数据中心锂离子电池消防安全要求
本文节选中国消防协会发布的《数据中心锂离子电池消防安全白皮书》。
数据中心锂离子电池消防安全要求
1. 火灾特点
近年来，锂离子电池凭借高能量密度、长寿命和低自放电率等显著优势，在数据中心备电系统中得到广泛应用。整体而言锂离子电池安全性较高，但由于其高能量密度和热失控后持续反应等会导致火灾特征较为复杂。
在电滥用、热滥用等的情况下，锂离子电池可能发生热失控，引发火灾甚至爆炸事故的出现，锂离子电池的安全性问题也随之成为行业关注的焦点。因此，研究锂离子电池火灾的有效扑救方法具有重要的现实意义，不仅能够减少企业的财产损失，更能保障员工的生命安全和数据中心的稳定运行。
与传统火灾相比，锂离子电池热失控火灾有其自身的独特性。
（1）温升速率高，热释放速率大
锂离子电池在滥用条件下会自发发生放热反应。出现热失控后，电池内部放热反应剧烈，短时间内产生大量热量，使电池温度急剧升高。热失控时，电池泄压阀处喷出大量可燃气体、电解液及材料颗粒，被高温点燃后产生剧烈的射流火，具有极高的热释放速率。快速温升和热释放使得锂离子电池火灾控制复杂，并可能迅速蔓延至整个电池模块或系统。
（2）火灾蔓延速度快
为增加系统能量密度，一般将模块内电池单体紧密布置。当电池模块中某一电池单体失效而触发热失控时，由于紧密排列布置将热量迅速传递到邻近电池单体，造成电池模块内热蔓延，火灾蔓延迅速。
（3）灭火复杂，火灾易复燃
热失控过程中，大部分放热反应均发生在电池内部。而由于外壳的阻碍，灭火剂不易进入电池内部阻断热失控链式反应。灭火过程中，若无法彻底降低电池温度，消除热源，内部化学反应无法抑制，温度会持续升高，可能引发复燃。
（4）产生易燃、有害气体
磷酸铁锂电池热失控过程中电解液会产生大量气体，包括氢气、一氧化碳、甲烷、电解液蒸汽等。当可燃气体在密闭空间集聚超过燃爆浓度时，有燃爆风险。同时，热失控产生的气体有较高的毒害性，威胁人身安全。因此，在扑救锂离子电池火灾时，需要采取适当的通风和排气措施，以减少有害气体的危害。
2. 总体要求
本节贯彻“预防为主，防消结合”的消防工作方针，深刻吸取近年来我国重特大火灾事故教训，认真总结国内外建筑防火中锂离子电池室的设计实践经验和消防科技成果，深入调研了工程建设发展中出现的新情况、新问题和规范执行过程中遇到的疑难问题，认真研究借鉴发达国家经验，开展了大量课题研究、技术研讨和必要的实体火灾试验，广泛征求了有关设计、生产、建设、科研、教学和消防监督等单位意见。
在满足上述强制性规范的前提下，鼓励合理选用相关团体标准、企业标准，使项目功能、性能更加优化或达到更高水平。但需注意，推荐性工程建设标准、团体标准、企业标准要与强制性工程建设规范协调配套，各项技术要求不得低于强制性工程建设规范的相关技术水平。
根据锂离子电池的失效模式，锂离子电池室存在的安全风险可分为直接风险及间接（次生）风险两大类。
直接风险主要为锂离子电池失效释放的热量、烟雾、可燃气体等引起的火灾、燃爆，进而造成锂离子电池室内所有设备的损坏、烧毁。
间接（次生）风险主要为锂离子电池失效后引起火灾或扑灭火灾过程中对相邻房间、建筑带来的影响，如火灾无法有效控制后扩散蔓延到相邻的房间、建筑，锂离子电池产生的烟雾、可燃气体无法及时排走，会扩散至相邻房间并存在燃爆风险，对周围人员、设备及建筑产生破坏。火灾扑灭过程中可能用到的消防水无法及时排走，导致蔓延到周围房间，造成不必要的损失等。
为了最大限度降低直接风险、间接（次生）风险造成的安全隐患，需要从锂离子电池的平面布置、自动灭火系统、通风和防排烟、热失控探测报警、排水、紧急断电、防爆泄压等方面进行消防设施设计，从而提前规避风险。
