数据中心自动灭火系统应用分析

作者简介：

黄旭光（1963- ），男，汉族，浙江杭州人，本科，高级工程师，研究方向：电信机房、数据中心建筑给排水设计。

摘要：数据中心作为互联网核心交通枢纽，其运行安全可靠至关重要。针对数据机房功能特点以及自动气体灭火系统、自动喷水灭火系统的优缺点，并结合2个数据中心园区消防系统设计实例[1]，认为配电房、电池室机房必须采用自动气体灭火系统，其他功能机房根据数据备份要求选择灭火系统，门厅、走廊、库房等公共空间则采用自动喷水灭火系统，超大面积机房的数据中心应首选预作用自动喷水灭火系统。该结论有助于优化数据中心的自动灭火系统设计，可供其他数据中心建设参考。

关键词：数据中心；机房消防；自动气体灭火系统；自动喷水灭火系统

引言

随着互联网的蓬勃发展，物联网、互联网+、云计算等无不依托于数据中心，数据中心已成为互联网核心交通枢纽。“十九大”以后，国家大力推行云计算、大数据，“东数西算”工程在全国范围内规划10个国家数据中心枢纽节点，掀起了全国建设浪潮。文言一心、ChatGPT、智能驾驶等人工智能技术、数字货币、加密货币等均需要数字中心提供算力支持。数字中心已经成为当今社会的构成要素，是数字经济的发展基石，经济社会转型升级的重要支撑。当数据中心运行出现瘫痪时，对国民经济造成的损失是巨大的，数据中心安全、可靠与社会的方方面面密切相连。火灾是数据中心运行时主要危险因素之一，目前在实际工程的运行中，自动灭火设施是保障数据中心安全运行必不可少的防护手段。本文将依据数据中心火灾特点，对比自动灭火系统优缺点，并结合实际工程应用进行分析。

一、数据中心火灾分析

数字时代发展日新月异、技术快速迭代，核心设备服务器布置应灵活可变。为满足发展的需要，数据中心机房通常采用高大开间布局，单间数据机房的面积越建越大。比如某数据中心，最大的一个机房的面积达1200m2，层高5.5m，体积6600m3。数据中心机房面积增大给自动灭火系统的设计带来巨大挑战，设计必需既能高效灭火，又投资合理。

互联网的核心设备是计算机服务器，数据机房是服务器的工作场所。连排数据机柜中的服务器承载着海量的数据信息，是数字经济建设和服务的关键。当某个机柜着火时，若不能及时扑灭，火灾会迅速蔓延至相邻的机柜，进而火势增大，也可能蔓延至整个数据机房空间，造成不可逆转的巨大损失。因而选择合适的灭火系统，及时快速控制火情蔓延、高效扑灭火灾至关重要。有统计表明，如果使用自动灭火设备，可以将75%的火势控制在起火对象周围，火势仅有5%的机会蔓延至相邻设备[2]。

根据《建筑防火通用规范》（GB550037-2022）[3]、《消防通用设施规范》（GB550036-2022）[4]、《建筑设计防火规范》（GB50016-2014）、《数据中心设计规范》（GB50174-2017）[5]相关要求，大型数据中心应设置室内外消火栓系统、自动灭火系统。其中自动灭火系统分为自动气体灭火系统、自动喷水系统两大类。文章将分类别进行介绍，并对比优缺点，以便选择适合于具体工程的灭火系统。

二、数据中心自动灭火系统

（一）自动气体灭火系统

自动气体灭火系统是通过喷射药剂扑灭火灾，属化学灭火。早期使用卤代烷1211、1301灭火剂，在使用过程中发现卤族元素对地球臭氧层造成破坏，因而根据《蒙特利尔破坏臭氧层物质管制议定书（Montreal Protocol on Substances that Deplete the Ozone Layer）》，已列入停止使用范圍。卤代烷替代品有氢氟碳化合物（HFC）包括七氟丙烷（FM-200）、三氟甲烷（FE-13）、全氟己酮（Novec1230）、混合气体（IG541）、氮气（IG100）等。目前数据中心主要用到的是七氟丙烷和混合气体，详述如下：

七氟丙烷（FM-200）是化学灭火剂，灭火剂热分解会产生含氟的自由基，与燃烧反应过程中活性自由基发生气相作用，从而抑制燃烧过程中的化学反应来实施灭火，具有控火率高、瞬间灭火的效果。七氟丙烷灭火剂的成本较高，管道施工成本相对较低。

