Thiết kế và điều khiển tối ưu hệ thống sản xuất nướ lạnh chiller ứng dụng cho các tòa nhà cao tầng

89 Trang 8 Thiết kế và điều khiển tối ưu hệ thống sản xuất nước lạnh Chiller ứng dụng cho các tòa nhà cao tầng DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT STT VIẾT TẮTDIỄN GIẢI1 AHUThiết bị x

Trang 1

-

PHAN QUÝ

THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU

HỆ THỐNG SẢN XUẤT NƯỚC LẠNH CHILLER ỨNG DỤNG CHO CÁC TÒA NHÀ CAO TẦNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Hà Nội – 2018

Trang 2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

PHAN QUÝ

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS BÙI ĐĂNG THẢNH

Trang 3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi Phan Quý, học viên lớp Cao học 17ACLCĐLĐK, tác giả luận văn đề tài

“thiết kế và điều khiển tối ưu hệ thống sản xuất nước lạnh Chiller ứng dụng cho các tòa nhà cao tầng”, xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn này là hoàn toàn trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác từ trước đến nay Nếu có tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Hà Nội, ngày 15 tháng 03 năm 2018

Học viên cao học

Phan Quý

Trang 4

Thiết kế và điều khiển tối ưu hệ thống sản xuất nước lạnh Chiller ứng dụng cho các tòa nhà cao tầng

LỜI CẢM ƠN

Tác giả luận văn xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc và kính trọng tới thầy giáo hướng dẫn TS Bùi Đăng Thảnh, thầy đã có nhiều hướng dẫn, chỉ bảo tận tình và góp ý đánh giá để đề tài nghiên cứu và luận văn được hoàn thành đúng kế hoạch và chất lượng

Ngoài ra, tôi xin gửi lời cảm ơn đến Ban lãnh đạo Viện điện, Viện đào tạo sau đại học Trường Đại học Bách khoa Hà nội cùng các thầy cô giáo đã hướng dẫn

và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập nghiên cứu Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Ban lãnh đạo Công ty TNHH Niềm Tin, nơi đã tạo điều kiện về thời gian và giúp đỡ tôi

để có thể hoàn thành khóa học cao học

Cuối cùng, tôi cảm ơn gia đình, bạn bè đã giúp đỡ và là động lực để tôi có thể hoàn thành quá trình học tập nghiên cứu này

Trang 5

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 8

MỞ ĐẦU 10

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TRONG TÒA NHÀ VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ 14

1.1 TIÊU THỤ NĂNG LƯỢNG TRONG TÒA NHÀ 14

1.1.1 Suất tiêu thụ năng lượng các tòa nhà trung bình năm 14

1.1.2 Tỷ lệ tiêu thụ năng lượng các khu vực trong tòa nhà 15

1.1.3 Ý nghĩa chỉ số tiêu thụ năng lượng 16

1.2 HỆ THỐNG ĐIỀU HÒA TRUNG TÂM 20

1.2.1 Hệ thống điều hòa trung tâm VRV 20

1.2.2 Hệ thống điều hòa trung tâm Chiller 20

1.2.3 Hệ thống điều hòa trung tâm sử dụng Chiller giải nhiệt nước 21

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG SẢN XUẤT NƯỚC LẠNH CHILLER 22

Trang 6

2.2.1 Hệ thống một vòng tuần hoàn 25

2.2.2 Hệ thống hai vòng tuần hoàn 27

2.2.3 Vòng tuần hoàn nước giải nhiệt Chiller 28

2.3 GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU HỆ THỐNG SẢN XUẤT NƯỚC LẠNH CHILLER 31

2.3.1 Điều khiển nhiệt độ nước lạnh cấp của Chiller 32

2.3.2 Điều khiển bơm giải nhiệt và tháp giải nhiệt 33

2.3.3 Điều khiển bơm sơ cấp 36

2.3.4 Điều khiển bơm thứ cấp 37

2.3.5 Bơm thừa công suất gây tổn thất gấp 2 lần về năng lượng 38

2.3.6 Điều khiển bật tắt Chiller 39

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG VÀ LƯU ĐỒ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG SẢN XUẤT NƯỚC LẠNH CHILLER 42

3.1 NHIỆM VỤ THIẾT KẾ 42

3.2 KIẾN TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 42

3.2.1 Giới thiệu hệ thống điều khiển BMS 42

3.2.2 Bộ điều khiển số DDC 43

3.2.3 Thiết kế kiến trúc hệ thống điều khiển tối ưu 44

3.3 THIẾT KẾ LƯU ĐỒ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG SẢN XUẤT NƯỚC LẠNH CHILLER 46

3.3.1 Lưu đồ điều khiển khởi động một Chiller 47

3.3.2 Lưu đồ điều khiển tắt một Chiller 49

3.3.3 Lưu đồ điều khiển bảo vệ Chiller 51

3.3.4 Lưu đồ điều khiển cụm chiller để bật tắt tối ưu 53

3.3.5 Lưu đồ điều khiển nhiệt độ nước lạnh đặt 55

3.3.6 Lưu đồ điều khiển tháp giải nhiệt và nhiệt độ nước giải nhiệt 57

3.3.7 Lưu đồ điều khiển bơm thứ cấp 59

3.3.8 Lưu đồ điều khiển chương trình chính 61

CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG CHO TỔ HỢP CROWNE PLAZA WEST HÀ NỘI 63

