數據中心氣體滅火系統多防護區設置的研究

黃旭光 程麗 周丹萍 陳晞慜

摘要：數據中心是數字經濟時代的重要基礎設施，與民眾生活息息相關。氣體滅火系統是數據中心不可或缺的消防安全設施之一。通過對自動氣體滅火系統防護區相關規范、案例的分析，提出在數據中心設計階段設置多防護區的應用思路，以期降低數據中心消防設備投資，減少氣體鋼瓶運營維護費用。

關鍵詞：數據中心；氣體消防；防護區設置

自動氣體滅火系統滅火迅速，不影響機房設備在線運行；但造價昂貴、維護費用高。擇優選用滅火劑、合理設置防護區數量是關乎氣體滅火系統造價的關鍵因素。

20世紀五六十年代以哈龍（鹵代烷1211）為滅火劑的自動氣體滅火系統逐漸在工業、軍事等領域使用，為電子計算機房、通信機房等重要設施提供消防安全保障，并使通信設備可靠、持續、不間斷地運行。

20世紀末，工業化浪潮席卷全球，環境污染也愈演愈烈。哈龍（鹵族元素）成為破壞大氣臭氧層的首要因素，中國是《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）簽約國，于2005年12月31日將鹵代烷1211生產和消費全部淘汰。經過十幾年的發展和實踐，目前市場上普遍認可的鹵代烷替代物（潔凈氣體藥劑）分為2類：分別是氫氟碳化合物（HFC）和惰性氣體。

1 規范關于氣體滅火系統防護區設置的變遷

國內第一本氣體滅火設計規范GBJ110—87《鹵代烷1211滅火系統設計規范》1988年實施[1]。該規范首次提出了氣體防護區的概念，規定了防護區圍護結構和門窗的耐火極限以及壓強等要求。其中第2.0.1條第二款規定：“當采用管網滅火系統，防護區一個防護區的面積不用大于500m2， 容積不宜大于2000m3。”

GB50163—92《鹵代烷1301滅火系統設計規范》1993年實施[2]。鹵代烷1301針對人員更安全且適合零度以下使用。規范對防護區圍護結構強度、瓶組貯存壓力等參數提出明確要求，完善了滅火濃度、惰化濃度、貯存容器剩余量等參數的要求。

GB50193—93《二氧化碳滅火系統設計規范》1994年頒布[3]，中國為《蒙特利爾破壞臭氧層物質管制議定書》簽約國，當時國內沒有哈龍滅火劑替代產品，二氧化碳滅火劑一度作為哈龍替代品得以使用。由于它是高壓氣體滅火系統，產品質量不穩定、日常維護困難等原因。二氧化碳滅火系統多次意外噴放。在密閉機房中意外噴放的二氧化碳嚴重威脅人員生命安全，因此很快就淡出人們的視線。

GB50370—2005《氣體滅火系統設計規范》2006年發布實施[4]。進入21世紀，通信網絡行業高速發展。氣體滅火越來越廣泛地應用到建筑消防中，且實際應用效果突出[5]。通信建筑為了滿足機房設備的要求，向集中化、大型化發展。機房面積、層高也隨之大幅度提高，同時為了配合《蒙特利爾破壞臭氧層物質管制議定書》在中國落地。規范不僅推薦了3種潔凈氣體滅火劑：七氟丙烷、混合氣體和熱氣溶膠；而且就防護區的設置參數進行大范圍的調整。如防護區面積擴大1.6倍、體積增加1.8倍。規范還明確防護區數量不能超過8個，且設定為強制條文。規范原文如下：2個或2個以上的防火區采用組合分配系統時，1個組合分配系統所保護的防護區不應超過8個。之前氣體規范關于組合分配系統內的防護區數量不作限制的狀態被改變。相關規范數據的對比詳見表1。

組合分配系統的防護區數量 超過8個防護區的組合分配系統應有備用量 超過8個防護區的組合分配系統應有設備用量。備用量不小于設計用量 組合分配系統保護5個以上的防護區應有備用量，備用量應不小于設計的儲存量 1個組合分配系統所保護防護區不應超過8個；

72h不能充裝恢復的應設備用量

啟動方式 自動、手動、應急 自動、手動、應急 自動、手動、應急 自動、手動、應急

2 氣體防護區與電信樞紐樓

在21世紀初葉移動電話快速普及促進電信事業大發展，全國電信樞紐樓更是如雨后春筍般拔地而起。當時GB0370—2005《氣體滅火系統設計規范》還沒有頒布，也就是說在規范層面并沒有對氣體滅火系統的防護區數量的限制。工程實踐也是摸著石頭過河，大膽創新、探索切實可行的新方法。下面通過具體案例分析，闡述如何解決氣體滅火系統數量與防護區設置之間的矛盾。

