数据中心气体灭火系统多防护区设置的研究
摘要：数据中心是数字经济时代的重要基础设施，与民众生活息息相关。气体灭火系统是数据中心不可或缺的消防安全设施之一。通过对自动气体灭火系统防护区相关规范、案例的分析，提出在数据中心设计阶段设置多防护区的应用思路，以期降低数据中心消防设备投资，减少气体钢瓶运营维护费用。
自动气体灭火系统灭火迅速，不影响机房设备在线运行；但造价昂贵、维护费用高。择优选用灭火剂、合理设置防护区数量是关乎气体灭火系统造价的关键因素。
20世纪五六十年代以哈龙（卤代烷1211）为灭火剂的自动气体灭火系统逐渐在工业、军事等领域使用，为电子计算机房、通信机房等重要设施提供消防安全保障，并使通信设备可靠、持续、不间断地运行。
20世纪末，工业化浪潮席卷全球，环境污染也愈演愈烈。哈龙（卤族元素）成为破坏大气臭氧层的首要因素，中国是《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）签约国，于2005年12月31日将卤代烷1211生产和消费全部淘汰。经过十几年的发展和实践，目前市场上普遍认可的卤代烷替代物（洁净气体药剂）分为2类：分别是氢氟碳化合物（HFC）和惰性气体。
1规范关于气体灭火系统防护区设置的变迁
国内第一本气体灭火设计规范GBJ110—87《卤代烷1211 灭火系统设计规范》1988年实施[1]。该规范首次提出了气体防护区的概念，规定了防护区围护结构和门窗的耐火极限以及压强等要求。其中第2.0.1条第二款规定：“当采用管网灭火系统，防护区一个防护区的面积不用大于500m2, 容积不宜大于2000m3。”
GB50163—92《卤代烷1301灭火系统设计规范》1993年实施[2]。卤代烷1301针对人员更安全且适合零度以下使用。规范对防护区围护结构强度、瓶组贮存压力等参数提出明确要求，完善了灭火浓度、惰化浓度、贮存容器剩余量等参数的要求。
GB50193—93《二氧化碳灭火系统设计规范》1994年颁布[3]，中国为《蒙特利尔破坏臭氧层物质管制议定书》签约国，当时国内没有哈龙灭火剂替代产品，二氧化碳灭火剂一度作为哈龙替代品得以使用。由于它是高压气体灭火系统，产品质量不稳定、日常维护困难等原因。二氧化碳灭火系统多次意外喷放。在密闭机房中意外喷放的二氧化碳严重威胁人员生命安全，因此很快就淡出人们的视线。
GB50370—2005《气体灭火系统设计规范》2006年发布实施[4]。进入21世纪，通信网络行业高速发展。气体灭火越来越广泛地应用到建筑消防中，且实际应用效果突出[5]。通信建筑为了满足机房设备的要求，向集中化、大型化发展。机房面积、层高也随之大幅度提高，同时为了配合《蒙特利尔破坏臭氧层物质管制议定书》在中国落地。规范不仅推荐了3种洁净气体灭火剂：七氟丙烷、混合气体和热气溶胶；而且就防护区的设置参数进行大范围的调整。如防护区面积扩大1.6倍、体积增加1.8倍。规范还明确防护区数量不能超过8个，且设定为强制条文。规范原文如下：2个或2个以上的防火区采用组合分配系统时，1个组合分配系统所保护的防护区不应超过8 个。之前气体规范关于组合分配系统内的防护区数量不作限制的状态被改变。相关规范数据的对比详见表1。
2气体防护区与电信枢纽楼
在21世纪初叶移动电话快速普及促进电信事业大发展，全国电信枢纽楼更是如雨后春笋般拔地而起。当时GB0370—2005《气体灭火系统设计规范》还没有颁布，也就是说在规范层面并没有对气体灭火系统的防护区数量的限制。工程实践也是摸着石头过河，大胆创新、探索切实可行的新方法。下面通过具体案例分析，阐述如何解决气体灭火系统数量与防护区设置之间的矛盾。
2.1 案例分析一：四川某电信枢纽楼
始建于2000年的四川某电信枢纽楼主楼：总建筑面积82300m2，标准层2980m2，地下2层，地上21层，建筑高度93.60m。大楼为电信全国一、二级干线及本地网的枢纽，设有市话交换机房、长途交换机房、数据机房；楼内共有42个电信机房需要设置自动气体灭火系统。当时已经卤代烷1301 灭火剂已经处于限制使用状态，急需寻找替代产品。
本电信枢纽大楼具有防护区域众多，单个防护区域面积大，高楼层防护区与低楼层防护区之间垂直高差近90m等特点。1301（卤代烷）灭火系统、FM200（七氟丙烷）灭火系统已超出了规范的适用范围。EBM（气溶胶）灭火系统由于不具有组合分配功能，造价相当高。只有低压二氧化碳灭火系统，高压二氧化碳灭火系统和IG541灭火系统较为适用。
通过详细的方案比较，低压二氧化碳灭火系统虽然投资较低，但低压二氧化碳储罐站设置在10层，储罐站距地面50m；低压二氧化碳喷放后，需长距离二次充装，安全和泵送问题均无法解决。高压二氧化碳灭火系统和IG541灭火系统投资较为相近，机房的二氧化碳灭火浓度是34%，远高于致死浓度20%，在有工作人员的通信机房是绝对不允许的。而被称为洁净气体IG541气体灭火系统就成为首选。