Trang 7

4.1 PHƯƠNG PHÁP 63

4.1.1 Điều kiện tương đồng về môi trường và tải tiêu thụ 63

4.1.2 Đánh giá theo chỉ số kWh/Btu 63

4.1.3 Kế hoạch triển khai 64

4.2 KHẢO SÁT HIỆN TRẠNG HỆ THỐNG CHILLER 65

4.2.1 Sơ lược về công trình 65

4.2.2 Sơ đồ hệ thống Chiller và nguyên lý hoạt động 65

4.2.3 Ứng dụng giải pháp điều khiển tối ưu 69

4.2.4 Thống kê chỉ số năng lượng trước sử dụng chương trình phần mềm 75

4.3 ỨNG DỤNG HỆ THỐNG BMS CỦA SIEMENS 78

4.3.1 Cấu trúc phần cứng hệ thống 78

4.3.2 Bộ điều khiển số PXC 78

4.4 KIỂM TRA VÀ ĐÁNH GIÁ CHƯƠNG TRÌNH 80

4.4.1 Giao diện vận hành 80

4.4.2 Thông kê số liệu chạy thử 82

4.4.3 Kết quả ứng dụng hệ thống điều khiển 85

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO 89

PHỤ LỤC 91

Trang 8

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

1 AHU Thiết bị xử lý không khí

2 AI/AO Tín hiệu vào/ ra tương tự

3 ALN Mạng cấp điều khiển

4 AUT/MAN Chế độ vận hành tự động/ bằng tay trên

5 BACnetIP Chuẩn mạng truyền thông BACnetIP

6 BMS, BAS Hệ thống quản lý tòa nhà

7 CH Máy làm lạnh Chiller

8 CHW Nước lạnh Chiller

9 CHWR Nước laạnh Chiller hồi

10 CHWRT Nhiệt độ nước lạnh hồi

11 CHWS Nước lanh Chiller cấp

12 CHWST Nhiệt độ nước lạnh cấp

13 COP Hệ số hiệu suất năng lượng

14 CTOWER Tháp giải nhiệt

15 CW Nước giải nhiệt Chiller

16 CWP Bơm giải nhiệt

17 CWR Nước giải nhiệt hồi từ Chiller

18 CWRT Nhiệt độ nước giải nhiệt hồi

19 CWS Nước giải nhiệt cấp cho Chiller

20 CWST Nhiệt độ nước giải nhiệt cấp

21 DDC Bộ điều khiển kỹ thuật số

22 DI/DO Tín hiệu vào/ ra số

23 EUI Suất sử dụng năng lượng trung bình năm

24 FCU Tổ dàn lạnh và quạt

25 FLN Mạng cấp trường

26 HVAC Hệ thống điều hòa thông gió

27 IU/OU Khối điều hòa trong/ ngoài nhà

28 LCC Tổng chi phí vòng đời thiết bị

29 LOAD Tải lạnh hệ thống Chiller

30 MCC Tủ điều khiển động cơ

31 PAU/PAHU Thiết bị tiền xử lý/ xử lý không khí

32 PCHWP Bơm sơ cấp

33 PLC Bộ điều khiển logic khả trình

34 RT, TON Tấn lạnh, tương đương 12,000 Btu

35 SCHWP Bơm thứ cấp

36 SOV Van Solenoid

37 TRIP Tín hiệu lỗi quá tải dòng hoặc khác

38 VRV Điều hòa trung tâm biến đổi lưu lượng môi chất lạnh

Trang 9

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1: Chỉ số tiêu thụ năng lượng hệ thống Chiller giải nhiệt nước 19

Bảng 2: Chỉ số tiêu thụ năng lượng hệ thống Chiller giải nhiệt gió 19

Bảng 3: Thông số thiết kế máy của nhà sản xuất 70

Bảng 4: Chỉ số suất tiêu thụ điện năng kW/RT theo tải máy Chiller 70

Bảng 5: Tổng năng lượng điện tiêu thụ của hệ thống theo tải 73

Bảng 6: Ngưỡng chuyển đổi số lượng Chiller theo tải lạnh hệ thống 73

Bảng 8: Thống kê chỉ số năng lượng lạnh Btu, nhiệt độ trung bình và chỉ số tiêu thụ năng lượng kWh/Btu 77

Bảng 9: Thống kê chỉ số đồng hồ điện sau khi sử dụng chương trình phần mềm 83

Bảng 10: Thống kê chỉ số năng lượng lạnh Btu, nhiệt độ trung bình và chỉ số tiêu thụ năng lượng kWh/Btu 84

Bảng 11: Bảng so sánh tổng hợp 10 6 x kWh/Btu 86

Trang 10

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1: Biểu đồ suất tiêu thụ năng lượng EUI trung bình theo năm 15

Hình 2: Biểu đồ tỷ lệ sử dụng năng lượng các khu vực trong tòa nhà 16

Hình 3: Sơ đồ hệ thống sản xuất nước lạnh Chiller giải nhiệt nước 21

Hình 4: Chiller giải nhiệt nước máy nén ly tâm 23

Hình 5: Chiller giải nhiệt nước máy nén trục vít 24

Hình 6: Chiller giải nhiệt gió máy nén trục vít 24

Hình 7: Hệ thống một vòng tuần hoàn có ống gom bơm sơ cấp 26

Hình 8: Hệ thống một vòng tuần hoàn riêng biệt bơm sơ cấp 26

Hình 9: Hệ thống hai vòng tuần hoàn có ống gom bơm sơ cấp 28

Hình 10: Hệ thống hai vòng tuần hoàn riêng biệt bơm sơ cấp 28

Hình 11: Hệ thống tuần hoàn giải nhiệt chung ống gom bơm giải nhiệt 30

Hình 12: Hệ thống tuần hoàn giải nhiệt bơm giải nhiệt riêng biệt 31

Hình 13: Biến đổi nhiệt độ phòng không bám theo nhiệt độ đặt của FCU 38

Hình 14: Biến đổi nhiệt độ phòng đáp ứng theo nhiệt độ đặt của FCU 38

Hình 15: Đường đặc tính tiêu thụ năng lượng Chiller theo tải 41

Hình 16: Cấu trúc hệ thống điều khiển BMS 45

Hình 17: Lưu đồ điều khiển khởi động một Chiller 48

Hình 18: Lưu đồ điều khiển tắt một Chiller 50

Hình 19: Lưu đồ điều khiển bảo vệ Chiller 52

Hình 20: Lưu đồ điều khiển bật tắt cụm Chiller 54

Hình 21: Lưu đồ điều khiển nước lạnh đặt 56

Hình 22: Lưu đồ điều khiển tháp giải nhiệt và nhiệt độ nước giải nhiệt 58

Hình 23: Lưu đồ điều khiển bơm thứ cấp 60

Hình 24: Lưu đồ điều khiển chương trình chính 62

Hình 25: Vòng tuần hoàn nước lạnh của Crowne Plaza 67

Hình 26: Vòng tuần hoàn nước giải nhiệt của Crowne Plaza 68

Trang 11

Hình 27: Biểu đồ chỉ số suất tiêu thụ năng lượng điện kW/RT theo tải 71

Hình 28: Biểu đồ chỉ số kW/RT hệ thống Chiller theo tải lạnh sử dụng 74

Hình 29: Hệ thống BMS sử dụng PXC và Apogee Insgiht của Siemens 78

Hình 30: Bộ điều khiển tích hợp MEC của Siemens 79

Hình 31: Bộ điều khiển PXC36.EA của Siemens 79

Hình 32: Giao diện vận hành hệ thống Chiller 81

Hình 33: Giao diện cài đặt tham số cho chương trình phần mềm 81

Hình 34: Biểu đồ chỉ số kWh/Btu trước và sau 87

Trang 12

MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài

Tình trạng thiếu hụt năng lượng và hiệu ứng nhà kính CO2 đang là những vấn đề hết sức nóng hổi và quan tâm giải quyết trong tình hình chung của thế giới hiện nay.Và để giảm thiểu vấn đề này thì sử dụng năng lượng một cách hiệu quả và tiết kiệm là một trong các cách đơn giản và kinh tế nhất đang được nghiên cứu và ứng dụng

Ngoài ra, sử dụng năng lượng một cách hiệu quả và tiết kiệm không những góp phần bảo vệ môi trường, mà còn là uy tín và cam kết của Chủ đầu tư đối với môi trường và cộng đồng, đem lại giá trị kinh tế trực tiếp cho Chủ đầu tư Sử dụng năng lượng hiệu quả trong khi vẫn đảm bảo các tính năng sẵn có của hệ thống, đảm bảo sự tiện nghi cho khách hàng sẽ giúp chủ đầu tư tiết kiệm chi phí năng lượng sử dụng, chi phí đầu tư cơ sở hạ tầng thiết bị, chi phí bảo trì bảo dưỡng máy móc thiết

bị do giảm số giờ vận hành, giảm công suất thiết kế hệ thống, giảm chỉ số tiêu thụ năng lượng, giảm thời gian bảo dưỡng và giảm các phụ tùng thay thế Do đó tổng chi phí vòng đời thiết bị sẽ được giảm (Total Life Cycle Cost - LCC)