2.1? 案例分析一：四川某電信樞紐樓

始建于2000年的四川某電信樞紐樓主樓：總建筑面積82300m2，標準層2980m2，地下2層，地上21層，建筑高度93.60m。大樓為電信全國一、二級干線及本地網的樞紐，設有市話交換機房、長途交換機房、數據機房；樓內共有42個電信機房需要設置自動氣體滅火系統。當時已經鹵代烷1301滅火劑已經處于限制使用狀態，急需尋找替代產品。

本電信樞紐大樓具有防護區域眾多，單個防護區域面積大，高樓層防護區與低樓層防護區之間垂直高差近90m等特點。1301（鹵代烷）滅火系統、FM200（七氟丙烷）滅火系統已超出了規范的適用范圍。EBM（氣溶膠）滅火系統由于不具有組合分配功能，造價相當高。只有低壓二氧化碳滅火系統，高壓二氧化碳滅火系統和IG541滅火系統較為適用。

通過詳細的方案比較，低壓二氧化碳滅火系統雖然投資較低，但低壓二氧化碳儲罐站設置在10層，儲罐站距地面50m；低壓二氧化碳噴放后，需長距離二次充裝，安全和泵送問題均無法解決。高壓二氧化碳滅火系統和IG541滅火系統投資較為相近，機房的二氧化碳滅火濃度是34%，遠高于致死濃度20%，在有工作人員的通信機房是絕對不允許的。而被稱為潔凈氣體IG541氣體滅火系統就成為首選。

當時國內制造商IG541氣體滅火系統產品剛研究成功，尚未有成熟可靠的產品。針對近百米高的電信樞紐樓，還有2個關鍵問題需要解決。

其一，選擇閥的設置位置：本項目有42個防護區，分散在21個樓層。瓶組間雖然設置大樓位于中間10層，如42個選擇閥集中設置瓶組間，供樓上、樓下方向輸送藥劑DN150管道各有20根。管道井面積巨大，豎向氣體管道的管道井占用的機房面積，高層建筑樓層可利用機房面積本來就低，樓層面積利用率被進一步壓低。

其二，氣體火系統是否正確啟動是撲滅火災的關鍵之關鍵。規范均要求必須同時滿足自動、手動、機械應急3種啟動方式。通過操作設在鋼瓶間的氣體鋼瓶容器閥上的緊急機械啟動器或區域選擇閥上的緊急機械啟動器，來開啟整個氣體滅火系統[6]。機械應急啟動是氣體滅火系統最后一道保障、必須萬無一失。如果選擇閥分散在各樓層，選擇閥與瓶組間的距離最遠達60m。2000年時期國產的選擇閥均是氣動啟動，建筑物內長距離啟動管線（銅管）敷設需途經許多樓層和房間，情況復雜，維護、管理等人為干擾因素眾多，安全無法保證。

經多方考察、調研，與當地消防主管部門多次協商。選擇引進具有多年氣體滅火系統制造經驗的美國公司（ANSUL）生產且符合NFPA2001—2000《潔凈氣體滅火標準》[7]的IG541氣體滅火系統。該公司產品不僅大量使用在大型通信機房、計算機機房；而且有船級社認證應用于遠洋輪船。該公司的2個關鍵產品電啟動選擇閥和鋼索式手拉機械啟動裝置使困難迎刃而解。

電啟動選擇閥消除了選擇閥與瓶組間之間的距離障礙。電選擇閥配有電啟動器，該元件用可在幾毫秒內電啟動并運行，可產生一個強大的機械力的輸出，瞬間打開選擇閥。選擇閥分散到各樓層，靠近機房布置，既提高了樓層面積的利用率，又節省了投資。見圖1。

鋼索式手拉機械啟動裝置用于應急操作時啟動選擇閥，提供自動、手動啟動失敗后最后的安全保障。纜繩用于把遠距人工手拉盒與容器閥、牽拉平衡器及控制盒連接起來，纜繩由不銹鋼絲繞成。在應急啟動容器閥、應急操作選擇閥的動作必須同時啟動時，拉索系統必須安裝遠距纜繩牽拉平衡器。牽拉平衡器安裝在遠距手拉盒的纜繩上。當拉動遠距離手拉盒時，連接牽拉平衡器的纜繩拉動內部的繩夾，繩夾拉動連接容器閥和選擇閥的纜繩，使它們同時動作。

