高压细水雾灭火系统在数据中心机房中的应用探讨

戴 晶

上海市工程建设咨询监理有限公司 上海 200433

2020年，中央和地方政府部门在多个重要会议和公开场合要求加快数据中心等“新基建”建设进度，数据中心作为“新基建”的核心和主线之一，将为物联网、云计算、人工智能等提供支撑[1-2]。据有关国际机构预测，到2030年，我国数据将占全球数据总量的30%，数据量及计算量呈指数级爆发，将带动数据中心规模不断扩张[3-4]。

随着数据中心建设的快速发展，其对数据中心机房的消防安全提出了较高要求。如果数据中心机房发生火灾，不仅设备损失严重，而且数据延误或数据丢失的损失更加难以预估。国内外都曾因数据中心火灾给经济、社会带来较大影响，因此数据中心的消防安全对数据中心的稳定运营至关重要[5]。

1 数据中心火灾特点

数据中心火灾一般具有以下特点[6]。

1）火灾风险大，电气火灾多。数据中心1个机柜的功率为4～7 kW，用电量大，且各种机柜、各类电线、数据光缆常年不间断运行，机房隔墙防护性强、导热性差，容易发生电气火灾。

2）散热困难。数据中心机房设备对环境要求高，需要在较为稳定的工况下工作，其空间的密闭性高。发生火灾时，通过门、窗的散热较慢，导致烟气较大、热量也滞留室内，散热较为困难。

3）火灾扑救困难。数据中心建筑体量大，机房内设备集成度高，防火分区多，机房内火灾扩展的速度快，再加上无人化的管理趋势，扑救难度也越来越大。

2 高压细水雾与气体灭火系统对比

根据GB 50174—2017《数据中心设计规范》，数据中心机房常用的消防灭火系统包括：气体灭火系统、细水雾灭火系统和自动喷水灭火系统。

自动喷水灭火系统因喷出的水剂绝缘性差，有导电风险，且渍水会造成设备损害，一般不推荐在数据中心机房中使用。

因此，本文仅对气体灭火系统和高压细水雾灭火系统进行对比分析，其中气体灭火系统选取数据中心机房中常用的惰性气体灭火系统和七氟丙烷灭火系统进行讨论。

2.1 高压细水雾和气体灭火系统灭火原理

2.1.1 高压细水雾灭火系统

高压细水雾灭火系统采用特殊喷头在特定的压力范围内将水流直接分解成细小水滴进行灭火，达到降低氧气浓度和快速冷却降温的目的。高压细水雾喷放后，雾滴直径小，不仅能快速降低火场温度，而且雾滴迅速蒸发成水蒸气，在此过程中体积迅速膨胀，可扩大1 700多倍，因而能在燃烧物周围形成一道屏障，有效降低氧气浓度，并有效降温，从而实现灭火效果。

2.1.2 气体灭火系统

惰性气体灭火系统由氮气、氩气和二氧化碳按一定比例组成，喷发后降低防护区内的氧气浓度，达到窒息灭火的效果。

七氟丙烷通过阻断燃烧链式反应灭火，喷发后产生大量氢氟酸，从而降低氧气浓度，进而灭火。

2.2 高压细水雾和气体灭火系统对比分析

本文主要从对人员的安全性、对设备的安全性、环保性及经济性等几个重要指标方面，对2种灭火系统进行对比分析[7-8]。

2.2.1 对人员的安全性

水作为高压细水雾灭火系统的灭火剂，较为清洁，对人员无损害。

惰性气体灭火系统中含一定量的二氧化碳，喷发后达到一定浓度时会对人员造成窒息风险。七氟丙烷喷放后会产生氢氟酸，有一定腐蚀性，会对人的呼吸道产生刺激，对人员的安全有一定影响。