3. 平面布置
3.1. 概述
数据中心的锂离子电池部署应结合整体的经济性、安全性等综合考虑，优先采用拉远撬装部署，宜设计成独立箱/柜形态；其次采用拉远独立构筑物或建筑形式部署。在拉远条件不具备时，可部署在主机房所在建筑靠外墙的独立房间内。具体示意如下：
数据中心锂离子电池室在建筑内部署应遵守《建筑设计防火规范》（GB 50016）、《建筑防火通用规范》（GB 55037）、《消防设施通用规范》（GB 55036），其承重结构宜采用钢筋混凝土或钢框架、排架结构。
数据中心锂离子电池在建筑内部署时，不应设在厕所或其他经常有水并可能漏水场所的正下方，不宜与上述场所贴邻；如果贴邻，相邻隔墙应做无渗漏、无结露等防水处理。为防止水管爆裂或漏水损害电气设备，数据中心锂离子电池室内不应布置有压的热水管、蒸汽管道或空调水管。
3.2.部署要求
数据中心锂离子电池室的部署，应合理确定锂离子电池室的方位、建筑间的相互关系与间距、消防车道与内外部道路、消防水源等要求，减小拟建建筑和周围建（构）筑物火灾的相互作用，确保消防车可达并能有效进行喷水救援，防止引发次生灾害，为消防救援提供便利条件。
3.2.1.拉远部署
在拉远部署场景下，数据中心锂离子电池室要根据自身高度或所处建筑的高度、耐火等级及火灾危险性等要素，合理确定防火间距。防火间距应保证任意一侧建筑外墙受到的相邻建筑火灾辐射热强度均低于其临界引燃辐射热强度。数据中心锂离子电池室拉远部署时，防火间距及耐火等级建议如下：
a）拉远撬装箱体、构筑物或建筑整体耐火极限不小于1h时，拉远撬装箱体、构筑物或建筑与其他建筑的防火间距不应小于3m。
b）拉远撬装箱体、构筑物或建筑与其他建筑相对面的箱（墙）体的耐火极限不小于2h时，其余面的箱（墙）体的耐火极限不小于1h时，拉远撬装箱体、构筑物或建筑与其他建筑的防火间距不应小于1m。
3.2.2.主机房所在建筑电池室部署
数据中心锂离子电池室部署在主机房所在建筑时，单个锂离子电池室容量不宜大于600kWh。数据中心锂离子电池室应部署在靠外墙的房间，此房间的耐火时间不应低于《建筑设计防火规范》（GB 50016）相关要求：梁、柱、墙、孔洞封堵的耐火极限不应小于2h，顶底楼板耐火极限不应小于1.5h，疏散门应采用甲级防火门。楼梯间、室外楼梯或有爆炸危险的区域与相邻区域连通处，应设置门斗等防护措施。门斗的隔墙应为耐火极限不应小于2h的防火隔墙，门应采用甲级防火门并应与楼梯间的门错位设置。
防火间距要根据建筑的耐火等级、外墙的耐火性能与防火构造、建筑的高度与火灾危险性、建筑外部的消防救援条件等影响防火间距的主要因素，按照防止相邻建筑发生火灾后相互蔓延和方便消防救援的原则确定。数据中心锂离子电池室在主机房所在建筑内部署时的相关耐火等级要求，不应低于《建筑设计防火规范》（GB 50016）的乙类厂房的相关耐火等级要求。
数据中心锂离子电池室部署高度，最高不宜超过地面24m且不应设置在地下室或半地下室，超过24m时应与当地消防救援装备条件匹配。数据中心锂离子电池室应与其他关联空间的电缆桥架、空调、防排烟等管道进行有效的封堵隔离，防止火灾、热害、有毒有害气体、可燃蒸汽、伴随流淌火、消防水等次生灾害与其他建筑空间相互蔓延。数据中心锂离子电池室应设置安全出口、防火门、泄压防爆、应急照明、明显清晰的“锂离子电池室”永久性标识以及容量告知牌等应急设施，并配备呼吸面罩、推车式水基型灭火器、拆卸工具、绝缘手套等器材。
