現(xiàn)代熱通道氣流遏制系統(tǒng)被用來應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)中心日益增長的功率密度，但同時(shí)這些熱通道也為工作人員工作環(huán)境的舒適性帶來問題。本問將就這種高密度IT環(huán)境的附加熱應(yīng)力作基本的探討。

IT機(jī)房和相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的首要目的是支持關(guān)鍵IT設(shè)備的運(yùn)行。一般來講，在必要的情況下，絕大多數(shù)大型關(guān)鍵數(shù)據(jù)中心的業(yè)主更愿意以犧牲機(jī)房工作人員合理的舒適度為代價(jià)來支持關(guān)鍵IT系統(tǒng)。關(guān)于這點(diǎn)，我們幾乎可以在所有數(shù)據(jù)中心里找到這種現(xiàn)象，比如升高的噪音水平、熱冷區(qū)域、高速氣流、有時(shí)連照明也不如相鄰辦公區(qū)理想。但是，近年來，由于IT設(shè)備功率密度的不斷增長，導(dǎo)致機(jī)房制冷系統(tǒng)也在不斷突破創(chuàng)新。有時(shí)，這些新的制冷方案會(huì)影響到機(jī)房工作人員的舒適度和安全性。

傳統(tǒng)和現(xiàn)代的數(shù)據(jù)中心制冷方法

在數(shù)據(jù)中心中，傳統(tǒng)制冷方法是使用非緊靠熱源的制冷方式對(duì)負(fù)載供應(yīng)冷風(fēng)并排出熱風(fēng)。這意味著制冷系統(tǒng)通常采用高架地板進(jìn)行送風(fēng)，所輸送的冷風(fēng)在房間內(nèi)彌散。這里沒有嚴(yán)格的邊界來防止冷風(fēng)與房間內(nèi)的空氣的自由混合。其目的是試圖將室內(nèi)總體平均溫度降到IT設(shè)備和人員可接受的水平。在這樣的房間里，制冷系統(tǒng)的回風(fēng)氣流基本上反映的就是室內(nèi)總體溫度，一般在22°C（72°F）左右。如果在房間里采用了熱通道/冷通道布局，熱通道的觀測溫度應(yīng)當(dāng)高于22°C

（72°F），而冷通道的觀測溫度應(yīng)當(dāng)?shù)陀?2°C（72°F）。但在實(shí)際應(yīng)用中，它們與室內(nèi)總體平均溫度的偏差沒有所設(shè)計(jì)的那么大。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的設(shè)計(jì)通常會(huì)允許較大比例的冷風(fēng)繞開原本的目標(biāo)送風(fēng)位置，直接進(jìn)入熱通道，通常是從地板上的線纜孔滲入的。這降低了熱通道的溫度。同樣地，傳統(tǒng)的IT設(shè)施通常不提供措施來防止IT設(shè)備廢熱從機(jī)架頂部或機(jī)架行末端進(jìn)入冷通道。這無疑會(huì)對(duì)房間內(nèi)的IT設(shè)備產(chǎn)生不利影響，泄漏的冷風(fēng)會(huì)降低在熱通道里工作的人員感受到的熱應(yīng)力，而泄露的熱風(fēng)則可能會(huì)加熱冷通道。這兩種再循環(huán)流體路徑都不是我們希望看見的，因?yàn)樗鼈儠?huì)提高IT設(shè)備的平均工作溫度同時(shí)降低制冷系統(tǒng)的效率。圖1所示為數(shù)據(jù)中心及其使用傳統(tǒng)制冷方式時(shí)的空氣流向示意圖。

▲圖1傳統(tǒng)制冷方式氣流模式

這種大流量設(shè)計(jì)被一直沿用至今是因?yàn)镮T設(shè)備功率密度足夠低，以至于即使采用不精確的冷風(fēng)送風(fēng)方式也不會(huì)造成IT設(shè)備過熱。但是，當(dāng)用高密度的IT設(shè)備對(duì)舊的設(shè)施進(jìn)行跟新?lián)Q代時(shí)，就需要徹底重新考慮制冷架構(gòu)，否則這種制冷設(shè)計(jì)的局限性就會(huì)馬上顯現(xiàn)出來。因此，基礎(chǔ)設(shè)施制造商推出了能夠抑制的冷、熱風(fēng)混合的產(chǎn)品。這樣既對(duì)IT設(shè)備有益，又能夠降低運(yùn)營成本。本文所提到的這種系統(tǒng)將熱通道完全封閉，從而可以防止幾乎所有的混合。要實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)，可以使用專門的改裝產(chǎn)品，或者是利用常規(guī)施工材料實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保建筑設(shè)計(jì)。圖2所示的為采用施耐德電氣旗下APC的熱通道氣流遏制系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例。

