Nghiên cứu giải pháp tiết kiệm năng lượng cho hệ thống điều hòa không khí chiller bằng phương pháp phân phối phụ tải tối ưu

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của tập thể hướng dẫn. Tất cả những tài liệu mà luận án có trích dẫn đã được liệt kê đầy đủ và rõ ràng, ngoài ra tác giả không trích dẫn bất kỳ tài liệu nào khác. Các số liệu và kết quả nghiên cứu nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai khác công bố trong bất kỳ công trình nào. Tập thể hướng dẫn TS. Nguyễn Xuân Tiên Nghiên cứu sinh PGS.TSKH Nguyễn Văn Mạnh i Nguyễn Đình Vịnh LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin trân trọng cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Đào tạo Sau Đại học, Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt – Lạnh và các Giáo sư, Phó Giáo sư, Tiến sĩ, thầy cô và các đồng nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi và góp nhiều ý kiến quý báu giúp tôi hoàn thành bản luận án này. Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến PGS.TSKH. Nguyễn Văn Mạnh và TS. Nguyễn Xuân Tiên đã hết lòng hướng dẫn, giúp đỡ, tin tưởng và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Tôi xin cảm ơn Bố, Mẹ, Vợ và người thân đã luôn bên tôi, ủng hộ và động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu. Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè đồng nghiệp, các cán bộ quản lý và vận hành Tòa nhà Mipec Tower đã giúp đỡ, tạo điều kiện tốt cho tôi tìm hiểu và lấy số liệu thực tế tại đơn vị. Tôi xin chân thành cảm ơn! Nguyễn Đình Vịnh ii LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ iii vii ix x MỞ ĐẦU 1 1.1. Các hệ thống điều hòa không khí trung tâm chiller 4 1.3. Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.2. Phân phối phụ tải trong vận hành trạm lạnh trung tâm chiller 1.3.1. Tình hình nghiên cứu trong nước 1.3.2. Đánh giá chung các phương pháp nghiên cứu tối ưu hóa tiêu hao năng lượng cho các hệ thống điều hòa không khí ở nước ngoài 1.3.2.1. Phương pháp giải tích xác định 1.3.2.2. Phương pháp giải tích bất định 4 6 7 7 9 9 14 1.3.3. Các nghiên cứu của Thomas Hartman 18 1.3.3.2. Nguyên lý phân tích tối ưu hóa LOOP 21 1.3.3.1. Nguyên lý hiệu quả biên đồng đều 1.3.4. Các nghiên cứu dựa trên các phương pháp mô hình hóa 18 22 1.3.5. Các nghiên cứu dựa trên các phương pháp toán tối ưu 24 1.4. 29 1.3.6. Một số nghiên cứu của các tác giả khác 1.5. Lý thuyết tối ưu hóa vượt khe và bài toán tối ưu hóa phân phối phụ tải trong nhà máy nhiệt điện Các vấn đề tồn tại và nội dung nghiên cứu CHƯƠNG 2: PHÁT TRIỂN ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT TỐI ƯU HÓA VƯỢT KHE CHO HỆ THỐNG CHILLER 2.1 2.1.1 2.1.2 Các hàm mục tiêu trong vận hành và bài toán phân phối phụ tải tối ưu trong trạm lạnh trung tâm chiller Các hàm mục tiêu trong vận hành trạm lạnh trung tâm chiller Bài toán phân phối phụ tải tối ưu trong trạm lạnh trung tâm chiller iii 27 30 32 32 32 33 2.2 Phát triển ứng dụng lý thuyết tối ưu hóa vượt khe 2.2.2 Xây dựng bài toán tối ưu hóa chế độ vận hành 2.2.1 2.2.3 Xây dựng bài toán mô hình hóa đặc tính năng lượng của thiết bị Cách giải bài toán 34 34 38 40 2.2.3.1 Chuẩn hóa chỉ tiêu tối ưu 40 2.2.3.3 Thiết lập bài toán không điều kiện rằng buộc tương đương 41 2.2.3.2 Chuyển đổi bài toán 2.2.4 Nguyên tắc phân phối phụ tải tối ưu 2.3.1 Nghiên cứu địa hình hàm mục tiêu 2.3 2.3.2 40 43 Phương pháp tối ưu hóa vượt khe 44 Thuật toán vượt khe 45 2.3.2.1 Thuật toán xác định bước vượt khe 2.3.2.2 Hướng tìm kiếm hướng chiếu Affine 44 46 48 2.4 Đánh giá hiệu quả tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải 50 2.4.2 Xác định tiết kiệm năng lượng theo đặc tuyến tiêu thụ năng lượng 51 2.4.1 2.4.3 2.5 Xác định tiết kiệm năng lượng theo đặc tuyến phụ tải lạnh Xác định lượng phát thải tiết kiệm Kết luận chương 2 50 51 52 CHƯƠNG 3: TRẠM LẠNH TRUNG TÂM CHILLER VÀ PHƯƠNG PHÁP THU THẬP, XỬ LÝ SỐ LIỆU 53 3.1.1 Hệ thống điều hòa không khí trung tâm chiller giải nhiệt nước 53 Hệ thống điều khiển tự động và phương pháp thu thập dữ liệu vận hành 57 Thu thập dữ liệu vận hành 60 3.1 3.1.2 3.1.3 3.2 3.2.1 Lựa chọn đối tượng nghiên cứu điển hình Trạm lạnh trung tâm chiller trong tòa nhà Mipec Tower Phương pháp thu thập và xử lý số liệu 3.2.1.1 Thu thập dữ liệu từ dữ liệu lịch sử của hệ thống BAS 3.2.1.2 Thu thập dữ liệu tại hiện trường 3.2.2 Phương pháp xử lý số liệu đầu vào 3.2.2.1 Xử lý số liệu của một điểm đo 3.2.2.2 Ghép các tệp dữ liệu khác nhau iv 53 55 60 60 62 63 63 64 3.2.3 Mô hình đặc tuyến năng lượng của các thiết bị 3.2.5 Tính toán năng lượng tiết kiệm và giảm phát thải 3.2.4 3.3 Xây dựng hàm mục tiêu tối ưu Kết luận chương 3 64 65 65 65 CHƯƠNG 4: TỐI ƯU HÓA PHÂN PHỐI PHỤ TẢI TRẠM LẠNH TRUNG TÂM CHILLER 67 4.2 Mô hình đối tượng thiết bị chính 67 Mô hình đặc tuyến làm việc của bơm nước lạnh và bơm nước giải nhiệt 73 Hàm mục tiêu tiết kiệm năng lượng 76 4.1 4.2.1 4.2.2 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.5 4.6 Xử lý số liệu Mô hình đặc tuyến năng lượng của máy lạnh trung tâm chiller 67 68 Hàm mục tiêu tiết kiệm năng lượng và đường đặc tuyến phân phối phụ tải cho trạm lạnh trung tâm chiller 76 Đường đặc tuyến năng lượng cho cụm máy lạnh trung tâm chiller 77 Đặc tuyến tiết kiệm năng lượng và hiệu quả tiết kiệm năng lượng 81 Đặc tuyến phụ tải tòa nhà 82 Đường đặc tuyến phân phối phụ tải tối ưu cho cụm máy lạnh trung tâm chiller 78 Đặc tuyến tiết kiệm năng lượng 81 Đánh giá hiệu quả tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải 84 Kết luận chương 4 86 Đề xuất quy trình vận hành tối ưu năng lượng cho hệ thống điều hòa không khí trung tâm chiller tại tòa nhà Mipec Tower 85 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 87 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 96 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC Phụ lục 1: Tổng quan về hệ thống điều hòa không khí trung tâm chiller Phụ lục 2: Bảng thống kê một số hệ thống điều hòa không khí trong các tòa nhà điển hình tại Hà Nội Phụ lục 3: Bảng điểm điều khiển hệ thống BAS cho trạm lạnh trung tâm tòa nhà Mipec Tower v 89 PL1 PL17 PL20 Phụ lục 4: Cấu trúc dữ liệu lịch sử và các macro trong Excel dùng cho xử lý số liệu PL23 Phụ lục 6: Bảng đặc tuyến năng lượng tối ưu cụm máy lạnh trung tâm chiller tại tòa nhà Mipec Tower PL27 Phụ lục 8: Số liệu vận hành của chiller số 1 tại tòa nhà Mipec Tower tháng 6/2013 PL30 Phụ lục 5: Bảng đặc tuyến năng lượng của chiller tại tòa nhà Mipec Tower PL26 Phụ lục 7: Bảng tính tiết kiệm năng lượng cho cụm máy lạnh trung tâm chiller tại tòa nhà Mipec Tower PL28 Phụ lục 9: Bảng thông số kỹ thuật của chiller và bơm nước tại tòa nhà Mipec Tower PL46 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Danh mục các ký hiệu Ký hiệu Mô tả Thứ nguyên COP Hiệu quả năng lượng EF Hệ số phát thải lưới điện Hq Cột áp tĩnh ngoài của quạt Pa L Lưu lượng gió m3/h LNL Lưu lượng nước lạnh qua bình bay hơi l/s NPLV Giá trị non tải không tiêu chuẩn E EQ IPLV, IEER LaGN LGN N Điện năng tiêu thụ tiết kiệm được Lượng phát thải CO2 tiết kiệm được kWh Tấn CO2/MWh Giá trị non tải tích hợp Lưu lượng gió qua tháp giải nhiệt Tấn CO2 m3/h Lưu lượng nước giải nhiệt qua bình ngưng l/s Công suất tiêu thụ điện kW Tổng công suất bơm nước lạnh kW N1 Tổng công suất máy nén N3 Tổng công suất bơm nước giải nhiệt Nq Công suất động cơ của quạt kW Năng suất lạnh kW Năng suất lạnh (của thiết bị xử lý không khí) kW N2 N4 Tổng công suất quạt tháp giải nhiệt NGN Công suất tiêu thụ điện của quạt tháp giải nhiệt Qk Công suất giải nhiệt (công suất sưởi với máy loại bơm nhiệt) Qo QC QS Năng suất sưởi ấm (của thiết bị xử lý không khí) kW kW kW kW kW kW tNL,i/ tNL,o Nhiệt độ nước lạnh vào/ra o C toncoil Nhiệt độ không khí trước khi vào dàn lạnh o Nhiệt độ môi trường o tGN,i / tGN, o Nhiệt độ nước giải nhiệt vào/ra o toffcoil Nhiệt độ không khí sau khi ra khỏi dàn lạnh o o Độ ẩm môi trường %  Hệ số bơm nhiệt to  Hệ số làm lạnh vii C C C C oncoil Độ ẩm không khí trước khi vào dàn lạnh % offcoil Độ ẩm không khí sau khi ra khỏi dàn lạnh % Wp Năng suất phun ẩm (của thiết bị xử lý không khí) kg/h Wh Năng suất hút ẩm (của thiết bị xử lý không khí) Danh mục các ký hiệu dưới GN CH kg/h Giải nhiệt Chiller NL Nước lạnh AHU Air Handling Unit Danh mục các chữ viết tắt BAS Building Automation System – Hệ thống điều khiển tự động tòa nhà Chiller Chilled Water Packaged Chiller ĐHKK Điều hòa không khí ĐVT Đơn vị tính CDW CHW ĐTNL Condeser Water Chilled Water Đặc tuyến năng lượng FCU Fan Coil Unit PPPT Phân phối phụ tải MLTT TKNL TLTT Máy lạnh trung tâm Tiết kiệm năng lượng Trạm lạnh trung tâm TTGNG Trung tâm giải nhiệt gió TTGNN Trung tâm giải nhiệt nước viii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 4.1 Bảng đặc tuyến phân phối phụ tải tối ưu cho máy lạnh trung tâm chiller ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Tóm tắt cấu trúc và phân loại hệ thống điều hòa không khí trung tâm chiller Hình 2.1 Sơ đồ phân cấp giải bài toán phân phối phụ tải Hình 1.2 Hình 2.2 Hình 2.3 Hình 2.4 Hình 2.5 Hình 2.6 Hình 2.7 Hình 3.1 Hình 3.2 Hình 4.1 Hình 4.2 Hình 4.3 Hình 4.4 Hình 4.5 Sơ đồ phân tích tối ưu hóa LOOP Đường cong trơn từng khúc của đặc tính năng lượng Dáng điệu mặt mức của hàm mục tiêu tối ưu hóa phân phối phụ tải giữa các tổ máy làm việc song song Xác định bước “vượt khe” Sơ đồ khối tìm kiếm “bước vượt khe” theo điều kiện (2.27) Thể hiện hình học của quá trình tìm kiếm tối ưu theo thuật toán VAF Sơ đồ khối tìm “hướng vượt khe” theo điều kiện (2.27) Sơ đồ nguyên lý và bố trí thiết bị cảm biến trong trạm lạnh trung tâm chiller trong tòa nhà Mipec Tower Sơ đồ hệ thống BAS cho tạm lạnh trung tâm chiller tại tòa Mipec Tower Kết quả mô hình hóa đặc tuyến năng lượng của chiller số 1 Kết quả mô hình hóa đặc tuyến năng lượng của chiller số 2 Kết quả mô hình hóa đặc tuyến năng lượng của chiller số 3 Kết quả mô hình hóa đặc tuyến năng lượng của chiller số 4 Đặc tuyến năng lượng của 4 chiller HÌnh 4.6 Đặc tuyến COP thực tế của 4 chiller Hình 4.8 Đặc tuyến làm việc của 4 bơm nước giải nhiệt Hình 4.7 Hình 4.9 Hình 4.10 Đặc tuyến làm việc của 4 bơm nước lạnh Đặc tuyến năng lượng của cụm máy lạnh trung tâm chiller tại tòa nhà Mipec Tower Tổng hợp đặc tuyến phân phối phụ tải tối ưu 4 chiller x Hình 4.11 Hình 4.12 Hình 4.13 Hình 4.14 Đặc tuyến tiết kiệm năng lượng theo chế độ phân phối phụ tải tối ưu của cụm chiller tại tòa nhà Mipec Tower Đặc tuyến phụ tải tòa nhà Mipec Tower ngày 26/7/2013 Đặc tuyến phụ tải tòa nhà Mipec Tower tháng 7/2013 Phân chia dải công suất phụ tải tổng trong đặc tuyến tiết kiệm năng lượng theo chế độ phân phối phụ tải tối của cụm chiller tại tòa nhà Mipec Tower xi MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển của đời sống xã hội, nhu cầu năng lượng ngày càng tăng một cách nhanh chóng. Để đáp ứng nhu cầu năng lượng, một mặt chúng ta cần phải đẩy mạnh khai thác các nguồn năng lượng sẵn có và phát triển năng lượng mới. Mặt khác, phải tìm cách sử dụng các nguồn năng lượng một cách tiết kiệm và hiệu quả, nói gọn hơn là phải “tiết kiệm năng lượng”. Tiết kiệm năng lượng góp phần giảm chi phí đầu tư phát triển hệ thống cung cấp năng lượng, đồng thời góp một phần đáng kể vào việc bảo vệ môi trường và chống biến đổi khí hậu toàn cầu. Vai trò của hiệu quả sử dụng năng lượng là rất to lớn đối với sự phát triển kinh tế xã hội, an toàn năng lượng và nâng cao mức sống nhân dân [28, 33, 34, 47, 49]. Đó là vấn đề nổi cộm đã được đưa vào chính sách quốc gia của nước ta cũng như đa số các nước trên thế giới. Quốc hội nước ta đã ban hành luật sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả số 50/2010/QH12. Đồng thời, Chính phủ đã cụ thể hóa bằng chương trình mục tiêu quốc gia về sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả, ban hành theo Quyết định số 79/2006 QĐTTg ngày 14/04/2006. Trong đó [2], đưa ra mục tiêu phấn đấu tiết kiệm từ 3% - 5% tổng mức tiêu thụ năng lượng toàn quốc giai đoạn 2006-2010, và từ 5% - 8% tổng mức tiêu thụ năng lượng giai đoạn 2011-2015. Ở những nước có khí hậu nóng ẩm như nước ta, các hệ thống điều hòa không khí (ĐHKK) chiếm một tỷ trọng lớn trong tổng nhu cầu tiêu thụ năng lượng cho xã hội và dân sinh. Theo thống kê, các hệ thống ĐHKK ở nước ta tiêu tốn tới 50% ~ 60% tổng công suất điện tiêu thụ trong các công trình dân sinh, như các tòa nhà thương mại, dân dụng và khách sạn [19]. Vì vậy, chỉ cần có giải pháp tiết kiệm được vài phần trăm chi phí năng lượng trong các công trình đó cũng mang lại một hiệu quả kinh tế xã hội to lớn, góp phần quan trọng giảm nhu cầu tiêu thụ năng lượng. Ý nghĩa kinh tế to lớn của vấn đề tiết kiệm năng lượng (TKNL) trong ĐHKK đã thu hút sự quan tâm chú ý của nhiều chuyên gia và các nhà nghiên cứu với nhiều giải pháp được đưa ra. Có thể phân chia sự nghiên cứu đó thành hai mảng chính. Mảng thứ nhất là các nghiên cứu nhằm cải tiến nâng cao hiệu suất cũng như độ an toàn của các loại thiết bị thành phần trong hệ thống ĐHKK. Mảng thứ hai bao gồm các nghiên cứu về phương thức vận hành hệ thống sao cho giảm thiểu tới mức có thể chi phi năng lượng. Cho đến nay, đã có rất nhiều kết quả nghiên cứu được công bố, đặc biệt các vấn đề thuộc mảng thứ nhất được nghiên cứu khá hoàn thiện. Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu 1 thuộc mảng thứ hai có phần khiêm tốn hơn, còn nhiều bài toán phức tạp để lại chưa giải quyết hoặc giải quyết chưa hiệu quả, đặc biệt là các vấn đề trong bài toán tối ưu hóa tổng thể chế độ vận hành hệ thống. Hệ thống ĐHKK trung tâm chiller là một hệ thống nhiệt qui mô lớn, bao gồm các thiết bị chính và nhiều thiết bị phụ trợ liên kết với nhau theo cấu trúc phân cấp. Điều đó cho thấy đặc điểm và tính chất phức tạp của bài toán tối ưu hóa chế độ vận hành hệ thống. Về bài toán này, còn nhiều vấn đề bỏ trống, đặc biệt là cách đặt và giải quyết bài toán trong điều kiện Việt Nam. Hầu hết các công trình nghiên cứu chỉ mới dừng lại ở việc đánh giá bản chất các quá trình trong từng thiết bị cụ thể như: bơm nước tuần hoàn, tháp giải nhiệt, máy lạnh trung tâm (MLTT) chiller, bộ xử lý không khí... Trong khi đó, mỗi thiết bị thành phần của hệ thống đều có quan hệ phụ thuộc lẫn nhau trong một thực thể thống nhất. Hơn nữa tính chất đa mục tiêu của bài toán tối ưu hóa hệ thống hầu như chưa đặt ra và giải quyết theo quan điểm hệ thống. Trong bối cảnh nghiên cứu tối ưu hóa chế độ vận hành hệ thống ĐHKK trung tâm chiller, nổi lên một vấn đề trung tâm mà ít người quan tâm tới. Đó là bài toán phân phối phụ tải tối ưu giữa các tổ máy máy lạnh đang làm việc. Trong khi đó, bài toán tương tự đã được giải quyết hiệu quả đối với nhà máy nhiệt điện, dựa theo cách đặt vấn đề tối ưu hóa đa mục tiêu và trên cơ sở áp dụng thuật toán vượt khe [12,15,16,20]. Từ những phân tích trên trên đây, mục tiêu nghiên cứu của đề tài luận án đặt ra là xây dựng phương pháp luận giải quyết bài toán tối ưu hóa chế độ làm việc của trạm lạnh trung tâm (TLTT) chiller nhằm cực tiểu hóa tiêu hao năng lượng vận hành. Nội dung nghiên cứu dựa trên cơ sở phát triển áp dụng lý thuyết tối ưu hóa hệ thống lớn và thuật toán tối ưu hóa vượt khe. Kết quả nghiên cứu dự kiến nhằm làm cơ sở cho việc thiết lập chế độ vận hành hợp lý các TLTT chiller. Đối tượng của đề tài hướng tới là các hệ thống ĐHKK trung tâm chiller được sử dụng phổ biến tại Việt Nam, trọng tâm nhằm vào TLTT chiller, nơi tiêu tốn phần lớn lượng điện tiêu thụ của toàn hệ thống. Nội dung chính của luận án được bố cục như sau: - Phần mở đầu nêu tính cấp bách của vấn đề nghiên cứu các giải pháp TKNL trong các hệ thống ĐHKK, đặc biệt trong điều kiện Việt Nam. 2 - Chương 1: Giới thiệu cấu trúc và nguyên lý vận hành một hệ thống ĐHKK trên cơ sở kỹ thuật hiện đại. Phân tích tổng quan các kết quả nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam về các giải pháp giảm thiểu chi phí vận hành hệ thống ĐHKK. - Chương 2: Giới thiệu bài toán tối ưu hóa chế độ vận hành hệ thống lớn và lý thuyết tối ưu hóa vượt khe. Trình bày sự phát triển áp dụng phương pháp luận trên cho hệ thống ĐHKK trung tâm chiller, bao gồm hai bài toán mô hình hóa đặc tính tiêu hao năng lượng và bài toán tối ưu hóa PPPT giữa các tổ máy lạnh trong hệ thống. - Chương 3: Trình bày phương pháp thu thập số liệu vận hành thực tế và cách xử lý đưa về dạng thích hợp cho việc giải bài toán tối ưu hóa chế độ làm việc của hệ thống phục vụ cho quá trình vận hành ở chu kỳ sau. - Chương 4: Áp dụng phương pháp luận đã phát triển trong chương 2 và chương 3 vào bài toán thực tế là tối ưu hóa vận hành TLTT chiller trong tòa nhà Mipec Tower (Hà Nội). Đồng thời, đánh giá hiệu quả kinh tế thu được theo phương thức vận hành tối ưu. - Kết luận: Tóm tắt những kết quả nghiên cứu chính và đề xuất quy trình áp dụng phương thức PPPT tối ưu xác định được đối với các hệ thống ĐHKK tương tự. Kết quả, ý nghĩa khoa học và thực tiễn dự kiến của đề tài bao gồm:  Phân tích hệ thống trên quan điểm tối ưu hóa để xây dựng bài toán tối ưu chế độ vận hành với trọng tâm là TLTT chiller giải nhiệt nước.  Phương pháp xây dựng đặc tuyến năng lượng của các thiết bị chính trong TLTT chiller, dựa theo mô hình đa thức từng khúc bậc hai và áp dụng thuật toán tối ưu hóa vượt khe.  Phương pháp giải bài toán tối ưu hóa chế độ vận hành TLTT chiller với mục tiêu chính là cực tiểu hóa chi phí năng lượng cho vận hành, trên cơ sở áp dụng thuật toán vượt khe.  Phát triển mở rộng phần mềm “Power” áp dụng cho tính toán hiệu quả TKNL và giảm phát thải của quá trình vận hành hệ thống ĐHKK trung tâm chiller. 