меньше – системами раннего обнаружения признаков пожарной опасности EWFD (Early Warning Fire Detection). Воздухозаборные отверстия аспирационных извещателей рекомендуется располагать прежде всего в ключевых точках, где скорее всего пройдет дым, например, в потоках возвращаемого горячего воздуха и на вытяжных вентиляционных решетках системы охлаждения. В системах сверхраннего обнаружения признаков пожарной опасности VEWFD при расположении отверстий аспирационного извещателя в один уровень защищаемая площадь должна быть ограничена максимальной величиной 18,6 м² (200 фут²) на одно воздухозаборное отверстие. Если трубы с отверстиями расположены в два уровня, то в каждом уровне площадь на отверстие должна быть не более 37,2 м² (400 фут²), причем в проекции площадь на одно отверстие верхнего и нижнего уровня ограничена величиной 18,6 м² (200 фут²). Кроме того, воздух, выходящий из защищаемой зоны, должен обязательно контролироваться на воздухозаборной решетке системы охлаждения из расчета не более 0,4 м² площади на каждое отверстие, что определяет максимальное расстояние между отверстиями не более 0,63 м. Порог срабатывания для системы раннего обнаружения признаков пожарной опасности EWFD должна быть установлен для формирования сигнала предтревоги на уровне не более 0,65%/м (≤0,029 дБ/м) удельной оптической плотности среды по каждому отверстию, уровень формирования сигнала «Пожар» – не более 3,2%/м (0,014 дБ/м). Время транспортировки проб воздуха от максимально удаленного отверстия не должно превышать 60 с. В системах раннего обнаружения признаков пожарной опасности EWFD защищаемая площадь на воздухозаборное отверстие не более 37,2 м² (400 фут²). Порог срабатывания ИПДА для формирования сигнала «Пожар» не более 5%/м (0,219 дБ/м) удельной оптической плотности среды по каждому отверстию. Время транспортировки от максимально удаленного отверстия не должно превышать 90 с. Требования по системам сверхраннего VEWFD и раннего обнаружения EWFD признаков пожарной опасности по NFPA 76-2016 приведены в таблице 1. Таблица 1. Требования к системам обнаружения по NFPA 76-2016
Кроме того, в приложении А NFPA 76-2016 даны дополнительные рекомендации по порогам сигналов для различных систем и по защищаемым площадям для помещений с высоким и низким воздухообменом. К воздухозаборных отверстиям, расположенным в потоке нагретого возвращаемого воздуха в горячих коридорах или выше стоек, предъявляются более высокие требования, если воздухообмен превышает величину 30 циклов в час (таблица 2). Таблица 2. Чувствительность и расстояния между воздухозаборными отверстиями ИПДА
Требования по системам сверхраннего обнаружения по NFPA 76-2016 значительно превышают требования, приведенные в проекте СП5.13130, и по чувствительности, и по площади. Полностью исключена возможность использования ИПДА класса В, а чувствительность ИПДА класса А должна быть повышена в 1,5 раза для помещений с низким воздухообменом и в 2,5 раза для помещений с высоким воздухообменом. Величина защищаемой площади на одно отверстие аспирационного извещателя сокращается до 9,3 м², соответственно, расстояния между отверстиями должны быть не более 3 м. Таким образом, в помещении ЦОД площадью 270 м² трубная сеть ИПДА должна иметь не менее 30 отверстий. Для обеспечения чувствительности по каждому отверстию 0,328%/м (0,014 дБ/м) порог в ИПДА с учетом разбавления дыма чистым воздухом через остальные отверстия и с запасом на разбаланс чувствительности по различным отверстиям должен быть не более 0,0066%/м, или 0,00028 дБ/м. Интересно распределение порогов срабатывания для различных систем, приведенное в таблице 2. Сигналы предварительной тревоги формируются при минимальных уровнях задымления, значительно меньших по сравнению с сигналами «Пожар» и сигналами на управление пожарной автоматикой. Запуск пожаротушения производится в 15–30 раз большей оптической плотности, при уровне дыма, достаточного для срабатывания точечных пожарных извещателей. Таким образом, у дежурного персонала имеется достаточно времени для устранения неисправности оборудования до запуска пожаротушения. Тестовые очаги для ЦОД Для оценки уровня защиты помещений с электронным оборудованием в процессе эксплуатации определены тестовые очаги в соответствии с пожарной нагрузкой в виде перегрева отрезка кабеля. В различных стандартах варьируется тип кабеля, длина отрезков и режим нагрева. В стандарте NFPA 76-2016 [4] в Приложении B определены процедуры выполнения тестов для систем сверхраннего и раннего обнаружения признаков пожарной опасности. Отмечается, что проведение этих тестов связано с выделением вредных газов и с локальным нагревом, требуется соответствующая защита, определенная действующим законодательством. В этих тестах образуется небольшое количество дыма, что характерно для ранней стадии пожара при эксплуатации телекоммуникационного