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1、简介2 传统和现代数据中心的 制冷方法 2 CFD 模拟实验 5 结论9 资源10 附录11 点击内容即可跳转至具体章节 目录 高密度热通道对IT 人员 工作环境的影响 现代热通道气流遏制系统被用来应对数据中心日益增长 的功率密度，但同时这些热通道也为工作人员工作环境 的舒适性带来问题。本白皮书将就这种高密度 IT 环境 的附加热应力作基本的探讨。 摘要 高密度热通道对 IT 人员工作环境的影响 IT机房和相关基础设施的首要目的是支持关键IT设备的运行。一般来讲，在必要的情况下，绝大 多数大型关键数据中心的业主更愿意以牺牲机房工作人员合理的舒适度为代价来支持关键IT系统。 关于这点，我们几乎可
2、以在所有数据中心里找到这种现象，比如升高的噪音水平、热冷区域、高 速气流、有时连照明也不如相邻办公区理想。但是，近年来， 由于IT设备功率密度的不断增长， 导致机房制冷系统也在不断突破创新。有时，这些新的制冷方案会影响到机房工作人员的舒适度 和安全性。 在数据中心中，传统制冷方法是使用非紧靠热源的制冷方式对负载供应冷风并排出热风。这意味 着制冷系统通常采用高架地板进行送风，所输送的冷风在房间内弥散。这里没有严格的边界来防 止冷风与房间内的空气的自由混合。其目的是试图将室内总体平均温度降到IT设备和人员可接受 的水平。在这样的房间里，制冷系统的回风气流基本上反映的就是室内总体温度，一般在 22C
3、 （72F）左右。如果在房间里采用了热通道/冷通道布局，热通道的观测温度应当高于 22C （72F），而冷通道的观测温度应当低于 22C（72F）。但在实际应用中，它们与室内总体平 均温度的偏差没有所设计的那么大。这是因为传统的设计通常会允许较大比例的冷风绕开原本的 目标送风位置，直接进入热通道，通常是从地板上的线缆孔渗入的。这降低了热通道的温度。同 样地，传统的IT设施通常不提供措施来防止IT设备废热从机架顶部或机架行末端进入冷通道。这 无疑会对房间内的IT设备产生不利影响，泄漏的冷风会降低在热通道里工作的人员感受到的热应 力，而泄露的热风则可能会加热冷通道。这两种再循环流体路径都不是我们希
4、望看见的，因为它 们会提高IT设备的平均工作温度同时降低制冷系统的效率。图图 1 所示为数据中心及其使用传统制 冷方式时的空气流向示意图。 简介 传统和现代的数 据中心制冷方法 高密度热通道对 IT 人员工作环境的影响 这种大流量设计被一直沿用至今是因为IT设备功率密度足够低，以至于即使采用不精确的冷风送 风方式也不会造成IT设备过热。但是，当用高密度的IT设备对旧的设施进行跟新换代时，就需要 彻底重新考虑制冷架构，否则这种制冷设计的局限性就会马上显现出来。因此，基础设施制造商 推出了能够抑制的冷、热风混合的产品。这样既对IT设备有益，又能够降低运营成本。本白皮书 所提到的这种系统将热通道完全
5、封闭，从而可以防止几乎所有的混合。要实现这点，可以使用专 门的改装产品，或者是利用常规施工材料实现绿色环保建筑设计。图图 2 所示的为采用施耐德电气 旗下APC的热通道气流遏制系统的一个实例。 图 1 传统制冷方式气流模式 高密度热通道对 IT 人员工作环境的影响 一些使用这种新型制冷系统的用户表示出对量化工作人员在其中所受到的热应力感兴趣，以便于 确保其符合本地工作人员安全标准。本白皮书将从绝对和相对这两个角度来回答这个问题。我们 将为传统数据中心和无混合的现代数据中心设定一组保守的假设条件，然后将二者进行对比。 热量和质量传递分析可以帮助说明冷、热风混合对工作人员热应力的潜在影响。根据能量
