IT4Innovations – budova Národního superpočítačového centra při VŠB-TUO

V současné době má univerzita sedm fakult, z toho čtyři z nich, konkrétně Hornicko-geologická fakulta, Fakulta materiálově-tech- nologická, Fakulta strojní a Fakulta  elektrotechniky  a  informati- ky,  sídlí  v  porubském  kampusu  a  Fakulta  stavební  je  na  dohled  v městské části Poruba-sever. Studenti Ekonomické fakulty mají zázemí v centru města a nejmladší fakulta, Fakulta bezpečnostního inženýrství, sídlí v městské části Ostrava-Výškovice. Ta spolu s Fakultou stavební vyučují v bývalých budovách základních škol a byly pro vysokoškolskou výuku upraveny.

Studenti si na  VŠB  –  Technické univerzitě Ostrava mohou vybrat z více než 200 oborů napříč technickými,  ekonomickými a přírodními vědami. Praxi či pozdější uplatnění najdou i v řadě výzkumných center,  kterých  je v kampusu také dostatek. Výzkumná centra jsou zaměřena na energetiku, suroviny, životní prostředí, robotiku, bezpečnost či modelování ekonomických a finančních procesů nebo informační technologie,  nové  materiály a konstrukce.

IT4Innovations – Národní superpočítačové centrum

Není proto náhodou, že právě v kampusu VŠB-TUO je využíván  jediný univerzitní superpočítač v České republice. Ten je součástí IT4Innovations – Národního superpočítačového centra. IT4Innovations provozuje nejvýkonnější a nejmodernější superpočítačové systémy v ČR. Tzv. superpočítání představuje vedle výzkumu teorie a provádění experimentů 3. pilíř vědy. Své opodstatnění to má zejména tam, kde experiment nelze realizovat vůbec, případně je experiment dražší, pomalejší nebo nebezpečnější (někdy vše dohromady). Systémy jsou k dispozici zejména akademickým výzkumným týmům a  komunitám z ČR, ale i ze zahraničí, kterým jsou poskytovány zdarma. Tyto projekty nicméně musí nejprve projít soutěží a expertním posouzením. Jinak řečeno, musí být k poskytnutí výpočetní infrastruktury doporučeny na základě tzv. výzkumné excelence. Ročně přidělí IT4I výzkumným projektům kapacitu v objemu 172 mil.  corehours  (jádrohodin). V tzv. doplňkovém hospodářském využití mohou –  za  úplatu  –  využívat  systému  komerčně i firmy. Další doposud nepříliš využívanou možností je společný výzkum veřejného a komerčního sektoru. Nejen k tomu nabízí IT4I expertizu v oblastech náročných numerických simulací, virtuálního prototypování a  datových  analýz a simulací.

Výpočetní kapacita superpočítačů v IT4I je  postupně zvětšována, a navazuje tak na růst poptávky výzkumné komunity. (Převis poptávky nad alokací rostl z 14 % v roce 2016 na 42 % v roce 2018, počet podpořených projektů ze 120 projektů v roce 2016 na 164 projektů v roce 2018.) V roce 2018 bylo podpořeno nejvíce projektů, 61 % z oblasti materiálových věd, 24 % z biovědy a v jednotkách procent pak v oborech: inženýrství, fyzika, věda o zemi, aplikovaná matematika, výpočetní vědy a astrofyzika. Přes určitou skepsi v některých kruzích před realizací projektu se podařilo od začátku zajistit takovou úroveň a rozsah superpočítačových služeb, tedy takovou kvalitu a rozsah nabídky, že poptávka od samého počátku nabídku poměrně výrazně převyšuje. Superpočítání se tak pro vědeckou komunitu v ČR stalo relativně rychle dostupným, a to v rozsahu i úrovni zcela srovnatelnými se standardy ve vyspělých západoevropských zemích.