圖2現(xiàn)代制冷方法

一些使用這種新型制冷系統(tǒng)的用戶表示出對(duì)量化工作人員在其中所受到的熱應(yīng)力感興趣，以便于確保其符合本地工作人員安全標(biāo)準(zhǔn)。本文將從絕對(duì)和相對(duì)這兩個(gè)角度來回答這個(gè)問題。我們將為傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心和無混合的現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心設(shè)定一組保守的假設(shè)條件，然后將二者進(jìn)行對(duì)比。

熱量和質(zhì)量傳遞分析可以幫助說明冷、熱風(fēng)混合對(duì)工作人員熱應(yīng)力的潛在影響。根據(jù)能量守恒和質(zhì)量守恒定律，對(duì)在熱通道里工作的人員，其所感受到熱應(yīng)力會(huì)隨冷、熱風(fēng)混合的降低或消除而減少或升高。實(shí)際的結(jié)果取決于工作人員是否站在空氣發(fā)生混合的相關(guān)位置。如果工作人員所站的位置幾乎位于未發(fā)生混合的服務(wù)器排風(fēng)處，那么在冷、熱風(fēng)發(fā)生混合時(shí)，其所接觸到的溫度比不發(fā)生冷、熱風(fēng)混合時(shí)更高。這種情況可能會(huì)發(fā)生在離服務(wù)器排風(fēng)口較近位置工作的人員身上。但是，如果工作人員的工作是需要在熱通道里四處走動(dòng)，那么他很可能在數(shù)據(jù)中心冷、熱風(fēng)混合發(fā)生的位置感受到較低的溫度。這是因?yàn)?，這個(gè)工作人員有更多的機(jī)會(huì)去接觸被冷風(fēng)所中和的空氣。附錄A所示的能量平衡方程式將能夠說明這一點(diǎn)。

我們不能單獨(dú)依靠以上就得出一些有意義的結(jié)論，因?yàn)闅饬鞯幕旌暇拖駳夂蜃兓粯?，幾乎不可能被完美預(yù)測，而且你也永遠(yuǎn)找不到氣流混合方式完全一樣的兩個(gè)IT設(shè)施。但是，在深入分析這些對(duì)立作用后，我們可以在恰當(dāng)?shù)募僭O(shè)條件基礎(chǔ)上進(jìn)行試驗(yàn)，找出最符合數(shù)據(jù)中心工作人員真實(shí)狀況的熱應(yīng)力。

CFD模擬實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)包括利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬模型比較兩種不同類型的數(shù)據(jù)中心。模型按照傳統(tǒng)采用高架地板設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)中心和采用熱通道氣流遏制系統(tǒng)的現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心進(jìn)行構(gòu)建和設(shè)定假定條件。圖3和圖4所示即為模擬所用的兩種數(shù)據(jù)中心的平面布局。

圖3傳統(tǒng)數(shù)中心平面視圖

圖4熱通道氣流遏制系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心平面俯視圖

模擬應(yīng)盡量準(zhǔn)確以避免熱通道外圍對(duì)工作人員熱應(yīng)力的影響。房間規(guī)模設(shè)定為一個(gè)40kW的小型數(shù)據(jù)中心，或者是較大型數(shù)據(jù)中心的某個(gè)區(qū)域。兩種類型數(shù)據(jù)中心的功率密度均被設(shè)定為每機(jī)柜3kW。像制冷系統(tǒng)風(fēng)量、IT設(shè)備風(fēng)量、UPS的風(fēng)量及效率、房間大小和布局這些參數(shù)均視為常量。因此，CFD能夠把重點(diǎn)放在比較發(fā)生冷、熱風(fēng)混合的高架地板配置與不發(fā)生冷、熱風(fēng)混合的封閉熱通道配置這兩種環(huán)境。兩個(gè)模型所使用的具體規(guī)格參數(shù)，請(qǐng)參見附錄B。

