數據中心自動滅火系統應用分析

作者簡介：

黃旭光（1963- ），男，漢族，浙江杭州人，本科，高級工程師，研究方向：電信機房、數據中心建筑給排水設計。

摘要：數據中心作為互聯網核心交通樞紐，其運行安全可靠至關重要。針對數據機房功能特點以及自動氣體滅火系統、自動噴水滅火系統的優缺點，并結合2個數據中心園區消防系統設計實例[1]，認為配電房、電池室機房必須采用自動氣體滅火系統，其他功能機房根據數據備份要求選擇滅火系統，門廳、走廊、庫房等公共空間則采用自動噴水滅火系統，超大面積機房的數據中心應首選預作用自動噴水滅火系統。該結論有助于優化數據中心的自動滅火系統設計，可供其他數據中心建設參考。

關鍵詞：數據中心；機房消防；自動氣體滅火系統；自動噴水滅火系統

引言

隨著互聯網的蓬勃發展，物聯網、互聯網+、云計算等無不依托于數據中心，數據中心已成為互聯網核心交通樞紐。“十九大”以后，國家大力推行云計算、大數據，“東數西算”工程在全國范圍內規劃10個國家數據中心樞紐節點，掀起了全國建設浪潮。文言一心、ChatGPT、智能駕駛等人工智能技術、數字貨幣、加密貨幣等均需要數字中心提供算力支持。數字中心已經成為當今社會的構成要素，是數字經濟的發展基石，經濟社會轉型升級的重要支撐。當數據中心運行出現癱瘓時，對國民經濟造成的損失是巨大的，數據中心安全、可靠與社會的方方面面密切相連。火災是數據中心運行時主要危險因素之一，目前在實際工程的運行中，自動滅火設施是保障數據中心安全運行必不可少的防護手段。本文將依據數據中心火災特點，對比自動滅火系統優缺點，并結合實際工程應用進行分析。

一、數據中心火災分析

數字時代發展日新月異、技術快速迭代，核心設備服務器布置應靈活可變。為滿足發展的需要，數據中心機房通常采用高大開間布局，單間數據機房的面積越建越大。比如某數據中心，最大的一個機房的面積達1200m2，層高5.5m，體積6600m3。數據中心機房面積增大給自動滅火系統的設計帶來巨大挑戰，設計必需既能高效滅火，又投資合理。

互聯網的核心設備是計算機服務器，數據機房是服務器的工作場所。連排數據機柜中的服務器承載著海量的數據信息，是數字經濟建設和服務的關鍵。當某個機柜著火時，若不能及時撲滅，火災會迅速蔓延至相鄰的機柜，進而火勢增大，也可能蔓延至整個數據機房空間，造成不可逆轉的巨大損失。因而選擇合適的滅火系統，及時快速控制火情蔓延、高效撲滅火災至關重要。有統計表明，如果使用自動滅火設備，可以將75%的火勢控制在起火對象周圍，火勢僅有5%的機會蔓延至相鄰設備[2]。

根據《建筑防火通用規范》（GB550037-2022）[3]、《消防通用設施規范》（GB550036-2022）[4]、《建筑設計防火規范》（GB50016-2014）、《數據中心設計規范》（GB50174-2017）[5]相關要求，大型數據中心應設置室內外消火栓系統、自動滅火系統。其中自動滅火系統分為自動氣體滅火系統、自動噴水系統兩大類。文章將分類別進行介紹，并對比優缺點，以便選擇適合于具體工程的滅火系統。

二、數據中心自動滅火系統

（一）自動氣體滅火系統

自動氣體滅火系統是通過噴射藥劑撲滅火災，屬化學滅火。早期使用鹵代烷1211、1301滅火劑，在使用過程中發現鹵族元素對地球臭氧層造成破壞，因而根據《蒙特利爾破壞臭氧層物質管制議定書（Montreal Protocol on Substances that Deplete the Ozone Layer）》，已列入停止使用范圍。鹵代烷替代品有氫氟碳化合物（HFC）包括七氟丙烷（FM-200）、三氟甲烷（FE-13）、全氟己酮（Novec1230）、混合氣體（IG541）、氮氣（IG100）等。目前數據中心主要用到的是七氟丙烷和混合氣體，詳述如下：

七氟丙烷（FM-200）是化學滅火劑，滅火劑熱分解會產生含氟的自由基，與燃燒反應過程中活性自由基發生氣相作用，從而抑制燃燒過程中的化學反應來實施滅火，具有控火率高、瞬間滅火的效果。七氟丙烷滅火劑的成本較高，管道施工成本相對較低。

