“雙碳”背景下 數(shù)據(jù)中心氣體滅火技術(shù)演進(jìn)方向

數(shù)據(jù)中心的火災(zāi)風(fēng)險為帶電火災(zāi)，用水來滅火有短路和觸電風(fēng)險，且水漬對數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)造成的損害幾乎等同于火災(zāi)可能造成的損害。

一 火三角與燃燒四面體

火災(zāi)是失去控制的燃燒現(xiàn)象。燃燒的三要素，又稱火三角（見圖1），是可燃物、助燃劑（氧化物）和引火源（熱量）。燃料以氣態(tài)、液態(tài)或者固態(tài)形式存在。引火源需要將燃料溫度升到其燃點(diǎn)。氧氣是最常見的助燃劑，氧氣濃度一般需要達(dá)到15%以支持燃燒，而空氣中氧氣濃度為20%-21%。當(dāng)燃燒發(fā)生時，上述三個條件必須同時具備，如果有一個條件不具備，那么燃燒就不會發(fā)生。移除火三角中的任意一邊，火災(zāi)就被撲滅了。移除可燃物就是隔離滅火，例如森林火災(zāi)中通過伐木建立隔離帶;移除助燃劑就是窒息滅火，例如廚房油鍋起火后用鍋蓋蓋住油鍋;移除引火源（熱量）就是冷卻滅火，例如最常見的用水來冷卻。

大部分燃燒的發(fā)生和發(fā)展除了具備上述三個條件以外，其燃燒過程中還存在未受抑制的自由基作中間體。多數(shù)燃燒反應(yīng)不是直接進(jìn)行的，而是通過自由基團(tuán)和原子這些中間產(chǎn)物在瞬間進(jìn)行的循環(huán)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。自由基的鏈鎖反應(yīng)是這些燃燒反應(yīng)的實(shí)質(zhì)，光和熱是燃燒過程中的物理現(xiàn)象。因此，大部分燃燒發(fā)生和發(fā)展需要四個必要條件，即可燃物、助燃劑、引火源和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)自由基，燃燒條件可以進(jìn)一步用著火四面體來表示（見圖2）。

二 化學(xué)滅火

利用滅火劑與鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的中間自由基反應(yīng)，使燃燒的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中斷，燃燒無法繼續(xù)就是化學(xué)滅火。

三 數(shù)據(jù)中心滅火

數(shù)據(jù)中心的火災(zāi)風(fēng)險為帶電火災(zāi)，用水來滅火有短路和觸電風(fēng)險，且水漬對數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)造成的損害幾乎等同于火災(zāi)可能造成的損害。數(shù)據(jù)中心火災(zāi)風(fēng)險不適合采用水基自動滅火系統(tǒng)來防護(hù)，一般采用氣體滅火系統(tǒng)來防護(hù)。

四 氣體滅火

氣體滅火系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段。

1第一個階段

上世紀(jì)八十年代以前，鹵代烷（哈龍）以其價格低廉并能通過阻斷鏈?zhǔn)椒磻?yīng)撲滅大部分火災(zāi)的特性被認(rèn)為是超級滅火藥劑。哈龍1301和哈龍1211是最常見的滅火劑，然而哈龍物質(zhì)對大氣臭氧層的破壞作用非常強(qiáng)烈。哈龍滅火劑在滅火時會分解生成的氯、溴原子，它們能催化活潑的臭氧分子分解成為穩(wěn)定的氧分子。只要數(shù)月時間，僅一個氯離子或溴離子，就能使十萬個臭氧分子消失。

1976年，聯(lián)合國環(huán)境署（UNEP）理事會第—次討論了臭氧層破壞問題。在UNEP和世界氣象組織（WMO）設(shè)立臭氧層協(xié)調(diào)委員會（CCOL）定期評估臭氧層破壞后，1977年召開了臭氧層專家會議。1981年開始就淘汰破壞臭氧層物質(zhì)的國際協(xié)議進(jìn)行政府間的內(nèi)部討論，并于1985年3月制訂了《保護(hù)臭氧層維也納公約》鼓勵政府間在研究、有計劃地觀測臭氧層、監(jiān)督CFCs的生產(chǎn)和信息交流方面合作。

《維也納公約》簽署2個月后，英國南極探險隊隊長J.Farman宣布，自從1977年開始觀察南極上空以來，每年都在9到11月間發(fā)現(xiàn)有“臭氧空洞”。這個發(fā)現(xiàn)引起舉世震驚。1985年9月，為制定實(shí)質(zhì)性控制措施的議定書，UNEP組織召開了專題討論會。同年10月，決定成立保護(hù)臭氧層工作組，從事制定議定書的工作。

