閥控式鉛酸蓄電池（VRLA電池）作為備用電源在數(shù)據(jù)中心廣泛使用，而蓄電池室的安全是數(shù)據(jù)中心安全運(yùn)行的重要部分。

閥控式鉛酸蓄電池在使用過(guò)程中會(huì)析出少量的氫氣，如果析出的氫氣量可能達(dá)到爆炸濃度極限，應(yīng)將蓄電池室劃分為爆炸危險(xiǎn)區(qū)域，需采用防爆電器，避免普通電器內(nèi)部可能產(chǎn)生的電弧、火花和高溫引起氫氣爆炸；如果氫氣量不可能達(dá)到爆炸濃度極限，卻把蓄電池室劃分為爆炸危險(xiǎn)區(qū)域，并采用防爆電器，勢(shì)必造成建設(shè)投資增加、維護(hù)成本增大，在數(shù)據(jù)中心的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中帶來(lái)資源浪費(fèi)。

本文通過(guò)計(jì)算蓄電池析出的氫氣量達(dá)到爆炸濃度極限所需的時(shí)間，針對(duì)數(shù)據(jù)機(jī)房的工作環(huán)境，討論蓄電池室是否劃分為爆炸危險(xiǎn)區(qū)域，為閥控式鉛酸蓄電池室的設(shè)計(jì)提供參考。

a. 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50172 - 2012《電氣裝置安裝工程  蓄電池施工及驗(yàn)收規(guī)范》第3.0.7條規(guī)定：“蓄電池室應(yīng)采用防爆型燈具、通風(fēng)風(fēng)機(jī)，室內(nèi)照明線應(yīng)采用穿管暗敷 ……”此條款為黑體字，屬于強(qiáng)制執(zhí)行條款。

b. 通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YD 5003 - 2014《通信建筑工程設(shè)計(jì)規(guī)范》第11.3.6條規(guī)定：“閥控式蓄電池室的照明，可按一般通信機(jī)房設(shè)計(jì)?！?/span>

鉛酸蓄電池的充放電化學(xué)總反應(yīng)方程式為：

鉛酸蓄電池在充電過(guò)程中，充電電流的一部分用于PbSO₄轉(zhuǎn)變?yōu)镻bO₂以外，還有一部分會(huì)用于水的電解，從而使正極析出氧氣，負(fù)極析出氫氣。兩極的氣體析出反應(yīng)如下：

除正常充電之外，過(guò)充電、正極板柵腐蝕、自放電過(guò)程也會(huì)產(chǎn)生氣體。該氣體包括酸霧、氫氣、氧氣等，鉛酸蓄電池內(nèi)部產(chǎn)生氣體，不僅會(huì)使電池內(nèi)部失水，也使電池難以密封。從鉛酸蓄電池誕生以來(lái)，人們一直在尋求電池的密封：采用高孔隙率陰極吸收式(AGM)隔板為氧的復(fù)合提供通道；以及恒壓限流充電方式防止過(guò)充電等關(guān)鍵技術(shù)；同時(shí)采用析氫過(guò)電位較高的合金作為板柵材料來(lái)降低因板柵腐蝕而析出的氫氣量；并在電池內(nèi)部氣壓超過(guò)預(yù)定值時(shí)，安全閥會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟，當(dāng)氣壓降低后安全閥會(huì)自動(dòng)閉合，同時(shí)防止外部空氣進(jìn)入蓄電池內(nèi)部，使其達(dá)到密封目的。

標(biāo)準(zhǔn)給出了氣體析出量的試驗(yàn)方法，同時(shí)，對(duì)閥控式鉛酸蓄電池的氣體析出量的上限值作出了要求。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB / T 19638.1 - 2014《固定型閥控密封式鉛酸蓄電池 第1部分：技術(shù)條件》第5.2.1條規(guī)定：“蓄電池按6.7試驗(yàn)，單體蓄電池平均每安時(shí)·小時(shí)對(duì)外釋放出的氣體量G_e、G_e′在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下應(yīng)符合下述規(guī)定值：

a）在20 ℃ 及單體蓄電池電壓為U_{f l o}（V）浮充條件下G_e ≤ 0.04 mL;

b）在20 ℃ 及單體蓄電池電壓為2.40（V）浮充條件下G_e′ ≤ 1.70 mL?！?/span>

通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YD / T 2343 - 2011《通信用前置端子閥控式密封鉛酸蓄電池》第5.11條規(guī)定：在25 ℃± 5 ℃的環(huán)境中以2.4 V / 單體電壓充電，每個(gè)2 V單體電池氣體產(chǎn)生量應(yīng)低于1.2 mL / Ah · h。

