Cấu trúc các mô hình hệ thống thông gió tự nhiên:- Hiện tượng gió lùa thông gió tự nhiên vô tổ chức Không khí vào nhà và ra khỏi nhà qua các khe hở của cửa và qua các lỗ trêntường khi c
Khái niệm hệ thống thông gió
Một hệ thống thông gió là một hệ thống giúp không khí trong lành lưu thông trong một không gian hoặc một khoảng không gian giới hạn và loại bỏ không khí bị ô nhiễm
Chức năng của hệ thống thông gió
Khi mật độ nhà cao tầng, các công trình ngày càng tăng thì không gian xanh lại bị thu hẹp lại CO2 chính là chất độc hại phổ biến nhất trong các không gian sinh hoạt chung và hệ thống thống gió sẽ có chức năng thải các chất nhiễm độc trong phòng ra bên ngoài.
Hệ thống còn kiểm soát được nhiệt độ, độ ẩm trong phòng bằng cách thải các nhiệt thừa và độ ẩm thừa ra ngoài
Chúng ta dễ dàng nhận thấy, hệ thống thông gió được sử dụng rộng rãi ở nhiều nơi như: nhà ở, trường học, bệnh viện, nhà xưởng và các tòa nhà cao tầng là những không gian rất ngột ngạt, bức bối vì thiếu cây xanh Lúc này, hệ thống thông gió có vai trò vô cùng quan trọng, giúp không khí được tuần hoàn, lưu thông,lượng Oxi được đẩy vào không khí thay thế cho lượng khí bị ô nhiễm Vì thế mà không gian quanh bạn luôn được trong lành, dễ chịu.
Ngoài ra, hệ thống còn có khả năng khắc phục các sự cố như: lan tỏa chất độc hại, hỏa hoạn…
Phân loại và cấu trúc hệ thống thông gió
Hệ thống thông gió tự nhiên (Natural Ventilation System)
- Thông gió tự nhiên, hay còn gọi là hệ thống thông gió thụ động, nghiên cứu áp dụng sự chuyển động của luồng không khí bên ngoài nhà và chênh lệch áp suất giữa các luồng không khí nhằm làm mát và đảm bảo thông thoáng cho ngôi nhà một cách thụ động. b Cấu trúc các mô hình hệ thống thông gió tự nhiên:
- Hiện tượng gió lùa ( thông gió tự nhiên vô tổ chức )
Không khí vào nhà và ra khỏi nhà qua các khe hở của cửa và qua các lỗ trên tường khi có gió thổi được gọi là gió lùa Hiện tượng gió lùa đều không khống chế được lưu lượng, không điều chỉnh được vận tốc gió và hướng gió…nên còn được gọi là thông gió tự nhiên vô tổ chức.
- Hệ thống thông gió một bên (Single Sided Ventilation): cửa thông gió chỉ được thiết kế trên một mặt của một phòng hoặc tòa nhà kín Đây là hình thức thường được áp dụng cho các công trình thiết kế không quá sâu, thường là chiều sâu nhỏ hơn 2,5 lần chiều cao công trình.
Thông gió một bên, cửa đơn
Thông gió một bên, cửa đôi
- Hệ thống thông gió ngang (Cross Ventilation): hai cửa thông gió được đặt đối diện nhau ở hai phía của căn phòng hoặc tòa nhà, luồng không khí đi vào trực tiếp từ một cửa và đi ra ở cửa còn lại Thông đó ngang tương đối dễ áp dụng và hiệu quả, thường được áp dụng phổ biến nhất ở các công trình trường học,…được áp dụng tốt với các công trình có chiều sâu nhỏ hơn 5 lần chiều cao công trình
- Hệ thông gió đứng ( thông gió trọng lực ): hệ thống thông gió tự nhiên dưới sức đẩy của trọng lực hay còn gọi là thông gió cột áp Thông gió đứng tận dụng nguồn nhiệt có sẵn trong công trình áp dụng hiện tượng đối lưu không khí, luồng không khí đi vào từ các cửa thông gió đặt ở các mặt bên của tòa nhà bị giãn nở và đi ra ở một cửa thông gió đặt phía trên Thông gió đứng áp dụng rất hiệu quả với các công trình có nguồn nhiệt lớn như nhà máy sản xuất, chế biến hoặc ống khói, giếng trời ở các hộ gia đình c Ưu – nhược điểm của hệ thống thông gió tự nhiên:
+ Tiết kiệm chi phí đầu tư thiết bị, tiết kiệm không gian cho tòa nhà do không cần bố trí những đường ống, quạt hút và hệ thống điều khiển phức tạp.