Architektonické a výtvarné řešení

Stavba IT4I  je  téma,  které  svou  nadčasovostí  a  progresivností do značné míry přesahuje danou dobu i lokalitu. Samotný výraz budovy by měl na první pohled evokovat poslání a oblast, ve které se budeme po vstupu do budovy pohybovat. Jedná se o budovu postavenou na pravidelném půdorysu o výšce čtyř nadzemních podlaží, jednoho podzemního podlaží, zastřešena je plochou střechou. Dům je v podstatě kompaktním kvádrem, který představuje kovovou skříň na počítač. Na kvádru je aplikován motiv do schématu převedené matiční desky. Vertikální spoje jsou jako nervy procházející přes celou výšku budovy. Na dynamice jejich zalomování je postaven celkový výraz budovy superpočítačového centra. Ta je ve struktuře fasády kompletní, narušuje ji pouze  akcentovaná  hmota ve  2.NP,  kde se nachází samotný datový sál se  superpočítačovými  technologiemi.  Ve večerních a nočních hodinách je nasvícen, a díky tomu prezentuje nervové centrum  celého  objektu.  Velkoformátová  dlažba  a  nervy z žulových dlažebních kostek jasně vymezují hlavní vstup do budovy. Uvnitř je budova rozčleněna podle funkčnosti a potřeb. Přes 3. a 4.NP prochází prosvětlené atrium, které vytváří flexibilní multifunkční prostředí např. pro meetingy, konference, workshopy, ale i pro pořádání společenských a kulturních akcí. Nadčasovost je jak v exteriéru, tak i interiéru podpořena volbou povrchových materiálů.

Technické a konstrukční řešení budovy

Vzhledem ke složitým základovým podmínkám byly základové konstrukce provedeny jako hlubinné – vrtané piloty o průměru 600 mm, 900 mm a 1200 mm, v kombinaci se základovou monolitickou železobetonovou deskou se ztužujícími trámy šířky 500 mm a výšky 450 mm nad horní hranu železobetonové desky. Základová konstrukce je uzavřena drátkobetonovou deskou sloužící jako podklad pro provedení podlahy.

Svislé nosné konstrukce tvoří monolitický železobetonový skelet se ztužujícími železobetonovými stěnami schodišťových jader a výtahových šachet a obvodovou nosnou železobetonovou stěnou. Na sloupové prvky je použit beton třídy C35/45-XC1, ztužující jádra  a obvodové stěny byly betonovány z betonu třídy C25/30-XC1, stěny 1.PP a 1.NP byly betonovány z betonu třídy C25/30-XC3-FX1, sloupy jsou z betonu C35/45-XC3-FX1.

Stropní desky (vodorovné konstrukce) jsou z monolitické křížem vyztužené a lokálně podepřené železobetonové konstrukce z betonu třídy C25/30-XC1 s hlavicemi vystupujícími 250 mm pod desku. Mezipodesty schodiště jsou tvořeny monolitickými železobetonovými deskami tl. 200 mm a ty jsou buď vetknuty do železobetonových schodišťových stěn a železobetonových stěn výtahového jádra, nebo jsou uloženy do stěny přes systémovou kapsu pro izolaci kročejového hluku.

Obvodový plášť je kombinací materiálů vytvářejících motiv matiční desky. Železobetonová stěna tl. 300 a 250 mm s kontaktním zateplovacím systémem pro snížení prostupu tepla a přerušení tepelných mostů je provedena na střeše strojovny VZT a u obvodových stěn schodišťového jádra a výtahových šachet 1.PP a 1.NP. Tloušťka tepelné izolace je 120 (150) mm.

Obvodové stěny trafostanice a rozvodny v 1.NP jsou z keramických tvarovek tl. 300 mm a obvodové stěny energobloku v 1.PP z keramických tvarovek AKU tl. 250 mm se stejným kontaktním zateplovacím systémem v tl. 120 mm.

Větraná fasáda, která tvoří hlavní část obvodového pláště, je provedena jako obvodová železobetonová stěna horních podlaží tl. 300 mm a plní zároveň nosnou funkci. Je zateplena fasádními deskami z hydrofobizované minerální plsti tl. 150 mm. Pohledovou část pak tvoří svislé zalamované pásy z titanzinkových šablon na plnoplošném bednění z OSB3 desek, ukotvené na nosné konstrukci z dřevěných hranolů s vyložením 500 mm od nosné železobetonové stěny.

Prosklená část fasády je řešena jako lehký obvodový plášť Schüco FW50+ s těmito parametry: reakce na oheň A1, vodotěsnost  RE 1200, odolnost proti vlastnímu zatížení 3 KN, odolnost proti zatížení větrem 200 Pa, součinitel prostupu tepla U = 0,9 W/m²K, průvzdušnost AE, vzduchová neprůzvučnost NPD. Barevný odstín skla je RAL 7016. Na fasádě jsou osazeny exteriérové žaluzie. Lamely jsou ze speciální hliníkové slitiny pro vnější použití s olemovaným okrajem, odolávající počasí, šířky 80 mm, tloušťky 0,45 mm, oboustranně povrchově upravené.

