高校数据中心灭火系统选择浅析
徐磊 吴震
摘 ?要 高校数据中心在教学科研及校园生活中扮演着重要角色，但其结构单一，各项配套设施不完善，导致防控火灾形势非常严峻。简要介绍高校数据中心发生火灾的原因及破坏途径，分析不同灭火系统的特点及对数据中心的适用性，旨在为高校数据中心消防建设和升级改造提供借鉴参考。
关键词 高校数据中心;消防;灭火系统;电子设备
文章编号：1671-489X（2019）16-0128-04
中图分类号：TP308 ? ?文献标识码：B
Selection of Fire Suppression System in University Data Centers//
XU Lei， WU Zhen
Abstract University datacenters are playing more and more impor-tant role in teaching， scientific research and campus life， however， these essential facilities always facing serious fire threat because of
their simplicity in structure and the lack of adequate auxiliary facility
when built. This paper mainly summarizes the causes and damage of
fire disasters in university datacenters， evaluates the fitness of fire
suppression systems for university datacenters. We hope this paper
could be helpful for construction and/or upgrading of fire suppre-ssion facilities in university datacenters.
Key words university datacenter; fire protection; fire suppression system; electronic equipment
1 引言
所謂数据中心，简单地理解就是数据集中的地方，它承载着大量的数据运算、数据交换、数据存储等任务。数据中心的构成以高集成度的电子设备为主，核心包括服务器、网络通信设备、网络安全设备、信息存储设备等。随着大数据、云计算以及人工智能领域的快速发展，社会对各种类型数据的需求不断提高，不同规模的数据中心在世界各地迅速建立和发展。国际咨询公司Technavio在其发布的研究报告中指出，全球数据中心的规模在2018—2022年间将以10.21%的速率高速增长[1]，而中国数据中心规模在此阶段的增长速度近12%，表明我国对数据中心的建设投入不断加大，数据中心的开发利用将处于高峰期[2]。
伴随着数据中心在各领域发挥的作用不断加强，因宕机而造成的损失也越发巨大。波耐蒙研究所（Ponemon Institute）的调查报告表明，2010—2016年间因数据中心宕机而造成的损失增长了57.6%，从2010年的平均5617美元/分钟增加到2016年的8851美元/分钟。资本在线有限公司（Capitalonline Ltd.）研究了近五年内全球数据中心的重大停机事故，指出数据中心服务中断的平均时间为12.5小时，所受损失平均在1.51亿美元以上。
在所有重大停机事故中，由火灾引起的占绝大部分，造成的损失也最为严重。资本在线有限公司分析了219起数据中心宕机事件，结果如图1、图2所示。在运转正常的数据中心中，火灾是造成数据中心宕机的首要原因，比例为37%，造成宕机的平均时间为25小时[3]。事实上，火灾一直是数据中心安全运行的重大威胁，不仅会造成严重的直接经济损失，因信息、资料的损毁而导致的间接损失更是无可估量。