對(duì)于這兩種模型，“虛擬熱電偶”都被安放在緊靠每個(gè)機(jī)架后面距地面1.8米（6英尺）高的位置，并以0.30米（1英尺）增量進(jìn)行安裝。熱通道全部測試點(diǎn)溫度的平均值將被用來估算工作人員所感受到熱通道的干球溫度。

然而，單憑干球溫度并不能很好的反映工作人員的熱應(yīng)力，這是因?yàn)樗鼪]有考慮到濕度大小和輻射熱所產(chǎn)生的生理影響。衡量熱應(yīng)力更好的辦法是使用濕球黑球溫度（或稱之為“WBGT”）。WBGT與常規(guī)的溫度計(jì)讀數(shù)不同，它考慮了空氣溫度、濕度和輻射熱。這些因素都會(huì)對(duì)工作人員感受到的熱應(yīng)力產(chǎn)生影響。職業(yè)安全和健康署（OSHA）技術(shù)規(guī)范第四章第三節(jié)就各種條件下可接觸的最高WBGT進(jìn)行了規(guī)定。其它熱指標(biāo)還包括有效溫度指數(shù)（ET）和熱應(yīng)力指數(shù)（HSI）—也被稱為貝爾定-哈特指數(shù)（Belding&HatchIndex）。ET只在濕度非常高（IT設(shè)備排風(fēng)一般低于20%相對(duì)濕度）的情況下使用，HSI的應(yīng)用難度較大，而且也不太適用于表現(xiàn)工作人員個(gè)人所感受到的熱應(yīng)力。公式1用于計(jì)算無太陽輻射時(shí)的WBGT1，因?yàn)槠浼僭O(shè)環(huán)境為數(shù)據(jù)中心。

WBGT=0.7NWB+0.3GT

其中，

NWB為自然濕球溫度

GT為黑球溫度

自然濕球（NWB）溫度是房間干球溫度與濕球溫度的函數(shù)既反映了房間內(nèi)的干球溫度又反映了相對(duì)濕度。它是通過在常規(guī)水銀溫度計(jì)感溫包覆蓋一層濕紗布來進(jìn)行測量的。的測量方式是用一層濕紗布蓋住，通過水蒸發(fā)帶走溫度計(jì)感溫包處的潛熱來降低與干球溫度相關(guān)的溫度，就好比工作人員通過出汗進(jìn)行排熱。如果相對(duì)濕度已知，那么焓濕圖可以被用來查找濕球溫度。

假設(shè)兩種數(shù)據(jù)中心的相對(duì)濕度均控制在45%。黑球溫度（GT）被定義成涂成黑色銅球中心位置溫度傳感器的讀數(shù)。輻射熱和環(huán)境干球溫度都對(duì)這個(gè)讀數(shù)有影響。熱通道里工作人員所吸收的輻射熱可以忽略不計(jì)，因?yàn)榭梢姽腆w表面不會(huì)比工作人員的體溫高很多。因此，CFD模擬得出的干球溫度可以用來代替黑球溫度，而且不用進(jìn)行任何的精確性補(bǔ)償。然后，我們可以將公式1中的NWB與GT相加，得出WBGT。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果按照OSHA（美國）和ISO（國際）指導(dǎo)方針判斷其可接受性。表1所示為OSHA指導(dǎo)方針。

表1OSHA指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)（僅限美國）

OSHA還提供了其它一些條件的調(diào)整，比如著裝類型和工種分類，以便讓W(xué)BGT在各種工業(yè)領(lǐng)域里都可作為一個(gè)有用的參量。此外，OSHA關(guān)于熱應(yīng)力的指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)適用于一般情況下身體健康狀況良好且攝入足量水和電解質(zhì)的個(gè)人。OSHA所描述的“輕度工作負(fù)荷”相當(dāng)于IT工作人員的日常工作任務(wù)，比如安裝機(jī)架式設(shè)備或敷設(shè)網(wǎng)絡(luò)線纜，并且假設(shè)工作人員穿著普通單衣。相對(duì)地，OSHA所指的“重度工作負(fù)荷”則為重體力活，比如類似于“敷設(shè)鐵路枕木”的作業(yè)活動(dòng)。