Với các dự án mới đầu tư trong một thập kỷ trở lại đây, các công trình thường được đánh giá theo mức độ thân thiện với môi trường hoặc còn được biết đến với tiêu chuẩn công trình xanh (GREEN) trong việc sử dụng năng lượng, điển hình như tiêu chuẩn đánh giá công trình xanh LEED tại Mỹ, LOTUS của Hội đồng công trình xanh Việt Nam - VGBC, các tiêu chuẩn này xác định những tiêu chí và chỉ dẫn kỹ thuật từ giai đoạn lập dự án đầu tư, thiết kế cơ sở đến giai đoạn vận hành bảo dưỡng Tuy nhiên với các dự án đang hoạt động, trên cơ sở hệ thống đã được thiết kế và xây dựng sẵn có, các thiết bị hiện hữu mà chủ đầu tư đang khai thác sử dụng, thì tối ưu hóa về mặt điều khiển và vận hành hệ thống là là phương pháp kinh

tế và dễ đàng được chủ đầu tư chấp thuận triển khai

Trang 13

Tại Việt Nam hiện nay theo quy định tại Thông tư số 09/2012/TT-BCT của

Bộ Công thương, Quy định về việc “lập kế hoạch, báo cáo thực hiện kế hoạch sử dụng năng lượng hiệu quả và tiết kiệm; thực hiện kiểm toán năng lượng” đã và đang được áp dụng đối với các cơ sở sử dụng năng lượng trọng điểm hoặc các đơn vị khác liên quan, gồm các tòa nhà và trung tâm thương mại, sản xuất lớn (trong đó có các tổ hợp văn phòng, khách sạn ) Qua việc đó thể hiện tầm quan trọng của vấn đề

và Chính phủ vừa bắt buộc và cũng vừa khuyến khích các chủ đầu tư phải sử dụng năng lượng một cách hiệu quả và tiết kiệm

Xuất phát từ tình hình thực tế trên và nhằm góp phần thiết thực vào công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, trong khuôn khổ của khoá học Cao học, chuyên ngành Đo lường và các hệ thống điều khiển của trường Đại học Bách khoa Hà Nội, được sự tạo điều kiện giúp đỡ của nhà trường và sự tận tình hướng dẫn của thầy giáo TS Bùi Đăng Thảnh, học viên đã lựa chọn đề tài nghiên cứu tốt

nghiệp của mình là: “Thiết kế và điều khiển tối ưu hệ thống sản xuất nước lạnh Chiller ứng dụng cho các tòa nhà cao tầng”

Lịch sử nghiên cứu

Mặc dù việc nghiên cứu và ứng dụng hệ thống điều khiển để tối ưu sử dụng năng lượng gần đây đã được các hãng điều hòa hoặc các hãng sở hữu hệ thống điều khiển tiến hành, tuy nhiên đây là phần công nghệ đặc thù và bí mật sở hữu trí tuệ của các hãng nên phần mềm này đã được đóng gói kín, giá thành bản quyền sử dụng

là rất cao nên chưa có công trình nào ở Hà Nội sử dụng, một số công trình nghiên cứu về điều khiển bật tắt hoặc tối ưu lưu lượng các hệ thống một vòng tuần hoàn, 2 vòng tuần hoàn [6,10,13] Việc tìm hiểu và ứng dụng các cách thức vận hành nâng cao hiệu suất chỉ ở cấp kỹ sư vận hành của mỗi chủ đầu tư, và chỉ từng phần trong

Trang 14

Thiết kế phần mềm điều khiển tối ưu được hệ thống sản xuất nước lạnh Chiller, ứng dụng cho các tòa nhà cao tầng để tiết kiệm năng lượng điện tiêu thụ trên cơ sở đánh giá bằng chỉ số tiêu thụ năng lượng kWh/Btu của hệ thống nghiên cứu, trên cơ sở đó có thể ứng dụng rộng rãi cho rất nhiều công trình tòa nhà cao tầng ở Hà Nội

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

 Thiết kế và sơ đồ hệ thống sản xuất nước lạnh Chiller

 Máy sản xuất nước lạnh Chiller và cách thức vận hành điều khiển

 Các bơm trong hệ thống và cách thức vận hành điều khiển

 Hệ thống tháp giải nhiệt, chu trình năng lượng

Phạm vi nghiên cứu của đề tài là giải pháp vận hành điều khiển từng thiết bị

và điều khiển phối hợp toàn bộ các thiết bị trong hệ thống một cách tự động bằng phần mềm mà làm cho hệ thống đạt được hiệu suất sử dụng năng lượng cao nhất thay thế cho việc điều khiển bằng con người

Phương pháp nghiên cứu

Tìm hiểu về công nghệ, khảo sát các nghiên cứu, tài liệu liên quan để thu thập thông tin về cơ sở lý thuyết từ nhiều nguồn (sách giáo trình, hồ sơ tài liệu công nghệ nhà sản xuất, các khảo sát… )

Nghiên cứu sử dụng chương trình phần mềm triển khai trên hệ thống điều khiển tòa nhà, cài đặt các tham số điều khiển bám sát thực tế vận hành và hệ thống hiện hữu để thực hiện tối ưu

Nội dung luận văn

 Nghiên cứu về quy trình công nghệ hệ thống sản xuất nước lạnh Chiller

 Thiết kế phần cứng và và phần mềm điều khiển hệ thống tối ưu năng lượng

Trang 15

 Ứng dụng giải pháp nghiên cứu trong một dự án thực tế và đánh giá hiệu quả

Trang 16

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TRONG TÒA NHÀ VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ

1.1 TIÊU THỤ NĂNG LƯỢNG TRONG TÒA NHÀ

1.1.1 Suất tiêu thụ năng lượng các tòa nhà trung bình năm

Theo các nghiên cứu và đánh giá về mức tiêu thụ năng lượng trong tòa nhà trên thế giới, về cơ bản mức sử dụng năng lượng trong tòa nhà (bao gồm năng lượng điện, nhiên liệu hóa thạch và sinh học, năng lượng mặt trời ) phụ thuộc vào loại hình tòa nhà hay còn gọi là công năng, điều kiện khí hậu thời tiết, giải pháp kiến trúc cũng như giải pháp thiết kế hệ thống cơ điện, tiêu chuẩn sử dụng và chế độ vận hành bảo trình bảo dưỡng cụ thể của từng công trình

Hiện nay ở Việt Nam chưa có một đánh giá hay khảo sát quy mô nào về việc

sử dụng năng lượng hoặc suất tiêu thụ năng lượng nào được tiến hành, tuy nhiên theo một báo cáo uy tín được công bố rộng rãi của Công ty tài chính quốc tế IFC trực thuộc Ngân hàng thế giới [11], suất tiêu thụ năng lượng theo m2, chỉ số suất sử dụng năng lượng trung bình năm (EUI – Energy Use Intensity), của các loại hình công trình gồm nhà ở, trung tâm thương mại, bệnh viện, văn phòng cho thuê và khách sạn như Hình 1, cụ thể:

 Công trình nhà ở: 50 kWh/m2

 Công trình trung tâm thương mại: 300 kWh/m2

 Công trình bệnh viện và cơ sở y tế: 400 kWh/m2

 Công trình văn phòng, cao ốc cho thuê làm văn phòng: 200 kWh/m2

 Công trình khách sạn, căn hộ cho thuê: 250 kWh/m2

Trang 17

Hình 1: Biểu đồ suất tiêu thụ năng lượng EUI trung bình theo năm

1.1.2 Tỷ lệ tiêu thụ năng lượng các khu vực trong tòa nhà

Tỷ lệ tiêu thụ năng lượng của các khu vực trong một tòa nhà cũng thay đổi

và phụ thuộc vào công năng của tòa nhà, trong đó khu vực sử dụng năng lượng lớn nhất là hệ thống điều hòa và thông gió (viết tắt là HVAC - Heating, Ventilation, and Air Conditioning), chiếm từ 50% tới 60% tổng tiêu thụ năng lượng của các tòa nhà

