điều khiển đa biến hệ thống hvac Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Để thành công trong việc nghiên cứu điều khiển hệ thống HVAC, các tác giả trên th ế giới đã chỉ quan tâm đến duy nhất một thông số như nhiệt độ[5], thiết bị[6], sơ đồ HVAC[7], không gi

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS NGÔ VĂN THUYÊN

TP HCM 12- 2012

L ời cam đoan

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các s ố liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 12 năm 2012

(Ký tên và ghi rõ h ọ tên)

Mạnh Lê Hoàn

L ời cảm ơn

Sau một thời gian học tập và nghiên cứu tại trường, nay học viên đã hoàn thành đề tài tốt nghiệp cao học của mình Để có được thành quả này, học viên đã nhận được rất nhiều sự hỗ trợ và giúp đỡ tận tình từ thầy cô, gia đình, cơ quan và bạn bè

Học viên xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc, chân thành đến Thầy TS Ngô Văn Thuyên, người đã tận tình trực tiếp hướng dẫn học viên thực hiện hoàn thành luận văn này

Xin chân thành cảm ơn đến tất cả quí Thầy Cô trường Đại học Giao Thông Vận Tải Thành phố Hồ Chí Minh đã trang bị cho học viên một lượng kiến thức rất bổ ích, đặc biệt xin chân thành cảm ơn quí Thầy Cô Khoa Điện – Điện Tử và Phòng Quản Lý Đào Tạo Sau Đại Học đã tạo điều kiện thuận lợi

và hỗ trợ cho học viên rất nhiều trong quá trình học tập cũng như trong thời gian làm luận văn này

Học viên xin gởi lời cảm ơn chân thành nhất đến đồng nghiệp, gia đình, bạn

bè đã giúp đỡ cho học viên rất nhiều, đã tạo cho học viên niềm tin và nỗ lực

cố gắng để hoàn thành luận văn này

Xin chân thành cảm ơn !

Mục Lục

Trang

Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii

M ục Lục iii

Danh Mục Hình Vẽ vii

Danh Sách Các Bảng x

CHƯƠNG 1 Tổng Quan 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 M ục tiêu và giới hạn của đề tài 3

1.3 Phương pháp nghiên cứu 4

1.4 Ứng dụng của đề tài 4

1.5 N ội dung luận văn 4

CHƯƠNG 2 T ổng Quan Về Hệ Thống HVAC 6

2.1 Gi ới thiệu sơ lược về hệ thống điều hoà không khí 6

2.1.1 Biểu diễn quá trình điều hoà không khí trên đồ thị Carrier 6

2.1.2 Xác định các thông số tính toán trong hệ thống HVAC 8

2.1.2.1 Xác định các thông số trong nhà và ngoài trời 9

i Thông s ố tính toán của không khí trong nhà 9

ii Thông s ố tính toán của không khí ngoài trời 9

iii Bảng tóm tắt các thông số nhiệt độ, độ ẩm tính toán 9

2.1.2.2 Xác định năng suất của máy điều hòa 10

i Xác định lượng nhiệt hiện thừa của phòng 10

ii Xác định lượng nhiệt ẩn tỏa ra của phòng 11

iii Xác định lượng nhiệt hiện và ẩn do không khí từ ngoài đem vào 11

iv Xác định lượng không khí qua dàn lạnh và nhiệt độ thổi vào không gian điều hòa bằng đồ thị Carrier 13

2.2 Gi ới thiệu sơ đồ HVAC tổng thể 15

2.3 Gi ới thiệu một số sơ đồ HVAC thông dụng tại Việt Nam 16

2.3.1 Sơ đồ điều chỉnh lưu lượng không khí cấp vào không gian điều hòa 16

2.3.2 Sơ đồ điều chỉnh lượng không khí hồi đi vòng và lượng không khí vào trước dàn lạnh 17

2.3.3 Sơ đồ điều chỉnh năng suất lạnh 18

2.4 K ết luận 19

CHƯƠNG 3 Mô Hình Hóa H ệ Thống HVAC 20

3.1 Phân tích sơ đồ điều chỉnh năng suất lạnh 20

3.2 Mô hình toán học của không gian điều hòa và các phần tử trong hệ thống HVAC 22

3.2.1 Mô hình toán h ọc của không gian điều hòa 22

3.2.2 Mô hình toán học của các phần tử trong hệ thống HVAC 24

3.2.2.1 Mô hình toán h ọc của dàn lạnh 24

3.2.2.2 Mô hình toán h ọc của các loại cảm biến 26

3.2.2.3 Mô hình toán h ọc của nhiệt điện trở 27

3.3 Mô hình toán h ọc của hệ thống HVAC 27

3.3.1 Khái quát 27

3.3.2 Quá trình gia ẩm – làm lạnh 29

3.3.3 Quá trình tách ẩm – gia nhiệt 30

3.4 K ết quả mô phỏng các mô hình toán học 32

3.4.1 Các thông s ố cơ sở cho quá trình mô phỏng 32

3.4.2 Kết quả mô phỏng không gian điều hòa 34

3.4.3 K ết quả mô phỏng dàn lạnh 36

3.4.4 K ết quả mô phỏng điện trở 37

3.4.5 Kết quả mô phỏng hệ thống HVAC 37

CHƯƠNG 4 Thiết Kế Và Mô Phỏng Bộ Điều Khiển 42

4.1 Gi ải thuật điều khiển 42

4.2 Xây d ựng bộ điều khiển và kết quả mô phỏng 43

4.2.1 Xây dựng bộ điều khiển 43

4.2.2 K ết quả mô phỏng 45

CHƯƠNG 5 Kết Quả Thực Nghiệm 50

5.1 Mô t ả phần cứng của hệ thống HVAC 50

5.1.1 Ph ần cơ khí 50

5.1.2 Phần mạch điện - điện tử 52

5.1.3 Ph ần thu thập dữ liệu thông qua card PCI-1711U 55

5.2 Thu th ập và xử lý tín hiệu 56

5.2.1 Tín hi ệu nhiệt độ 56

5.2.2 Tín hi ệu độ ẩm 58

5.2.3 K ết nối vào – ra của mô hình thực nghiệm 59

5.3 K ết quả thực nghiệm 61

CHƯƠNG 6 Kết Luận Và Hướng Phát Triển Của Đề Tài 64

6.1 Kết luận 64

6.1.1 Các k ết quả đã đạt được của đề tài 64

6.1.2 H ạn chế 64

6.2 Hướng phát triển của đề tài 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

PHỤ LỤC 67

Ph ụ lục A: code Matlab “xác định mô hình toán học của không gian điều hòa” 67 Ph ụ lục B: code Matlab “xác định mô hình toán học của điện trở” 74