各個(gè)國家關(guān)于職業(yè)安全的條例和指令各不相同，因此熟悉本地的具體要求很重要。ISO7243《熱環(huán)境—基于WBGT指數(shù)估算工作人員所承受的熱應(yīng)力》為國際社會(huì)提供類似的指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)。圖5所示為摘自ISO7243附錄B的曲線圖，顯示的是針對(duì)不同代謝率和工作周期的最高允許WBGT。

圖5  ISO指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)（國際）

這些代謝率是工作人員工作緊張程度的數(shù)字化表達(dá)。ISO7243在休息時(shí)可以低至每平方米體表65瓦以下，而在極端條件下可以高達(dá)每平方米體表260瓦以上。根據(jù)ISO的描述，IT工作人員的工作任務(wù)與ISO“1級(jí)“或輕度工作負(fù)荷最為接近，也就是代謝率在65瓦至130瓦之間。從圖5可以看到，在最壞條件下以每平方米體表130瓦的代謝率連續(xù)工作，其最高允許的WBGT是30°C（與OSHA一致）。在這個(gè)溫度下，指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為，“一般說來，幾乎任何個(gè)人在這個(gè)溫度下都不會(huì)受到任何有害影響......”。與OSHA標(biāo)準(zhǔn)類似，ISO也假定工作人員的健康狀況良好并且能夠適應(yīng)該工作環(huán)境。對(duì)于不能適應(yīng)這種工作環(huán)境的工作人員，ISO將最高允許的WBGT從30°C降低到29°C。

表2CFD分析結(jié)果

機(jī)架背后的干球氣溫比封閉熱通內(nèi)的溫度平均高4.4°C(8°F)，其原因正如前面所提到的，就是在高架地板房間里冷風(fēng)滲透到熱通道后導(dǎo)致的結(jié)果。根據(jù)計(jì)算出的平均入口溫度和假設(shè)的相對(duì)濕度值，被排入熱通道的空氣在最壞條件的濕球溫度為20.4°C(68°F)。

IT設(shè)備平均入口溫度（附錄A中圖A1里的T2）也可以利用CFD分析進(jìn)行計(jì)算得到，因此這一數(shù)據(jù)也被包含在表2中。雖然并不是本文的主要探討內(nèi)容，我們還是將這一信息提供給讀者進(jìn)行比較對(duì)照，因?yàn)镮T設(shè)備入口溫度必須保持在18-27°C(64-80°F)范圍才能保證最佳的可用性。圖6則進(jìn)一步顯示了高度對(duì)IT設(shè)備入口溫度的影響。位置7是標(biāo)準(zhǔn)42U機(jī)架的最高位置，7個(gè)高度位置上均裝有一臺(tái)6U服務(wù)器。

圖6機(jī)柜上的安裝位置對(duì)IT設(shè)備進(jìn)風(fēng)溫度的影響

結(jié)論

盡管兩個(gè)平均溫度都在預(yù)期范圍內(nèi)，圖6還是顯示出傳統(tǒng)高架地板數(shù)據(jù)中心的溫度梯度不甚理想，安裝在機(jī)架頂部附近的設(shè)備（服務(wù)器位置6和7）承受的溫度較高，分別為27°C(80.9°F)和

33°C(91°F)。

冷、熱風(fēng)混合抑制可以讓冷通道更冷，熱通道更熱。從可用性、功率密度容量和能效的角度來看，它對(duì)IT設(shè)施有利，但它也會(huì)稍微提高在熱通道里工作的人員所感受到的熱應(yīng)力（約1°FWBGT）。

但是，預(yù)期的熱應(yīng)力仍在OSHA/ISO的限制范圍內(nèi)。由于高架地板內(nèi)氣流混合使熱通道WBGT降低的值比IT廢熱溫度升高使WBGT升高的值要來的低，因此WBGT會(huì)小幅上升。雖然我們?cè)O(shè)置了較為保守的假設(shè)條件，但各個(gè)數(shù)據(jù)中心的具體表現(xiàn)各有不同。比如，出于保守考慮，我們?cè)谶@個(gè)實(shí)驗(yàn)采用的是足夠深的（36英寸或0.91米）且無障礙的高架地板。如果采用較淺且部分封堵的高架地板進(jìn)行模擬，實(shí)驗(yàn)結(jié)果將大為不同。