6、守恒和 质量守恒定律，对在热通道里工作的人员，其所感受到热应力会随冷、热风混合的降低或消除而 减少或升高。实际的结果取决于工作人员是否站在空气发生混合的相关位置。如果工作人员所站 的位置几乎位于未发生混合的服务器排风处，那么在冷、热风发生混合时，其所接触到的温度比 不发生冷、热风混合时更高。这种情况可能会发生在离服务器排风口较近位置工作的人员身上。 但是，如果工作人员的工作是需要在热通道里四处走动，那么他很可能在数据中心冷、热风混合 发生的位置感受到较低的温度。这是因为，这个工作人员有更多的机会去接触被冷风所中和的空 气。附录附录A所示的能量平衡方程式将能够说明这一点。 我们不能单独依靠以上就
7、得出一些有意义的结论，因为气流的混合就像气候变化一样，几乎不可 能被完美预测，而且你也永远找不到气流混合方式完全一样的两个IT设施。但是，在深入分析这 些对立作用后，我们可以在恰当的假设条件基础上进行试验，找出最符合数据中心工作人员真实 状况的热应力。 实验包括利用计算流体动力学（CFD）模拟模型比较两种不同类型的数据中心。模型按照传统采 用高架地板设计的数据中心和采用热通道气流遏制系统的现代数据中心进行构建和设定假定条件。 图图 3 和图图 4 所示即为模拟所用的两种数据中心的平面布局。 图 2 现代制冷方法 CFD 模拟实验 高密度热通道对 IT 人员工作环境的影响 模拟应尽量准确以避免热
8、通道外围对工作人员热应力的影响。房间规模设定为一个 40kW的小型 数据中心，或者是较大型数据中心的某个区域。两种类型数据中心的功率密度均被设定为每机柜 3 kW。像制冷系统风量、IT设备风量、UPS的风量及效率、房间大小和布局这些参数均视为常 量。因此，CFD能够把重点放在比较发生冷、热风混合的高架地板配置与不发生冷、热风混合的 封闭热通道配置这两种环境。两个模型所使用的具体规格参数，请参见附录附录B。 图 3 传统数中心平面视图 图 4 热通道气流遏制系统 数据中心平面俯视图 PDUUPS IT 机柜 封闭 热通道 水平送风 制冷机组 下送风 制冷机组 穿孔地板 PDU UPS IT 机柜
9、 高架地板 高密度热通道对 IT 人员工作环境的影响 对于这两种模型，“虚拟热电偶”都被安放在紧靠每个机架后面距地面 1.8 米（6 英尺）高的位 置，并以 0.30 米（1 英尺）增量进行安装。热通道全部测试点温度的平均值将被用来估算工作人 员所感受到热通道的干球温度。 然而，单凭干球温度并不能很好的反映工作人员的热应力，这是因为它没有考虑到湿度大小和辐 射热所产生的生理影响。衡量热应力更好的办法是使用湿球黑球温度（或称之为“WBGT”）。 WBGT与常规的温度计读数不同，它考虑了空气温度、湿度和辐射热。这些因素都会对工作人员 感受到的热应力产生影响。职业安全和健康署（OSHA）技术规范第四
10、章第三节就各种条件下可 接触的最高WBGT进行了规定。其它热指标还包括有效温度指数（ET）和热应力指数（HSI） 也被称为贝尔定-哈特指数（Belding & Hatch Index）。ET只在湿度非常高（IT设备排风一般 低于 20%相对湿度）的情况下使用，HSI的应用难度较大，而且也不太适用于表现工作人员个人 所感受到的热应力 。公式公式 1 用于计算无太阳辐射时的WBGT1，因为其假设环境为数据中心。 WBGT = 0.7 NWB + 0.3 GT (公式公式 1) 其中， NWB为自然湿球温度 GT为黑球温度 自然湿球（NWB）温度是房间干球温度与湿球温度的函数既反映了房间内的干球温度
11、又反映了 相对湿度。它是通过在常规水银温度计感温包覆盖一层湿纱布来进行测量的。的测量方式是用一 层湿纱布盖住，通过水蒸发带走温度计感温包处的潜热来降低与干球温度相关的温度，就好比工 作人员通过出汗进行排热。如果相对湿度已知，那么焓湿图可以被用来查找湿球温度。 假设两种数据中心的相对湿度均控制在 45%。黑球温度（GT）被定义成涂成黑色铜球中心位置 温度传感器的读数。辐射热和环境干球温度都对这个读数有影响。热通道里工作人员所吸收的辐 射热可以忽略不计，因为可见固体表面不会比工作人员的体温高很多。因此，CFD模拟得出的干 球温度可以用来代替黑球温度，而且不用进行任何的精确性补偿。然后，我们可以将公