当今高校不仅是人才培养的主要基地，更是科技创新的主要场所，其对用于校园网络服务、教学科研、高性能计算、数据挖掘的数据中心的需求不断增大。与大型专用数据中心相比，高校数据中心大多设立在教学、办公或其他用途建筑内，相对而言规模较小、结构单一，各项配套设施并不如专业数据中心完善，因此，高校数据中心面临更加严峻的消防安全形势。例如：2015年，加州大学伯克利分校数据中心发生的火灾，使该校网络中断12小时以上;同年，浙江大学紫金港校区机房发生火灾，造成严重经济财产损失;2017年，北京邮电大学网络数据中心发生火灾，导致北京多所高校网络崩溃、部分教育网节点和校园网不能访问;2018年，美国乔治城大学数据中心发生火灾，造成多项校园网络服务瘫痪。
有效防控火灾是高校数据中心安全运行的重要保障。本文结合高校数据中心特点，介绍火灾在数据中心发生的起因及破坏途径，简要分析不同灭火系统的特点及对数据中心的适用性，希望为高校数据中心防火安全建设及后期升级改造提供借鉴参考。
2 数据中心火灾的起源
数据中心火灾起源可以分为外部引燃和内部引燃两类。
外部引燃即数据中心以外的其他建筑或房间起火后蔓延而来。由于数据中心与其他用途房间在同一建筑内或与其他建筑间的距离较近，这些房间或建筑起火时，火势可能会顺势通过数据中心外部的走廊、门窗及通风管道蔓延而来，进而引起数据中心火灾。高校数据中心大多没有单独的建筑，往往设立在办公或教学用房内，有相对较高的外部引燃风险，合理设置防火墙和隔离防火区、保持机房外围通道整洁无杂、建筑物采用阻燃材料，可防范外部引燃型火灾的发生。
内部引燃即数据中心内部的线路、电子设备着火或人为操作不当引起的火灾。数据中心内电子设备密度大、发热量高，容易造成设备高温而引起火灾;同时，服务器、空调系统、UPS电源等设备需不间断运行，也会因电路老化而造成一定的火灾隐患。数据中心内的可燃物包括设备中的印刷线路板、各种塑料制品、电线电缆等。在内部引燃中，数据中心内的设备短路或过载是引起火灾的最主要原因，其次是机房内的线路老化而引起的火灾，再次是机房内空调系统故障而导致设备温度过高引起的火灾。采取合理化数据中心内的布局、制定完善的管理制度、对机房内设备定期检查维护、严格要求管理人员规范操作等措施，可减小数据中心发生内部引燃型火灾的风险。
3 火灾对数据中心造成的损害
火灾对数据中心的危害主要由直接损害、间接损害及次生损害三方面构成。
直接损害即燃烧产生的高温损坏或焚毁数据中心内的电子设备，如软盘在高于38 ℃的环境下可能会损毁;温度高于66 ℃时可能会破坏服务器硬盘;149～200 ℃的高温会损毁服务器内的大部分电子元件。
间接损害即燃烧产生的副产物如腐蚀性气体、烟尘等对数据中心内设备造成的损害。如机房中广泛使用的聚氯乙烯材料（PVC）燃烧会产生腐蚀性氯化氢气体[见反应式（1）]，其会与电子元件上的镀锌发生氧化还原反应，生成氯化锌覆盖在电子元件上[见反应式（2）];氯化锌遇到潮湿空气时会转化成氯化锌溶液，与镀锌发生原电池反应，从而进一步加速腐蚀电子元件[见反应式（3）（4）]。除PVC外，含氟聚合物、含溴材料及含硫材料在高温下会分解为氟化氢、溴化氢以及硫化物，以类似的机理腐蚀电子元件。
除化学作用腐蚀电子设备外，燃烧产生的烟尘也会损伤电子器件，如直径小于0.5微米的颗粒会对硬盘存储器造成潜在危害，可能会造成硬盘磁头读写失败而造成数据丢失。同时，此类绝缘颗粒还会覆盖在电子元件表面，造成电路断路或接触不良的风险。
在数据中心火灾引起的损害中，由间接损害造成的占绝大部分且影响最為长远。美国通讯委员会（FCC）曾指出，火灾造成的数据中心损失中有95%是由间接损害造成的。
