某项目气体灭火系统的选择SelectionofGas Fire Extinguishing System in A Project

姜　卓，温润刚（中国中元国际工程有限公司，北京00089；迈进工程设计咨询（北京）有限公司，北京000）

某项目气体灭火系统的选择
SelectionofGas Fire Extinguishing System in A Project

姜卓1，温润刚2
（1中国中元国际工程有限公司，北京100089；2迈进工程设计咨询（北京）有限公司，北京100021）

气体灭火的系统形式分为组合分配式和单元独立式，所选用的灭火剂有七氟丙烷、二氧化碳、IG541等多种形式。近年来随着房地产业的飞速发展，气体系统得到了广泛应用。如何根据具体项目特点，选择合适的系统形式及灭火剂成为设计者需要考虑的首要问题。该文针对某大型数据中心项目气体灭火系统的选择设计作了专项研究。

七氟丙烷；二氧化碳；IG541；单元独立式；组合分配式

1　工程概况

某项目的地下一层及一、二层设有数据中心主机房和UPS室，总面积约为3150m2及2328m2。按现行《建筑设计防火规范》GB50016-2006［1］要求，数据机房及UPS室内需设置气体灭火系统。

2　气体灭火系统介绍

气体灭火系统是以化学气体为灭火剂，与探测报警系统相配合形成的自动灭火系统。对于扑灭液体火灾、气体火灾、电气火灾以及固体表面火灾最为适宜。该系统灭火效率高，速度快，灭火后对物体不损坏，无污染，不留痕迹，开窗通风后马上可以恢复使用。

气体灭火系统分为单元独立式和组合分配式。由于本项目的数据中心机房和UPS室面积较大，远远超过现行《气体灭火系统设计规范》GB50370-2005［2］中对一个防护区面积不大于800m2，同时容积不大于3600m3的要求，因此需要分为多个防护区分别进行保护。为节约投资及占地，宜采用组合分配式系统，由一套气体灭火系统对多个防护区同时提供保护。

组合分配式气体灭火系统由并联贮气瓶、启动瓶、气路单向阀、选择阀、启动管路组成，以实现控制和供气的系统。当某一保护区发生火灾时，该区域的报警系统探测到报警信号，并传输至报警控制盘，由报警控制盘启动该区域的启动瓶，然后再依次打开选择阀、气体单向阀、贮气瓶，使灭火剂沿集流管及已打开的选择阀，输送到起火区域。通过启动管路上的单向阀和输送管路上的选择阀以保证启动设定数量的贮气瓶，并流向设定的保护区。系统示意图如图1。

图1　组合分配式气体灭火系统工作流程示意图

目前常用的气体灭火系统有：高低压二氧化碳灭火系统、七氟丙烷（FM200）灭火系统、IG541气体灭火系统等。以下对几种灭火系统分别进行介绍。

2.1二氧化碳灭火系统

2.1.1灭火原理

二氧化碳为不燃烧、不助燃气体，它在高压或低温状态下被液化贮存于贮瓶中，喷放时，二氧化碳液体气化，吸收大量热量，可以降低起火保护区内的温度，同时二氧化碳气体体积急剧膨胀，高浓度气体稀释被防护区内的氧含量，起到窒息灭火的作用。

2.1.2系统优点

（1）设备安全性好

二氧化碳气体易液化、易罐装储存，在制造技术上的难度小，价格较为便宜。其液化温度受压力影响较大，0℃时液化压力为3.48MPa，-20℃时液化压力为1.97MPa，液化时常采用辅助冷却。灭火时不污染火场环境，对保护区内的贵重设备不产生腐蚀和破坏作用，不仅可以扑救A、B、C类火灾，在高浓度下还能扑救固态深位火灾。

（2）传输距离长

二氧化碳灭火系统可采用组合分配式系统同时保护多个防护区域，按灭火剂储存压力可分为高压系统和低压系统，其管网起点计算压力（绝对压力）分别为5.17MPa和2.07MPa。而喷头入口压力（绝对压力）要求为不小于1.4MPa和1.0MPa。足够的压差可以保证二氧化碳能够传输较长的距离。

2.1.3系统缺点

（1）灭火浓度较高

对于数据机房和UPS室，二氧化碳灭火时要求的灭火浓度应为47%和40%，而设计浓度不低于灭火浓度的1.7倍，即需要达到80%和68%，为便于储存、运输，二氧化碳气体必须液化，通常采用高压液化储存或低温储存。

（2）高压系统缺点

高压系统采用高压储存，压力过高，对储存环境的温度要求比较严格，在夏季，要特别注意其因储存环境温度升高，钢瓶有爆炸危险，设计时要求储瓶间不可被阳光直接照射。为实现系统自动启动，高压系统需要高压氮气驱动，投资费用高，附属配件多，系统发生故障的机率增加。此外由于高压储存，年泄漏率达到5%左右，每年需要系统补压，维护复杂。