+ Một hệ thống thông gió tự nhiên có thể tồn tại lâu đáng kể và chi phí thay thế thiết bị cũng có giá thành không quá cao.
+ Do nhận được nhiều không khí và ánh sáng tự nhiên giúp không gian làm việc hay không gian sống trở nên thoáng đãng và thoải mái.
+ Hiệu quả của hệ thống phụ thuộc vào thời tiết và khí hậu.
+ Nhiều trường hợp không mong muốn do tiếng ồn và các chất ô nhiễm ngoài trời.
+ Khó quản lý hơn vì một tòa nhà có thể sẽ có rất nhiều những cửa sổ và cửa ra vào.
Hệ thống thông gió cơ học (Mechanical Ventilation System)
- Thông gió cơ học hay thông gió cưỡng bức là sử dụng các thiết bị điều chuyển không khí Ở mức độ đơn giản là sử dụng các quạt gió để phụ trợ thông gió tự nhiên, tạo ra dòng đối lưu cưỡng bức trong phòng.
- Nhiệt độ của luồng khí bên ngoài được cân bằng với nhiệt độ trong nhà bằng cách cho luồng khí đi qua bộ trao đổi nhiệt. b Ưu – nhược điểm của hệ thống thông gió cơ học:
+ Mang tính tự động hóa cao, dễ dàng quản lý cũng như điều khiển. + Đảm bảo không khí được lọc liên tục.
+ Có thể tích hợp với hệ thống điều hòa.
+ Chi phí đầu tư tốn kém.
+ Cần đội ngũ vận hành có chuyên môn.
+ Cần bảo trì thường xuyên và thời gian sử dụng không quá dài, Theo trang www.airsolutions.us, một hệ thống thông gió cơ khí cần thay mới sau khoảng từ 15 đến 20 năm.
Hệ thống thông gió hỗn hợp (Hybrid Ventilation System)
- Hệ thống thông gió hỗn hợp là sự kết hợp giữa hệ thống thông gió tự nhiên và cơ học Nhờ đó hệ thông gió hỗn hợp có thể cung cấp các khả năng thông gió khác nhau của cả hệ thống thông gió tự nhiên lẫn cơ học phụ thuộc vào từng thời điểm trong ngày, thời tiết hoặc mùa. b Ưu điểm hệ thống thông gió hỗn hợp:
+ Giảm thiểu chi phí vận hành, tiết kiệm năng lượng cho tòa nhà.
+ Tăng sự hài lòng của những người làm việc hoặc ở trong tòa nhà: Người ở thường muốn cửa sổ mở, các tòa nhà có hệ thống thông gió hỗn hợp có khả năng cung cấp cho họ quyền kiểm soát cao hơn về các điều kiện thông gió và nhiệt độ cũng như kết nối nhiều hơn với bên ngoài.
+ Có tất cả các ưu điểm của hệ thống thông gió Tự nhiên và Cơ học: So với hệ thông thông gió cơ học, thì hệ hỗn hợp giúp giảm thiểu về chi phí về vốn, năng lượng và bảo trì So với hệ thống thông gió tự nhiên thì hệ hỗn hợp mạnh mẽ hơn về khả năng điều khiển và khả năng đáp ứng các yêu cầu về điều nhiệt độ và độ ẩm trong tòa nhà.
+ Cần nhiều thời gian thiết kế hơn so với các hệ thống thông gió khác.
+ Dễ gây lãng phí năng lượng nếu không có sự kết hợp giữa hai sách lược về thông gió.
