數(shù)據(jù)中心氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

崔延欣 呂青

摘要：本文主要對(duì)現(xiàn)有氣體滅火系統(tǒng)的分類及組成進(jìn)行分析，比較多個(gè)氣體滅火系統(tǒng)，并對(duì)數(shù)據(jù)中心的氣體滅火系統(tǒng)選型提出建議。同時(shí)，本文還根據(jù)國(guó)家規(guī)范的要求，針對(duì)數(shù)據(jù)中心的特點(diǎn)，結(jié)合工程實(shí)際，闡述了數(shù)據(jù)中心氣體滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心；氣體；滅火系統(tǒng)

DOI：10.12433/zgkjtz.20232443

隨著國(guó)家對(duì)數(shù)據(jù)中心行業(yè)的大力扶持，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)規(guī)模與日俱增。在信息時(shí)代，數(shù)據(jù)中心和交通道路、通信網(wǎng)絡(luò)成為現(xiàn)代社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施的一部分。數(shù)據(jù)中心運(yùn)行中斷會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失或公共場(chǎng)所秩序混亂。因此，保障數(shù)據(jù)中心安全運(yùn)行的消防系統(tǒng)顯得尤為重要。數(shù)據(jù)中心設(shè)置有通信機(jī)房、電力電池室、高低壓變配電室等房間，這些房間的火災(zāi)種類為帶電火災(zāi)。針對(duì)此類火災(zāi)，氣體滅火系統(tǒng)具有自動(dòng)化程度高、響應(yīng)速度快、滅火速度快、滅火后藥劑無(wú)殘留、對(duì)電子設(shè)備損傷小等優(yōu)勢(shì)。因此，氣體滅火系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目中的應(yīng)用最為廣泛。

一、氣體滅火系統(tǒng)分類

氣體滅火系統(tǒng)按滅火劑種類可分為七氟丙烷、IG541、二氧化碳、氮?dú)狻⑷淄?、熱氣溶膠等滅火系統(tǒng)；按保護(hù)形式可分為全淹沒(méi)系統(tǒng)和局部應(yīng)用系統(tǒng);按結(jié)構(gòu)形式可分為有管網(wǎng)系統(tǒng)和無(wú)管網(wǎng)系統(tǒng)，其中，有管網(wǎng)系統(tǒng)又可細(xì)分為單元獨(dú)立式系統(tǒng)和組合分配式系統(tǒng)。不同滅火劑種類的系統(tǒng)按儲(chǔ)存容器的增壓壓力再細(xì)分，如七氟丙烷系統(tǒng)可分為一級(jí)增壓（2.5MPa）系統(tǒng)、二級(jí)增壓（4.2MPa）系統(tǒng)、三級(jí)增壓（5.6MPa）系統(tǒng)；IG541滅火系統(tǒng)可分為一級(jí)增壓（15.0MPa）系統(tǒng)、二級(jí)增壓（20.0MPa）系統(tǒng)。

二、氣體滅火系統(tǒng)比較

七氟丙烷對(duì)臭氧層耗損的潛能值為0，溫室效應(yīng)的潛能值為0.6，在大氣中能夠留存31年，滅火劑的無(wú)毒性反應(yīng)濃度為9%。因此，七氟丙烷在大氣中可以完全汽化，不留殘?jiān)?，具有很好的清潔性。七氟丙烷滅火劑不含固體粉塵、油漬，滅火效率高，滅火速度快，滅火劑的噴射時(shí)間較短，對(duì)設(shè)備的損壞較少。但七氟丙烷系統(tǒng)由于滅火劑儲(chǔ)存容器壓力、噴頭工作壓力等要求的限制，滅火劑的輸送距離也受到一定的限制。

