MÔ TẢ BÀI TOÁN
TỔNG QUAN VỀ VAI TRÒ CỦA ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ
1.1 Vai trò điều hòa không khí đối với con người
Sức khoẻ con người là yếu tố quyết định năng suất lao động, và việc tạo ra điều kiện vi khí hậu thích hợp là một trong những cách nâng cao sức khoẻ Nhiệt độ cơ thể con người luôn duy trì khoảng 37°C, do đó, để ổn định nhiệt độ bên trong, con người cần thải ra nhiệt ra môi trường qua ba hình thức: đối lưu, bức xạ và bay hơi Để quá trình này diễn ra hiệu quả, cần có không gian với nhiệt độ và độ ẩm phù hợp Hệ thống điều hoà không khí đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra môi trường tiện nghi, từ đó nâng cao chất lượng cuộc sống.
Việt Nam có khí hậu nhiệt đới nóng ẩm gió mùa với nhiệt độ trung bình và độ ẩm cao Sự kết hợp giữa nhiệt độ và độ ẩm cao cùng với bức xạ mặt trời qua kính ở các tòa nhà hiện đại, cùng với việc sử dụng thiết bị chiếu sáng và điện tử, dẫn đến nhiệt độ không khí trong phòng tăng cao, vượt quá mức thoải mái cho con người Để tạo ra môi trường sống thoải mái, điều hòa không khí là giải pháp cần thiết.
Kinh tế Việt Nam đang phát triển mạnh mẽ, nâng cao đời sống nhân dân, dẫn đến sự gia tăng nhu cầu sử dụng điều hòa không khí Vì vậy, điều hòa không khí đã trở nên phổ biến và quen thuộc với người dân ở các thành phố.
Trong ngành y tế, nhiều bệnh viện đã lắp đặt hệ thống điều hoà không khí trong các phòng điều trị để tạo ra môi trường vi khí hậu tối ưu, giúp bệnh nhân nhanh chóng phục hồi sức khoẻ Hệ thống này cung cấp không khí trong sạch tuyệt đối, đồng thời kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm ở mức lý tưởng, phục vụ cho các quy trình y học quan trọng.
1.1 Vai trò điều hòa không khí đối với sản xuất
Ngành công nghiệp điều hoà không khí đã có những bước tiến đáng kể, không thể tách rời khỏi các lĩnh vực như cơ khí chính xác, kỹ thuật điện tử, và kỹ thuật quang học Để đảm bảo chất lượng sản phẩm và hoạt động bình thường của máy móc, cần tuân thủ nghiêm ngặt các yêu cầu về điều kiện không khí, bao gồm thành phần độ ẩm, nhiệt độ, độ chứa bụi và hóa chất độc hại Chẳng hạn, trong ngành kỹ thuật điện, nhiệt độ cần được duy trì trong khoảng 20°C đến 22°C và độ ẩm từ 50% đến 60% để sản xuất dụng cụ điện hiệu quả.
Trong ngành cơ khí, việc chế tạo dụng cụ đo lường và quang học yêu cầu điều kiện nhiệt độ và độ ẩm ổn định để đảm bảo chất lượng và độ chính xác sản phẩm Nếu các linh kiện của máy đo và kính quang học được sản xuất trong môi trường không ổn định, sự co dãn khác nhau về kích thước sẽ làm giảm độ chính xác Hơn nữa, bụi xâm nhập vào bên trong máy có thể tăng độ mài mòn giữa các chi tiết, dẫn đến hư hỏng và giảm chất lượng rõ rệt.
Trong ngành công nghiệp sợi và dệt, việc điều hòa không khí đóng vai trò quan trọng Độ ẩm không khí cao làm tăng độ dính kết và ma sát giữa các sợi bông, gây khó khăn trong quá trình kéo sợi Ngược lại, độ ẩm quá thấp có thể dẫn đến việc sợi dễ bị đứt, từ đó giảm năng suất kéo sợi.
Trong ngành chế biến thực phẩm, môi trường không khí đóng vai trò quan trọng trong các quy trình công nghệ Độ ẩm thấp có thể làm sản phẩm khô, giảm khối lượng và chất lượng, trong khi độ ẩm cao kết hợp với nhiệt độ cao tạo điều kiện cho vi sinh vật phát triển, dẫn đến giảm chất lượng hoặc phân huỷ sản phẩm Hơn nữa, lượng nhiệt và hơi ẩm phát sinh trong phân xưởng thường gây ra hiện tượng đọng sương trên bề mặt thiết bị, tạo môi trường thuận lợi cho vi khuẩn phát triển, ảnh hưởng đến vệ sinh sản xuất.
| lợi đó đều có thể giải quyết bằng điều hoà không khí.
Hình 1: Hệ thống điều hòa trong một nhà máy
Trong ngành chế biến và sản xuất chè, quá trình vo chè và ủ lên men đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa chất dinh dưỡng của lá chè Quá trình này giúp các chất dinh dưỡng tiếp xúc với không khí và oxy hóa, kết hợp với các biến đổi sinh hóa khác để tạo ra axit amin, từ đó giữ gìn màu sắc và hương vị thơm ngon của chè Để đạt hiệu quả tối ưu, các quá trình này cần được thực hiện trong điều kiện mát mẻ và độ ẩm phù hợp.
