Đề tài Thiết kế hệ thống điều khiển cho hệ thống điều hòa không khí

Lời nói đầu Trong những năm gần đây, cùng vói sự phát triển kinh tế của cả nước, ngành điều hoà không khí (ĐHKK) đã có những bước phát triển vượt bậc và ngày càng gắn liền với đời sống và sản xuất. Với sự hội nhập của nền kinh tế Việt Nam, làn sóng đầu tư của nước ngoài diễn ra mạnh mẽ trên tất cả các lĩnh vực làm cho ngành lạnh nói chung và điều hoà không khí nói riêng đứng trước cơ hội phát triển và vươn mình bắt kịp tiến bộ trên thế giới. Ngày nay, điều hoà tiện nghi không thể thiếu được không chỉ trong trong các toà nhà, khách sạn, văn phòng, nhà hàng, các dịch vụ du lịch, văn hoá, y tế, thể thao mà còn cả trong các căn hộ, nhà ở, các phương tiện đi lại như ô tô, tầu hoả, tầu thuỷ… Chính vì vậy, việc thiết kế hệ thống ĐHKK cũng đã trở nên 1 phần quan trọng trong thiết kế của công trình. Hệ thống đo lường và điều khiển tự động là một trong các khâu không thể thiếu được của hệ thống ĐHKK. Nó chính là mối liên hệ thông tin giữa nhu cầu năng lượng thay đổi và nhu cầu đối với điều kiện môi trường trong công trình. Nếu không có hệ thống điều khiển được thiết kế đúng và hoạt động có hiệu quả thì thiết bị ĐHKK không thể hoạt động tốt ngay cả khi đã được đầu tư vốn rất lớn. Với quan điểm như vậy, đồ án này hoàn thành với 2 phần cơ bản: Phần I: Thiết kế hệ thống ĐHKK, gồm: Chương 1: Giới thiệu và phân tích đặc điểm công trình điều hoà. Chương 2: Tính cân bằng nhiệt ẩm và các thông số cho hệ thống ĐHKK. Chương 3: Lựa chọn hệ thống ĐHKK. Phần II: Tìm hiểu và thiết kế hệ thống điều khiển cho hệ thống ĐHKK, gồm: Hệ thống đo lường và điều khiển tự động cho hệ thống ĐHKK. Hệ thống điều khiển cho hệ thống ĐHKK trung tâm. Mặc dù rất cố gắng, nhưng có lẽ do vấn đề điều khiển tự động còn quá mới mẻ và khó cho nên bản thiết kế này còn chưa được như mục tiêu đề ra. Rất mong nhận được sự đóng góp nhiệt tình từ phía thầy cô, đồng nghiệp để bản thiết kế sau trọn vẹn hơn. Chương I Giới thiệu và phân tích đặc điểm công trình điều hoà Phân tích đặc điểm công trình điều hoà là dựa trên các đặc điểm về cảnh quan, kiến trúc, kết cấu toà nhà và yêu cầu từ phía chủ đầu tư để lựa chọn hệ thống ĐHKK phù hợp cho công trình. Nội dung của chương này bao gồm phân tích đặc điểm của các hệ thống ĐHKK, các đặc điểm của công trình, lựa chọn hệ thống ĐHKK cho công trình và xác định các yêu cầu cho hệ thống ĐHKK cũng như hệ thống điều khiển cho nó. 1.1. Các hệ thống điều hoà không khí ở Việt Nam Việc phân loại và phân tích tỉ mỉ các hệ thống ĐHKK đều được trình bày rất rõ ràng trong các giáo trình chuyên ngành ([4], [6]…). ở đây chỉ xin nêu ra những điểm cơ bản và tình hình sử dụng ở Việt Nam. 1.1.1. Hệ thống điều hoà cục bộ Hệ thống điều hoà cục bộ gồm 2 loại chính là máy điều hoà cửa sổ và máy điều hoà tách, năng suất lạnh đến 7 kW (24000 BTU/h). - Máy điều hoà cửa sổ (window-type room air conditioner): toàn bộ các thiết bị được lắp trong 1 vỏ máy gọn nhẹ. - Máy điều hoà tách 2 hoặc nhiều cụm (split air conditioner): bao gồm một cụm dàn nóng đặt ngoài nhà và một hoặc nhiều (có thể đến 7 cụm) dàn lạnh trong nhà. Các loại dàn lạnh cũng khá đa dạng, từ loại treo tường truyền thống đến loại treo trần, treo trên sàn, giấu trần có hoặc không có ống gió. Hình 1.1. Máy điều hoà tách 2 cụm. ưu điểm của các loại máy cục bộ là khá gọn nhẹ; hoạt động hoàn toàn tự động; vận hành, bảo dưỡng, sửa chữa dễ dàng; tuổi