（3）低压系统缺点

低压系统采用低压贮存，需要将二氧化碳气体温度降低到-18℃至-20℃才能实现液化，外设制冷设备，相对高压钢瓶来说造价增加。此外低压系统的安全性能低，一方面是由于低压系统中二氧化碳从液态气化的过程中容易形成“干冰”，而干冰又能直接升华成气体，在升华的过程中，气体体积成千上万倍的剧烈膨胀，同时吸收大量的热量，使环境温度急剧降低，对输送管道带来严重的破坏，使管道发生冷脆而断裂，对人员和保护区不安全。另一方面，由于气体在膨胀过程中还能产生静电，有可能起火。

（4）人员安全性差

二氧化碳虽没有毒性，但它无法供给呼吸。当空气中二氧化碳含量达1%的时候，对人体就有害处；达到4%～5%时，会使人感到气喘、头痛、眩晕；达到10%时，会不省人事，呼吸停止，导致死亡。而二氧化碳的灭火浓度远高于此限值，有可能引起未能及时从防护区撤离的人员发生窒息死亡，所以在经常有人停留或工作的场所，不可设计使用二氧化碳气体灭火系统。

（5）环境影响

近年来环境保护问题得到广泛关注，从《国家十二五战略规划》，再到近期《中美联合关于二氧化碳排放的联合声明》——“绿色、低碳、减排”已经成为社会各界生产、建设中考虑的重要因素。在这种背景下，二氧化碳为温室气体，在选用气体系统灭火剂中系统应谨慎应用。

2.1.4适用性

该工程数据机房等防护区内经常会有人逗留，而该系统在灭火过程中有可能会产生干冰气化现象，环境温度的极剧下降，会对正在运行的机器设备造成损坏，所以从人员安全性和设备安全性两方面考虑，该系统不适用于此项目。

2.2七氟丙烷（FM200）气体灭火系统

七氟丙烷是一种无色、无味的气体，其臭氧耗损潜能值（ODP）为零，是国际认可的洁净气体灭火剂中洁净性最好，具有低毒、电绝缘性能好、灭火效率高的特点。

2.2.1灭火机理

与卤代烷灭火剂的灭火机理相似，七氟丙烷系统属于化学灭火的范畴。它是通过灭火剂的热分解产生含氟的自由基，与燃烧反应过程中产生支链反应的H-、OH-、O2-活性自由基发生气相作用，抑制燃烧过程中的化学反应，从而来达到灭火目的。

2.2.2系统优点

（1）人员安全性

七氟丙烷的未观察到不良反应的最高浓度值为9%，应用于数据机房及UPS室的七氟丙烷的灭火设计浓度为8%和9%，防护区实际应用浓度均低于10%，对人体基本无害。

（2）设备安全性

七氟丙烷不具有导电性和腐蚀性，用它扑救带电的电气设备不会损坏设备，且防护区灭火后，开启通风装置可将灭火气体全部排除，没有颗粒或油污残余物附着于设备表面，更不会损坏或沾污受保护的设备装置。

2.2.3系统缺点

（1）环境影响

七氟丙烷虽然消耗大气臭氧层的潜能值ODP为零，对大气的臭氧层没有破坏作用，但却有很大的温室效应，其潜能值GWP高达2050。在境外工程及国内绿色建筑项目中均限制使用，在实际工程设计中应考虑此因素。

（2）传输距离

七氟丙烷气体灭火系统自身的设计要求七氟丙烷气体的储存压力较低，仅为2.5MPa/4.2MPa，同时要求喷嘴的工作压力不小于0.8MPa，所以在输送距离上受到很大的限制，尤其应用于组合分配系统则较为困难。特别是当保护区多、输送距离要求长的工程更要引起注意。

2.2.4适用性

该工程的防护区分布于地下一层和一层、二层，防护区数量众多，若在每个防护区内设置预制式灭火系统，投资成倍增加，并占用大量建筑面积。若采用组合分配式七氟丙烷气体灭火系统，气体输送距离太长，该系统不适用。

2.3 IG541气体灭火系统

IG541是一种惰性气体灭火剂的代号，它由52%的氮气、40%的氩气和8%的二氧化碳组成，它不是一种化学合成药剂，而只是以上几种气体的物理混合物。

2.3.1 IG541气体灭火系统的灭火机理与二氧化碳的灭火机理相似，组成IG541的三种气体均为不燃烧、不助燃的气体，其喷放到着火区域后，可能在短时间内使着火区域内的氧气浓度降低至能够支持燃烧的12.5%以下，对燃烧产生窒息作用，使燃烧迅速终止。