数据中心锂离子电池室在主机房所在建筑靠外墙部署时，消防扑救方向预留扑救口，扑救口在室内和室外应设置可识别的永久性明显标志（扑救口按本地消防规范设计，建议部署在锂离子电池室外墙中部区域，下沿位置距离锂离子电池室底部楼板高度不应低于2m，宽度及高度不应小于1m；当利用外窗扑救时应选用安全玻璃；当利用门扑救时净宽度不应小于0.8m）。
4. 自动灭火系统（装置）
4.1.概述
关于锂离子电池发生火灾的有效灭火方式，国内外火灾实体试验及相关标准认为水是抑制锂离子电池火灾的首选灭火剂，干粉、二氧化碳和惰性气体无法给热失控的锂离子电池有效降温，存在复燃风险。新加坡在2023年更新了消防规范，强制要求锂离子电池间配置自动喷水灭火系统。
国内《预制舱式磷酸铁锂电池储能电站消防技术规范》（T/CEC 373）及《数据中心锂离子电池室设计标准》（T/CABEE 056）认为锂离子电池室应配置能够有效灭火且抑制复燃的自动灭火系统，推荐配置水喷雾或自动喷水灭火系统。
综合国内外规范要求、相关实验验证及消防扑救经验，针对数据中心锂离子电池室的消防设施提出以下要求。
4.2.灭火剂选择
当锂离子电池发生热失控后，热失控将在短时间内蔓延整个电池模块，热失控传播迅速，在电池持续降温效果不佳的情况下容易发生复燃，甚至相邻的电池模块直接在热量传导作用下引发火灾事故。
因此，扑灭锂离子电池火灾，一方面要求快速扑灭电池明火，另一方面则需要灭火剂具有较强的降温散热能力，避免电池发生复燃现象。灭火介质根据物理状态可大致分为三类：气体灭火剂、干粉灭火剂和水灭火剂。
（1）气体灭火介质
气体灭火剂具有不导电、无腐蚀、无残留和流动速度快的优势，可在密闭空间内发挥更好的灭火效果。
二氧化碳灭火剂：具有价格低廉、制备方便、易液化、储存方便、无污染等特点。二氧化碳释放进火区后立即蒸发，产生大量的气态二氧化碳，降低可燃物周围的氧气浓度，窒息火焰。但是二氧化碳只有物理抑制作用，冷却作用有限，难以扑灭锂离子电池火灾，且易复燃。
七氟丙烷灭火剂：灭火机理包括物理抑制和化学抑制。七氟丙烷气化和分解可以吸收周围热量，降低火区温度，稀释氧气浓度。同时在高温下分解产物可以捕获燃烧性的游离自由基，中断燃烧的链式反应，抑制火焰。但是其具有明显的温室效应，且对于锂离子电池火灾的冷却效果有限，存在复燃风险。
全氟己酮灭火剂：具有优异的灭火性能，不导电等特点，主要通过物理抑制和化学抑制作用扑灭电池火灾。全氟己酮室温下为液体，沸点约49℃，具有较高的汽化潜热，且在高温下分解产物，可以清除燃烧过程中的自由基，中断燃烧链式反应。因此，全氟己酮灭火剂释放进入着火封闭空间后可以吸收大量的热量，降低火场温度，同时隔绝氧气窒息火焰。
虽然全氟己酮具有优异的灭火性能和较好的冷却性能，但难以持续降低锂离子电池温度，有复燃的可能。此外，在灭锂离子电池火灾时会产生氢氟酸，使用时需要考虑防护措施。
气溶胶灭火剂：气溶胶是指悬浮在气体介质中的固态或液态颗粒所组成的气态分散系统，颗粒可以长时间悬浮在空气中，不受障碍物影响。气溶胶颗粒由气溶胶形成剂燃烧产生，不需要耐压容器。气溶胶分解产生的金属离子可以消除维持燃烧所需的自由基，从而中断了连锁反应。同时，金属氧化物和碳酸盐分解产生的蒸汽和二氧化碳会降低氧气浓度，窒息火焰。凭借其优异的灭火效率、低残留和不导电性，广泛应用于高风险场所。但是气溶胶灭火剂冷却效果较差，对锂离子电池复燃的抑制效率较差。
（2）干粉灭火剂
干粉是通过干燥、粉碎和混合具有灭火效率的无机盐和少量添加剂而形成的固体粉末。ABC干粉适用于扑灭A类、B类和C类火灾，适用范围最广。
