數據中心氣體滅火系統設計研究

崔延欣 呂青

摘要：本文主要對現有氣體滅火系統的分類及組成進行分析，比較多個氣體滅火系統，并對數據中心的氣體滅火系統選型提出建議。同時，本文還根據國家規范的要求，針對數據中心的特點，結合工程實際，闡述了數據中心氣體滅火系統的設計方法及要點。

關鍵詞：數據中心；氣體；滅火系統

DOI：10.12433/zgkjtz.20232443

隨著國家對數據中心行業的大力扶持，數據中心的建設規模與日俱增。在信息時代，數據中心和交通道路、通信網絡成為現代社會基礎設施的一部分。數據中心運行中斷會造成嚴重的經濟損失或公共場所秩序混亂。因此，保障數據中心安全運行的消防系統顯得尤為重要。數據中心設置有通信機房、電力電池室、高低壓變配電室等房間，這些房間的火災種類為帶電火災。針對此類火災，氣體滅火系統具有自動化程度高、響應速度快、滅火速度快、滅火后藥劑無殘留、對電子設備損傷小等優勢。因此，氣體滅火系統在數據中心項目中的應用最為廣泛。

一、氣體滅火系統分類

氣體滅火系統按滅火劑種類可分為七氟丙烷、IG541、二氧化碳、氮氣、三氟甲烷、熱氣溶膠等滅火系統；按保護形式可分為全淹沒系統和局部應用系統;按結構形式可分為有管網系統和無管網系統，其中，有管網系統又可細分為單元獨立式系統和組合分配式系統。不同滅火劑種類的系統按儲存容器的增壓壓力再細分，如七氟丙烷系統可分為一級增壓（2.5MPa）系統、二級增壓（4.2MPa）系統、三級增壓（5.6MPa）系統；IG541滅火系統可分為一級增壓（15.0MPa）系統、二級增壓（20.0MPa）系統。

二、氣體滅火系統比較

七氟丙烷對臭氧層耗損的潛能值為0，溫室效應的潛能值為0.6，在大氣中能夠留存31年，滅火劑的無毒性反應濃度為9%。因此，七氟丙烷在大氣中可以完全汽化，不留殘渣，具有很好的清潔性。七氟丙烷滅火劑不含固體粉塵、油漬，滅火效率高，滅火速度快，滅火劑的噴射時間較短，對設備的損壞較少。但七氟丙烷系統由于滅火劑儲存容器壓力、噴頭工作壓力等要求的限制，滅火劑的輸送距離也受到一定的限制。

IG541滅火劑由氮氣、氬氣、二氧化碳三種惰性氣體按一定比例混合制成，這三種氣體本身就是空氣的主要成分，因此，對環境幾乎無影響，對人員造成生理影響較小。但由于IG541滅火系統的壓力較高，對設備、管道、管件的承壓要求較高，使得系統的造價明顯高于其他系統。另外，IG541滅火系統所需的滅火劑儲瓶數量較多，儲瓶間所占的面積較大。

二氧化碳滅火劑具有較高的電絕緣性，滅火后無殘留物，能夠長期儲存不變質，還兼具價格低廉等優點。低濃度的二氧化碳無毒性，但當空氣中的二氧化碳濃度較高時，會破壞人體的呼吸器官，使人體產生頭暈、窒息、血壓下降、心悸、昏迷等中毒現象。因此，二氧化碳滅火劑在經常有人的防護區并不適用。另外，二氧化碳系統在滅火時還會產生冷萃現象，會對防護區內的精密儀器等設備造成損壞。

三、氣體滅火系統設計

（一）氣體滅火系統選擇

目前，應用較廣泛，技術成熟的氣體滅火系統是七氟丙烷、IG541和熱氣溶膠三種滅火系統。而熱氣溶膠滅火對電子設備的影響較大，因此并不適用于數據中心項目。數據中心項目普遍選用七氟丙烷滅火系統或IG541系統。這兩種系統在環境影響、人體健康影響、滅火效率、適用場所、運行維護、經濟性等方面各有優缺點。在工程實踐中，滅火劑輸送距離的影響往往會大于以上這些方面帶來的影響，甚至有些時候會對系統的選型起到決定性的作用。因此，對不同壓力、防護區面積、防護區容積、充裝量下的七氟丙烷和IG541兩種滅火劑最遠輸送距離進行計算研究。噴頭及管網的布置按理想狀態下考慮，噴頭間距均為5m。計算結果見表1。

由此可知，七氟丙烷滅火系統的輸送距離要遠小于IG541滅火系統，但IG541滅火系統的充裝量較低，所需儲存容器的數量較多，儲瓶間的面積較大。在工程實踐中，應根據項目的具體情況選擇合適的氣體滅火系統。

（二） 儲瓶間位置

儲瓶間是氣體滅火系統的源頭，在整個系統中占有十分重要的地位。儲瓶間的位置和尺寸對數據中心的平面布置有較大的影響。通常，在方案階段就要選擇最不利的防護區進行試算，以此確定儲瓶間的位置。儲瓶間宜靠近防護區設置，組合分配式系統的儲瓶間宜居中設置，盡量避免出現個別防護區距離儲瓶過遠的情況。在工程實踐中，可以將儲瓶間設置在數據中心屋面，這種做法不會占用下層通信機房和電力用房的空間，使得數據中心的機架數得以提升，并且還能在一定程度上減少管道上翻帶來的阻力。