Phụ lục C: code Matlab “xác định thông số vật lý của không khí” 81

Ph ụ lục D: code Matlab “mô phỏng nhiệt độ của hệ thống HVAC” 84

Ph ụ lục E: code Matlab “mô phỏng độ ẩm của hệ thống HVAC” 104

Phụ lục F: ma trận khuyếch đại tương đối 124

Ph ụ lục G: phương pháp IMC (Internal Mode Control) 126

Ph ụ lục H: code Matlab “chương trình Matlab GUI” 129

Phụ lục I: chương trình C điều khiển van nước lạnh bằng PIC 149

Ph ụ lục J: chuyển đổi nhiệt độ sang U-I 152

Danh Mục Hình Vẽ

Trang

Hình 2.1 Sơ đồ điều tiết không khí 6

Hình 2.2 Quá trình điều tiết không khí 8

Hình 2.3 Sơ đồ điều hoà không khí tổng quát 15

Hình 2.4 Sơ đồ điều chỉnh lưu lượng không khí cấp vào không gian điều hoà 17

Hình 2.5 Sơ đồ điều chỉnh lượng không khí hồi đi vòng và lượng không khí vào trước dàn lạnh 18

Hình 2.6 Sơ đồ điều chỉnh năng suất lạnh 19

Hình 3.1 Sơ đồ điều chỉnh năng suất lạnh dùng trong mô hình hóa 21

Hình 3.2 Các tr ạng thái không khí khi qua sơ đồ điều chỉnh năng suất lạnh 21

Hình 3.3 Sơ đồ các dòng nhiệt 22

Hình 3.4 Tín hi ệu vào - ra của dàn lạnh 25

Hình 3.5 Quá trình thay đổi nhiệt độ, độ ẩm trong phòng 28

Hình 3.6 Sơ đồ điều khiển nhiệt độ, độ ẩm 28

Hình 3.7 Sơ đồ khối điều khiển nhiệt độ, độ ẩm 29

Hình 3.8 Sơ đồ khối của quá trình gia ẩm – làm lạnh 29

Hình 3.9 Sơ đồ khối của quá trình tách ẩm – gia nhiệt 32

Hình 3.10 K ết quả mô phỏng không gian điều hòa với dàn lạnh 10 kW 35

Hình 3.11 K ết quả mô phỏng với dàn lạnh 20 kW 35

Hình 3.12 K ết quả mô phỏng với số lần trao đổi gió là 10 35

Hình 3.13 K ết quả mô phỏng với dàn lạnh 10 kW 36

Hình 3.14 Kết quả mô phỏng với điện trở 10 kW 37

Hình 3.15 Mô hình mô phỏng quá trình tách ẩm – gia nhiệt 38

Hình 3.16 Thông s ố vật lý của không khí ở nhiệt độ 30ºC, độ ẩm 80% 39

Hình 3.17 Thông s ố vật lý của không khí ở nhiệt độ 22ºC, độ ẩm 60% 39

Hình 3.18 Kết quả mô phỏng quá trình gia nhiệt trong hệ thống HVAC 41

Hình 3.19 K ết quả mô phỏng quá trình tách ẩm trong hệ thống HVAC 41

Hình 4.1 Hệ thống tương tác với tín hiệu điều khiển 43

Hình 4.2 Nhi ệt độ của hệ thống khi có tín hiệu điều khiển thích hợp 46

Hình 4.3 Độ ẩm của hệ thống khi có tín hiệu điều khiển thích hợp 47

Hình 4.4 Tín hiệu nhiệt độ tác động vào hệ thống 47

Hình 4.5 Đáp ứng của hệ thống với tác động của nhiệt độ từ bên ngoài 48

Hình 4.6 Tín hi ệu độ ẩm tác động vào hệ thống 48

Hình 4.7 Đáp ứng của hệ thống với tác động của độ ẩm từ bên ngoài 49

Hình 5.1 Ph ần cơ khí của mô hình HVAC 50

Hình 5.2 Ph ần mạch điện tử của mô hình HVAC 52

Hình 5.3 Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển van nước lạnh 53