IG541滅火劑由氮?dú)?、氬氣、二氧化碳三種惰性氣體按一定比例混合制成，這三種氣體本身就是空氣的主要成分，因此，對(duì)環(huán)境幾乎無(wú)影響，對(duì)人員造成生理影響較小。但由于IG541滅火系統(tǒng)的壓力較高，對(duì)設(shè)備、管道、管件的承壓要求較高，使得系統(tǒng)的造價(jià)明顯高于其他系統(tǒng)。另外，IG541滅火系統(tǒng)所需的滅火劑儲(chǔ)瓶數(shù)量較多，儲(chǔ)瓶間所占的面積較大。

二氧化碳滅火劑具有較高的電絕緣性，滅火后無(wú)殘留物，能夠長(zhǎng)期儲(chǔ)存不變質(zhì)，還兼具價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。低濃度的二氧化碳無(wú)毒性，但當(dāng)空氣中的二氧化碳濃度較高時(shí)，會(huì)破壞人體的呼吸器官，使人體產(chǎn)生頭暈、窒息、血壓下降、心悸、昏迷等中毒現(xiàn)象。因此，二氧化碳滅火劑在經(jīng)常有人的防護(hù)區(qū)并不適用。另外，二氧化碳系統(tǒng)在滅火時(shí)還會(huì)產(chǎn)生冷萃現(xiàn)象，會(huì)對(duì)防護(hù)區(qū)內(nèi)的精密儀器等設(shè)備造成損壞。

三、氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）氣體滅火系統(tǒng)選擇

目前，應(yīng)用較廣泛，技術(shù)成熟的氣體滅火系統(tǒng)是七氟丙烷、IG541和熱氣溶膠三種滅火系統(tǒng)。而熱氣溶膠滅火對(duì)電子設(shè)備的影響較大，因此并不適用于數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目。數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目普遍選用七氟丙烷滅火系統(tǒng)或IG541系統(tǒng)。這兩種系統(tǒng)在環(huán)境影響、人體健康影響、滅火效率、適用場(chǎng)所、運(yùn)行維護(hù)、經(jīng)濟(jì)性等方面各有優(yōu)缺點(diǎn)。在工程實(shí)踐中，滅火劑輸送距離的影響往往會(huì)大于以上這些方面帶來(lái)的影響，甚至有些時(shí)候會(huì)對(duì)系統(tǒng)的選型起到?jīng)Q定性的作用。因此，對(duì)不同壓力、防護(hù)區(qū)面積、防護(hù)區(qū)容積、充裝量下的七氟丙烷和IG541兩種滅火劑最遠(yuǎn)輸送距離進(jìn)行計(jì)算研究。噴頭及管網(wǎng)的布置按理想狀態(tài)下考慮，噴頭間距均為5m。計(jì)算結(jié)果見表1。

由此可知，七氟丙烷滅火系統(tǒng)的輸送距離要遠(yuǎn)小于IG541滅火系統(tǒng)，但I(xiàn)G541滅火系統(tǒng)的充裝量較低，所需儲(chǔ)存容器的數(shù)量較多，儲(chǔ)瓶間的面積較大。在工程實(shí)踐中，應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目的具體情況選擇合適的氣體滅火系統(tǒng)。

（二） 儲(chǔ)瓶間位置

儲(chǔ)瓶間是氣體滅火系統(tǒng)的源頭，在整個(gè)系統(tǒng)中占有十分重要的地位。儲(chǔ)瓶間的位置和尺寸對(duì)數(shù)據(jù)中心的平面布置有較大的影響。通常，在方案階段就要選擇最不利的防護(hù)區(qū)進(jìn)行試算，以此確定儲(chǔ)瓶間的位置。儲(chǔ)瓶間宜靠近防護(hù)區(qū)設(shè)置，組合分配式系統(tǒng)的儲(chǔ)瓶間宜居中設(shè)置，盡量避免出現(xiàn)個(gè)別防護(hù)區(qū)距離儲(chǔ)瓶過(guò)遠(yuǎn)的情況。在工程實(shí)踐中，可以將儲(chǔ)瓶間設(shè)置在數(shù)據(jù)中心屋面，這種做法不會(huì)占用下層通信機(jī)房和電力用房的空間，使得數(shù)據(jù)中心的機(jī)架數(shù)得以提升，并且還能在一定程度上減少管道上翻帶來(lái)的阻力。