混合气体灭火是让机房空间充满混合气体，使机房空间的氧气浓度降低，达到灭火的效果，属于物理灭火，也就是通常所说窒息灭火。混合气体药剂组成均为大气中天然成份，对臭氧的耗损潜能值为零，全球温室效应影响值也为零。另外，混合气体灭火系统设计时应确保机房空间的设计浓度不应大于有毒性反应浓度，以保证机房人员能安全撤离。混合气体药剂价格低廉，但管道、瓶组间等成本偏高。

（二）水灭火系统

天然水是自古以来就广泛使用的灭火剂，不仅易于取得，而且可以循环使用、灭火效率极高。灭火机理主要有冷却、窒息、稀释等方面。但喷水灭火后的水渍侵害无法避免，只有在其他数据中心内安装有承担相同功能热备份系统时，数据中心才可以使用自动喷水灭火系统，常用的有预作用自动喷水系统和高压细水雾灭火系统。

预作用自动喷水灭火系统：在火灾发生初期，机房内烟雾弥散，烟感火灾报警系统第一时间启动排气阀，水通过报警阀快速充满喷淋管道系统；若机房温度继续上升，喷头玻璃泡爆裂，实现洒水灭火。该系统简单、安全可靠，施工技术成熟、维护管理方便，灭火速度快，造价低廉，广泛地应用于工业和民用建筑。

高压细水雾灭火系统：使用特定喷嘴，通过高压喷射产生超细水雾微粒，相对同等体积的水，其表面积剧增数千倍。灭火机理主要是表面冷却降温、阻隔氧气，既降低了着火点附近空气中的氧气浓度，又有非常好的降温除烟效果。耗水量约为水喷淋系统的5%～10%，减少大量废水对设备的损坏，具有可靠性高、维护方便、系统使用寿命长的优点。

（三）分析与比较

根据《数据中心设计规范》，数据中心依据安全、稳定、可靠等运行要求，将重要性划分为A、B、C三级。规范针对不同等级的数据中心明确规定不同的消防安全要求。在实际工程中，需要设计人员针对某一个特定的数据机房从可靠性、造价、运维成本等方面综合分析确定。

1.气体灭火系统是通过烟温感报警系统启动药剂喷放来完成灭火。在火灾初期阶段，可以保证起火点附近服务器正常工作，火灾过后可以快速恢复工作。《气体灭火系统设计规范》[6] 要求使用气体灭火防护区面积不大于800m2，體积不大于3600m3。另外，该规范还要求机房围护结构能承受1200Pa的压力，以保证气体喷放以后，气体压强增加后机房隔墙的完好，这在一定程度上增加了机房的土建造价。

2.水灭火系统简单，既能拯救生命和保护财产，同时也能对整幢建筑提供保护。一方面，机房面积空间不受限制，适应数据中心未来发展要求。另一方面，水也会损害到服务器，火灾过后系统恢复困难。预作用自动喷水系统启动时，火场燃烧已经有一定的时间，环境温度可能已经超过68℃，这时机房服务器设备已经被火灾所产生的浓烟和热量所损害。因此，对于数据机房灭火使用水灭火剂一直存有争议。数据中心物业通常有自用、出租两种经营模式。各电信运营商具有互联网带宽资源优势和多年运营电信专业级机房经验；建设高等级数据中心，抢占数据中心市场的制高点。故电信运营商数据中心消防设施以灾后可以迅速恢复工作的自动气体灭火系统居多。

随着国内移动互联网快速发展，智能手机的普及，数据应用量呈爆炸性增长，各行各业互联网企业自建数据中心异军突起。互联网企业数据中心以机房平面灵活可变、求新、求快、节电、节水的原则推进数据中心建设。同时互联网企业数据中心多采用多点布局的灾备冗余方式。如在同一城市布局二～三个相同等级的数据中心互为热备份；也有采取不同的城市设置数个互为热备份的数据中心。互联网巨头的创新思维使得自动喷水灭火系统快速引入数据中心。