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Chương 1 giới thiệu tổng quan đặc điểm công nghệ của hệ thống điều hòa không khí trung tâm chiller cùng với các vấn đề trong vận hành hệ thống. Đồng thời, trình bày sơ lược tình hình nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước liên quan đến đề tài, từ đó xác định mục tiêu nghiên cứu của đề tài. 1.1 Các hệ thống điều hòa không khí trung tâm chiller Hệ thống ĐHKK trung tâm chiller là một hệ thống phức hợp bao gồm nhiều thành phần cấu thành và có hoạt động liên động chặt chẽ với nhau. Về cơ bản, nó được xếp vào hệ thống làm lạnh/sưởi ấm gián tiếp thông qua chất tải lạnh, phổ biến là nước, với máy làm lạnh nước trung tâm chiller và các bộ xử lý không khí AHU, FCU kiểu khô hay kiểu ướt. Liên động giữa hai thành phần chính này là hệ thống phân phối nước/chất tải lạnh và hệ thống điện, điện điều khiển phức hợp. Bản thân các bộ xử lý không khí cũng cấu trúc khác nhau theo ứng dụng đi kèm với hệ thống phân phối không khí khác nhau [3, 23, 24, 54]. Tóm tắt cấu trúc và phân loại hệ thống ĐHKK trung tâm chiller được thể hiện ở hình 1.4. Việc gọi tên hệ thống tùy thuộc theo cách phân loại, ứng dụng của hệ thống cũng như các sơ đồ hệ thống khác nhau mà nó là sự tổ hợp của các thành phần và chủng loại thiết bị trong hệ thống. Cấu trúc thành phần của hệ thống được tổ hợp theo nhiều phương thức khác nhau. Chi tiết hơn về cấu trúc hệ thống ĐHKK trung tâm chiller và các thành phần thiết bị của nó được diễn giải ở phụ lục 1. Hệ thống ĐHKK trung tâm chiller được phân loại thành hai loại chính là Hệ thống ĐHKK trung tâm chiller giải nhiệt nước và Hệ thống ĐHKK trung tâm giải nhiệt gió. Hai hệ thống này được phân loại theo loại máy lạnh trung tâm (MLTT) chiller về phương thức giải nhiệt: MLTT chiller giải nhiệt nước và MLTT chiller giải nhiệt gió. Cấu trúc hệ thống ĐHKK trung tâm chiller có thể chia làm hai phần chính: - Phần tiêu thụ hay phụ tải lạnh: bao gồm các thiết bị tiêu thụ năng lượng như AHU, FCU, VAV... và hệ thống đường ống phân phối nước và phân phối không khí, đảm bảo được điều kiện tiện nghi, điều kiện môi trường của không gian sử dụng. - Phần cung ứng năng lượng thường được gọi là TLTT chiller: bao gồm máy lạnh trung tâm chiller và các thiết bị phụ trợ như bơm nước lạnh, bơm nước giải nhiệt, tháp giải nhiệt... đảm bảo cung cấp đủ năng lượng cho phần tiêu thụ năng lượng trong hệ thống. 4 Hệ thống điều hòa không khí trung tâm chiller Máy lạnh trung tâm chiller Các bộ xử lý không khí (FCU, AHU) Hệ thống bơm phân phối nước lạnh, nước giải nhiệt, tháp giải nhiệt Hệ thống quạt phân phối và vận chuyển không khí Các thiết bị và hệ thống điện, điện điều khiển Hệ thống ĐHKK trung tâm chiller giải nhiệt nước Hệ thống ĐHKK trung tâm chiller giải nhiệt gió Điều hòa tiện nghi Điều hòa công nghệ Hệ thống 1 đường ống gió Hệ thống 2 đường ống gió Hệ thống lưu lượng gió không đổi Hệ thống lưu lượng gió thay đổi Hệ thống lưu lượng nước không đổi Hệ thống 2 Hệ thống hồi đường ống ngược nước Hệ thống lưu lượng nước thay đổi Hệ thống 3 Hệ thống 4 đường ống đường ống nước nước Cấu trúc hệ thống Cung cấp năng lượng Xử lý không khí Phân phối nước Phân phối không khí Điện và điều khiển Phân loại theo loại máy lạnh Phân loại theo ứng dụng Phân loại theo đường ống khí Phân loại theo đường ống khí Phân loại theo HT đường ống nước Phân loại theo đường ống nước Hình 1.1 Tóm tắt cấu trúc và phân loại hệ thống điều hòa không khí trung tâm chiller Trong hệ thống ĐHKK trung tâm chiller, TLTT chiller là nơi tiêu hao phần lớn năng lượng tiêu thụ trong hệ thống. Các giải pháp TKNL áp dụng cho TLTT chiller có ý nghĩa quan trọng trong việc giảm chi phí năng lượng tiêu thụ trong toàn hệ thống ĐHKK trung tâm chiller. Giải pháp TKNL trong hệ thống ĐHKK trung tâm chiller bằng phương pháp phân phối phụ tải (PPPT) tối ưu liên quan đến chế độ vận hành trong TLTT chiller đóng một vai trò quan trọng trong việc giảm chi phí vận hành của TLTT chiller nói riêng và hệ thống ĐHKK trung tâm chiller nói chung. 5 1.2 Phân phối phụ tải trong vận hành trạm lạnh trung tâm chiller Hệ thống ĐHKK trung tâm chiller là tổ hợp của nhiều thiết bị cấu thành. Hoạt động của hệ thống ĐHKK trung tâm chiller là sự liên động vật lý và cân bằng năng lượng động. Sự liên động vật lý ở đây là sự phối hợp hoạt động giữa các thành phần bộ phận trong cùng một thiết bị hay cụm thiết bị: các bơm, các tháp giải nhiệt, các MLTT chiller... để đảm bảo cung cấp năng lượng cho các hộ tiêu thụ là các thiết bị xử lý không khí. Sự liên động vật lý còn thể hiện ở toàn bộ hệ thống. Các bộ xử lý không khí chỉ hoạt động khi không gian điều hòa được sử dụng. Các bơm nước chỉ hoạt động khi có các van nước đã ở trạng thái mở, MLTT chiller chỉ chạy khi đồng thời các bơm nước lạnh, bơm nước giải nhiệt, tháp giải nhiệt, bộ xử lý không khí... đã chạy. Sự cân bằng năng lượng động thể hiện trong từng thiết bị trong hệ thống. Nhu cầu tải trong không gian thể hiện ở sự thay đổi nhiệt độ, độ ẩm dưới tác động của môi trường xung quanh và phụ tải trong không gian điều hòa. Phụ tải này được quyết định bởi công suất của các thiết bị xử lý không khí trong từng thời điểm. Công suất của thiết bị xử lý không khí được thể hiện thông qua lưu lượng nước lạnh/nước nóng cấp đến cho thiết bị. Tổng cộng lưu lượng nước cấp đến các bộ xử lý không khí cần cân bằng với tổng lưu lượng nước được cung cấp bởi hệ thống bơm từ TLTT chiller. Tổng công suất lạnh của thiết bị xử lý không khí chính là phụ tải lạnh của hệ thống. TLTT chiller phải đảm bảo cung cấp đủ công suất theo tổng phụ tải của hệ thống, hay ở đây là cần có sự cân bằng năng lượng giữa nguồn cung (TLTT chiller) và hộ tiêu thụ (không gian điều hòa hay thiết bị xử lý không khí). Để đảm bảo được sự liên hệ vật lý và cân bằng năng lượng động, hệ thống ĐHKK trung tâm chiller cần một quy trình và chế độ vận hành an toàn, ổn định. Quy trình vận hành và chế độ vận hành thể hiện sự liên động vật lý và cân bằng năng lượng động trong vận hành trong hệ thống. Mỗi quy trình vận hành phải phù hợp với một hệ thống cụ thể và phải do hệ thống quyết định. Chế độ vận hành đảm bảo sự cân bằng năng lượng giữa nguồn cung (TLTT chiller) và hộ tiêu thụ (phụ tải lạnh). Sự cân bằng này chính là sự đáp ứng và đảm bảo điều kiện tiện nghi trong không gian sử dụng. Phụ tải lạnh của hệ thống ĐHKK trung tâm chịu nhiều yếu tố tác động ngẫu nhiên (như điều kiện thời tiết vùng miền, thời gian trong ngày hay trong mùa, tính chất đồng thời tác động của các phụ tải khác như con người, thiết bị...) và cả các yếu tố tác động được 6 (giá trị đặt điều kiện tiện nghi trong nhà...) nên luôn có tính thay đổi. Để đáp ứng được tính chất thay đổi của phụ tải lạnh, TLTT chiller cần phải có một chế độ vận hành hợp lý, an toàn và hiệu quả. Do vậy các TLTT chiller thường có cấu trúc nhiều MLTT chiller hoạt động song song để tăng độ an toàn và dải điều chỉnh năng suất lạnh phù hợp với sự thay đổi của phụ tải lạnh. Đi kèm với MLTT chiller là các thiết bị phụ trợ như bơm, tháp giải nhiệt... cũng có cấu trúc tương tự. Do cấu trúc song song trong TLTT chiller, yêu cầu về PPPT giữa các tổ máy, cụm thiết bị làm việc song song đóng vai trò quan trọng trong việc thực hiện nâng cao hiệu quả TKNL trong vận hành TLTT chiller bên cạnh yếu tố nâng cao về an toàn và độ tin cậy của hệ thống. Chế độ phân phối đều phụ tải ở đó phụ tải lạnh yêu cầu được chia đều cho tất cả các thiết bị thành phần trong TLTT chiller như tài liệu [61, 64, 68] chỉ được áp dụng trong các TLTT chiller có tất cả các thiết bị thành phần đều được trang bị biến tần, hay chính là hệ thống có biến tần toàn bộ. Chế độ PPPT đều kết hợp lựa chọn số lượng thiết bị/cụm thiết bị trong TLTT chiller vận hành đồng thời để đáp ứng mức phụ tải lạnh yêu cầu là chế độ phân phối điển hình đang được sử dụng cho các hệ thống ĐHKK phổ biến ở Việt Nam và trên thế giới. Ở chế độ PPPT này, phụ tải lạnh yêu chỉ được chia đều cho số lượng MLTT chiller đang vận hành đồng thời để đáp ứng được phụ tải lạnh yêu cầu. Chế độ vận hành này bao gồm cả việc gọi thêm hay ngắt bớt số lượng MLTT chiller vận hành mà vẫn đảm bảo đáp ứng phụ tải lạnh yêu cầu. Chế độ PPPT này được gọi ngắn gọn là chế độ PPPT đều trong luận án này. 1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới 1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nước Trên thực tế trong nước đến nay chưa có một nghiên cứu chi tiết nào về vấn đề tối ưu hóa hoạt động của hệ thống ĐHKK để giải quyết bài toán TKNL. Chỉ có một số bài nghiên cứu nhỏ lẻ nhằm vào khâu thiết kế hoặc ước lượng tiêu thụ năng lượng của hệ thống ĐHKK trung tâm chiller phục vụ cho thiết kế hệ thống mới và kiểm toán năng lượng. Trong các nghiên cứu này có giá trị nhất là các nghiên cứu trong [6, 7]. Theo tài liệu [7], tác giả đã tiến hành nghiên cứu và đề xuất các giải pháp công nghệ ĐHKK theo phân vùng khí hậu các tỉnh phía Bắc. Tác giả tập trung vào nghiên cứu đặc điểm và phân miền khí hậu cũng như tính chất, quy mô của các hệ thống ĐHKK, trên cơ sở đó đề xuất lựa chọn công nghệ ĐHKK phù hợp, hiệu quả hơn. Nghiên cứu này mới dừng lại ở tính 7 định hướng lựa chọn công nghệ và thiết bị phù hợp phục vụ công tác quản lý nhà nước và định hướng phát triển ứng phó với biến đổi khí hậu ở Việt Nam. Tác giả cũng đã nghiên cứu giải pháp TKNL trong thiết kế hệ thống ĐHKK công suất lớn [6], áp dụng giải pháp thu hồi nhiệt thải bằng sử dụng chiller có bộ thu hồi nhiệt. Giải pháp đã mang lại hiệu quả cao cho hệ thống ĐHKK công suất lớn cấp nhiệt và cấp lạnh đồng thời. Tương tự như nghiên cứu trong [5], nghiên cứu trong tài liệu [4] lại áp dụng máy lạnh hấp thụ trong các công trình cấp lạnh – cấp nhiệt đồng thời để nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng. Các giải pháp TKNL của ba loại công trình tiêu biểu là siêu thị, khách sạn cao tầng và tòa nhà văn phòng được nghiên cứu trong [5]. Các tác giả chủ yếu phân tích đặc tính phụ tải của các công trình tiêu biểu trên, áp dụng một số giải pháp TKNL như tăng cường che nắng, sử dụng các bộ thu hồi nhiệt thải. Kết quả nghiên cứu cũng dừng ở mức lý thuyết tính toán ở trên mô hình bằng phần mềm với các điều kiện giả định. Nghiên cứu trong [9] của cùng tác giả cũng chỉ dừng lại so sánh hiệu quả sử dụng năng lượng của hai hệ thống ĐHKK VRV và chiller cho một công trình cụ thể dựa trên phân tích lý thuyết và thiết kế hệ thống cho công trình, kết quả cũng chỉ đưa ra kết luận sử dụng hệ thống ĐHKK nào phù hợp cho cụ thể công trình. Nghiên cứu các bộ xử lý không khí AHU với dàn nước hồi nhiệt trong tài liệu [10] mới dừng lại ở việc đánh giá hiệu quả sử dụng năng lượng đối với các bộ AHU ứng dụng trong không gian điều hòa có điều chỉnh nhiệt độ, độ ẩm đồng thời. Nghiên cứu trong tài liệu [17, 18], các tác giả cũng chỉ mới dừng lại ở việc đánh giá hiệu quả sử dụng năng lượng của máy điều hòa gia dụng, trên cơ sở đó tư vấn cho chính phủ lựa chọn và xây dựng chương trình dán nhãn TKNL cho các máy điều hòa gia dụng trong điều kiện Việt Nam. Tổng quát hóa các nghiên cứu trong nước đối với hệ thống điều hòa trung tâm chiller có thể thấy, hầu hết các nghiên cứu mới dừng lại ở việc tìm kiếm các giải pháp thiết bị, công nghệ hay lựa chọn hệ thống ĐHKK TKNL hơn [4, 8~11]. Các nghiên cứu chủ yếu để phục vụ cho công tác xây dựng hệ thống mới ở giai đoạn tư vấn lập dự án đầu tư hay giai đoạn thiết kế [5~ 8] mà chưa có nghiên cứu nào phục vụ cho việc nâng cấp, cải tạo hay đơn giản hơn là giữ nguyên hệ thống cũ bằng giải pháp thay đổi chế độ vận hành để nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng. 8 1.3.2 Đánh giá chung các phương pháp nghiên cứu tối ưu hóa tiêu hao năng lượng cho hệ thống điều hòa không khí ở nước ngoài Trong vài chục năm gần đây có rất nhiều các tác giả nghiên cứu vấn đề tối ưu hóa tiêu hao năng lượng cho hệ thống ĐHKK, trong đó phương pháp nghiên cứu của Wei Jiang và T. Agami Reddy là nổi bật hơn, rõ ràng hơn cả. Các tác giả đã tổng quát các phương pháp tổng hợp tối ưu kỹ thuật cho các TLTT chiller bằng phương pháp giải tích ứng dụng công cụ máy tính bao gồm: phương pháp giải tích xác định và phương pháp giải tích bất định [70, 71]. 1.3.2.1 Phương pháp giải tích xác định Theo tài liệu [70], bằng phương pháp giải tích xác định, Wei Jiang và T. Agami Reddy đề xuất áp dụng các kết quả mô hình hóa toán học của hiệu suất năng lượng từng thành phần thiết bị chính trong hệ thống bao gồm: chiller, tháp giải nhiệt, bơm và quạt. a) Mô hình thiết bị Mô hình cho chiller của Gordon Ng (GN) Mô hình bán thực nghiệm của Gordon Ng dự toán sự phụ thuộc hiệu quả năng lượng COP [23] của chiller vào một số yếu tố có thể đo được như: nhiệt độ hồi của chất lỏng (nước hay môi chất lạnh) từ bình ngưng, nhiệt độ nước ra khỏi bình bay hơi và năng suất lạnh của bình bay hơi. Phương pháp đã được kiểm định trên 50 loại chiller sử dụng máy nén hơi các loại với công suất khác nhau và cho kết quả khá chính xác để dự đoán COP: +1 , , Trong đó: −1= , ( + , , , ) + ( , ) - a1, a2, a3 là các hệ số hồi quy tìm được từ dữ liệu vận hành của chiller; - TGN,i là nhiệt độ nước giải nhiệt ra khỏi bình ngưng, K - (1.1) TNL,o là nhiệt độ nước lạnh cấp hay chính là nhiệt độ ra khỏi bình bay hơi, K Mô hình máy lạnh hấp thụ một cấp theo mô hình của Gordon Ng cũng được Jiang và Reddy (2003) phát triển với sai số 6 ~ 8% cho máy lạnh hấp thụ hai cấp dùng hơi hoặc nước nóng: , , , − , , , = + 9 , , (1.2) Trong đó: - Tgen,i là nhiệt độ nguồn nhiệt cấp đến máy lạnh hấp thụ, K bo, b1 là các hệ số hồi quy tìm được từ dữ liệu vận hành của chiller Mô hình cho tháp giải nhiệt Mô hình cho tháp giải nhiệt thực hiện theo mô hình hệ số mật độ dòng nhiệt hiệu quả (Effectiveness-NTU). NTU nguyên gốc được định nghĩa cho thiết bị trao đổi nhiệt kiểu bề mặt, đã được điều chỉnh bởi Braun (1988) và Braun cùng cộng sự (1989) để mô hình hóa đặc tuyến của các tháp giải nhiệt bằng việc sử dụng giả thuyết tuyến tính hóa entanpi bão hòa của không khí: = (1.3) Trong đó: - - c và n là các hệ số được xác định bằng cách thay đổi lưu lượng không khí qua tháp giải nhiệt Lkk (m3/h) khi lưu lượng nước giải nhiệt LGN (m3/h) đi qua tháp không đổi; NTU là hệ số mật độ dòng nhiệt hiệu quả của tháp giải nhiệt. Từ phương trình cân bằng năng lượng của tháp giải nhiệt, nhiệt độ nước giải nhiệt ra khỏi tháp giải nhiệt được xác định theo: = , + , , , , , , (1.4) , Trong đó: - TGN,i, TGN,o là nhiệt độ nước giải nhiệt vào và ra khỏi tháp giải nhiệt, K - LGN,i và LGN,o là lưu lượng nước giải nhiệt vào và ra khỏi tháp giải nhiệt, m3/h - Ikk,i và Ikk,o là Entanpi của không khí vào và ra khỏi tháp giải nhiệt, kJ/kg.K Mô hình cho bơm và quạt Mô hình cho bơm và quạt được xác lập bằng mô hình đa thức bậc ba biểu diễn quan hệ của công suất điện Np và công suất lưu lượng Lp của bơm hay quạt. Đặc tuyến làm việc của quạt hoặc bơm ở điều kiện bán tải được xác định theo: ( )= Trong đó: , + [ ( )] + 10 [ ( )] + [ ( )] (1.5) - Np,0 : Công suất điện định mức của động cơ bơm hay quạt, kW Np(t) : Công suất điện của động cơ bơm hay quạt ở công suất lưu lượng bán tải thứ Lp(t), kW e0 đến e3 là các hệ số hiệu suất của quạt; PLR(t): Hệ số bán tải xác định bằng tỷ lệ giữa công suất lưu lượng ở chế độ bán tải Lp(t) và công suất lưu lượng định mức của bơm hay quạt Lp,0. ( )= ( ) (1.6) , Trong hệ thống có lưu lượng nước không đổi, công suất điện Np,o được coi là không đổi. Tuy nhiên, trong hệ thống có lưu lượng thay đổi, công suất điện của bơm là hàm của phụ tải tòa nhà, cụ thể hơn ở đây là lưu lượng nước. Phenal và cộng sự (1997) đã nghiên cứu khả năng tuyến tính hóa bằng mô hình hàm bậc hai cho quan hệ giữa Np(t) và Lp(t), đường đặc tuyến thu được cũng tương tự như đường đặc tuyến thu được ở (1.5). b) Các phương pháp giải Trên cơ sở lập được mô hình toán học của các thành phần trong hệ thống điều hòa trung tâm chiller, các tác giả đề xuất các phương pháp chung để giải bài toán tối ưu vận hành theo phương pháp giải tích xác định. Bản chất phương pháp này là tối ưu có điều kiện rằng buộc tham số [70]. Cụ thể như sau: Phương pháp công thức hóa các hàm đối tượng Hàm đối tượng ở đây là hàm giá của tiện ích mà nó sẽ khác nhau theo các điều kiện tính giá khác nhau. Hàm tính giá theo thời gian thực RTP không kể đến các chi phí yêu cầu là tổng của chi phí vận hành ở điều kiện vận hành ổn định P cộng thêm giá của chi phí năng lượng phát sinh trong các giai đoạn khởi động SC. Hàm tính giá có thể biểu diễn bằng: = , , + (1 − Điều kiện là: hi(x1, x2, x3, …, xK) = bi ≤ ) , i = 1, 2, 3, …, t gj(x1, x2, x3, …, xK) < cj ≤ , j = 1, 2, 3, …, n 11 k = 1, 2, …, K , (1.7) (1.8) (1.9) (1.10) Trong đó t và k là chỉ số cho khoảng thời gian và thiết bị, T và K là tổng thời gian cho mỗi khoảng thời gian và tổng số các thiết bị; các biểu thức (1.8) ~ (1.10) là các giới hạn cân bằng, giới hạn không cân bằng và giới hạn cho dải làm việc tương ứng; x1, x2, x3, …, xK là các biến điều khiển còn P và SC là các hàm của các biến điều khiển x. Trong trường hợp sử dụng hàm tính giá theo yêu cầu TOU thì sẽ phức tạp hơn do hàm tính giá bao gồm cả giá điện và giá khí đốt ổn định (giá năng lượng + giá yêu cầu) cũng như là giá ở giai đoạn khởi động. Hàm tính giá được tính như (1.11) và cũng phải thỏa mãn điều kiện (1.8) đến (1.10). = ( )+ 1− + , , , (1.11) Phương pháp dự toán tổng năng lượng tiêu hao dựa trên tối ưu hóa tĩnh Vấn đề tối ưu hóa vận hành nhà máy đáp ứng được phụ tải xác định trước bao gồm hai mức độ của cấu trúc phân cấp do hai loại biến điều khiển khác nhau. Thứ nhất, biến điều khiển đảm bảo mức độ cao hơn liên quan đến các biến điều khiển rời rạc mà không thể điều khiển liên tục được như là số lượng chiller, tháp giải nhiệt, bơm giải nhiệt, bơm nước lạnh… hoạt động đồng thời. Thứ hai, biến điều khiển ở mức thấp hơn là trên khía cạnh kinh tế, liên quan đến các biến cần phải điều khiển liên tục. Các biến điều khiển độc lập có thể bao gồm: giá trị đặt của nhiệt độ nước lạnh, lưu lượng nước lạnh qua chiller, tháp giải nhiệt, tốc độ biến tần của quạt và bơm… Do đó, tối ưu vận hành phải quan tâm đến cả hai yếu tố gồm quyết định lựa chọn máy nào chạy và chạy nó như thế nào. Phương pháp tối ưu hóa tĩnh là phương pháp tính bằng tối ưu chi phí vận hành cho từng bước khoảng chia thời gian, ví dụ như là từng giờ. Các thành phần cấu thành giá chỉ bao gồm chi phí giá điện và khi ở chế độ ổn định ở từng giờ. Do đó tổng số lượng được tối thiểu hóa. Hàm giá FS chỉ bằng tổng chi phí năng lượng, tức là tổng các chi phí của tất cả các thiết bị đang vận