Một số mô hình thông gió cơ học/hỗn hợp hay gặp
- Thông gió kiểu thổi (thông gió áp suất dương): Thổi không khí sạch vào phòng và không khí trong phòng thải ra bên ngoài qua các khe hở của phòng nhờ chênh lệch cột áp Phương pháp thông gió kiểu thổi có ưu điểm là hoàn toàn có thể cấp gió đến các vị trí cần thiết, nơi tập trung nhiều người, hoặc nhiều nhiệt thừa, ẩm thừa, tốc độ gió luân chuyển thường lớn Tuy nhiên điểm yếu kém của giải pháp này là áp suất trong phòng là dương nên gió tràn ra mọi hướng, do đó có thể tràn vào các khu vực không mong muốn.
- Thông gió kiểu hút (thông gió áp suất âm): Hút xả không khí bị ô nhiễm ra khỏi phòng và không khí bên ngoài tràn vào phòng theo các khe hở hoặc cửa lấy gió tươi nhờ chênh lệch cột áp Thông gió kiểu hút xả có ưu điểm là có thể hút trực tiếp không khí ô nhiễm tại nơi phát sinh, không cho phát tán ra trong phòng, lưu lượng thông gió nhờ vậy không yêu cầu quá lớn, nhưng hiệu suất cao cao.
Tuy nhiên phương pháp này cũng có nhược điểm là gió tuần hoàn trong phòng rất thấp, hầu như không có sự tuần hoàn đáng kể, mặt khác không khí tràn vào phòng tương đối tự do, do đó không trấn áp được chất lượng gió vào phòng,không khí từ những vị trí không mong ước có thể tràn vào.
- Thông gió kết hợp: Kết hợp cả hút xả lẫn thổi vào phòng, đây là phương pháp hiệu quả Thông gió tích hợp giữa hút xả và thổi gồm hệ thống quạt hút và thổi Vì vậy có thể chủ động hút không khí ô nhiễm tại những vị trí phát sinh chất độc và cấp vào những vị trí yêu cầu gió tươi lớn nhất Phương pháp này có tất cả các ưu điểm của hai phương pháp nêu trên, nhưng loại trừ các nhược điểm của hai kiểu cấp gió đó Tuy nhiên phương pháp kết hợp có nhược điểm là ngân sách góp vốn đầu tư cao hơn.
- Thông gió tổng thể: Thông gió tổng thể và toàn diện cho hàng loạt phòng hay công trình.
- Thông gió cục bộ: Thông gió cho một khu vực nhỏ đặc biệt trong phòng hay các phòng có sinh các chất độc hại lớn.
- Thông gió sự cố: Nhiều khu công trình có trang bị hệ thống thông gió nhằm khắc phục các sự cố xảy ra.Đề phòng các tai nạn tràn hoá chất: Khi xảy ra các sự cố hệ thống thông gió hoạt động và thải khí độc đến những nơi định sẵn hoặc ra bên ngoài.
- Khi xảy ra hoả hoạn: Để lửa không xâm nhập các cầu thang và cửa thoát hiểm, hệ thống thông gió hoạt động và tạo áp lực đè nén dương trên nhưng đoạn này để mọi người thoát hiểm dễ dàng Hệ thống thông gió sự cố chỉ hoạt động khi xảy ra sự cố.
Thiết kế hệ thống thông gió
Hệ thống thông gió theo nhu cầu (DCV)
Hệ thống thông gió theo nhu cầu là hệ thống được thiết kế có thể tự động thay đổi lưu lượng gió cấp dựa trên sự thay đổi sức chứa thực tế của một không gian.Thông gió được kiểm soát theo nhu cầu (DCV) là một phương pháp kiểm soát phản hồi để duy trì chất lượng không khí trong nhà, tự động điều chỉnh tốc độ thông gió được cung cấp cho một không gian để đáp ứng với những thay đổi về điều kiện, chẳng hạn như số lượng người cư ngụ hoặc nồng độ chất gây ô nhiễm trong nhà DCV sử dụng sách lược điều khiển phản hồi để duy trì chất lượng không khí ở không gian bên trong bằng cách điều chỉnh tốc độ quạt thông gió tùy theo số lượng người có mặt trong phòng và mức độ ô nhiễm không khí bên trong Hệ thống có thể tự động giảm cường độ thông gió trong giờ thấp điểm giúp tiết kiệm năng lượng hoặc là tăng cường độ trong giờ cao điểm giúp cải thiện không khí trong phòng.