Hình 5.4 Sơ đồ mạch in của mạch điều khiển van nước lạnh 53

Hình 5.5 Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển điện trở 54

Hình 5.6 Sơ đồ mạch in của mạch điều khiển điện trở 54

Hình 5.7 B ố trí thiết bị điện – điện tử trong tủ điều khiển mô hình HVAC 55

Hình 5.8 Card PCI – 1711U 56

Hình 5.9 Card PCLD – 8710 56

Hình 5.10 M ạch chuyển đổi và khuyếch đại tín hiệu nhiệt độ 57

Hình 5.11 Sơ đồ mô phỏng chuyển đổi dòng điện và điện áp của nhiệt độ 57

Hình 5.12 Dung kháng của cảm biến thay đổi theo độ ẩm 58

Hình 5.13 Sơ đồ khối chuyển đổi tín hiệu cảm biến ẩm 58

Hình 5.14 Sơ đồ mạch chuyển đổi tín hiệu cảm biến ẩm 59

Hình 5.15 Quan h ệ giữa dòng điện ra và độ ẩm tương đối 59

Hình 5.16 K ết nối vào – ra của card PCI-1711 60

Hình 5.17 Tín hiệu vào - ra trong Simulink 60

Hình 5.18 Nhi ệt độ trong mô hình hệ thống HVAC 61

Hình 5.19 Độ ẩm trong mô hình hệ thống HVAC 61

Hình 5.20 Tín hiệu điều khiển điện trở 62

Hình 5.21 Tín hi ệu điều khiển van nước lạnh 63

Hình G.1 C ấu trúc điều khiển IMC 126

Hình G.2 C ấu trúc điều khiển phản hồi 128

Hình J.1 Sơ đồ mô phỏng chuyển đổi dòng điện và điện áp của nhiệt độ 152

Hình J.2 Chi tiết RTD 100 152

Hình J.3 Chi ti ết Wheatstone Bridge 153

Hình J.4 Chi ti ết Amplifying Circuit 153

Hình J.5 Chi tiết Voltage to Current Converter 153

Danh Sách Các Bảng

Trang

B ảng 1.1 Nhiệt độ và độ ẩm thích hợp cho sản xuất 2

Bảng 2.1 Nhiệt độ và độ ẩm ngoài trời 10

B ảng 3.1 Thông số thiết kế yêu cầu 32

B ảng 3.2 Thông số vật lý 33

Bảng 3.3 Thông số thiết kế theo tiêu chuẩn ASHREA 34

B ảng 3.4 Thông số của mô hình thực tế 40

B ảng 5.1 Các giá trị tương ứng giữa nhiệt độ và điện trở 56

k ỹ thuật cần thiết Xuất phát từ những nhu cầu cụ thể của từng ngành kỹ thuật đã hình thành hai xu hướng cơ bản là điều hòa tiện nghi cho các phòng ở và điều hòa công ngh ệ phục vụ các nhu cầu sản xuất

Nhi ều tác giả qua nghiên cứu đã công bố các kết quả về tiêu chuẩn, xu thế thiết kế

và điều khiển hệ thống HVAC [1,2,3] Dựa vào các kết quả nghiên cứu này, ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) đã phát triển và ứng dụng như một tiêu chuẩn điều hòa không khí nhằm

c ải thiện điều kiện lao động của con người trong nhiều ngành công nghiệp như: dược phẩm, thực phẩm, giấy, in, máy chính xác, điện tử,…Các thông số không khí như nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió, độ sạch không khí,…phải phù hợp với yêu cầu công ngh ệ sản xuất hoặc chế biến Bảng 1.1 giới thiệu một số giá trị thích hợp về nhi ệt độ, độ ẩm tương đối của không khí thích hợp cho sản xuất [4] của một số ngành công nghiệp

Năm 1911, Willis H Carrier, người được xem là ông tổ của ngành kỹ thuật điều hòa không khí, đã đưa ra định nghĩa điều hòa không khí là kết hợp sưởi ấm, làm lạnh, gia ẩm, hút ẩm, lọc và rửa không khí, tự động duy trì khống chế trạng thái không khí không đổi phục vụ cho mọi yêu cầu tiện nghi và công nghệ Ngoài việc ông là người đi đầu trong việc xây dựng cơ sở lý thuyết, ông còn phát minh, sáng chế, thiết

k ế và chế tạo các thiết bị của hệ thống điều hòa không khí

Bảng 1.1 Nhiệt độ và độ ẩm thích hợp cho sản xuất

Ngành công

n ghiệp Công nghệ sản xuất Nhiệt độ, ºC Độ ẩm tương đối, %

Sợi Chải, xe sợi 22 ÷ 25 55 ÷ 70

Dệt sợi 22 ÷ 25 70 ÷ 80 Bia

hệ thống HVAC tiêu thụ khoảng 40-50 phần trăm năng lượng trên thế giới[1] Từ

đó, nhiều ngành kỹ thuật nói chung và ngành kỹ thuật điều khiển tự động nói riêng

đã tập trung nghiên cứu để làm giảm điện năng tiêu thụ của hệ thống HVAC

Để thành công trong việc nghiên cứu điều khiển hệ thống HVAC, các tác giả trên

th ế giới đã chỉ quan tâm đến duy nhất một thông số như nhiệt độ[5], thiết bị[6], sơ

đồ HVAC[7], không gian điều hòa[8],…Tuy nhiên, hệ thống HVAC là một hệ

th ống phức hợp, phi tuyến, nhiều đầu vào ra (MIMO) với các biến số có mối liên quan m ật thiết như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất,…và tác động nhiễu lớn, không ổn định như nhiệt độ ngoài trời, hoạt động của máy móc, thiết bị, con người,…Do đó, vấn

đề đặt ra là tìm một mô hình toán để mô tả chính xác các quá trình trong hệ thống HVAC phù h ợp những tiêu chuẩn, những tham số riêng biệt và điều khiển chúng là không dễ dàng Thêm vào đó là các quá trình nhiệt động và quán tính nhiệt đều được bỏ qua trong hầu hết các mô hình toán nên việc xây dựng mô hình thực tế từ

mô hình toán cũng khiến việc nghiên cứu gặp không ít khó khăn

Vi ệt Nam là một trong những nước nằm trong vùng khí hậu nóng ẩm, cùng với sự

đi lên của của nền kinh tế đất nước, trên tất cả các miền của đất nước ta, các công trình nhà ở, khách sạn, bệnh viện, phân xưởng sản suất đã và đang được xây dựng không th ể thiếu phần trang bị các hệ thống điều hoà không khí để tạo ra môi trường không khí ti ện nghi cho sinh hoạt con người và cho quy trình công nghệ sản xuất Với thế giới, kỹ thuật điều hoà không khí đã được phát triển từ lâu nhưng với Việt Nam thì đó còn là một lĩnh vực mới phát triển Do đó, vấn đề tìm hiểu, nghiên cứu, ứng dụng lý thuyết điều khiển tự động để điều khiển hệ thống HVAC cho phù hợp với điều kiện thực tế ở Việt Nam hầu như còn bỏ ngõ

Trong tình hình th ực tế ở Việt Nam hiện nay, điều khiển hệ thống HVAC chủ yếu là điều khiển làm giảm nhiệt độ, độ ẩm cũng như tiết kiệm điện năng tiêu thụ dựa trên thu ật toán ON/OFF (bang bang) hoặc PID một biến mà không tính đến tác động qua

l ại giữa hai đại lượng nhiệt độ và độ ẩm với nhau có thể dẫn hệ thống đến chỗ mất