hành. Năng lượng tiêu thụ Pk cho mỗi thành phần thứ k là hàm của đặc tuyến thành phần thứ k đó phụ thuộc vào các biến điều khiển được xác định bởi các bộ hàm đẳng thức đầu ra. Chi phí năng lượng sử dụng của thành phần thứ k liên quan đến đơn giá tổng hợp Rk phụ thuộc vào mỗi thời gian (ví dụ như là đơn giá ở mỗi giờ trong ngày). Bộ các biến tối ưu hóa, xk, là nguồn để tối thiểu hóa hàm giá trong suốt khoảng chia thời gian liên quan đến các biến điều khiển rời rạc và liên tục. 12 = (1.12) Các chế độ vận hành tổng quát Có rất nhiều chế độ vận hành khả thi (nghĩa là các khả năng tổng hợp nhiều thiết bị để đáp ứng yêu cầu ở một điều kiện xác định). Lưu ý rằng chế độ vận hành khả thi là chế độ đáp ứng các điều kiện, trong khi bộ các chế độ vận hành bao gồm tất cả các khả năng tổng hợp trạng thái của các biến điều khiển rời rạc điều khiển được mà không phá vỡ bất kể điều kiện rằng buộc nào. Phương pháp tiếp cận ở đây là lập thành bảng ở dạng ma trận cho các loại thiết bị. Ma trận này phải thỏa mãn các điều kiện giới hạn phỏng đoán để tự động tìm ra các chế độ vận hành khả thi cho mỗi loại thiết bị, từ đó tạo ra được tất cả các chế độ vận hành khả thi của cả trạm lạnh. Xác định các giá trị đặt điều khiển tối ưu cho thiết bị. Sử dụng thuật toán chương trình tuần tự bậc 2 (Fletcher 2001) để xác định các giá trị đặt vận hành tối ưu (ví dụ như phần trăm bán tải của chiller, tốc độ của quạt tháp giải nhiệt) để tối thiểu hóa chi phí năng lượng cho chế độ vận hành. Thực hiện giải tích này cho tất cả các tổ hợp có thể có của các thiết bị, các giá trị đặt điều khiển cho các thiết bị ở chế độ tối thiểu hóa chi phí năng lượng được xác lập cho tất cả các tổ hợp chế độ vận hành được xác định. Từ đó tìm ra được chế độ vận hành tối ưu nhất cho phụ tải yêu cầu. Giải tích mặt phản hồi trong vận hành tối ưu cho mỗi chế độ vận hành. Các phương pháp xác định chế độ vận hành tối ưu để đáp ứng được phụ tải yêu cầu ở trên gặp khó khăn khi áp dụng vào thực tiễn được do quan điểm tính toán sử dụng để dự đoán được đường tối ưu trong suốt thời gian, hay trường hợp động của hệ thống. Năm 1995, Koeppel và công sự đã xác lập phương pháp đơn giản hóa cơ bản quá trình xác định điểm cài đặt điều khiển tối ưu cho máy lạnh hấp thụ hiệu ứng kép. Theo đó, tác giả đề xuất phương pháp thực nghiệm tổng quát, cụ thể hơn là mô hình bề mặt như một phương tiện tính toán trên máy tính cho phù hợp. Trước hết, cần phải xác lập một loạt chế độ vận hành mô hình ở rất nhiều điều kiện vận hành khác nhau, giống như điều kiện vận hành xác định bởi nhà sản xuất. Tiếp theo phải xác định chế độ vận hành tối ưu cho mỗi điều kiện bằng sử dụng mô hình hóa đa thức để biểu diễn cho các phương pháp điều khiển tối ưu. Mô hình hóa này thay thế cho mô hình số ở trên (ma trận chế độ vận hành) và kể đến tất cả những ảnh hưởng liên quan đến phân tích tối ưu bất định mà cần đến hàng nghìn mô hình cho 13 thiết bị thực. Do đó nó sẽ giảm đi thời gian tính toán đáng kể để dự đoán được chi phí năng lượng khi phụ tải tòa nhà tương ứng với tổ hợp khác nhau của thiết bị lớn (trong TLTT chính là chiller). Phép dự đoán này cho phép khi nào cần tắt hay bật thiết bị lớn. Các mô hình bề mặt chỉ tạo ra cho từng trạm lạnh và được cập nhật mỗi khi thiết bị được thay thế hay đặc tuyến làm việc của thiết bị thay đổi [70]. Khó khăn lớn nhất của mô hình hóa bề mặt phản hồi là không xác định được mối liên hệ giữa các biến phản hồi và các biến độc lập. Do đó, bước quan trọng là phải xác định hàm xấp xỉ cho hàm thực quan hệ giữa biến phản hồi và bộ các biến độc lập. Thông thường người ta sử dụng mô hình hóa đa thức trong vài vùng biến độc lập. gian Phương pháp tối thiểu hóa chi phí năng lượng của trạm lạnh trong khoảng thời Tổng chi phí năng lượng cho mỗi chế độ vận hành trong mỗi khoảng thời gian (hàng giờ) thu được từ kết quả hồi quy của mô hình hóa bề mặt. Bước tiếp theo là xác định được quy trình vận hành tối ưu trong cả quãng thời gian dài (hàng ngày). Do đó, phụ tải hiện tại và tương lai cần phải xem xét đồng thời. Khi tính đến cả nhu cầu tải thay đổi, vấn đề tối ưu hóa phải giải quyết việc lập kế hoạch vận hành của thiết bị đáp ứng được phụ tải với hiệu suất càng cao càng tốt, đồng thời tránh ảnh hưởng của tiêu hao năng lượng ở giai đoạn khởi động. Phương pháp cơ bản là áp dụng thuật toán Dijikstra (Dijikstra 1959) để giải vấn đề trình tự vận hành của chiller theo thuật toán nhanh nhất, mà trong trường hợp này là thuật toán dẫn đến chi phí thấp nhất. Tổng quát hóa phương pháp giải tích xác định của tác giả [70] là đề xuất một phương pháp kỹ thuật xác định gắn liền việc lựa chọn đặc tuyến thiết bị ở phụ tải cho phép, đồng thời với việc xác định các biến điều khiển cài đặt thông qua tổng hợp các tối ưu phi tuyến để hội tụ nhanh nhất. Tối ưu hóa bằng phương pháp quy hoạch hóa vận hành và các biến điều khiển dưới các cấu trúc khác nhau được giải quyết bằng các mô hình bề mặt để xác định chi phí năng lượng cho các cấu hình thiết bị khác nhau trong điều kiện vận hành và giá nhiên liệu khác nhau. 1.3.2.2 Phương pháp giải tích bất định Trong thực tế, điều kiện vận hành chịu ảnh hưởng của nhiễu trong và nhiễu ngoài như đặc tuyến của van điều khiển, thiết bị… khiến cho hầu hết các phương pháp tối ưu giải tích xác định chưa mang lại lời giải hiệu quả. Hoạt động của hệ thống diễn ra luôn luôn không ổn định, chế độ vận hành thay đổi do đó các phương pháp giải tích có tính đến các 14 yếu tố bất định cho kết quả chính xác hơn và thực tế hơn. Phương pháp giải tích xác định cung cấp một nền tảng cơ bản chuẩn liên quan đến mô hình và bộ các dụng cụ mà nhờ đó người quyết định có thể xây dựng và phân tích một tình huống xác định (Clement và Railly 2001). Các phương pháp giải tích bất định trong rất nhiều mô hình tối ưu đã được lựa chọn để ứng dụng trong nhiều lĩnh vực bao gồm các lĩnh vực hệ thống kỹ thuật phức tạp, kinh tế, vật lý, khoa học xã hội… [71]. Theo Pistikopoulos (1995) cách phân loại phù hợp cho tính bất định dựa trên nguồn gốc gây ra sự bất định: 1) Tính bất định của thuộc tính mô hình hóa, bao gồm rất nhiều các bất định của mô hình hóa thành phần khác nhau do dữ liệu không chính xác hoặc không đầy đủ hoặc thiếu các hàm mô tả dẫn đến mô hình; 2) Tính bất định của thuộc tính quá trình do giới hạn điều khiển trong đó các biến quyết định có thể được điều khiển trong thực tế; 3) Tính bất định do ngoại suy bao gồm cả các sai số trong dự đoán các hàm hệ thống như đặc tuyến phụ tải tòa nhà, nhiệt độ bầu ướt hay giá điện thay đổi. Nguồn gốc của sự bất định trong nền tảng tổng quát liên quan đến tối ưu hóa giải tích xác định trong cả quy trình kế hoạch được diễn giải như sau: a) Nguồn gốc của các thuộc tính bất định Tính bất định do mô hình hồi quy lồng nhau. Sự sai khác giữa đặc tuyến thực và đặc tuyến có được từ mô hình do sự phức hợp các giới hạn là nguyên nhân chính dẫn đến thuộc tính bất định của trạm lạnh. Nguyên nhân khác là do dữ liệu không đầy đủ hoặc sai số dữ liệu dùng để thiết lập mô hình. Thông thường các biến và các nhiễu trong mô hình có thể giải quyết bằng sai số trong mô hình. Sai số này thường được biểu diễn dưới dạng bình phương cực tiểu trong mô hình với một biến nhận được y và biến hồi quy p theo biến x: y(n,1) = x(n,p)β(p,1) +ε(n,1)(0,σ2) (1.13) Các chỉ số phụ biểu diễn số hàng và cột của véc tơ hay ma trận. Sai số ngẫu nhiên được giả định có mật độ phân phối bình thường với biến σ2 bỏ qua sai số của chính nó. Chi phí năng lượng dự kiến trong mỗi giờ thu được từ mô hình hóa bề mặt cho mỗi chế độ vận hành của hệ thống cho phép dự đoán chi phí vận hành tối thiểu ở một giá trị xác định của biến tác động. Do cả biến tác động và mô hình thu được được xây dựng trên biến tác động có tính bất định do sai số phụ và sai số bình phương cực tiểu. Chi phí năng lượng 15 dự đoán cũng chịu tác động của giá trị sai số mô hình tích phân bất định của bộ phận (σc) và độ bất định của mô hình bề mặt (σr). Pele(Pgas) = f(Qo, Twb, Rele, Rgas) + ε(0,σ2) (1.14) ε(0,σ2) = εc(0,σc2) + εr(0,σr2) (1.15) ε là sai số tiêu hao năng lượng dự tính εr – Sai số của mô hình bề mặt bằng : εc – Tổng sai số của các mô hình cho nhóm cụm thiết bị thành phần được biểu diễn εc(0,σc2) = εCH(0,σCH2) + εCT(0,σCT2) +… (1.16) εc2 = εCH2 + εCT2 +… (1.17) εCH sai số của mô hình cho chiller, εCT sai số của mô hình tháp giải nhiệt… Tính bất định do giới hạn điều khiển Ảnh hưởng của điều khiển đến tính bất định trên hàm tính giá theo lịch trình vận hành động cần được xem xét do phương thức điều khiển thực hiện bằng tín hiệu phản hồi cấp thấp ở các bộ điều khiển. Ở đó việc theo sát giá trị cài đặt thường bị ảnh hưởng do giới hạn của thiết bị đầu ra (van điều khiển) và thuộc tính không mô hình hóa theo thời gian, không tuyến tính… cũng như các nhiễu. Tính bất định trong điều khiển nhiệt độ nước lạnh hay tốc độ của bơm hay quạt thường đại diện bởi giới hạn trên và giới hạn dưới. Do giới hạn của các van điều khiển mà độ chính xác điều khiển nhiệt độ thường dao động trong khoảng 0,5 ~ 1,5oC và khoảng 2% ~ 5% cho tốc độ bơm hay quạt. Tính bất định trong hàm tác động biến thời gian Thực tế không thể xác định được chính xác tuyệt đối đặc tuyến phụ tải của tòa nhà, nhiệt độ bầu ướt, giá điện theo thời gian thực trong suốt khoảng thời gian hoạt động thực của trạm lạnh. Các biến này thường phân tán vào buổi sáng, gây ảnh hưởng và có thể tác động nhiệt độ môi trường lớn hơn dự tính (Henze và Krarti 1999). Do đó cần dùng chiến lược tối ưu đủ mạnh dưới tác động của các sai số và nhiễu này. Các phương pháp dự đoán khác nhau cho độ chính xác khác nhau. Các mô hình dự đoán được dùng có thể từ rất đơn giản đến phức tạp hơn (như bin dự đoán hay mô hình hài) cho đến rất phức tạp (như mạng nơ ron tự động hồi quy [Henze 1995]). Một thuật toán đơn giản để dự đoán tải tòa nhà được đề xuất bởi Seem và cộng sự (1989) và hiệu chỉnh 16 bởi Seem cùng Braun (1991) là thuật toán ‘trung bình’ xu hướng thời gian trong ngày và thời gian trong tuần được mô hình hóa sử dụng bảng thời gian và loại ngày như một biến xác định đầu vào. Dữ liệu đầu vào của bảng được cập nhật bằng mô hình hóa chuyển động cấp số nhân. Kết quả cho thấy sự trùng khớp của mô hình và giá trị đo được. Bốn mô hình dự đoán phụ tải bất định được đề xuất bởi Henze và Krati (1999) để xác định ảnh hưởng của dự đoán bất định đến đặc tuyến tiết kiệm chi phí của hệ điều khiển cho hệ thống trữ lạnh, trong đó có hai mô hình được sử dụng ở đây do phù hợp hơn. b) Phân tích độ nhạy (Sentivity analytis) Mô hình của Monte Carlo là phương pháp thuận tiện để nghiên cứu một chiến lược vận hành tối ưu và để đánh giá các mức độ quan trọng quan hệ của các bất định. Mô hình được ứng dụng trong các chiến lược vận hành tối ưu xác định để nghiên cứu sự bất định do : (1) tính bất định do mô hình hóa (sai số mô hình bề mặt và sai số mô hình từng thành phần) ; (2) tính bất định do mô hình hóa và dự đoán phụ tải bất định và (3) tính bất định do mô hình hóa, dự đoán phụ tải bất định và điều khiển bất định. Bằng cách so sánh chi phí vận hành của hệ thống trong các tình huống khác nhau để đánh giá được mức độ quan trọng quan hệ của các bất định. c) Giải tích xác định bằng nền tảng đa mục tiêu Chiến lược vận hành khác nhau có thể có đặc tuyến bất định khác nhau ở mức độ hội tụ khác nhau. Đầu ra (mục tiêu) của vấn đề là bao nhiêu mục tiêu cụ thể (trong trường hợp này là dự tính chi phí vận hành, sự thay đổi chi phí vận hành chuẩn hay khả năng bị thiếu tải lạnh (độ tin cậy). Do đó ta phải đối mặt với vấn đề cân bằng tất các mục tiêu để có thể có được “quyết định tốt nhất”: Quyết định đa mục tiêu [71]. Xem xét mục tiêu với nhiều thuộc tính (x1, x2, …, xn), hàm thuộc tính có tính đến các thuộc tính Ui(xi). Hàm đa mục tiêu đơn giản hóa bằng mô hình tuyến tính với mỗi trọng số ki gán cho mỗi thuộc tính, do đó hàm đa mục tiêu của mô hình đã được xác định: U(x1, x2, …, xn) = k1U1(x1) + k2U2(x2) +… = ( ) (1.18) Trong đó các trọng số thỏa mãn k1 + k2 + … + kn = 1 Mô hình hóa toán học của Gordon-Ng (GN) cho máy lạnh dùng máy nén hơi và máy lạnh hấp thụ được thể hiện bằng mối liên hệ giữa COP của máy lạnh phụ thuộc vào các yếu tố ảnh hưởng đo đếm được như: nhiệt độ nước lạnh vào/ra; mức tải lạnh của máy 17 lạnh ở chế độ vận hành. Qua đó cho phép dự đoán COP của máy lạnh tương ứng mức tải của chiller. Trên cơ sở mô hình toán học được xác lập, các tác giả tiến hành lập bài toán tối ưu chế độ vận hành theo nhiều cách khác nhau: công thức hàm mục tiêu; dự đoán tiêu hao năng lượng dựa trên các trường hợp tối ưu hóa tĩnh; xác định các điểm đặt điều khiển tối ưu hay phân tích hình dáng phản hồi dựa trên tối ưu hóa vận hành cho mỗi chế độ vận hành... Bằng phương pháp giải tích bất định trong tài liệu [71], các tác giả đề xuất sử dụng các phương pháp tổng hợp và tính toán hiệu quả để xác lập lịch trình động và điều khiển tối ưu bằng phương pháp tiếp cận tối ưu giải tích xác định. Các tác giả sử dụng các phương pháp mô hình hóa để đánh giá mô hình thu được như mô hình hồi quy lồng nhau, tính bất định do giới hạn điều khiển hay dự đoán bất định trong các chức năng thời gian biến thể buộc, các phân tích độ nhạy hay giải tích xác định bằng nền tảng tiện ích đa thuộc tính. Kết quả của lời giải tối ưu thu được để cực tiểu hóa chi phí năng lượng của trạm lạnh trong một quá trình. Tổng kết lại ta có thể thấy, phương pháp giải tích xác định chỉ mới xây dựng được biểu thức toán đặc tuyến của bơm và quạt là tường minh. Các mô hình giải tích cho MLTT chiller và tháp giải nhiệt sẽ khó áp dụng được do mô hình thu được quá phức tạp và thường là hàm bậc cao, cũng như cần đến các phương pháp quy hoạch bất định để tìm các hệ số của hàm. Do đó hướng nghiên cứu dựa trên quy hoạch bất định là một hướng đi đúng để nghiên cứu tối ưu hóa vận hành của TLTT chiller nói riêng và hệ thống ĐHKK nói chung. 1.3.3 Các nghiên cứu của Thomas Hartman Thomas Hartman là một chuyên gia cao cấp ở Washington, Oregon, California và Bristish Columbia Canada. Ông là một trong những người tiên phong phát triển các chương trình mô hình hóa năng lượng tòa nhà theo giờ, phát triển thuật toán điều khiển động, điều khiển VAV. Từ những năm 1995, ông đã phát triển các thuật toán điều khiển ứng dụng trong TLTT mang lại hiệu quả cao về TKNL. Ông cũng là tác giả của nhiều giải pháp thiết kế và ứng dụng cho các hệ thống ĐHKK TKNL như: “Nguyên lý hiệu quả biên đồng đều”, “điều khiển quan hệ”, “Hartman LOOP”. Ông cũng là tư vấn biên tập cho tạp chí Heating / Piping / Air Conditioning (HPAC). 1.3.3.1 Nguyên lý hiệu quả biên đồng đều Nguyên lý điều khiển theo mạch kín như PI/PID cơ bản thường được sử dụng trong các ứng dụng ĐHKK. Về nguyên tắc nguyên lý điều khiển mạch kín là tín hiệu phản hồi được đưa trở lại bộ điều khiển để điều khiển các biến đầu vào sao cho biến đầu ra điều 18 khiển thiết bị duy trì tín hiệu tham chiếu mong muốn (các điểm đặt điều khiển). Kỹ thuật ĐHKK hiện đại cho thấy nguyên lý điều khiển mạch kín có nhiều hạn chế [58, 61, 63]. Ví dụ như điều khiển hộp VAV (Variable Air Volume Box – Hộp lưu lượng gió thay đổi), nếu không gian điều hòa chưa đạt được giá trị nhiệt độ đặt mong muốn thì thường là sẽ không có tín hiệu phản hồi về bộ điều khiển để tăng lưu lượng gió hay giảm nhiệt độ gió cấp để giảm nhanh thời gian đạt được giá trị mong muốn. Ngày nay điều khiển VAV thường bao gồm 2 mạch vòng điều khiển: Điều khiển nhiệt độ gió cấp và lưu lượng gió. Tuy nhiên hai mạch vòng điều khiển này thiếu đi liên động điều khiển để đạt được hiệu quả và tiện nghi tối ưu. Trong hệ thống có nhiều thành phần thiết bị được điều khiển tuyến tính toàn bộ như bơm, tháp giải nhiệt, chiller, quạt, tín hiệu điều khiển cho từng thành phần không đồng nhất nên hạn chế khả năng phối hợp các thành phần để tìm ra được chế độ hoạt động tối ưu cho hệ thống [63]. Hartman đã đề xuất nguyên lý hiệu quả biên đồng đều trong tài liệu [58] và cũng được giới thiệu trong [3]. Nội dung cơ bản của nguyên lý này là “Hiệu quả biên ở mỗi thành phần trong toàn hệ thống phải đều nhau”. Nguyên tắc của phương pháp là coi cả hệ thống là một thể thống nhất theo mức phụ tải yêu cầu. Trên cơ sở đó, xây dựng đặc tuyến tiêu hao điện của mỗi thành phần theo mức phụ tải yêu cầu. Khái niệm hiệu quả biên được hiểu là độ dốc của đường cong biểu diễn đặc tuyến mối quan hệ giữa đầu ra (mức phụ tải yêu cầu) tính trên đơn vị cấp vào (điện tiêu thụ) ở từng thành phần của hệ thống. Phương pháp đặt vấn đề này cũng giống với các nghiên cứu trong [12~16, 48] nhưng khác nhau ở đối tượng nghiên cứu trong [12~16, 48] linh hoạt hơn. Khi áp dụng phương pháp hiệu quả biên đồng đều, phương pháp điều khiển mạch kín được thay thế bằng phương pháp điều khiển theo nhu cầu (Demand based Control [61, 64] hay Demand Limiting Control [35]). Ở đây, mối quan tâm không phải là các giá trị đặt nhiệt độ, áp suất… mà là công suất điện cấp vào cho từng thành phần trong mối quan hệ tổng thể sao cho công suất điện cho toàn hệ thống là nhỏ nhất. Do đó, sẽ không phải thường xuyên quan tâm đến việc hiệu chỉnh các sai lệch như ở phương pháp điều khiển mạch kín để tạo độ ổn định cho vận hành. Hartman cũng đưa ra quy trình thiết kế TLTT chiller dựa trên nguyên lý hiệu quả biên đồng đều. Dựa theo nguyên lý này, nhóm các thiết bị chiller, bơm nước lạnh, bơm nước giải nhiệt được gộp thành 1 cụm thiết bị. Tất cả các thành phần trong cụm thiết bị đều được điều khiển bằng biến tần [56, 61]. TLTT chiller sẽ bao gồm một số cụm thiết bị như 19 trên. Trên cơ sở đó, thiết lập tối ưu từng thành phần trong cụm thiết bị và tối ưu các cụm thiết bị để tối ưu hóa cho cả trạm lạnh. COP của từng cụm thiết bị thứ i (chiller, tháp giải nhiệt, bơm nước lạnh, bơm nước giải nhiệt) được xác định theo tổng năng suất lạnh của cụm, Qio, và tổng công suất tiêu thụ điện của tất cả m thành phần trong cụm thiết bị: = (1.19) ∑ COP của cả trạm lạnh gồm n cụm thiết bị được xác định theo: = ∑ 1 1 (1.20) Khá phức tạp để xác định biên của COPi của mỗi cụm thiết bị do cần đến cả các thông số đầu ra và đầu vào của hệ thống đối với các yếu tố đặc tuyến độc lập trong thành phần hệ thống. Khi điều chỉnh công suất của một cụm thiết bị trong khi các cụm khác không thay đổi, chế độ vận hành và đặc tuyến của cụm thiết bị trong hệ thống có thay đổi. Việc xác định biên COP cả hệ thống cần đến các hàm toán tính toán tổng năng suất lạnh Qo dựa trên các thay đổi của điện năng tiêu thụ cho mỗi cụm thiết bị trong hệ thống. Đặc tuyến biên của hệ thống ở mỗi điểm làm việc của cụm thiết bị trong hệ thống là hàm của điện tiêu thụ đầu vào của mỗi cụm thiết bị: Qo = f(N1, N2, N3,…) Giới hạn biên của mỗi cụm thiết bị được xác định theo: = (1.21) (1.22) Hạn chế cơ bản của phương pháp là không áp dụng được cho hệ thống cấp lạnh và cấp nhiệt đồng thời. Phương pháp cũng chỉ phù hợp với hệ thống có tất cả các thành phần mà đường đặc tuyến quan hệ công suất điện đầu vào và phụ tải là tuyến tính, hay rõ hơn là các thành phần trong hệ thống được điều khiển bằng biến tần [3, 56, 59]. 