高壓細水霧滅火系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心機房中的應用探討

戴 晶

上海市工程建設咨詢監(jiān)理有限公司 上海 200433

2020年，中央和地方政府部門在多個重要會議和公開場合要求加快數(shù)據(jù)中心等“新基建”建設進度，數(shù)據(jù)中心作為“新基建”的核心和主線之一，將為物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能等提供支撐[1-2]。據(jù)有關國際機構預測，到2030年，我國數(shù)據(jù)將占全球數(shù)據(jù)總量的30%，數(shù)據(jù)量及計算量呈指數(shù)級爆發(fā)，將帶動數(shù)據(jù)中心規(guī)模不斷擴張[3-4]。

隨著數(shù)據(jù)中心建設的快速發(fā)展，其對數(shù)據(jù)中心機房的消防安全提出了較高要求。如果數(shù)據(jù)中心機房發(fā)生火災，不僅設備損失嚴重，而且數(shù)據(jù)延誤或數(shù)據(jù)丟失的損失更加難以預估。國內(nèi)外都曾因數(shù)據(jù)中心火災給經(jīng)濟、社會帶來較大影響，因此數(shù)據(jù)中心的消防安全對數(shù)據(jù)中心的穩(wěn)定運營至關重要[5]。

1 數(shù)據(jù)中心火災特點

數(shù)據(jù)中心火災一般具有以下特點[6]。

1）火災風險大，電氣火災多。數(shù)據(jù)中心1個機柜的功率為4～7 kW，用電量大，且各種機柜、各類電線、數(shù)據(jù)光纜常年不間斷運行，機房隔墻防護性強、導熱性差，容易發(fā)生電氣火災。

2）散熱困難。數(shù)據(jù)中心機房設備對環(huán)境要求高，需要在較為穩(wěn)定的工況下工作，其空間的密閉性高。發(fā)生火災時，通過門、窗的散熱較慢，導致煙氣較大、熱量也滯留室內(nèi)，散熱較為困難。

3）火災撲救困難。數(shù)據(jù)中心建筑體量大，機房內(nèi)設備集成度高，防火分區(qū)多，機房內(nèi)火災擴展的速度快，再加上無人化的管理趨勢，撲救難度也越來越大。

2 高壓細水霧與氣體滅火系統(tǒng)對比

根據(jù)GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范》，數(shù)據(jù)中心機房常用的消防滅火系統(tǒng)包括：氣體滅火系統(tǒng)、細水霧滅火系統(tǒng)和自動噴水滅火系統(tǒng)。

自動噴水滅火系統(tǒng)因噴出的水劑絕緣性差，有導電風險，且漬水會造成設備損害，一般不推薦在數(shù)據(jù)中心機房中使用。

因此，本文僅對氣體滅火系統(tǒng)和高壓細水霧滅火系統(tǒng)進行對比分析，其中氣體滅火系統(tǒng)選取數(shù)據(jù)中心機房中常用的惰性氣體滅火系統(tǒng)和七氟丙烷滅火系統(tǒng)進行討論。

2.1 高壓細水霧和氣體滅火系統(tǒng)滅火原理

2.1.1 高壓細水霧滅火系統(tǒng)

高壓細水霧滅火系統(tǒng)采用特殊噴頭在特定的壓力范圍內(nèi)將水流直接分解成細小水滴進行滅火，達到降低氧氣濃度和快速冷卻降溫的目的。高壓細水霧噴放后，霧滴直徑小，不僅能快速降低火場溫度，而且霧滴迅速蒸發(fā)成水蒸氣，在此過程中體積迅速膨脹，可擴大1 700多倍，因而能在燃燒物周圍形成一道屏障，有效降低氧氣濃度，并有效降溫，從而實現(xiàn)滅火效果。

2.1.2 氣體滅火系統(tǒng)

