新時期下大型數據中心機房給排水及消防設計要點分析

湯思恩

上海郵電設計咨詢研究院有限公司 上海 200092

引言

20世紀以來，全球的經濟和科技都得到了非常驚人的發展，人類也在20世紀正式迎來了信息時代。互聯網行業的蓬勃發展讓各類信息采集和傳播技術得到了前所未有的水平，信息技術和互聯網的不斷發展和普及帶來的就是龐大的信息數據。2020年3月，黨中央提出了要加快5G網絡、數據中心等新型基礎設施建設進度。由于數據中心的給排水及消防系統的設計有其特有的需求，故筆者結合近年來負責過和參與過的大型數據中心設計，針對《數據中心設計規范》GB50174-2017（以下簡稱《數規》）中的要求，總結并分析了給排水和消防的設計要點。

1 數據中心的構成

大型數據中心一般包含各種類型的功能區域，主要包括：主機房、電力電池室、配電室、空調間、測試機房、運營商接入間、進線間、備品備件間等。根據《數規》，數據中心主要分為以下三類：

A級數據中心：電子信息系統運行中斷將造成重大的經濟損失或公共場所秩序嚴重混亂的數據中心；

B級數據中心：電子信息系統運行中斷將造成較大的經濟損失或公共場所秩序混亂的數據中心；

不屬于A級或B級的數據中心為C級。

《數規》中對不同等級的數據中心都提出了不同的設計要求，在設計過程中應對不同等級的數據中心有針對性地進行設計。

2 數據中心機房給排水系統設計要點分析

2.1 給水系統設計

2.1.1 生活給水系統。由于大型數據機房一般不安排專人進行值守，有安排值守的機房也僅僅是在其入口處設置一些保安人員及運維人員的監控室，并配套小型的衛生間，生活給水管設計時完全避開機房區域即可，無特殊要求。

2.1.2 生產給水系統。大型數據中心中生產給水系統的設計是需要重點關注的，A級數據中心一般按12小時的冷卻水補水量設計冷卻塔補水池。冷卻塔補水系統設置時應充分考慮冗余原則，即任意一點產生故障，均不影響整套生產供水系統的運行。有條件的情況下，補水池應設計為可獨立運行的兩座水池，兩座水池的連通管、生產供水泵、生產水泵后端的供水管道亦按冗余原則設計，均設置充足的備份。設計時可將水泵后端的管道成環，并設置分段閥門，閥門設置時亦應考慮該閥門損壞時是否影響供水，如有必要應在同一個位置設置兩個閥門，保障系統安全。供屋頂冷卻塔的兩路供水環管，建議設置在不同的水管井內，將兩路管道進行物理分隔。此外，筆者在設計過程中還遇到部分業主擔心泵房出現整體事故，要求考慮泵房的冗余，為此設計了另一種供水方案：在傳統“水池——水泵——冷卻塔”供水系統外，另外，設置一套疊壓供水設備往冷卻塔補水，兩套設備共用生產供水環管，平時由疊壓供水設備優先供水，市政斷水時啟動生產供水泵組。該方案既滿足了業主的要求，又可充分利用市政水壓節能[1]。

機房空調間內的空調根據暖通專業的要求，一般會設置加濕水補水系統。設計時一般不與冷卻水補水系統共用水泵，獨立設置一套供水設備，如市政水水質一般，則可考慮在加濕水補水系統中設置軟化水裝置，減少水垢的產生。加濕水的供水管路無環狀供水的要求，可根據業主的需求來設計。為了避免管道出現漏水情況對機房造成嚴重影響，一般會選擇減少其進入機房區域的長度來進行改善。筆者推薦的處理方法是將立管就近設置在加濕器旁，并將立管進行包封，以此來減少漏水時對機房的影響。

2.2 雨水排水系統

《數規》中并未對雨水排水系統作出詳細規定，故重現期根據建筑的重要性確定。A級數據中心重要性很高，筆者建議A級數據中心的屋面總排水量按不小于100年重現期的雨水量確定，B級和C級數據中心按重要建筑設計，屋面總排水量不小于50年重現期的雨水量確定。因為數據中心內的電氣設備較多，故有條件的情況下應盡量考慮采用外排水系統，以減少事故時對機房的影響，如采用內排水系統，雨水立管應盡量設置在走道等公共部位，不得布置在機房等關鍵區域內。

