徐磊 吳震
摘 ?要 高校數(shù)據(jù)中心在教學(xué)科研及校園生活中扮演著重要角色,但其結(jié)構(gòu)單一,各項配套設(shè)施不完善,導(dǎo)致防控火災(zāi)形勢非常嚴峻。簡要介紹高校數(shù)據(jù)中心發(fā)生火災(zāi)的原因及破壞途徑,分析不同滅火系統(tǒng)的特點及對數(shù)據(jù)中心的適用性,旨在為高校數(shù)據(jù)中心消防建設(shè)和升級改造提供借鑒參考。
關(guān)鍵詞 高校數(shù)據(jù)中心;消防;滅火系統(tǒng);電子設(shè)備
文章編號:1671-489X(2019)16-0128-04
中圖分類號:TP308 ? ?文獻標識碼: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
所謂數(shù)據(jù)中心,簡單地理解就是數(shù)據(jù)集中的地方,它承載著大量的數(shù)據(jù)運算、數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)存儲等任務(wù)。數(shù)據(jù)中心的構(gòu)成以高集成度的電子設(shè)備為主,核心包括服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備、信息存儲設(shè)備等。隨著大數(shù)據(jù)、云計算以及人工智能領(lǐng)域的快速發(fā)展,社會對各種類型數(shù)據(jù)的需求不斷提高,不同規(guī)模的數(shù)據(jù)中心在世界各地迅速建立和發(fā)展。國際咨詢公司Technavio在其發(fā)布的研究報告中指出,全球數(shù)據(jù)中心的規(guī)模在2018—2022年間將以10.21%的速率高速增長[1],而中國數(shù)據(jù)中心規(guī)模在此階段的增長速度近12%,表明我國對數(shù)據(jù)中心的建設(shè)投入不斷加大,數(shù)據(jù)中心的開發(fā)利用將處于高峰期[2]。
伴隨著數(shù)據(jù)中心在各領(lǐng)域發(fā)揮的作用不斷加強,因宕機而造成的損失也越發(fā)巨大。波耐蒙研究所(Ponemon Institute)的調(diào)查報告表明,2010—2016年間因數(shù)據(jù)中心宕機而造成的損失增長了57.6%,從2010年的平均5617美元/分鐘增加到2016年的8851美元/分鐘。資本在線有限公司(Capitalonline Ltd.)研究了近五年內(nèi)全球數(shù)據(jù)中心的重大停機事故,指出數(shù)據(jù)中心服務(wù)中斷的平均時間為12.5小時,所受損失平均在1.51億美元以上。
在所有重大停機事故中,由火災(zāi)引起的占絕大部分,造成的損失也最為嚴重。資本在線有限公司分析了219起數(shù)據(jù)中心宕機事件,結(jié)果如圖1、圖2所示。在運轉(zhuǎn)正常的數(shù)據(jù)中心中,火災(zāi)是造成數(shù)據(jù)中心宕機的首要原因,比例為37%,造成宕機的平均時間為25小時[3]。事實上,火災(zāi)一直是數(shù)據(jù)中心安全運行的重大威脅,不僅會造成嚴重的直接經(jīng)濟損失,因信息、資料的損毀而導(dǎo)致的間接損失更是無可估量。