Tính toán thiết kế
Khu mua sắm diện tích 400m2 sức chứa tối đa 100 người.
Lựa chọn sách lược điều khiển tỉ lệ Lưu lượng gió cấp phụ thuộc vào nồng độ CO2 đo được từ cảm biến. a Xác định lưu lượng không khí yêu cầu
Xác định lưu lượng dòng không khí ngoài trời vào cần thiết cho dân số khu vực thiết kế Tốc độ thông gió yêu cầu được dựa trên số người trong khu vực và diện tích khu vực.
Lưu lượng yêu cầu của không khí bên ngoài được tính toán theo công thức sau:
- VOT: lưu lượng yêu cầu của không khí bên ngoài (l/s)
- Rp: là tốc độ luồng không khí ngoài trời yêu cầu trên 1 người
- Ra: là tốc độ luồng không khí ngoài trời yêu cầu trên 1 đơn vị diện tích
Lưu lượng yêu cầu của không khí ngoài trời lớn nhất tương ứng với 100 người Lưu lường yêu cầu không khí nhỏ nhất tương ứng với 0 người Do vậy:
(l/s) = 472 (m3/h) b Xác định nồng độ CO2
- N: Tốc độ thay đổi nồng độ CO2
- lưu lượng yêu cầu của không khí bên ngoài (l/s)
- : Nồng độ CO2 trong nhà
- : Nồng độ CO2 ngoài trời
Từ việc xác định , , , ta tuyến tính hóa trong khoảng làm việc để có thể tính toán lượng khí cần cung cấp ứng với mỗi điểm đo CO2 được đọc về.
= + c Lựa chọn giao thức truyền thông
Lựa chọn giao thức Modbus làm giao thức truyền tin cho hệ thống
MODBUS do Modicon (hiện nay thuộc Schneider Electric) phát triển năm 1979, là một phương tiện truyền thông với nhiều thiết bị thông qua một cặp dây xoắn đơn.
Ban đầu, nó hoạt động trên RS232, nhưng sau đó nó sử dụng cho cả RS485 để đạt tốc độ cao hơn, khoảng cách dài hơn và mạng đa điểm (multi-drop)
MODBUS là một hệ thống master - slave, master được kết nối với một hay nhiều slave Master thường là một PLC, PC, DCS, hay RTU Slave là thiết bị cảm biến hoặc cơ cấu chấp hành
Trong giao thức ModBus chuẩn dữ liệu có thể được truyền ở một trong 2 chế độ sau:
ASCII: Rõ ràng, chẳng hạn sử dụng nó trong các thử nghiệm
RTU: Gọn nhẹ và nhanh hơn, sử dụng trong các chế độ thông thường.
Chế độ truyền ASCII (American Standard Code for Information Interchange) Cấu trúc khung kí tự gửi đi thể hiện như sau:
Khi các bộ điều khiển sử dụng chế độ ASCII mỗi byte 8 bit truyền như hai kí tự ASCII. Ưu điểm chính là thời gian truyền giữa các kí tực lên đến 1s mà không gây ra lỗi,
Bít trên kí tự: 1 Start bit; 7 bit data; 1,0 Parity bit; 1, 2 Stop bit
Kiểm tra lỗi Parity Định dạng bản tin trong chế độ ASCII được trình bày trên hình sau
Trong chế độ truyền RTU (Remote Terminal Unit) mỗi byte trong thông báo được gửi thành 1 ký tự 8 bít ưu điểm là hiêu suất truyền cao, nhưng mỗi thông báo phải được truyền thành một dãy liên tục
Khi gửi các bộ điều khiển hoạt động ở chế độ RTU, mỗi byte -8bit gửi như hai số Haxadecimal – 4bit Ưu điểm của phương pháp này là một độ kí tự lớn cho phép truyền tốt hơn chế độ ASCII với cùng tốc độ bit
Mỗi bản tin cần truyền thành chuỗi liên tục
Số bit trên Byte: 1 Start bit; 8 bit data; 1,0 Parity bit; 1, 2 Stop bit
Kiểm tra lỗi Parity Định dạng bản tin trong chế độ RTU được trình bày trên hình sau:
Bên trong một Modbus device 4 kiểu dữ liệu
Với việc sử dụng chuẩn vật lý là RS232 hoặc RS485 làm cho tốc độ truyền tin trở nên khá chậm.