оборудования. После успешного проведения тестов можно быть уверенным, что установленная система способна обнаружить выделение не большого количество дыма, как при этих тестах. Эти испытания представляют собой баланс между необходимостью использовать тип дыма, характерный для объектов данного типа, и желанием минимизировать степень воздействия выделяющихся при этом газообразных химических соединений, которые могут привести к повреждению оборудования. Во всех тестах используется электрически перегруженный кабель с ПВХ-изоляцией. При проведении тестов становится заметным специфический запах, который должен рассеиваться за короткое время после проведения теста. В стандарте NFPA 76-2016 также приведены параметры тестов из британского стандарта BS 6266. Различие тестов заключается в типе используемого источника питания, в сечении проводника кабеля и его длины (табл. 3). Таблица 3. Параметры тестовых очагов «Перегрев кабеля»
Во всех британских тестах по BS 6266 используется медный кабель минимального сечения 0,078 мм² с ПВХ-изоляцией толщиной всего лишь 0,3 мм и источником напряжения 6 В соответственно, величина тока при подключении кабеля различной длины и при его нагреве будет изменяться в некоторых пределах. В первом тесте длина кабеля равна 2 м, сопротивление проводника достаточно большое, и изоляция за 180 с нагревается до сравнительно небольшой температуры, при этом видимый дым практически отсутствует и запах хлористого водорода не чувствуется. Во втором тесте при подключении 1 м кабеля ток проводника и мощность нагрева увеличиваются примерно в 2 раза. Изоляция кабеля за 60 с нагревается до более высокой температуры, изоляция плавится, пузырится и чернеет. При этом выделяется видимый светлый дым и появляется неприятный запах. Причем после выключения источника питания проводник кабеля остается нагретым еще продолжительное время, и тест продолжается еще 120 с. За время проведения испытания общей продолжительностью 180 с кабель почти полностью обугливается. На рис. 8 показан тест с кабелем длиной 1 м, видна деформация изоляции, ее почернение и выделение дыма по всей длине. В модифицированном тесте по BS 6266 к источнику питания подключаются два отрезка кабеля по 1 м параллельно. Таким образом, тестовый очаг увеличивается в 2 раза, соответственно, повышается оптическая плотность среды, что позволяет проводить тестирование систем меньшей чувствительности. В североамериканском тесте в противоположность евротестам используется кабель значительно большего сечения – 0,326 мм² (AWG 22) – и с ПВХ-изоляцией толщиной 1,1 мм, т. е. почти в 4 раза больше, который подключается к стабилизатору тока на 28 А. Соответственно, через кабель пропускается ток, превышающий максимально допустимый примерно в 5 раз. Продолжительность нагрева кабеля сокращается до 30 с, и общая продолжительность теста составляет уже 150 с, т. е. 2,5 мин. В этом тесте выделяется еще больше видимого дыма, но за меньшую продолжительность времени, чем при тестах по BS 6266. Результаты экспериментальных исследований Для оценки необходимого уровня чувствительности ИПДА в ЦОД использовались дымовые тестовые спички и перегрев UTP-кабеля. Тестовая спичка выделяет небольшое количество дыма в течение 20 с. В аспирационном извещателе были запрограммированы одинаковые пороги по первому и второму детектору: «Предтревога 1» на уровне 0,002%/м (10% от порога «Пожар»), «Предтревога 2» на уровне 0,004%/м (20% от порога «Пожар»), «Предтревога 3» на уровне 0,01%/м (50% от порога «Пожар»), порог «Пожар» на уровне 0,02%/м. Трубы с отверстиями располагались на воздухозаборе системы охлаждения (рис. 4).
Рис. 4. Расположение труб ИПДА на воздухозаборе системы охлаждения При испытаниях дымовая спичка располагалась на высоте 1,5 м в холодном и горячем коридоре (рис. 5). На рис. 6 представлен график изменения удельной оптической плотности в ходе испытаний при горении спички в средине горячего коридора. Время обнаружения дыма тестовой спички при различном расположении приведено в таблице 4. Было зафиксировано время обнаружения дыма от спички первым детектором в пределах от 8 до 14 с и вторым детектором в пределах от 9 до 19 с в зависимости от места зажигания спички. Некоторое расхождение результатов по детекторам вызвано различным расположением их труб на воздухозаборе системы охлаждения.
Рис. 5. Тест с дымовой спичкой
Рис. 6. Удельная оптическая плотность дыма при горении спички в средине горячего коридора Таблица 4. Время обнаружения тестового очага «Дымовая спичка»
В модифицированном тесте с перегревом кабеля использовался отрезок стандартного кабеля UTP (один проводник) длиной 2,5 м, который подключался к выходу трансформатора TRA203-400W мощностью 400 Вт, с выходным напряжением 12 В и максимальным током 33А. Для компактности расположения очага кабель был свернут в виде спирали (рис. 7).