2.2.2 对设备的安全性

高压细水雾灭火系统，水雾颗粒细小（直径在200 μm以下），试验研究表明，其不会对电气设备产生损害，但也有文献表明可能存在一定的渍水风险，但风险较小。

惰性气体灭火系统因其灭火剂均为惰性气体，不会对电气设备安全产生影响。七氟丙烷喷发后会生成氢氟酸，腐蚀电气设备，不利于电气设备安全。

2.2.3 环保性

高压细水雾灭火系统的灭火剂—水，不产生温室效应，不消耗臭氧层，是较为清洁的灭火剂。

惰性气体灭火系统不破坏臭氧，但灭火剂成份含二氧化碳，属温室气体，因此会对环境产生一定的影响。七氟丙烷灭火剂不破坏臭氧层，但会产生温室效应，目前在美国、欧盟等发达国家已限制使用。

2.2.4 初投资

高压细水雾灭火系统的灭火剂和水泵投资小，但不锈钢管网和灭火关键喷嘴的投资相对较大。

气体灭火系统的药剂成本高，气瓶间的土建投资大，这点在地价高的城市尤为明显。

2.2.5 维护维修费用

高压细水雾灭火系统管网材料为不锈钢，其使用寿命较长，维护简单，日常维护费用较少。

按照我国规范的规定，气体灭火系统必须进行定期检查，因此，日常维护和维修的费用高。气体灭火系统管网一般采用无缝碳钢管，相较于不锈钢管网寿命大大降低。另外，如果需二次灌装气体灭火剂，其药剂及检验成本也较高。

通过综合比较，系统对比汇总内容及推荐情况如表1所示。

表1 气体灭火系统和高压细水雾灭火系统对比汇总

综上，在数据中心机房灭火系统选择上，高压细水雾灭火系统有明显优势，可在我国数据中心机房灭火系统中进行推广应用。

3 应用实例

3.1 项目概况

上海某银行数据中心项目，拟建总建筑面积为9.9万 m2，数据机房区域5.9万 m2（2号楼），柴发动力区及110 kV用户站1.1万 m2（3号楼），运营管控楼及综合楼2.4万 m2（1号楼），地下车库部分0.44万 m2。本项目将建成为与世界接轨，达美国TIA-942标准T4级认证的数据中心。

3.2 高压细水雾灭火系统设计参考依据

考虑到采用高压细水雾灭火系统的优势，以及本数据中心与国际接轨的定位，经专家论证，本项目数据机房楼（2号楼）决定采用高压细水雾灭火系统，其设计参考国内外标准，包括：GB 50174—2017《数据中心设计规范》、Water Mist Fire Protection Systems（美国细水雾标准NFPA 750—2019）、Water Mist Systems（欧盟细水雾标准EN 14972）、Water Mist Sprinkler Systems and Water Mist Extinguishing Systems（德国细水雾标准）和国外同类工程火灾试验数据及报告等。

3.3 机房区高压细水雾灭火系统及工作原理

本项目机房楼共4层，由模块机房、变电所、电池间、调试间构成，每层有8个防护区，整个机房楼共32个防护区。高压细水雾系统均采用预作用式，并包括闭式和开式2种系统。其中模块机房采用闭式系统，其他区域采用开式系统。

3.3.1 闭式系统工作原理

在准工作状态时，泵组至分区阀组的管网内始终存有1.8 MPa的压力水，而保护区的管道内为常压空气。当发生火灾后，火灾探测系统发出一路报警信号，FAS系统联动开启警铃；当两路探测器报警确认火灾后，FAS系统联动开启声光报警器及喷雾指示灯，同时启动高压细水雾主泵，打开相应区域的分区阀，保护区内的管道压力达到10～12 MPa，等待喷头玻璃泡破裂。当喷头玻璃泡遇热达到爆裂温度破裂后，喷头开始喷雾灭火。喷放区域仅限于火灾发生的范围内。工作流程如图1所示。