Modbus-TCP/IP là giao thức Modbus được sử dụng trên đường truyền Ethernet, sử dụng mô hình TCP/IP để truyền thông Cũng như các loại modbus khác, Modbus TCP/IP cũng sử dụng mô hình Master-Slave để truyền thông Tuy nhiên, được triển khai trên nền Ethernet, sử dụng bộ giao thức TCP trên nền IP.
Modbus TCP làm cho định nghĩa Master-Slave truyền thống thay đổi Vì Ethernet cho phép giao tiếp ngang hàng Trong mạng TCP, các Slave có thể chủ động truyền thông tin về các thiết bị quản lý trung tâm – Master Sử dụng địa chỉ IP trên các Master để quản lý tập trung từ phần mềm Do chuẩn vật lý là Ethernet nên tốc độ truyền tin của Modbus TCP/IP nhanh hơn khá nhiều so với Modbus RTU
Giao thức Modbus được sử dụng phổ biến trong công nghiệp, các thiết bị cảm biến cấp trường đa số được tích hợp giao thức Modbus làm cho việc thay thế hoặc nâng cấp dễ dàng. d Lựa chọn phần cứng
Quạt hướng trục là thiết bị thông gió công nghiệp với chiều lưu thông gió song song với trục thiết bị Quạt được chia thành nhiều dòng thiết bị khác nhau dựa trên cách phân loại Chẳng hạn, dựa vào hình dáng có quạt hướng trục tròn và quạt hướng trục vuông Dựa vào liên kết motor có quạt hướng trục trực tiếp và quạt hướng trục gián tiếp Dựa vào áp suất sử dụng có quạt cao áp, quạt trung áp và quạt thấp áp.
Vỏ quạt Được làm từ vật liệu sắt thép, inox gia công theo hình tròn tối ưu hoặc hình vuông với độ dày, kích thước đa dạng, đáp ứng môi trường sử dụng từ nhỏ đến lớn.
Vỏ quạt được sơn tĩnh điện đảm bảo độ an toàn cao cho người dùng, tránh hiện tượng giật điện, nhiễm điện ảnh hưởng tới mọi người xung quanh.
Cánh quạt Đặc trưng của dòng quạt hút hướng trục đó là sở hữu cánh quạt lá cánh ít, bản cánh rộng, chắc khoẻ, giúp tạo lưu lượng gió cực mạnh, làm tốt chức năng trọng điểm là thông gió, làm mát.
Với kiểu dáng đặc trưng là hình tròn nên quạt được trang bị 2 chân đế làm từ sắt thép CT3 chắc chắn để chắn 2 đầu khung tròn Điều này giúp cho quạt không bị di chuyển ngoài tầm kiểm soát của người dùng.
Phòng cháy chữa cháy
Lưu lượng khói thải ra từ 1 không gian được xác định theo chu vi vùng cháy Lưu lượng khói đối với các khu vực có diện tích dưới 1600 m được xác định theo công thức: 2
Trong đó: P là chu vi vùng cháy trong giai đoạn đầu (m), nhận bằng trị số lớn nhất củaf chu vi thùng chứa nhiên liệu hở hoặc không đóng kín, hoặc chỗ chứa nhiêu liệu đặt trong vỏ bao từ vật liệu cháy Lấy P = 12m.f y là khoảng cách (m) từ mép dưới của vùng khói đến sàn nhà hoặc đo từ mép dưới của vách lửng hìn thành bể chưa khói đến sàn nhà Lấy y = 2,5m.