20 1.3.3.2 Nguyên lý phân tích tối ưu hóa LOOP Hartman LOOP được Thomas Hartman đề xuất cho hệ thống chiller biến tần toàn bộ. Phân tích tối ưu hóa LOOP [3, 61] bao gồm hai bước như trong hình 1.7. Hình 1.2 Sơ đồ phân tích tối ưu hóa LOOP Bước đầu tiên là bước phân tích quá trình, các tòa nhà được mô phỏng phụ tải bằng chương trình mô hình hóa từng giờ để xác lập đường đặc tuyến phụ tải tòa nhà và đặc tuyến nhiệt độ bầu ướt cho mức phụ tải từng bước 10%. Điều này đã được Hartman thực hiện trong nhiều tòa nhà ở nhiều điều kiện thời tiết khác nhau để tìm ra đặc tuyến phụ tải và đặc tuyến nhiệt độ bầu ướt tương ứng vùng khí hậu. Hartman cũng thấy rằng đặc tuyến phụ tải của các tòa nhà có cấu trúc khác nhau trong cùng vùng khí hậu có đặc tuyến tương tự nhau, điều đó dẫn đến kết luận rằng, cấu trúc tòa nhà có thể ảnh hưởng đến kích thước của trạm lạnh nhưng chỉ có ảnh hưởng rất nhỏ đến đặc tuyến phụ tải tòa nhà. Với đặc tính đó, Hartman có thể tạo ra đặc tuyến điển hình cho các tòa nhà thương mại. Sử dụng mô hình đặc tuyến phụ tải theo giờ, Hartman đã phát triển đặc tuyến phụ tải điển hình cho các TLTT tương ứng với các vùng khí hậu khác nhau. Dữ liệu đặc tuyến phụ tải và nhiệt độ bầu ướt trung bình thu được ở bước một tạo thành cơ sở dữ liệu để xác định hiệu quả vận hành của các TLTT chiller ở bước tiếp theo. Mục tiêu của bước hai là xác định điện năng tiêu thụ tiết kiệm được khi sử dụng hệ thống có biến tần toàn bộ so với các hệ thống không sử dụng biến tần thông thường. Để xác định được điều này, bước thứ hai liên quan đến việc chuyển đổi đặc tuyến phụ tải sang dạng 21 bảng phân tích để phân tích các cấu hình và vận hành hệ thống chiller khác nhau, trên cơ sở đó xác định được hiệu quả TKNL. Hartman cũng đưa ra cấu hình hệ thống trong TLTT chiller sử dụng nguyên lý LOOP hay hệ thống sử dụng biến tần toàn bộ [56, 59]. Cơ bản cấu hình theo LOOP cũng giống với các cấu hình trong TLTT chiller tương tự, khác biệt ở chỗ tất cả thiết bị trong trạm lạnh đều sử dụng biến tần và nhóm các thiết bị thành cụm như hệ thống áp dụng phương pháp hiệu quả biên đồng đều. Trong trạm lạnh được xây dựng theo nguyên lý LOOP, các thiết bị sẽ đồng thời giảm tải khi phụ tải giảm thay vì dừng bớt một hay một số cụm thiết bị trong trạm lạnh. Điều này cho phép công nghệ LOOP giảm tiêu hao năng lượng ở bán tải để nâng cao hiệu suất. Bên cạnh đó, Hartman nghiên cứu về hệ thống điều khiển nối mạng nâng cao hiệu quả của các hệ thống ĐHKK [62]. Với hệ thống điều khiển nối mạng, cho phép người vận hành giám sát toàn bộ đặc tuyến phụ tải của tòa nhà, ứng dụng công nghệ biến tần vào điều khiển trong hệ thống ĐHKK, ứng dụng các thuật toán điều khiển ở trên để nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng của hệ thống. Hệ thống điều khiển nối mạng cũng hiệu quả hơn với công nghệ tích hợp mức cao bằng các phương thức truyền thông tiêu chuẩn trong tòa nhà như BACnet, Lonwork, Modbus [57]. Ông cũng nghiên cứu ảnh hưởng của các thiết bị đo đến việc nâng cao hiệu quả của TLTT chiller [60]. Nhìn chung qua các nghiên cứu của Hartman cho thấy, ông tập trung vào nghiên cứu hệ thống có biến tần toàn bộ: TLTT có biến tần toàn bộ, hệ thống AHU và VAV có lưu lượng gió thay đổi. Việc áp dụng kết quả nghiên cứu của Hartman cho các hệ thống ĐHKK trung tâm xây dựng mới với thiết kế theo nguyên lý của Hartman và cần phải mua bản quyền công nghệ. Việc áp dụng kết quả nghiên cứu của Hartman cho các công trình hiện có ở Việt Nam là khó khăn do cấu trúc hệ thống sẵn có khác với cấu trúc hệ thống theo đề xuất của Hartman. 1.3.4 Các nghiên cứu dựa trên các phương pháp mô hình hóa Năm 2002, K.T Chan và F.W Yu ở Trường Đại học Bách khoa Hồng Kông tiến hành nghiên cứu nâng cao hiệu suất năng lượng của TLTT nhiều chiller giải nhiệt gió ở chế độ bán tải [40]. Các tác giả đã xây dựng được đặc tuyến phụ tải, đặc tuyến thời tiết và đường đặc tuyến nhiệt bằng phương pháp mô hình hóa ở các tòa nhà văn phòng và khách sạn điển hình trong khu vực thời tiết cận nhiệt đới. Trên cơ sở đó, xác định quy mô trạm lạnh, đặc tuyến phụ tải, tối ưu các tổ máy chiller làm việc song song và đánh giá hiệu quả 22 TKNL của hệ thống khi thiết kế hay cải tạo. Kết quả của nghiên cứu đã chứng minh rằng, đặc tuyến phụ tải của tòa nhà văn phòng tỷ lệ với nhiệt độ môi trường bên ngoài. Trong ứng dụng khách sạn, đặc tuyến này phụ thuộc vào cả nhiệt độ và độ ẩm ngoài trời. Chi phí tiêu thụ điện năng của hệ thống có thể xác định thông qua bộ đặc tuyến hiệu quả của chiller là hàm của nhiệt độ vào dàn ngưng và hệ số bán tải. Đến năm 2004, hai tác giả tiếp tục công bố kết quả nghiên cứu điều khiển nhiệt độ ngưng tụ để nâng cao hiệu suất của chiller giải nhiệt gió. Điều chỉnh giá trị nhiệt độ ngưng tụ đặt cho chiller theo điều kiện môi trường, giảm áp suất ngưng tụ bằng tăng cường quạt giải nhiệt để tăng hiệu suất làm việc của máy nén. Kết quả đã giảm được 18.4% điện năng tiêu thụ hàng năm của chiller [41]. Năm 2004, Emmanuel C. Nsofor và Veera Vijay công bố kết quả nghiên cứu mô hình hóa TKNL cho các MLTT chiller trong các tòa nhà thương mại bằng hệ thống giám sát năng lượng thực tế. Phương pháp cho phép tính toán tải lạnh chiller, điện tiêu thụ tiết kiệm và thời gian hồi vốn. Quy trình giám sát được hoàn thiện và dữ liệu tiêu thụ năng lượng cùng các thiết bị đo đã được sử dụng để nghiên cứu và tính toán chi phí vận hành, lượng tiết kiệm và thời gian hồi vốn. Phương pháp có thể được áp dụng để tính toán thay thế chiller hiệu suất cao cho các công trình thương mại hiện có và thời gian hồi vốn [29]. Năm 2005, Lu Lu, Wenjian Cai, Lihua Xie, Shujiang Li, Yeng Chai Soh tại trường Đại học Công nghệ Nanyang đã nghiên cứu trên đối tượng hệ thống bên trong tòa nhà [43]. Các tác giả tiến hành phân chia hệ thống thành năm mạch vòng tuần hoàn nhiệt bao gồm : vòng tuần hoàn không khí trong nhà, vòng tuần hoàn nước lạnh, vòng tuần hoàn môi chất lạnh (chu trình lạnh), vòng tuần hoàn nước giải nhiệt và vòng tuần hoàn không khí ngoài trời. Đối tượng hệ thống bên trong tòa nhà bao gồm vòng tuần hoàn không khí trong nhà, vòng tuần hoàn nước lạnh và bình bay hơi, một phần của chu trình lạnh. Mục tiêu nghiên cứu của Lu Lu là tìm điểm cài đặt tối ưu cho hệ thống bên trong tòa nhà với hàm mục tiêu giảm tổng tiêu thụ năng lượng. Phân tích các thành phần chính của đối tượng để đánh giá hiệu quả TKNL gồm: vòng tuần hoàn lưu lượng gió thay đổi, hệ thống đường ống phân phối nước lạnh và đường ống phân phối không khí có lưu lượng thay đổi, xây dựng mô hình hóa đặc tuyến lưới bằng ANFIS – mô hình hóa mạng nơ ron trên cơ sở lý thuyết mờ (fuzzy rule base). Xây dựng bài toán tối ưu tiêu thụ năng lượng của hệ thống, sử dụng thuật toán biến đổi năng lượng để giải. Kết quả của bài toán đã đưa ra được đặc tuyến của các thành phần chính và mối liên hệ giữa chúng, tìm ra điểm cài đặt tối ưu cho điều khiển lưu lượng thay đổi. Từ đó, tổng chi phí năng lượng của hệ thống đã được giảm thiểu khi từng thành phần hệ thống được hoạt động ở các giá trị đặt trước tối ưu theo thời gian tương ứng 23 với sự thay đổi phụ tải của hệ thống. Các giá trị đặt tối ưu bao gồm cả nhiệt độ nước lạnh, chênh áp suất trong hệ thống đường nước lạnh và đường ống gió cũng như trình tự hoạt động của bơm và chiller. Nghiên cứu xây dựng mô hình hóa đặc tuyến của chiller dựa trên đường đặc tuyến B-spline được Tzu-Chi Liu, Ming-Hsiu Hsu, Kwo-Tung Lin Viện nghiên cứu Công nghệ Công nghiệp Đài Loan thực hiện năm 2011 [68]. Nghiên cứu dựa trên dữ liệu giám sát vận hành thời gian thực để xây dựng mô hình đặc tuyến động trực tuyến của chiller, áp dụng đường đặc tuyến tổng hợp và tối ưu hóa thiết kế hệ thống để điều chỉnh các điểm làm việc của đường đặc tuyến tổng hợp phù hợp với đặc tuyến thực tế của trạm lạnh. Ngoài ra nghiên cứu còn sử dụng thêm tính năng điều chỉnh các thông số vùng miền để cập nhật hình dáng đường đặc tuyến theo trạng thái vận hành thực tế. Việc mô hình hóa đặc tuyến động của chiller cung cấp hiển thị trực quan đặc tuyến theo thời gian thực của chiller và mối tương quan giữa COP thực và đường đặc tuyến tạo thành dữ liệu tham khảo tổng thể cho việc vận hành tiết kiệm đối với hệ thống. Các tác giả đã tiến hành khảo sát hình dạng hình học mặt mức của đường đặc tuyến mô hình hóa theo đường cong B-Spline, tối ưu hóa hình dáng của đường đặc tuyến bằng thuật toán tìm kiếm giới hạn bởi mặt mức đã thu được, từ đó tìm ra trạng thái hiệu quả nhất so sánh với chính đường đặc tuyến tìm được. Kết quả áp dụng thử trong cả năm đã giúp giảm tổng tiêu hao điện năng của hệ thống 35%, tiết kiệm khoảng 7,5% tiêu thụ điện khi nhiệt độ ngoài trời tăng 8,5%. 1.3.5 Các nghiên cứu dựa trên các phương pháp toán tối ưu Năm 1996, Christopher Summers cũng nghiên cứu tối ưu hệ thống ĐHKK trung tâm chiller dựa trên đặc tuyến bán tải của tháp giải nhiệt. Nghiên cứu tập trung vào xây dựng đặc tuyến bán tải của tháp giải nhiệt ảnh hưởng đến COP của cả trạm lạnh và thuật toán điều khiển đối với tháp giải nhiệt. Kết quả của nghiên cứu chỉ ra hiệu quả TKNL của trạm lạnh chiller lớn nhất khi cực tiểu hóa nhiệt độ nước giải nhiệt bằng tăng tối đa tiêu thụ điện ở tháp giải nhiệt [26]. Năm 2002, T.T Chow, , Z. Lin. C.L. Song của Trường đại học Thành phố Hong Kong và G.Q. Zhang Trường Đại học Hồ Nam, Trung Quốc đã tiến hành tối ưu hóa tổng thể cho máy lạnh hấp thụ bằng thuật toán di truyền (generic algorithm) và mạng nơ ron [65]. Ưu việt điển hình của máy lạnh hấp thu là có thể sử dụng các nguồn năng lượng sơ cấp như khí, hay dầu, giảm tải lưới điện ở các giờ cao điểm cũng như giảm phát thải các chất CFC, loại bỏ các vấn đề về dầu bôi trơn như trong các máy lạnh sử dụng CFC. Kết 24 quả để mở rộng khả năng sử dụng máy lạnh hấp thụ thay cho các máy lạnh sử dụng CFC để giảm tải nhu cầu điện và giảm phát thải CFC ra môi trường. Năm 2004, James W. Furlong và Frank T. Morrison tiến hành nghiên cứu tối ưu hóa cho tổ hợp chiller giải nhiệt nước và tháp giải nhiệt. Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ bầu ướt tới hiệu quả hoạt động của tháp giải nhiệt và lưu lượng nước giải nhiệt để tìm ra điểm làm việc tối ưu ở chế độ bán tải của chiller và tháp giải nhiệt để TKNL [36]. Năm 2006, Thuật toán tối ưu hóa di truyền ứng dụng trong bài toán tối ưu hóa hệ thống điều khiển ĐHKK được nghiên cứu trong tài liệu [49]. Nabil Nasil, Stanislaw và Robert Sabourin nghiên cứu tối ưu hệ thống điều khiển ĐHKK bằng thuật toán di truyền nhiều đối tượng [46]. Còn Francisco Ortiz cùng cộng sự giải quyết bài toán tối ưu di truyền nhiều phản hồi [30]. Kết quả chung của các nghiên cứu để tìm ra các điểm cài đặt tối ưu như nhiệt độ gió cấp, áp suất tĩnh, tối thiểu hóa cấp không khí tươi và hạn chế các quá trình sưởi thứ cấp trong khi duy trì ổn định điều kiện tiện nghi có tính đến năng lượng tiêu thụ. Tác giả tiến hành mô hình hóa đặc tuyến áp suất hệ thống, lưu lượng gió tươi và mô hình hóa hệ thống có lưu lượng thay đổi. Năm 2007, James E. Braun đề xuất nghiên cứu thuật toán điều khiển giới hạn nhu cầu tải cho các trạm lạnh hỗn hợp (MLTT chiller dùng máy nén lạnh kết hợp MLTT chiller hấp thụ) [35]. Thuật toán điều khiển dựa trên ảnh hưởng tương quan giữa nguồn điện, nguồn khí và chi phí bảo dưỡng. Giới hạn nhu cầu tải được xác lập cho mỗi tháng dựa trên chiến lược phỏng đoán và tối ưu hóa chi phí năng lượng/bảo dưỡng phục vụ cho giới hạn tải của tháp giải nhiệt và chiller ở từng khoảng thời gian định trước (ví dụ như trong khoảng 5 phút) trong suốt cả tháng. Việc kiểm chứng thuật toán được thực hiện bằng phương thức mô hình hóa dự đoán chi phí của các tiện ích với các trạm lạnh hỗn hợp. TKNL hàng năm đạt được khi áp dụng thuật toán điều khiển giới hạn nhu cầu tải cho các trạm lạnh hỗn hợp giảm thêm được 50% so với thuật toán chỉ sử dụng tối thiểu hóa chi phí năng lượng [35]. Năm 2008, theo tài liệu [66, 67] Truong X. Nghiem, Madhur Behl và Rahul Mangharam ở Trường Đại học Pennsylvania tiến hành nghiên cứu chế độ PPPT giữa nhiều TLTT chiller có sử dụng các bình tích lạnh bằng thuật toán “Green Scheduling” – Thuật toán PPPT tiết kiệm. Phương pháp đặt bài toán bằng COP phụ thuộc vào các hệ số bán tải (PLR – Part Load Ratio) và chế độ nạp – xả của bình tích lạnh trên thời gian thực và phân 25 phối giờ hoạt động của tổng thể hệ thống. Kết quả của nghiên cứu đã giảm được tổng tải đỉnh của toàn hệ thống và nâng cao hiệu suất của các trạm lạnh có bộ tích lạnh. Năm 2009, P.R Anstrong, W. Jiang, D. Winiarski, Katipamula, L.K Norford và R.A Willingham tiến hành nghiên cứu trên chiller biến tần, bộ tích lạnh và các thiết bị xử lý không khí bằng công nghệ “giảm độ chênh làm mát hiệu quả” – “Low-Lift Cooling Technologies”, và mô hình hóa thiết bị [50, 51]. Các tác giả đã tiến hành mô hình hóa bằng phần mềm mô phỏng DOE2-2, BLAST hay EnergyPlus cho đối tượng nghiên cứu là hệ thống chiller biến tần giải nhiệt gió và chiller có máy nén hai tốc độ. Đối tượng bao gồm: thiết bị máy nén điều khiển bằng biến tần và hai tốc độ, quạt giải nhiệt điều khiển bằng biến tần và bơm nước lạnh điều khiển bằng biến tần độc lập. Đồng thời, các tác giả cũng tiến hành mô hình hóa chu trình môi chất lạnh và các thiết bị xử lý không khí theo lưu lượng tuần hoàn thay đổi, mô hình hóa cho bộ trữ lạnh để dịch chuyển phụ tải đỉnh. Từ đó, xây dựng đường đặc tuyến COP ở các mức phụ tải khác nhau phụ thuộc vào các yếu tố ảnh hưởng: nhiệt độ môi trường bên ngoài, tỷ số nén của máy nén, lưu lượng môi chất, nhiệt độ nước lạnh và lưu lượng nước lạnh [50, 51]. Hạn chế của phương pháp là các phần mềm mô hình hóa nêu trên chưa mô tả hết được đặc tính của máy nén và chiller ở chế độ tỷ số nén thấp, do đó phải sử dụng mô hình hóa theo từng giờ ở các chế độ phụ tải khác nhau để giải quyết. Kết quả của nghiên cứu cho phép đạt được hiệu quả TKNL ở chiller và các thành phần thay đổi 30 đến 70% tùy thuộc vào đường đặc tuyến bán tải của phụ tải của các mô hình thí nghiệm. Hệ thống chiller biến tần toàn bộ mang lại hiệu quả tiết kiệm cao nhất ở tất cả các vùng khí hậu khác nhau trong nước Mỹ. Năm 2010, Joseph Ballet và Michel Karol Grabon đã nghiên cứu và đăng ký bản quyền US20100094434A1 thuật toán tối ưu điều khiển đối với MLTT chiller giải nhiệt gió để xác lập chế độ vận hành hiệu quả [38]. Năm 2011, Scot M. Duncan đã nghiên cứu và đăng ký bản quyền US20110137468A1 về thuật toán tối ưu điều khiển tháp giải nhiệt dựa trên đặc tuyến phụ tải của tòa nhà. Từ đó xác lập ra chế độ vận hành hiệu quả của hệ thống [52]. Năm 2013, Kriti Kapoor cùng cộng sự ở Đại học Texas nghiên cứu nâng cao vận hành trạm lạnh cỡ lớn bằng tối ưu năng lượng theo tài liệu [42]. Nghiên cứu dựa trên dữ liệu thực nghiệm vận hành tại TLTT Đại học Texas dựa trên các thuật toán tối ưu hóa. Mô hình hóa nhiều thành phần hệ thống cho tổng thể TLTT để giải quyết nhiều vấn đề về phụ tải MLTT cũng như vấn đề quy hoạch phi tuyến nguyên hỗn hợp (MINLP). Kết quả của 26 nghiên cứu cho phép tiết kiệm được 8,57% bằng tối ưu hóa PPPT của chiller so với chính hệ thống trước khi tối ưu. Phạm vi của bài toán tối ưu hóa đã được mở rộng sang hệ thống lạnh trung tâm có sử dụng bình trữ lạnh. Kết quả bao gồm kịch bản giả định mua điện phân phối giá rẻ và chiến lược tối ưu theo từng giờ bằng phần mềm máy tính cho khả năng sử dụng bình trữ lạnh. Nghiên cứu của V. Vakiloroaya, Q. P. Ha, B,. Samali theo công bố năm 2013 ở Úc đã tiến hành trên mô hình thực nghiệm và áp dụng thuật toán tối ưu gradient để giải. Nghiên cứu đã tiến hành mô hình hóa thực nghiệm từng thành phần của MLTT chiller giải nhiệt gió bao gồm: dàn ngưng tụ, bình bay hơi, máy nén có biến tần, van tiết lưu điện tử và cả bộ xử lý không khí FCU. Trên cơ sở đó, tác giả đã xây dựng thuật toán tối ưu hóa gradient hướng đối tượng để giải. Kết quả mô hình hóa được kiểm tra lại bằng thuật toán lặp. Hàm mục tiêu của nghiên cứu là giảm thiểu tiêu thụ điện tổng thể của cả hệ thống (MLTT giải nhiệt nước và các FCU) thông qua điều khiển thay đổi lưu lượng khối lượng môi chất lạnh, nhiệt độ nước lạnh và nhiệt độ không khí cấp. Kết quả của nghiên cứu đã xây dựng được mô hình tiêu hao năng lượng của máy nén theo lưu lượng khối lượng môi chất lạnh và nhiệt độ nước lạnh. Đồng thời đưa ra giá trị cài đặt nhiệt độ nước lạnh tương ứng với lưu lượng khối lượng môi chất lạnh và nhiệt độ không khí ngoài trời [69]. 1.3.6 Một số nghiên cứu của các tác giả khác Năm 1987, A. Kaya cùng cộng sự cũng tiến hành nghiên cứu hiệu quả của hệ thống quản lý năng lượng để nâng cao hiệu quả vận hành thiết bị [21]. Đến 2012, Yiming Feng và cộng sự tiếp tục nghiên cứu sử dụng các dữ liệu lịch sử vận hành của hệ thống để theo dõi, giám sát và nâng cao hiệu suất của hệ thống [72]. Năm 2002, Steven T. Taylor tiến hành nghiên cứu hệ thống đường ống phân phối nước lạnh có lưu lượng thay đổi: sơ đồ tuần hoàn sơ cấp – thứ cấp và sơ đồ chỉ có tuần hoàn sơ cấp, nghiên cứu đã phân tích ưu nhược điểm của hai sơ đồ đường ống nước lạnh, kết quả cho thấy sơ đồ chỉ có vòng tuần hoàn sơ cấp TKNL hơn nhưng lại phức tạp hơn trong điều khiển van đi tắt và điều khiển bước chiller [53]. Năm 2004, Hugh Crowther và James W. Fulong nghiên cứu tối ưu hóa tổ hợp MLTT giải nhiệt nước và tháp giải nhiệt, để tìm ra chế độ lưu lượng nước giải nhiệt phù hợp trên cơ sở ảnh hưởng của nhiệt độ bầu ướt của môi trường. Kết quả đề xuất hệ thống MLTT giải nhiệt nước với lưu lượng nước giải nhiệt lớn hơn, độ chênh nhiệt độ thấp hơn, kết hợp với thay đổi lưu lượng nước giải nhiệt cho hiệu suất của hệ thống cao hơn [32]. 