đó [7,8], tiếp sau đó là hệ thống chiếu sáng và nước nóng Trong Hình 2 là tỷ lệ tiêu thụ điển hình cho loại tòa nhà khách sạn và văn phòng trong cùng báo cáo của Công

ty tài chính quốc tế IFC [11]:

Trang 18

Hình 2: Biểu đồ tỷ lệ sử dụng năng lượng các khu vực trong tòa nhà

Hệ thống điều hòa không khí của tòa nhà bao gồm 02 phần khá riêng biệt gồm khu vực sản xuất và khu vực tiêu thụ, khu vực sản xuất chính là khu vực sản sinh ra năng lượng lạnh/nóng tùy từng thiết kế hệ thống như máy sản xuất nước lạnh Chiller hoặc giàn nóng ngoài nhà - Outdoor Unit (OU), khu vực tiêu thụ năng lượng lạnh/nóng gồm các PAU, AHU, FCU, hoặc giàn lạnh - Indoor Unit (IU) Qua

đó có thể thấy rằng tiêu thụ năng lượng của hệ thống điều hòa không khí chủ yếu nằm ở khu vực sản xuất, đây chính là khu vực mà học viên sẽ chọn làm đề tài để nghiên cứu và ứng dụng hệ thống điều khiển tự động tối ưu nhằm tiết kiệm năng lượng trong tòa nhà

1.1.3 Ý nghĩa chỉ số tiêu thụ năng lượng

Như đã đề cập ở trên, chỉ số suất tiêu thụ năng lượng trung bình theo năm của các tòa nhà phụ thuộc nhiều yếu tố trong đó có công năng, điều kiện môi trường, giải pháp kiến trúc cũng như giải pháp thiết kế hệ thống cơ điện, tiêu chuẩn

sử dụng và chế độ vận hành, bảo trình bảo dưỡng Trong thực tế chúng ta sẽ đặt câu hỏi rằng với một tòa nhà cụ thể nào đó thì việc sử dụng giải pháp điều khiển tối ưu

Điều hòa 50%

Quạt + Bơm 12%

Nước nóng 9%

Chiếu sáng 13%

Khác

13%

Tòa nhà văn phòng, khách sạn

Trang 19

sẽ tiết kiệm được bao nhiêu năng lượng đang sử dụng hoặc với một chủ đầu tư thì quy ra là bao nhiêu tiền chi phí năng lượng sẽ được cắt giảm, và cắt giảm theo cách nào, làm thế nào để đánh giá việc đó chính xác Để giải đáp các câu hỏi này học viên xin trình bày một nội dung sau:

Có sử dụng giải pháp điều khiển tối ưu để tiết kiệm năng lượng cho tòa nhà được không?

Trên thực tế các tòa nhà đều có thể thay đổi cách vận hành sử dụng hoặc nâng cấp hệ thống để tối ưu việc sử dụng năng lượng được, nhưng khả năng thay đổi để tiết kiệm được là không giống nhau, nó phụ thuộc vào từng điều kiện cụ thể

và cần phải tiến hành đánh giá mới có thể đưa ra giải pháp được Với một tòa nhà mới được đầu tư hiện đại và công nghệ tiên tiến, thiết kế hệ thống hợp lý và vận hành hiệu quả thì khả năng thay đổi tối ưu là không lớn và không cần thiết, trong khi đó việc tối ưu mang lại hiệu quả rất lớn nếu sử dụng cho các hệ thống cơ điện đã qua sử dụng một thời gian tương đối vài năm và chưa được tối ưu lần nào, việc vận hành hệ thống đang kém hiệu quả (dời xa điểm vận hành tối ưu) Vậy bước đầu tiên

và bao quát chung là so sánh chỉ số suất tiêu thụ năng lượng trung bình theo năm với tiêu chuẩn trung bình của các công trình Một tòa nhà có suất tiêu thụ năng lượng càng lớn hơn mức trung bình thì càng có khả năng ứng dụng giải pháp tối ưu

Hiệu quả tối ưu giá trị bao nhiêu?

Việc tối ưu một hệ thống trong tòa nhà đứng trên góc độ chủ đầu tư sẽ là quy

ra tiết kiệm được bao nhiêu chi phí, tuy nhiên với góc độ kỹ thuật sẽ cần đánh giá theo tỷ lệ phần trăm, vì số đơn vị tiêu thụ của mỗi tòa nhà là khác nhau và đặc trưng của hệ thống điều hòa là cường độ sử dụng thay đổi theo các tháng trong năm Vì vậy quy về tỷ lệ phần trăm tiết kiệm trung bình theo từng mốc hoặc quy ra tỷ lệ

Trang 20

nhau hoặc theo hiệu suất hoặc theo giá trị tuyệt đối, tuy nhiên ở trong luận văn này

sẽ chọn hệ số hiệu quả năng lượng theo đơn vị chỉ số tiêu thụ năng lượng kWh/Btu làm căn cứ để so sánh Đây cũng là hệ số phổ biến dùng để đánh giá hiệu quả hệ thống sản xuất nước lạnh Chiller hiện nay của các tòa nhà trên thế giới và các hãng sản xuất hệ thống thường sử dụng Hiệu suất hoạt động hệ thống Chiller COP (Coefficient Of Performance) được tính toán quy đổi từ chỉ số tiêu thụ năng lượng kWh/Btu như sau:

Việc tiết kiệm năng lượng khu vực sản xuất là đưa hiệu suất sử dụng năng lượng điện sản xuất nước lạnh lên cao nhất Giá trị đầu vào của hệ thống là công suất điện (kW) hoặc số điện tiêu thụ (kWh) và giá trị đầu ra tính bằng công suất tấn lạnh RT (Refrigeration Tons) hoặc số năng lượng lạnh Btu Chỉ số hiệu quả sử dụng năng lượng của Hệ thống sản xuất nước lạnh được đánh giá bằng chỉ số kWh/Btu (hoặc tương đương quy đổi là kW/RT, kW/kW trong một số tài liệu nghiên cứu), hoặc được hiểu là năng lượng kWh điện tiêu thụ của hệ thống để sản xuất ra được 1 Btu lạnh (hoặc công suất kW điện để sản xuất ra 1 đơn vị công suất nhiệt lạnh RT) Chỉ số kWh/Btu cũng tương tự như số lít xăng mà một chiếc xe hơi tiêu thụ trên mỗi quãng đường 100 km, việc điều khiển tối ưu hệ thống là để có chỉ số kWh/Btu theo chiều giảm đến điểm thấp nhất tại mọi thời điểm

Ngoài chỉ số kWh/Btu thì chỉ số tiêu thụ điện kWh cũng có thể dùng để đánh giá việc tiết kiệm năng lượng Trong cùng một điều sử dụng và môi trường nhiệt độ tương đồng, mà chỉ số kWh tiêu thụ giảm thì có nghĩa là hệ thống đã tiết kiệm hơn Như vậy để có thể so sánh đánh giá cần tiến hành thu thập thông tin kWh/Btu tại thời điểm trước khi tối ưu và sau khi tối ưu, sau đó tính trung bình và so sánh ở các điều kiện môi trường tương đồng

Phương pháp bench-marking chỉ số kW/RT với bảng tiêu chuẩn?