12、式公式 1 中的 NWB与GT相加，得出WBGT。 实验结果按照OSHA（美国）和ISO（国际）指导方针判断其可接受性。表表 1 所示为OSHA指导 方针。 工作/休息制度 （每小时工作周期） 轻度工作负荷 最高允许 WGBT 中等工作负荷 最高允许 WGBT 重度工作负荷 最高允许 WGBT 不间断30C (86F) 26.7C ( 80F) 25C (77F) 75% 工作 / 25% 休息 30.6C (87F) 27.8C (82F) 25.6C (78F) 50% 工作 / 50%休息 31.7C (89F) 29.4C (85F) 27.8C (82F) 25% 工作/ 75% 休
13、息 32.2C (90F) 31.1C (88F) 30C (86F) OSHA还提供了其它一些条件的调整，比如着装类型和工种分类，以便让WBGT在各种工业领域 里都可作为一个有用的参量。此外，OSHA关于热应力的指导标准适用于一般情况下身体健康状 1 见 OSHA 技术手册第三部分，第四章节，表 3:4-2 表 1 OSHA指导标准（仅限美国） 高密度热通道对 IT 人员工作环境的影响 况良好且摄入足量水和电解质的个人。OSHA所描述的“轻度工作负荷”相当于IT工作人员的日 常工作任务，比如安装机架式设备或敷设网络线缆，并且假设工作人员穿着普通单衣。相对地， OSHA所指的“重度工作负荷”则
14、为重体力活，比如类似于“敷设铁路枕木”的作业活动。 各个国家关于职业安全的条例和指令各不相同，因此熟悉本地的具体要求很重要。ISO 7243 热环境 基于WBGT指数估算工作人员所承受的热应力为国际社会提供类似的指导标准。 图图 5 所示为摘自ISO 7243 附录附录B的曲线图，显示的是针对不同代谢率和工作周期的最高允许 WBGT。 这些代谢率是工作人员工作紧张程度的数字化表达。ISO 7243 在休息时可以低至每平方米体表 65 瓦以下，而在极端条件下可以高达每平方米体表 260 瓦以上。根据ISO的描述，IT工作人员的 工作任务与ISO“1 级“或轻度工作负荷最为接近，也就是代谢率在 6
15、5 瓦至 130 瓦之间。从图图 5 可以看到，在最坏条件下以每平方米体表 130 瓦的代谢率连续工作，其最高允许的WBGT是 30C（与OSHA一致）。在这个温度下，指导标准认为，“一般说来，几乎任何个人在这个温度 下都不会受到任何有害影响.”。与OSHA标准类似，ISO也假定工作人员的健康状况良好并 且能够适应该工作环境。对于不能适应这种工作环境的工作人员，ISO将最高允许的WBGT从 30C降低到 29C。 图 5 ISO指导标准（国际） 高密度热通道对 IT 人员工作环境的影响 热通道平均 干球温度 (F / C) 最坏条件下 热通道湿球温度 (F / C) 湿球黑球温度（ OSHA
16、/ ISO 最高允 许值 = 86F / 30 C) IT 设备平均进口温 度(F /C) 高架地板房间 81.9 / 27.7 68.7 / 20.4 72.7 / 22.6 73.8 / 23.2 封闭热通道 房间 89.8 / 32.1 66.5 / 19.2 73.5 / 23.1 70.7 / 21.5 机架背后的干球气温比封闭热通内的温度平均高 4.4C(8F)，其原因正如前面所提到的，就是在 高架地板房间里冷风渗透到热通道后导致的结果。根据计算出的平均入口温度和假设的相对湿度 值，被排入热通道的空气在最坏条件的湿球温度为 20.4C (68F)。 IT设备平均入口温度（附录附录A中图图A1 里的T2）也可以利用CFD分析进行计算得到，因此这一数据 也被包含在表表 2 中。虽然并不是本白皮书的主要探讨内容，我们还是将这一信息提供给读者进行 比较对照，因为IT设备入口温度必须保持在 18-27C (64-80F)范围才能保证最佳的可用性 。图