溫度的變化對(duì)蓄電池充電有一定的影響，YD / T 2343 - 2011第5.2.4條規(guī)定：“應(yīng)按制造廠要求對(duì)電池的浮充電壓和均充電壓值進(jìn)行溫度補(bǔ)償，溫度補(bǔ)償系數(shù)為 - 3 mV ~ - 7 mV / ℃ / 單體，但最髙均充2.40 V / 2.20 V /

由于影響電池氣體析出量的因素較多，如溫度、充電電壓、電池的老化等，因此，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)式很難計(jì)算氣體的析出量。另外不同廠家、不同型號(hào)電池析出的氣體量也不同，根據(jù)廠家提供的產(chǎn)品檢驗(yàn)報(bào)告可以看出，通常電池實(shí)際的氣體釋放量要比標(biāo)準(zhǔn)要求的最大值小很多，但是廠家不能提供所有型號(hào)電池的氣體析出量的檢驗(yàn)報(bào)告，因此出于安全考慮，以下計(jì)算依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求的上限值進(jìn)行。

依照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB / T 19638.1 - 2014《固定型閥控密封式鉛酸蓄電池 第1部分：技術(shù)條件》，閥控式鉛酸蓄電池計(jì)算分為正常和異常兩種工作狀態(tài)：① 正常狀態(tài)的浮充電壓下（具體數(shù)值由制造商確定），2 V蓄電池氣體釋放量為0.04 mL；② 異常狀態(tài)的浮充電壓2.4 V，2 V蓄電池氣體釋放量為1.70 mL。

為便于計(jì)算房間內(nèi)的氣體量，做以下假設(shè)：① 閥控式鉛酸蓄電池析出氣體全部為氫氣；② 蓄電池室是密封的；③ 配電柜、空調(diào)機(jī)、恒濕機(jī)、變壓器、電池架是密閉的。

當(dāng)氫氣與空氣混合，在4 % ~ 75 % 濃度范圍內(nèi)，遇明火發(fā)生爆炸。以下按最低濃度4 % 進(jìn)行計(jì)算。

以某數(shù)據(jù)中心為例，計(jì)算閥控式鉛酸蓄電池析出的氫氣量達(dá)到爆炸濃度極限所需要的時(shí)間。

對(duì)于房間內(nèi)設(shè)備體積，有以下兩種布置方案可供參考。

該方案中，低壓配電柜、UPS等電氣設(shè)備和蓄電池在同一房間，蓄電池室平面圖如圖1所示。

a. 計(jì)算房間的凈體積：① 房間的體積2 898.92 m³；② 變壓器的體積20.70 m³；③ 低壓柜44.00 m³④ UPS98.23 m³⑤ 池架的體積88.45 m³；⑥ 空調(diào)機(jī)的體積28.00 m³；⑦ 恒濕機(jī)的體積4.32 m³。因此該室的凈體積約為2 615.22 m³，按4 ％ 計(jì)算其體積約為104.60 m³。

b. 統(tǒng)計(jì)蓄電池組的總?cè)萘浚涸摲块g內(nèi)的閥控式鉛酸蓄電池采用的是單體12 V / 550 W的高功率蓄電池組，共11套，每套4組，每組40只串聯(lián)，4電池按4層雙列立式布置。由相關(guān)數(shù)據(jù)得知，12 V / 550 W高功率蓄電池對(duì)應(yīng)于12 V / 145 Ah普通蓄電池，合計(jì)：10 560塊×145 Ah = 1 531 200 Ah。

c. 計(jì)算電池組釋放的氫氣量：正常工作情況下，該室內(nèi)部蓄電池每小時(shí)釋放的氫氣體積量為1 531 200 Ah× 0.04 cm³ / Ah = 61 248 cm³ ≈ 0.06 m³；異常工作情況下，該室內(nèi)部蓄電池每小時(shí)釋放的氫氣體積量為1 531 200 Ah × 1.7 cm³/ Ah = 2 603 040 cm³≈ 2.60 m³。

d. 計(jì)算氫氣達(dá)到爆炸濃度極限所需時(shí)間：正常工作情況下，氫氣達(dá)到爆炸濃度極限所需要的時(shí)間為104.60 m³÷0.06 m³ = 1 743.3 h ≈ 73天；異常工作情況下氫氣達(dá)到爆炸濃度極限所需要的時(shí)間為104.60 m³÷2.60 m³= 40.2 h ≈ 2天。