ổn định hoặc ổn định trong phạm vi rất hẹp và tiêu thụ năng lượng lớn

T ừ những vấn đề được trình bày ở trên, nhận thấy điều khiển hệ thống HVAC là điều khiển các thông số không khí như nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió,…nên tác giả

l ấy tên đề tài luận văn là “Điều khiển đa biến hệ thống HVAC” với nhiệm

v ụ chính là thiết kế một bộ điều khiển tự động giữ ổn định đồng thời nhiệt độ và độ

ẩm cho không gian điều hoà đáp ứng được những tiêu chuẩn GMP (Good Manufacturing Practices) của tổ chức WHO (World Health Organization)

Nhằm thực hiện mục tiêu phân tích, thiết kế, thi công bộ điều khiển giữ ổn định nhi ệt độ, độ ẩm của hệ thống HVAC đáp ứng được các tiêu chuẩn GMP-WHO, năm

m ục tiêu cơ bản sau đây phải được hoàn thành:

• Xây d ựng mô hình toán học của hệ thống HVAC áp dụng tại Việt Nam

• Phân tích, thi ết kế, mô phỏng mô hình toán trên Matlab

• Thi ết kế và thi công không gian điều hoà thực theo mô hình toán

• Thi ết kế và thi công bộ điều khiển tự động giữ ổn định đồng thời nhiệt độ và

độ ẩm

• Ch ạy thử nghiệm cho kết quả bằng mô hình thực

Trong điều khiển HVAC, người ta đặc biệt quan tâm tới sự thoả hiệp yêu cầu chất lượng nhiều mặt, trong đó khả năng loại bỏ nhiễu và tính ổn định bền vững là hai trong nh ững tiêu chí đánh giá quan trọng Thực tế ít có phương pháp nào lại có thể cho m ột bộ tham số tốt ngay từ lần chỉnh định đầu tiên, nên giới hạn của đề tài là điều khiển đồng thời nhiệt độ và độ ẩm của mô hình hệ thống HVAC

1.3 Phương pháp nghiên cứu

Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận văn bao gồm:

• Kh ảo sát, phân tích tổng hợp

• Mô ph ỏng trên máy tính

• Thi ết kế mô hình thực nghiệm

• Đánh giá kết quả dựa trên mô phỏng và thực nghiệm

1.4 Ứng dụng của đề tài

Lĩnh vực điều hòa không khí hay gọi tắt là HVAC (Heating, Ventilating & Air Conditionning) đã và đang được sử dụng sử dụng rộng rãi tại Việt Nam như phân xưởng sản xuất dược phẩm ở nhà máy Domexco-Đồng Tháp, phân xưởng sản xuất linh ki ện điện tử tại nhà máy Fujitsu-Đồng Nai,…Việc điều khiển nhanh chóng, chính xác đồng thời các thông số của AHU (Air Handling Unit) trong hệ thống HVAC sẽ làm giảm chi phí vận hành và tiết kiệm điện năng tiêu thụ góp phần giảm quá t ải lên lưới điện quốc gia trong mùa khô

1.5 Nội dung luận văn

Ph ần còn lại của nội dung luận văn bao gồm:

Chương 2 Tổng quan về hệ thống HVAC:

Chương này trình bày cơ sở lý thuyết, lý luận và các giả thuyết khoa học của hệ

th ống HVAC Phần cuối của chương trình bày một số sơ đồ điều hòa không khí đã

và đang được sử dụng tại Việt Nam

Chương 3 Mô hình hóa hệ thống HVAC:

Ở đầu chương phân tích lưu đồ công nghệ, áp dụng các định luật cơ bản của vật lý, hóa học, kết hợp với các thông số kỹ thuật của thiết bị công nghệ để tìm ra quan hệ

gi ữa các đại lượng đặc trưng trong hệ thống HVAC Sau đó, quá trình xây dựng mô hình toán h ọc và kết quả mô phỏng của hệ thống điều hoà không khí sẽ được trình bày ở cuối chương

Chương 4 Thiết kế và mô phỏng bộ điều khiển:

Gi ải thuật điều khiển và quá trình thiết kế, mô phỏng bộ điều khiển giữ ổn định nhiệt độ, độ ẩm trong hệ thống HVAC sẽ được trình bày chi tiết trong chương này

Chương 5 Kết quả thực nghiệm

Chương này trình bày quá trình thực nghiệm và kết quả đạt được với giải thuật điều khi ển trong chương 4

Chương 6 Kết luận và hướng phát triển của đề tài

Các kết quả đạt được trong luận văn, các mặt hạn chế và hướng phát triển của đề tài được thể hiện trong chương này

Chương 2

T ổng Quan Về Hệ Thống HVAC

Hầu hết các phương pháp điều khiển hiện đại đều dựa trên cơ sở mô hình toán học được xây dựng bằng các thông số vật lý hoặc bằng thực nghiệm Chương này trình bày sơ lược về cơ sở lý thuyết, lý luận và các giả thuyết khoa học của hệ thống HVAC trước khi đi vào nội dung mô hình hóa của hệ thống điều hòa không khí trong chương sau Phần cuối của chương trình bày một số sơ đồ điều hòa không khí

đã và đang được sử dụng tại Việt Nam

2.1 Giới thiệu sơ lược về hệ thống điều hoà không khí

K ỹ thuật điều hoà không khí là kỹ thuật khống chế các thông số của không khí (như nhiệt độ, độ ẩm,…) trong không gian cần điều hoà nằm trong vùng cho phép Tùy theo đặc điểm của môi trường không khí xung quanh bên ngoài phòng cần điều hòa (mùa lạnh hay mùa nóng) và yêu cầu trạng thái không khí trong không gian cần điều hòa mà hệ thống điều hòa có hay không có bộ phận gia nhiệt không khí