次生损害指的是不合适的灭火设备对数据中心造成的损害，如使用喷水灭火器浇灭电子设备火灾，灭火的同时会造成临近电子设备短路烧毁，存储数据丢失等情况。次生损害造成的损失往往超过由火灾引起的损失本身。
4 不同种类灭火系统的比较
燃烧是物质的快速氧化过程，其本质是氧化还原反应。如图3所示，传统意义上的燃烧需要氧气、高温、可燃物及连续的链式反应四个必要条件（燃烧四面体），即可燃物高温裂解成高反应活性的自由基，此类自由基与其他分子或分子片段发生反应，保持燃烧持续不断地进行。当今灭火系统种类繁多，但基本原理都是移除燃烧四面体中的一个或者多个要素，以达到阻燃灭火的目的。灭火的主要途径有：
1）对可燃物进行降温，使温度达到可燃物燃点以下;
2）降低燃烧物周围氧气的浓度，通常持续燃烧所需的最低氧气浓度为16%（体积分数），若燃烧物周围氧气浓度低至此浓度以下，即可阻止燃烧的进行;
3）使用化学阻断剂打断燃烧链式反应。
水基灭火系统 ?人类使用水来灭火有着悠久的历史。水灭火有着先天优势，即水常温下为液体，可以迅速覆盖燃烧物表面使其隔绝空气。同时，水还具有较高的比热容，可以吸收燃烧物较多的热量而使其温度降到燃点以下，而水的沸点不高，可以迅速吸热气化为水蒸气而降低火焰周围的氧气浓度。目前主要有两种水基灭火系统，即喷水灭火系统和水雾灭火系统。
1）喷水灭火系统。喷水灭火系统的主要设计目的是控制火势蔓延和扑灭火源，同时对建筑物本身进行降温，避免建筑结构因高温损坏或垮塌。对电子设备而言，喷水灭火系统喷出的大量液态水会使设备短路或损坏，造成严重的次生损害。大多数情况下因喷水而导致的电子设备损坏甚至高于火灾本身造成的损失，因此，喷水灭火系统多用于保护建筑物本身而并不用于对电子设备灭火。目前，高校数据中心所在建筑内大多配备喷水灭火系统，但实际应用上其应扮演火灾防控最后一道防线的角色，即火灾蔓延无法得到控制，严重威胁到建筑物本身安全的情况下才可以使用，数据中心一般的火灾应由其他类型的灭火系统来应对。
2）水雾灭火系统。水雾灭火系统是一种原本为船舶设计的灭火系统，因其独特的优势近期引起广泛关注。水雾灭火系统一般由高压水泵、输水管道和喷雾头组成，喷雾头在特定的压力下将水流分解成大小为100～1000 μm的水雾喷出。水雾灭火系统的用水量是喷水灭火系统的10%左右，大大节约了水资源;同时由于水雾的大小非常接近火场所产生烟尘颗粒，对有毒烟尘有着极好的吸附作用，可有效降低火场有毒烟尘浓度。在系统工作时，喷出的大量水雾会在火焰周围迅速吸热气化而降低火源的温度，水雾汽化会使其体积暴增1700倍，大量水蒸气迅速取代火焰周围的空气而降低氧气浓度。同时，水雾还对热辐射有着明显的衰减作用，可以阻滞火灾进一步蔓延，即降温、除氧和热辐射衰减是水雾灭火系统灭火的主要途径。
研究表明，水雾不会在电子设备上形成连续的导电水流或水面而导致设备短路损坏，是一种可用于带电环境下的灭火系统。目前，水雾灭火系统已经开始应用于图书馆、档案室、地铁站等场所。对于高校数据中心来说，水雾灭火系统具有安全环保、安装维护成本低等优点，但实际部署使用中应注意水雾在空中扩散相对缓慢，难以大量进入通风不畅的空间而导致对其内部设备的保护性欠佳;同时，水雾灭火系统产生的大量水雾会影响视线，不利于危急情况下的人员疏散及物品搜寻，故机房内设施要布局合理、规范整洁、标识明显、空气保持流畅循环，设备选用上如服务器机柜、UPS电池柜等要有良好的通透性。
除上述传统的水雾灭火系统外，目前一些厂商将水雾灭火系统和高压氮气相结合，生产了一种新型的气雾混合灭火系统。此类灭火系统喷出水雾的同时还喷出高压氮气，与单独的水雾灭火系统相比，高压氮气不仅使喷出的水雾更加细小（直径小于10 μm），同时赋予水雾较高的初速度，可使水雾迅速扩散至整个防护空间，克服了水雾扩散速度慢、难以进入密闭空间的缺点。另外，灭火时火场的可见度也显著提高，一定程度上弥补了传统水雾灭火系统的不足，更加适合高校数据中心使用。