Các thông số môi trường không khí trong nhà máy sản xuất phim và giấy ảnh cần được duy trì chặt chẽ qua hệ thống điều hòa không khí để đảm bảo chất lượng sản phẩm, vì bụi có thể làm giảm chất lượng và nhiệt độ cao có thể làm chảy lớp thuốc ảnh Độ ẩm cao cũng gây ra hiện tượng dính bết giữa các sản phẩm Hệ thống điều hòa không khí còn ảnh hưởng đến sự phát triển của bơm nhiệt, một thiết bị lạnh dùng để sưởi ấm vào mùa đông Bơm nhiệt hoạt động dựa trên nguyên lý khác với máy lạnh thông thường Tại các nước phát triển, chuồng trại chăn nuôi trong ngành sản xuất thịt sữa cũng được điều hòa không khí để gia súc và gia cầm có điều kiện tối ưu cho tăng trưởng, vì nhiệt độ và độ ẩm không phù hợp có thể làm giảm tốc độ tăng trọng hoặc gây bệnh.
Hệ thống điều hoà không khí đóng vai trò quan trọng trong nhiều quá trình công nghệ, giúp duy trì các thông số nhiệt độ và độ ẩm tối ưu, từ đó nâng cao hiệu quả sản xuất.
1.2 Trong lĩnh vực bảo quản công trình lịch sử, văn hóa, nghệ thuật
Nước ta sở hữu một nền văn hóa lâu đời với nhiều công trình lịch sử và văn hóa mang tầm cỡ thế giới, điển hình là Lăng Chủ Tịch Hồ Chí Minh Sự tồn tại vĩnh hằng của công trình này phụ thuộc một phần vào hệ thống điều hòa không khí, với yêu cầu nhiệt độ và độ ẩm cụ thể là 16 ± 0,5°C và 75 ± 5%, bất chấp sự thay đổi thời tiết bên ngoài Hệ thống điều hòa không khí cũng đóng vai trò thiết yếu trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu khoa học, nơi mà các thông số vật lý như nhiệt độ và độ ẩm cần được duy trì ổn định để đảm bảo kết quả chính xác trong các lĩnh vực sinh học và hóa học.
Để bảo tồn các giá trị văn hóa và lịch sử như tranh, ảnh, và tượng tại các bảo tàng và thư viện, việc tạo ra một môi trường trong sạch với nhiệt độ và độ ẩm ổn định là rất quan trọng Một môi trường lý tưởng sẽ giúp làm chậm hoặc ngăn chặn quá trình hủy hoại do thời gian, từ đó lưu giữ những di sản quý giá cho các thế hệ mai sau.
Tóm lại là điều hòa không khí đối các mục đích nêu trên có ý nghĩa quan trọng về lịch sử, kinh tế, văn hóa vô cùng to lớn.
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ CHILLER
Có nhiều loại hệ thống điều hòa không khí được sử dụng tùy thuộc vào nhu cầu và yêu cầu kỹ thuật Trong môn học này, chúng tôi chọn hệ thống điều hòa trung tâm chillers, phù hợp cho các công trình lớn như trung tâm thương mại Hệ thống này có ưu điểm như độ bền cao, tiết kiệm diện tích lắp đặt và dễ dàng điều chỉnh công suất hoạt động, giúp tiết kiệm chi phí.
Hệ thống Chiller giải nhiệt nước hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển hóa trạng thái của nước từ khí sang lỏng và từ lỏng sang rắn Trong quá trình thu nhiệt, nước chuyển từ trạng thái rắn sang lỏng và sau đó thành khí, giúp hấp thụ nhiệt từ môi trường xung quanh, giảm nhiệt độ và làm mát không gian Ngược lại, quá trình tỏa nhiệt diễn ra khi nước chuyển đổi từ khí trở lại lỏng và sau đó thành rắn.
Hệ thống làm lạnh chiller hoạt động dựa trên quá trình chuyển đổi từ lỏng sang khí, hay còn gọi là quá trình bay hơi nước, để thu nhiệt từ môi trường xung quanh và làm lạnh Khi gas lạnh lỏng bay hơi, nó hấp thụ nhiệt từ nước, khiến nước mất nhiệt và giảm nhiệt độ theo yêu cầu sử dụng Trong quá trình ngược lại, gas ở trạng thái hơi có áp suất được nén thành gas lạnh, sau đó qua máy nén, gas ở trạng thái hơi áp suất cao được giải nhiệt và chuyển hoàn toàn sang dạng lỏng, tạo thành một chu trình kín Sự chuyển đổi giữa hai trạng thái lỏng và khí hơi được điều chỉnh tự động bằng van.
Có 4 vòng tuần hoàn cho hệ thống như sau:
- Vòng tuần hoàn màu đỏ: Là vòng tuần hoàn nước nóng bơm vào c ooling tower thải nhiệt này ra môi trường.
- Vòng tuần hoàn màu xanh: Là vòng tuần hoàn gas lạnh trong cụm water chiller.
- Vòng tuần hoàn màu tím nhạt: Là vòng tuần hoàn nước lạnh được bơm đến AHU, FCU, PAU, PHE.v.v.
- Vòng tuần hoàn màu vàng: Là vòng tuần hoàn của hệ thống ống gió thổi vào phòng được điều hòa.
Hình 3: 4 vòng tuần hoàn của 1 hệ thống điều hòa trung tâm chillers
2.2 Phân loại hệ thống chiller
2.2.1 Phân loại theo công dụng
Hệ thống Chiller được sử dụng để làm lạnh nước đến mức yêu cầu, và có thể được phân loại theo công dụng mà chúng phục vụ.
Giải nhiệt công nghiệp là quá trình điều chỉnh nhiệt độ từ 60 xuống 30 độ C, thường được áp dụng trong các lĩnh vực như in màu, sản xuất nhựa, làm mát trong quá trình trộn hóa chất, giải nhiệt cho cầu máy cơ khí, cung cấp nước lạnh khi trộn bê tông, và trong quá trình chưng cất tại các nhà máy bia.