27 Năm 2006, Peter Anstrong và Dave Winiarski cũng tiến hành nghiên cứu tối ưu độ chênh nhiệt độ nước lạnh. Nghiên cứu dựa trên mô hình đơn giản nhất gồm một máy lạnh, một bơm nước lạnh với lưu lượng thay đổi để nghiên cứu ảnh hưởng của độ chênh nhiệt độ đến COP của chiller [49]. Năm 2009, Justin M. Harrell đưa ra giải pháp phân tích chi phí dựa trên phương pháp Exergy để đánh giá các ảnh hưởng của các tổn thất nội tại với mục tiêu tối đa năng suất lạnh và giảm tiêu hao công bơm nước lạnh. Dữ liệu đầu vào là thông số vận hành của cả năm, xây dựng mô hình hóa năng lượng, mô hình hóa exergy và mô hình hóa chi phí. Đánh giá các thành phần tiêu hao năng lượng lớn, từ đó đưa ra đề xuất để cải tạo, nâng cấp hệ thống như: sử dụng thiết bị có biến tần, tăng lưu lượng nước tuần hoàn khi tải lớn hay tăng cường cách nhiệt cho hệ thống... [39]. Cùng năm 2009, Mick Schwedler nghiên cứu cải tạo hệ thống điều hòa trung tâm chiller. Nghiên cứu tập trung vào đánh giá hiện trạng đặc tuyến thiết bị và đề xuất các giải pháp thay thế và nâng cấp để TKNL vận hành như: bổ sung biến tần, giảm lưu lượng nước lạnh tuần hoàn và tăng độ chênh nhiệt độ nước lạnh, nâng cao khả năng của hệ thống trên nền tảng hệ thống hiện có [44]. Năm 2010, Yongjun Sun, Shenwei Wang và Gongsheng Huang tiến hành nghiên cứu tối ưu khởi động của các chiller trong TLTT nhiều chiller bằng thuật toán tối ưu dựa trên mô hình hóa. Mục đích nghiên cứu là tìm ra chế độ khởi động tối ưu của chiller để TKNL. Nghiên cứu đã đề xuất một quy trình tối ưu hóa khởi động bao hàm cả ảnh hưởng của điều kiện nhiệt độ trong nhà và môi trường cũng như điều kiện phụ tải. Quy trình gồm hai bước cho phép dự đoán phụ tải tòa nhà sử dụng mô hình hóa tòa nhà để quyết định số lượng chiller khởi động, đồng thời dự đoán giai đoạn trước làm lạnh để tính toán phụ tải yêu cầu tương ứng. Kết quả của nghiên cứu đã cho phép mô hình hóa quá trình khởi động và giảm tiêu hao năng lượng trong giai đoạn này của TLTT nhiều chiller [73]. Cùng năm 2010, Terrence Morris và Steve Blaine nghiên cứu tối ưu hóa trạm lạnh chiller. Theo tài liệu [55], đối tượng của nghiên cứu bao gồm MLTT, tháp giải nhiệt bơm nước lạnh và bơm nước giải nhiệt. Mô hình hóa đặc tuyến của chiller, bơm và tháp giải nhiệt, sử dụng thuật toán gradient tổng quát để giải. Kết quả thu được có thể tiết kiệm được khoảng 4% công suất tiêu thụ của trạm lạnh bằng cách dịch chuyển giảm điểm làm việc của bơm và tháp giải nhiệt. 28 Năm 2012, Jennifer L. Gorter nghiên cứu vấn đề lựa chọn đúng công suất thiết bị ĐHKK đối với khả năng đáp ứng yêu cầu tiện nghi và TKNL. Nghiên cứu chỉ ra các yếu tố ảnh hưởng khiến việc lựa chọn thiết bị quá dư làm tăng cao độ ẩm trong môi trường điều hòa tạo điều kiện cho vi khuẩn, nấm mốc phát triển… cũng như việc lựa chọn đúng thiết bị giảm được chi phí đầu tư ban đầu, tăng tuổi thọ thiết bị và giảm chi phí thay thế, bảo dưỡng tiết kiệm được chi phí năng lượng trong suốt vòng đời của thiết bị [37]. Kết quả thu được phụ thuộc vào điều kiện thời tiết khí hậu vùng miền nơi hệ thống hoạt động và đặc tuyến phụ tải của hệ thống. Điều kiện thời tiết này là yếu tố ngẫu nhiên cùng đặc tuyến phụ tải tác động đến kết quả của từng phương pháp nghiên cứu. Kết quả này được khẳng định trong kế hoạch nghiên cứu và các dự án nghiên cứu cần thiết của ASHRAE trong các năm tiếp theo cần thực hiện trong tài liệu [49] của Hiệp hội điều hòa và không khí Mỹ ASHRAE. 1.4 Lý thuyết tối ưu hóa vượt khe và bài toán tối ưu hóa phân phối phụ tải trong nhà máy nhiệt điện Lý thuyết tối ưu hóa vượt khe ra đời vào năm 1986 bởi tác giả Nguyễn Văn Mạnh. Đến năm 1988 đã được ứng dụng và phát triển trong luận án tiến sĩ của ông để giải bài toán tối ưu hóa hệ thống điều khiển quá trình nhiệt. Lý thuyết này đã được ứng dụng trong bài toán tối ưu hóa PPPT giữa các tổ máy năng lượng làm việc song song trong nhà máy nhiệt điện năm 1998. Đến năm 2003 được ứng dụng để giải bài toán tối ưu hóa chế độ vận hành nhà máy nhiệt điện ở Việt Nam. Đến 1999, toàn bộ lý thuyết tối ưu hóa vượt khe đã được xây dựng hoàn chỉnh cho bài toán tối ưu hóa hệ thống năng lượng trong tài liệu [15] cũng là luận án tiến sĩ khoa học của tác giả. Phương pháp giải bài toán tối ưu hóa PPPT và tối ưu hóa chế độ vận hành trong nhà máy nhiệt điện ứng dụng lý thuyết tối ưu hóa vượt khe là phương pháp tổng hợp bao gồm phương pháp mô hình hóa và phương pháp toán tối ưu. Lý thuyết tối ưu hóa vượt khe đã thể hiện các ưu điểm trong việc giải các bài toán PPPT trong nhà máy nhiệt điện [12~15, 20]: - Là một phương tiện toán tối ưu hóa mạnh, giải quyết được các bài toán năng - Lý thuyết tối ưu hóa là phương tiện toán tối ưu vạn năng áp dụng có hiệu quả lượng đa dạng và phức tạp. cho các đặc tuyến năng lượng tuyến tính và phi tuyến. 29 - Lý thuyết tối ưu hóa vượt khe là phương tiện toán tối ưu hóa được áp dụng xuyên suốt bài toán tối ưu hóa PPPT: bài toán nhận dạng đặc tuyến năng lượng, cách xây dựng đặc tuyến năng lượng của từng thiết bị hay cụm thiết bị cho đến - lời giải tối ưu cuối cùng đều áp dụng cơ sở lý thuyết toán tối ưu hóa này. Cách đặt vấn đề trực tiếp áp dụng lý thuyết tối ưu hóa vượt khe: Coi đối tượng giống như là một hộp đen với tất cả các yếu tố ảnh hưởng ở bên trong. Đầu vào là yếu tố mong muốn, đầu ra là chỉ tiêu tiêu thụ điện hay chỉ tiêu phát thải nhỏ nhất đáp ứng yếu tố đầu vào mong muốn, từ đó xây dựng đặc tuyến năng lượng của thiết bị ở chế độ vận hành đặc trưng. Phương pháp tối ưu hóa PPPT áp dụng lý thuyết tối ưu hóa vượt khe thể hiện được những ưu điểm vượt trội nhưng chưa được phát triển áp dụng cho bài toán tối ưu hóa PPPT trong hệ thống ĐHKK trung tâm chiller. 1.5 Các vấn đề tồn tại và nội dung nghiên cứu Tổng kết lại ta có thể thấy, TKNL trong hệ thống ĐHKK trung tâm chiller là một vấn đề quan trọng và đang được quan tâm nghiên cứu. Nhiều phương pháp nghiên cứu cùng lời giải đã được thực hiện. Phương pháp giải tích xác định thể hiện nhiều hạn chế. Các phần mềm mô hình hóa như DOE2-2, BLAST hay EnergyPlus [50, 51] hay các phương pháp mô hình hóa dự đoán chi phí [21], mô hình hóa mạng nơ ron trên cơ sở lý thuyết mờ [43, 65, 70, 71] đều được áp dụng và cho kết quả khích lệ. Hướng nghiên cứu dựa trên quy hoạch bất định là một hướng đi đúng để tối ưu hóa vận hành trong TLTT chiller nói riêng và hệ thống ĐHKK trung tâm chiller nói chung. Phương pháp chung để giải bài toán tối ưu là sử dụng các thuật toán tối ưu để giải. Thuật toán yếu như quy hoạch thực nghiệm, các thuật toán mạnh hơn như thuật toán gradient [55], “green scheduling” [66, 67], mới hơn là thuật toán tối ưu hóa di truyền [46, 69~71] và nhiều thuật toán khác trong nhiều nghiên cứu đã được áp dụng. Trong thực tế các điều kiện vận hành luôn thay đổi và bất định, để đáp ứng được sự thay đổi này cần đưa vào tính tự thích nghi theo sự thay đổi đó khiến bài toán tối ưu sẽ rất phức tạp. Xét về tổng thể, các phương pháp tối ưu hóa trên có những ưu điểm nhất định, tuy nhiên trong điều kiện Việt Nam, số liệu vận hành hệ thống không đầy đủ, cũng như khả năng can thiệp vào từng bộ điều khiển trong hệ thống để cài đặt các thuật toán tối ưu là khó thực hiện được, do đó cần một phương pháp luận và phương tiện toán thích hợp để nghiên cứu và áp dụng được trong điều kiện Việt Nam. 30 Hàm mục tiêu chung của các nghiên cứu là giống nhau nhưng cũng có rất nhiều cách giải khác nhau bằng các thuật toán tối ưu hay phương pháp tính khác nhau. Việc tìm ra lời giải với phương pháp giải tối ưu vẫn đang tiếp tục được nghiên cứu. Phương pháp tối ưu hóa chế độ PPPT là phương pháp hiệu quả và dễ làm, chi phí thấp, mang lại lợi ích thực tiễn rất thiết thực nhưng chưa được quan tâm nghiên cứu đầy đủ. PPPT đều là điển hình trong các TLTT chiller. Các thuật toán tối ưu hóa và điều khiển ở nước ngoài rất đắt tiền hạn chế khả năng áp dụng rộng rãi trong điều kiện Việt Nam. Phương pháp tối ưu hóa dựa trên thuật toán vượt khe [12~16, 20, 48] thể hiện sự hiệu quả và đã áp dụng rất thành công để giải các bài toán tối ưu PPPT trong các nhà máy nhiệt điện lớn ở Việt Nam, mang lại hiệu quả kinh tế thiết thực. Tuy nhiên, phương pháp chưa được phát triển ứng dụng vào bài toán tối ưu chế độ vận hành trong các hệ thống ĐHKK trung tâm. Trên cơ sở đó, tôi lựa chọn đề tài luận án “Nghiên cứu giải pháp tiết kiệm năng lượng cho hệ thống điều hòa không khí chiller bằng phương pháp phân phối phụ tải tối ưu” với nội dung nghiên cứu bao gồm:  Phát triển ứng dụng phương pháp luận tối ưu hóa PPPT của hệ thống tiêu thụ năng lượng lớn để giải bài toán tối ưu về năng lượng cho hệ thống ĐHKK trung tâm chiller, đối tượng chính là TLTT chiller giải nhiệt nước.  Phân tích hệ thống TLTT chiller trên quan điểm tối ưu hóa nêu trên để xây dựng đặc tuyến năng lượng của các thiết bị chính trong TLTT chiller; trên cơ sở đó xây dựng hàm mục tiêu cực tiểu hóa tiêu hao năng lượng vận hành của TLTT chiller.  Giải bài toán nêu trên bằng phương pháp hàm phạt kết hợp với trọng số trên cơ sở ứng dụng thuật toán tối ưu hóa “Vượt khe” để xác định chế độ PPPT tối ưu cho từng thiết bị đáp ứng nhu cầu phụ tải thực tế.  Phát triển ứng dụng phần mềm power trên cơ sở xây dựng và khảo sát đặc tuyến phụ tải tòa nhà để tính toán hiệu quả TKNL và giảm phát thải cho TLTT chiller giải nhiệt nước.  Áp dụng nghiên cứu vào tối ưu hóa PPPT cho một TLTT chiller giải nhiệt nước tại Hà Nội để nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng,  Đề xuất một quy trình vận hành tối ưu về năng lượng cho TLTT chiller. Đề xuất một quy trình thiết kế hệ thống ĐHKK trung tâm chiller dựa trên quan điểm tiết kiệm năng lượng và PPPT tối ưu. 31 CHƯƠNG 2. PHÁT TRIỂN ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT TỐI ƯU HÓA VƯỢT KHE CHO HỆ THỐNG CHILLER Chương 2 trình bày phương pháp luận phát triển áp dụng thuật toán vượt khe cho bài toán tối ưu phân phối phụ tải. Xây dựng đặc tính năng lượng của các thiết bị thành phần làm cơ sở để giải bài toán tối ưu phân phối phụ tải giữa các tổ hợp thiết bị làm việc song song trong hệ thống điều hòa không khí trung tâm chiller. Phát triển phương pháp tính hiệu quả tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải trong vận hành hệ thống điều hòa không khí trung tâm chiller. 2.1 Các hàm mục tiêu trong vận hành và bài toán phân phối phụ tải tối ưu trong trạm lạnh trung tâm chiller 2.1.1 Các hàm mục tiêu trong vận hành trạm lạnh trung tâm chiller. Trong thực tế vận hành hệ thống ĐHKK trung tâm chiller nói chung và TLTT chiller nói riêng, mục tiêu quan trọng nhất là chỉ tiêu tiêu hao năng lượng nhỏ nhất, đồng thời đảm bảo tốt nhất chỉ tiêu về độ tin cậy và các thông số vận hành của thiết bị, hệ thống. Bên cạnh đó là mục tiêu về giảm thiểu phát thải ra môi trường xung quanh [14, 20]. Chỉ tiêu về độ tin cậy được hiểu là khả năng đáp ứng liên tục và đầy đủ cho phụ tải lạnh với chất lượng, thông số vận hành đảm bảo. Chỉ tiêu về độ tin cậy là một chỉ tiêu phức tạp liên quan đến nhiều yếu tố như: chỉ tiêu về suất sự cố trung bình của hệ thống, số lần và thời gian sự cố của hệ thống, thông số vận hành (chất lượng phụ tải) từ đó tính toán ra số thiệt hại hay ảnh hưởng cho mỗi lần sự cố và đề ra các biện pháp thích hợp để giảm thiểu số lần, thời gian sự cố và phạm vi ảnh hưởng để tăng độ tin cậy của hệ thống. Đây là một chỉ tiêu phức tạp và không nằm trong phạm vi nghiên cứu của luận án này. Chỉ tiêu về độ tin cậy được coi như xác định trong một giới hạn xác định trước chấp nhận được. Chỉ tiêu về phát thải ra môi trường xung quanh bao gồm hai thành phần cơ bản: phát thải trực tiếp và phát thải gián tiếp [34]. Phát thải trực tiếp liên quan đến thiết bị và quá trình sản xuất ra thiết bị trong hệ thống sử dụng các chất có ảnh hưởng đến môi trường như: môi chất lạnh, vật liệu bảo ôn, dầu máy, vật liệu chế tạo máy... Phát thải gián tiếp liên quan đến năng lượng tiêu thụ trong quá trình vận hành, tức chỉ tiêu tiêu hao năng lượng. Bài toán chế độ vận hành hệ thống xét trong luận án chỉ liên quan đến phát thải gián tiếp. Ứng với mỗi chế độ vận hành xác định, đồng nghĩa với một mức phụ tải lạnh xác định, chỉ tiêu tiêu hao năng lượng chính là lượng điện năng tiêu thụ hoặc lượng điện năng 32 tiêu thụ tương đương quy đổi để đáp ứng được mức phụ tải lạnh xác định đó. Đây là mục tiêu cốt lõi của vấn đề vận hành và là mục tiêu chính của nghiên cứu này.. 2.1.2 Bài toán phân phối phụ tải tối ưu trong trạm lạnh trung tâm chiller Trong thực tế các TLTT chiller được cấu hình từ các thiết bị làm việc song song (nhiều chiller, nhiều bơm, nhiều tháp giải nhiệt…) và các thiết bị này có sự hoạt động liên động với nhau. Do yêu cầu, tính chất vận hành của hệ thống, các thiết bị thường phải làm việc ở chế độ năng suất (phụ tải) thay đổi để đáp ứng với nhu cầu của vận hành. Do vậy, với một hệ thống gồm nhiều thiết bị làm việc song song với nhau, ngoài việc vận hành thiết bị an toàn và đảm bảo tuổi thọ và đạt hiệu suất cao nhất tại phụ tải đó, thì việc PPPT (năng suất) giữa các máy theo tỷ lệ như thế nào là tối ưu, thì đó là một vấn đề quan trọng cần phải giải quyết trong bài toán tối ưu PPPT. Nguyên tắc chung để xây dựng và giải bài toán PPPT tối ưu theo phương pháp phân cấp. Cấu trúc của sơ đồ phân cấp của bài toán tối ưu PPPT được thể hiện ở hình 2.1. Trạm lạnh trung tâm chiller Cấp tổ hợp Cấp cụm thiết bị nhỏ Cụm máy lạnh trung tâm chiller Cụm bơm nước lạnh Cụm bơm nước giải nhiệt Cụm tháp giải nhiệt Cấp cơ sở Từng máy lạnh trung tâm chiller Từng máy bơm nước lạnh Từng máy bơm nước giải nhiệt Từng tháp giải nhiệt Cấp cơ sở Hình 2.1 Sơ đồ phân cấp giải bài toán phân phối phụ tải Đây là bước quan trọng xây dựng đặc tuyến năng lượng và đặc tuyến làm việc của từng thiết bị cụ thể: AHU, bơm, chiller, tháp giải nhiệt… Bài toán ở cấp này chủ yếu là các hàm 1 hoặc 2, 3 biến. 33 Phương pháp giải đối với cấp cơ sở chủ yếu sử dụng hàm xấp xỉ từng khúc, xây dựng hàm mục tiêu không điều kiện rằng buộc tương đương với phương pháp tiếp cận chọn mục tiêu chính và ghép với bài toán vượt khe để giải. Cấp cụm thiết bị nhỏ Đây là cấp tối ưu các cụm thiết bị hoạt động song song, ví dụ như cụm bơm nước lạnh, cụm MLTT chiller, cụm tháp giải nhiệt làm việc song song… Kết quả của nó là xây dựng đặc tuyến của cụm thiết bị khi làm việc song song. Kết quả hay giá trị tối ưu của cấp dưới (cấp cơ sở) được sử dụng để giải bài toán tối ưu ở cấp này. Cấp tổ hợp Đây là bài toán PPPT giữa các tổ máy. Kết quả của bài toán này là xây dựng đặc tuyến làm việc của các cụm máy: cụm máy liên động giữa MLTT chiller cùng bơm nước lạnh, bơm nước giải nhiệt và tháp giải nhiệt. Trên quan điểm tối ưu hóa, đặc tuyến làm việc cũng như đặc tuyến năng lượng của từng thành phần các thiết bị trong hệ thống dùng để nhận dạng cho bài toán tối ưu hóa. Trong thực tế, đặc tuyến làm việc cũng như đặc tuyến năng lượng của các thiết bị được xác định từ các số liệu và thông số vận hành thực tế của thiết bị hay cụm thiết bị. Việc xác lập đặc tuyến làm việc, đặc tuyến năng lượng của các thiết bị hay cụm các thiết bị là bước cơ sở để xây dựng và giải bài toán tối ưu ở các bước tiếp theo. 2.2 Phát triển ứng dụng lý thuyết tối ưu hóa vượt khe 2.2.1 Xây dựng bài toán mô hình hóa đặc tính năng lượng của thiết bị Đặc tính năng lượng của cả TLTT chiller (bơm, chiller, tháp giải nhiệt) là mối quan hệ phụ thuộc giữa lượng tiêu hao điện năng (N, kW) vào phụ tải của thiết bị hay tổ máy, như lưu lượng nước (LNL, LGN, l/s) của bơm, năng suất lạnh (Qo, kW) hoặc năng suất nhiệt (Qk, kW) của chiller, năng suất giải nhiệt (Qk, kW) của tháp giải nhiệt. Các đặc tính này thường là phi tuyến tính và liên tục từng khúc theo phụ tải của hệ thống. Đối với các dạng đặc tính phức tạp như trên, cách làm hiệu quả và vạn năng nhất là sử dụng mô hình trơn từng khúc, ví dụ đa thức từng khúc. Mô hình đa thức từng khúc cho phép xấp xỉ với độ chính xác rất cao mà không cần nâng cao bậc của mô hình [13-15, 20]. Để tăng độ chính xác, chỉ cần tăng số số khúc xấp xỉ của mô hình. Trong điều kiện vận hành của các TLTT chiller, dải phụ tải của mỗi tổ máy thường bị gẫy ở một số điểm do một số thiết bị hay cụm thiết bị được ngắt ra vì lý do an toàn hoặc 34 điều phối phụ tải. Trong mỗi khoảng giữa các điểm gẫy, đặc tính năng lượng của tổ máy có thể xấp xỉ bởi một đa thức không quá bậc hai [13~15, 20]. Mô hình của hàm trơn từng khúc có dạng như sau: = ( , B) = ( , B) (2.1) trong đó: N – Công suất điện tiêu thụ của thiết bị. P – Công suất phụ tải (LGN, LNL, Qo, Qk...) fi(P, B) – đa thức xấp xỉ trong đoạn Di, xác định với điều kiện fi(P, B)≡0 nếu P  Di; Di - đoạn phụ tải thứ i; i - số đoạn phụ tải; B = {bo, b1, b2, ..., bn} - vec tơ tham số cần tìm của hàm mô hình hóa; Áp dụng mô hình hàm trơn từng khúc cho một MLTT chiller, đặc tuyến năng lượng của MLTT chiller được biểu diễn trong biểu thức (2.10): = ( , B) = ( , B) (2.2) trong đó: Qo là năng suất lạnh của MLTT chiller NCH là công suất điện của MLTT chiller  Di; fi(Qo,B) là đa thức xấp xỉ trong đoạn Di, xác định với điều kiện fi(Qo,B) ≡ 0 nếu Qo B = {bo, b1, b2, ..., bn} - vec tơ tham số cần tìm của hàm mô hình hóa. Đặc thù vận hành của các TLTT chiller trong hệ thống ĐHKK trung tâm là đặc tính năng lượng của chúng không phụ thuộc vào nhau, nghĩa là các MLTT hoạt động độc lập và không phụ thuộc lẫn nhau về khả năng sản xuất năng lượng (công suất lạnh). Điều đó làm đơn giản bài toán nhận dạng mô hình. 35 Thực tế cho thấy các đặc tính năng lượng của các MLTT chiller thường có i điểm gẫy, với i là số máy nén trong MLTT chiller. Xét về bản