Trang 21

Sau khi thu thập được chỉ số kW/RT của tòa nhà sẽ so sánh chỉ số này với một bảng chỉ số tiêu chuẩn để đánh giá tiềm năng tiến hành thay đổi tối ưu điều khiển gọi là phương pháp Bench-marking Có rất nhiều bảng tiêu chuẩn so sánh của các hiệp hội cũng như phòng nghiên cứu trên thế giới, ví dụ như Hiệp hội các hệ thống sưởi ấm, làm lạnh và điều hòa không khí Hoa Kỳ ASHRAE, hiệp hội công trình xanh LEED của Úc, hiệp hội công trình xanh BCA Green Mark Ở đây học viên sử dụng bảng tiêu chuẩn đánh giá xếp hạng hệ thống của BCA Green Mark Singapore [7] và khu vực Đông Nam Á để xếp hạng và cấp chứng chỉ xanh cho các công trình, thể hiện ở Bảng 1 và Bảng 2:

Bảng 1: Chỉ số tiêu thụ năng lượng hệ thống Chiller giải nhiệt nước

Bảng 2: Chỉ số tiêu thụ năng lượng hệ thống Chiller giải nhiệt gió

Trang 22

1.2 HỆ THỐNG ĐIỀU HÒA TRUNG TÂM

Hệ thống điều hòa không khí trung tâm là một hệ thống gồm một hay nhiều máy trung tâm phối hợp thành một hệ thống tổng thể phân phối lạnh cho toàn bộ các khu vực trong toà nhà Hệ thống điều hoà trung tâm sử dụng nước làm tác nhân lạnh thông qua hệ thống đường ống dẫn nước, môi chất lạnh vào các dàn trao đổi nhiệt để làm lạnh không khí, toàn bộ quá trình sản sinh năng lượng lạnh/nóng của

hệ thống tập trung tại một hoặc một số khu vực nhất định trong tòa nhà như tầng hầm, tầng mái hoặc tầng kỹ thuật Hệ thống điều hòa trung tâm gồm hệ thống sử dụng Chiller và hệ thống VRV

1.2.1 Hệ thống điều hòa trung tâm VRV

Hệ thống điều hòa trung tâm VRV (Variable Refrigerant Volume) là hệ thống điều hòa có thể điều chỉnh được lưu lượng môi chất lạnh, qua đó có thể thay đổi công suất theo phụ tải bên ngoài Điều hòa trung tâm nhiều dàn nóng và nhiều dàn lạnh dùng chung đường ống môi chất (theo từng ứng dụng cụ thể, ví dụ 12 dàn lạnh dùng cùng một dàn nóng) Dàn lạnh có các ống môi chất cấp (lỏng) và hồi (khí gas), ống nước xả ngưng Dàn lạnh được cấp gió tươi (vào hộp hồi, hoặc cấp trực tiếp vào dàn lạnh) hoặc được hút gió thải Ngoài ra có thể có thêm hệ thống thu hồi nhiệt, bơm nước ngưng

VRV về bản chất là một hệ thống điều hòa hai cục, nhìn bề ngoài VRV giống như điều hòa hai cục thông thường, tuy nhiên khối ngoài nhà sẽ lớn hơn, phần giải nhiệt công suất lớn và có nhiều quạt gió Là hệ thống điều hòa phát triển đầu tiên bởi hãng Daikin của Nhật Bản Tuy nhiên hệ thống VRV là một hệ tương đối kín và được nhà sản xuất bảo mật công nghệ, trong đề tài nghiên cứu này học viên không nghiên cứu sử dụng giải pháp tối ưu cho hệ thống này vì tiềm năng tối ưu sử dụng năng lượng của loại hình này không lớn

1.2.2 Hệ thống điều hòa trung tâm Chiller

Trang 23

Hệ thống điều hòa chiller gồm một hay nhiều máy trung tâm kết hợp thành một hệ thống tổng thể phân phối lạnh cho toàn bộ khu vực trong nhà xưởng, tòa nhà Hệ thống điều hòa trung tâm chiller sử dụng nước qua các hệ thống đường ống dẫn nước vào các dàn trao đổi nhiệt để làm lạnh không khí Có 2 loại chiller phổ biến gồm:

 Chiller giải nhiệt gió, giải nhiệt trực tiếp trên Chiller

 Chiller giải nhiệt nước, giải nhiệt thông qua hệ thống tháp giải nhiệt

1.2.3 Hệ thống điều hòa trung tâm sử dụng Chiller giải nhiệt nước

Máy sản xuất nước lạnh Chiller thực chất là một máy nén, gồm cả dàn nóng Condenser và giàn lạnh Evaporator, sau đó chilled water được làm lạnh ở giàn lạnh, môi chất thường dùng là nước khử khoáng, đi đến tải là các FCU hoặc AHU, như Hình 3 Nhiệt độ môi chất nước lạnh ra khoảng 6˚C -7˚C để cấp đến các tải sử dụng

và hồi lại khoảng 12˚C -14˚C Với các tháp giải nhiệt thì nhiệt độ chênh nhau cũng khoảng 5˚C đến 7˚C, nước giải nhiệt cấp đến Chiller khoảng 27˚C – 32˚C và hồi về tháp giải nhiệt khoảng 32˚C - 39˚C

Trang 24

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG SẢN XUẤT

NƯỚC LẠNH CHILLER

2.1 MÁY SẢN XUẤT NƯỚC LẠNH CHILLER

2.1.1 Phân loại Chiller theo chủng loại máy nén

Bộ phận quan trọng nhất trong một máy Chiller và giàn nóng điều hòa chính

là máy nén (Compressor), hiện nay có nhiều chủng loại máy nén khác nhau được sử dụng đem lại hiệu suất và công suất không khác nhau [4] Các chủng loại máy nén phổ biến hiện gồm có:

a Máy nén ly tâm (Centrifugal compressor) là loại có độ bền cao, hiệu suất cao, công suất lớn nhất nhưng giá thành cũng cao, được dùng phổ biến nhất hiện nay Máy nén ly tâm được cấu tạo gồm nhiều tầng máy nén liên tục làm

cho tổng công suất của tải máy nén lên rất cao Đường đặc tính COP theo tải của loại này có hiệu suất cao nhất ở vào khoảng 50 – 90% tải, ngoài hai vùng này thì hiệu suất thấp

b Máy nén trục vít (Rotary Screw compressor) là loại có công nghệ từ khá lâu,

hiệu suất trung bình, công suất trung bình, và giá thành khá rẻ Đường đặc tính COP theo tải của loại này là đường dốc xuống, tải càng cao thì hiệu suất càng giảm, tuy nhiên không nên làm việc dưới 25% tải

c Máy nén dạng piston (reciprocating compressor): Dùng cho loại chiller cỡ nhỏ, điều hòa cỡ nhỏ, hoặc như điều hòa hai cục gia đình, hiện nay ít dùng cho Chiller Là loại có hiệu suất thấp, không bền nhưng giá rẻ

d Máy nén xoắn ốc (Scroll compressor): dùng phổ biến cho chiller cỡ nhỏ, điều hòa cỡ nhỏ, điều hòa hai cục gia đình, điều hòa VRV, hiện nay ít dùng cho Chiller Là loại có hiệu suất cao và bền, nhưng giá thành lại cao

