Entrauchungstechnik in einem Rechenzentrum.

Brand & Entrauchung: die richtige Strategie für die IT-Räume

Der Brand in belüfteter technischer Umgebung: ein spezifischer Ansatz

EOLIOS wurde mit einer Entrauchungsstudie eines Rechenzentrums hoher Dichte beauftragt, in dem die mit dem Brand verbundenen Risiken nicht mit einem herkömmlichen Ansatz behandelt werden konnten. Der analysierte Raum, repräsentativ für die übrigen Räume des Gebäudes, ist ausgelegt, um etwa 400 IT-Racks aufzunehmen, also eine thermische Gesamtlast von über 4 MW, vollständig abgeführt durch ein Kühlsystem mit Luftzufuhr in der technischen Galerie.

Dieses Niveau der Leistung, verbunden mit der Dichte der Anordnung, bedingt eine hohe Konzentration brennbarer Materialien, von Wärmequellen und Luftzirkulation in einem zugleich kompartimentierten und hochgradig technischen Raum.

Die Sicherheit der Feuerwehrleute gewährleisten: Studie der Erträglichkeit

Im Gegensatz zu einem öffentlich zugänglichen Gebäude ist das Gebäude nicht dazu bestimmt, ständig besetzt zu sein. Dennoch verlangt die geltende Sicherheitsregelung, erträgliche Bedingungen für die Operationen der Brandbekämpfung zu gewährleisten, insbesondere hinsichtlich Sicht, Temperatur und Wärmestrahlung.

Diese Anforderung gilt in Abwesenheit einer Entrauchung mit automatischer Auslösung: Die Aktivierung bleibt willentlich, vor Ort nach Beurteilung durch die Rettungsdienste durchgeführt. Das System muss also fähig sein, günstige Bedingungen wiederherzustellen, selbst wenn der Brand bereits ausgebrochen ist.

Die zu lösende Problematik bestand darin, die kritischen Konfigurationen eines lokalen oder ausgebreiteten Feuers zu identifizieren und die Fähigkeit des Entrauchungssystems zu bewerten, den Rauch abzuführen, ohne die Verbrennung zu verstärken. Es galt zu verstehen, wann und unter welchen Bedingungen ein Einsatz in Betracht gezogen werden konnte, unter Berücksichtigung des Verhaltens der technischen Anlagen — insbesondere des Luftrecyclings durch die Fanwalls, der Rolle des Zuluftplenums und der Geometrie des Gebäudes.

Die Simulation musste auch die Wirkung der Sprinkler einbeziehen, die — obwohl wirksam zur Begrenzung der Brandausbreitung — möglicherweise nicht ausreichen, um eine ausreichende Sicht zu gewährleisten oder die Umgebungstemperaturen rasch zu senken.

Kurz gesagt bestand das Ziel nicht nur darin, die Dimensionierung der Entrauchung und der Notfallsysteme zu validieren, sondern vor allem ihre reale Dynamik in einer komplexen Umgebung zu verstehen, um dem Kunden und den Kontrollbehörden eine präzise und fundierte Sicht auf die Sicherheit des Standorts zu liefern.

CFD-Simulation eines Brandes im Data Hall

Erstellung eines realistischen, an die Konfigurationen von Rechenzentren angepassten Modells

Um den Zielen der Studie zu entsprechen und eine realistische und vorausschauende Sicht der Brandphänomene im Data Hall zu liefern, hat EOLIOS einen Ansatz umgesetzt, der auf der numerischen Simulation der Strömungsdynamik beruht. Das verwendete Werkzeug, der Fire Dynamics Simulator (FDS), ist eine internationale Referenz in der Brandmodellierung. Entwickelt vom National Institute of Standards and Technology (NIST), ermöglicht es, die Rauchausbreitung, die Entwicklung der Temperaturen und das Verhalten der Luft in komplexen Umgebungen präzise zu simulieren.