Budova je zastřešena jednoplášťovou plochou střechou s vnitřním odvodem dešťových vod. Střecha je ohraničena monolitickou  atikou výšky 700 (550) mm nad stropní desku. Velkoplošná prosklená střecha nad střešním atriem je realizována na nosnou ocelovou konstrukci, obvodový plášť zvýšené konstrukce je řešen jako železobetonová stěna. Zasklení je provedeno izolačním čirým dvojsklem  s bezpečnostní úpravou pro světlík. Sklo je v kombinaci čiré a pískované. V interiéru jsou instalovány textilní rolety ovládané motoricky  v bílé (krémové) barvě.

Dispoziční řešení

Pro stavbu administrativní části byl použit trojtraktový systém se střední chodbou, což umožňuje velkou variabilnost vytvořeného prostoru. Tento  systém  obíhá vnitřní atrium.  Dimenze vycházejí z modulu sloupů v podlažích pro parkování. Obdobně byl traktový systém použit i u podlaží superpočítače, nebylo tam však vytvořeno atrium (viz dispoziční schéma 2.NP). Ve střední části je umístěna recepce se zázemím, hygienické zařízení a skladové prostory. Je v ní využita možnost horního osvětlení přímo z atria. Datový sál je navržen v pravé části budovy. Budova je obsloužena třemi vertikálními komunikačními jádry, na severozápadní straně hlavním schodištěm s osobním výtahem, uprostřed vedlejším schodištěm mezi 3. a 4.NP a s osobo-nákladním výtahem mezi 1.PP a 4.NP, na severovýchodní straně funkčním únikovým schodištěm mezi podlažími.

Specifická technická infrastruktura

Energocentrum

Jádrem energocentra a klíčovým technologickým řešením byla instala- ce dvou záložních napájecích zdrojů – dynamických UPS (DUPS) v redundanci 1 + 1 o nominálním výkonu menší elektrárny 2 × 2500 kVA. Funkcí statoalternátoru je zajištěna „nepřerušitelná“ dostupnost kinetické energie pro krátké časy (cca 30 s). V případě výpadku elektrické energie je tak zajištěna potřebná energie na dobu náběhu vznětových, turbodmychadlem přeplňovaných dvacetiválcových výkonných motorů. Statoalternátor, elektromagnetická spojka a motor jsou souose uloženy na anti-vibračním odpruženém rámu. Celé zařízení je umístěno v centrální části energocentra na úrovni 1 PP. V rámci zázemí energo- centra je zbudováno hospodářství PHM, které je v případě potřeby schopno při doplňování zajišťovat energoprovoz teoreticky po neomezenou dobu. Superpočítač je tak technicky vzato připraven i pro případné nasazení v rámci krizových situací státu, regionu nebo Ostravy.

Počítačový sál

Počítačový sál je lokalizován na  úrovni  2.NP.  Horizontální  rozvody jsou  realizovány  v  900  mm  vysoké  zdvojené  podlaze  a  také  v 600 mm vysokém podhledu. Vertikální rozvody jsou zajištěny robustními vertikálními prostupy do energocentra a na 5.NP, kde jsou umístěny strojovny a chladicí technologie. Rozvody chladicí kapaliny jsou v bezesvarových rozvodech technologií Victaulic. V případě havárie tvoří podlaha záchytnou vanu a posléze je uniklá chladicí kapalina svedena do záchytné nádoby, odkud může být bezpečně odčerpána. Také další technologické rozvody a podpůrné konstrukce jsou navrženy a realizovány tak, aby zajišťovaly maximální možnou flexibilitu úprav do budoucna. Celý prostor je vzduchotěsně uzavřen a je v něm vytvářena nehořlavá atmosféra (atmosféra se sníženým obsahem kyslíku). Na přístup techniků a např. při instalacích nových výpočetních systémů je pamatováno dostatečně velkým přístupovým koridorem od nákladové rampy až do počítačového sálu.