當(dāng)今高校不僅是人才培養(yǎng)的主要基地,更是科技創(chuàng)新的主要場所,其對用于校園網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、教學(xué)科研、高性能計算、數(shù)據(jù)挖掘的數(shù)據(jù)中心的需求不斷增大。與大型專用數(shù)據(jù)中心相比,高校數(shù)據(jù)中心大多設(shè)立在教學(xué)、辦公或其他用途建筑內(nèi),相對而言規(guī)模較小、結(jié)構(gòu)單一,各項配套設(shè)施并不如專業(yè)數(shù)據(jù)中心完善,因此,高校數(shù)據(jù)中心面臨更加嚴峻的消防安全形勢。例如:2015年,加州大學(xué)伯克利分校數(shù)據(jù)中心發(fā)生的火災(zāi),使該校網(wǎng)絡(luò)中斷12小時以上;同年,浙江大學(xué)紫金港校區(qū)機房發(fā)生火災(zāi),造成嚴重經(jīng)濟財產(chǎn)損失;2017年,北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心發(fā)生火災(zāi),導(dǎo)致北京多所高校網(wǎng)絡(luò)崩潰、部分教育網(wǎng)節(jié)點和校園網(wǎng)不能訪問;2018年,美國喬治城大學(xué)數(shù)據(jù)中心發(fā)生火災(zāi),造成多項校園網(wǎng)絡(luò)服務(wù)癱瘓。
有效防控火災(zāi)是高校數(shù)據(jù)中心安全運行的重要保障。本文結(jié)合高校數(shù)據(jù)中心特點,介紹火災(zāi)在數(shù)據(jù)中心發(fā)生的起因及破壞途徑,簡要分析不同滅火系統(tǒng)的特點及對數(shù)據(jù)中心的適用性,希望為高校數(shù)據(jù)中心防火安全建設(shè)及后期升級改造提供借鑒參考。
2 數(shù)據(jù)中心火災(zāi)的起源
數(shù)據(jù)中心火災(zāi)起源可以分為外部引燃和內(nèi)部引燃兩類。
外部引燃即數(shù)據(jù)中心以外的其他建筑或房間起火后蔓延而來。由于數(shù)據(jù)中心與其他用途房間在同一建筑內(nèi)或與其他建筑間的距離較近,這些房間或建筑起火時,火勢可能會順勢通過數(shù)據(jù)中心外部的走廊、門窗及通風(fēng)管道蔓延而來,進而引起數(shù)據(jù)中心火災(zāi)。高校數(shù)據(jù)中心大多沒有單獨的建筑,往往設(shè)立在辦公或教學(xué)用房內(nèi),有相對較高的外部引燃風(fēng)險,合理設(shè)置防火墻和隔離防火區(qū)、保持機房外圍通道整潔無雜、建筑物采用阻燃材料,可防范外部引燃型火災(zāi)的發(fā)生。
內(nèi)部引燃即數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的線路、電子設(shè)備著火或人為操作不當(dāng)引起的火災(zāi)。數(shù)據(jù)中心內(nèi)電子設(shè)備密度大、發(fā)熱量高,容易造成設(shè)備高溫而引起火災(zāi);同時,服務(wù)器、空調(diào)系統(tǒng)、UPS電源等設(shè)備需不間斷運行,也會因電路老化而造成一定的火災(zāi)隱患。數(shù)據(jù)中心內(nèi)的可燃物包括設(shè)備中的印刷線路板、各種塑料制品、電線電纜等。在內(nèi)部引燃中,數(shù)據(jù)中心內(nèi)的設(shè)備短路或過載是引起火災(zāi)的最主要原因,其次是機房內(nèi)的線路老化而引起的火災(zāi),再次是機房內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)故障而導(dǎo)致設(shè)備溫度過高引起的火災(zāi)。采取合理化數(shù)據(jù)中心內(nèi)的布局、制定完善的管理制度、對機房內(nèi)設(shè)備定期檢查維護、嚴格要求管理人員規(guī)范操作等措施,可減小數(shù)據(jù)中心發(fā)生內(nèi)部引燃型火災(zāi)的風(fēng)險。