图1 闭式系统工作流程

3.3.2 开式系统工作原理

在准工作状态时，泵组至分区阀组的管网内始终存有1.8 MPa的压力水，而保护区的管道内为常压空气。当发生火灾后，火灾探测系统发出一路报警信号，FAS系统联动开启警铃；当两路探测器报警确认火灾后，FAS系统联动开启声光报警器及喷雾指示灯，并启动高压细水雾主泵，打开相应区域的分区阀，保护区内的所有喷头同时喷雾灭火。工作流程如图2所示。

图2 开式系统工作流程

3.4 机房区高压细水雾系统设备选型及系统相关参数

对高压泵组设置100%备份，分为主泵组和备用泵组。

主泵组：高压水泵流量120 L/min，压力12 MPa，功率30 kW，电源380 V（AC50 Hz），共6台；稳压泵流量2 L/min，压力2.0 MPa，功率0.75 kW（一用一备）；空气压缩机流量55 L/min，压力1.0 MPa，功率1.2 kW。

备用泵组：高压水泵流量120 L/min，压力12 MPa，功率30 kW，电源380 V（AC50 Hz），共6台；稳压泵流量2 L/min，压力2.0 MPa，功率0.75 kW（一用一备）；空气压缩机流量55 L/min，压力1.0 MPa，功率1.2 kW。

1）喷头最不利点工作压力10 MPa，最大间距3 m。

2）细水雾雾滴体积中间直径＜100 μm。

3）系统设计流量为720 L/min（按最大保护区D1-4F变配电所＋UPS B所有喷头同时喷放计算）。

4）系统工作压力为10～12 MPa。

5）系统反应时间≤30 s。

6）设计持续喷雾时间60 min。

3.5 系统控制

本项目高压细水雾灭火系统具有自动控制、手动控制和机械应急这3种方式。

1）自动控制方式：消防控制中心火灾报警控制器接收到高压细水雾保护区内的1个火灾报警信号后，发出联动控制信号启动对应保护区的消防警铃；待接收到同一保护区内2个独立的火灾报警信号后，发出联动控制信号启动对应保护区的声光报警器，打开区域控制阀组，启动对应保护区的释放指示灯，自动启动高压泵组，进行高压细水雾灭火。

2）手动控制方式：第1种情况，工作人员已确认发生火灾，但自动控制未动作，为了节省时间，减少损失，通过按下现场紧急启动按钮或在控制中心直接打开对应的区域控制阀组来启动系统；第2种情况，系统处于手动工作模式时，火灾报警控制系统接收到火灾报警信号后，启动警报设备，但不开启区域控制阀，需经工作人员确认火灾发生后，通过按下现场紧急启动按钮或在控制中心直接打开对应的区域控制阀来启动系统。

3）机械应急操作：当系统自动控制和手动控制方式均失灵时，可通过区域控制阀组的手动开启手柄开启区域控制阀，启动系统。

灭火时，火灾报警系统自动联动关闭相关区域的通风系统，避免影响高压细水雾的灭火效果。灭火完成后，手动开启相应区域的机械通风装置，对高压细水雾喷放区域进行通风干燥，以便尽快恢复机房的工作。

4 结语

随着数字化时代的到来，数据已上升为国家战略资源，未来10年我国的数据中心将迎来建设高峰期。数据中心一旦发生火灾，不仅设备损失严重，而且数据延误或数据丢失的损失更为明显，因此数据中心机房的消防安全至关重要。

因我国规范的推荐性，数据中心机房常用的灭火系统为气体灭火系统，细水雾灭火系统应用较少。而在国外，高压细水雾灭火系统在数据中心机房的应用已较为成熟。经过在对人员的安全性、对设备的安全性、环保性、初投资、维护维修费用等方面，对气体灭火系统和高压细水雾灭火系统进行分析，发现高压细水雾灭火系统有较大优势，可在我国数据中心机房灭火系统中进行推广应用。

本文对上海某银行数据中心机房高压细水雾系统方案进行了介绍。鉴于我国规范的推荐性，该方案的正式实施还需业内专家进一步论证并获得消防部门的认可。其实际应用效果也期待在项目建成后进行研究和验证。