数据中心气体灭火系统设计研究

崔延欣 吕青

摘要：本文主要对现有气体灭火系统的分类及组成进行分析，比较多个气体灭火系统，并对数据中心的气体灭火系统选型提出建议。同时，本文还根据国家规范的要求，针对数据中心的特点，结合工程实际，阐述了数据中心气体灭火系统的设计方法及要点。

关键词：数据中心；气体；灭火系统

DOI：10.12433/zgkjtz.20232443

随着国家对数据中心行业的大力扶持，数据中心的建设规模与日俱增。在信息时代，数据中心和交通道路、通信网络成为现代社会基础设施的一部分。数据中心运行中断会造成严重的经济损失或公共场所秩序混乱。因此，保障数据中心安全运行的消防系统显得尤为重要。数据中心设置有通信机房、电力电池室、高低压变配电室等房间，这些房间的火灾种类为带电火灾。针对此类火灾，气体灭火系统具有自动化程度高、响应速度快、灭火速度快、灭火后药剂无残留、对电子设备损伤小等优势。因此，气体灭火系统在数据中心项目中的应用最为广泛。

一、气体灭火系统分类

气体灭火系统按灭火剂种类可分为七氟丙烷、IG541、二氧化碳、氮气、三氟甲烷、热气溶胶等灭火系统；按保护形式可分为全淹没系统和局部应用系统;按结构形式可分为有管网系统和无管网系统，其中，有管网系统又可细分为单元独立式系统和组合分配式系统。不同灭火剂种类的系统按储存容器的增压压力再细分，如七氟丙烷系统可分为一级增压（2.5MPa）系统、二级增压（4.2MPa）系统、三级增压（5.6MPa）系统；IG541灭火系统可分为一级增压（15.0MPa）系统、二级增压（20.0MPa）系统。

二、气体灭火系统比较

七氟丙烷对臭氧层耗损的潜能值为0，温室效应的潜能值为0.6，在大气中能够留存31年，灭火剂的无毒性反应浓度为9%。因此，七氟丙烷在大气中可以完全汽化，不留残渣，具有很好的清洁性。七氟丙烷灭火剂不含固体粉尘、油渍，灭火效率高，灭火速度快，灭火剂的喷射时间较短，对设备的损坏较少。但七氟丙烷系统由于灭火剂储存容器压力、喷头工作压力等要求的限制，灭火剂的输送距离也受到一定的限制。

IG541灭火剂由氮气、氩气、二氧化碳三种惰性气体按一定比例混合制成，这三种气体本身就是空气的主要成分，因此，对环境几乎无影响，对人员造成生理影响较小。但由于IG541灭火系统的压力较高，对设备、管道、管件的承压要求较高，使得系统的造价明显高于其他系统。另外，IG541灭火系统所需的灭火剂储瓶数量较多，储瓶间所占的面积较大。

二氧化碳灭火剂具有较高的电绝缘性，灭火后无残留物，能够长期储存不变质，还兼具价格低廉等优点。低浓度的二氧化碳无毒性，但当空气中的二氧化碳浓度较高时，会破坏人体的呼吸器官，使人体产生头晕、窒息、血压下降、心悸、昏迷等中毒现象。因此，二氧化碳灭火剂在经常有人的防护区并不适用。另外，二氧化碳系统在灭火时还会产生冷萃现象，会对防护区内的精密仪器等设备造成损坏。

三、气体灭火系统设计

（一）气体灭火系统选择

目前，应用较广泛，技术成熟的气体灭火系统是七氟丙烷、IG541和热气溶胶三种灭火系统。而热气溶胶灭火对电子设备的影响较大，因此并不适用于数据中心项目。数据中心项目普遍选用七氟丙烷灭火系统或IG541系统。这两种系统在环境影响、人体健康影响、灭火效率、适用场所、运行维护、经济性等方面各有优缺点。在工程实践中，灭火剂输送距离的影响往往会大于以上这些方面带来的影响，甚至有些时候会对系统的选型起到决定性的作用。因此，对不同压力、防护区面积、防护区容积、充装量下的七氟丙烷和IG541两种灭火剂最远输送距离进行计算研究。喷头及管网的布置按理想状态下考虑，喷头间距均为5m。计算结果见表1。

由此可知，七氟丙烷灭火系统的输送距离要远小于IG541灭火系统，但IG541灭火系统的充装量较低，所需储存容器的数量较多，储瓶间的面积较大。在工程实践中，应根据项目的具体情况选择合适的气体灭火系统。

（二） 储瓶间位置

储瓶间是气体灭火系统的源头，在整个系统中占有十分重要的地位。储瓶间的位置和尺寸对数据中心的平面布置有较大的影响。通常，在方案阶段就要选择最不利的防护区进行试算，以此确定储瓶间的位置。储瓶间宜靠近防护区设置，组合分配式系统的储瓶间宜居中设置，尽量避免出现个别防护区距离储瓶过远的情况。在工程实践中，可以将储瓶间设置在数据中心屋面，这种做法不会占用下层通信机房和电力用房的空间，使得数据中心的机架数得以提升，并且还能在一定程度上减少管道上翻带来的阻力。