ABC干粉的主要成分是磷酸铵，可以通过隔离、窒息、冷却和化学抑制来熄灭火焰。干粉释放进火焰区后，在高温下的分解产物可捕获燃烧自由基，中断燃烧连锁反应。同时，干粉的分解将吸收热量并产生氨和水蒸汽，稀释火焰区的氧气浓度。此外，干粉落在高温可燃物的表面，熔化形成玻璃覆盖层，隔离氧气并使可燃物窒息。但干粉无法对锂离子电池进行有效降温，即使扑灭明火，电池仍有极大可能复燃。
（3）水灭火剂
水灭火剂凭借水极大的热容和汽化潜热，在火场中通过相变吸收大量热量，产生水蒸气后体积膨胀可以降低氧气浓度，拥有优异的灭火和冷却性能，又因成本低廉，使用方便，应用范围十分广泛。
根据液滴粒径，基于水灭火剂的常用灭火系统可分为自动喷水灭火系统（水喷淋）、水喷雾灭火系统和细水雾灭火系统。
自动喷水灭火系统（水喷淋）：水滴粒径较大，喷射后液滴有足够的动量和喷淋强度穿透火焰和高温烟气到达火焰根部和可燃物表面，从而直接对电池进行有效的降温，对锂离子电池火灾具有较好的灭火和冷却效果。但水喷淋具有导电性，可能造成电池系统绝缘失效。因此灭火前要及时切断电源，灭火后及时检查并做好绝缘防护，减少水喷淋的负面影响。
水喷雾灭火系统：水喷雾喷头在一定水压下，利用离心或撞击原理将水流分解成细小水雾滴进行灭火或防护冷却。水雾喷头喷出粒径小于1mm的雾状水，除可用于扑救固体火灾，还可用于扑救闪点高于60°C的液体火灾和油浸式电气设备的火灾。灭火时能形成大量的水蒸气，在锂离子电池火灾灭火过程中能起到冷却灭火、窒息灭火、乳化灭火、稀释灭火等多种作用。
细水雾灭火系统：雾滴直径很小，相对同样体积的水，其表面积剧增，从而加强热交换效能，起到良好的降温效果。细水雾吸收热量后迅速汽化，使得体积急剧膨胀，降低了空气中的氧气浓度，抑制燃烧中的氧化反应速度，起到窒息作用。
此外，细水雾具有非常优越的阻断热辐射传递的效能，可有效地阻断火焰及高温物体对外的热辐射。细水雾具有绝缘性、优异的灭火、冷却和环保性能，对锂离子电池火灾有较好的抑制效果。但是，细水雾颗粒尺寸和动量较小，易受通风和障碍物影响，并且当热释放速率较高时，受热浮力影响，细水雾颗粒难以到达电池表面，冷却效果会被削弱。
综上所述，数据中心锂离子电池室灭火系统应选择水作为灭火剂。
4.3.设计要求
数据中心锂离子电池室应设置采用水作为灭火剂的灭火系统，具体选型宜参考《自动喷水灭火系统设计规范》（GB 50084）、《水喷雾灭火系统技术规范》（GB 50219）、《细水雾灭火系统技术规范》（GB 50898）等相关国家标准，锂电柜正上方不宜设置水管及喷头，根据相关实验数据，优先推荐水喷雾自动灭火系统，其次自动喷水灭火系统，再者细水雾灭火系统。
水喷雾灭火系统的喷水强度不应小于20L/（min·m²），园区消防储水量不应小于2h。喷头应根据《水喷雾灭火系统技术规范》（GB 50219）全保护设计及布局。
自动喷水灭火系统的喷水强度宜采用12L/（min·m²），园区消防储水量不应小于2h。喷头布局采用全覆盖设计，水管及喷头应布局于电池柜前方，喷头最大高度不应大于7.8m。
细水雾灭火系统的工作压力不应小于5MPa，喷水强度不应小于1.2L/（min·m²），喷头应根据《细水雾灭火系统技术规范》（GB 50898）全淹没设计及布局。
数据中心锂离子电池室应设置消防给水系统，消防给水量、消火栓设计流量和适用火灾延续时间等，应符合《消防给水及消火栓系统技术规范》（GB 50974），在既有建筑内改造锂离子电池室应遵从《既有建筑维护与改造通用规范》（GB 55022）。周边水源（消防车、园区自备水或市政水）具备10h连续供水能力。