chất, số lượng đoạn trơn mà càng tăng thì mô hình thu được sẽ càng chính xác, dự đoán được vị trí điểm nối giữa các đoạn càng chính xác thì mô hình thu được cũng sẽ càng chính xác. Thông thường đối với MLTT chiller thì số đoạn trơn chỉ dừng lại ở 3 đoạn: D1, D2, D3 (hình 2.2) [13~15, 20]: D1={Qo,min  Qo,1}, D2={Qo,1  Qo,2}, D3={Qo,2  Qo,max}, trong đó, Qo,min, Qo,max - giới hạn dưới và trên của dải phụ tải cho phép của MLTT chiller; Qo,1, Qo,2 - giới hạn hay điểm gẫy giữa các đoạn. Đặt Qo,0 = Qo,min, Qo,3 = Qo,max. Hình 2.2. Đường cong trơn từng khúc của đặc tính năng lượng Như vậy đặc tính năng lượng của MLTT chiller có thể biểu diễn bởi các đa thức bậc hai từng khúc với 3 thành phần như sau [20]: NCH = f(Qo, B) = trong đó, f1(Qo), nếu Q0,min ≤ Qo ≤ Qo,1 f2(Qo), nếu Qo,1 ≤ Qo ≤ Qo,2 f3(Qo), nếu Qo,2 ≤ Qo ≤ Qo,3 (2.3) f1(Qo) = b10 + b11(Qo-Qo,min) + b12(Qo-Qo,min)2 – đa thức xác định trong đoạn D1={Qo,min  Qo,1} 36 f2(Qo) = b20 + b21(Qo-Qo,1) + b22(Qo-Qo,1)2 – đa thức xác định trong đoạn D2={Qo,1Qo,2} f3(Qo) = b30 + b31(Qo-Qo,2) + b32(Qo-Qo,2)2 – đa thức xác định trong đoạn D3={Qo,2Qo,max} BCH = {b10, b11, b12, b20, b21, b22, b30, b31, b32} - vec tơ các tham số. Để mô hình f(Qo) là tập hợp của các hàm fi(Qo), i = 13, là một hàm liên tục (gẫy nhưng không đứt), ta bổ sung điều kiện liên tục giữa điểm đầu đoạn này với điểm cuối của đoạn sau, tức là: f1 (Qo,1) = f2 (Qo,1) và f2 (Qo,2) = f3 (Qo,2), ta nhận được: b20 = b10 + b11 (Qo,1 -Q0,min) + b12 (Qo,1 - Q0,min)2 b30 = b20 + b21 (Qo,2 –Qo,1) + b22 (Qo,2 – Qo,1)2 (2.4) (2.5) Với các điều kiện (2.4) và (2.5) hàm f(Qo, B) sẽ là một hàm liên tục và vec tơ các tham số trở thành: B = {b10, b11, b12, b21, b22, b31, b32} Hàm tổng các độ lệch bình phương giữa giá trị thu được từ mô hình và các số liệu thống kê, có dạng: (B) = [ ( ) ,B − ( ) ] (2.6) trong đó NCH(t) - công suất điện tiêu thụ theo thực tế vận hành của MLTT chiller ở công suất lạnh thứ t, Qo(t). Đặc tính tiêu hao năng lượng thu được từ (2.3) được viết gọn lại theo (2.7) cho từng khoảng dải công suất tương ứng D1, D2,…, Dn: NCH(Qo) = b0 + b1 Qo + b2 Qo2 , (2.7) trong đó NCH(Qo) - hàm công suất điện tiêu thụ của MLTT chiller phụ thuộc vào năng suất lạnh Qo. Vec tơ các tham số cần tìm B = {b0, b1, b2} được xác định khi cực tiểu hoá hàm sai số theo độ lệch bình phương của công suất điện tiêu thụ theo mô hình và công suất điện tiêu thụ thực tế (số liệu thống kê) ở công suất lạnh tương ứng [14, 20]: 37 (B) = [ ( ) ,B − ( ) ] → min t (2.8) Trong thực tế vận hành, MLTT chiller không hoạt động độc lập, mà cần thêm các thiết bị thành phần phụ trợ để thành một hệ thiết bị trong TLTT chiller. Các thiết bị thành phần đảm bảo cho hoạt động của TLTT chiller như bơm nước lạnh cho MLTT chiller giải nhiệt gió; bơm nước lạnh, bơm nước giải nhiệt và tháp giải nhiệt cho MLTT chiller giải nhiệt nước. Điển hình trong thực tế vận hành thì một MLTT chiller vận hành cần một bơm nước giải nhiệt, một bơm nước lạnh và một tháp giải nhiệt vận hành đồng thời. Các thiết bị thành phần như bơm nước lạnh, bơm nước giải nhiệt, tháp giải nhiệt cũng là các thiết bị tiêu thụ năng lượng để đảm bảo một năng suất lạnh đầu ra Qo của trạm lạnh. Do đó, để tối ưu hóa triệt để thì cũng rất cần thiết khảo sát cả đặc tuyến năng lượng của các thiết bị thành phần mà bản chất chính là đặc tuyến làm việc của các thiết bị tương ứng. Xét trên phương diện bài toán năng lượng, đặc tuyến làm việc của các thiết bị là mối quan hệ giữa công suất tiêu thụ điện (đầu vào) và công suất phát đầu ra, đối với bơm thì công suất phát đầu ra chính là công suất lưu lượng Lb, với tháp giải nhiệt chính là công suất giải nhiệt Qk. Bản chất của đặc tuyến làm việc trên phương diện bài toán năng lượng thì nó chính là đặc tuyến năng lượng của thiết bị thành phần tương ứng. Do đó, phương pháp vạn năng để xây dựng đặc tuyến làm việc của các thiết bị này là sử dụng mô hình đa thức từng khúc đã được trình bày ở trên. Kết quả ta sẽ thu được một hàm đặc tuyến năng lượng hay hàm đặc tính làm việc của từng thiết bị như trong (2.2) và bộ vec tơ các hệ số đặc trưng cho các tham số vận hành của các thiết bị tương ứng. 2.2.2 Xây dựng bài toán tối ưu hóa chế độ vận hành Một trong những vấn đề chính của quá trình vận hành hệ thống điều khiển chế độ làm việc của các hệ thống ĐHKK trung tâm chiller là bài toán PPPT tối ưu giữa các tổ hợp làm việc song song của chúng. Dạng toán học của bài toán PPPT tối ưu TLTT chiller là hàm đa mục tiêu cho bởi (2.9) ~ (2.11). 38 F1 (x)   f1i (Qoi , Qik )  min n x i =1 F2 (x)   f 2i (Qoi , Q ik )  min n i =1 F3 (x)   f 3i (Qoi , Q ik )  max x n x i =1 (2.9a) (2.9b) (2.9c) với điều kiện rằng buộc là: - Trong đó: - - - Điều kiện giới hạn năng suất lạnh và công suất nhiệt của TLTT chiller Q n i 1 i o  Q0, , Q n i 1 i k  Qk ,  , (2.10) Điều kiện giới hạn khả năng làm việc của từng MLTT chiller trong trạm lạnh: Qio, min  Qio  Qio, max, Qik, min  Qik  Qik, max, i=1,2,…,n, (2.11) F1(x), F2(x), F3(x) – lần lượt là các hàm chỉ tiêu tiêu hao năng lượng (điện năng), hàm chỉ tiêu về lượng phát thải ra môi trường xung quanh và và hàm chỉ tiêu độ tin cậy của thiết bị; f1i(Qio), f2i(Qio), f3i(Qio) – lần lượt là hàm đặc tính năng lượng, hàm đặc tính lượng phát thải ra môi trường xung quanh và hàm đặc tính độ tin cậy của tổ máy lạnh chiller thứ i trong hệ thống. Qio , Qik – Năng suất lạnh và công suất nhiệt của thành phần máy lạnh chiller thứ i trong hệ thống; - Qo, , Qk, – tổng năng suất lạnh, năng suất nhiệt của trạm lạnh theo yêu cầu - Qio, min , Qio, max , Qik, min , Qik, max – giới hạn làm việc về năng suất lạnh, năng - tiêu thụ; suất nhiệt cho phép của máy lạnh chiller thứ i; x ={x1,…,xn} = {Qo1, Qo2,…,Qon, Qk1, Qk2,…,Qkn} – vectơ biến số tối ưu hoá – chính là vectơ các thông số vận hành của TLTT chiller. Hàm mục tiêu về TKNL mục tiêu chính trong bài toán tối ưu hóa PPPT trong TLTT biểu thức (2.9) rút gọn chỉ còn biểu thức (2.9a), mục tiêu về độ tin cậy trong biểu thức (2.9c) coi như nằm trong giới hạn cho phép và được bỏ qua, mục tiêu còn lại trong biểu thức (2.9b) được xác định từ mục tiêu chính trong biểu thức (2.9a). 39 2.2.3 Cách giải bài toán Phương pháp luận giải bài toán đa mục tiêu này thực hiện theo trình tự sau [20]: 1- Thực hiện thao tác chuẩn hoá các chỉ tiêu tối ưu (2.9); 2- Chuyển đổi bài toán. Đưa bài toán tối ưu hoá đa chỉ tiêu về dạng một chỉ tiêu bằng cách dùng trọng số, xác định theo quy tắc min-max hoặc theo quan điểm chọn chỉ tiêu chính; 3- Thiết lập hàm mục tiêu không điều kiện rằng buộc tương đương. Khi bài toán PPPT tối ưu thiết lập xong dưới dạng hàm mục tiêu không điều kiện rằng buộc tương đương có thể dùng thuật toán vượt khe để xác định lời giải tối ưu của hàm mục tiêu không điều kiện rằng buộc tương đương, đó chính là lời giải của bài toán ban đầu. 2.2.3.1 Chuẩn hóa chỉ tiêu tối ưu Biến đổi chỉ tiêu ban đầu thành dạng chuẩn hoá không thứ nguyên dưới dạng: H j (x)  Fj (x)  Fjmin Fjmax  Fjmin , j = 1, 2, 3 (2.12) trong đó Fjmin , Fjmax là các giới hạn dưới và trên của chỉ tiêu thứ j. Từ đó nhận được bài toán tương đương với (2.9) là: H 1 ( x), H 2 ( x), H 3 ( x)  min x 2.2.3.2 Chuyển đổi bài toán - Phương pháp trọng số (2.13) Thiết lập chỉ tiêu thống nhất dưới một trong những dạng sau: Phương pháp dựa trên việc lượng hóa tương quan ảnh hưởng của mỗi mục tiêu đến toàn cục và tiến hành cực tiểu hóa mục tiêu toàn cục theo (2.14): f ( x)   1 H 1 ( x)   2 H 2 ( x)   3 H 3 ( x) ,  1, 2, 3 – là các trọng số và  1 + 2 + 3 = 1 40 (2.14) - Phương pháp min – max Đánh giá sự ảnh hưởng của mỗi mục tiêu và tiến hành cực tiểu hóa mục tiêu có ảnh hưởng lớn nhất, các mục tiêu còn lại được xác định theo mức độ ảnh hưởng của nó đối với mục tiêu toàn cục. f (x)  max H i (x)  min , 1i3 - (2.15) x Phương pháp chọn mục tiêu chính Trong tất cả các mục tiêu của bài toán, lựa chọn một mục tiêu làm mục tiêu chính Hm(x) để cực tiểu hóa, các mục tiêu còn lại được hạn chế trong một giới hạn nhượng bộ cho phép. f ( x )  H i ( x )  min với điều kiện H j ( x)  H jmax , 1  j, i  3, j  i x (2.16) ở đây H jmax là các giới hạn nhượng bộ cho phép của của chỉ tiêu phụ thứ j. Như phân tích ở trên trong bài toán tối ưu vận hành TLTT chiller, chỉ tiêu về độ tin cậy thiết bị rất phức tạp và chưa đủ dữ liệu để thiết lập. Chỉ tiêu lượng phát thải ra môi trường xung quanh thực chất được rút ra từ chỉ tiêu tiêu thụ năng lượng theo hệ số xác định được công bố hàng năm [1]. Do vậy, trong nghiên cứu này giới hạn trong việc lựa chọn chỉ tiêu chính là chỉ tiêu tiêu hao điện năng của TLTT chiller, còn chỉ tiêu lượng phát thải ra môi trường xung quanh được suy ra từ chỉ tiêu chính. 2.2.3.3 Thiết lập bài toán không điều kiện rằng buộc tương đương Bài toán tối ưu hoá tương ứng với chỉ tiêu thống nhất có dạng toán học như sau: f (x)  min , x = {x1,x2,…,x2n}, x (2.17) với các điều kiện rằng buộc: - - Điều kiện rằng buộc theo lựa chọn chỉ tiêu thống nhất theo quan điểm chọn chỉ tiêu chính: H j ( x)  H jmax , 1  j  2, j  i , (2.18) Điều kiện rằng buộc theo các phương trình cân bằng năng lượng: Qo ,   x i  0, Qk ,   x ni  0 , n n i =1 i =1 41 (2.19) - Điều kiện rằng buộc theo khả năng làm việc của thiết bị: i i i xmin  x i  xmax , xi  x ni  Smax , i = 1,2,..., n (2.20) trong đó: xi  Qi0 ; xn+j  Qik ; ximin  Qio,min ; xn+jmin  Qn+jk,min ; xn+jmax  Qn+jk,max , j = 1,2,…,n. Si là tổng công suất phát tải lạnh Qio và tải nhiệt Qik của máy lạnh thứ i, Simax là tổng công suất phát lớn nhất cả tải lạnh và tải nhiệt của máy lạnh chiller thứ i. Bài toán tối ưu có rằng buộc (2.17)~(2.20) được giải bằng cách chuyển đổi sang hàm mục tiêu không điều kiện rằng buộc tương đương với các hàm phạt. J (x)  f (x)  c  (x)  cH H (x)  cx x (x)  S (x) , - trong đó cΣ , cx , cH là các hệ số phạt; ΨΣ , Ψx , ΨH là các hàm phạt; Hàm phạt thiết lập theo điều kiện (2.20) ΨH khống chế các chỉ tiêu phụ không vượt quá giới hạn khả năng làm việc của từng thiết bị;  H ( x )   | H j (x )  H jmax |  H j ( x)  H jmax 3 j1 - -  (2.22) Hàm phạt thiết lập theo (2.19) ΨΣ đảm bảo cân bằng năng lượng;  ( x)  | Qo ,   x i |  | Qk ,   x ni | n n i 1 i 1 (2.23) Hàm phạt thiết lập theo (2.20), tức (2.11) Ψx khống chế lời giải trong miền tải cho phép của mỗi đơn vị năng lượng hay chính là khả năng làm việc của thiết bị:   j j j j x ( x)   xmin  xmax  | x j  xmax |  | x j  xmin | 2n j1 - (2.21) (2.24) Hàm phạt đảm bảo tổng công suất của mỗi máy hoặc tổ hợp máy không vượt giới hạn cho phép trong (2.20) theo thiết kế ΨS(x):   i i S (x)   x i  xn i  S max  | x i  x ni  S max | n i 1 (2.25) Để nhận được lời giải của bài toán tối ưu có điều kiện rằng buộc (2.17)~(2.20), áp dụng thuật toán tối ưu hóa “Vượt khe” [12, 14, 15, 20] để cực tiểu hoá hàm mục tiêu vô điều kiện tương đương (2.21). Đây cũng chính là lời giải của bài toán ban đầu. Thuật toán tối ưu hóa vượt khe được trình bày ở phần tiếp theo. 42 2.2.4 Nguyên tắc phân phối phụ tải tối ưu Nguyên tắc phân phối phụ tải tối ưu áp dụng thuật toán tối ưu hóa vượt khe là một thuật toán con bao gồm hai bước lặp liên tục: - Lựa chọn số lượng thành phần MLTT chiller có thể đưa vào hoạt động. Gọi bài toán tối ưu hóa bên trên để tìm ra chế độ PPPT có tiêu hao năng lượng nhỏ nhất. Ở mỗi mức phụ tải lạnh yêu cầu, cần phải lựa chọn tổ hợp những khả năng số lượng MLTT chiller cần hoạt động sao cho mức phụ tải lạnh yêu cầu phải lớn hơn tổng năng suất lạnh nhỏ nhất, đồng thời nhỏ hơn tổng năng suất lạnh lớn nhất của các MLTT chiller phải tham gia vận hành. Đây chính là sự đảm bảo các điều kiện giới hạn năng suất lạnh và công suất nhiệt của TLTT chiller (2.10) và điều kiện biên giới hạn khả năng làm việc của từng MLTT chiller (2.11), nghĩa là: Qio, min  Qo,   Qio, max (2.26) Trong đó: Qio, min là tổng công suất lạnh nhỏ nhất của các MLTT chiller tham gia vận hành ; Qio, max tổng công suất lạnh lớn nhất của các MLTT chiller tham gia vận hành; Qo,  là mức phụ tải lạnh yêu cầu. Nếu ký hiệu n là số lượng MLTT chiller cần vận hành trong tổng số m MLTT chiller trong TLTT ở mức phụ tải lạnh xác định, số lượng phương án vận hành đáp ứng được điều kiện (2.26) là tổ hợp chập n của m các phương án khả năng Cnm. Trong mỗi phương án vận hành được chọn trong tổng số Cnm phương án phải giải bài toán tối ưu hóa để tìm ra phương án có tiêu hao điện năng nhỏ nhất của phương án vận hành tương ứng. Trong tất cả các phương án được chọn, bài toán tối ưu hóa một lần nữa lại được áp dụng để tìm ra phương án vận hành được chọn có lời giải tiêu hao điện năng nhỏ nhất ở mức phụ tải lạnh yêu cầu. Đây chính là lời giải toàn cục và cuối cùng để đưa vào biểu đồ PPPT tổng. Tập hợp các phương án vận hành được chọn có tiêu hao điện năng nhỏ nhất tương ứng ở các mức phụ tải lạnh yêu cầu khác nhau chính là biểu đồ PPPT tổng của TLTT. Để tăng tốc độ tính toán, thuật toán PPPT tối ưu cũng bao gồm thuật toán con để loại trừ các phương án chọn tổ hợp số lượng các MLTT chiller có tổng tiêu hao điện năng lớn hơn tổng tiêu hao điện năng trong chế độ PPPT đều cho các MLTT tham gia vận hành ở mức phụ tải lạnh yêu cầu. 43 Kết quả của thuật toán PPPT tối ưu tìm ra được biểu đồ PPPT tổng và đặc tuyến tiết kiệm công suất điện tiêu thụ, so với chế độ PPPT đều, tương ứng với mỗi mức phụ tải lạnh yêu cầu: ∆ = ( , ) (2.27) Trong đó: ΔNi là công suất điện tiêu thụ tiết kiệm được ở mức phụ tải tải thứ i, kW 2.3 Qio,  là mức phụ tải của trạm lạnh hay năng suất lạnh của trạm lạnh, kW Phương pháp tối ưu hóa vượt khe Trong phần này áp dụng kết quả nghiên cứu trong [12, 14, 15, 20, 48]. Xét bài toán tối ưu (2.8) viết gọn lại theo (2.28): J(X) → min với X ϵ En 2.3.1 Nghiên cứu địa hình của hàm mục tiêu (2.28) Mục đích của nội dung này này là giới thiệu công cụ kiểm tra lời giải sau mỗi lần giả bài toán tối ưu bằng thuật toán vượt khe. “Địa hình” của hàm mục tiêu là sự thể hiện hình học thông qua hình dáng và đặc điểm phân bố các mặt mức của nó trong không gian biến số [12, 20]. Theo dáng điệu của mặt mức có thể nhận biết về một số tính chất cơ bản của hàm mục tiêu. Đó là các thông tin quan trọng để hiệu chỉnh và cải tiến cách đặt bài toán ban đầu, đồng thời tìm giải pháp để hoàn thiện thuật toán tối ưu hóa, đặc biệt đối với hàm khe. Ví dụ hàm (2.28) với X = {N1, N2,..., Nn} có dáng điệu mặt mức của hàm thể hiện ở hình 2.3. Hình 2.3 Dáng điệu mặt mức của hàm mục tiêu tối ưu hoá PPPT giữa các tổ máy làm việc song song 44 Các mặt mức của hàm nhiều biến có thể biểu diễn qua các đường mức khép kín trong hệ tọa độ phẳng của từng cặp biến. Nếu hàm mục tiêu chỉ có hai biến mà biến này có thể rút ra theo quan hệ phụ thuộc vào biến kia, thì việc dựng các đường đồng mức của nó rất đơn giản. Nhưng thực tế với hàm nhiều biến, đặc biệt là khi hàm mục tiêu dưới dạng ẩn, vấn đề trở nên hết sức phức tạp. Do đó để nghiên cứu địa hình của hàm mục tiêu cần có một phương pháp đặc biệt biểu diễn hình ảnh mặt mức của nó. - - Ý nghĩa của việc xây dựng mặt mức hàm mục tiêu thể hiện trong các ý sau đây: Căn cứ dáng điệu các mặt mức của hàm số có thể biết được rằng hàm mục tiêu lồi hay không lồi, có một hay nhiều cực trị, có độ khe sâu hay không, hàm tối ưu hóa trơn hay không trơn tại những miền nào đó… Theo mật độ phân bố các mặt mức của hàm mục tiêu, xây dựng theo phương pháp hàm phạt, có thể định hướng thay đổi hệ số phạt sao cho giảm “độ khe” của hàm mục tiêu hoặc tăng độ chính xác của lời giải nhận được của bài toán ban - đầu; Theo vị trí của lời giải nhận được trên đồ thị mặt mức, có thể đánh giá sơ bộ độ chính xác lời giải, đồng thời, có thể đánh giá đặc điểm và tính hiệu quả của các thuật toán đã sử dụng. Đây là thủ thuật vạn năng biểu diễn mặt mức của hàm mục tiêu bất kỳ, thể hiện dưới dạng các đường đồng mức nằm trong hệ toạ độ hai biến. Bản chất của thủ thuật này là thực hiện thao tác quét trong miền không gian hai biến theo một lưới chia nhất định trong khi các biến khác giữ không đổi. Trên mỗi miền của lưới chia ứng với mỗi giá trị cố định của biến thứ nhất thực hiện quá trình chính xác hoá biến thứ hai để đạt giá trị mức cho trước với độ chính xác cho trước. Tất cả các biểu tượng mặt mức của các hàm mục tiêu xét trong luận án này đều được vẽ bằng thuật toán dựng mặt mức nói trên [12, 20]. 2.3.2 Thuật toán vượt khe Phương trình lặp của phương pháp "Vượt khe" có dạng giống như mọi thuật toán gradien khác [12, 20]: xk+1 = xk + k+1sk, k =0,1,…, trong đó xk, xk+1 – điểm đầu và điểm cuối của bước lặp thứ k+1; sk – hướng tìm kiếm trong không gian Ơclít En; k+1 – độ dài bước. 45 (2.29) Sự khác biệt về nguyên tắc của phương pháp “Vượt khe” so với các phương pháp khác thể hiện ở quy tắc xác định bước. Theo quy tắc tìm kiếm tối ưu kiểu “Vượt khe”, thì điểm đầu và điểm cuối của mỗi bước lặp luôn luôn nằm về hai phía điểm cực tiểu của hàm mục tiêu trong hướng đó. Quy tắc tìm kiếm tối ưu nói trên gọi là “Nguyên tắc vượt khe”, còn độ dài bước tương ứng gọi là “Bước vượt khe”. Quĩ đạo tối ưu hoá hàm khe rõ rệt theo nguyên lý này tạo ra hình ảnh tựa như điểm tìm kiếm luôn luôn vượt từ bên này sang bên kia mà không rơi xuống "lòng khe". Từ đó xuất hiện tên gọi phương pháp “Vượt khe”. Nguyên lý “Vượt khe” tạo ra khả năng nghiên cứu “địa hình” tổng thể của hàm mục tiêu tại vùng khe và do đó cho phép xây dựng chiến lược hiệu quả nhất tìm điểm tối ưu. h() h(0) h( ) vk h(*)  0 *  vk  Hình 2.4 Xác định “Bước vượt khe” avk. h() = J(xk + sk). 2.3.2.1 Thuật toán xác định bước vượt khe Ta ký hiệu hàm một biến h() = J(xk+sk) đối với bước lặp thứ k+1. Giả sử  *  arg min h( ) là bước xác định theo điều kiện đạt cực tiểu theo hướng (hình 2.4).  0 Theo nguyên lý “Vượt khe”, điểm tìm kiếm chuyển dịch từ xk đến điểm xk+1 với bước k+1 = vk xác định theo điều kiện (2.29). Sơ đồ khối thuật toán tìm “bước vượt khe” thể hiện ở hình 2.5: α vk  α * , λa [h(0)  h(α * )]  h(α vk )  h(α * )  λb [h(0)  h(α * )] , Trong đó 0  a  b  1 – các hệ số “vượt quá” phía trên và phía dưới. (2.30) “Bước vượt khe” xác định nhờ thủ tục tìm kiếm một biến. Sơ đồ khối của thủ tục này dẫn trên hình 2.5. Giả sử cho trước: p > 0, >1, 0< g 0. 