（三） 管網(wǎng)及噴頭布置

氣體滅火系統(tǒng)的管網(wǎng)布置宜設(shè)計(jì)為均衡系統(tǒng)。這種布置方式主要有以下三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是在滅火效果方面，均衡布置的管網(wǎng)可以使滅火劑在防護(hù)區(qū)內(nèi)均勻噴放，有利于增強(qiáng)滅火效果。二是在經(jīng)濟(jì)方面，相關(guān)規(guī)范規(guī)定均衡管網(wǎng)內(nèi)的滅火劑剩余量可以不計(jì)入系統(tǒng)滅火劑儲(chǔ)存量，可以節(jié)約節(jié)省工程投資和后期運(yùn)維的成本。三是在設(shè)計(jì)工作量方面，采用均衡系統(tǒng)可以只選用一種規(guī)格的噴頭，在系統(tǒng)計(jì)算時(shí)，可以只計(jì)算最不利點(diǎn)的阻力損失，從而減少設(shè)計(jì)階段的計(jì)算量。

噴頭的布置還需要考慮數(shù)據(jù)中心的特點(diǎn)，結(jié)合所采用的空調(diào)形式設(shè)計(jì)。當(dāng)防護(hù)區(qū)采用AHU空調(diào)末端時(shí)，吊頂夾層內(nèi)可布置成一套上下噴的噴頭，避免系統(tǒng)的管道內(nèi)容積和阻力過(guò)大。當(dāng)防護(hù)區(qū)采用列間空調(diào)時(shí)，架空地板內(nèi)敷設(shè)的是空調(diào)水管或空調(diào)冷媒管，可以認(rèn)為架空地板內(nèi)無(wú)可燃物和易燃物，且架空地板內(nèi)的空間和上方空間不連通。在這種情況下，架空地板內(nèi)可以不設(shè)置噴頭。當(dāng)防護(hù)區(qū)采用機(jī)房專用空調(diào)（精密空調(diào)）時(shí)，架空地板內(nèi)雖然沒(méi)有可燃物和易燃物，但是架空地板開孔率通常較高，架空地板內(nèi)的空間和上方空間連通，防護(hù)區(qū)的容積應(yīng)包含架空地板內(nèi)的空間。鑒于對(duì)滿足噴放后氣體滅火劑在防護(hù)區(qū)內(nèi)均勻分布的要求考慮，在工程實(shí)踐中通常在架空地板內(nèi)也布置噴頭。

（四）氣體滅火系統(tǒng)計(jì)算

氣體滅火系統(tǒng)需要計(jì)算滅火設(shè)計(jì)用量或惰化設(shè)計(jì)用量、系統(tǒng)滅火劑儲(chǔ)存量、管網(wǎng)的設(shè)計(jì)流量、管網(wǎng)的阻力損失、儲(chǔ)存容器內(nèi)壓力、管徑、噴頭工作壓力、高程壓頭、噴頭等效孔口面積、防護(hù)區(qū)的泄壓口面積等參數(shù)，七氟丙烷滅火系統(tǒng)還需要對(duì)管道內(nèi)容積和流經(jīng)該管網(wǎng)的七氟丙烷儲(chǔ)存量體積進(jìn)行計(jì)算。在工程實(shí)踐中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)噴頭的工作壓力小于規(guī)范要求的壓力，以及管道內(nèi)容積大于流經(jīng)該管網(wǎng)的七氟丙烷儲(chǔ)存量體積的80%兩種情況，導(dǎo)致計(jì)算無(wú)法通過(guò)。增加管徑可以減小管網(wǎng)的阻力損失，從而增加噴頭的工作壓力。但是七氟丙烷滅火系統(tǒng)，管徑的增加會(huì)使管道內(nèi)容積所占的比例增大；反之，縮小管徑可以使管道內(nèi)容積所占的比例減小，但是會(huì)使管網(wǎng)的阻力損失增加，從而導(dǎo)致噴頭的工作壓力減小。降低儲(chǔ)存容器的充裝量，既可以增加噴頭的工作壓力，又可以減少管道內(nèi)容積所占的比例，但是這種做法會(huì)使系統(tǒng)的儲(chǔ)存裝置數(shù)量增加，而且其調(diào)整的幅度有限，當(dāng)儲(chǔ)存容器的充裝量過(guò)低時(shí)，實(shí)際的滅火效果會(huì)受到影響，因此，在工程實(shí)踐中不宜將充裝量設(shè)置得過(guò)低。