惰性氣體滅火系統(tǒng)由氮氣、氬氣和二氧化碳按一定比例組成，噴發(fā)后降低防護區(qū)內(nèi)的氧氣濃度，達到窒息滅火的效果。

七氟丙烷通過阻斷燃燒鏈式反應滅火，噴發(fā)后產(chǎn)生大量氫氟酸，從而降低氧氣濃度，進而滅火。

2.2 高壓細水霧和氣體滅火系統(tǒng)對比分析

本文主要從對人員的安全性、對設備的安全性、環(huán)保性及經(jīng)濟性等幾個重要指標方面，對2種滅火系統(tǒng)進行對比分析[7-8]。

2.2.1 對人員的安全性

水作為高壓細水霧滅火系統(tǒng)的滅火劑，較為清潔，對人員無損害。

惰性氣體滅火系統(tǒng)中含一定量的二氧化碳，噴發(fā)后達到一定濃度時會對人員造成窒息風險。七氟丙烷噴放后會產(chǎn)生氫氟酸，有一定腐蝕性，會對人的呼吸道產(chǎn)生刺激，對人員的安全有一定影響。

2.2.2 對設備的安全性

高壓細水霧滅火系統(tǒng)，水霧顆粒細?。ㄖ睆皆?00 μm以下），試驗研究表明，其不會對電氣設備產(chǎn)生損害，但也有文獻表明可能存在一定的漬水風險，但風險較小。

惰性氣體滅火系統(tǒng)因其滅火劑均為惰性氣體，不會對電氣設備安全產(chǎn)生影響。七氟丙烷噴發(fā)后會生成氫氟酸，腐蝕電氣設備，不利于電氣設備安全。

2.2.3 環(huán)保性

高壓細水霧滅火系統(tǒng)的滅火劑—水，不產(chǎn)生溫室效應，不消耗臭氧層，是較為清潔的滅火劑。

惰性氣體滅火系統(tǒng)不破壞臭氧，但滅火劑成份含二氧化碳，屬溫室氣體，因此會對環(huán)境產(chǎn)生一定的影響。七氟丙烷滅火劑不破壞臭氧層，但會產(chǎn)生溫室效應，目前在美國、歐盟等發(fā)達國家已限制使用。

2.2.4 初投資

高壓細水霧滅火系統(tǒng)的滅火劑和水泵投資小，但不銹鋼管網(wǎng)和滅火關鍵噴嘴的投資相對較大。

氣體滅火系統(tǒng)的藥劑成本高，氣瓶間的土建投資大，這點在地價高的城市尤為明顯。

2.2.5 維護維修費用

高壓細水霧滅火系統(tǒng)管網(wǎng)材料為不銹鋼，其使用壽命較長，維護簡單，日常維護費用較少。

按照我國規(guī)范的規(guī)定，氣體滅火系統(tǒng)必須進行定期檢查，因此，日常維護和維修的費用高。氣體滅火系統(tǒng)管網(wǎng)一般采用無縫碳鋼管，相較于不銹鋼管網(wǎng)壽命大大降低。另外，如果需二次灌裝氣體滅火劑，其藥劑及檢驗成本也較高。

通過綜合比較，系統(tǒng)對比匯總內(nèi)容及推薦情況如表1所示。

表1 氣體滅火系統(tǒng)和高壓細水霧滅火系統(tǒng)對比匯總

綜上，在數(shù)據(jù)中心機房滅火系統(tǒng)選擇上，高壓細水霧滅火系統(tǒng)有明顯優(yōu)勢，可在我國數(shù)據(jù)中心機房滅火系統(tǒng)中進行推廣應用。

3 應用實例

3.1 項目概況

上海某銀行數(shù)據(jù)中心項目，擬建總建筑面積為9.9萬 m2，數(shù)據(jù)機房區(qū)域5.9萬 m2（2號樓），柴發(fā)動力區(qū)及110 kV用戶站1.1萬 m2（3號樓），運營管控樓及綜合樓2.4萬 m2（1號樓），地下車庫部分0.44萬 m2。本項目將建成為與世界接軌，達美國TIA-942標準T4級認證的數(shù)據(jù)中心。