Điều hòa không khí trung tâm nước với dải điều chỉnh độ nước hẹp từ 7-12 độ C thường được áp dụng tại các trung tâm thương mại, nhà sách, siêu thị và xưởng công nghiệp như nhà thuốc, dệt may.
2.2.2 Phân loại theo phương thức hoạt động a) Chiller giải nhiệt gió:
Về nguyên lý và cấu tạo gần giống với chiller nước nhưng có một số điển khác biệt.
1 Không sử dụng tháp giải nhiệt cooling tower Mà trao đổi nhiệt từ gas nóng áp suất cao với không khí từ quạt hút.
2 Loại này hiệu suất lạnh kém hơn rất nhiều so với loại chiller giải nhiệt nước (hiệu suất gấp 1,5 lần so với chiller gió) Thử nghĩ xem với một công suất điện chiller gió sản sinh ra 3 kw lạnh thì chiller nước sản sinh ra 4,5 kw lạnh.
3 Nhưng do một số điều kiện đặc biệt người ta vẫn dùng hệ chiller gió giải nhiệt :
Chất lượng nước không đảm bảo, với độ axit cao và nhiều bụi bẩn, sẽ nhanh chóng bám vào thành ống của tháp giải nhiệt, làm giảm hiệu quả trao đổi nhiệt.
Tiết kiệm diện tích so với chiller Ví dụ như chiller nước thì cooling tower không đặt được trong nhà xưởng.
Sử dụng tháp giải nhiệt có thể làm tăng độ ẩm trong không khí, nhưng nếu không được quản lý đúng cách, vi sinh vật không tốt có thể phát triển, gây ô nhiễm môi trường xung quanh nhà máy Điều này không chỉ ảnh hưởng đến sức khỏe con người mà còn có thể tác động tiêu cực đến chất lượng thực phẩm.
4 Về cấu tạo chỉ khác chiller giải nhiệt nước là không sử dụng bình ngưng ống chùm mà là dàn ống đồng cánh nhôm Tại sao lại là ống đồng cánh nhôm, có một số giả thuyết :
- Đồng truyền nhiệt tốt hơn nhôm, nhưng tản nhiệt vào không khí lại kém
- Đồng giá cao và nặng hơn nhôm nên không kinh tế bằng nhôm
- Đồng dẩn nhiệt qua cánh tản nhiệt đồng thì nhiệt trên cánh tản nhiệt đồng sẻ cao, khi đặt trong xưởng sẻ dể gây ra nguy cơ cháy nổ.
Ống đồng cánh nhôm giúp phân phối nhiệt đều trên toàn bộ dàn coil, từ đó cải thiện hiệu suất đối lưu cho hệ thống.
5 Phân Loại theo hướng thổi của Quạt và số lượng quạt: Thổi ngang, thổi nghiêng và thổi trên Tùy theo vị trí mà ta có thể đặt thêm ống gió để luồng gió nóng không ảnh hưởng đến môi trường sản xuất.
- Quạt thổi ngang công suất nhỏ, hiệu suất cao hơn một ít so với 2 loại còn lại.Thường thì từ 5 hp đến 15 hp điện, 1 quạt.
- Quạt thổi nghiêng công suất lớn hơn thổi ngang, Thường thì từ 15 hp đến 30 hp điện, 2 Quạt
- Quạt thổi trên công suất lớn nhất Thường thì từ 40 hp điện trở lên, từ 3 quạt trở lên. b) Chiller Giải Nhiệt Nước :
Hình 4: Chiller giải nhiệt bằng gió
Gồm 4 phần chính: Máy nén lạnh, Dàn nóng, Dàn Lạnh, Tủ Điều Khiển.
Mô Hình Chiller Li Tâm với bay hơi loại ngập dịch
+ Máy Nén piston (1 piston, 2 piston, 3 piston, 4 piston ) Thường nhỏ hơn 3 hp dân dụng, hoặc hàng trăm hp trong đông lạnh cho máy nén 2 cấp.
+ Máy Nén Xoắn Ốc (từ 3 hp điện đến 30 hp/block nén điện).
+ Máy Nén Trục Vít (từ 40 hp điện đến 300 hp/block điện).
+ Máy Nén Li Tâm (loại li tâm nhỏ turbo 60 tons -300 tons Và li tâm lớn từ 300 tons đến hàng ngàn tons).
Dàn Nóng chiller (bình ngưng ống chùm).
Ống đồng thẳng dẫn nước bên trong, trong khi gas dạng hơi được chứa trong bình ngưng và ngưng tụ thành lỏng Nhiệt từ nước được truyền qua đến tháp giải nhiệt (cooling tower) để thực hiện quá trình làm mát hiệu quả.
Dàn Bay Hơi chiller: bình bay hơi ống chùm loại khô và loại ngập dịch, bay hơi dạng tấm PHE
Bay Hơi Loại Khô là thiết bị sử dụng nước để dẫn nhiệt, trong đó nước chảy qua bình và gas bay hơi trong ống đồng Nhờ vào các tấm định nước, dòng nước được điều chỉnh theo dạng hình sin, giúp tăng chiều dài đường chảy và cải thiện hiệu suất trao đổi nhiệt.
Bay hơi loại ngập dịch có hiệu suất cao hơn so với loại khô, thường được sử dụng cho dãy công suất lớn từ 100 tấn trở lên Nước chảy trong ống đồng trong khi môi chất lạnh sôi bên ngoài ống Bình bay hơi được bọc cách nhiệt và cần duy trì nhiệt độ không thấp hơn 7ºC để ngăn ngừa hiện tượng nước đóng băng gây nổ vỡ bình.