四、 與其他專業(yè)配合

（一）建筑結(jié)構(gòu)專業(yè)

氣體滅火系統(tǒng)在實(shí)施滅火時(shí)所產(chǎn)生的氣體量較大，噴放的時(shí)間較短，會(huì)造成防護(hù)區(qū)內(nèi)壓力急速明顯上升。因此，要求防護(hù)區(qū)維護(hù)結(jié)構(gòu)允許承受內(nèi)壓的壓強(qiáng)不宜低于1200Pa。另外，還應(yīng)在防護(hù)區(qū)開設(shè)泄壓口，泄壓口的位置需要與建筑專業(yè)人員協(xié)商確定，避免與其他專業(yè)的孔洞發(fā)生沖突。

（二） 暖通專業(yè)

暖通專業(yè)應(yīng)保證儲(chǔ)瓶間具有良好的通風(fēng)條件，當(dāng)儲(chǔ)瓶間設(shè)置在地下時(shí)，儲(chǔ)瓶間內(nèi)應(yīng)設(shè)置機(jī)械排風(fēng)裝置，排風(fēng)口應(yīng)設(shè)置在儲(chǔ)瓶間下部，且排風(fēng)管道不能與通風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)相連。防護(hù)區(qū)在滅火后還應(yīng)通風(fēng)換氣，換氣次數(shù)應(yīng)滿足規(guī)范要求。

（三） 電氣專業(yè)

在消防系統(tǒng)中常采用感溫火災(zāi)探測(cè)器和感煙火災(zāi)探測(cè)器的兩個(gè)獨(dú)立火災(zāi)信號(hào)的組合作為系統(tǒng)啟動(dòng)裝置。數(shù)據(jù)中心內(nèi)采用氣體滅火系統(tǒng)的防護(hù)區(qū)應(yīng)設(shè)置火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。氣體滅火系統(tǒng)應(yīng)在接到兩個(gè)獨(dú)立的火災(zāi)信號(hào)后才能啟動(dòng)，并且應(yīng)使用高靈敏度的火災(zāi)探測(cè)器。

控制系統(tǒng)應(yīng)在氣體滅火劑噴放前聯(lián)動(dòng)關(guān)閉防護(hù)區(qū)域的送風(fēng)機(jī)、排風(fēng)機(jī)、送風(fēng)閥門、排風(fēng)閥門，停止通風(fēng)和空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)，關(guān)閉設(shè)置在防護(hù)區(qū)內(nèi)的電動(dòng)防火閥、聯(lián)動(dòng)控制防護(hù)區(qū)域開口封閉裝置的啟動(dòng)。

氣體滅火系統(tǒng)的控制器可設(shè)定不大于30s的延遲噴射時(shí)間，經(jīng)過(guò)延遲后開啟相應(yīng)防護(hù)區(qū)的選擇閥和啟動(dòng)閥，啟動(dòng)氣體滅火裝置。在啟動(dòng)氣體滅火裝置的同時(shí)，應(yīng)啟動(dòng)設(shè)置在防護(hù)區(qū)入口處的火災(zāi)聲光警報(bào)器和滅火劑噴放指示燈。

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