对比运营商数据中心和互联网公司数据中心，其均作为算力中心、云计算、金融等承载关键核心业务的数据中心机房，不允许出现宕机事故，一旦发生火灾财产损失巨大、社会面影响不可估量。因此，当灾备冗余不足时，必须选择保证服务器在线运行气体灭火系统。而有异地冗余灾备设计数据中心机房，即所有数据都已经被复制备份到其他地方数据中心时，就可以直接使用灭火效率高、施工快速、维护简单、环境友好的水灭火系统。

三、实际工程案例

（一）贵州某运营商数据中心

单幢数据中心总建筑面积18021m2，地上四层，一层层高为6.00m，二～四层高为5.30m，大楼建筑高度22.50m，属于多层工业建筑，楼内设主机房、传输机房、变配电室、制冷机房、进线室、钢瓶间、设备区等。由于建设方是运营商，除自用以外，大多数是以出租方式运营。建设初期，客户的不确定性导致无法知道数据中心是否具备容灾冗余。因而数据机房、传输机房、变配电室等采用自动气体灭火系统。其中自动气体灭火系统采用三套七氟丙烷气体灭火系统，共设有24个防护区；钢瓶间分别贴近各系统保护区设置。数据中心最大防护区机房面积510m2，体积2637.6m3，经计算最大防护区灭火剂需要量为1761.8kg，90L钢瓶数量为28个。合计七氟丙烷钢瓶84个，气体设备投资720万元。其他区域设有室内消火栓系统，制冷机房、办公用房、工具间及走道等非设备运行房设置预作用自动喷水灭火系统[7]。

（二）杭州某互联网数据中心

单幢数据中心总建筑面积23653m2，地上五层，一层层高为8.00m，二～四层高为6.5m，大楼建筑高度34.60m，为高层工业建筑，楼内设主机房、传输机房、变配电室、电池室、制冷机房、进线室、钢瓶间、设备区、备品备件等。大楼设有室内消火栓系统和预作用自动喷水灭火系统。该数据中心为互联网企业自用，由于其设有同城异地备份，因而数据机房除不能用水灭火的配电房、电池室等外，均设置预作用自动喷水灭火系统，最大机房面积972m2，体积6220.8m3，机房楼每层设预作用报警阀ZSFY型1组。每层或每个防火分区设水流指示器，并于水流指示器前设置能在消防控制中心显示其启闭状态的信号阀门，喷淋系统合计投资142万元。通过对比可知，采用自动喷水灭火系统不仅造价明显低于自动气体灭火系统，还节省气体灭火瓶组间所需面积数百平方米，经济效益明显。

结语

数据中心作为互联网核心交通枢纽，是数字经济的发展基石，经济社会转型升级的重要支撑。数据中心运行的安全、可靠至关重要，本文对自动气体灭火系统和自动喷水灭火系统进行了详细对比，根据数据中心的建设模式和要求，进行选择。A、B级数据中心等级高、冗余不足时，应采用自动气体灭火系统；A、B级数据中心有异地灾备冗余时以及保护要求相对较低C级数据中心，可采用自动喷水灭火系统；同时具备两种选择时，优先选择自动喷水灭火系统；配电房、电池室等必须采用自动气体灭火系统；超大面积数据机房应首选预作用自动喷水灭火系统。

综上所述，合理设计数据中心的灭火系统，有效控制并及时扑灭火灾是设计的重点[8]。因此，要结合房间使用功能、造价、环保、异地冗余灾备情况等择优选择建设方案，以经济、环境友好、维护成本等为依据选择灭火药剂，具有异地灾备冗余和超大面积机房的数据中心应首选预作用自动喷水灭火系统。

参考文献

[1]刘斌.数据中心园区消防系统设计分析[J]. 江苏建筑，2019（04）.

[2]从亚马逊建数据中心发生火灾，谈数据中心防火措施》.http：//www.enkj.com/idcnews/Article/20150110/ 6989，2015-1-10.

[3]GB550036-2022消防通用设施规范[S].北京：中国计划出版社，2022.

[4]GB50174-2017数据中心设计规范[S].北京：中国计划出版社，2017.

[5]GB50016-2014建筑设计防火规范 [S].北京：中国建筑工业出版社，2014.

[6]GB50370-2005气体灭火系统设计规范[S].北京：中国计划出版社，2006.

[7]翁时超.预作用自动喷水灭火系统在数据中心中的应用探讨[J].给水排水，2022，48（S1）：4.

[8]黄以明，王丽.大型数据中心建筑消防系统的研究[J].中国给水排水，2014（16）.