+ Bay hơi bằng tấm PHE INOX: Plate heat exchanger : Vì nhu cầu đặt biệt
LỰA CHỌN CÔNG TRÌNH VÀ TÍNH TOÁN ĐỐI TƯỢNG
3.1 Giới thiệu về công trình
Tòa nhà chung cư cao tầng tại thành phố Hồ Chí Minh là một công trình cao cấp, bao gồm một tầng hầm để giữ xe, tầng một dành cho quản lý, dịch vụ thương mại và sinh hoạt cộng đồng Tầng hai được thiết kế cho trường mẫu giáo với ba lớp học đầy đủ cơ sở vật chất, phục vụ nhu cầu nuôi dạy trẻ em của cư dân Từ tầng ba đến tầng hai mươi là khu vực các căn hộ cho các gia đình sinh sống.
Tòa nhà bao gồm 21 tầng:
• 20 tầng dành cho các căn hộ
Tầng hầm của tòa nhà chủ yếu được thiết kế để phục vụ mục đích để xe, bao gồm 2 phòng thường trực và 2 phòng kỹ thuật điện Ngoài ra, tầng hầm còn được trang bị 4 thang máy và 2 cầu thang bộ, cùng với hệ thống rãnh và bơm thoát nước để đảm bảo việc thoát nước hiệu quả.
Tầng 1 của tòa nhà được thiết kế cho các mục đích sinh hoạt chung, bao gồm một phòng quản lý, hai phòng bảo vệ, hai phòng kỹ thuật điện, hai phòng kỹ thuật nước, cùng với bốn thang máy và bốn cầu thang bộ (trong đó có hai cầu thang thoát hiểm) Ngoài ra, còn có năm phòng vệ sinh chung và ba khu vực không gian công cộng.
• Tầng 2: khu siêu thị Vinmart
• Tầng 5: Khu vui chơi, giải trí, rạp chiếu phim
Tầng 6 của tòa nhà được thiết kế dành riêng cho nhà trẻ, bao gồm 3 lớp học và 1 khu vực dành cho giáo viên Khu vực giáo viên được trang bị văn phòng, khu nấu ăn, các tiện ích phụ trợ, 2 nhà vệ sinh và 1 ban công Mỗi lớp học sẽ được tổ chức và trang trí phù hợp để tạo môi trường học tập tốt nhất cho trẻ.
▪ 1 phòng dành cho trẻ mệt nghỉ ngơi
▪ Nhà kho o Ngoài ra tại tầng 2 cũng có 2 phòng kĩ thuật điện, 4 thang máy, 4 cầu thang bộ,
2 phòng kĩ thuật nước và khu vực gom rác
Từ tầng 3 tới tầng 20 của tòa nhà mỗi tầng có 14 căn hộ chia làm 4 loại A, B, C và D với diện tích sử dụng khác nhau.
Bảng 4.2: Phân loại và thống kê loại căn hộ
• Tầng áp mái o 2 phòng kĩ thuật điện o 2 phòng kĩ thuật thang máy o 4 bể nước inox 20 m3
Để xác định vị trí tương quan giữa các phòng cần lắp điều hòa, chúng ta sẽ đánh số thứ tự các căn hộ từ tầng 7 đến tầng 20.
Hình 10: Sơ đồ các căn hộ
Ta có bảng thống kê diện tích và và vị trí tương quan theo các hướng của các phòng như sau
NT: ngoài trời HL: hành lang CT: cầu thang VCC: không gian vui chơi chung SHC: phòng sinh hoạt chung PTM: phòng trẻ mệt CHxy: căn hộ số xy
SHCD: sinh hoạt cộng đồng
Bảng 4.3: Phân tích sơ bộ vị trí tương quan giữa các phòng của chung cư
Phòng tầng diện tích Đông Tây Nam Bắc
Bảo vệ (phía tây) 1 9,0 phòng KT điện CT HL khu
TM Bảo vệ (phía đông) 1 9,0 CT phòng K điện
TM Quản lý tòa nhà 1 21,1 phòng
SHCD khu gom rác NT HL
Sinh hoạt cộng đồng 1 138,6 HL phòng QL NT HL
Giáo viên 2 47,6 VCC nấu ăn HL NT
SHC1 2 117,2 PTM1 VCC HL NT
SHC2 2 117,2 SHC1 PTM2 NT HL
SHC3 2 117,2 PTM3 SHC2 NT HL
PTM1 2 19,2 NT SHC1 HL NT
PTM2 2 19,2 SHC2 NT NT HL
PTM3 2 19,2 NT SHC3 NT HL
VCC 2 235,5 HL HL SHC NT
CH01 3…20 54,1 CH02 NT CT NT
CH02 3…20 60,8 CH03 CH01 HL NT
CH03 3…20 60,4 NT CH02 CH04 NT
CH04 3…20 60,6 CH11 HL CH05 CH03
CH05 3…20 60,4 NT CH06 NT CH04
CH06 3…20 60,8 CH05 CH07 NT HL
CH07 3…20 54,1 CH06 NT NT CT
CH08 3…20 54,1 NT CH09 CT NT
CH09 3…20 60,8 CH08 CH10 HL NT
CH10 3…20 60,4 CH09 NT CH11 NT
CH11 3…20 60,6 HL CH04 CH12 CH10
CH12 3…20 60,4 CH13 NT NT CH11
CH13 3…20 60,8 CH14 CH12 NT HL
CH14 3…20 54,1 NT CH13 NT CT
Tòa chung cư được thiết kế với một tầng hầm để trông giữ phương tiện giao thông, hai tầng dành cho các tiện ích cộng đồng và quản lý tòa nhà, cùng với 196 căn hộ được phân bổ trên 18 tầng, mỗi tầng có 14 căn hộ phục vụ cho các gia đình sinh sống.