Der erste Schritt bestand darin, ein 3D-Modell getreu der realen Geometrie des Raums zu erstellen, das alle die Strömung beeinflussenden Elemente integriert: Einhausung der Gänge, präzise Anordnung der IT-Racks, lichte Höhen, technische Galerien, Zuluftplenen und Systeme der Luftrückführung.

Besondere Aufmerksamkeit wurde der Darstellung der Luftbehandlungsvorrichtungen gewidmet, hier den Fanwalls, sowie den verschiedenen Punkten des Luftaustauschs zwischen den Volumen. Die Entrauchungsklappen, die Zuluftgitter und die Frischluftzuführungen wurden ebenfalls dargestellt, um ihre Rolle in den Mechanismen der Entrauchung nach ihrer Aktivierung zu bewerten.

Die für diese Studie gewählte Vernetzung ermöglichte es, eine feine Auflösung zu erreichen, mit über hundert Millionen aktiven Zellen, was eine getreue Wiedergabe der Gradienten von Temperatur, Rauch und Geschwindigkeit sicherstellt.

Identifizierung der potenziellen Brandherde

Drei Brandszenarien wurden definiert, um die wichtigsten kritischen Konfigurationen je nach Position des Herdes abzudecken:

• A

  Szenario A — Feuer am Anfang des Gangs.

• B

  Szenario B — Feuer am Ende des Gangs, nahe den Luftbehandlungseinheiten.

• C

  Szenario C — Feuer in der Mitte des Gangs.

Für jeden dieser Fälle wurden zwei Varianten untersucht: Feuer ohne Ausbreitung (ein einziges brennendes Rack) und Feuer mit Ausbreitung (Ausdehnung auf die benachbarten Racks alle zwei Minuten, mit Modellierung des Auslösens der Sprinkler).

Dimensionierung des Feuers und Rolle der Sprinkler

Das Verhalten des Feuers wurde realistisch dargestellt, auf Grundlage von Daten aus der wissenschaftlichen Literatur über die Entzündung der IT-Racks. Die definierte thermische Leistung entspricht einem repräsentativen Fall eines belüfteten Feuers in der Umgebung eines Rechenzentrums.

Jede Simulation wurde über einen Zeitraum von mehreren Dutzend Minuten durchgeführt, um die verzögerten Wirkungen des Feuers auf die Umgebung zu beobachten und die Auswirkung einer Auslösung der Entrauchung auf halbem Weg zu bewerten. Diese Wahl des Zeitfensters ermöglichte es, sowohl die Phase des Leistungsanstiegs des Feuers als auch die Phase der Stabilisierung nach dem Sprinklern zu analysieren, mit oder ohne Eingreifen der Entrauchung.

Schließlich hat EOLIOS für jedes Szenario die relevanten physikalischen Größen auf Kopfhöhe extrahiert: Temperatur, Sicht, abgestrahlter Wärmefluss und Luftströmungsgeschwindigkeit. Diese Daten wurden anhand der von der französischen Regelung und den internationalen Normen anerkannten Schwellenwerte der Erträglichkeit analysiert, was eine objektive Bewertung der Machbarkeit eines menschlichen Einsatzes in verrauchter Umgebung ermöglichte.

Analyse der Bedingungen der Brandbekämpfung

Wirkungen eines eingedämmten Feuers (1 Rack)

Die im Rahmen der Szenarien eines lokalen Feuers durchgeführten Simulationen haben gezeigt, dass die Innenumgebung beherrscht blieb. Wenn ein einziges Rack vom Feuer betroffen ist, bleibt die thermische Last moderat und die thermischen Wirkungen beschränken sich auf die unmittelbare Umgebung des Herdes. Auf Kopfhöhe überschreiten die Temperaturen nicht die kritischen Einsatzschwellen, und die abgestrahlten Wärmeflüsse bleiben unter den zur Gewährleistung der Sicherheit der Einsatzkräfte zulässigen Grenzwerten.