方案二：在不影響蓄電池使用的情況下布滿蓄電池

該方案中蓄電池室平面圖如圖2所示。

a. 計(jì)算房間的凈體積：① 房間的體積2 898.92 m³；② 電池架的體積257.31 m³；③ 空調(diào)機(jī)的體積28.00 m³；④ 恒濕機(jī)的體積4.32 m³，因此該室的凈體積約為2 609.29 m³，按4 ％ 計(jì)算其體積約為104.37 m³。

b. 統(tǒng)計(jì)蓄電池組的總?cè)萘浚盒铍姵毓?2套，每套4組，每組40只串聯(lián)，4組電池按4層雙列立式布置。合計(jì)：15 360塊×145 Ah = 2 227 200 Ah。

c. 計(jì)算電池組釋放的氫氣量：正常工作情況下，則該室內(nèi)部蓄電池每小時(shí)釋放的氫氣體積量2 227 200 Ah×0.04 cm³ / Ah = 89 088 cm³ ≈ 0.09 m³；異常工作情況下，該室內(nèi)部蓄電池每小時(shí)釋放的氫氣體積量2 227 200 Ah×1.70 cm³ / Ah = 3 786 240 cm³≈ 3. 79 m³。

d.  計(jì)算氫氣達(dá)到爆炸濃度極限所需時(shí)間：正常工作情況下，氫氣達(dá)到爆炸濃度極限所需要的時(shí)間為104. 37 m³÷0. 09 m³ = 1 159. 67 h ≈ 48天；異常工作情況下氫氣達(dá)到爆炸濃度極限所需要的時(shí)間為104. 37 m³÷3. 79 m³ = 27. 5 h ≈ 1天。

綜合上述兩個(gè)方案的計(jì)算可得出以下結(jié)果：

a. 正常工作情況下，氫氣達(dá)到爆炸濃度極限所需要的時(shí)間為48 ~ 73天。

b. 異常工作情況下氫氣達(dá)到爆炸濃度極限所需要的時(shí)間為1 ~ 2天。

由于以上計(jì)算是依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的最大限值，并且假設(shè)析出的氣體全部為氫氣，而且在實(shí)際的蓄電池室中，變壓器、配電柜、電池架等均不是密閉的，房間實(shí)際凈體積應(yīng)該更大，所以實(shí)際上氫氣達(dá)到爆炸濃度極限所需的時(shí)間要遠(yuǎn)大于以上計(jì)算值。

標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)據(jù)中心閥控式蓄電池室的工作環(huán)境有著嚴(yán)格的要求，包括房間的通風(fēng)換氣、動(dòng)環(huán)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、維護(hù)管理規(guī)定等：

a. 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50736 - 2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.3.7條第1款規(guī)定：“設(shè)備機(jī)房應(yīng)保持良好的通風(fēng)，無(wú)自然通風(fēng)條件時(shí)，應(yīng)設(shè)置機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)?！痹撘?guī)范“表6.3.7 部分設(shè)備機(jī)房機(jī)械通風(fēng)換氣次數(shù)”中蓄電池室通風(fēng)換氣次數(shù)為10～12次 / h。

b. 數(shù)據(jù)中心動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)包括對(duì)電池的監(jiān)控、風(fēng)機(jī)的監(jiān)控、環(huán)境溫度的監(jiān)控，當(dāng)電池過(guò)充、風(fēng)機(jī)及空調(diào)等設(shè)備故障、環(huán)境溫度升高都會(huì)發(fā)出告警信號(hào)。

c. 維護(hù)管理規(guī)定維護(hù)人員每天都要對(duì)蓄電池室進(jìn)行檢查。

因此，閥控式鉛酸蓄電池室內(nèi)不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)1天以上時(shí)間房間密閉、風(fēng)機(jī)故障、電池異常及無(wú)人檢查等情況。