混合氣體滅火是讓機房空間充滿混合氣體，使機房空間的氧氣濃度降低，達到滅火的效果，屬于物理滅火，也就是通常所說窒息滅火。混合氣體藥劑組成均為大氣中天然成份，對臭氧的耗損潛能值為零，全球溫室效應影響值也為零。另外，混合氣體滅火系統設計時應確保機房空間的設計濃度不應大于有毒性反應濃度，以保證機房人員能安全撤離。混合氣體藥劑價格低廉，但管道、瓶組間等成本偏高。

（二）水滅火系統

天然水是自古以來就廣泛使用的滅火劑，不僅易于取得，而且可以循環使用、滅火效率極高。滅火機理主要有冷卻、窒息、稀釋等方面。但噴水滅火后的水漬侵害無法避免，只有在其他數據中心內安裝有承擔相同功能熱備份系統時，數據中心才可以使用自動噴水滅火系統，常用的有預作用自動噴水系統和高壓細水霧滅火系統。

預作用自動噴水滅火系統：在火災發生初期，機房內煙霧彌散，煙感火災報警系統第一時間啟動排氣閥，水通過報警閥快速充滿噴淋管道系統；若機房溫度繼續上升，噴頭玻璃泡爆裂，實現灑水滅火。該系統簡單、安全可靠，施工技術成熟、維護管理方便，滅火速度快，造價低廉，廣泛地應用于工業和民用建筑。

高壓細水霧滅火系統：使用特定噴嘴，通過高壓噴射產生超細水霧微粒，相對同等體積的水，其表面積劇增數千倍。滅火機理主要是表面冷卻降溫、阻隔氧氣，既降低了著火點附近空氣中的氧氣濃度，又有非常好的降溫除煙效果。耗水量約為水噴淋系統的5%～10%，減少大量廢水對設備的損壞，具有可靠性高、維護方便、系統使用壽命長的優點。

（三）分析與比較

根據《數據中心設計規范》，數據中心依據安全、穩定、可靠等運行要求，將重要性劃分為A、B、C三級。規范針對不同等級的數據中心明確規定不同的消防安全要求。在實際工程中，需要設計人員針對某一個特定的數據機房從可靠性、造價、運維成本等方面綜合分析確定。

1.氣體滅火系統是通過煙溫感報警系統啟動藥劑噴放來完成滅火。在火災初期階段，可以保證起火點附近服務器正常工作，火災過后可以快速恢復工作。《氣體滅火系統設計規范》[6] 要求使用氣體滅火防護區面積不大于800m2，體積不大于3600m3。另外，該規范還要求機房圍護結構能承受1200Pa的壓力，以保證氣體噴放以后，氣體壓強增加后機房隔墻的完好，這在一定程度上增加了機房的土建造價。

2.水滅火系統簡單，既能拯救生命和保護財產，同時也能對整幢建筑提供保護。一方面，機房面積空間不受限制，適應數據中心未來發展要求。另一方面，水也會損害到服務器，火災過后系統恢復困難。預作用自動噴水系統啟動時，火場燃燒已經有一定的時間，環境溫度可能已經超過68℃，這時機房服務器設備已經被火災所產生的濃煙和熱量所損害。因此，對于數據機房滅火使用水滅火劑一直存有爭議。數據中心物業通常有自用、出租兩種經營模式。各電信運營商具有互聯網帶寬資源優勢和多年運營電信專業級機房經驗；建設高等級數據中心，搶占數據中心市場的制高點。故電信運營商數據中心消防設施以災后可以迅速恢復工作的自動氣體滅火系統居多。

隨著國內移動互聯網快速發展，智能手機的普及，數據應用量呈爆炸性增長，各行各業互聯網企業自建數據中心異軍突起。互聯網企業數據中心以機房平面靈活可變、求新、求快、節電、節水的原則推進數據中心建設。同時互聯網企業數據中心多采用多點布局的災備冗余方式。如在同一城市布局二～三個相同等級的數據中心互為熱備份；也有采取不同的城市設置數個互為熱備份的數據中心。互聯網巨頭的創新思維使得自動噴水滅火系統快速引入數據中心。