樞紐大樓IG541氣體自動滅火系統簡：采用全淹沒方式，組合分配系統。共有42個防護分區，合用1個瓶組間，氣瓶瓶組間位于10層。滅火劑用量按最大防護區計算為222個瓶組，并設100％在線備用瓶組；合計444個瓶組。是國內單個組合分配系統擁有防護區數量最多的系統之一。

電信樞紐大樓2002年竣工投入使用以來，系統運行平穩、可靠，維護方便，獲得業主的贊同。樞紐樓榮獲信息產業部《2005年度通信工程優秀設計一等獎》《2005年度國家優質工程銀質獎》。

2.2? 案例分析二：云南某電信樞紐樓

建設于2002年的云南某電信樞紐樓，功能、用途相同。總建筑面積45600m2，地下1層，地上22層，建筑高度99.90m。樓內共有40個電信機房，設計采用了同一供貨商提供的IG541氣體滅火系統。樞紐樓榮獲中國住建部《2008年度全國優秀工程勘察設計獎銅獎》《2008年國家優質工程銀質獎》。

上述2個電信樞紐工程案例的成功建成，不僅節約了前期基本建設投資，還因為氣體瓶組數量的減少，大幅度降低氣體鋼瓶后期維護和定期更換的費用；取得較好社會、經濟效益，且均獲得國內相關部門的建設、設計、施工獎項，也佐證了自動氣體滅火系統防護區設置數量方面取得的有益探索。

3 防護區與數據中心

21世紀互聯網逐漸替代模擬技術的電信網絡，數字技術的移動互聯網時時刻刻地伴隨人們的生活。數據中心已經成為數據時代的核心節點。數據中心建筑不僅從多層向高層發展，而且單層建筑面積也達到數千平方米。單個主機房的面積和容積也越來越大[8]，1幢數據中心設置氣體滅火系統少則3～4套，多則7～8套，投資金額高達數千萬元。合理設置每套自動氣體滅火系統防護區數量不僅關系到數據中心的安全性，而且與消防工程造價密切相關。假設1幢數據中心只設置1套氣體滅火系統，不僅節省的基建投資，還大幅度降低氣體瓶組等后期運營維護成本。

4 結語

通過對自動氣體滅火系統防護區相關規范、案例的分析，提出在數據中心設計階段的設置多防護區的應用思路：

第一，靠近防護區設置的選擇閥且優先使用電啟動選擇閥。

第二，需使用簡單可靠的遠程應急機械啟動系統。

以期降低數據中心消防設備投資，減少氣體鋼瓶維護更換費用。隨著我國經濟持續發展，科技水平快速提升，工業制造業不斷追趕國際先進水平，氣體滅火系統相關產品制造技術也隨之得以提升，2015年國產的電啟動選擇閥已經研制成功并投入量產。氣體滅火系統制造商加速研發，解決選擇閥遠程啟動可靠性問題，期待國產超多防護區的自動氣體滅火系統出現。

參考文獻：

[1]GBJ 110—87 鹵代烷1211滅火系統設計規范[S].

[2]GB 50163—92 鹵代烷1301滅火系統設計規范[S].

[3]GB 50193—93 二氧化碳滅火系統設計規范[S].

[4]GB 50370—2005 氣體滅火系統設計規范[S].

[5]云曉晴.氣體滅火系統在建筑消防中的應用研究[J].今日消防，2022，8（9）：80-82

[6]榮全穩，周丹萍，陳晞慜.數據中心氣體滅火系統設計探討[J].工程技術研究，2020（70）14：208-209.

[7]NFPA2001—2000 Standard on Clean Agent Fire Extinguishing Systems[S].2000.

[8]關永芬.大型數據中心氣體滅火系統設計問題探討[J].給水排水，2010（36）：81-83

Research on multiple protection areas setup of gas fire extinguishing system in data center

Huang Xuguang， Cheng Li， Zhou Danping，Chen Ximin

（Huaxin Consulting Design and Research Institute Co.， Ltd.， Zhejiang Hangzhou 310052）

Abstract： Data centers are important infrastructure in the era of digital economy and are closely related to people's lives. Gas fire extinguishing system is one of the indispensable fire safety facilities in data centers. Through the analysis of the relevant specifications and cases of automatic gas fire extinguishing system protection areas， the application idea of setting up multiple protection areas in the data center design stage is proposed， in order to reduce the investment in data center fire equipment and reduce the operation and maintenance costs of gas cylinders.

Keywords： data center; gas fire protection; protection area setup