3.2 高壓細水霧滅火系統(tǒng)設計參考依據(jù)

考慮到采用高壓細水霧滅火系統(tǒng)的優(yōu)勢，以及本數(shù)據(jù)中心與國際接軌的定位，經(jīng)專家論證，本項目數(shù)據(jù)機房樓（2號樓）決定采用高壓細水霧滅火系統(tǒng)，其設計參考國內(nèi)外標準，包括：GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范》、Water Mist Fire Protection Systems（美國細水霧標準NFPA 750—2019）、Water Mist Systems（歐盟細水霧標準EN 14972）、Water Mist Sprinkler Systems and Water Mist Extinguishing Systems（德國細水霧標準）和國外同類工程火災試驗數(shù)據(jù)及報告等。

3.3 機房區(qū)高壓細水霧滅火系統(tǒng)及工作原理

本項目機房樓共4層，由模塊機房、變電所、電池間、調試間構成，每層有8個防護區(qū)，整個機房樓共32個防護區(qū)。高壓細水霧系統(tǒng)均采用預作用式，并包括閉式和開式2種系統(tǒng)。其中模塊機房采用閉式系統(tǒng)，其他區(qū)域采用開式系統(tǒng)。

3.3.1 閉式系統(tǒng)工作原理

在準工作狀態(tài)時，泵組至分區(qū)閥組的管網(wǎng)內(nèi)始終存有1.8 MPa的壓力水，而保護區(qū)的管道內(nèi)為常壓空氣。當發(fā)生火災后，火災探測系統(tǒng)發(fā)出一路報警信號，F(xiàn)AS系統(tǒng)聯(lián)動開啟警鈴；當兩路探測器報警確認火災后，F(xiàn)AS系統(tǒng)聯(lián)動開啟聲光報警器及噴霧指示燈，同時啟動高壓細水霧主泵，打開相應區(qū)域的分區(qū)閥，保護區(qū)內(nèi)的管道壓力達到10～12 MPa，等待噴頭玻璃泡破裂。當噴頭玻璃泡遇熱達到爆裂溫度破裂后，噴頭開始噴霧滅火。噴放區(qū)域僅限于火災發(fā)生的范圍內(nèi)。工作流程如圖1所示。

圖1 閉式系統(tǒng)工作流程

3.3.2 開式系統(tǒng)工作原理

在準工作狀態(tài)時，泵組至分區(qū)閥組的管網(wǎng)內(nèi)始終存有1.8 MPa的壓力水，而保護區(qū)的管道內(nèi)為常壓空氣。當發(fā)生火災后，火災探測系統(tǒng)發(fā)出一路報警信號，F(xiàn)AS系統(tǒng)聯(lián)動開啟警鈴；當兩路探測器報警確認火災后，F(xiàn)AS系統(tǒng)聯(lián)動開啟聲光報警器及噴霧指示燈，并啟動高壓細水霧主泵，打開相應區(qū)域的分區(qū)閥，保護區(qū)內(nèi)的所有噴頭同時噴霧滅火。工作流程如圖2所示。

圖2 開式系統(tǒng)工作流程

3.4 機房區(qū)高壓細水霧系統(tǒng)設備選型及系統(tǒng)相關參數(shù)

對高壓泵組設置100%備份，分為主泵組和備用泵組。

主泵組：高壓水泵流量120 L/min，壓力12 MPa，功率30 kW，電源380 V（AC50 Hz），共6臺；穩(wěn)壓泵流量2 L/min，壓力2.0 MPa，功率0.75 kW（一用一備）；空氣壓縮機流量55 L/min，壓力1.0 MPa，功率1.2 kW。

備用泵組：高壓水泵流量120 L/min，壓力12 MPa，功率30 kW，電源380 V（AC50 Hz），共6臺；穩(wěn)壓泵流量2 L/min，壓力2.0 MPa，功率0.75 kW（一用一備）；空氣壓縮機流量55 L/min，壓力1.0 MPa，功率1.2 kW。