3.2 Chọn cấp điều hòa và thông số tính toán
Theo tiêu chuẩn, tùy theo mức độ quan trọng của công trình mà hệ thống điều hòa không khí được chia làm 3 cấp:
Hệ thống điều hòa cấp 1 cần duy trì các thông số trong nhà ổn định trước mọi biến đổi độ ẩm bên ngoài, bất kể mùa đông hay mùa hè, với phạm vi sai lệch là 0h Điều này đặc biệt quan trọng cho các công trình có yêu cầu cao về điều kiện môi trường.
• Cấp 2: hệ thống phải duy trì được các thông số trong nhà ở phạm vi sai lệch là 200h một năm, dùng cho các công trình tương đối quan trọng.
Hệ thống cấp 3 yêu cầu duy trì các thông số môi trường trong nhà với sai lệch không quá 400 giờ mỗi năm, thường được áp dụng cho các công trình như khách sạn, văn phòng và nhà ở Mặc dù điều hòa không khí cấp 1 có độ tin cậy cao nhất, nhưng chi phí đầu tư, lắp đặt và vận hành rất lớn, nên chỉ phù hợp cho những công trình điều hòa có yêu cầu đặc biệt trong lĩnh vực công nghệ.
Các công trình ít quan trọng hơn như khách sạn 4 – 5 sao, bệnh viện quốc tế thì nên chọn điều hoà không khí cấp 2.
Đối với nhiều công trình như khách sạn, văn phòng, nhà ở, siêu thị, hội trường và thư viện, điều hoà cấp 3 là sự lựa chọn phổ biến Mặc dù độ tin cậy của điều hoà cấp 3 không cao, nhưng chi phí đầu tư thấp khiến nó trở thành lựa chọn hợp lý cho các công trình này.
Dựa trên các phân tích và yêu cầu của chủ đầu tư, cùng với đặc điểm của công trình, phương án điều hòa không khí cấp 3 đã được lựa chọn làm giải pháp cuối cùng.
3.2.2 Chọn thông số tính toán ngoài nhà
Theo thống kê khí hậu Việt Nam từ Tổng cục Thống kê, các thông số tính toán cho môi trường ngoài trời tại thành phố Hồ Chí Minh được ghi nhận như sau:
Từ đó ta xác định các thông số khác ph,max = 0,058 bar p h = ph, max.φ = = 0,029 bar d = 0,621 = 0,019 kg/kg
Như vậy ta có các thông số tính toán cho không khí bên ngoài không gian điều hòa như sau:
3.2.3 Chọn thông số điều hòa trong nhà
Theo tiêu chuẩn về điều kiện tiện nghi cho căn hộ chung cư cao tầng, chúng ta cần lựa chọn các thông số điều hòa phù hợp với không gian sống trong nhà.
Từ đó ta xác định các thông số khác ph,max bar p h = ph, max.φ = bar d = 0,621 = 0,014 kg/kg
Như vậy ta có các thông số tính toán cho không khí bên trong không gian điều hòa như sau:
3.3 Phương trình cân bằng nhiệt tổng quát
Theo [1] nhiệt thừa được xác định như sau:
• Qt : Nhiệt thừa trong phòng, W;
• Qtỏa : Nhiệt toả ra trong phòng, W;
• Qtt : Nhiệt thẩm thấu từ ngoài vào qua kết cấu bao che do chênh lệch nhiệt độ, W.
Cụ thể, nhiệt tỏa trong phòng và nhiệt thẩm thấu được xác định như sau:
• Q1 : Nhiệt toả từ máy móc;
• Q2 : Nhiệt toả từ đèn chiếu sáng;
• Q4 : Nhiệt tỏa từ bán thành phẩm;
• Q5 : Nhiệt tỏa từ bề mặt thiết bị trao đổi nhiệt;
• Q6 : Nhiệt tỏa do bức xạ mặt trời qua cửa kính;
• Q7 : Nhiệt tỏa do bức xạ mặt trời qua bao che;
• Q8 : Nhiệt tỏa do rò lọt không khí qua cửa;
• Q9 : Nhiệt thẩm thấu qua vách;
• Q10 : Nhiệt thẩm thấu qua trần mái;
• Q11 : Nhiệt thẩm thấu qua nền;
• Qbs : Nhiệt tổn thất bổ sung do gió và hướng vách;
Theo [1] ẩm thừa được xác định như sau:
• W1: Lượng ẩm do người toả vào phòng, kg/s;
• W2: Lượng ẩm bay hơi từ bán thành phẩm, kg/s;
• W3: Lượng ẩm do bay hơi từ sàn ẩm, kg/s;
• W4: Lượng ẩm do hơi nước nóng toả vào phòng, kg/s;
• W5: Lượng ẩm do không khí lọt mang vào, kg/s.
3.3.1 Nhiệt thừa của công trình a) Nhiệt tỏa từ máy móc Q 1
Tòa nhà chung cư của chúng tôi được thiết kế để phục vụ nhu cầu sinh sống của cư dân, vì vậy không có các máy móc phát nhiệt lớn trong không gian điều hòa Do đó, phần nhiệt từ các thiết bị này sẽ được bỏ qua trong quá trình tính toán.