Hình 2.1 Sơ đồ điều tiết không khí

Quá trình x ử lý không khí được thực hiện như Hình 2.1, trạng thái không khí N được hút vào quạt là trạng thái của không khí ngoài trời sau khi hỗn hợp với không khí hồi sẽ có trạng thái H Không khí này được xử lý bụi bằng cách cho đi qua bộ

l ọc bụi, sau khi qua dàn lạnh sẽ chuyển sang trạng thái O Không khí ở trạng thái O khi qua điện trở gia nhiệt thì trạng thái của nó là Q Không khí ở trạng thái Q khi qua quạt trạng thái của nó là Q’ Khi qua ống dẫn khí, trạng thái không khí cũng bị

bi ến đổi từ Q’ sang V, V là trạng thái không khí đi vào không gian điều hoà Cần chú ý quá trình O-Q, Q-Q’ và Q’- V là quá trình có độ chứa hơi không đổi Khi tính toán sơ bộ có thể coi các điểm Q,Q’ và V trùng nhau Như vậy, không khí đi vào không gian c ần điều hoà V là hỗn hợp khí tươi ở ngoài trời N hoà trộn với khí hồi

T Toàn b ộ quá trình nói trên được biểu diễn bằng đồ thị Carrier như Hình 2.2

Tr ục tung của đồ thị trong Hình 2.2 là độ chứa hơi d (g/kg), bên cạnh là trục hệ số nhi ệt hiện SHF (sensible heat factor) được định nghĩa bằng công thức 2.1:

Tr ục hoành của đồ thị trong Hình 2.2 là nhiệt độ t (º C) Các đường biểu diễn trên đồ

th ị Carrier được ký hiệu như sau:

• d = Const là đường thẳng song song với trục hoành (g/kg)

• t = Const là đường thẳng song song với trục tung (ºC)

• I = Const là đường thẳng tạo với trục tung một góc 135º, giá trị entanpi của không khí ẩm bão hòa (có thể coi là của không khí ẩm chưa bão hòa) được cho trên đường thẳng bên trái đường ϕ = 100% (kJ/kg)

• V = Const là đường thể tích riêng (m3

/kg)

• Ihc = Const là đường hiệu chỉnh entanpi

Hình 2.2 Quá trình điều tiết không khí

2.1.2 Xác định các thông số tính toán trong hệ thống HVAC

Để biểu diễn các lượng nhiệt trao đổi tương ứng trong từng quá trình, đặt các ký hiệu sau:

I : entanpi c ủa không khí trong không gian điều hòa (kJ/kg)

G : lượng không khí đi qua dàn lạnh thổi vào phòng (kg/s)

N

G : lượng không từ ngoài vào phòng (kg/s)

Ph ụ tải của hệ thống máy lạnh:

Q = G(I − I ) (2.2)

Nhi ệt lượng mà không khí hấp thụ khi đi qua quạt:

Q = G(I − I ) (2.5)

2.1.2.1 Xác định các thông số trong nhà và ngoài trời

i Thông số tính toán của không khí trong nhà

Theo [4], các thông s ố nhiệt độ tT, độ ẩm ϕT được chọn phù hợp với đối tượng làm

vi ệc sao cho đáp ứng được yêu cầu vệ sinh và yêu cầu công nghệ có xét tới yêu cầu

v ề tính kinh tế

ii Thông số tính toán của không khí ngoài trời

Vi ệc chọn thông số tính toán ngoài trời phụ thuộc vào mùa nóng, lạnh và cấp điều hòa Nhi ệt độ và độ ẩm tương đối của không khí ngoài trời tN, ϕN ch ọn theo cấp III

c ủa hệ thống HVAC bình thường:

Mùa nóng: tN = ttb max, ϕ = ϕN (ttb max)

Mùa l ạnh: tN = ttb min, ϕ = ϕN (ttb min)

Trong đó ttb max, ttb min là nhi ệt độ trung bình của tháng nóng nhất và lạnh nhất trong năm ϕ (ttb max) , ϕ (ttb min) là độ ẩm trung bình của tháng nóng nhất có ttb max và c ủa tháng lạnh nhất có ttb min trong năm

iii Bảng tóm tắt các thông số nhiệt độ, độ ẩm tính toán

Theo [4], có thể dùng Bảng 2.1 cho 3 thành phố chính của Việt Nam trong việc

ch ọn thông số tính toán trong nhà và ngoài trời

Bảng 2.1 Nhiệt độ và độ ẩm ngoài trời

Địa điểm Hà N ội Đà Nẵng Hồ Chí Minh

Vĩ độ 21º 00' Bắc 16º 10' Bắc 10º 24' Bắc Nhiệt độ nhiệt kế khô

(mùa hè), ºC 37.2 36.1 33.9 Nhiệt độ nhiệt kế ướt

2.1.2.2 Xác định năng suất của máy điều hòa

T ừ Hình 2.1 và công thức 2.2, tổng nhiệt thừa Q c ủa không gian điều hòa cần phải lấy đi cũng chính là năng suất lạnh QO Việc xác định năng suất của máy điều hòa

ph ụ thuộc vào kết cấu, vị trí và tải nhiệt của không gian điều hòa Thông thường người ta xác định các thông số sau:

i Xác định lượng nhiệt hiện thừa của phòng

Theo [9] , lượng nhiệt hiện thừa của phòng Qhfg ồm:

hf 1 2 3

Q = Q + Q + Q (2.6)

Ở đây, Q1 (W) là nhi ệt hiện bức xạ mặt trời vào phòng, Q2 (W) là nhi ệt hiện truyền qua k ết cấu bao che phòng và Q3 (W) là nhi ệt hiện tỏa ra từ nguồn nhiệt trong phòng (do người, đèn chiếu sáng, máy móc) Việc tính toán cụ thể các thông số Q1,

2

Q , Q3 có th ể tham khảo trong tài liệu [9]

ii Xác định lượng nhiệt ẩn tỏa ra của phòng

Nhi ệt ẩn tỏa ra Qaf trong không gian c ần điều hòa có thể gồm: nhiệt ẩn tỏa ra từ người (do mồ hôi, hơi thở), nhiệt ẩn tỏa ra từ thức ăn (nếu là nhà hàng ăn uống), nhi ệt ẩn tỏa ra từ thùng chứa môi chất nóng (nếu là phân xưởng sản xuất) Nhiệt ẩn tỏa ra từ thức ăn có thể cộng thêm 10W vào lượng nhiệt ẩn do một người tỏa ra

V ậy khi không tính nhiệt ẩn từ thùng chứa môi chất nóng thì lượng nhiệt ẩn do người tỏa ra chính là nhiệt ẩn tỏa ra của phòng cần điều hòa:

af a

Q = n.q (2.7) Trong đó n , qa (W) l ần lượt là số người trong phòng cần điều hòa và lượng nhiệt

ẩn tỏa ra từ một người

iii Xác định lượng nhiệt hiện và ẩn do không khí từ ngoài đem vào

Trong hệ thống HVAC luôn phải đưa một lượng không khí tươi (chứa nhiều O2) từ ngoài tr ời vào phòng điều hòa, lúc này không khí ngoài trời sẽ tỏa ra nhiệt hiện

hN1

Q , nhi ệt ẩn QaN1 M ặt khác, không gian điều hòa tuy kín nhưng vẫn có hiện tượng không khí lọt vào phòng qua cửa ra vào, qua khe hở cửa,…Mức độ rò rỉ không khí vào phòng ph ụ thuộc vào độ chênh áp suất ngoài và trong, tốc độ gió, số lần đóng mở cửa, đặc điểm khe hở,…Do tính không quy luật của hiện tượng rò rỉ cho nên việc tính lượng nhiệt hiện QhN 2, nhiệt ẩn QaN 2 của không khí đem vào này

N 1

L = nxl – lượng không khí tươi từ ngoài trời (l/s)

n – s ố người trong phòng cần điều hòa

d – Độ chứa hơi của không khí trong phòng (g/kg)

• Nhi ệt hiện và nhiệt ẩn của không khí rò rỉ từ ngoài vào phòng điều hòa theo kinh nghiệm

Q - Nhi ệt ẩn rò rỉ từ ngoài vào (W)

V – Th ể tích của không gian điều hòa (m3

iv Xác định lượng không khí qua dàn lạnh và nhiệt độ thổi vào không gian điều hòa bằng đồ thị Carrier

Q = Q + Q : tổng nhiệt ẩn của máy điều hòa (W)

- Tính hệ số nhiệt hiệu dụng ESHF (effective sensible heat factor):

Q = Q + BF.Q : nhi ệt ẩn hiệu dụng của phòng (W)

BF : h ệ số đi vòng (tham khảo tài liệu[9])

• Bước 2:

- Xác định điểm trạng thái không khí trong phòng T(t ,T ϕT) , và không khí ngoài tr ời

N N

- Qua T k ẻ đường TC song song với G-RSHF và đường TS song song với G-ESHF

T ừ đó tìm được nhiệt độ đọng sương của không khí qua dàn lạnh ts

• Bước 3:

- Qua S kẻ đường SH song song với G-GSHF, đường này cắt đường NT tại H và

c ắt TC tại O

- Qua H tìm được tH, dH, IH, (tr ạng thái không khí vào dàn lạnh)

- Qua O tìm được tv, dv, Iv, (tr ạng thái không khí thổi vào phòng)

• Bước 4:

Kiểm tra điều kiện nhiệt độ không khí thổi vào phòng tv không được quá thấp so

v ới nhiệt độ không khí trong phòng tT (đảm bảo con người không bị tác động của

s ự thay đổi nhiệt độ quá lớn): o

− − : lưu lượng không khí qua dàn lạnh (l/s)

Năng suất lạnh của máy điều hòa cần thiết cho không khí điều hòa Qo (kW):

Q = G(I − I ) (2.16) Trong đó IH (kJ/kg) là entanpi c ủa không khí vào dàn lạnh và Iv (kJ/kg) là entanpi

c ủa không khí sau khi qua ống dẫn không khí thổi vào phòng

2.2 Giới thiệu sơ đồ HVAC tổng thể

Hình 2.3 Sơ đồ điều hoà không khí tổng quát

Hình 2.3 th ể hiện tổng thể một hệ thống điều hòa không khí cho mùa hè và mùa đông [4] Không khí tươi từ ngoài trời sau khi vào hệ thống được hòa trộn cùng không khí hồi và được gia ẩm, đốt nóng sơ bộ bằng hơi nóng từ lò hơi Sau đó, không khí được làm sạch khi đi qua bộ lọc và được làm lạnh, tách ẩm sau khi qua dàn lạnh Để trở lại nhiệt độ yêu cầu thích hợp, không khí được đưa qua điện trở

nh ằm gia tăng nhiệt độ theo yêu cầu Sau đó, không khí được vào không gian điều hòa thông qua h ệ thống gió và các miệng thổi trong các phòng cần điều hòa Lượng không khí thải ra khỏi phòng thông qua các miệng gió hồi có chứa bụi bẩn (nếu là phân xưởng sản xuất) hoặc nồng độ CO2 cao (n ếu là trung tâm hội nghị) sẽ được

th ải ra khỏi hệ thống hoặc tiếp tục hồi lại vào phòng nhằm làm giảm năng lượng tiêu thụ

Tùy thu ộc vào nhu cầu cụ thể mà các cảm biến nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, nồng độ

CO2,…có th ể được lắp đặt vào các vị trí thích hợp trong hệ thống để kiểm soát và điều chỉnh các thông số điều hòa không khí một cách chính xác, phù hợp với yêu

c ầu công nghệ hoặc yêu cầu sử dụng Việc điều chỉnh các thông số này hiện nay vẫn được tiếp tục nghiên cứu và phát triển nhằm tiến tới đơn giản hóa cho việc điều khi ển và tiết kiệm năng lượng tiêu thụ [3]

2.3 Giới thiệu một số sơ đồ HVAC thông dụng tại Việt Nam

Vi ệt Nam nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa nên sơ đồ HVAC tổng thể được bỏ qua

bộ tăng ẩm trong các ứng dụng thực tế Tùy thuộc vào các yêu cầu chất lượng của không khí, nhi ệt độ, độ ẩm,… và sự thay đổi của tải nhiệt mà các sơ đồ điều hòa cũng được thay đổi cho thích hợp nhằm giảm chi phí đầu tư và chi phí vận hành, bảo dưỡng hệ thống