2.1.2 Phân loại theo phương pháp giải nhiệt

Trang 25

Các tòa nhà cao tầng hiện nay có sử dụng hệ thống điều hòa trung tâm công suất lớn chủ yếu sử dụng điều hòa trung tâm Chiller, được chia thành loại gồm Chiller giải nhiệt gió và Chiller giải nhiệt nước như đã đề cập ở phần trước Hệ thống Chiller giải nhiệt gió được dùng được khuyến cáo dùng cho hệ thống nếu tổng công suất lạnh dưới 500 tấn lạnh, với hệ thống có tổng công suất lạnh trên 500 tấn lạnh chủ đầu tư thường sử dụng loại giải nhiệt nước, đây cũng là theo khuyến cáo của hiệp hội công trình xanh BCA Singapore [7] Các chủng loại đang sử dụng trong các tòa nhà gồm:

 Chiller giải nhiệt nước máy ly tâm, trong Hình 4

 Chiller giải nhiệt nước trục vít, trong Hình 5

 Chiller giải nhiệt gió trục vít, trong Hình 6

Trang 26

Hình 5: Chiller giải nhiệt nước máy nén trục vít

Hình 6: Chiller giải nhiệt gió máy nén trục vít

Trong đề tài nghiên cứu này, học viên tập trung vào nghiên cứu và ứng dụng cho các tòa nhà cao tầng mà tiêu thụ năng lượng lớn, vì vậy đối tượng lựa chọn tập

Trang 27

trung nghiên cứu sẽ là hệ Chiller giải nhiệt nước, chủng loại máy nén ly tâm (Water cooled Centrifugal Chiller)

2.2 NGUYÊN LÝ HỆ THỐNG SẢN XUẤT NƯỚC LẠNH

Hệ thống sản xuất nước lạnh Chiller bao gồm một cụm có nhiều thiết bị máy móc, được thiết kế riêng cho từng công trình theo quy mô đầu tư, công suất hệ thống, phương án công nghệ cũng như điều kiện cụ thể của từng công trình Sau đây học viên xin trình bày sơ lược một số nguyên lý hoạt động hệ thống và phương pháp điều khiển đã và còn đang được sử dụng đem lại hiệu quả, vì đặc điểm của việc điều khiển tối ưu là ứng dụng không chỉ cho các công trình mới mà cho cả các công trình

đã được sử dụng cách đây một đến hai thập kỷ về trước cho đến nay

2.2.1 Hệ thống một vòng tuần hoàn

Hệ thống sản xuất nước lạnh Chiller một vòng tuần hoàn thường sử dụng cho các ứng dụng công suất phụ tải lớn nhưng các khu vực tải tiêu thụ ít phân tán theo chiều rộng hoặc theo chiều cao của công trình Hệ thống một vòng tuần hoàn cũng được chia làm hai loại là:

 Hệ thống một vòng tuần hoàn có ống gom bơm sơ cấp (Primary Headered Chilled Water System) trong Hình 7, một hoặc nhiều cụm van điều khiển

và bơm sơ cấp được điều khiển bật/tắt để làm việc với một hoặc nhiều Chiller bất kỳ;

 Hệ thống một vòng tuần hoàn riêng biệt bơm sơ cấp (Primary Dedicated Chilled Water System) trong Hình 8, một hoặc nhiều cụm van điều khiển

và bơm sơ cấp được điều khiển bật/tắt để làm việc với một hoặc nhiều Chiller tương ứng với nó, không làm việc chéo lẫn nhau

Trang 28

Hình 7: Hệ thống một vòng tuần hoàn có ống gom bơm sơ cấp

Hình 8: Hệ thống một vòng tuần hoàn riêng biệt bơm sơ cấp

Trang 29

2.2.2 Hệ thống hai vòng tuần hoàn

Hệ thống sản xuất nước lạnh Chiller hai vòng tuần hoàn thường sử dụng cho các ứng dụng công suất phụ tải rất lớn và các khu vực tải tiêu thụ phân tán theo chiều rộng hoặc theo chiều cao của công trình (Zone), khi đó mỗi cụm bơm thứ cấp

sẽ được sử dụng để đưa nước lạnh từ hệ thống máy Chiller đến từng khu vực tải (Zone) Trong trường hợp tòa nhà cao tầng áp suất không đủ lớn, cần cách ly các khu vực tuần hoàn thì máy trao đổi nhiệt (Heat Exchanger) có thể được sử dụng thêm, khi đó trong hệ thống cần thêm các bơm nước trao đổi nhiệt nữa ngoài bơm thứ cấp Hệ thống hai vòng tuần hoàn cũng được chia làm hai loại là:

 Hệ thống hai vòng tuần hoàn có ống gom bơm sơ cấp và bơm thứ cấp (Primary Headered with Secondary Chilled Water System) trong Hình 9, một hoặc nhiều cụm van điều khiển và bơm sơ cấp được điều khiển bật/tắt để làm việc với một hoặc nhiều Chiller bất kỳ, bơm thứ cấp điều khiển riêng biệt đến từng khu vực phụ tải theo nhu cầu của phụ tải

 Hệ thống một vòng tuần hoàn riêng biệt bơm sơ cấp và bơm thứ cấp (Primary Dedicated with Secondary Chilled Water System) trong Hình

10, một hoặc nhiều cụm van điều khiển và bơm sơ cấp được điều khiển bật/tắt để làm việc với một hoặc nhiều Chiller tương ứng với nó, bơm thứ cấp điều khiển riêng biệt đến từng khu vực phụ tải theo nhu cầu của phụ tải khu vực đó

Trang 30

Hình 9: Hệ thống hai vòng tuần hoàn có ống gom bơm sơ cấp

Hình 10: Hệ thống hai vòng tuần hoàn riêng biệt bơm sơ cấp

2.2.3 Vòng tuần hoàn nước giải nhiệt Chiller

Trang 31

Thành phần khu vực giải nhiệt Chiller bao gồm bơm giải nhiệt và tháp giải nhiệt, vòng tuần hoàn này độc lập với vòng tuần hoàn nước lạnh đã đề cập ở phần trên, về mặt điều khiển sẽ như sau:

 Bơm giải nhiệt được điều khiển để vận chuyển nước giải nhiệt qua chiller đến tháp giải nhiệt;

 Tháp giải nhiệt được bố trí theo các đơn vị tháp (gọi là Cell hoặc Unit),

số lượng tháp giải nhiệt sẽ được điều khiển bật tắt để đáp ứng nhu cầu giải nhiệt của Chiller

Vòng tuần hoàn nước giải nhiệt Chiller cũng được chia làm 2 loại cấu trúc khác nhau gồm:

 Hệ thống tuần hoàn giải nhiệt chung ống gom bơm giải nhiệt, trong Hình 11;

 Hệ thống tuần hoàn giải nhiệt bơm giải nhiệt riêng biệt, trong Hình 12

Trang 32

Hình 11: Hệ thống tuần hoàn giải nhiệt chung ống gom bơm giải nhiệt

Trang 33

Hình 12: Hệ thống tuần hoàn giải nhiệt bơm giải nhiệt riêng biệt

2.3 GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU HỆ THỐNG SẢN XUẤT NƯỚC LẠNH CHILLER

Vận hành điều khiển tối ưu một hệ thống sản xuất nước lạnh Chiller bao gồm

Trang 34

điều chỉnh bằng cài đặt bởi người vận hành đặt trên tủ điều khiển, bảng điều khiển cục bộ hoặc màn hình điều khiển khác Một hệ thống sẽ vận hành tối ưu về tổng chỉ nếu khi:

 Số lượng các thiết bị làm việc (bật) trong hệ thống là nhỏ nhất mà vẫn đáp ứng nhu cầu của các phụ tải đang sử dụng, và