對比運營商數據中心和互聯網公司數據中心，其均作為算力中心、云計算、金融等承載關鍵核心業務的數據中心機房，不允許出現宕機事故，一旦發生火災財產損失巨大、社會面影響不可估量。因此，當災備冗余不足時，必須選擇保證服務器在線運行氣體滅火系統。而有異地冗余災備設計數據中心機房，即所有數據都已經被復制備份到其他地方數據中心時，就可以直接使用滅火效率高、施工快速、維護簡單、環境友好的水滅火系統。

三、實際工程案例

（一）貴州某運營商數據中心

單幢數據中心總建筑面積18021m2，地上四層，一層層高為6.00m，二～四層高為5.30m，大樓建筑高度22.50m，屬于多層工業建筑，樓內設主機房、傳輸機房、變配電室、制冷機房、進線室、鋼瓶間、設備區等。由于建設方是運營商，除自用以外，大多數是以出租方式運營。建設初期，客戶的不確定性導致無法知道數據中心是否具備容災冗余。因而數據機房、傳輸機房、變配電室等采用自動氣體滅火系統。其中自動氣體滅火系統采用三套七氟丙烷氣體滅火系統，共設有24個防護區；鋼瓶間分別貼近各系統保護區設置。數據中心最大防護區機房面積510m2，體積2637.6m3，經計算最大防護區滅火劑需要量為1761.8kg，90L鋼瓶數量為28個。合計七氟丙烷鋼瓶84個，氣體設備投資720萬元。其他區域設有室內消火栓系統，制冷機房、辦公用房、工具間及走道等非設備運行房設置預作用自動噴水滅火系統[7]。

（二）杭州某互聯網數據中心

單幢數據中心總建筑面積23653m2，地上五層，一層層高為8.00m，二～四層高為6.5m，大樓建筑高度34.60m，為高層工業建筑，樓內設主機房、傳輸機房、變配電室、電池室、制冷機房、進線室、鋼瓶間、設備區、備品備件等。大樓設有室內消火栓系統和預作用自動噴水滅火系統。該數據中心為互聯網企業自用，由于其設有同城異地備份，因而數據機房除不能用水滅火的配電房、電池室等外，均設置預作用自動噴水滅火系統，最大機房面積972m2，體積6220.8m3，機房樓每層設預作用報警閥ZSFY型1組。每層或每個防火分區設水流指示器，并于水流指示器前設置能在消防控制中心顯示其啟閉狀態的信號閥門，噴淋系統合計投資142萬元。通過對比可知，采用自動噴水滅火系統不僅造價明顯低于自動氣體滅火系統，還節省氣體滅火瓶組間所需面積數百平方米，經濟效益明顯。

結語

數據中心作為互聯網核心交通樞紐，是數字經濟的發展基石，經濟社會轉型升級的重要支撐。數據中心運行的安全、可靠至關重要，本文對自動氣體滅火系統和自動噴水滅火系統進行了詳細對比，根據數據中心的建設模式和要求，進行選擇。A、B級數據中心等級高、冗余不足時，應采用自動氣體滅火系統；A、B級數據中心有異地災備冗余時以及保護要求相對較低C級數據中心，可采用自動噴水滅火系統；同時具備兩種選擇時，優先選擇自動噴水滅火系統；配電房、電池室等必須采用自動氣體滅火系統；超大面積數據機房應首選預作用自動噴水滅火系統。

綜上所述，合理設計數據中心的滅火系統，有效控制并及時撲滅火災是設計的重點[8]。因此，要結合房間使用功能、造價、環保、異地冗余災備情況等擇優選擇建設方案，以經濟、環境友好、維護成本等為依據選擇滅火藥劑，具有異地災備冗余和超大面積機房的數據中心應首選預作用自動噴水滅火系統。

參考文獻

[1]劉斌.數據中心園區消防系統設計分析[J]. 江蘇建筑，2019（04）.

[2]從亞馬遜建數據中心發生火災，談數據中心防火措施》.http：//www.enkj.com/idcnews/Article/20150110/ 6989，2015-1-10.

[3]GB550036-2022消防通用設施規范[S].北京：中國計劃出版社，2022.

[4]GB50174-2017數據中心設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2017.

[5]GB50016-2014建筑設計防火規范 [S].北京：中國建筑工業出版社，2014.

[6]GB50370-2005氣體滅火系統設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2006.

[7]翁時超.預作用自動噴水滅火系統在數據中心中的應用探討[J].給水排水，2022，48（S1）：4.

[8]黃以明，王麗.大型數據中心建筑消防系統的研究[J].中國給水排水，2014（16）.