2第二個階段

聯(lián)合國為了避免工業(yè)產(chǎn)品中的氟氯碳化物對地球臭氧層繼續(xù)造成惡化及損害，承續(xù)1985年保護(hù)臭氧層維也納公約的大原則，于1987年9月16日邀請所屬26個會員國在加拿大蒙特利爾所簽署了《蒙特利爾破壞臭氧層物質(zhì)管制議定書》。該公約自1989年1月1日起生效。中國于1991年正式加入《蒙特利爾議定書》根據(jù)蒙特利爾議定書我國應(yīng)于2010年前逐步停止使用鹵代烷（哈龍）滅火劑。我國在1992年編制了《中國消耗臭氧層物質(zhì)逐步淘汰國家方案》并逐步淘汰了哈龍。哈龍開始淘汰后，氣體滅火技術(shù)的演進(jìn)出現(xiàn)了兩個方向：

（1）惰性氣體滅火系統(tǒng)：惰性氣體滅火藥劑（氮?dú)?、氬氣、氦氣）從空氣中提取，臭氧層消耗潛力值（ODP）為零，全球變暖潛力值（GWP）也為0。但是惰性氣體滅火僅靠窒息滅火，設(shè)計濃度高，鋼瓶數(shù)量多，鋼瓶間占地面積大，儲存壓力和管網(wǎng)壓力高。而且惰性氣體滅火系統(tǒng)因?yàn)閴毫^高，噴放產(chǎn)生的噪聲大，頻率正好會和數(shù)據(jù)存儲硬盤產(chǎn)生共振，噴放時會損壞硬盤，這點(diǎn)西門子、泰科等廠商已經(jīng)有大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)，F(xiàn)MGlobal保險公司也單獨(dú)在其防損數(shù)據(jù)表4-9《潔凈氣體滅火系統(tǒng)》的3.8章節(jié)指出應(yīng)注意惰性氣體滅火系統(tǒng)噪聲對硬盤的損害。

（2）氫氟烴HFCs：以七氟丙烷和六氟丙烷為代表的氫氟烴HFCs的滅火機(jī)理同哈龍一樣，主要為阻斷鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，滅火濃度較低，滅火效率高于惰性氣體滅火。雖然氫氟烴的ODP為零，但其大氣留存時間較長，GWP很高，大量使用會引起全球氣候變暖，只能作為過渡性哈龍?zhí)娲?。七氟丙烷的GWP高達(dá)3350，七氟丙烷在大氣中產(chǎn)生的溫室效應(yīng)相當(dāng)于同重量二氧化碳的3350倍。一噸七氟丙烷的排放相當(dāng)于3350噸二氧化碳排放當(dāng)量，而且七氟丙烷的大氣留存時間高達(dá)34年。

3第三階段

《聯(lián)合國氣候公約》之《京都議定書》規(guī)定了締約方限制和減少溫室氣體排放的義務(wù)。氫氟烴HFCs（包括七氟丙烷HFC227-ea）在附錄A中被列為溫室氣體。

中國于1998年5月簽署并于2002年8月核準(zhǔn)了《京都議定書》。2016年10月，盧旺達(dá)首都基加利市舉行的《蒙特利爾議定書》第28次締約方大會上，《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》之《基加利修正案》獲得通過，將18種氫氟烴（HFCs）列入受控物質(zhì)清單，旨在在未來幾十年內(nèi)逐步減少氣候變暖。締約國中的發(fā)達(dá)國家被要求自2020年1月1日起全面禁止生產(chǎn)、銷售或使用氫氟烴，并逐步以締約方核準(zhǔn)的技術(shù)對氫氟烴進(jìn)行銷毀。中國于2021年4月16日決定接受《基加利修正案》，加強(qiáng)氫氟烴等非二氧化碳溫室氣體管控。作為《基加利修正案》中發(fā)展中國家的第一組，中國全面禁用七氟丙烷等氫氟烴的義務(wù)可延遲到最晚2024年12月31日（參見圖3）。

2021年中國政府工作報告已明確提出，“十四五”時期單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗和二氧化碳排放當(dāng)量分別降低13.5%、18%。二氧化碳排放當(dāng)量力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。

“雙碳”背景下，七氟丙烷和六氟丙烷為代表的氫氟烴滅火劑退出歷史舞臺進(jìn)入倒計時。哈龍永久替代物全氟己酮進(jìn)入我們的視線。全氟己酮屬于氟化酮（FluorinatedKetone）類，化學(xué)名稱為十二氟-2-甲基-3-戊酮，分子式為CF3CF2C（O）CF（CF3）2，CASNo.：756-13-8，ISO命名：FK-5-1-12，氟原子取代了酮上部分氫原子。