数据中心锂离子电池室应配置灭火器，灭火器的配置应符合《建筑灭火器配置设计规范》（GB 50140）的相关规定。锂离子电池室灭火器宜按A类火灾（固体物质火灾）及中危险级进行配置。
5. 通风和防排烟
5.1.概述
基于锂离子电池在正常工作下不会产生可燃气体，但在热失控开阀和喷水灭火阶段，会释放氢气、一氧化碳及少量氟化氢等气体。国标《爆炸危险环境电力装置设计规范》（GB50058）、《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB 50019）、《电化学储能电站设计规范》（GB 51048）和《数据中心锂离子电池室设计标准》（T/CABEE 056）均对事故通风换气次数做了明确要求，保障可燃气体及时排出室外。
5.2.设计要求
数据中心锂离子电池室应设独立的环境温湿度控制系统、防爆型通风装置，空间外应设置排风手动开关，事故通风系统应与可燃气体探测报警装置和环境温湿度控制系统连锁。
数据中心锂离子电池室与空调系统中的风管、风口、阀门及保温材料等应采用难燃或不燃材料，事故通风量应符合相关规定，事故通风换气次数不应小于12次/h。
当采用房间级气体灭火系统时，气体灭火系统启动后事故风机应停止动作。当采用水喷雾自动灭火系统、自动喷水灭火系统或细水雾灭火系统时，水消防系统启动后事故风机应常开，但当采用室外撬块（箱）拉远场景时不强制要求启动事故风机。
事故风机应采用防爆型，事故通风系统的设备不应布置在地下室、半地下室内，进风口与排风口的设置应满足《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB 50019）相关要求，且单个防火分区的事故通风系统应隔离。风管穿防火分区应设置不小于150°C的防火阀，如直排室外可不设置防火阀，同时不应与主业务房间通风系统共用。
6. 热失控探测报警
6.1.概述
数据中心锂离子电池室应设置火灾自动报警系统。火灾自动报警系统设计、施工及验收标准应符合《火灾自动报警设计规范》（GB 50116）、《建筑设计防火规范》（GB 50016）的相关规定，可单独设置火灾自动报警系统，也可接入所处建筑的火灾自动报警系统内集中管理。火灾报警控制器应符合《火灾报警控制器》（GB 4717）的规定，设置火灾探测器的类型应符合《火灾自动报警设计规范》（GB 50116）、《建筑设计防火规范》（GB 50016）的相关规定。
鼓励使用专门针对锂离子电池火灾研发、取得强制性认证的专用火灾探测报警系统。
锂离子电池仅在热失控开阀情况下会释放氢气、一氧化碳等可燃气体或蒸气，事故风机正常情况下不运行，当探测器检测可燃气体达到告警及动作阈值时联动事故风机开启，及时将可燃气体排出电池室。相关标准要求告警阈值为10%LFL（着火下限），动作阈值为25%LFL。《预制舱式磷酸铁锂电池储能电站消防技术规范》（T/CEC 373）及《数据中心锂离子电池室设计标准》（T/CABEE 056）均要求应能探测氢气或一氧化碳气体浓度值，应能设定两级可燃气体浓度动作阈值。
6.2.设计要求
数据中心锂离子电池室内应设置可燃气体探测器、感温探测器、感烟探测器等火灾探测器。数据中心锂离子电池室应配置至少一种可燃气体探测器，宜采用一氧化碳或氢气探测器，每种探测器数量不应少于2个/房间。气体探测器应与通风系统、火灾自动报警系统、气体浓度显示、提示报警装置联动。选择的可燃气体爆炸下限标定应与锂离子电池的热失控特征宣告书相符。