3 火災(zāi)對數(shù)據(jù)中心造成的損害
火災(zāi)對數(shù)據(jù)中心的危害主要由直接損害、間接損害及次生損害三方面構(gòu)成。
直接損害即燃燒產(chǎn)生的高溫損壞或焚毀數(shù)據(jù)中心內(nèi)的電子設(shè)備,如軟盤在高于38 ℃的環(huán)境下可能會損毀;溫度高于66 ℃時可能會破壞服務(wù)器硬盤;149~200 ℃的高溫會損毀服務(wù)器內(nèi)的大部分電子元件。
間接損害即燃燒產(chǎn)生的副產(chǎn)物如腐蝕性氣體、煙塵等對數(shù)據(jù)中心內(nèi)設(shè)備造成的損害。如機房中廣泛使用的聚氯乙烯材料(PVC)燃燒會產(chǎn)生腐蝕性氯化氫氣體[見反應(yīng)式(1)],其會與電子元件上的鍍鋅發(fā)生氧化還原反應(yīng),生成氯化鋅覆蓋在電子元件上[見反應(yīng)式(2)];氯化鋅遇到潮濕空氣時會轉(zhuǎn)化成氯化鋅溶液,與鍍鋅發(fā)生原電池反應(yīng),從而進一步加速腐蝕電子元件[見反應(yīng)式(3)(4)]。除PVC外,含氟聚合物、含溴材料及含硫材料在高溫下會分解為氟化氫、溴化氫以及硫化物,以類似的機理腐蝕電子元件。
除化學(xué)作用腐蝕電子設(shè)備外,燃燒產(chǎn)生的煙塵也會損傷電子器件,如直徑小于0.5微米的顆粒會對硬盤存儲器造成潛在危害,可能會造成硬盤磁頭讀寫失敗而造成數(shù)據(jù)丟失。同時,此類絕緣顆粒還會覆蓋在電子元件表面,造成電路斷路或接觸不良的風(fēng)險。
在數(shù)據(jù)中心火災(zāi)引起的損害中,由間接損害造成的占絕大部分且影響最為長遠。美國通訊委員會(FCC)曾指出,火災(zāi)造成的數(shù)據(jù)中心損失中有95%是由間接損害造成的。
次生損害指的是不合適的滅火設(shè)備對數(shù)據(jù)中心造成的損害,如使用噴水滅火器澆滅電子設(shè)備火災(zāi),滅火的同時會造成臨近電子設(shè)備短路燒毀,存儲數(shù)據(jù)丟失等情況。次生損害造成的損失往往超過由火災(zāi)引起的損失本身。
4 不同種類滅火系統(tǒng)的比較
燃燒是物質(zhì)的快速氧化過程,其本質(zhì)是氧化還原反應(yīng)。如圖3所示,傳統(tǒng)意義上的燃燒需要氧氣、高溫、可燃物及連續(xù)的鏈式反應(yīng)四個必要條件(燃燒四面體),即可燃物高溫裂解成高反應(yīng)活性的自由基,此類自由基與其他分子或分子片段發(fā)生反應(yīng),保持燃燒持續(xù)不斷地進行。當(dāng)今滅火系統(tǒng)種類繁多,但基本原理都是移除燃燒四面體中的一個或者多個要素,以達到阻燃滅火的目的。滅火的主要途徑有:
1)對可燃物進行降溫,使溫度達到可燃物燃點以下;
2)降低燃燒物周圍氧氣的濃度,通常持續(xù)燃燒所需的最低氧氣濃度為16%(體積分數(shù)),若燃燒物周圍氧氣濃度低至此濃度以下,即可阻止燃燒的進行;
3)使用化學(xué)阻斷劑打斷燃燒鏈式反應(yīng)。