 Từng phần tử trong hệ thống được điều chỉnh để làm việc tại điểm có hiệu suất cao nhất (tối ưu)

Giải pháp phần mềm điều khiển tối ưu trong đề tài nghiên cứu này là sử dụng chung cho các cấu trúc hệ thống sản xuất nước lạnh Chiller đã được đề cập và phân loại riêng, tuy nhiên với mỗi cấu trúc thì phương pháp điều khiển sẽ thay đổi cụ thể Giải pháp điều khiển có phụ thuộc cả vào chủng loại hay công nghệ máy Chiller nhưng không phụ thuộc vào hãng sản xuất Chiller, hoặc công suất máy Chiller cũng như công suất phụ tải Với các ứng dụng có quy mô công suất càng lớn thì ý nghĩa kinh tế kỹ thuật của giải pháp phần mềm điều khiển thu được lại càng lớn

2.3.1 Điều khiển nhiệt độ nước lạnh cấp của Chiller

Về lý thuyết có rất nhiều tham số ảnh hưởng đến hiệu suất máy Chiller, gồm

có điều kiện vật lý môi trường, công nghệ chế tạo, tuổi thọ làm việc, môi chất và các áp suất máy và độ nâng của máy nén Các thông số trên được hình thành từ quá trình thiết kế, mua sắm, vận hành sử dụng và bảo trì bảo dưỡng, tuy nhiên trong

đề tài nghiên cứu này nếu chỉ đứng trên góc độ điều khiển vận hành thì hiệu suất của Chiller phụ thuộc vào điều khiển công suất tải làm việc của máy (load) và điều khiển độ nâng của máy nén trong Chiller (compressor lift) [9] Trong khi đó công suất tải làm việc của Chiller luôn thay đổi và biến động phụ thuộc vào nhu cầu sử dụng ở tải, phụ tải quyết định, nên vận hành điều khiển chỉ có thể can thiệp bằng cách bật thêm hoặc tắt bớt Chiller một cách tối ưu (Optimize staging up and down), việc này sẽ được phân tích ở mục cuối cùng của phần phân tích giản pháp điều khiển mà chưa phân tích ở mục này

Trang 35

Độ nâng của máy nén Chiller phụ thuộc vào công nghệ, chủng loại và cấu tạo thiết kế của máy Chiller Trong hồ sơ kỹ thuật của máy Chiller của nhà sản xuất luôn thể hiện các tham số này, nhà sản xuất khuyến cáo và cung cấp bảng tham số

sử dụng quanh độ nâng thiết kế để máy có hiệu suất cao nhất Giả sử nhiệt độ nước lạnh cấp làm việc (CHWST) theo nhà sản xuất là 7˚C, nhiệt độ nước giải nhiệt cấp cho Chiller theo nhà sản xuất là 32˚C, khi đó độ nâng quy về độ nâng nhiệt độ thiết

kế của máy sản xuất nước lạnh Chiller là ΔT Compressor = 32˚C - 7˚C = 25˚C Có nghĩa

là máy Chiller sẽ làm việc tối ưu ở độ nâng máy nén là 25˚C (Từ độ nâng nhiệt độ quy ra độ nâng áp suất trong buồn nén), khi độ nâng làm việc lớn hơn độ nâng thiết

kế sẽ làm quá tải máy nén và ngược lại khi độ nâng làm việc nhỏ hơn độ nâng máy nén sẽ làm cho động cơ non tải và hiệu suất bắt đầu đi xuống dời xa khỏi điểm tối

ưu (giảm hiệu suất máy Chiller) Tuy nhiên biểu đồ đường cong chi tiết này các nhà sản xuất thường bảo mật mà họ chỉ cung cấp thông số kỹ thuật khuyến cáo tối ưu để người sử dụng làm căn cứ vận hành

Như vậy về mặt điều khiển vận hành, chương trình điều khiển tối ưu phải tính toán nhiệt độ nước lạnh cấp đặt trên máy Chiller (CHWST) = nhiệt độ nước

giải nhiệt cấp đến Chiller (CWST) – độ nâng thiết kế ΔT Compressor Trong thực tế nhiệt độ nước lạnh cấp đặt trên máy Chiller (CHWST) sẽ sử dụng theo công thức này nhưng với mùa thu hoặc mùa đông, nhiệt độ nước giải nhiệt cấp có thể xuống

thấp một cách tự nhiên thì nhiệt độ đặt CHWST Setpoint cũng có thể hạ xuống thấp nhất không quá ngưỡng nhà sản xuất khuyến cáo, vì lý do mức 5˚C đến 7˚C là gần sát với ngưỡng nhiệt độ đông đặc (đóng băng) của môi chất lạnh nước (trừ một số Chiller thiết kế có thể làm việc xuống dưới 0˚C sử dụng cho các kho làm lạnh, trong trường hợp này môi chất sẽ là nước tinh khiết pha thêm glycol để giảm nhiệt độ đông đặc)

Trang 36

Theo lý thuyết bảo toàn năng lượng, về tổng thể năng lượng nhiệt giải phóng tại khu vực giải nhiệt bằng tổng năng lượng mà hệ thống sản xuất nước lạnh Chiller sản sinh ra (tương đương năng lượng tiêu thụ ở phụ tải nhưng ngược dấu) cộng thêm năng lượng điện tiêu thụ của Chiller (một phần năng lượng sinh ra thành nhiệt năng trong động cơ có tỷ lệ tương đối không đáng kể được coi là bằng không), trong khi đó năng lượng mà hệ thống sản xuất nước lạnh Chiller sản sinh ra luôn thay đổi theo nhu cầu của phụ tải thực tế đang sử dụng Nếu khu vực giải nhiệt cho máy sản xuất nước lạnh Chiller làm việc giải phóng nhiều hơn hoặc ít hơn giá trị này thì sẽ làm cho nhiệt độ nước giải nhiệt ra khỏi Chiller (CWRT) giảm hoặc tăng lên Như vậy để điều khiển công suất giải nhiệt cho hệ thống có thể căn cứ vào nhu của phụ tải thực tế, tuy nhiên để đo đếm được tổng năng lượng BTU này và năng lượng điện đầu vào của Chiller sau đó tính toán điều khiển là tương đối phức tạp Sau khi tính toán nhu cầu giải nhiệt, theo lý thuyết mỗi đơn vị tháp giải nhiệt

có công suất giải nhiệt thiết kế, số tháp giải nhiệt cần hoạt động bằng tổng công suất đang cần sử dụng chia cho công suất của đơn vị tháp Tuy nhiên trên thực tế, công suất tháp giải nhiệt phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố sau: nhiệt độ môi trường ảnh hưởng đến quá trình trao đổi nhiệt, độ ẩm môi trường ảnh hưởng đến quá trình bốc hơi nước nếu là tháp giải nhiệt dạng mở, trạng thái bảo trì bảo dưỡng và đổ hóa chất khử cứng nước ảnh hưởng đến bề mặt và đường ống khu vực giải nhiệt, rong rêu và cặn bẩn đọng trong thành ống và tháp Do đó xây dựng hàm điều khiển theo các biến số này là rất phức tạp và chưa khả thi, việc phần tích lý thuyết chủ yếu để hiểu

rõ các chu trình năng lượng và trao đổi năng lượng trong hệ thống, khả năng của hệ thống điều khiển DDC chưa đủ mạnh để xử lý lượng lớn thông tin này