（三） 管網及噴頭布置

氣體滅火系統的管網布置宜設計為均衡系統。這種布置方式主要有以下三個優點：一是在滅火效果方面，均衡布置的管網可以使滅火劑在防護區內均勻噴放，有利于增強滅火效果。二是在經濟方面，相關規范規定均衡管網內的滅火劑剩余量可以不計入系統滅火劑儲存量，可以節約節省工程投資和后期運維的成本。三是在設計工作量方面，采用均衡系統可以只選用一種規格的噴頭，在系統計算時，可以只計算最不利點的阻力損失，從而減少設計階段的計算量。

噴頭的布置還需要考慮數據中心的特點，結合所采用的空調形式設計。當防護區采用AHU空調末端時，吊頂夾層內可布置成一套上下噴的噴頭，避免系統的管道內容積和阻力過大。當防護區采用列間空調時，架空地板內敷設的是空調水管或空調冷媒管，可以認為架空地板內無可燃物和易燃物，且架空地板內的空間和上方空間不連通。在這種情況下，架空地板內可以不設置噴頭。當防護區采用機房專用空調（精密空調）時，架空地板內雖然沒有可燃物和易燃物，但是架空地板開孔率通常較高，架空地板內的空間和上方空間連通，防護區的容積應包含架空地板內的空間。鑒于對滿足噴放后氣體滅火劑在防護區內均勻分布的要求考慮，在工程實踐中通常在架空地板內也布置噴頭。

（四）氣體滅火系統計算

氣體滅火系統需要計算滅火設計用量或惰化設計用量、系統滅火劑儲存量、管網的設計流量、管網的阻力損失、儲存容器內壓力、管徑、噴頭工作壓力、高程壓頭、噴頭等效孔口面積、防護區的泄壓口面積等參數，七氟丙烷滅火系統還需要對管道內容積和流經該管網的七氟丙烷儲存量體積進行計算。在工程實踐中，經常會出現噴頭的工作壓力小于規范要求的壓力，以及管道內容積大于流經該管網的七氟丙烷儲存量體積的80%兩種情況，導致計算無法通過。增加管徑可以減小管網的阻力損失，從而增加噴頭的工作壓力。但是七氟丙烷滅火系統，管徑的增加會使管道內容積所占的比例增大；反之，縮小管徑可以使管道內容積所占的比例減小，但是會使管網的阻力損失增加，從而導致噴頭的工作壓力減小。降低儲存容器的充裝量，既可以增加噴頭的工作壓力，又可以減少管道內容積所占的比例，但是這種做法會使系統的儲存裝置數量增加，而且其調整的幅度有限，當儲存容器的充裝量過低時，實際的滅火效果會受到影響，因此，在工程實踐中不宜將充裝量設置得過低。

四、 與其他專業配合

（一）建筑結構專業

氣體滅火系統在實施滅火時所產生的氣體量較大，噴放的時間較短，會造成防護區內壓力急速明顯上升。因此，要求防護區維護結構允許承受內壓的壓強不宜低于1200Pa。另外，還應在防護區開設泄壓口，泄壓口的位置需要與建筑專業人員協商確定，避免與其他專業的孔洞發生沖突。

（二） 暖通專業

暖通專業應保證儲瓶間具有良好的通風條件，當儲瓶間設置在地下時，儲瓶間內應設置機械排風裝置，排風口應設置在儲瓶間下部，且排風管道不能與通風循環系統相連。防護區在滅火后還應通風換氣，換氣次數應滿足規范要求。

（三） 電氣專業

在消防系統中常采用感溫火災探測器和感煙火災探測器的兩個獨立火災信號的組合作為系統啟動裝置。數據中心內采用氣體滅火系統的防護區應設置火災自動報警系統。氣體滅火系統應在接到兩個獨立的火災信號后才能啟動，并且應使用高靈敏度的火災探測器。

控制系統應在氣體滅火劑噴放前聯動關閉防護區域的送風機、排風機、送風閥門、排風閥門，停止通風和空氣調節系統，關閉設置在防護區內的電動防火閥、聯動控制防護區域開口封閉裝置的啟動。

氣體滅火系統的控制器可設定不大于30s的延遲噴射時間，經過延遲后開啟相應防護區的選擇閥和啟動閥，啟動氣體滅火裝置。在啟動氣體滅火裝置的同時，應啟動設置在防護區入口處的火災聲光警報器和滅火劑噴放指示燈。

參考文獻：

[1]中華人民共和國住房和城鄉建設部. 建筑設計防火規范：GB 50016—2014[S].北京：中國計劃出版社，2014.

[2]中華人民共和國住房和城鄉建設部.消防設施通用規范：GB 55036—2022[S].北京：中國計劃出版社，2022.

[3]中華人民共和國建設部.氣體滅火系統施工及驗收規范：GB 50263—2007[S].北京：中國計劃出版社，2007.

[4]石會.酒店項目氣體滅火系統技術經濟比較分析[J].機電信息，2019（30）：90-91.