气体探测器应根据不同类型的气体特征、气流速度、有效覆盖范围、探测器原理性能、检修标定等要求进行合理安装。一氧化碳探测器根据安装规范布置于电池柜附近，一氧化碳探测器为柜级时布置于电池柜内，氢气探测器需吸顶安装（如有吊顶则吊顶上下均需安装）。
数据中心锂离子电池室除配置可燃气体探测器外，也可利用复合式火灾探测器、主动束管式气体探测装置、热成像等可靠先进的手段进行早期热失控报警。
7. 排水
7.1.概述
当数据中心锂离子电池室设置了水喷雾自动灭火系统、自动喷水灭火系统或细水雾灭火系统时，排水系统设计需同步考虑启动喷水后的消防水能及时排走，避免积水、溢水、漏水等次生危害蔓延到周围相邻功能房间，造成不必要的损失。
7.2.设计要求
数据中心锂离子电池室应对地面、墙壁、门、电缆桥架进行防水处理。锂离子电池室内采用重力排水时，设置的挡水围堰高度不应小于50mm，宜按100mm设置。当采用其它排水方式时，需满足对应的排水量要求。当灭火设计为漫灌式破坏性水灭火时，排水口位置应高于安装最高的电池，应预留取水用的消火栓接口。
排水设计可采用水泵，也可使用自然排水设计。排水能力不应小于自动灭火系统的喷水强度，余量系数不应小于10%。
8. 紧急断电（EPO）
8.1.概述
针对EPO的设置，国内标准《数据中心锂离子电池室设计标准》（T/CABEE 056）明确“锂离子电池柜应具备独立的紧急停机干接点，并联系统中各电池柜的紧急停机干接点应并联后与机房的紧急停机开关联动”。
《火灾自动报警系统设计规范》（GB 50116）的4.10.1相关联动控制设计要求明确“消防联动控制器应具有切断火灾区域及相关区域的非消防电源的功能，当需要切断正常照明时，宜在自动喷淋系统、消火栓动作前切断”。
8.2.设计要求
消防联动控制器应具有切断火灾区域及相关区域的非消防电源的功能，当需要切断正常照明时，宜在自动喷淋系统、消火栓动作前切断。应在锂离子电池室外设置消防救援和灭火时使用的专用EPO按钮，并设置保护措施，防止误操作。
事故风机应采用消防电源供电，非消防设备从配电箱取电的，前级配电箱建议配置分励脱扣器，实现对断路器远程下电。数据中心锂离子电池室内的锂离子电池柜应具备独立的EPO干接点，支持一键断开电池室内锂离子电池设备。
9. 防爆泄压
9.1.概述
锂离子电池在热失控开阀情况下会释放易燃易爆成分（氢气、甲烷、一氧化碳、碳酸甲乙酯等），如果无法及时排出室外，当浓度达到爆炸下限时，一旦有火星点燃，会引发燃爆风险。燃爆会产生冲击波，会从锂离子电池室的耐压薄弱处首先冲破，瞬间释放压力，对建筑体、周围人员造成损伤与破坏。
9.2.设计要求
锂离子电池室宜设计配置泄压防爆装置或等效面积的泄压通道（如玻璃窗、电磁锁门等），如采用侧面泄压，需在泄压通道外侧设置防护围栏或防护围墙，泄压用的防火门粘贴对应的火灾警示标签。当锂离子电池室内可燃气体浓度可控制在燃爆下限25%以内，或通过实体试验证明房间抗爆能力大于燃爆内压时可不设置。
根据数据中心锂离子电池室的结构布局、电池类型、室内空间等参数，可利用数值仿真的方式构建数据中心的燃爆数值模型，并优化泄爆口的位置和面积，从而为缓解电池室的爆炸后果提供安全保障。
数据中心锂离子电池室应采用不产生火花的地面。若采用绝缘材料时，应采取防静电措施。不宜设置地沟，如确需设置时，其盖板应严密，地沟应采取防止可燃气体、可燃蒸气和粉尘、纤维在地沟积聚的有效措施，且应在与相邻建筑连通处采用防火材料密封。
综上所述，拉远撬装、拉远独立房间、主机房所在建筑内电池室的消防安全要求见下表。