綜上，無(wú)論基于計(jì)算結(jié)果還是從日常對(duì)機(jī)房的維護(hù)要求判斷，在數(shù)據(jù)中心正常運(yùn)行時(shí)，閥控式鉛酸蓄電池室的氫氣量不存在達(dá)到爆炸濃度極限的可能性。

閥控式鉛酸蓄電池室是否劃分為爆炸性氣體環(huán)境危險(xiǎn)區(qū)域，劃分原則應(yīng)執(zhí)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50058 - 2014《爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》及GB 3836.14 - 2014《爆炸性環(huán)境 第14部分：場(chǎng)所分類  爆炸性氣體環(huán)境》：

a. GB 50058 - 2014第3.3.1條第1款規(guī)定：“爆炸性氣體環(huán)境危險(xiǎn)區(qū)域范圍”“應(yīng)根據(jù)釋放源的級(jí)別和位置、可燃物質(zhì)的性質(zhì)、通風(fēng)條件、障礙物及生產(chǎn)條件、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較綜合確定”；其3.3.2條第1款指出：“可燃物質(zhì)可能出現(xiàn)的最高濃度不超過(guò)爆炸下限值的10 %”時(shí)“可劃為非爆炸危險(xiǎn)區(qū)域”。

根據(jù)前面的計(jì)算結(jié)果，“異常工作情況下氫氣達(dá)到爆炸濃度極限4 % 所需要的最小時(shí)間為27.5 h”。10 / h0.1 h換氣1次。為便于計(jì)算，按風(fēng)機(jī)間歇性工作考慮，因此，每次換氣前，閥控式鉛酸蓄電池室內(nèi)氫氣可能達(dá)到的最高濃度不超過(guò)0.1÷27.5×4 % = 0.015 %，小于氫氣的爆炸下限值的10 % ，即0.4 %，因此，可劃為非爆炸危險(xiǎn)區(qū)域。

b. 按規(guī)定，閥控式鉛酸蓄電池排放氫氣不是連續(xù)的，屬于“二級(jí)釋放源”。通風(fēng)系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行，屬于“高級(jí)通風(fēng)”。蓄電池室的換氣次數(shù)10～12次 / h，較GB 50058 - 2014 規(guī)定的6次 / h的通風(fēng)效果要好，并符合“能使可燃物質(zhì)很快稀釋到爆炸下限值的25 % GB 3836.14 - 2014表B.1的規(guī)定,閥控式鉛酸蓄電池室屬于“二級(jí)釋放源”“高級(jí)通風(fēng)”“通風(fēng)良好”，則可劃為非爆炸性氣體環(huán)境危險(xiǎn)區(qū)。

通過(guò)以上計(jì)算和分析，得出結(jié)論：

a. 在數(shù)據(jù)中心正常運(yùn)行、正常維護(hù)的條件下，閥控式鉛酸蓄電池室的氫氣量不存在達(dá)到爆炸濃度極限的可能性。

b. 按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB 50058 - 2014及GB 3836系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，閥控式鉛酸蓄電池室應(yīng)劃分為非爆炸性氣體環(huán)境危險(xiǎn)區(qū)域，無(wú)需采用防爆措施。

綜上所述，場(chǎng)所分類、爆炸性氣體環(huán)境分區(qū)是一項(xiàng)全面、細(xì)致的工作，需要了解設(shè)備性能、工藝流程、電氣、通風(fēng)等各專業(yè)的知識(shí)。尤其當(dāng)各標(biāo)準(zhǔn)之間存在要求不一致情況時(shí)，設(shè)計(jì)人員更應(yīng)判斷其合理性，不能因?yàn)榇嬖诒怏w釋放源，就簡(jiǎn)單地認(rèn)為屬于爆炸危險(xiǎn)環(huán)境，采取“就高不就低”的態(tài)度，盲目采取防爆措施，這樣做的結(jié)果不僅對(duì)安全無(wú)益，反而造成不必要的浪費(fèi)。

作者：

宗希媛，女，中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司黑龍江分公司，高級(jí)工程師，電氣總工程師。

馮曉玫，女，天津中建國(guó)際工程設(shè)計(jì)有限公司，高級(jí)工程師。

李寧，男，哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣學(xué)院。

王瓊，女，中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司黑龍江分公司，高級(jí)工程師。