2.3.1 Sơ đồ điều chỉnh lưu lượng không khí cấp vào không gian điều hòa

Hình 2.4 là sơ đồ điều chỉnh lưu lượng không khí cấp vào không gian điều hòa [4]

Sơ đồ này được sử dụng khi cần điều chỉnh các thông số nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió

và áp su ất trong không gian điều hòa Hoạt động điều chỉnh nhiệt độ và độ ẩm của

sơ đồ dựa vào cảm biến nhiệt 1 và cảm biến ẩm có tác dụng điều chỉnh giàn lạnh để làm giảm ẩm Cảm biến nhiệt 2 và cảm biến áp suất có tác dụng điều chỉnh các bộ điều tiết và vận tốc quạt để điều chỉnh lưu lượng không khí vào phòng

Việc lắp đặt hệ thống HVAC theo sơ đồ điều chỉnh lưu lượng không khí cấp vào không gian điều hòa đòi hỏi chi phí đầu tư cao, mặt khác việc vận hành hệ thống cũng phải cần có đội ngũ chuyên nghiệp nên hệ thống này chỉ được lắp đặt ở những nơi sang trọng như trung tâm hội nghị hay những phân xưởng sản xuất đáp ứng tiêu chu ẩn GMP mức độ 3 của tổ chức WHO

Ngoài ra, vi ệc chỉnh định hệ thống hoạt động ổn định đáp ứng các chỉ tiêu chất lượng của không khí, nhiệt độ, độ ẩm,…thường mất vài ngày tới vài tuần Hiện nay, các thông s ố nhiệt độ, độ ẩm, áp suất,…của sơ đồ này vẫn được điều khiển một cách riêng biệt và được chỉnh định sau đó bởi người hiệu chỉnh có chuyên môn sâu

v ề kỹ thuật điều hoà không khí

Ở Việt Nam, hệ thống này đã được lắp đặt tại một số công trình như trung tâm hội nghị White Palace – thành phố Hồ Chí Minh, nhà máy sản xuất dược phẩm Bayer – Bình Dương, Domexco – Đồng Tháp,…

Hình 2.4 Sơ đồ điều chỉnh lưu lượng không khí cấp vào không gian điều hoà

2.3.2 Sơ đồ điều chỉnh lượng không khí hồi đi vòng và lượng không khí vào trước dàn lạnh

Hình 2.5 trình bày sơ đồ điều chỉnh lượng không khí hồi đi vòng và lượng không khí vào trước giàn lạnh [4] Khác với sơ đồ ở Hình 2.4, sơ đồ của Hình 2.5 có lưu lượng không đổi và chỉ điều chỉnh được các thông số nhiệt độ, độ ẩm của không khí Sơ đồ 2.5 dùng phương pháp thay đổi nhiệt độ không khí cấp vào để điều chỉnh

t ải nhiệt của không gian cần điều hoà bằng cách cho lượng không khí hồi đi vòng hoà tr ộn với lượng không khí đã qua dàn lạnh để có thể điều chỉnh được nhiệt độ không khí thổi vào phòng Việc chỉnh định các thông số nhiệt độ, độ ẩm trong sơ đồ HVAC ở Hình 2.5 đòi hỏi người điều khiển phải có chuyên môn sâu về lĩnh vực điều hoà không khí

Hình 2.5 Sơ đồ điều chỉnh lượng không khí hồi đi vòng và lượng không khí vào

trước dàn lạnh

2.3.3 Sơ đồ điều chỉnh năng suất lạnh

Sơ đồ HVAC điều chỉnh năng suất lạnh được trình bày ở Hình 2.6 [4] Sơ đồ 2.6 cũng là sơ đồ một hệ thống có lưu lượng không đổi, nhiệt độ và độ ẩm không khí

c ấp thay đổi Sơ đồ điều chỉnh năng suất lạnh được ứng dụng tốt nhất ở nơi có tải nhi ệt ít thay đổi, cần ít lượng gió tươi từ ngoài và lưu lượng không khí cấp vào không đổi (như kho chứa dược phẩm, kho trữ thực phẩm, …) Mặt khác, việc chỉnh định các thông số nhiệt độ và độ ẩm của sơ đồ 2.6 không đòi hỏi người thiết kế bộ điều khiển phải có chuyên môn sâu về kỹ thuật điều hoà không khí

Sơ đồ này có ưu điểm là chi phí đầu tư không cao, vận hành và bảo dưỡng đơn giản Tuy nhiên, đối với sự thay đổi tải nhiệt liên tục thì hệ thống sẽ trở nên mất ổn định, khó duy trì được trạng thái không khí với các thông số nhiệt độ, độ ẩm theo yêu cầu

Hình 2.6 Sơ đồ điều chỉnh năng suất lạnh

2.4 Kết luận

Xây d ựng mô hình toán học cho một quá trình công nghệ là một bài toán rất phức tạp, trong thực tế ít khi được trọn vẹn Việc hạn chế về một trong hai lĩnh vực kỹ thu ật điều hòa không khí hoặc kỹ thuật điều khiển đã mang đến những khó khăn

nh ất định cho những ai muốn thiết kế và thi công điều khiển mô hình HVAC một cách đơn độc, vì vừa phải có kiến thức về điều khiển học, vừa phải có chuyên môn

v ề nhiệt học Tuy nhiên, cần lưu ý rằng mô hình phục vụ mô phỏng động học và thi ết kế điều khiển có những đặc điểm và yêu cầu khác với những mô hình sử dụng trong thiết kế công nghệ Nhận thấy mô hình điều chỉnh năng suất lạnh ở Hình 2.6

có th ể tập trung vào những khía cạnh thiết yếu liên quan tới mục đích điều khiển mà không c ần phải quá chi tiết như những mô hình phục vụ thiết kế công nghệ, nên trong chương 3 sẽ tiến hành mô hình hóa sơ đồ này.

