“双碳”背景下数据中心气体灭火技术演进方向

 火三角与燃烧四面体

火灾是失去控制的燃烧现象。燃烧的三要素，又称火三角(见图1)，是可燃物、助燃剂(氧化物)和引火源(热量)。燃料以气态、液态或者固态形式存在。引火源需要将燃料温度升到其燃点。氧气是最常见的助燃剂，氧气浓度一般需要达到15%以支持燃烧，而空气中氧气浓度为20%-21%。当燃烧发生时，上述三个条件必须同时具备，如果有一个条件不具备，那么燃烧就不会发生。移除火三角中的任意一边，火灾就被扑灭了。移除可燃物就是隔离灭火，例如森林火灾中通过伐木建立隔离带；移除助燃剂就是窒息灭火，例如厨房油锅起火后用锅盖盖住油锅；移除引火源(热量)就是冷却灭火，例如最常见的用水来冷却。

大部分燃烧的发生和发展除了具备上述三个条件以外，其燃烧过程中还存在未受抑制的自由基作中间体。多数燃烧反应不是直接进行的，而是通过自由基团和原子这些中间产物在瞬间进行的循环链式反应。自由基的链锁反应是这些燃烧反应的实质，光和热是燃烧过程中的物理现象。因此，大部分燃烧发生和发展需要四个必要条件，即可燃物、助燃剂、引火源和链式反应自由基，燃烧条件可以进一步用着火四面体来表示(见图2)。

化学灭火　　

利用灭火剂与链式反应的中间自由基反应，使燃烧的链式反应中断，燃烧无法继续就是化学灭火。

数据中心灭火

数据中心的火灾风险为带电火灾，用水来灭火有短路和触电风险，且水渍对数据存储介质造成的损害几乎等同于火灾可能造成的损害。数据中心火灾风险不适合采用水基自动灭火系统来防护，一般采用气体灭火系统来防护。

气体灭火

气体灭火系统技术的发展经历了三个阶段。

第一阶段

上世纪八十年代以前，卤代烷(哈龙)以其价格低廉并能通过阻断链式反应扑灭大部分火灾的特性被认为是超级灭火药剂。哈龙1301和哈龙1211是最常见的灭火剂，然而哈龙物质对大气臭氧层的破坏作用非常强烈。哈龙灭火剂在灭火时会分解生成的氯、溴原子，它们能催化活泼的臭氧分子分解成为稳定的氧分子。只要数月时间，仅一个氯离子或溴离子，就能使十万个臭氧分子消失。

1976年，联合国环境署(UNEP)理事会第—次讨论了臭氧层破坏问题。在UNEP和世界气象组织(WMO)设立臭氧层协调委员会(CCOL)定期评估臭氧层破坏后，1977年召开了臭氧层专家会议。1981年开始就淘汰破坏臭氧层物质的国际协议进行政府间的内部讨论，并于1985年3月制订了《保护臭氧层维也纳公约》鼓励政府间在研究、有计划地观测臭氧层、监督CFCs的生产和信息交流方面合作。

    《维也纳公约》签署2个月后，英国南极探险队队长J.Farman宣布，自从1977年开始观察南极上空以来，每年都在9到11月间发现有“臭氧空洞”。这个发现引起举世震惊。1985年9月，为制定实质性控制措施的议定书，UNEP组织召开了专题讨论会。同年10月，决定成立保护臭氧层工作组，从事制定议定书的工作。

第二阶段

联合国为了避免工业产品中的氟氯碳化物对地球臭氧层继续造成恶化及损害，承续1985年保护臭氧层维也纳公约的大原则，于1987年9月16日邀请所属26个会员国在加拿大蒙特利尔所签署了《蒙特利尔破坏臭氧层物质管制议定书》。该公约自1989年1月1日起生效。中国于1991年正式加入《蒙特利尔议定书》根据蒙特利尔议定书我国应于2010年前逐步停止使用卤代烷(哈龙)灭火剂。我国在1992年编制了《中国消耗臭氧层物质逐步淘汰国家方案》并逐步淘汰了哈龙。哈龙开始淘汰后，气体灭火技术的演进出现了两个方向:

      (1)惰性气体灭火系统:惰性气体灭火药剂(氮气、氩气、氦气)从空气中提取，臭氧层消耗潜力值(ODP)为零；全球变暖潜力值(GWP)也为0。但是惰性气体灭火仅靠窒息灭火，设计浓度高，钢瓶数量多，钢瓶间占地面积大，储存压力和管网压力高。而且惰性气体灭火系统因为压力过高，喷放产生的噪声大，频率正好会和数据存储硬盘产生共振，喷放时会损坏硬盘，这点西门子、泰科等厂商已经有大量实验数据证实，FMGlobal保险公司也单独在其防损数据表4-9《洁净气体灭火系统》的3.8章节指出应注意惰性气体灭火系统噪声对硬盘的损害。

     (2)氢氟烃HFCs:以七氟丙烷和六氟丙烷为代表的氢氟烃HFCs的灭火机理同哈龙一样，主要为阻断链式反应，灭火浓度较低，灭火效率高于惰性气体灭火。虽然氢氟烃的ODP为零，但其大气留存时间较长，GWP很高，大量使用会引起全球气候变暖，只能作为过渡性哈龙替代物。七氟丙烷的GWP高达3350，七氟丙烷在大气中产生的温室效应相当于同重量二氧化碳的3350倍。一吨七氟丙烷的排放相当于3350吨二氧化碳排放当量，而且七氟丙烷的大气留存时间高达34年。