1）噴頭最不利點工作壓力10 MPa，最大間距3 m。

2）細水霧霧滴體積中間直徑＜100 μm。

3）系統(tǒng)設計流量為720 L/min（按最大保護區(qū)D1-4F變配電所＋UPS B所有噴頭同時噴放計算）。

4）系統(tǒng)工作壓力為10～12 MPa。

5）系統(tǒng)反應時間≤30 s。

6）設計持續(xù)噴霧時間60 min。

3.5 系統(tǒng)控制

本項目高壓細水霧滅火系統(tǒng)具有自動控制、手動控制和機械應急這3種方式。

1）自動控制方式：消防控制中心火災報警控制器接收到高壓細水霧保護區(qū)內(nèi)的1個火災報警信號后，發(fā)出聯(lián)動控制信號啟動對應保護區(qū)的消防警鈴；待接收到同一保護區(qū)內(nèi)2個獨立的火災報警信號后，發(fā)出聯(lián)動控制信號啟動對應保護區(qū)的聲光報警器，打開區(qū)域控制閥組，啟動對應保護區(qū)的釋放指示燈，自動啟動高壓泵組，進行高壓細水霧滅火。

2）手動控制方式：第1種情況，工作人員已確認發(fā)生火災，但自動控制未動作，為了節(jié)省時間，減少損失，通過按下現(xiàn)場緊急啟動按鈕或在控制中心直接打開對應的區(qū)域控制閥組來啟動系統(tǒng)；第2種情況，系統(tǒng)處于手動工作模式時，火災報警控制系統(tǒng)接收到火災報警信號后，啟動警報設備，但不開啟區(qū)域控制閥，需經(jīng)工作人員確認火災發(fā)生后，通過按下現(xiàn)場緊急啟動按鈕或在控制中心直接打開對應的區(qū)域控制閥來啟動系統(tǒng)。

3）機械應急操作：當系統(tǒng)自動控制和手動控制方式均失靈時，可通過區(qū)域控制閥組的手動開啟手柄開啟區(qū)域控制閥，啟動系統(tǒng)。

滅火時，火災報警系統(tǒng)自動聯(lián)動關閉相關區(qū)域的通風系統(tǒng)，避免影響高壓細水霧的滅火效果。滅火完成后，手動開啟相應區(qū)域的機械通風裝置，對高壓細水霧噴放區(qū)域進行通風干燥，以便盡快恢復機房的工作。

4 結語

隨著數(shù)字化時代的到來，數(shù)據(jù)已上升為國家戰(zhàn)略資源，未來10年我國的數(shù)據(jù)中心將迎來建設高峰期。數(shù)據(jù)中心一旦發(fā)生火災，不僅設備損失嚴重，而且數(shù)據(jù)延誤或數(shù)據(jù)丟失的損失更為明顯，因此數(shù)據(jù)中心機房的消防安全至關重要。

因我國規(guī)范的推薦性，數(shù)據(jù)中心機房常用的滅火系統(tǒng)為氣體滅火系統(tǒng)，細水霧滅火系統(tǒng)應用較少。而在國外，高壓細水霧滅火系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心機房的應用已較為成熟。經(jīng)過在對人員的安全性、對設備的安全性、環(huán)保性、初投資、維護維修費用等方面，對氣體滅火系統(tǒng)和高壓細水霧滅火系統(tǒng)進行分析，發(fā)現(xiàn)高壓細水霧滅火系統(tǒng)有較大優(yōu)勢，可在我國數(shù)據(jù)中心機房滅火系統(tǒng)中進行推廣應用。

本文對上海某銀行數(shù)據(jù)中心機房高壓細水霧系統(tǒng)方案進行了介紹。鑒于我國規(guī)范的推薦性，該方案的正式實施還需業(yè)內(nèi)專家進一步論證并獲得消防部門的認可。其實際應用效果也期待在項目建成后進行研究和驗證。