2.3.2 IG541气体灭火系统的优点

（1）完全环保

由于组成IG541的三种气体，氮气、氩气、二氧化碳均为自然存在于大气中，对环境完全无害。且气体来源广泛，可确保长期使用。

（2）人员安全性好

根据长期的医学实验证明，人体在12.5%的氧气浓度和2%～5%的二氧化碳浓度的环境下呼吸，人脑所获得的氧量与在正常的大气环境（21%的氧气浓度和0.03%的二氧化碳浓度）所获得的氧量是一致的。这是因为在缺氧的环境中，如果二氧化碳的浓度能够增加至2%～5%，就可以促使人的呼吸加深和加速，在单位时间内使人脑细胞获得足够的氧。IG541中8%的二氧化碳气体，其作用就是人为地使着火区域中的二氧化碳浓度能够上升至满足缺氧环境呼吸所需的2%～5%。因此，IG541气体灭火系统与其它惰性气体灭火系统和二氧化碳灭火系统不同，不会对人体造成伤害。

（3）设备安全性好

与七氟丙烷气体灭火系统相同，IG541系统在防护区灭火后，开启通风装置可将灭火气体全部排除，没有颗粒或油污残余物附着于设备表面。同时这种完全由惰性气体组成的灭火剂，在火灾时的高温下不会产生任何酸性化学分解物，对精密设备和其他贵重设备无任何腐蚀作用。而以气态方式储存的灭火剂，喷放时不会引起保护区域内温度急剧下降，对精密设备和其他贵重设备无任何伤害。

（4）输送距离长

IG541系统气体贮瓶的充填压力为15MPa和20MPa，对应要求喷头工作压力为2.0MPa和2.1MPa，与其它气体灭火系统相比，气体输送距离更长，在系统采用组合分配方式下，可以连接更多的保护区，节约气体灭火系统的投资。

2.3.3 IG541气体灭火系统的缺点

（1）灭火时所需的气体浓度大

与七氟丙烷灭火系统相比，IG541气体灭火系统所需的灭火浓度为37.5%～42.8%，因此对于同样的防护区域，由于IG541气体不能压缩为液态，使得气体钢瓶的数量较多。

（2）对防护区围护结构要求高

由于IG541的喷放压力达到2.0MPa左右，因此要求防护区围护结构的承压要求不能低于气体喷放压力，与其它气体灭火系统相比，要求防护区围护结构的承压能力较高。

2.3.4适用性

该工程的防护区分布于地下一层和一层、二层，防护区数量众多，宜采用组合分配式系统，而IG541在人员安全性、设备安全性和传输距离方面均可满足使用要求，对此工程适用。

3　气体灭火系统的选择

该项目气体灭火系统防护区域主要是位于地下一层、一层、二层的数据机房、UPS室等，应该选取对人员无害、对设备安全系数高、系统适用的洁净气体灭火系统，由于该项目保护区面积大、数目多，为节约造价及占地，应设置组合分配式气体灭火系统。

通过以上分析，在目前常用的几种气体灭火系统中，从人员安全性、设备安全性及系统适用性三方面考虑，对比结果如表1。

表1　三种灭火系统比较选择

综上所述，由于该项目保护区数目多、距离较远，使得气体灭火管网系统大、输送距离远，从人员安全性、设备安全性、系统适用性三方面考虑，仅有IG541系统满足使用要求。

4　引申思考

以上论述为结合大型数据中心项目的特点，在气体灭火系统选择上进行的比较。另由于《气体灭火系统设计规范》GB50370-2005中第3.1.7条规定，灭火系统的储存装置72小时内不能重新充装恢复工作的，应按系统原储存量的100%设置备用量。

该项目地理位置交通便利，可满足规范中的要求。而在其它类型项目气体灭火系统设计时，应考虑项目的具体工程特点综合分析。

［1］GB50016-2006建筑设计防火规范［S］.建设部，2006.

［2］GB50370-2005气体灭火系统设计规范［S］.建设部，2006.

责任编辑：孙苏，李红

The gas fire extinguishing system contains combined distribution type and independentunit type，and the fire extinguishing agent chosen are heptafluoropropane，carbon dioxide，IG541 and likew ise.W ith the soaring developmentof real estate industry apllied in recentyears，the gas fire extinguishing system hasbeenw idely used.Theselection ofan appropriate system mode and fire extinguishing agent，in accordancew ith featuresof specific projects，isapriority for the designer.This papermakesa specialstudy on theselection and design ofgas fire extinguishing system in a large data center project.

heptafluoropropane；carbon dioxide；IG541；independentunit type；combined distribution type

TU 998.1

B

1671-9107（2015）05-0016-03

2015-03-14

姜卓（1983-），女，北京人，本科，工程师，主要从事建筑给排水设计工作。

温润刚（1983-），男，北京人，本科，工程师，主要从事建筑工程咨询管理工作。