Рис. 7. Модифицированный тест – перегрев кабеля Кабель должен располагаться на негорючем изолированном основании, кроме того, должно быть исключено соприкосновение соседних витков спирали, которое может вызвать замыкание при нагреве кабеля. За счет протекания тока медный проводник нагревается, и через некоторое время изоляция начинает выделять дым с постепенным увеличением оптической плотности. На рис. 8 показан график изменения удельной оптической плотности в ходе испытаний при нагреве кабеля в конце горячего коридора.
Рис. 8. Удельная оптическая плотность при нагреве кабеля в конце горячего коридора Время формирования сигналов предварительных тревог и сигналов «Пожар» приведено в таблице 5. Температура поверхности изоляции кабеля и скорость нарастания оптической плотности дыма зависят от места расположения кабеля. В холодном коридоре поток холодного воздуха значительно снижает температуру поверхности изоляции, что определяет меньшие уровни выделения дыма по сравнению с тестами в горячем коридоре. При нагреве кабеля в холодном коридоре через 33–37 с фиксировалась удельная оптическая плотность на уровнях сигнала «Предтревога 1» и через 38–41 с – на уровнях сигнала «Предтревога 2» (табл. 5). При нагреве кабеля в конце горячего коридора через 31 с фиксировалась удельная оптическая плотность на уровнях сигнала «Предтревога 1», через 35 с – на уровнях сигнала «Предтревога 2», через 39–40 с – на уровнях сигнала «Предтревога 3» и через 44–45 с удельная оптическая плотность дыма фиксировалась на уровне сигналов «Пожар». Таблица 5. Время обнаружения тестового очага перегрева кабеля
Выводы: Экспериментальные исследования показали возможность обеспечения сверхраннего обнаружения признаков пожароопасной опасности в ЦОД в условиях высоких скоростей воздушных потоков при контроле воздушного потока на воздухозаборе системы охлаждения. Тестовые очаги с выделением небольшой концентрации дыма в виде дымовых спичек и перегрева отрезков кабеля UTP обнаруживались независимо от их расположения в различных частях горячего и холодного коридора. При прохождении через пространство до воздухозабора дым распространяется на значительную площадь и поступает в трубопровод через значительную часть воздухозаборных отверстий. При этом снижается влияние разбавления дыма чистым воздухом через остальные отверстия, т. е. возникает так называемый коммулятивный эффект. Конечно, при отказе оборудования дым на выходе из блока и в горячем коридоре имеет значительно большую концентрацию, но в малом объеме, что определяет возможность его прохождения между воздухозаборными отверстиями, даже если они расположены через 3 м. Таким образом, для обеспечения высокого уровня защиты ЦОД необходимо контролировать появление дыма на воздухозаборе системы охлаждения с порогом предварительной тревоги ИПДА порядка 0,01%/м (0,00043 дБ/м). При формальном расчете без учета коммулятивного эффекта при защите воздухозабора площадью 10 м2 трубопроводом с 30 отверстиями получаем чувствительность по одному отверстию 0,013 дБ/м, или 0,3%/м, что удовлетворяет рекомендациям стандарта NFPA 76-2016 для ЦОД со скоростями воздушных потоков более 30 м/с. Продолжение следует. Литература 1. Неплохов И. Извещатели пожарные дымовые аспирационные. Часть 1: классы ИПДА // Технологии защиты. – 2015 – № 3 2. ГОСТ Р 53325-2012 «Техника пожарная. Технические средства пожарной автоматики. Общие технические требования. Методы испытаний» 3. ГОСТ Р 53769-2010 «Кабели силовые с пластмассовой изоляцией на номинальное напряжение 0,66; 1 и 3 кВ. Общие технические условия» 4. NFPA 76-2016 «Стандарт для защиты от пожара телекоммуникационных средств» (Standard for the Fire Protection of Telecommunications Facilities) 5. BS 6266 «Нормы и правила по защите от пожара установок электронного оборудования» (Code of Practice for Fire Protection for Electronic Equipment Installations) 6. Неплохов И., Анненков А. Противопожарная защита банков // Алгоритм безопасности. – 2015 – № 3 7. Неплохов И. Эффективная защита ЦОД: сверхраннее обнаружение перегрева кабеля // Каталог «Пожарная безопасность –2016». 8. Свод правил СП 5.13130 (проект, окончательная редакция) «Системы противопожарной защиты. Установки пожарной сигнализации и пожаротушения автоматические. Нормы и правила проектирования», 2015
Внимание! Копирование материалов, размещенных на данном сайте допускается только со ссылкой на ресурс http://www.tzmagazine.ru