46 Bước 1: Cho p1 = 0, p2 = A sau đó tăng liên tiếp các đại lượng ợng này theo luật: p1:= p2, p2:= p2 (tăng theo cấp ấp số nhân) cho đến khi h(p2)  h(p1) hoặc h(p2)  h(0). Kết quả ta nhận được đoạn (p1,p2) và chuy chuyển sang bước 2. Bước 2: Kiểm tra đi điều kiện đoạn nhỏ: p2 - p1  p. Nếu đúng, nghĩa ngh là không tìm được “Bước vượt ợt khe” với độ chính xác đã cho. Khi đó nhận vk:=p và kết k thúc quá trình. Trái lại, chuyển sang bước ớc 3. Hình 2.5 Sơ đđồ khối tìm ''Bước vượt khe” theo điều ều kiện (2.30). (2. Bước 3: Tính p:=p1+g(p2-p1) và =[h(0) -h(p1)] rồi chuyển sang bư ước 4. Bước 4: Nếu h(p) - hh(p1)>b thì nhận p2:=p, còn nếu h(p) - h(p1)< a thì nhận p1:= p. Sau đó trở ở về thực hiện bbước 2. Trường ờng hợp thứ ba xảy ra nghĩa là tìm được “Bước vượt khe”: vk:=p. ở đây, trở ở về chương trình chính. Thường ờng cho các giá trị: A = 0,1;  = 1,5; p = dx, ở đây dx bằng ằng gia số dùng khi tính vectơ gradien của ủa hàm mục tiêu theo công thức sai phân hữu hạn. Các tham số hiệu chỉnh của ủa thuật toán là các hệ số vvượt khe a, b và hệ số chia khoảng g. Đối ối với hầu hết các hàm mục ục tiêu trong thực tế thuật toán “V “Vượt ợt khe” có hiệu quả cao với các giá trị không đổi sau: a =0; b =0,5; g =0,13. 47 Thủ tục xác định “Bước vượt khe” mô tả trên đây khá đơn giản và khả dụng trong các trường hợp hàm mục tiêu trơn cũng như không trơn. Phương pháp “Vượt khe” sinh ra các biến thể tuỳ thuộc việc định nghĩa hướng tìm kiếm. Thí dụ các thuật toán “Vượt khe” theo hướng tựa phân giác, theo hướng vuông góc, theo hướng chiếu Affine (VAF), v.v... Thực tế áp dụng cho thấy các biến thể hiệu quả nhất của phương pháp “Vượt khe” là các thuật toán tối ưu hóa vượt khe theo hướng chiếu Affine (VAF) và theo đối gradien với sự biến đổi metric của không gian [20, 48]. 2.3.2.2 Hướng tìm kiếm hướng chiếu Affine Hướng tìm kiếm trong thuật toán vượt khe hướng chiếu Affine xác định tựa theo đường vuông góc hạ từ đỉnh đến đáy của hình chóp tạo bởi r vectơ đối gradien xác định tại các bước trước đó: s k   i  k-i , s =  , k = 1,2,…, r 1 i =0 0 0 (2.31) trong đó sk-i = -J(xk-i) là đối gradien của hàm mục tiêu trên bước thứ k-i+1; r = k+1, nếu k< n, trái lại r = n; i là các hệ số trọng, có thể xác định bằng cách giải hệ phương trình tuyến tính sau:  r 1 i =0 i  k -i ,  k - j   k - j-1  0, j = 0,1,..., r  2, i  1.  r 1 i =0 (2.32) i = -J(xi), s0=0 Quá trình lặp của thuật toán vượt khe có thể giải thích như trong hình 2.6 và hình 2.7. Điểm xuất phát bắt đầu từ x0, điểm tìm kiếm chuyển dịch theo hướng đối gradien s0 =0 với “Bước vượt khe” a1 đến điểm x1 có đối gradien tương ứng là 1. Ở đây hướng chuyển động s1 được xây dựng theo đường cao của tam giác tức hình chóp hai chiều với đỉnh x1 và đáy là 1-0. 48 Hình 2.6 Thể hiện hình học của quá trình tìm kiếm tối ưu theo thuật toán vượt khe Điểm tiếp theo theo hướng s1, từ điểm x1 thực hiện bước vượt khe tới điểm x2 có đối gradien tương ứng là 2. Các vectơ 2, 1, 0 tạo thành một hình chóp với đỉnh là x2. Dọc theo đường vuông góc hạ từ đỉnh này đến đáy của hình chóp xác định vectơ chuyển động s2, trên cơ sở hệ phương trình (2.30) và công thức (2.29). Theo hướng s2 tiếp tục thực hiện quá trình tìm kiếm theo nguyên lý “Vượt khe”, nhận được điểm x3. Quá trình cứ tiếp diễn như vậy cho đến bước lặp thứ k=n. Sau đó, khi k > n, thì trên mỗi bước chỉ lưu bộ nhớ n vectơ đối gradien cuối cùng để dựng hình chóp và đường cao của nó xác định hướng chuyển động tiếp theo sk. Hình 2.7 Sơ đồ khối tìm ''hướng vượt khe” theo điều kiện (2.30). Quá trình lặp như trên tiếp diễn cho đến khi thoả mãn các điều kiện dừng đã xác định trước. 49 Nếu kết hợp hướng chuyển động bất kỳ với quy tắc xác định bước “Vượt khe” thì được một biến thể của phương pháp “Vượt khe”. Mỗi thuật toán phổ biến đã biết cho phép kết hợp với nguyên lý “Vượt khe” sẽ hình thành một thuật toán vượt khe tương ứng đều cho kết quả tăng tốc độ hội tụ. 2.4 Đánh giá hiệu quả tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải Thuật toán tối ưu hóa vượt khe đã được cụ thể hóa bằng chương trình phần mềm máy tính Power trong công trình [16]. Kết quả tối ưu hóa trong [16] xây dựng được đặc tuyến PPPT tối ưu và đặc tuyến tiết kiệm công suất điện tiêu thụ của PPPT tối ưu so với PPPT đều ứng với mỗi công suất phụ tải, ở đây là năng suất lạnh Qio,Σ xác định trong (2.27). Để tính được điện năng tiết kiệm được E (kWh) trong một khoảng thời gian nào đó, thường là cả mùa hay cả năm, cần thiết phải xác định tổng thời gian xuất hiện của mỗi mức phụ tải trong cả ngày, cả mùa và cả năm vận hành. Đây là tích phân của hàm f(Qio, τ) theo biến là thời gian chạy τ ở mức phụ tải Qio. Biểu diễn toán học của phép tính hiệu quả TKNL được biểu diễn bằng công thức (2.32). = ( , ) (2.33) Nếu biểu thức (2.27) là hàm tường minh thì ta có thể giải được (2.33) dễ dàng. Tuy nhiên, trong thực tế thì (2.27) thu được từ lời giải trong [16, 20] lại là một hàm ẩn hay phiếm hàm, do đó ta chỉ có thể tính gần đúng (2.33) theo một trong hai cách sau. 2.4.1 Xác định hiệu quả tiết kiệm điện năng theo đặc tuyến phụ tải lạnh. Trong trường hợp ta có được dữ liệu đặc tuyến phụ tải lạnh của hệ thống, ta sẽ xác định tổng số giờ mà hệ thống vận hành trong một dải công suất xác định nào đó. Biểu thức (2.33) có thể được tính xấp xỉ bằng: ≅ Qoi+1; (2.34) Trong đó τi (giờ) là tổng thời gian hệ thống vận hành ở dải năng suất lạnh Qio đến ΔNitb là công suất điện tiết kiệm trung bình trong dải năng suất lạnh Qio đến Qoi+1, 50 1 = (∆ 2 ) +∆ (2.35) Với ΔNi , ΔNi+1 là công suất điện tiết kiệm được ở năng suất lạnh Qoi và Qoi+1 tương ứng; Q1o = Qo,min ; Qon+1 = Qo,max ; i = 1,2, ..., n Cách tính này sẽ càng chính xác nếu khoảng chia dải công suất phụ tải càng nhỏ. 2.4.2 Xác định hiệu quả tiết kiệm điện năng theo đặc tuyến tiêu thụ năng lượng. Trong trường hợp ta chỉ biết được đặc tuyến tiêu thụ năng lượng Q (kWh) của hệ thống trong một khoảng thời gian theo mùa hay cả năm thì ta cũng có thể tính được điện năng tiết kiệm được bằng cách xác định tỷ lệ phần trăm xuất hiện ετi của dải phụ tải {Qio ~ Qoi+1} tương ứng bước khoảng chia thời gian Δτi trong suốt khoảng thời gian tính toán. ≅ ∆ (2.36) =1 (2.37) Trong đó: ΔEi là điện năng tiêu thụ tiết kiệm được trong dải phụ tải {Qio ~ Qoi+1} ∆ ≅ ∆ ∆ (2.38) Với Δτi là bước khoảng chia thời gian hệ thống vận hành trong dải phụ tải {Qio ~ Qoi+1}; Q1o = Qo,min ; Qon+1 = Qo,max ; i = 1,2, ..., n Cách tính này sẽ càng chính xác nếu bước khoảng chia thời gian càng nhỏ, đồng nghĩa là tần suất lấy mẫu càng cao càng chính xác. 2.4.3 Xác định lượng phát thải tiết kiệm. Theo tài liệu [1], lượng phát thải tiết kiệm được xác định theo hệ số phát thải được quy định hàng năm của Cục khí tượng thủy văn và biến đổi khí hậu, Bộ tài nguyên và môi trường và được xác định theo biểu thức (2.39): EQ = E. EF 51 (2.39) - 2.5 sau: Trong đó: EQ là lượng phát thải tiết kiệm được, Tấn CO2 EF là hệ số phát thải lưới điện, được quy định trong tài liệu [1], năm 2012 EF = 0,5603 Tấn CO2/MWh Kết luận chương 2 Tóm lại, kết quả nghiên cứu đạt được trình bày trong chương 2 gồm những điểm - - - Trên cơ sở mô hình đa thức từng khúc với đa thức bậc hai đã xây dựng đặc tuyến năng lượng của các thiết bị chính trong TLTT chiller làm cơ sở để xây dựng bài toán tối ưu PPPT. Đã xây dựng bài toán tối ưu PPPT cho hệ thống ĐHKK trung tâm gồm nhiều MLTT chiller làm việc song song. Bài toán đã được giải bằng việc sử dụng thuật toán tối ưu vượt khe hướng chiếu Affine. Trên cơ sở các đặc tuyến năng lượng, đã hình thành và giải bài toán tối ưu bằng phương pháp chọn mục tiêu chính cực tiểu hóa tiêu hao năng lượng. Phát triển mở rộng phần mềm Power để tính toán hiệu quả TKNL và giảm phát thải của các hệ thống ĐHKK trung tâm chiller trên cơ sở thuật toán phân tích đặc tuyến phụ tải lạnh hoặc đặc tuyến tiêu thụ năng lượng của hệ thống. 52 CHƯƠNG 3: TRẠM LẠNH TRUNG TÂM CHILLER VÀ PHƯƠNG PHÁP THU THẬP, XỬ LÝ SỐ LIỆU Chương 3 sẽ phân tích lựa chọn đối tượng nghiên cứu cụ thể là trạm lạnh trung tâm chiller trong tòa nhà Mipec Tower như một đối tượng nghiên cứu điển hình. Đồng thời sẽ trình bày phương pháp luận thu thập và xử lý số liệu gắn kết thống nhất giữa đặc thù hệ thống điều hòa không khí trung tâm chiller và phương pháp vượt khe trong bài toán tối ưu hóa chế độ vận hành. 3.1 Lựa chọn đối tượng nghiên cứu điển hình 3.1.1 Hệ thống điều hòa không khí trung tâm giải nhiệt nước Cùng với sự phát triển của nền kinh tế, các hệ thống ĐHKK trung tâm chiller ngày càng được sử dụng rộng rãi và phổ biến. Các công trình trung tâm thương mại, dịch vụ công cộng, văn phòng, khách sạn, bệnh viện, trường học... cũng có quy mô ngày càng lớn, đi kèm với nó là các hệ thống ĐHKK trung tâm ngày càng lớn hơn. Khảo sát tại các tòa nhà qui mô vừa và lớn cho riêng địa bàn Hà Nội như thống kê ở phụ lục 2 cho thấy, hầu hết các công trình vừa và lớn, các công trình trọng điểm đều sử dụng các hệ thống ĐHKK trung tâm chiller, trong đó có trên 70% các công trình này sử dụng hệ thống ĐHKK trung tâm chiller giải nhiệt nước. Hệ thống ĐHKK trung tâm chiller giải nhiệt nước tại công trình trung tâm thương mại, văn phòng và dịch vụ công cộng Mipec Tower tại địa chỉ 229 Tây Sơn, Đống Đa, Hà Nội được lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu thử nghiệm. Đây là công trình có quy mô lớn, cấu trúc phức tạp và tiêu thụ năng lượng lớn. Hệ thống ĐHKK trung tâm chiller ở đây mang đầy đủ các đặc điểm điển hình của một hệ thống ĐHKK trung tâm chiller phức hợp, đã được áp dụng các giải pháp kỹ thuật TKNL, hệ thống điều khiển tự động hiện đại, tuy nhiên đang gặp rất nhiều vấn đề trong công tác vận hành, khai thác hệ thống một cách hiệu quả và tiết kiệm. Trong tòa nhà Mipec Tower, hệ thống ĐHKK trung tâm chiller với MLTT chiller giải nhiệt nước có tổng năng suất lạnh là 9800 kW, tổng công suất điện cung cấp cho riêng hệ thống điều hòa là 4000 KVA . Đây là một công trình phức hợp với nhiều phân khu chức năng độc lập: Khối văn phòng, khối trung tâm thương mại và khu vực rạp chiếu phim và dịch vụ công cộng. Phụ tải lạnh khối văn phòng chiếm khoảng 40%; khối trung tâm thương 53 mại với khoảng 50%; phần còn lại phục vụ cho khu vực rạp chiếu phim và dịch vụ công cộng. Tòa nhà Mipec Tower có biên độ phụ tải lạnh thay đổi lớn trong ngày, trong mùa. Phụ tải đỉnh chủ yếu trong thời gian hành chính trong tuần. Thời gian cuối tuần và ngoài giờ hành chính thì phụ tải giảm xuống còn rất nhỏ. Do biên độ dao động của phụ tải lạnh trong tòa nhà thay đổi lớn nên đòi hỏi một quy trình vận hành phù hợp mới đảm bảo các yêu cầu về tiện nghi và tiết kiệm năng lượng. Hệ thống ĐHKK trung tâm chiller ở đây đã được thiết kế và xây dựng với nhiều trang thiết bị kỹ thuật tiên tiến, các giải pháp kỹ thuật hiện đại cùng các giải pháp tiết kiệm năng lượng: - Tăng độ chênh nhiệt độ nước lạnh để giảm công suất bơm nước lạnh tuần hoàn và - Sử dụng bộ trao đổi nhiệt dạng tấm PHE để phân tách áp suất hệ thống khối văn - giảm chi phí cho đường ống phân phối nước lạnh; phòng; Sử dụng các bộ AHU xử lý gió tươi với các bộ thu hồi nhiệt, giám sát và điều khiển chất lượng không khí trong nhà để giảm phụ tải lạnh trong xử lý gió tươi; Các bơm nước lạnh, bơm nước giải nhiệt, quạt tháp giải nhiệt, AHU xử lý gió tươi được trang bị biến tần toàn bộ. Hệ thống đồng thời được giám sát và điều khiển từ hệ thống điều khiển tự động (BAS) tiên tiến, có khả năng quản lý, theo dõi toàn bộ các thông số hoạt động cũng như cho phép can thiệp vào toàn bộ hệ thống. Với hệ thống BAS, các chế độ vận hành tối ưu mới có thể áp dụng được. Tuy nhiên, tòa nhà đang gặp nhiều vấn đề về khai thác vận hành hệ thống khi phụ tải lạnh tòa nhà thay đổi với biên độ lớn trong ngày: thay đổi phụ tải trong giờ hành chính và ngoài giờ hành chính, giữa ngày làm việc và ngày nghỉ cuối tuần. Vào những ngày thời tiết khắc nghiệt và tăng cao, hệ thống thường xuyên phải tăng số bơm nước giải nhiệt mới đảm bảo việc nâng tải lạnh cho chiller. Nhu cầu xây dựng một chế độ vận hành để khai thác thiết bị hiện có một cách hiệu quả tại tòa nhà Mipec Tower là rất cấp thiết. Nghiên cứu và giải bài toán tối ưu PPPT cho TLTT chiller với các MLTT chiller giải nhiệt nước là phức tạp hơn nhiều so với bài toán tương tự có trong hệ thống ĐHKK trung tâm có MLTT chiller giải nhiệt gió. Điều đó cho phép áp dụng kết quả nghiên cứu trên đối tượng là TLTT chiller giải nhiệt nước phức tạp như hệ thống tại tòa nhà Mipec 54 sang các bài toán tương tự ở các công trình sử dụng MLTT chiller giải nhiệt nước và giải nhiệt gió tương tự. 3.1.2 Trạm lạnh trung tâm chiller trong tòa nhà Mipec Tower Sơ đồ cấu trúc hệ thống TLTT chiller trong tòa nhà Mipec Tower được thể hiện trong hình 3.1. Các thiết bị chính trong TLTT chiller Mipec Tower bao gồm: Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý và bố trí thiết bị cảm biến TLTT chiller tại tòa nhà Mipec - 4 tổ máy trung tâm chiller ly tâm của hãng Carrier model 19XR676745FLFH52 có năng suất lạnh danh định 750RT (2450kW); công suất điện tiêu thụ 485kW; nhiệt độ nước lạnh vào/ra 12/5oC; nhiệt độ nước giải nhiệt vào/ra 32/37oC. Mỗi MLTT chiller sử dụng một máy nén ly tâm điều chỉnh công suất bằng van dẫn dòng ở đầu 55 hút của máy nén cho phép chiller điều chỉnh công suât mềm từ 20% ~ 100% công suất như công bố của nhà sản xuất. Các MLTT chiller được ghép nối song song qua ống góp chung. Bộ điều khiển của MLTT chiller được kết nối trực tiếp đến hệ - thống BAS qua giao thức truyền thông BACnet. 5 bơm nước lạnh tuần hoàn của hãng Grundfos model NKG 125-100-200/204.7 -B BAQE có lưu lượng 301 m3/h, cột áp 50 mH2O, động cơ bơm 75 kW. Bơm được điều khiển bằng biến tần của hãng ABB. Các bơm nước lạnh (4 bơm chạy và 1 bơm dự phòng) được ghép song song qua ống góp chung để có thể thay đổi vai trò hoạt - động cho nhau. 5 bơm nước giải nhiệt tuần hoàn của hãng Grundfos model NKG 125-100- 200/212.1 -B BAQE có lưu lượng 360 m3/h, cột áp 50 mH2O, động cơ bơm 75 kW. Bơm được điều khiển bằng biến tần của hãng ABB. Các bơm nước giải nhiệt (4 bơm chạy và 1 bơm dự phòng) được ghép song song qua ống góp chung để có thể - thay đổi vai trò cho nhau. 6 tháp giải nhiệt vuông loại ngang dòng của hãng OCEAN model YC-900S có năng suất giải nhiệt mỗi tháp là 3150 kW. Mỗi tháp giải nhiệt gồm 2 quạt giải nhiệt, mỗi quạt công suất 5,5kW được điều khiển bằng biến tần. Các tháp giải nhiệt được ghép - nhóm thành 1 khối tháp hoạt động đồng thời. Hệ thống sử dụng sơ đồ đường ống nước có lưu lượng thay đổi. Bơm nước lạnh tuần hoàn được điều khiển biến tần theo chênh áp suất đường nước ở hai đầu ống góp chính. Bơm nước giải nhiệt tuần hoàn được điều khiển biến tần theo nhiệt độ nước giải nhiệt cấp xuống chiller. Toàn bộ TLTT chiller được giám sát và điều khiển bởi hệ thống BAS tiên tiến của hãng Honeywell – Alerton với phần mềm giám sát và điều khiển Envision for BACtalk v2.6. Tủ điện động lực tổng cho TLTT chiller được lắp đặt bộ đồng hồ đo đếm điện năng đa chức năng để giám sát chất lượng điện nguồn cấp và lượng điện tiêu thụ của TLTT chiller. Chế độ vận hành đang được sử dụng của hệ thống là phân phối đều đúng như thiết kế. Hệ thống hoạt động từ 7:30 đến 24:00 hàng ngày và có điều chỉnh theo mùa vận hành. Hệ thống đã được vận hành từ tháng 4/2011 đến nay. 56 3.1.3 Hệ thống điều khiển tự động và phương pháp thu thập dữ liệu vận hành Trong TLTT chiller tòa nhà Mipec Tower được trang bị hệ thống giám sát và điều khiển tự động (BAS) tiên tiến. Hình 3.2 thể hiện sơ đồ cấu trúc hệ thống BAS của TLTT chiller của tòa nhà Mipec Tower. Hình 3.2 Sơ đồ hệ thống BAS cho trạm lạnh trung tâm chiller tại tòa nhà Mipec Tower Các bộ điều khiển kỹ thuật số trực tiếp (DDC – Direct Digital Controller) là nơi thu thập toàn bộ các tín hiệu đầu vào như các loại cảm biến, các trạng thái hoạt động của thiết bị. Đồng thời cũng kết nối toàn bộ tín hiệu điều khiển đầu ra tới các thiết bị thừa hành: van điều khiển đường nước, tốc độ của biến tần, lệnh chạy / dừng cho tất cả các thiết bị trong 57 TLTT chiller. Các chương trình điều khiển cục bộ thiết bị đơn lẻ cũng được lưu trữ trong bộ nhớ của các bộ DDC. Các bộ điều khiển hệ thống (Global Controller) là nơi quản trị và điều khiển toàn bộ các bộ DDC ở mức dưới. Thông tin các điểm vào / ra ở các bộ DDC được đưa lên các bộ điều khiển hệ thống trở thành các tín hiệu vào / ra trong các chương trình điều khiển tổng thể của hệ thống. Các chương trình tổng thể này được lưu trữ và thực hiện tại các bộ điều khiển hệ thống. Đồng thời các dữ liệu vận hành của hệ thống cũng được lưu trữ tại đây trước khi đưa lên máy tính điều khiển trung tâm của hệ thống. Các bộ điều khiển hệ thống cũng là nơi thực hiện các tích hợp cấp cao với các bộ điều khiển đi kèm thiết bị như MLTT chiller, biến tần... Tại tòa nhà Mipec Tower, toàn bộ các bộ điều khiển của MLTT chiller được tích hợp với hệ thống BAS thông qua phương thức truyền thông BACnet MS/TP, cung cấp và cho phép hệ thống BAS giám sát và điều khiển các thông số vận hành của chiller như: nhiệt độ nước lạnh vào / ra; nhiệt độ nước giải nhiệt vào / ra; công suất điện tiêu thụ của chiller, số % tải lạnh chiller đang hoạt động, nhiệt độ bay hơi / áp suất bay hơi của bình bay hơi, nhiệt độ ngưng tụ / áp suất ngưng tụ của bình ngưng tụ, áp suất dầu, số giờ chạy máy, số lần khởi động... Máy tính điều khiển trung tâm cùng với phần mềm điều khiển được trang bị là nơi quản trị toàn bộ hoạt động của hệ thống BAS, thông qua đó quản trị toàn bộ hệ thống ĐHKK được giám sát và điều khiển bởi BAS. Đây cũng là nơi cung cấp giao diện người dùng trực quan để người dùng có thể dựa vào đó theo dõi, điều khiển và quản lý toàn bộ hệ thống. Các dữ liệu vận hành, theo định kỳ thời gian, được lưu trữ tại máy tính điều khiển trung tâm. Quy mô và cấu trúc của hệ thống BAS được quy định bởi tổng số điểm điều khiển và tổng số điểm giám sát do yêu cầu của hệ thống công nghệ được BAS quản lý và điều khiển. Bảng điểm điều khiển của hệ thống BAS cho TLTT chiller tòa nhà Mipec Tower được