20世紀(jì)70年代，前蘇聯(lián)的科學(xué)家就已經(jīng)合成出了全氟己酮作為中間體，但并沒有大規(guī)模生產(chǎn)能力。2001年5月美國3M公司發(fā)明了大規(guī)模合成全氟己酮的方法，并將全氟己酮作為新型潔凈型滅火劑推向市場。3M公司命名為Novec1230，其中Novec為3M公司注冊商標(biāo)。

五 全氟己酮?dú)怏w滅火劑

全氟己酮在常溫下是一種清澈、無色、微味、容易氣化的液體滅火劑（沸點(diǎn)49.2℃），不屬于危險物品，釋放后不留殘余物，且完全絕緣。該滅火劑既不屬于氫氟烴，也不屬于惰性氣體類。目前已在美國、加拿大、澳大利亞、日本、韓國等國和歐洲地區(qū)注冊使用，得到了美國環(huán)保署（EPA）的認(rèn)可并列入了美國環(huán)保署重要新替代物政策（SNAP，重要新替代物政策）。

全氟己酮?dú)怏w滅火劑含有溴、氯元素，滅火后不破壞臭氧層，其臭氧消耗潛能值為零。且與七氟丙烷（HFC227-ea）為代表的氫氟烴類滅火劑不同，全氟己酮的全球變暖潛能值GWP極低，GWP《1，低于二氧化碳，而且全氟己酮的大氣留存時間（ALT）很短，只有4到5天在大氣中就完全降解。

全氟己酮不破壞臭氧層且溫室效應(yīng)極低，因而其從根本上解決了哈龍滅火劑和氫氟烴類（HFCs）滅火劑所帶來的環(huán)境污染問題。歐美發(fā)達(dá)國家和部分發(fā)展中國家已經(jīng)用全氟己酮?dú)怏w滅火系統(tǒng)大量替代氫氟烴氣體滅火系統(tǒng)和惰性氣體滅火系統(tǒng)。

“雙碳”背景下，數(shù)據(jù)中心建設(shè)也在積極探索節(jié)能減排。如果采用釋放后對大氣層產(chǎn)生持久且大量溫室效應(yīng)的七氟丙烷作為數(shù)據(jù)中心滅火藥劑，顯然與綠色減排的方向背道而馳。在“碳達(dá)峰”和“碳中和”的背景下，以全氟己酮替代七氟丙烷是數(shù)據(jù)中心氣體滅火技術(shù)的大勢所趨。

全氟己酮的滅火濃度低，人員安全性高。全氟己酮的滅火機(jī)理為冷卻和阻斷鏈?zhǔn)交瘜W(xué)反應(yīng)。同樣體積的保護(hù)區(qū)，所需要的全氟己酮藥劑量和鋼瓶數(shù)僅為惰性氣體滅火劑的七分之一左右。根據(jù)NFPA2001，其固體火災(zāi)與帶電火災(zāi)的滅火濃度為3.5%，但NFPA2001之5.4.2.4條款規(guī)定固體火災(zāi)的設(shè)計濃度必須至少為正庚烷的最低滅火濃度，即4.5%。同時NFPA2001之5.4.2.5條款規(guī)定帶電火災(zāi)的最低設(shè)計濃度為固體火災(zāi)的最低設(shè)計濃度乘以安全系數(shù)1.35，即6.075%。而全氟己酮的無不良反應(yīng)濃度（NOAEL）為10%。采用全氟己酮滅火劑，對人員而言安全余量大。

2021年12月8日，國家發(fā)改委等四部門印發(fā)《貫徹落實(shí)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)要求推動數(shù)據(jù)中心和5G等新型基礎(chǔ)設(shè)施綠色高質(zhì)量發(fā)展實(shí)施方案》。《方案》提出，到2025年，數(shù)據(jù)中心和5G基本形成綠色集約的一體化運(yùn)行格局。

由于全氟己酮對環(huán)境友好，對人員安全，不具有導(dǎo)電性，滅火后無殘留，不會損害精密設(shè)備，并且擁有優(yōu)良的滅火性能，因此它是名副其實(shí)的綠色環(huán)保滅火劑（見圖4）。在貫徹落實(shí)“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)的征程中，全氟己酮?dú)怏w滅火技術(shù)的應(yīng)用必將為綠色數(shù)據(jù)中心的建設(shè)起到事半功倍的推動作用。

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審核編輯 ：李倩