Die Rauchausbreitung bleibt in dieser Art von Konfiguration ebenfalls eingedämmt. Dank der Wirksamkeit der vertikalen Kompartimentierung und der Anwesenheit der Zuluft im Doppelboden tendiert der Rauch dazu, sich in den oberen Schichten zu konzentrieren und bildet eine stabile Schichtung, die die Zirkulationszonen kaum beeinträchtigt. Das stets aktive System der mechanischen Lüftung trägt dazu bei, die horizontale Diffusion dieses Rauchs zu begrenzen, ohne einen ungünstigen Überdruck zu erzeugen. So ist die globale Sicht im größten Teil der Anlage zufriedenstellend, auch in den benachbarten Gängen.

Dieses Verhalten validiert die für die Organisation des Data Hall gewählte Basisstrategie: Kanalisierung der Luftströme, Einhausung der Zuluft- und Rückluftzonen sowie klare Trennung zwischen Evakuierungswegen und Zonen potenzieller Ausbreitung. Unter diesen Bedingungen können die Rettungskräfte schnell eingreifen, ohne die Aktivierung des Entrauchungssystems abzuwarten — ein großer Vorteil bei einem in einem frühen Stadium erkannten Feuer.

Die Auswirkung der Ausbreitung auf Sicht und Temperaturen

Wenn sich das Feuer auf mehrere Racks ausbreitet, unter der thermischen Wirkung oder mangels frühzeitiger Erkennung, verschlechtern sich die Einsatzbedingungen erheblich. Die Ergebnisse veranschaulichen einen schnellen Anstieg der Temperaturen in den betroffenen Gängen, der in den ungünstigsten Fällen 100 °C auf Kopfhöhe überschreitet. Die Ausbreitung verändert lokal die Luftströme, insbesondere in der Nähe der Luftbehandlungseinheiten, was einen Effekt der Rezirkulation der heißen Gase zu den Rückluftzonen erzeugen kann.

Dieses Phänomen der Rückführung schafft Taschen überhitzter Luft in bestimmten Zonen des Raums, selbst in Entfernung vom Feuer, was die Fortbewegung der Rettungskräfte ohne verstärkten Schutz schwierig bis vorübergehend unmöglich macht. Zudem hat die anhaltende Verbrennung mehrerer kunststoffreicher Racks eine bedeutende Produktion von Ruß erzeugt, was einen schnellen Abfall der Sicht unter die erforderlichen Schwellen nach sich zieht. Ab der zehnten Minute wurden bestimmte Zonen des Raums vollständig undurchsichtig, was eine sichere Navigation ohne geeignete Ausrüstung unmöglich machte.

Die technischen Galerien, mit den Hauptvolumen über Kabeltrassen oder Lüftungskanäle verbunden, erleiden ebenfalls einen Temperaturanstieg und eine fortschreitende Kontamination durch den Rauch, was die Möglichkeiten eines indirekten Zugangs zum Herd begrenzt. In solchen Szenarien muss die Entrauchung aktiviert werden, um minimale Sichtbedingungen wiederherzustellen und den thermischen Lastanstieg des Gebäudes zu begrenzen.

Wirkung der Entrauchungssysteme auf den Brandschutz

Die Simulationen bestätigen die Wirksamkeit des wie konzipierten Entrauchungssystems, vorausgesetzt, es wird zum richtigen Zeitpunkt manuell ausgelöst. In den getesteten Szenarien leitet die Aktivierung der Entrauchungsklappen ab der vierzehnten Minute eine günstige Dynamik der Lufterneuerung ein, die den stagnierenden Rauch abführt und fortschreitend die Temperatur in den Zirkulationszonen senkt.