Trong đề tài nghiên cứu này, học viên đề xuất một giải pháp điều khiển mới dựa trên cơ sở ý tưởng bộ điều khiển PID, giá trị cần điều khiển là nhiệt độ nước giải nhiệt cấp (CWST) có thể đo đạc rất đơn giản và thường sẵn có trong hệ thống đang lắp đặt Phương pháp này sẽ bật thêm hoặc tắt đi mỗi lần 01 đơn vị tháp giải nhiệt này theo một chu kỳ định trước mỗi 15 phút để duy trì nhiệt độ nước giải nhiệt

cấp quanh giá trị mong muốn (CWST Setpoint) Phương pháp này sẽ không cố định số

Trang 37

đơn vị tháp giải nhiệt bật hoặc tắt theo nhu cầu công suất giải nhiệt của hệ thống, mặc dù cùng nhu cầu công suất giải nhiệt nhưng điều kiện môi trường và điều kiện bảo trì bảo dưỡng khác nhau sẽ có tổng số đơn vị tháp giải nhiệt N được bật khác nhau Phương pháp này cũng đảm bảo số đơn vị tháp giải nhiệt phải bật là tối ưu tại mỗi 15 phút Việc liên tục bật tắt nhỏ hơn 15 phút sẽ có lợi hơn về năng lượng nhưng không được lựa chọn vì làm giảm tuổi thọ của thiết bị (điều kiện của nhà thiết kế), trong quá trình ứng dụng thông số này hoàn toàn có thể điều chỉnh ở một giá trị phù hợp theo từng hoàn cảnh và ứng dụng

Về điều khiển bơm giải nhiệt, sẽ có hai cách cấu trúc sau được sử dụng trên thực tế:

 Một phần trong tổng số bơm (từ 1-2 đơn vị) được lắp biến tần, số còn lại không dùng biến tần, cách vận hành là khi dùng đầy tải sẽ sử dụng bơm không có biến tần, khi không sử dụng đầy tải sẽ dùng bơm có biến tần Cách này chỉ sử dụng được cho cấu trúc đường ống gom

 Toàn bộ số bơm được sử dụng biến tần, theo đó bất cứ thời điểm nào cũng có thể điều khiển tần số bơm theo nhu cầu lưu lượng Cách này

có thể sử dụng cho cấu trúc đường ống riêng biệt lẫn đường ống gom Với động cơ điện không đồng bộ sử dụng cho các bơm, lưu lượng bơm Flowrate tỷ lệ tuyến tính với tần số động cơ f:

+ Công suất động cơ tỷ lệ bậc 3 với tốc độ quay: Power ~ (rpm)3,

+ Áp suất đầu bơm tỷ lệ bậc 2 với tốc độ quay: Head ~ (rpm)2,

+ Lưu lượng bơm tỷ lệ tuyến tính với tốc độ quay: Flowrate ~ (rpm),

+ Tốc độ quay rmp = 120*f/p, trong đó p là số đầu cực, f là tần số Hz

Trang 38

Trong đó N Ctower là số đơn vị tháp đang làm việc (bật) Theo đặc tính của bơm lưu lượng bơm tỷ lệ thuận tuyến tính với tần số, từ đó suy ra tần số đặt của bơm:

2.3.3 Điều khiển bơm sơ cấp

Tương tự như bơm giải nhiệt, bơm sơ cấp làm việc để tạo ra một lưu lượng giúp quá trình trao đổi nhiệt giữa tải và Chiller Căn cứ theo nhu cầu trao đổi nhiệt, công suất bơm sơ cấp phải điều chỉnh tương ứng Tần số bơm tỷ lệ thuận tuyến tính với lưu lượng nước, lưu lượng nước tỷ lệ thuật với năng lượng trao đổi (giả sử chênh lệch nhiệt độ là không đổi), năng lượng trao đổi lại chính là phần trăm tải của Chiller, từ đó suy ra tần số đặt của bơm:

Trong đó k PCHWP là hằng số và Chiller Load là tỷ lệ tải của Chiller Trong thực

tế tùy từng công trình, công suất bơm sơ cấp, lưu lượng làm việc của Chiller, cấu trúc đường ống cần đo đạc thực nghiệm để có hệ số này sau đó đưa vào cài đặt cho chương trình điều khiển tối ưu

Tương tự như bơm giải nhiệt, sẽ có hai cách cấu trúc sau được sử dụng bao gồm:

Trang 39

 Một phần trong tổng số bơm (từ 1-2 đơn vị) được lắp biến tần, số còn lại không dùng biến tần, cách vận hành là khi dùng đầy tải sẽ sử dụng bơm không có biến tần, khi không sử dụng đầy tải sẽ dùng bơm có biến tần Cách này chỉ sử dụng được cho cấu trúc đường ống gom

 Toàn bộ số bơm được sử dụng biến tần, theo đó bất cứ thời điểm nào cũng có thể điều khiển tần số bơm theo nhu cầu lưu lượng Cách này

có thể sử dụng cho cấu trúc đường ống riêng biệt lẫn cấu trúc có đường ống gom

2.3.4 Điều khiển bơm thứ cấp

Chức năng bơm thứ cấp ngoài việc để vận chuyển năng lượng đến các phụ tải, nó còn đảm bảo lưu lượng tối thiểu trong trục chính đường ống nước lạnh Chiller và chênh áp tối thiểu tại cuối đường ống Nếu chênh áp tối thiểu cuối đường ống không đủ theo thiết kế thì các FCU, AHU ở cuối đường ống không đủ chênh áp làm việc theo như thiết kế Vì vậy trong thực tế điều khiển tần số bơm thứ cấp sẽ sử

dụng bộ điều khiển PID số cho điều khiển tần số bơm để duy trì chênh áp ΔP Setpoint

tại cuối đường ống hoặc vị trí sử dụng có chênh áp thấp nhất

Trong quá trình thiết kế, thông số mặc định chênh áp cuối đường ống tiêu chuẩn (mà đáp ứng với các FCU/AHU sử dụng cho tòa nhà dân dụng) là 1 bar Tuy nhiên trong quá trình xây dựng và sử dụng, tham số này sẽ biến đổi Hệ thống điều khiển tối ưu cần điều khiển công suất bơm thứ cấp đủ công suất để cấp nước lạnh cho các phụ tải xa nhất (yếu nhất) [10,13], điều đó có nghĩa là mọi phụ tải của hệ thống sản xuất nước lạnh AHU/FCU đáp ứng được các điểm đặt trong khoảng từ

18˚C trở lên (quy định chung với các tòa nhà văn phòng, khách sạn) Như vậy tại mỗi công trình cần khảo sát và tìm giá trị tối ưu ΔP Setpoint để điều khiển tần số bơm

Trang 40

Hình 14 thể hiện nhiệt độ phòng đáp ứng theo nhiệt độ đặt (nhiệt độ phòng bám theo nhiệt độ đặt của người sử dụng

Hình 13: Biến đổi nhiệt độ phòng không bám theo nhiệt độ đặt của FCU

Hình 14: Biến đổi nhiệt độ phòng đáp ứng theo nhiệt độ đặt của FCU

2.3.5 Bơm thừa công suất gây tổn thất gấp 2 lần về năng lượng

Tiêu đề	Thiết Kế Và Điều Khiển Tối Ưu Hệ Thống Sản Xuất Nước Lạnh Chiller Ứng Dụng Cho Các Tòa Nhà Cao Tầng
Tác giả	Phan Quý
Người hướng dẫn	TS. Bùi Đăng Thảnh
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
Thể loại	luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2018
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	108
Dung lượng	4,24 MB