2.3 污、廢水排水系統

2.3.1 生活污水系統。主要為衛生間污水排水，就近排入室外污水井即可。

2.3.2 生產廢水系統。數據中心的生產廢水主要由以下四種：①冷凍機房內的排污水；②機房空調區域的冷凝水；③屋頂冷卻塔的排污水；④公共走道消防廢水。對于前兩種廢水，建議設置地漏收集后集中排入室外污水管網，接入污水管網前應設置水封井或其他防止臭氣進入室內的措施，空調區的地漏根據《數規》應采用潔凈室專用地漏或自閉式地漏，排水地漏應直接安裝在空調附近和加濕器附近；對于屋頂冷卻塔的排污水，可在每個冷卻塔處設置一個DN100污水接口，各個污水接口匯合成一根單獨的污水立管排入室外污水管網；為了保障機房使用安全，對于公共區域消防時產生的廢水，應在走道內設置地漏，將消防廢水匯合排出，接入室外雨水管網。

3 數據中心機房消防設計要點分析

3.1 室內消火栓系統設計

消火栓系統設計時應注意將消火栓箱設置在顯眼的位置，消火栓立管不得設置在數據機房及電池室等房間內，避免檢修或者滲漏對機房產生影響。如遇到部分機房和空調區用墻體分隔，空調區進深較大，無法保證空調區最深處滿足兩股水柱要求的情況時，可考慮在機房和空調區的隔墻上開門，以滿足消火栓的布置要求。

3.2 自動噴水滅火系統

《數規》中，A級機房在有異地備份的情況下，可以使用自動噴水滅火系統，B、C級機房可以設置自動噴水滅火系統。實際設計過程中，一般運營商業主傾向于采用氣體滅火系統，互聯網企業業主傾向于采用經濟性較高的自動噴水滅火系統，系統選擇時還是需要根據各業主的具體需求來確定。如果機房內采用自動噴水滅火系統時，建議選用充氣雙連鎖預作用系統，并在報警閥室內設置空壓機，對管網進行充氣，用于檢測管網是否漏水，可以避免管網充水時發生漏水現象對未起火區域造成影響。雙連鎖系統的啟動方式則是在“火災探測器或手動火災報警按鈕的報警信號”與“充氣管道上的壓力開關報警信號”兩者均觸發時，啟動預作用裝置從而啟動消防泵，這種啟動方式較單連鎖系統另外加了一道壓力開關報警信號作為保險，可以防止火災報警探測器誤動作時造成管網充水情況的發生。綜合來說，由于氣體滅火系統的造價、安全性等問題的存在，使得在數據中心機房內采用水來滅火正逐漸地變成一種趨勢，在克服數據備份問題后，未來的數據中心內自動噴水滅火系統可能會占據主導地位。

3.3 滅火器配置

關于數據中心內的滅火器的選擇，目前業界沒有形成統一的意見，主要觀點有以下兩種：①采用二氧化碳型滅火器。這種觀點的依據為《數規》13.3.5條，滅火劑不應對電子信息設備造成污漬損害及《數據中心二氧化碳滅火器應用技術規程》T/CECS 808-2021中4.3.2條，高危險級的數據中心（A級數據中心）單具滅火器最小配置滅火級別R為3Ea，可采用MT7（7kg）型手提式二氧化碳滅火器。這種觀點認為干粉滅火器會對機柜造成污損，滅火之后會在其表面留下粉末狀態的覆蓋物，這些覆蓋物會對電子產品造成一定的污染，有些還會造成腐蝕作用，故應采用二氧化碳滅火器作為機房的滅火手段[2]。②采用磷酸銨鹽干粉滅火器。這種觀點的依據是機房起火時，伴隨有機柜外殼等固體燃燒，包括E類（帶電）及A類（固體）火災同時發生，而二氧化碳滅火器對A類火災基本無效，僅能適用于帶電的B類火災，故不應該采用二氧化碳作為機房的滅火劑。綜合以上兩種觀點，筆者建議在機房內同時設置以上兩種類型滅火器，火勢較小時可判斷為電氣火災，優先采用二氧化碳型滅火器進行滅火，如二氧化碳型滅火器無法撲滅或者火勢較大時，則直接采用磷酸銨鹽干粉滅火器進行滅火，這樣設計既能最大限度地保護機柜不受滅火劑污損，又可以兼顧滅火效果。