卤代烷烃灭火系统
1）哈龙灭火系统。哈龙灭火系统主要使用的灭火剂为Halon 1121（二氟一氯一溴甲烷）、Halon 1301（三氟溴甲烷）或者Halon 2402（1，2-二溴四氟乙烷）。Halon 2402在我国并未生产，我国主要使用的为前两种。此类物质常温下为绝缘性气体，当暴露于火焰高温受热时，灭火剂会发生裂解反应生成高反应活性的Br·或Cl·自由基，这些自由基会打断燃烧链式反应，进而达到灭火的目的。
哈龙灭火剂使用后无腐蚀性残留，是最早的“洁净”灭火系统，20世纪80年代初期至90年代中期被广泛用于保护计算机房、档案馆、配电室、数据库等重要场所。然而此类化合物会严重破坏臭氧层，1987年的《蒙特利尔协定》分阶段限制了此类化合物的使用。我国于1991年正式加入《蒙特利尔协定》，于1996年颁布实施《中国消防行业哈龙整体淘汰计划》，2014年发布的《中国消防行业哈龙整体淘汰计划》完成报告表明，我国于2006年和2010年分别完成对Halon 1121和Halon 1301彻底的停产和销售，哈龙灭火系统退出历史舞台。
2）氟代烷（酮）灭火系统。为了替代哈龙灭火系统，氟代烷（酮）灭火系统被研发出来，主要的灭火剂有HFC-227ea（七氟丙烷）、HFC-125（五氟乙烷）、Novec 1230（十二氟-2-甲基-3-戊酮）、HFC-23（三氟甲烷）、HFC-236fa（六氟丙烷）等，常用的为前三种（见表1）。HFC-227ea、HFC-125灭火机理与哈龙系统类似，Novec 1230灭火剂平时以高压液态形式存储，释放时会与空气混合形成绝缘性灭火剂/空气混合物，此类混合物具有较大的比热容，通过迅速吸收火源周围的热量，使温度降到可燃物燃点以下而达到灭火的目的。
相对于水雾灭火系统，灭火剂/空气混合物在火场内的扩散效率更高，可以有效覆盖整个防护空间;相较于哈龙灭火系统，此类灭火剂对臭氧层无害，其ODP（Ozone Depletion Potential）为零，使用过程中并不会损害臭氧层。但三种灭火剂具有不同的温室效应，Novec 1230的GWP
（Global Warming Potential）为1，与二氧化碳相同，而其他两种灭火剂GWP值都高于3000，有明显的温室效应，从环保角度来说，Novec 1230更具有优势。
目前，此类灭火系统已广泛部署在电子机房用来防控火灾，但在实际应用中应注意灭火剂具有一定的毒性。同时，其在灭火过程中遇高温会发生分解，分解产物包含氢氟酸（HF）以及碳酰氟（COF2）等物质，此类物质对人体具有毒性，对电子设备具有腐蚀性[4]，因此在灭火过程中人员要及时撤离，灭火后要对火场进行彻底的通风处理。
惰性气体灭火系统
1）二氧化碳灭火系统。二氧化碳为绝缘性线性分子，无色无味，分子量为44，略重于氧气分子。二氧化碳不助燃，灭火系统工作时会向火场释放大量二氧化碳气体，通过稀释火源周围氧气浓度而达到灭火的目的。灭火后二氧化碳气体会自然挥发，不会产生有害残留物，对电子设备不会造成次生损害，属于“清洁”灭火系统。然而二氧化碳对生物有显著的窒息作用，当环境中二氧化碳浓度大于5%时即会对生命安全构成威胁，而二氧化碳灭火系统工作时二氧化碳浓度可达50%以上，会对火场内来不及撤离的人员造成严重威胁，甚至引起死亡。从生命安全角度来说，二氧化碳灭火系统只适用于无人值守场所，高校数据中心作为有人场所不可采用此类灭火系统。
2）惰性混合气体灭火系统。惰性气体具有化学稳定性，其不易与其他物质发生化学反应，不易分解也不助燃。常见的惰性气体包括氦气、氩气、氮气等，后两种常用于灭火。目前主要使用的灭火剂有IG-01（100%氩气）、IG-55（50%氩气和50%氮气）、IG-541（52%氮气、40%氩气和8%二氧化碳）、IG-100（100%氮气）等。惰性气体可通过取代火源周围氧气分子，降低火源周围氧气浓度而达到阻燃灭火的目的。通常灭火过程中火场氧气浓度会被稀释到10%～13%，既保证了灭火效率，又保证了人员生命安全。