水基滅火系統(tǒng) ?人類使用水來滅火有著悠久的歷史。水滅火有著先天優(yōu)勢,即水常溫下為液體,可以迅速覆蓋燃燒物表面使其隔絕空氣。同時,水還具有較高的比熱容,可以吸收燃燒物較多的熱量而使其溫度降到燃點以下,而水的沸點不高,可以迅速吸熱氣化為水蒸氣而降低火焰周圍的氧氣濃度。目前主要有兩種水基滅火系統(tǒng),即噴水滅火系統(tǒng)和水霧滅火系統(tǒng)。
1)噴水滅火系統(tǒng)。噴水滅火系統(tǒng)的主要設(shè)計目的是控制火勢蔓延和撲滅火源,同時對建筑物本身進行降溫,避免建筑結(jié)構(gòu)因高溫損壞或垮塌。對電子設(shè)備而言,噴水滅火系統(tǒng)噴出的大量液態(tài)水會使設(shè)備短路或損壞,造成嚴重的次生損害。大多數(shù)情況下因噴水而導(dǎo)致的電子設(shè)備損壞甚至高于火災(zāi)本身造成的損失,因此,噴水滅火系統(tǒng)多用于保護建筑物本身而并不用于對電子設(shè)備滅火。目前,高校數(shù)據(jù)中心所在建筑內(nèi)大多配備噴水滅火系統(tǒng),但實際應(yīng)用上其應(yīng)扮演火災(zāi)防控最后一道防線的角色,即火災(zāi)蔓延無法得到控制,嚴重威脅到建筑物本身安全的情況下才可以使用,數(shù)據(jù)中心一般的火災(zāi)應(yīng)由其他類型的滅火系統(tǒng)來應(yīng)對。
2)水霧滅火系統(tǒng)。水霧滅火系統(tǒng)是一種原本為船舶設(shè)計的滅火系統(tǒng),因其獨特的優(yōu)勢近期引起廣泛關(guān)注。水霧滅火系統(tǒng)一般由高壓水泵、輸水管道和噴霧頭組成,噴霧頭在特定的壓力下將水流分解成大小為100~1000 μm的水霧噴出。水霧滅火系統(tǒng)的用水量是噴水滅火系統(tǒng)的10%左右,大大節(jié)約了水資源;同時由于水霧的大小非常接近火場所產(chǎn)生煙塵顆粒,對有毒煙塵有著極好的吸附作用,可有效降低火場有毒煙塵濃度。在系統(tǒng)工作時,噴出的大量水霧會在火焰周圍迅速吸熱氣化而降低火源的溫度,水霧汽化會使其體積暴增1700倍,大量水蒸氣迅速取代火焰周圍的空氣而降低氧氣濃度。同時,水霧還對熱輻射有著明顯的衰減作用,可以阻滯火災(zāi)進一步蔓延,即降溫、除氧和熱輻射衰減是水霧滅火系統(tǒng)滅火的主要途徑。
研究表明,水霧不會在電子設(shè)備上形成連續(xù)的導(dǎo)電水流或水面而導(dǎo)致設(shè)備短路損壞,是一種可用于帶電環(huán)境下的滅火系統(tǒng)。目前,水霧滅火系統(tǒng)已經(jīng)開始應(yīng)用于圖書館、檔案室、地鐵站等場所。對于高校數(shù)據(jù)中心來說,水霧滅火系統(tǒng)具有安全環(huán)保、安裝維護成本低等優(yōu)點,但實際部署使用中應(yīng)注意水霧在空中擴散相對緩慢,難以大量進入通風(fēng)不暢的空間而導(dǎo)致對其內(nèi)部設(shè)備的保護性欠佳;同時,水霧滅火系統(tǒng)產(chǎn)生的大量水霧會影響視線,不利于危急情況下的人員疏散及物品搜尋,故機房內(nèi)設(shè)施要布局合理、規(guī)范整潔、標識明顯、空氣保持流暢循環(huán),設(shè)備選用上如服務(wù)器機柜、UPS電池柜等要有良好的通透性。
除上述傳統(tǒng)的水霧滅火系統(tǒng)外,目前一些廠商將水霧滅火系統(tǒng)和高壓氮氣相結(jié)合,生產(chǎn)了一種新型的氣霧混合滅火系統(tǒng)。此類滅火系統(tǒng)噴出水霧的同時還噴出高壓氮氣,與單獨的水霧滅火系統(tǒng)相比,高壓氮氣不僅使噴出的水霧更加細小(直徑小于10 μm),同時賦予水霧較高的初速度,可使水霧迅速擴散至整個防護空間,克服了水霧擴散速度慢、難以進入密閉空間的缺點。另外,滅火時火場的可見度也顯著提高,一定程度上彌補了傳統(tǒng)水霧滅火系統(tǒng)的不足,更加適合高校數(shù)據(jù)中心使用。