Chlazení

Maximální chladicí výkon pro chlazení datového sálu je 1400 kW (!). Systém chlazení je z důvodu budoucí variability a flexibility připojení na datovém sále, z hlediska potřebných výkonů a různých teplot chladicí vody pro různé ICT technologie rozdělen do pěti samostatných okruhů. Vzhledem k umístění chladicích jednotek na střeše budovy a vzhledem k využívání tzv. free coolingu je ve všech chladicích okruzích použita nemrznoucí směs propylenglykol, voda. Okruhy chlazení teplou vodou jsou v rozmezí 15 až 80 °C, okruhy chlazení studenou vodou pro teploty 6–15 °C. Zdroji chladu jsou suché chladiče a dochlazovací výměníky. Využívají se chladicí jednotky s externím i interním free coolingem. Výhod free coolingu je využíváno při dostatečném rozdílu teplot mezi chladicí kapalinou na výstupu a teplotou vnějšího prostředí.

Využití odpadního tepla

Mimo využití pokročilých technologií při free coolingu využívá budova odpadní teplo superpočítačů k vytápění budovy a k ohřevu teplé vody. Teplo se získává z chladicích okruhů kaskádou pěti tepelných čerpadel a nominálního výkonu 90,1 kW. Kapacita využití odpadního tepla je tak  výrazně  vyšší  než  vlastní  potřeba  budovy  k  vytápění a ohřevu teplé vody. Na druhou stranu stabilní využití odpadního tepla není v běžném provozu triviální záležitostí. Množství odpadního tepla na vstupu systému rekuperace vykazuje značnou míru změn     a vyladění topného systému budovy (jeho řízení) trvalo dvě topné sezony. Stejné, ne-li větší problémy lze očekávat v případě dalšího využití odpadního tepla v rámci areálu VŠB-TUO, na které je nicméně systém rekuperace budovy v zásadě připraven.

Bezpečnost

Velká pozornost byla při přípravě věnována bezpečnosti.

Technologická a provozní bezpečnost

Technologická a provozní bezpečnost je zajištěna vysokou mírou redundance (1 + 1) všech nezbytných technických a technologických systémů tzv. non ICT infrastruktury, zjednodušeně řečeno infrastruktury nezbytné k chodu ICT infrastruktury (superpočítače). Další úroveň provozní bezpečnosti je zajišťována nepřetržitým monitorováním (v rámci speciálního MaR systému), který umožňuje technikům on-line monitoring i zásahy vzdáleným přístupem.

Požární bezpečnost datového sálu

Požární bezpečnost datového sálu je zajištěna preventivním opatřením – instalací technologie pro redukci kyslíku v chráněném prostoru (datovém sále). Úroveň kyslíku je zařízením OxyReduct snižováno na úroveň v rozmezí 15 až 15,2 % celkového objemu místnosti, a to aniž by byl vyrobený dusík v budově skladován. Jinými slovy kapacita zařízení je dostatečná pro 100 % potřeby datového sálu. Instalace technologie je podmíněna vzduchotěsností předmětného prostoru a přijetím režimových opatření na vstupu do datového sálu. Taková atmosféra pak aktivně brání vzniku požáru a zabraňuje šíření plamene. Mimochodem, i tato technologie je provozována v redundanci 1 + 1, takže ani v případě její poruchy není bezpečnost snížena. Jednalo se o historicky teprve druhou instalaci obdobné technologie v rámci ČR.

Vedle legislativou již  standardně  požadovaného  systému  EPS  jsou v budově  instalovány  a  provozovány  moderní  systémy  PZTS.SKV  a CCTV. Rozsah systému byl posouzen a navržen odbornou firmou působící v oblasti bezpečnosti budov a do projektu byly tyto bezpečnostní systémy dopracovány a integrovány dodatečně.

Závěr

Budova IT4Innovations Národního superpočítačového centra získala čestné uznání v soutěži Stavba roku Moravskoslezského kraje a byla také oceněna jako druhé vyhodnocené dílo v soutěži o titul Ostravský dům roku v roce 2014.

Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava počítá s postupnou rekonstrukcí budov a areálu a také s výstavbou budov nových, protože si je vědoma, že kvalitní infrastruktura je důležitá nejen pro její studenty, ale také akademické pracovníky a zaměstnance. Usiluje o to, aby byla moderní uznávanou technickou univerzitou, univerzitou vážící si svých tradic a současně podporující nové podněty a trendy, univerzitou inspirativní a otevřenou světu, ale zejména atraktivním místem pro studium ve všech typech studijních programů pro domácí i zahraniční studenty.