3.4 氣體滅火系統

氣體滅火系統一直是數據中心消防設計中的重點，目前主要采用的滅火劑為七氟丙烷和IG541（惰性氣體）。當采用IG541作為滅火劑時，由于鋼瓶內充壓壓力較高，故輸送距離較遠，可達到130m左右；當采用七氟丙烷作為滅火劑時，內儲壓式的輸送距離僅能達到40m～50m，外儲壓式的輸送距離可達到200m左右。IG541的優勢在于：①輸送距離較遠，鋼瓶間位置靈活；②系統造價較低；③滅火劑無毒無污染；缺點則是需要占用較大的鋼瓶間。七氟丙烷的優勢在于：①鋼瓶間占地較小；②當采用外儲壓式時鋼瓶間位置非常靈活；缺點則是：①造價相對較高；②當采用內儲壓式時，輸送距離太短，只適用于中小型數據中心；③七氟丙烷有低毒性且對大氣有污染。綜合比較兩種滅火劑，在大型數據中心中采用IG541系統更合適，七氟丙烷系統更適用于中小型數據中心。此外，對于那些僅建設一部分機房，剩余的機房留待后期需求明確后再建設的項目，在設計時推薦采用IG541系統。因為在防護區沒確定的情況下，初期建設好的七氟丙烷氣體滅火系統因為其匹配度不夠靈活，經常會發生鋼瓶滅火濃度不夠，如果再加一個鋼瓶，又會導致出現有毒濃度的情況，而IG541因為其無毒性，故沒有這種限制，IG541在那些大小不同的防護空間內使用情況會更好[3]。

設計時需要與建筑專業配合，確定各層鋼瓶間的位置，一般將相近體積的防護區劃分到同一套管網滅火系統內，并按照8個防護區建設一套氣體滅火系統的原則，在平面上確定好鋼瓶間的位置。對于部分體積較小或者超過氣體滅火系統輸送距離的防護區，可以采用預制式氣體滅火系統。預制滅火系統設計時，應注意該系統一般只適用于小型防護區，防護區面積不應超過500m2，體積不得超過1600m2。

綜上所述，對于大型數據機房而言，IG541氣體滅火系統在舒適性、安全性以及可靠性均較為出色，筆者推薦優先采用該系統；在中小型數據中心中，兩者各有利弊，應綜合權衡后確定。

3.5 細水霧滅火系統

細水霧系統主要應用在數據中心主機房中，用于替代氣體滅火系統。該系統相較于氣體滅火系統的優勢在于：①安全性較高，無鋼瓶爆炸及滅火時人員窒息的風險；②供水管道管徑較小，減少了走道內及機房內管綜排布的壓力。目前，細水霧系統之所以沒有大規模得到應用，主要是由于其相對氣體滅火系統而言，造價相對較高；另外在滅火后，部分殘留水霧顆粒可能凝結成水滴，影響了機柜的安全性。細水霧系統主要在金融行業的自用機房內使用較多，礙于篇幅本文不再展開。

4 結束語

我國的大型數據中心機房的給排水及消防系統的設計工作非常復雜，相比于一般建筑物而言，需要考慮到機房內電子設備的安全性，因此在進行設計和修改上都會面臨諸多需要考慮的問題，加上一些機房的規模較大，機房內安裝的管線數量繁多，走廊的綜合管線如何合理排布也是一個值得思考的問題，希望通過本文的總結和分析，能夠給今后設計師提供有效參考和幫助，以促進維護我國大型數據中心機房的穩定運行。