Q1 = 0 W b) Nhiệt tỏa từ đèn chiếu sáng Q 2
Theo [1] nhiệt toả từ đèn chiếu sáng được xác định như sau:
• Ncs: Tổng công suất của tất cả các đèn chiếu sáng, W;
Theo tiêu chuẩn chiếu sáng, lấy trên mỗi m 2 là q = 10 W/m 2
Tính ví dụ cho phòng bảo vệ 1.1 có diện tích sàn Fphòng = 9 m 2 ta có:
Xác định tương tự cho các không gian điều hòa khác Kết quả chi tiết xem tại phụ lục 1. c) Nhiệt tỏa từ người Q 3
Theo [1] nhiệt tỏa từ người được xác định như sau:
• q : Nhiệt tỏa từ một người, W/người;
Tính ví dụ cho phòng bảo vệ 1.1 với số người là 3 ta có:
Xác định tương tự cho các không gian điều hòa khác Kết quả chi tiết xem tại phụ lục 2. d) Nhiệt tỏa từ bán thành phẩm Q 4
Công trình chung cư cho cư dân không phát sinh nhiệt thừa như các nhà máy chế biến và sản xuất, do đó Q4 = 0 W Nhiệt tỏa ra từ bề mặt thiết bị trao đổi nhiệt được ghi nhận là Q5.
Công trình chung cư dành cho cư dân không được trang bị các thiết bị trao đổi nhiệt trong không gian điều hòa, ngoại trừ dàn lạnh của máy điều hòa không khí.
Q5 = 0 W f) Nhiệt tỏa bức xạ mặt trời qua cửa kính Q 6
Theo [1] nhiệt từ bức xạ mặt trời qua của kính xác định theo công thức:
• Isd: Cường độ bức xạ mặt trời trên mặt đứng, phụ thuộc hướng địa lý, W/m 2 ;
• Fk: Diện tích cửa kính chịu bức xạ tại thời điểm tính toán, m 2 ;
• τ1: Hệ số trong suốt của cửa kính, với kính 1 lớp chọn τ1 = 0,90;
• τ2: Hệ số bám bẩn, với kính 1 lớp đặt đứng chọn τ2 = 0,80;
• τ3: Hệ số khúc xạ, với kính 1 lớp khung kim loại chọn τ3 = 0,75;
• τ4: Hệ số tán xạ do che nắng, với kính che trong chọn τ4 = 0,70;
Bảng 3.3 – Cường độ bức xạ cực đại trên mặt đứng theo các hướng tại địa điểm thành phố
Hồ Chí Minh (W/m 2 ) Đông Tây Nam Bắc
Tính ví dụ cho phòng bảo vệ 1.1 có một ô của kính diện tích 0,99 m 2 ở phía nam:
LỰA CHỌN GIAO THỨC TRUYỀN THONG
Với thiết kế này, bọn em lựa chọn giao thức BACnet/IP làm giao thức truyền thông cho hệ thống HVAC.
BACnet, viết tắt của Mạng điều khiển và tự động tòa nhà, là một tiêu chuẩn được phát triển bởi ASHRAE, kết hợp với các tổ chức quản lý tòa nhà, người sử dụng hệ thống và các nhà sản xuất Tiêu chuẩn này chuyên dụng cho các thiết bị điều khiển và tự động hóa trong lĩnh vực quản lý tòa nhà.
BACnet là một tiêu chuẩn giao tiếp mở và không độc quyền, phù hợp cho nhiều hệ thống trong tòa nhà như HVAC, chiếu sáng, an toàn sinh mạng, kiểm soát truy cập, vận chuyển và bảo trì Tiêu chuẩn này hỗ trợ đa dạng công nghệ mạng và truyền thông, từ việc lựa chọn cáp cho đến khởi gán lệnh và yêu cầu thông tin Các quy tắc giao tiếp của BACnet được thiết kế đặc biệt cho thiết bị điều khiển và tự động hóa tòa nhà, cho phép thực hiện các tác vụ như đọc nhiệt độ, gửi trạng thái báo động và thiết lập quạt.
4.2 Các thành phần của BACnet
Mô hình hướng đối tượng BACnet bao gồm hai thành phần chính: các đối tượng (objects) và các dịch vụ (services), trong đó dịch vụ được hiểu là tập hợp các lệnh logic.
BACnet định nghĩa các đối tượng (objects) là tập hợp các thuộc tính (properties), trong đó mỗi thuộc tính đại diện cho một số bit thông tin Ngoài các thuộc tính tiêu chuẩn, các đối tượng còn có thể bao gồm thuộc tính của nhà sản xuất, miễn là chúng tuân thủ chức năng theo tiêu chuẩn Hệ thống BACnet cũng xác định các trạng thái có thể xảy ra cho mỗi thuộc tính của một đối tượng Điều này giúp cho giải pháp hướng đối tượng hoạt động hiệu quả, vì mọi đối tượng và thuộc tính được định nghĩa đều có thể truy cập một cách chính xác theo cùng một cách thức.
Hình 11: Một BACnet object trong thực tế.
Quá trình đọc và ghi thuộc tính BACnet được gọi là service, là các phương thức mà thiết bị BACnet sử dụng để giao tiếp với nhau Các service này bao gồm việc nhận, truyền tải thông tin và xử lý hành động Tiêu chuẩn BACnet quy định một loạt các service để truy xuất các objects và thuộc tính của chúng.
4.3 Kiến trúc mạng của BACnet
Mô hình của BACnet được dựa theo mô hình OSI 7 lớp nhưng được cắt giảm còn 4 lớp bao gồm như trong hình dưới a) Tầng Application :
Hình 12: Kiến trúc mạng của BACnet.