Chương 3

Mô Hình Hóa H ệ Thống HVAC

Mô hình hóa hệ thống HVAC đi từ việc tìm hiểu lưu đồ công nghệ, áp dụng các định luật cơ bản của vật lý, hóa học, kết hợp với các thông số kỹ thuật của thiết bị công ngh ệ để tìm ra quan hệ giữa các đại lượng đặc trưng của quá trình Do đó, mục 3.1 sẽ tiến hành phân tích sơ đồ HVAC đã giới thiệu trong chương 2 Sau đó, quá trình xây d ựng mô hình toán học của hệ thống điều hoà không khí sẽ được trình bày

ở mục 3.2 và 3.3 Phần cuối chương là kết quả mô phỏng các mô hình toán học

3.1 Phân tích sơ đồ điều chỉnh năng suất lạnh

Mô hình toán h ọc của không gian điều hòa phụ thuộc vào rất nhiều biến số của môi trường xung quanh, kết cấu của phòng điều hòa, tác động của con người và sơ đồ HVAC được áp dụng Đặc biệt, việc mô tả chính xác, đầy đủ các tham số của hệ

th ống điều hòa không khí bằng máy tính để xem xét các quá trình động học diễn ra trong hệ thống HVAC là rất khó khăn.Trong 3 thập kỉ gần đây, trên thế giới, có rất nhi ều công trình nghiên cứu về mô hình toán của hệ thống HVAC, nhưng các kết

qu ả đạt được đều mang tính cục bộ và khó khăn trong việc ứng dụng các kết quả nghiên cứu vào thực tiễn tại Việt Nam

V ới nội dung đi sâu vào lĩnh vực điều khiển nhiệt độ và độ ẩm trong trường hợp tải nhi ệt thay đổi rất ít nên việc sử dụng sơ đồ điều chỉnh năng suất lạnh được mô tả trong Hình 3.1 làm cơ sở nghiên cứu sẽ đáp ứng đươc mục tiêu điều khiển Vì tải nhi ệt thay đổi rất ít và không xét tới việc điều chỉnh nồng độ CO2 trong không gian điều hòa, nên việc điều chỉnh cửa gió (damper) được bỏ qua Đây là điểm khác biệt

gi ữa sơ đồ điều chỉnh năng suất lạnh được mô tả trong Hình 2.6 và Hình 3.1 Quá trình điều chỉnh năng suất lạnh dựa vào cảm biến nhiệt độ và cảm biến độ ẩm đặt ở đường không khí hồi (nhiệt độ và độ ẩm không khí này chính là nhiệt độ, độ ẩm của không gian c ần điều hoà)

Hình 3.1 Sơ đồ điều chỉnh năng suất lạnh dùng trong mô hình hóa

Hình 3.2 Các trạng thái không khí khi qua sơ đồ điều chỉnh năng suất lạnh

Không khí sau khi đưa vào hệ thống được đưa qua lưới lọc bụi, sau đó đi qua dàn

l ạnh trong thiết bị xử lý không khí Quá trình tách ẩm đẳng áp sẽ được diễn ra tại đây Hơi nước trong không khí sẽ được làm lạnh đến nhiệt độ đọng sương và ngưng

t ụ lại thành nước lỏng Sau khi tách ẩm, dòng khí tiếp tục được đưa đến bộ gia nhiệt thông qua m ột quạt gió Mục đích của việc gia nhiệt lại dòng khí là vì khi tách ẩm, nhiệt độ của dòng khí giảm xuống thấp hơn nhiệt độ thiết kế của phòng, nên cần gia nhi ệt lại để tăng nhiệt độ dòng khí đến giá trị thiết kế trước khi cấp vào phòng Toàn

b ộ quá trình điều chỉnh nhiệt độ và độ ẩm của không khí đi qua sơ đồ điều chỉnh năng suất lạnh được mô tả trong Hình 3.2

HVAC

3.2.1 Mô hình toán học của không gian điều hòa

Xét không gian điều hòa không khí có các dòng nhiệt như Hình 3.3

Hình 3.3 Sơ đồ các dòng nhiệt

Phương trình cân bằng năng lượng nhiệt của không khí chứa trong phòng :

v r r

n V d

Ở trạng thái xác lập, phương trình (3.1) trở thành:

n V d

Bằng phép biến đổi Laplace phương trình (3.3) sẽ xác định được hàm truyền nhiệt

độ của không gian điều hòa ở phương trình (3.6) như sau:

n V (AU )

1

K

n V (AU )

3

=

∑ + : hệ số khuyếch đại nhiệt độ

3.2.2.1 Mô hình toán học của dàn lạnh

Hình 3.4 trình bày các tín hiệu vào ra của dàn lạnh được sử dụng trong mô hình hóa

v ới các thông số kỹ thuật theo tiêu chuẩn ASHRAE

Hình 3.4 Tín hiệu vào - ra của dàn lạnh

Theo [10], h ằng số thời gian của dàn lạnh được xác định bằng công thức sau:

θ : nhiệt độ nước ra, ˚C

3.2.2.2 Mô hình toán học của các loại cảm biến

Các lo ại cảm biến (nhiệt độ, độ ẩm, ) thường trễ vài giây cho đến vài phút để

nh ận & xử lý tín hiệu nhận được Do đó thường sử dụng hàm truyền trong biểu thức (3.10) sau đây để biểu diễn các loại cảm biến:

3.2.2.3 Mô hình toán học của nhiệt điện trở

Ở trạng thái xác lập, năng lượng không khí trong phòng cân bằng theo phương trình (3.11) sau đây:

v r

n V d

Bi ến đổi Laplace phương trình (3.11):

res

K (s)

để duy trì nhiệt độ và độ ẩm ở điểm “A” cho trước thì phải thiết kế bộ điều khiển có

ch ức năng điều chỉnh nhiệt độ và độ ẩm không khí trở về điểm “A”

Như vậy, để điều chỉnh được quá trình thay đổi nhiệt độ, độ ẩm ở Hình 3.5 thì phải

có các ph ần tử làm lạnh, gia nhiệt, tách ẩm và gia ẩm trong hệ thống điều hòa không khí như Hình 3.6 và sơ đồ khối ở Hình 3.7 [11]

Hình 3.5 Quá trình thay đổi nhiệt độ, độ ẩm trong phòng

Hình 3.6 Sơ đồ điều khiển nhiệt độ, độ ẩm