鹵代烷烴滅火系統(tǒng)
1)哈龍滅火系統(tǒng)。哈龍滅火系統(tǒng)主要使用的滅火劑為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在我國并未生產(chǎn),我國主要使用的為前兩種。此類物質(zhì)常溫下為絕緣性氣體,當(dāng)暴露于火焰高溫受熱時,滅火劑會發(fā)生裂解反應(yīng)生成高反應(yīng)活性的Br·或Cl·自由基,這些自由基會打斷燃燒鏈式反應(yīng),進而達到滅火的目的。
哈龍滅火劑使用后無腐蝕性殘留,是最早的“潔凈”滅火系統(tǒng),20世紀80年代初期至90年代中期被廣泛用于保護計算機房、檔案館、配電室、數(shù)據(jù)庫等重要場所。然而此類化合物會嚴重破壞臭氧層,1987年的《蒙特利爾協(xié)定》分階段限制了此類化合物的使用。我國于1991年正式加入《蒙特利爾協(xié)定》,于1996年頒布實施《中國消防行業(yè)哈龍整體淘汰計劃》,2014年發(fā)布的《中國消防行業(yè)哈龍整體淘汰計劃》完成報告表明,我國于2006年和2010年分別完成對Halon 1121和Halon 1301徹底的停產(chǎn)和銷售,哈龍滅火系統(tǒng)退出歷史舞臺。
2)氟代烷(酮)滅火系統(tǒng)。為了替代哈龍滅火系統(tǒng),氟代烷(酮)滅火系統(tǒng)被研發(fā)出來,主要的滅火劑有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,常用的為前三種(見表1)。HFC-227ea、HFC-125滅火機理與哈龍系統(tǒng)類似,Novec 1230滅火劑平時以高壓液態(tài)形式存儲,釋放時會與空氣混合形成絕緣性滅火劑/空氣混合物,此類混合物具有較大的比熱容,通過迅速吸收火源周圍的熱量,使溫度降到可燃物燃點以下而達到滅火的目的。
相對于水霧滅火系統(tǒng),滅火劑/空氣混合物在火場內(nèi)的擴散效率更高,可以有效覆蓋整個防護空間;相較于哈龍滅火系統(tǒng),此類滅火劑對臭氧層無害,其ODP(Ozone Depletion Potential)為零,使用過程中并不會損害臭氧層。但三種滅火劑具有不同的溫室效應(yīng),Novec 1230的GWP
(Global Warming Potential)為1,與二氧化碳相同,而其他兩種滅火劑GWP值都高于3000,有明顯的溫室效應(yīng),從環(huán)保角度來說,Novec 1230更具有優(yōu)勢。
目前,此類滅火系統(tǒng)已廣泛部署在電子機房用來防控火災(zāi),但在實際應(yīng)用中應(yīng)注意滅火劑具有一定的毒性。同時,其在滅火過程中遇高溫會發(fā)生分解,分解產(chǎn)物包含氫氟酸(HF)以及碳酰氟(COF2)等物質(zhì),此類物質(zhì)對人體具有毒性,對電子設(shè)備具有腐蝕性[4],因此在滅火過程中人員要及時撤離,滅火后要對火場進行徹底的通風(fēng)處理。
惰性氣體滅火系統(tǒng)