（三） 管网及喷头布置

气体灭火系统的管网布置宜设计为均衡系统。这种布置方式主要有以下三个优点：一是在灭火效果方面，均衡布置的管网可以使灭火剂在防护区内均匀喷放，有利于增强灭火效果。二是在经济方面，相关规范规定均衡管网内的灭火剂剩余量可以不计入系统灭火剂储存量，可以节约节省工程投资和后期运维的成本。三是在设计工作量方面，采用均衡系统可以只选用一种规格的喷头，在系统计算时，可以只计算最不利点的阻力损失，从而减少设计阶段的计算量。

喷头的布置还需要考虑数据中心的特点，结合所采用的空调形式设计。当防护区采用AHU空调末端时，吊顶夹层内可布置成一套上下喷的喷头，避免系统的管道内容积和阻力过大。当防护区采用列间空调时，架空地板内敷设的是空调水管或空调冷媒管，可以认为架空地板内无可燃物和易燃物，且架空地板内的空间和上方空间不连通。在这种情况下，架空地板内可以不设置喷头。当防护区采用机房专用空调（精密空调）时，架空地板内虽然没有可燃物和易燃物，但是架空地板开孔率通常较高，架空地板内的空间和上方空间连通，防护区的容积应包含架空地板内的空间。鉴于对满足喷放后气体灭火剂在防护区内均匀分布的要求考虑，在工程实践中通常在架空地板内也布置喷头。

（四）气体灭火系统计算

气体灭火系统需要计算灭火设计用量或惰化设计用量、系统灭火剂储存量、管网的设计流量、管网的阻力损失、储存容器内压力、管径、喷头工作压力、高程压头、喷头等效孔口面积、防护区的泄压口面积等参数，七氟丙烷灭火系统还需要对管道内容积和流经该管网的七氟丙烷储存量体积进行计算。在工程实践中，经常会出现喷头的工作压力小于规范要求的压力，以及管道内容积大于流经该管网的七氟丙烷储存量体积的80%两种情况，导致计算无法通过。增加管径可以减小管网的阻力损失，从而增加喷头的工作压力。但是七氟丙烷灭火系统，管径的增加会使管道内容积所占的比例增大；反之，缩小管径可以使管道内容积所占的比例减小，但是会使管网的阻力损失增加，从而导致喷头的工作压力减小。降低储存容器的充装量，既可以增加喷头的工作压力，又可以减少管道内容积所占的比例，但是这种做法会使系统的储存装置数量增加，而且其调整的幅度有限，当储存容器的充装量过低时，实际的灭火效果会受到影响，因此，在工程实践中不宜将充装量设置得过低。

四、 与其他专业配合

（一）建筑结构专业

气体灭火系统在实施灭火时所产生的气体量较大，喷放的时间较短，会造成防护区内压力急速明显上升。因此，要求防护区维护结构允许承受内压的压强不宜低于1200Pa。另外，还应在防护区开设泄压口，泄压口的位置需要与建筑专业人员协商确定，避免与其他专业的孔洞发生冲突。

（二） 暖通专业

暖通专业应保证储瓶间具有良好的通风条件，当储瓶间设置在地下时，储瓶间内应设置机械排风装置，排风口应设置在储瓶间下部，且排风管道不能与通风循环系统相连。防护区在灭火后还应通风换气，换气次数应满足规范要求。

（三） 电气专业

在消防系统中常采用感温火灾探测器和感烟火灾探测器的两个独立火灾信号的组合作为系统启动装置。数据中心内采用气体灭火系统的防护区应设置火灾自动报警系统。气体灭火系统应在接到两个独立的火灾信号后才能启动，并且应使用高灵敏度的火灾探测器。

控制系统应在气体灭火剂喷放前联动关闭防护区域的送风机、排风机、送风阀门、排风阀门，停止通风和空气调节系统，关闭设置在防护区内的电动防火阀、联动控制防护区域开口封闭装置的启动。

气体灭火系统的控制器可设定不大于30s的延迟喷射时间，经过延迟后开启相应防护区的选择阀和启动阀，启动气体灭火装置。在启动气体灭火装置的同时，应启动设置在防护区入口处的火灾声光警报器和灭火剂喷放指示灯。

参考文献：

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部. 建筑设计防火规范：GB 50016—2014[S].北京：中国计划出版社，2014.

[2]中华人民共和国住房和城乡建设部.消防设施通用规范：GB 55036—2022[S].北京：中国计划出版社，2022.

[3]中华人民共和国建设部.气体灭火系统施工及验收规范：GB 50263—2007[S].北京：中国计划出版社，2007.

[4]石会.酒店项目气体灭火系统技术经济比较分析[J].机电信息，2019（30）：90-91.