- Là nơi để người dùng giao tiếp, điều khiển với các phần mềm.
- Nơi các BACnet Object và tính chất được định nghĩa.
- Các message sẽ được xử lý ở tầng này. b) Tầng Network:
- Định tuyến cho các message ở trong mạng có thể đến được đích.
- Là nơi để giao tiếp giữa các mạng khác nhau (vd mạng quản lý hệ thống ánh sáng và mạng quản lý hệ thống âm thanh). c) Tầng DataLink:
- Các message sẽ được chia thành các gói tin nhỏ hơn ở tầng này, gọi là Frames hoặc Packets.
- Tầng này quy định định dạng cho message.
- Kiểm tra lỗi trong mỗi bản tin được truyền đi. d) Tầng Physical:
- Dữ liệu sẽ được chuyển thành tín hiệu điện và truyền đi cũng như nhận về ở tầng
- Đây là tầng mà các kiểu mạng được định nghĩa (như hình sao, hình nhánh, hình này. ring, …)
4.4 Ưu điểm của BACnet/IP
BACnet hỗ trợ nhiều công nghệ truyền thông như Ethernet, ARCnet, IP, MSTP và LonTalk Trong số đó, BACnet/IP và BACnet MSTP là hai công nghệ phổ biến nhất Chúng tôi đã chọn BACnet/IP làm giao thức truyền thông cho hệ thống điều hòa do những ưu điểm vượt trội mà nó mang lại.
- Tính phổ biến: Mạng IP sẽ làm cho tất cả các giao diện cáp và cáp độc quyền của BMS không cần thiết, cắt giảm chi phí.
- Giám sát từ xa: Mạng IP có thể được giám sát thông qua mạng MPLS / VPN hoặc qua internet.
- Cảnh báo thời gian thực về các thông số sức khỏe và an toàn của nhiều thiết bị.
- Ngôn ngữ kịch bản thông thường có thể được sử dụng.
- Giảm chi phí vận hành do tiết kiệm năng lượng với các tính năng bảo tồn năng lượng tự động.
Sử dụng cáp ethernet để kết nối giữa các bộ điều khiển giúp giảm chi phí lao động, đồng thời đơn giản hóa quá trình chấm dứt dây truyền thông so với các giao thức MSTP hoặc LON.
BACnet MSTP và LON có thể tốn hàng giờ để thiết lập kết nối giữa các bộ điều khiển, trong khi BACnet IP chỉ mất vài phút Việc sử dụng BACnet IP giúp giảm thời gian lập trình đáng kể, mang lại hiệu quả cao hơn trong quá trình triển khai hệ thống.
- WiFi có thể được sử dụng để giám sát và liên lạc với các cảm biến / đơn vị BMS.
- Các hệ thống BMS khác nhau (ví dụ: ánh sáng và HVAC) có thể giao tiếp qua cùng một mạng IP.
- Có thể tạo các trang web tùy chỉnh để sử dụng cho người quản lý cơ sở.
THIẾT KẾ & VẬN HÀNH HỆ THỐNG
Sơ đồ khối hệ thống
Hệ thống được chia thành 3 tầng:
Hình 13: Sơ đồ khối hệ thống
Tầng Field trong hệ thống HVAC bao gồm các thiết bị quan trọng như cảm biến, cơ cấu chấp hành, van, và bảng mạch điện tử điều khiển Ngoài ra, còn có các máy cơ chính như Chiller và FCU (fancoil unit) đóng vai trò thiết yếu trong việc điều hòa không khí.
Tầng A tự động hóa bao gồm các bộ điều khiển DDC, được tích hợp giao thức truyền thông BACnet/IP, cho phép điều khiển số và tương tự hiệu quả.
PLC là thiết bị điều khiển trung tâm, có nhiệm vụ truyền phát tín hiệu điều khiển đến các thiết bị khác và thu nhận tín hiệu phản hồi để giám sát trạng thái hoạt động của chúng.
Một số ưu điểm sau của DDC khiến nó thường được sử dụng làm bộ điều khiển trong tòa nh à thông mình:
Có nhiều bộ DDC được sản xuất với các thuật toán chuyên dụng để điều khiển các thiết bị trong hệ thống BMS như VAV, FCU và Roof top Unit Các bộ DDC này chỉ cần được cấu hình để chọn chế độ điều khiển phù hợp mà không cần lập trình phức tạp.
– Hỗ trợ nhiều giao thức, trong đó có BACnet.
Tầng quản lý bao gồm các thiết bị đầu cuối dành cho người vận hành và kỹ sư để điều khiển và giám sát hệ thống Các thiết bị này bao gồm máy chủ, hệ thống HMI, màn hình LCD cảm ứng và smartphone, giúp tối ưu hóa quy trình quản lý và nâng cao hiệu quả làm việc.
Giám sát vận hành hệ thống
Một số giao diện giám sát vận hành
Giao diện đầu tiên sẽ là giao diện chung tổng quan cho cả hệ thống: Ở giao diện chung,
Hình 14: Giao diện chung ta có thể quan sát được trạng thái của những thành phần chính và quan trọng nhất của hệ thố ng HVAC: Chiller, Boiler, AHU.
- Giao diện có các nút điều khiển chế độ như: Auto/Manual, Heating/Cooling, Disable,…
- Có các nút điều khiển ON/OFF
- Có hiển thị nhiệt độ, độ ẩm từ các cảm biến đo, để dễ dàng giám sát cũng như điều k hiển trực tiếp bằng tay.