Ks là hệ số lấy bằng 1.
Trọng lượng riêng trung bình của khói
= 4 N/m , t = 600 °C - khi chất cháy là dạng khí hay lỏng; 3
= 5 N/m , t = 450 °C - khi chất cháy ở dạng vật thể cứng; 3
Lưu lượng gió cần hút ra cho khu vực diện tích 1600 m là 2
Lưu lượng gió cần hút ra cho khu vực diện tích 400 m là 2
Chọn quạt có lưu lượng 25000
Loại: Quạt thông gió tròn
Kiểu quạt: Quạt thông gió 1 chiều
Nguyên lý hoạt động: Quạt hướng trục
Tốc độ vòng quay: 960 vòng/phút
Sải cánh: 70cm Độ ồn: 78dB
Công suất: 2.200W Áp suất196Pa
Trọng lượng sản phẩm95kg
Xuất xứ thương hiệuTrung Quốc
Hệ thống AHU (Air Handling Unit)
Mô hình hoạt động của AHU
Nguồn gió tươi được cấp vào thông quá hệ thống thông gió, lượng không khí từ ngoài vào này được đi qua hệ thống tiền lọc và lọc túi để nâng cao chất lượng không khí, đồng thời làm giảm kinh phí bảo trì hàng năm do lượng bụi đó bám vào các cơ cấu Nếu trường hợp cần có độ sạch thì phải sử dụng lọc HEPa Sau đó đi qua được làm mát hoặc làm nóng tùy vào chế độ chọn heating hay cooling bằng thiết bị làm nóng boiler hoặc thiết bị làm lạnh chiller Qua máy giữ ẩm (humidifier) để giữ độ ẩm cho dòng không khí, qua đường ống cấp gió (supply air duct) cấp cho tòa nhà Sau đó không khí trả lại qua quạt hút về đường ống gió trở lại (return air duct), được điều khiển chọn cấp lại hệ thống gia nhiệt lặp lại chu trình hoặc thoát ra ngoài qua đường ống gió thải (exhaust air duct).
Sách lược điều khiển khối AHU
Do bài toán có 1 biến đo lường (nhiệt độ) và nhiều biến điều khiển nên ta lựa chọn sách lược điều khiển dải phân chia tuần tự
Bộ điều khiển dải phân chia tuần tự, tránh việc sử dụng đồng thời hệ thống sưởi và hệ thống làm mát Khi nhiệt độ tăng, bộ sưởi giảm tuyến tính cho đến phạm vi trung bình mà không có hệ thống sưởi nào được cung cấp Tương tự, làm mát được áp dụng khi nhiệt độ trên phạm vi trung bình và bộ làm mát tăng tuyến tính đến vị trí mở hoàn toàn khi nhiệt độ tăng thêm
Từ nhiệt độ đo được và điểm đặt từ bộ điều khiển, bộ điều khiển nhiệt độ không khí tạo ra các tín hiệu con đẩy cho các van cuộn dây làm nóng và làm mát Hình (B) cung cấp minh họa chi tiết hơn về mối quan hệ giữa đầu ra điều khiển dải phân cách (u) của bộ điều khiển phản hồi nhiệt độ không khí cung cấp (thường là điều khiển PI hoặc PID) và các tín hiệu điều khiển uc và uh (tương ứng với cuộn dây làm mát và sưởi cuộn dây) trong chiến lược.
Thang đo đầu ra của bộ điều khiển nằm trong khoảng –100 đến 100% Thang đo tùy ý và được chọn để nhấn mạnh thực tế là mỗi đầu ra cho cả hai bộ truyền động đều có tín hiệu điều khiển đáp ứng với độ mở từ 0 đến 100% Khi đầu ra kết hợp của các điều khiển phản hồi nằm trong khoảng từ 0 đến 100 phần trăm, nó sẽ được thay đổi tỷ lệ thành 0 đến 100