thọ trung bình, độ tin cậy lớn. Do đó, nó được dùng khá rộng rãi cho điều hoà dân dụng. Tuy nhiên, nhược điểm cơ bản là khó áp dụng cho các phòng lớn, hội trường, phân xưởng, nhà hàng, cửa hàng, các toà nhà cao tầng và sang trọng do dàn nóng đặt ngoài nhà rất mất mỹ quan. 1.1.2. Hệ thống điều hoà tổ hợp gọn - Máy điều hoà tách (có hoặc không có ống gió): loại này cũng giống như máy điều hoà tách của hệ thống điều hoà cục bộ, nhưng cỡ máy và năng suất lạnh lớn hơn. Loại máy này không có khả năng lấy gió tươi nên cần phải bố trí hệ thống gió riêng. Loại không có ống gió thường sử dụng cho các hội trường, nhà khách, nhà hàng, văn phòng tương đối rộng. Trong khi loại có ống gió thường dùng cho thương nghiệp (do độ ồn khá lớn). - Máy điều hoà nguyên cụm (self-contained package air conditioner) giải nhiệt gió hoặc nước: năng suất lạnh trung bình và lớn. Loại này sử dụng ống gió điều chỉnh nhiệt độ, độ ẩm phòng nên rất cồng kềnh, tốn không gian, diện tích lắp đặt. Do đó, loại này chỉ dùng trong điều hoà công nghệ và thương nghiệp. - Máy điều hoà VRV (Variable Refrigerant Volume) hoặc VRF (Variable Refrigerant Flow): Hệ này điều chỉnh năng suất lạnh thông qua điều chỉnh lưu lượng môi chất lạnh. Thực chất là phát triển máy điều hoà tách về mặt năng suất lạnh cũng như số dàn lạnh trực tiếp đặt trong các phòng (lên 8 thậm chí 16 cụm dàn lạnh). Cụm ngưng tụ có 2 máy nén trong đó có 1 máy nén điều chỉnh năng suất lạnh theo kiểu on-off còn 1 máy điều chỉnh bậc theo máy biến tần, đảm bảo năng lượng tiết kiệm rất hiệu quả. Hệ VRV có rất nhiều ưu điểm nổi bật, rất thích hợp cho các toà nhà cao tầng kiểu văn phòng và khách sạn. Tuy nhiên, do giá thành rất cao nên cũng chưa có nhiều công trình sử dụng loại này. Hiện nay, ở Việt Nam cũng đã có một số công ty chuyên thiết kế, cung cấp và lắp đặt hệ thống VRV. Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý và lắp đặt hệ thống VRF của hãng Toshiba. 1.1.3. Hệ thống điều hoà trung tâm nước. Hệ thống này sử dụng nước lạnh để làm lạnh không khí qua các dàn trao đổi nhiệt FCU (Fan coil unit) và AHU (Air handling unit). Hệ điều hoà trung tâm nước chủ yếu gồm: - Máy làm lạnh nước (Water Chiller) hay máy sản xuất nước lạnh thường từ 120C xuống 70C. - Hệ thống ống dẫn nước lạnh. - Hệ thống nước giải nhiệt. - Nguồn nhiệt để sưởi ấm dùng để điều chỉnh độ ẩm và sưởi ấm vào mùa đông thường do nồi hơi nước nóng hoặc thanh nhiệt trở cung cấp. - Các dàn trao đổi nhiệt để sưởi ấm dùng để làm lạnh hoặc sưởi ấm không khí bằng nước nóng FCU hoặc AHU. - Hệ thống gió tươi, gió hồi, vận chuyển và phân phối không khí. - Hệ thống tiêu âm và giảm âm. - Hệ thống lọc bụi, thanh trùng và triệt khuẩn cho không khí. - Bộ rửa khí. - Hệ thống tự động điều chỉnh nhiệt độ, độ ẩm phòng, điều chỉnh gió tươi, gió hồi và phân phối không khí, điều chỉnh năng suất lạnh và điều khiển cũng như báo hiệu và bảo vệ toàn bộ hệ thống. Hình 1.3 giới thiệu sơ đồ nguyên lý hệ thống điều hoà trung tâm nước giải nhiệt nước. đến không gian điều hoà Đến dàn khác Ht Nước giải nhiệt Tháp giải nhiệt Dàn ngưng tụ dàn bay hơi Quạt Bơm Bơm Máy nén Water chiller Không khí Hồi Không khí cấp Dàn ống FCU/ AHU Ht Nước Lạnh Ht Không khí Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều hoà trung tâm nước giải nhiệt nước. Hệ thống điều hoà trung tâm nước có một số ưu điểm sau: - Có vòng tuần hoàn an toàn là nước nên không sợ ngộ độc hoặc tai nạn do rò rỉ môi chất lạnh ra ngoài. - Có thể khống chế nhiệt ẩm trong không gian điều hoà theo từng phòng riêng rẽ, ổn định và duy trì các điều kiện vi khí hậu tốt nhất. - Thích hợp cho các toà nhà như khách sạn, văn phòng với mọi chiều cao và mọi kiểu kiến trúc, không phá vỡ cảnh quan. - Vòng tuần hoàn môi chất lạnh đơn giản (so với hệ VRV) nên dễ kiểm soát, năng suất lạnh gần như không bị hạn chế. - Có khả năng xử lý độ sạch của không khí cao, đáp ứng mọi yêu cầu đề ra cả về độ sạch bụi bẩn, tạp chất, hoá chất và mùi… Tuy nhiên, nhược điểm của hệ thống trung tâm nước là tổn thất năng lượng do nước là chất tải lạnh khá lớn, do đó phải cách nhiệt đường ống rất phức tạp. Ngoài ra, còn phải bố trí hệ thống cấp gió tươi, và phải có người vận hành lành nghề. So với hệ thống VRV, hệ thống trung tâm nước có giá thành rẻ hơn nhiều. Cho nên, đến nay hệ thống trung tâm nước vẫn rất được ưa chuộng và thường gặp trong các khách sạn lớn, các toà nhà cao tầng hiện đại. Máy sản xuất nước lạnh có hai loại: giải nhiệt gió (air-cooled water chiller) và giải nhiệt nước (water-cooled water chiller). Loại giải nhiệt gió thì phải đặt ở trên cao, thường đặt trên mái nên có thể dành khu vực phía dưới cho các công việc khác. Loại giải nhiệt nước thì cần có thêm hệ thống nước giải nhiệt. Việc lựa chọn loại máy nào phụ thuộc vào kết cấu toà nhà, yêu cầu của chủ đầu tư. Nguồn nước để giải nhiệt dàn ngưng cũng là vấn đề đáng quan tâm, nhất là ở các thành phố lớn. Qua việc phân loại trên đây, có thể thấy rằng dù hệ thống VRV có nhiều ưu điểm vượt trội nhưng trong điều kiện hiện nay của nước ta thì hệ thống trung tâm nước vẫn chiếm ưu thế và còn được ứng dụng nhiều. Sau đây, em sẽ xem xét điều kiện cụ thể của công trình để quyết định hệ thống điều hoà cho toà nhà. 1.2. Giới thiệu công trình: Tổ hợp văn phòng số 9 - Đào Duy Anh. 1.2.1. Điều kiện mặt bằng. Tổ hợp văn phòng này được xây dựng mới trên phố Đào Duy Anh. Đây là một công trình có khiến trúc hiện đại, nằm tại một khu vực khá lý tưởng, trên mặt bằng rộng trên 1000 m2, cao 57,5 m2 với 16 tầng. Diện tích và bố trí mặt bằng cụ thể của các tầng như sau: Tầng hầm diện tích sàn là 1036 m2, bao gồm gara ô tô, xe máy, bể xử lý nước thải, máy điều hoà, các bơm nước… Tầng 1, 2, 3 có diện tích sàn là 842 m2, chủ yếu là các văn phòng cho thuê. Riêng tầng 1 có một khu vực ăn uống nhẹ (Highland cafe) và phòng bảo vệ. Tầng 4 đến 14 có diện tích sàn là 778 m2, gồm các văn phòng cho thuê. Từ tầng 1 đến 14, mỗi tầng đều có 1 khu vệ sinh tập trung. Tầng 15 có diện tích sàn 595 m2, là tầng phục vụ ăn uống, có 1 khu vệ sinh. Tầng 16 cũng có diện tích sàn 595 m2, gồm khu nghỉ nhân viên, bếp, kho khô, kho lạnh, các khu kỹ thuật thang, mái. Tầng 1, 2 có chiều cao 4,2 m trong đó chiều cao trần giả là 1,2m. Các tầng 3ữ14 có chiều cao là 3,3 m trong đó chiều cao trần giả là 0,7 m. Tầng 15 có chiều cao 4,4 m với chiều cao trần giả là 1,4 m. 1.2.2. Phân tích và lựa chọn hệ thống ĐHKK. Hệ thống ĐHKK cần phải phục vụ toàn bộ diện tích từ tầng 1 đến tầng 15 trừ các phòng kho và khu vệ sinh. Nhà bếp cần bố trí các hệ thống thông gió cách nhiệt bằng các vật liệu không cháy, có van gió chặn chặn lửa, có các phin lọc gió mỡ (gió bếp). Các khu vệ sinh có đường thông thải gió lên mái. Các cầu thang cần bố trí hệ thống quạt áp dương đề phòng các trường hợp hoả hoạn để có thể thoát nạn dễ dàng. Hệ thống ĐHKK phải đảm bảo tiện nghi, thoả mãn yêu cầu vi