附錄A：熱量與質(zhì)量傳遞理論

由于存在相反作用，冷、熱風(fēng)混合對(duì)熱通道內(nèi)工作人員熱應(yīng)力的影響尚不明確。圖A1顯示的是計(jì)算機(jī)機(jī)房內(nèi)的預(yù)期空氣流向和冷、熱風(fēng)混合空氣的流向。這里假設(shè)系統(tǒng)的熱量和氣流已經(jīng)達(dá)到平衡，也就是說制冷系統(tǒng)處理的總熱量等于IT設(shè)備的總散熱量，并且制冷設(shè)備所提供的總供風(fēng)量等于IT設(shè)備的總進(jìn)風(fēng)量，或V1+V2。

根據(jù)能量守恒，兩氣流呼喝過程可寫成可利用以下公式說明氣流混合所產(chǎn)生影響：

重組公式1和公式2，以便更清晰的顯示冷、熱風(fēng)混合對(duì)T2和T4的影響。

公式3和公式4顯示出當(dāng)冷、熱風(fēng)混合減少時(shí)，IT設(shè)備供風(fēng)溫度T2會(huì)隨之降低，而制冷系統(tǒng)回

風(fēng)溫度T4會(huì)隨之升高。出于前面我們已經(jīng)講過的原因，這兩種狀況均有益于IT設(shè)施的可用性和能

效。

直接接觸IT設(shè)備排風(fēng)的工作人員將會(huì)感受到的溫度是T3。比如，當(dāng)工作人員的工作要求他/她站

在IT機(jī)柜的背后時(shí)，那么該工作人員就會(huì)完全被排出的熱空氣完全包圍，從而出現(xiàn)T3的狀況。

T3的計(jì)算公式如下：

公式5顯示的是溫度T3的計(jì)算結(jié)果，可以看出工作人員的熱應(yīng)力將隨冷、熱風(fēng)混合(V2)的減少

而降低或消除。簡單來說，這時(shí)工作人員身體周圍的空氣只會(huì)被IT設(shè)備一個(gè)出風(fēng)口加熱，而不是

多個(gè)出風(fēng)口，因此溫度要比發(fā)生冷、熱風(fēng)混合時(shí)涼爽。但是，在傳統(tǒng)的采用高架地板的機(jī)房里，

圖A1顯示的混合回風(fēng)只是發(fā)生在制冷系統(tǒng)的上游，而通常混合現(xiàn)象在更上游的位置就已經(jīng)開始發(fā)生（更接近IT設(shè)備出風(fēng)口）。換句話說，進(jìn)入熱通道的冷風(fēng)實(shí)際在返回制冷系統(tǒng)整個(gè)過程前已經(jīng)與服務(wù)器熱排風(fēng)充分混合。因此，在熱通道內(nèi)工作的工作人員更容易接觸到的是T4（混合后的回風(fēng)溫度），而不是T3（未混合的IT設(shè)備排風(fēng)溫度）。公式4顯示出位于T4溫度中的工作人員將因冷、熱風(fēng)混合的降低或消除而感受到更大的熱應(yīng)力。因此，冷、熱風(fēng)混合抑制對(duì)工作人員熱應(yīng)力的凈作用取決于工作人員是否站在兩股氣流開始發(fā)生混合的相關(guān)位置。我們不能單從這種相關(guān)性上得出有意義結(jié)論，因?yàn)闅饬鞯幕旌暇拖裉鞖獾淖兓?，幾乎不可能被完全預(yù)測，而且你也找不到氣流混合方式完全一樣的兩個(gè)IT設(shè)施。但是，在深入分析這些對(duì)立作用后，我們可以在恰當(dāng)?shù)募僭O(shè)條件基礎(chǔ)上進(jìn)行試驗(yàn)，找出最符合數(shù)據(jù)中心工作人員真實(shí)狀況的熱應(yīng)力作用結(jié)果。

附錄B：CFD建模的假設(shè)條件

本文標(biāo)題：高密度熱通道對(duì)IT人員工作環(huán)境的影響

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