惰性混合气体作为灭火剂优势明显。
首先，惰性气体组成为自然界存在的物质，不会对环境产生危害;
其次，惰性气体为绝缘性气体，高温条件下不会分解为腐蚀性物质，对精密仪器无损害;
再次，惰性气体在设计灭火浓度下对人员无害，可在有人工作的环境下安全使用;
最后，惰性气体工作时不会像水雾灭火系统那样产生大量烟雾，有利于紧急情况下的人员撤离和救援。
目前，许多数据中心已采用惰性混合气体灭火系统来防范火灾，但选用此类装置时应注意其前期安装和后期维护都需要较大投入，实际应用成本往往较高。同时，用于气体存储的钢瓶占用面积大、压力值高，具有一定的爆炸风险[5]，存储钢瓶须严格定期做耐压检测及维护。
3）低氧循环系统。此类灭火系统的原理是将氧气浓度在燃烧所需最低浓度以下的空气注入受防护的空间内，用来阻止燃烧的发生和进行。通常外部空气通过此类系统的过滤或吸附等手段处理后，氧气浓度被控制在15%，氮气为85%，此浓度下既保证了人员安全，又防止了火灾发生。相比于其他灭火装置，此类系统从根本上杜绝了火灾的发生，同时不需要在防护区内布置复杂的管线，也不用高压存储罐，具有显著优势。然而考虑到注入防护区内的空气会不断外溢，此类装置需要持续不断地运转，维护及能耗投入相对较高。目前，一些大型项目如核电站、超算中心等已采用此类装置[6]，但对于高校数据中心而言，此類系统应用成本过高，实际部署较为困难。
5 结语
本文简要介绍了高校数据中心火灾特点与破坏途径，分析了不同灭火系统的特性，表明水雾灭火系统、气雾混合灭火系统、氟代烷（酮）灭火系统、惰性混合气体灭火系统均适用于高校数据中心防火控火。本文希望为高校数据中心防火安全建设及升级改造提供参考。
参考文献
[1]Technavio. Global Data Center Market 2018—2022
[EB/OL].[2018-02-08].https：//www.reportlinker.com/p04340873/Global-Data-Center-Microserver-Market.html.
[2]Technavio. Data Center Market in China 2018—2022
[EB/OL].[2018-04-12].https：//www.reportlinker.com/p01556761/Data-Centers-Market-in-China.html.
[3]Barry Elliott. The Importance of Fire Engineering
in a Data Centre[EB/OL].[2016-10-23].https：//teche
rati.com/the-stack-archive/data-centre/2016/09/23/the-
importance-of-fire-engineering-in-a-data-centre/.
[4]Kim A. Recent Development in Fire Suppression Sys-
tems[J].Fire Safety Science，2001（5）：12-27.
[5]施秀琴，姚浩伟，李华平.高压细水雾灭火系统在微电子设备机房的应用[J].消防技术与产品信息，2015（11）：7-10.
[6]Nilsson M， Hees P V. Advantages and challenges
with using hypoxic air venting as fire protection[J]. Fire and Materials，2014，38（5）：559-575.