1)二氧化碳滅火系統(tǒng)。二氧化碳為絕緣性線性分子,無色無味,分子量為44,略重于氧氣分子。二氧化碳不助燃,滅火系統(tǒng)工作時會向火場釋放大量二氧化碳氣體,通過稀釋火源周圍氧氣濃度而達到滅火的目的。滅火后二氧化碳氣體會自然揮發(fā),不會產(chǎn)生有害殘留物,對電子設(shè)備不會造成次生損害,屬于“清潔”滅火系統(tǒng)。然而二氧化碳對生物有顯著的窒息作用,當(dāng)環(huán)境中二氧化碳濃度大于5%時即會對生命安全構(gòu)成威脅,而二氧化碳滅火系統(tǒng)工作時二氧化碳濃度可達50%以上,會對火場內(nèi)來不及撤離的人員造成嚴重威脅,甚至引起死亡。從生命安全角度來說,二氧化碳滅火系統(tǒng)只適用于無人值守場所,高校數(shù)據(jù)中心作為有人場所不可采用此類滅火系統(tǒng)。
2)惰性混合氣體滅火系統(tǒng)。惰性氣體具有化學(xué)穩(wěn)定性,其不易與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),不易分解也不助燃。常見的惰性氣體包括氦氣、氬氣、氮氣等,后兩種常用于滅火。目前主要使用的滅火劑有IG-01(100%氬氣)、IG-55(50%氬氣和50%氮氣)、IG-541(52%氮氣、40%氬氣和8%二氧化碳)、IG-100(100%氮氣)等。惰性氣體可通過取代火源周圍氧氣分子,降低火源周圍氧氣濃度而達到阻燃滅火的目的。通常滅火過程中火場氧氣濃度會被稀釋到10%~13%,既保證了滅火效率,又保證了人員生命安全。
惰性混合氣體作為滅火劑優(yōu)勢明顯。
首先,惰性氣體組成為自然界存在的物質(zhì),不會對環(huán)境產(chǎn)生危害;
其次,惰性氣體為絕緣性氣體,高溫條件下不會分解為腐蝕性物質(zhì),對精密儀器無損害;
再次,惰性氣體在設(shè)計滅火濃度下對人員無害,可在有人工作的環(huán)境下安全使用;
最后,惰性氣體工作時不會像水霧滅火系統(tǒng)那樣產(chǎn)生大量煙霧,有利于緊急情況下的人員撤離和救援。
目前,許多數(shù)據(jù)中心已采用惰性混合氣體滅火系統(tǒng)來防范火災(zāi),但選用此類裝置時應(yīng)注意其前期安裝和后期維護都需要較大投入,實際應(yīng)用成本往往較高。同時,用于氣體存儲的鋼瓶占用面積大、壓力值高,具有一定的爆炸風(fēng)險[5],存儲鋼瓶須嚴格定期做耐壓檢測及維護。
3)低氧循環(huán)系統(tǒng)。此類滅火系統(tǒng)的原理是將氧氣濃度在燃燒所需最低濃度以下的空氣注入受防護的空間內(nèi),用來阻止燃燒的發(fā)生和進行。通常外部空氣通過此類系統(tǒng)的過濾或吸附等手段處理后,氧氣濃度被控制在15%,氮氣為85%,此濃度下既保證了人員安全,又防止了火災(zāi)發(fā)生。相比于其他滅火裝置,此類系統(tǒng)從根本上杜絕了火災(zāi)的發(fā)生,同時不需要在防護區(qū)內(nèi)布置復(fù)雜的管線,也不用高壓存儲罐,具有顯著優(yōu)勢。然而考慮到注入防護區(qū)內(nèi)的空氣會不斷外溢,此類裝置需要持續(xù)不斷地運轉(zhuǎn),維護及能耗投入相對較高。目前,一些大型項目如核電站、超算中心等已采用此類裝置[6],但對于高校數(shù)據(jù)中心而言,此類系統(tǒng)應(yīng)用成本過高,實際部署較為困難。
5 結(jié)語
本文簡要介紹了高校數(shù)據(jù)中心火災(zāi)特點與破壞途徑,分析了不同滅火系統(tǒng)的特性,表明水霧滅火系統(tǒng)、氣霧混合滅火系統(tǒng)、氟代烷(酮)滅火系統(tǒng)、惰性混合氣體滅火系統(tǒng)均適用于高校數(shù)據(jù)中心防火控火。本文希望為高校數(shù)據(jù)中心防火安全建設(shè)及升級改造提供參考。
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