当时国内制造商IG541气体灭火系统产品刚研究成功，尚未有成熟可靠的产品。针对近百米高的电信枢纽楼，还有2个关键问题需要解决。
其一,选择阀的设置位置：本项目有42个防护区，分散在21个楼层。瓶组间虽然设置大楼位于中间10层，如42个选择阀集中设置瓶组间，供楼上、楼下方向输送药剂DN150管道各有20根。管道井面积巨大，竖向气体管道的管道井占用的机房面积，高层建筑楼层可利用机房面积本来就低，楼层面积利用率被进一步压低。
其二,气体火系统是否正确启动是扑灭火灾的关键之关键。规范均要求必须同时满足自动、手动、机械应急3种启动方式。通过操作设在钢瓶间的气体钢瓶容器阀上的紧急机械启动器或区域选择阀上的紧急机械启动器，来开启整个气体灭火系统[6]。机械应急启动是气体灭火系统最后一道保障、必须万无一失。如果选择阀分散在各楼层，选择阀与瓶组间的距离最远达60m。2000年时期国产的选择阀均是气动启动，建筑物内长距离启动管线（铜管）敷设需途经许多楼层和房间，情况复杂，维护、管理等人为干扰因素众多，安全无法保证。
经多方考察、调研，与当地消防主管部门多次协商。选择引进具有多年气体灭火系统制造经验的美国公司（ANSUL）生产且符合NFPA2001—2000《洁净气体灭火标准》[7]的IG541 气体灭火系统。该公司产品不仅大量使用在大型通信机房、计算机机房；而且有船级社认证应用于远洋轮船。该公司的2个关键产品电启动选择阀和钢索式手拉机械启动装置使困难迎刃而解。
电启动选择阀消除了选择阀与瓶组间之间的距离障碍。电选择阀配有电启动器，该元件用可在几毫秒内电启动并运行，可产生一个强大的机械力的输出，瞬间打开选择阀。选择阀分散到各楼层，靠近机房布置，既提高了楼层面积的利用率，又节省了投资。见图1。
钢索式手拉机械启动装置用于应急操作时启动选择阀，提供自动、手动启动失败后最后的安全保障。缆绳用于把远距人工手拉盒与容器阀、牵拉平衡器及控制盒连接起来，缆绳由不锈钢丝绕成。在应急启动容器阀、应急操作选择阀的动作必须同时启动时，拉索系统必须安装远距缆绳牵拉平衡器。牵拉平衡器安装在远距手拉盒的缆绳上。当拉动远距离手拉盒时，连接牵拉平衡器的缆绳拉动内部的绳夹，绳夹拉动连接容器阀和选择阀的缆绳，使它们同时动作。
枢纽大楼IG541气体自动灭火系统简：采用全淹没方式，组合分配系统。共有42个防护分区，合用1个瓶组间，气瓶瓶组间位于10层。灭火剂用量按最大防护区计算为222个瓶组，并设100％在线备用瓶组；合计444个瓶组。是国内单个组合分配系统拥有防护区数量最多的系统之一。
电信枢纽大楼2002年竣工投入使用以来，系统运行平稳、可靠，维护方便，获得业主的赞同。枢纽楼荣获信息产业部《2005年度通信工程优秀设计一等奖》《2005年度国家优质工程银质奖》。
2.2 案例分析二：云南某电信枢纽楼
建设于2002年的云南某电信枢纽楼，功能、用途相同。总建筑面积45600m2，地下1层，地上22层，建筑高度99.90m。楼内共有40个电信机房，设计采用了同一供货商提供的IG541气体灭火系统。枢纽楼荣获中国住建部《2008 年度全国优秀工程勘察设计奖铜奖》《2008年国家优质工程银质奖》。
上述2个电信枢纽工程案例的成功建成，不仅节约了前期基本建设投资，还因为气体瓶组数量的减少，大幅度降低气体钢瓶后期维护和定期更换的费用；取得较好社会、经济效益，且均获得国内相关部门的建设、设计、施工奖项，也佐证了自动气体灭火系统防护区设置数量方面取得的有益探索。
3防护区与数据中心
21世纪互联网逐渐替代模拟技术的电信网络，数字技术的移动互联网时时刻刻地伴随人们的生活。数据中心已经成为数据时代的核心节点。数据中心建筑不仅从多层向高层发展，而且单层建筑面积也达到数千平方米。单个主机房的面积和容积也越来越大[8]，1幢数据中心设置气体灭火系统少则3～4 套，多则7～8套，投资金额高达数千万元。合理设置每套自动气体灭火系统防护区数量不仅关系到数据中心的安全性，而且与消防工程造价密切相关。假设1幢数据中心只设置1套气体灭火系统，不仅节省的基建投资，还大幅度降低气体瓶组等后期运营维护成本。
4结语
通过对自动气体灭火系统防护区相关规范、案例的分析，提出在数据中心设计阶段的设置多防护区的应用思路：
第一，靠近防护区设置的选择阀且优先使用电启动选择阀。第二，需使用简单可靠的远程应急机械启动系统。
以期降低数据中心消防设备投资，减少气体钢瓶维护更换费用。随着我国经济持续发展，科技水平快速提升，工业制造业不断追赶国际先进水平，气体灭火系统相关产品制造技术也随之得以提升，2015年国产的电启动选择阀已经研制成功并投入量产。气体灭火系统制造商加速研发，解决选择阀远程启动可靠性问题，期待国产超多防护区的自动气体灭火系统出现。