khí hậu nhưng không được làm ảnh hưởng đến kết cấu xây dựng và trang trí nội thất bên trong toà nhà cũng như cảnh quan sân, vườn bên ngoài toà nhà. Hệ thống ĐHKK cần đáp ứng các chỉ tiêu cơ bản sau của điều hoà tiện nghi: - Đảm bảo các thông số nhiệt độ, độ ẩm, độ sạch của không khí theo tiêu chuẩn tiện nghi của TCVN 5687-1992. - Lượng không khí tươi cần đảm bảo mức tối thiểu 20 m3/h/người. - Không khí tuần hoàn trong nhà phải được thông thoáng hợp lý và có quạt thải trên tum, tránh hiện tượng không khí từ các khu vệ sinh lan truyền vào hành lang và vào phòng. Tránh hiện tượng không khí từ ngoài vào phòng gây đọng ẩm trong phòng và trên bề mặt thiết bị. - Hệ thống ĐHKK có khả năng điều chỉnh năng suất lạnh. - Bố trí hợp lý các hệ thống phụ như lấy gió tươi, xả gió thải, thải nước ngưng từ các FCU, AHU. - Các thiết bị của hệ thống cần có độ tin cậy cao, vận hành đơn giản, đảm bảo mỹ quan công trình. Đáp ứng các chỉ tiêu này có thể dùng hệ VRV hoặc hệ thống trung tâm nước. Qua so sánh ưu nhược điểm ở trên, cùng các điều kiện cụ thể của công trình, em quyết định thiết kế hệ thống trung tâm nước, giải nhiệt dàn ngưng bằng nước với các lý do cụ thể như sau: - Hệ trung tâm nước có giá thành thấp hơn nhiều, các FCU đặt trên trần giả, thổi gió qua các miệng thổi nên nhìn khá gọn và đẹp. - Hệ nước an toàn với vòng tải lạnh, dễ kiểm soát môi chất, dễ bố trí các thiết bị lọc bụi, khử mùi… - Dùng hệ trung tâm nước giải nhiệt nước thì có thể bố trí dưới tầng hầm. Tầng kỹ thuật có thêm không gian cho các công việc kỹ thuật khác. Đặc biệt không phải quan tâm đến năng suất giải nhiệt khi trời quá nóng hoặc khi trời giông, bão (gió quẩn). - Việc sử dụng hệ thống điều hòa trung tâm giải nhiệt nước có hiệu quả rất cao. Hệ thống này có hiệu suất cao hơn hẳn các hệ thống điều hòa khác, kể cả loại giải nhiệt bằng gió có biến tần. Chiller giải nhiệt nước có thể đạt hiệu suất tới 0,7kW/Ton lạnh Mỹ (12000 Btu/h = 3516 W), trong khi các máy giải nhiệt khác thường chỉ đạt hiệu suất khoảng 1,2kW/Ton lạnh. Do đó, để tiết kiệm điện năng ở mức tối đa hệ thống điều hòa không khí sẽ được chọn là chiller giải nhiệt nước. Tóm lại, việc sử dụng hệ thống điều hòa trung tâm kiểu giải nhiệt bằng nước cho toà nhà có ưu điểm cơ bản là tiết kiệm điện năng cũng như chi phí vận hành so với các hệ thống điều hòa không khí khác. Để giữ nguyên vẹn kiến trúc của toà nhà và tránh gây ồn cho các phòng, các Chiller, bơm nước lạnh và bơm nước giải nhiệt sẽ đặt tại phòng máy nằm ở tầng hầm. Các tháp giải nhiệt được đặt ở tầng mái của toà nhà đảm bảo mỹ quan cho toà nhà và điều kiện giải nhiệt tốt nhất. Để việc quản lý, điều khiển được thuận tiện, toàn bộ hệ thống ĐHKK sẽ được điều khiển tự động thông qua hệ thống điều khiển : Điều khiển các giàn trao đổi không khí ( FCU ) bằng các bộ điều chỉnh số hoá trực tiếp DDC. Điều khiển các bộ xử lý không khí bằng các bộ điều khiển số của hãng sản xuất. - Điều khiển hoạt động cho hệ thống thiết bị phòng máy ĐHKK trung tâm bằng các bộ DDC. - Điều khiển hoạt động các hệ thống thông gió bằng các tủ điện điều khiển tự động thông thường. - Kết nối toàn bộ hệ thống thông gió, điều hoà không khí và các hệ thống kỹ thuật khác vào hệ thống tự động toà nhà (BMS). Trên đây là tổng quan về hệ thống ĐHKK và hệ thống điều khiển. Các chương sau đây sẽ đi vào cụ thể các bước tính toán để thiết kế và lựa chọn hệ thống điều hoà và điều khiển cho công trình.