Dieser Mechanismus wirkt mit einer gewissen Trägheit, doch seine Wirkungen werden in den fünf bis sechs Minuten nach der Auslösung spürbar. Die Schichten heißer Gase werden von den Abzügen angesaugt und durch Frischluft ersetzt, die aus den unteren Ebenen oder den Pufferzonen eingebracht wird, was dazu beiträgt, am Boden zugängliche Volumen wiederherzustellen. Dies verbessert die Sicht, verringert aber auch den thermischen Druck auf die empfindlichen Strukturen und die noch nicht vom Feuer erreichten Materialien.

Gekoppelt mit dem Sprinklersystem, das die Wärmeintensität des Feuers begrenzt, stabilisiert die Entrauchung die Situation und öffnet ein Einsatzfenster für die Rettungskräfte. Die Simulationen zeigen, dass die Kombination dieser beiden technischen Systeme in wenigen Minuten eine erträgliche Atmosphäre im größten Teil des Data Hall wiederherstellen kann, selbst bei anfänglicher Ausbreitung — was die Bedeutung einer feinen Koordination zwischen Erkennung, Löschung und Abführung bestätigt, um ein wirksames Management des Feuers in dieser Art technischer Umgebung zu gewährleisten.

Der Beitrag von EOLIOS: die Expertise der Brandleistung

Numerische Werkzeuge im Dienste der Brandleistung

Angesichts so spezifischer Umgebungen wie der IT-Räume mit hoher Energiedichte zeigen die herkömmlichen Werkzeuge der Brandanalyse schnell ihre Grenzen. Für dieses Projekt hat EOLIOS eine fortgeschrittene Modellierung eingesetzt, um die realen Wirkungen eines Feuers in einem modernen Data Hall präzise darzustellen. Die Verwendung der Software FDS, gekoppelt mit einer vollständigen 3D-Modellierung des Standorts, ermöglichte es, zugleich repräsentative und verwertbare Szenarien zu simulieren, die die komplexen Wechselwirkungen zwischen Zuluftvorrichtungen, Kompartimentierung, Luftrezirkulation und Entrauchung integrieren.

Über die Modellierung hinaus hat EOLIOS die Studie so strukturiert, dass sie klare Indikatoren liefert: Temperatur, Sicht, Wärmestrahlung, Erträglichkeitsbedingungen… Jeder Parameter wurde auf Kopfhöhe analysiert, mit besonderer Aufmerksamkeit für die zulässigen Schwellen eines anhaltenden menschlichen Einsatzes. Dieser pragmatische Ansatz, auf die betrieblichen Bedürfnisse zentriert, ermöglicht es, nicht nur die intrinsische Leistung der Anlagen, sondern auch ihre Wirksamkeit in der realen Situation zu bewerten.

Ein klarer, zuverlässiger und gegenüber den Behörden verwertbarer Ansatz

Die Studie zeichnete sich auch durch ihre Fähigkeit aus, die Beteiligten des Projekts um ein gemeinsames Verständnis der Herausforderungen zu vereinen. Die Ergebnisse wurden in Form von illustrierten Berichten, Videoauszügen der Simulationen und raum-zeitlichen Kartierungen präsentiert, was ihre Aneignung durch die Bauherrschaft, die Betreiber, die Prüfstellen und die Feuerwehr- und Rettungsdienste erleichtert. Diese technische Pädagogik ist eine der Stärken von EOLIOS, die methodische Strenge und die Fähigkeit verbindet, die Information verständlich und direkt verwertbar zu machen.

Schließlich bildet diese Studie ein wertvolles Werkzeug des Dialogs mit den Verwaltungsbehörden. Sie zeigt, dass der Standort nicht nur die regulatorischen Anforderungen erfüllt, sondern auch Gegenstand eines freiwilligen Vorgehens der Vorwegnahme und Optimierung des Brandrisikos war. In diesem Sinne geht sie über die einfache Validierung der Auslegung hinaus, um Resilienz, Leistung und technische Verantwortung widerzuspiegeln.