第三阶段

《联合国气候公约》之《京都议定书》规定了缔约方限制和减少温室气体排放的义务。氢氟烃HFCs(包括七氟丙烷HFC227-ea)在附录A中被列为温室气体。

　    中国于1998年5月签署并于2002年8月核准了《京都议定书》。2016年10月，卢旺达首都基加利市举行的《蒙特利尔议定书》第28次缔约方大会上，《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》之《基加利修正案》获得通过，将18种氢氟烃(HFCs)列入受控物质清单，旨在在未来几十年内逐步减少气候变暖。缔约国中的发达国家被要求自2020年1月1日起全面禁止生产、销售或使用氢氟烃，并逐步以缔约方核准的技术对氢氟烃进行销毁。中国于2021年4月16日决定接受《基加利修正案》，加强氢氟烃等非二氧化碳温室气体管控。作为《基加利修正案》中发展中国家的第一组，中国全面禁用七氟丙烷等氢氟烃的义务可延迟到最晚2024年12月31日(参见图3)。

2021年中国政府工作报告已明确提出，“十四五”时期单位国内生产总值能耗和二氧化碳排放当量分别降低13.5%、18%。二氧化碳排放当量力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。

    “双碳”背景下，七氟丙烷和六氟丙烷为代表的氢氟烃灭火剂退出历史舞台进入倒计时。哈龙永久替代物全氟己酮进入我们的视线。全氟己酮属于氟化酮(FluorinatedKetone)类，化学名称为十二氟-2-甲基-3-戊酮，分子式为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氢原子。

   20世纪70年代，前苏联的科学家就已经合成出了全氟己酮作为中间体，但并没有大规模生产能力。2001年5月美国3M公司发明了大规模合成全氟己酮的方法，并将全氟己酮作为新型洁净型灭火剂推向市场。3M公司命名为Novec®1230，其中Novec®为3M公司注册商标。

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全氟己酮气体灭火剂

全氟己酮在常温下是一种清澈、无色、微味、容易气化的液体灭火剂(沸点49.2℃)，不属于危险物品，释放后不留残余物，且完全绝缘。该灭火剂既不属于氢氟烃，也不属于惰性气体类。目前已在美国、加拿大、澳大利亚、日本、韩国等国和欧洲地区注册使用，得到了美国环保署(EPA)的认可并列入了美国环保署重要新替代物政策(SNAP，重要新替代物政策)。

全氟己酮气体灭火剂含有溴、氯元素，灭火后不破坏臭氧层，其臭氧消耗潜能值为零。且与七氟丙烷(HFC227-ea)为代表的氢氟烃类灭火剂不同，全氟己酮的全球变暖潜能值GWP极低，GWP<1，低于二氧化碳，而且全氟己酮的大气留存时间(ALT)很短，只有4到5天在大气中就完全降解。

全氟己酮不破坏臭氧层且温室效应极低，因而其从根本上解决了哈龙灭火剂和氢氟烃类(HFCs)灭火剂所带来的环境污染问题。欧美发达国家和部分发展中国家已经用全氟己酮气体灭火系统大量替代氢氟烃气体灭火系统和惰性气体灭火系统。

“双碳”背景下，数据中心建设也在积极探索节能减排。如果采用释放后对大气层产生持久且大量温室效应的七氟丙烷作为数据中心灭火药剂，显然与绿色减排的方向背道而驰。在“碳达峰”和“碳中和”的背景下，以全氟己酮替代七氟丙烷是数据中心气体灭火技术的大势所趋。

全氟己酮的灭火浓度低，人员安全性高。全氟己酮的灭火机理为冷却和阻断链式化学反应。同样体积的保护区，所需要的全氟己酮药剂量和钢瓶数仅为惰性气体灭火剂的七分之一左右。根据NFPA2001，其固体火灾与带电火灾的灭火浓度为3.5%，但NFPA2001之5.4.2.4条款规定固体火灾的设计浓度必须至少为正庚烷的最低灭火浓度，即4.5%。同时NFPA2001之5.4.2.5条款规定带电火灾的最低设计浓度为固体火灾的最低设计浓度乘以安全系数1.35，即6.075%。而全氟己酮的无不良反应浓度(NOAEL)为10%。采用全氟己酮灭火剂，对人员而言安全余量大。

2021年12月8日，国家发改委等四部门印发《贯彻落实碳达峰碳中和目标要求推动数据中心和5G等新型基础设施绿色高质量发展实施方案》。《方案》提出，到2025年，数据中心和5G基本形成绿色集约的一体化运行格局。

由于全氟己酮对环境友好，对人员安全，不具有导电性，灭火后无残留，不会损害精密设备，并且拥有优良的灭火性能，因此它是名副其实的绿色环保灭火剂(见图4)。在贯彻落实“碳达峰”和“碳中和”目标的征程中，全氟己酮气体灭火技术的应用必将为绿色数据中心的建设起到事半功倍的推动作用