- Có thể thay đổi giá trị đặt trực tiếp ngay ở giao diện chung bởi SetPoint
- Quan sát trạng thái của các DP (cảm biến chênh áp) ở các bộ lọc, các quạt gió để có hướng giải quyết sửa chữa bảo trì hợp lý
Tiếp theo, giao diện quan sát Fan Coils:
Với giao diện này, ta có thể quan sát, theo dõi giám sát trạng thái hoạt động của của từng
Hình 15: Giao diện giám sát FCU
Khi nhấp vào từng FCU của các phòng, người dùng có thể quan sát chi tiết tình trạng hoạt động của từng FCU, bao gồm chế độ Auto hoặc Manual, trạng thái ON/OFF, nhiệt độ hiện tại so với Set Point, và tốc độ quạt gió Cuối cùng, giao diện giám sát cho phép theo dõi tình trạng phòng có máy Chiller.
Hình 16: Giao diện giám sát phòng đặt máy Chiller
- Giao diện cũng cơ bản như những giao diện khác, có các nút chuyển đổi chế độ Auto/Manual, Heating/Cooling, Enable/Disable.
Dễ dàng theo dõi trạng thái hoạt động của các máy Chiller và các thành phần khác trong hệ thống, như hình ảnh minh họa cho thấy sự hiện diện của hai máy Chiller, số 01 và 02.
Máy Chiller có nhiệm vụ duy trì lưu lượng và nhiệt độ nước qua các ống ở mức ổn định, với các thông số này được hiển thị rõ ràng trên màn hình giao diện chính Bên cạnh đó, trạng thái hoạt động của máy và tình trạng đóng mở của các van cũng được cung cấp, giúp người vận hành dễ dàng phát hiện và xử lý sự cố khi hệ thống gặp lỗi.
Thuật toán điều khiển
Hệ thống điều hòa không khí bao gồm nhiều thành phần với các thuật toán điều khiển khác nhau Hầu hết các thuật toán này đã được lập trình sẵn trong bộ điều khiển, cho phép người dùng dễ dàng kết nối và chọn chế độ vận hành thông qua màn hình.
Để nắm bắt cách thức hoạt động của hệ thống, chúng tôi xin giới thiệu thuật toán điều khiển của AHU, một trong những thành phần quan trọng nhất trong hệ thống.
Các thành phần khác tuy khác về thuật toán điều khiển, nhưng ý tưởng lập trình thì cũng tươ ng tự.
Hình 17: Sơ đồ cấu trúc cơ bản của AHU
Thành phần cơ bản của một AHU:
- Outdoor Supply Air: cổng cung cấp khí tươi cho hệ thống
- Outdoor Air Damper: van tiết lưu điều chỉnh lượng khí tươi đưa vào
- Pre-Filter: bộ lọc sơ cấp khí vào
- Bag-Filter: túi lọc khí vào, sẽ lọc kĩ hơn những thứ mà Pre-
Filter không lọc sạch được. Ở mỗi Filter sẽ có một DP cảm biến đo chênh áp để thuận tiện theo dõi việc bảo trì th ay thế bộ lọc.
- Cooling Coil: cuộn làm lạnh được cấp nước lạnh từ dàn máy Chiller
- Heating Coil: cuộn làm nóng được cấp nước nóng từ dàn máy Chiller/Boiler
- Supply Fan Air: quạt thổi khí đã được xử lý vào không gian cần điều hoà
- Return Fan Air: quạt thổi ngược khí lưu thông từ phòng quay lại dàn điều hoà hoặc thải ra ngoài.
- Exhaust Air Damper: van tiết lưu khí thải
- Return Air Damper: van tiết lưu khí trở ra để tái sử dụng.
Ta có lưu đồ thuật toán của một AHU cơ bản:
Hình 18: Lưu đồ thuật toán AHU cơ bản
- Ở trạng thái ban đầu, AHU switch đang OFF, lệnh của các quạt đang OFF, các van tiết lưu ở các cửa đều OFF.
- Bật AHU ở chế độ AUTO
Khi xuất hiện các cảnh báo ưu tiên như báo khói hoặc báo lửa, hệ thống sẽ tự động kích hoạt cảnh báo và ngay lập tức chuyển về trạng thái OFF ban đầu.
Khi chế độ cảnh báo ưu tiên OFF được kích hoạt, lệnh OPEN sẽ được gửi đến các van tiết lưu để cho phép khí lưu thông Nếu chế độ ON đã được kích hoạt nhưng sau 90 giây, các cảm biến chênh áp phát hiện van không mở đúng, hệ thống sẽ trả về tín hiệu lỗi để thông báo về sự cố của van tiết lưu và quay lại trạng thái ban đầu là OFF.
Khi xuất hiện cảnh báo lỗi van tiết lưu OFF và lệnh bật quạt cung cấp khí ON cùng với DPS = ON, hệ thống sẽ cảnh báo rằng quạt cung cấp khí gặp sự cố và ngay lập tức đưa hệ thống về trạng thái ban đầu.
Khi chế độ DPS = OFF, hệ thống sẽ hoạt động dựa trên các vòng lặp điều khiển như nhiệt độ, áp suất và nồng độ khí CO2, đồng thời cũng đưa ra một số cảnh báo liên quan đến việc bảo trì, bảo dưỡng và sửa chữa hệ thống.
Trong chế độ Manual của AHU, người vận hành chỉ có thể điều chỉnh quạt cung cấp không khí (Supply Air Fan) bằng cách bật/tắt hoặc điều chỉnh tốc độ thông qua giao diện vận hành, trong khi các chức năng khác vẫn hoạt động giống như ở chế độ AUTO.