cho ở phụ lục 3. Bảng điểm điều khiển này cũng chính là bảng tổng hợp danh sách các thiết bị cảm biến, điều khiển được trang bị cho TLTT chiller. Vị trí các điểm bố trí thiết bị cảm biến như cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm, cảm biến áp suất... được thể hiện trong hình 3.1. Thông số kỹ thuật của các thiết bị cảm biến và đo đếm của TLTT Mipec Tower như sau: 58 - 1 bộ đồng hồ đo tổng năng suất lạnh phụ tải của hãng Onicon model System-10BAC lắp đặt trên đường ống góp tổng của hệ thống điều hòa và được nối trực tiếp đến hệ thống BAS qua giao thức truyền thông BACnet. Bộ đồng hồ đo này được hiệu chỉnh độ chính xác theo NIST tại nhà máy. Mỗi bộ bao gồm: + Một cảm biến lưu lượng loại xung bánh xe (turbine insert flow transmitter) model F1100. + Hai cảm biến nhiệt độ gắn ống nước loại thermistor 10K, độ chính xác +/-0,2oC trên toàn dải đo 0~70oC. + Một bộ điều khiển và hiển thị trung tâm System-10-BAC Bộ đồng hồ đo tổng năng suất lạnh của hãng Onicon cho phép cung cấp giá trị đo đếm sau: + Lưu lượng nước lạnh đi đến phụ tải + Năng suất lạnh của phụ tải + Nhiệt độ nước lạnh cấp và hồi từ phía phụ tải - + Điện năng tiêu thụ của tòa nhà theo thời gian Một bộ cảm biến nhiệt độ - độ ẩm ngoài trời của hãng ACI model ACI/RH-3-O-CP được lắp đặt trên mái tòa tháp văn phòng để theo dõi dữ liệu thời tiết xung quanh tòa nhà. Độ chính xác của cảm biến nhiệt độ là +/-0,2oC trên toàn dải đo 0~70oC; - của cảm biến độ ẩm là +/-3% độ ẩm tương đối trên dải đo 50~80%. Các cảm biến nhiệt độ trên đường ống nước cấp/hồi của hãng Alerton model TS2106-PH-10-AA có độ chính xác +/-0,2oC trên toàn dải đo 0~70oC. Các cảm biến nhiệt độ này được lắp đặt ở tất cả các đầu đường ống nước vào ra của các thiết bị - chính trong TLTT bao gồm: chiller, tháp giải nhiệt, các ống góp chính cấp và hồi. Một cảm biến chênh áp suất của hãng Autotrans model 560D, dải đo 0~10kPa, độ chính xác 2% trên dải đo, được lắp đặt trên đường ống góp nước lạnh chính cấp và hồi để giám sát độ chênh áp giữa hai đường ống góp chính, làm tín hiệu đầu vào để điều khiển tốc độ của biến tần bơm nước lạnh và độ mở của van điều khiển đi tắt (by-pass) khi lưu lượng nước cấp từ TLTT chiller lớn hơn lưu lượng nước cấp cần thiết ở phía phụ tải lạnh. - Các tính năng cơ bản của hệ thống BAS bao gồm: Giám sát trạng thái làm việc của các thiết bị; Điều khiển hoạt động của các thiết bị theo quy trình và lịch trình lập sẵn; Mô hình hóa và lập kế hoạch vận hành theo thời gian thực phù hợp; 59 - Đo đếm và lưu trữ các thông số vận hành (trendlog) của các thiết bị và hệ thống - Đặt lịch bảo dưỡng cho từng thiết bị theo số giờ chạy thực của thiết bị; - theo thời gian thực; Tạo lập các báo cáo về chế độ vận hành, quản lý năng lượng tiêu thụ, báo động… Để có thể lưu trữ dữ liệu vận hành, hệ thống BAS cho phép lập kế hoạch lấy mẫu và lưu trữ dữ liệu theo thời gian thực (trendlog). Thời gian lấy mẫu và lưu trữ có thể đặt được, khoảng từ 30 giây đến hàng giờ, tùy thuộc vào tốc độ đường truyền trong hệ thống cũng như nhu cầu lưu trữ dữ liệu vận hành của người sử dụng. Dữ liệu ghi được được lưu thành file dạng Microsoft access hoặc SQL và có thể xuất ra các file excel phục vụ cho công tác lưu trữ, xử lý dữ liệu vận hành và quản lý cần thiết. Như vậy, hệ thống BAS được trang bị cho TLTT chiller nói riêng cho tòa nhà Mipec Tower, hay cả hệ thống ĐHKK nói chung đã như là một mô hình thu thập và lưu trữ dữ liệu vận hành thực tế gần như là đầy đủ cho toàn bộ hệ thống ĐHKK. Đây cũng chính là mô hình thực nghiệm thực tế gần như đầy đủ để thu thập và quản lý các dữ liệu vận hành của hệ thống. Các thông số không được giám sát từ hệ thống BAS có thể thực hiện được thông qua các thiết bị đo bên ngoài như: đo lưu lượng nước giải nhiệt qua van cân bằng và bộ đo lưu lượng, đo công suất điện qua các bộ đồng hồ đo điện... 3.2 Phương pháp thu thập và xử lý dữ liệu 3.2.1 Thu thập dữ liệu vận hành 3.2.1.1 Thu thập dữ liệu từ dữ liệu lịch sử của hệ thống BAS Sử dụng tính năng ghi lịch sử dữ liệu vận hành (trendlog) của hệ thống BAS làm bộ thu thập dữ liệu vận hành thực tế của từng thiết bị trong TLTT chiller. Các số liệu ở mỗi điểm đo cần thu thập được đặt lịch để ghi lại với thời gian lấy mẫu là 10 phút một giá trị. Mỗi một điểm đo trong một ngày sẽ có 144 giá trị và được lưu thành tệp dữ liệu riêng cho từng ngày, một năm sẽ là 52 560 giá trị và 365 tệp dữ liệu cho một điểm đo. Với TLTT chiller của tòa nhà Mipec Tower, tổng số điểm điều khiển và giám sát từ hệ thống BAS là 279 điểm bao gồm: 99 điểm tín hiệu tương tự đầu, 110 điểm tín hiệu số đầu vào, 23 điểm điều khiển tương tự đầu ra và 42 điểm điều khiển số đầu ra. Các điểm tín hiệu vào ra này được thống kê chi tiết trong phụ lục 3. Theo bảng điểm điều khiển này thì tổng số điểm đo cần thu thập dữ liệu vận hành là 99 điểm đo tương tự và 110 điểm trạng thái tín hiệu số; dữ liệu thu được là trên 5 triệu giá trị tương tự và trên 5 triệu giá trị trạng thái được lưu trong 60 76 285 tệp dữ liệu trong một năm. Đây là một bộ dữ liệu khổng lồ, đòi hỏi phải có phương pháp và thuật toán cần thiết mới có thể xử lý được. Mỗi điểm đo, cấu trúc dữ liệu nhận được có dạng như trong phụ lục 4. Trong đó, các cột “time” thể hiện thời gian thực có cấu trúc “MM/DD/YYYY HH:MM” cho “tháng / ngày / năm / giờ : phút”, hiển thị thời gian đến đơn vị giây có thể được hiển thị hoặc không được hiển thị; Cột tiếp theo là giá trị đo được ở thời gian tương ứng cho điểm đo “Dev 9017, AV0, present-value, CH-2 Outlet Temp. (oC)” – Có nghĩa là “Giá trị hiện tại của điểm đo AV0 thuộc thiết bị 9017 là nhiệt độ nước lạnh ra khỏi Chiller-2 với đơn vị đo là o C”, tên thiết bị (ví dụ trên là “Dev 9017”), tên của biến trong hệ thống BAS (ví dụ trên là “AV0”), tên của của điểm đo (ví dụ trên là “CH-2 Outlet Temp.”), đơn vị đo (ví dụ trên là “oC”), được định nghĩa bởi người lập trình hệ thống BAS. Cột cuối cùng của cấu trúc dữ liệu mỗi điểm đo là “Events” thể hiện sự xác thực của giá trị đo. - Nếu Events = "" đồng nghĩa với giá trị đo đã được xác nhận đúng thời gian được - Nếu Events = NR, giá trị đo tại thời gian đó không có (non repspond); hệ thống sẽ - đo. gán luôn giá trị ở thời gian lấy mẫu trước đó. Nếu Event = “Time changed by xx seconds” nghĩa là có giá trị đo được ghi lại nhưng thời gian chỉ khác với giá trị đo trước đó một khoảng thời gian là “xx” giây. Các điểm đo tương tự (AV – Analog Value, AI – Analog Input) như là nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ biến tần, độ mở của van điều khiển... sẽ có giá trị thực theo đơn vị đặt trước; các điểm đo thể hiện trạng thái hay lệnh chạy thiết bị là các điểm nhị phân (BV – Binary Value, DI – Digital Input, DO – Digital Output) được chỉ thị bằng giá trị “0”, “1”; trong đó “0” cho trạng thái dừng còn “1” cho trạng thái chạy hay cảnh báo. Hệ thống BAS cũng máy móc ghi lại giá trị dữ liệu lịch sử theo khoảng thời gian đặt trước, ở đây là 10 phút, do đó nó bao gồm cả dữ liệu khi thiết bị không hoạt động. Lịch sử dữ liệu vận hành (trendlog) được đặt cho toàn bộ các thông số quan trọng của hệ thống với thời gian lấy mẫu mỗi 10 phút. Mỗi một điểm đo được hệ thống lưu lại thành một file riêng dạng Microsoft Access (file có định dạng *.csv) hoặc Microsoft Excel (file có định dạng *.xls) cho từng ngày hoặc từng tháng, theo cấu hình đặt trước của người lập trình hệ thống BAS. 61 Ứng với mỗi điểm đo, hệ thống BAS sẽ cung cấp cho ta một loạt các file dữ liệu thô bao gồm cả các giá trị xác thực, giá trị không được xác thực hay cả giá trị khi thiết bị đang không hoạt động. Ngoài ra để có được dữ liệu của một điểm đo cho cả năm, ta cũng phải sử dụng thêm các thủ thuật nối file. Do vậy ta sẽ cần phải xử lý dữ liệu thu được này mới sử dụng được cho các tính toán, phân tích tiếp theo. 3.2.1.2 Thu thập dữ liệu tại hiện trường Hệ thống BAS tại tòa nhà Mipec Tower đã ghi nhận được một bộ số liệu vận hành thực tế tương đối đầy đủ, tuy nhiên vẫn còn thiếu một số dữ liệu vận hành khác như: công suất điện tiêu thụ của bơm nước lạnh, bơm nước giải nhiệt, quạt tháp giải nhiệt, lưu lượng của bơm nước giải nhiệt... Do đó các số liệu vận hành này phải được thu thập và lấy số liệu tại hiện trường. Thiết bị đo lưu lượng nước sử dụng bộ đo model Pplus 2000 version 1.0.8 của hãng SV Technics, hiệu chỉnh độ chính xác còn hạn đến 27/8/2015. Công suất điện tiêu thụ của bơm nước lạnh, bơm nước giải nhiệt sẽ được đọc trên bộ biến tần của các thiết bị tương ứng. Phương pháp cơ bản để thu thập dữ liệu thực tế là sử dụng các thiết bị đo tại hiện trường với nhiều lần lặp số liệu đo hoặc đọc được từ thiết bị đo hoặc chính thiết bị trên hiện trường để loại trừ các sai số ngẫu nhiên. Công suất điện tiêu thụ của bơm nước lạnh, bơm nước giải nhiệt sẽ được đọc trên bộ biến tần của các thiết bị tương ứng. Trong mỗi lần lấy số liệu của một bơm, vận hành bơm ở các tốc độ quay khác nhau thông qua việc điều chỉnh tần số điện vận hành của biến tần và đọc dữ liệu công suất điện tiêu thụ trên màn hình của biến tần. Đồng thời ở cùng mỗi giá trị tần số đó, sử dụng thiết bị đo lưu lượng Pplus 2000 để ghi lại giá trị công suất lưu lượng của bơm tương ứng. Lặp lại quy trình đo này cho từng bước tần số suốt dải điều chỉnh cho phép của biến tần (30 Hz ~ 50 Hz) ta sẽ có được bộ dữ liệu gồm: tần số của biến tần, công suất điện tiêu thụ và công suất lưu lượng của bơm. Lặp lại cả bước trên để lấy tiếp số liệu lần 2 nhưng ở bước tần số khác của lần trước đó. Riêng đối với tháp giải nhiệt của TLTT Mipec Tower thì hệ thống BAS mới đảm bảo thu thập các dữ liệu vận hành của quạt tháp giải nhiệt liên quan đến lưu lượng nước và nhiệt độ nước giải đầu vào / ra mỗi tháp giải nhiệt nhưng cũng đầy khó khăn và phức tạp hơn do toàn bộ 6 tháp giải nhiệt luôn hoạt động song song đồng thời. Việc xác định các 62 thông số nhiệt độ, độ ẩm, lưu lượng gió của quạt tháp giải nhiệt cũng rất phức tạp. Do vậy, việc thu dữ liệu vận hành cho tháp giải nhiệt sẽ được trình bày ở các nghiên cứu tiếp theo. 3.2.2 Phương pháp xử lý số liệu đầu vào Như phân tích ở trên đối với dữ liệu vận hành thu thập được từ hệ thống BAS cho TLTT chiller của tòa nhà Mipec Tower, dữ liệu vận hành thu được ở dạng thô và cần phải sử dụng các phương tiện toán khác để loại bỏ các giá trị không xác thực thời gian hay các giá trị sai lệch thời gian lấy mẫu. Xử lý số liệu thu được theo trình tự như sau: 3.2.2.1 - Xử lý số liệu của một điểm đo Xử lý số liệu cho một điểm đo được thực hiện theo các bước như sau: Bước 1: Chuyển đổi toàn bộ file dữ liệu vận hành sang định file trong excel; Bước 2: Sử dụng macro nối file MergeFiles trong excel để nối các file dữ liệu theo ngày để thành file dữ liệu theo tháng; nối các file dữ liệu theo tháng thành file dữ liệu trong cả năm. Macro trong excel để nối file được trình bày trong phụ - - - lục 4. Bước 3: Lọc bỏ các giá trị nằm ngoài thời gian vận hành của hệ thống (từ 00:00 đến 7:30 hàng ngày); Lọc bỏ các dữ liệu ở giai đoạn khởi động của chiller sơ bộ trước, thường là khoảng thời gian 7:30 đến 8:00 hàng ngày. Bước 4: Lọc bỏ các giá trị trả về với giá trị “Events” khác giá trị xác nhận (“”) và “NR” để đồng bộ thời gian giữa các số liệu; Giá trị NR vẫn có thể lấy được vì thực tế nó chính là giá trị của lần đo được ở khoảng thời gian trước đó (10 phút). Bước 5: Đồng bộ thời gian lấy mẫu. Hệ thống BAS mặc định các dữ liệu được ghi sau mỗi khoảng thời gian 10 phút 1 lần tính từ lúc 00:00:00. Do sự trễ của đường truyền tín hiệu hay sai lệch thời gian ở bộ điều khiển và máy tính trung tâm, dữ liệu thu được có thể bị sai lệch về thời gian ghi giá trị đo (thường chỉ tính bằng giây và phần trăm giây), ta đưa mốc thời gian về đúng mốc chuẩn HH:MM:00 (giờ:phút: không giây). Sử dụng hàm làm tròn thời gian (TG) trong excel: Mốc thời gian chuẩn = TG- MINUTE(TG)- SECOND(TG)+TIME(0,ROUND(SECOND(TG),-1),0) 63 Đây là bước cơ sở cho quy trình đồng bộ các dữ liệu theo thời gian thực ở quy trình tiếp theo. Kết quả ta sẽ thu được file dữ liệu của một điểm đo cho từng tháng và cho cả năm với mốc thời gian lấy mẫu chuẩn. 3.2.2.2 Ghép các tệp dữ liệu khác nhau Một thiết bị sẽ cần thu thập cả một bộ thông số vận hành đặc trưng, ví dụ như máy lạnh chiller bao gồm các thông số vận hành như: nhiệt độ nước lạnh vào/ra bình bay hơi, nhiệt độ nước giải nhiệt vào/ra bình ngưng tụ, công suất tiêu thụ điện, phần trăm phụ tải... do đó ta phải tiến hành ghép các file thông số thu được từ các bước trên để tạo thành file chứa bộ thông số vận hành của thiết bị. Quy trình được thực hiện làm 2 bước như sau: - Bước 1: Ghép bộ các file thông số vận hành của một thiết bị vào một file excel ở các sheet khác nhau. Để thực hiện bước này, sử dụng macro Combine Workbooks trong excel được trình bày trong phụ lục 4. - Bước 2: Sử dụng hàm Vlookup trong excel với giá trị tham chiếu là thời gian, giá trị trả lại ở các cột khác nhau tương ứng với cột thứ 2 của các bảng thông số để đưa dữ liệu từ các sheet khác nhau trong file vào cùng một sheet trong excel. Thực hiện tương tự với các thiết bị khác nhau ta sẽ được bộ file chứa các thông số vận hành cho thiết bị tương ứng, làm cơ sở dữ liệu cho các bước xử lý và phân tích dữ liệu tiếp theo. 3.2.3 Mô hình đặc tính năng lượng của các thiết bị Theo phương pháp luận trình bày trong chương hai cùng với bộ dữ liệu vận hành đầu vào thu được trong quá trình xử lý số liệu. Ứng dụng mô hình đa thức từng khúc với đa thức bậc 2 trong phần mềm Power [16], ta sẽ thu được đặc tuyến năng lượng của từng thiết bị trong TLTT chiller với sai số bình phương nhỏ nhất Σe2 và véc tơ pháp tuyến độ dốc của hàm mô hình |Gradient|. Để đường đặc tuyến năng lượng thu được từ mô hình đa thức từng khúc với sai số nhỏ nhất cần thực hiện một số thủ thuật đơn giản để loại bớt các cực trị cục bộ của hàm thu được: - Khảo sát sơ bộ hình dáng phân phối của dữ liệu đầu vào để dự đoán điểm gẫy có - Điểm gẫy thường xảy ra ở vị trí chuyển tiếp công suất khi thêm hay bớt một thể có; thiết bị tiếp theo. 64 Việc dự đoán điểm gẫy càng chính xác thì đặc tuyến năng lượng hay đặc tuyến làm việc của thiết bị thu được càng chính xác, sai số càng nhỏ. Kết quả mô hình hóa đặc tuyến năng lượng của các MLTT chiller và các bơm nước lạnh, bơm nước giải nhiệt của TLTT ở tòa nhà Mipec Tower được trình bày ở chương tiếp theo. 3.2.4 Xây dựng hàm mục tiêu tối ưu Như phương pháp luận trình bày ở chương 2, hàm mục tiêu tối ưu (2.9) được xác lập từ đặc tuyến năng lượng thu được ở bước trên, gán với các điều kiện biên (2.10) ~ (2.11), chuẩn hóa các chỉ tiêu tối ưu và chuyển đổi bài toán bằng phương pháp chọn mục tiêu chính là tiết kiệm năng lượng (2.16) ta xác lập được hàm mục tiêu không điều kiện rằng buộc tương đương (2.21). Áp dụng thuật toán vượt khe được cụ thể trong phần mềm Power để giải [16]. Kết quả thu được là chế độ PPPT tối ưu cho từng thiết bị và cả hệ thống trong TLTT chiller tòa nhà Mipec Tower được trình bày trong chương 4. 3.2.5 Tính toán năng lượng tiết kiệm và giảm phát thải Kết quả của lời giải hàm mục tiêu tối ưu trong phần mềm power cho ta biết được giá trị công suất tiết kiệm được ở mỗi mức phụ tải khác nhau của trạm lạnh (2.27). Kết hợp với việc khảo sát đặc tuyến phụ tải lạnh của tòa nhà trong từng ngày, tháng, từng quý hay cả năm, ta sẽ tính được điện năng tiêu thụ tiết kiệm được trong từng giai đoạn vận hành tương ứng. Kết quả tính toán hiệu quả TKNL và giảm phát thải cho TLTT chiller ở tòa nhà Mipec Tower được trình bày trong chương 4. 3.3 Kết luận chương 3 - - - Tóm lại, nội dung chương 3 đã trình bày bao gồm các điểm sau: Trên cơ sở khảo sát các hệ thống ĐHKK trung tâm ở khu vực Hà Nội, hệ thống ĐHKK trung tâm chiller giải nhiệt nước tại tòa nhà Mipec Tower được chọn làm đối tượng điển hình để áp dụng cho phương pháp luận trình bày ở chương 2. TLTT chiller tòa nhà Mipec Tower và các đặc điểm điển hình cho cả các TLTT chiller tương tự khác đã được diễn giải chi tiết, đầy đủ. Đối tượng được chọn hội tụ đầy đủ các điều kiện cần thiết để áp dụng được kết quả bài toán tối ưu PPPT. Phát triển phương pháp xử lý số liệu đầu vào thu được từ số liệu vận hành thô thực tế của chính đối tượng làm cơ sở cho việc xây dựng đặc tuyến năng lượng 65 trên dữ liệu thực của các thiết bị thành phần trong TLTT chiller, bước nền tảng quan trọng để thực hiện giải bài toán tối ưu chế độ vận hành cho TLTT chiller. 66 CHƯƠNG 4: TỐI ƯU HÓA PHÂN PHỐI PHỤ TẢI TRẠM LẠNH TRUNG TÂM CHILLER Chương 4 trình bày quá trình giải và kết quả tối ưu hóa chế độ làm việc của trạm lạnh trung tâm chiller. Tính toán hiệu quả tiết kiệm điện năng tiêu thụ và giảm phát thải khi áp dụng chế độ vận hành tối ưu nhận được. Trên cơ sở kết quả đó, xây dựng quy trình vận hành tối ưu năng lượng cho trạm lạnh trung tâm chiller tại tòa nhà Mipec Tower. 4.1 Xử lý số liệu Bộ dữ liệu vận hành của các thiết bị trong TLTT chiller của tòa nhà Mipec Tower đã được xử lý theo trình tự như đã trình bày ở chương 3. Các số liệu này đã được xử lý sơ bộ để lọc bỏ các số liệu ngoại lai hoặc số liệu chưa ổn định: - Lọc bỏ các số liệu khi thiết bị ở trạng thái dừng; Lọc bỏ các số liệu không thu thập được do sự cố thiết bị hoặc đường truyền tín hiệu bị lỗi; Lọc bỏ các số liệu khi thiết bị điều khiển bị lỗi đường truyền hoặc không có tín hiệu từ thiết bị đầu cuối (biến tần, MLTT chiller, van điều khiển) đưa về; Lọc bỏ các giá trị khi hệ thống chưa ổn định khi khởi động / khi dừng... Kết quả, đã xử lý dữ liệu cho các thiết bị TLTT chiller tòa nhà Mipec Tower với bộ dữ liệu sau xử lý gồm hơn 1000 trang dữ liệu. Dữ liệu này dùng cho việc đánh giá, xây dựng các mô hình đặc tuyến năng lượng và đặc tuyến làm việc của thiết bị. Một phần số liệu vận hành của chiller số 1 được trình bày trong phụ lục 9, các số liệu khác được lưu trữ thành file và được cung cấp khi có yêu cầu. 4.2 Mô hình đối tượng thiết bị chính Sử dụng mô hình đa thức từng khúc để mô hình đặc tuyến năng lượng của các MLTT chiller và đặc tuyến làm việc của các bơm nước lạnh, bơm nước giải nhiệt ở tòa nhà Mipec Tower với bộ số liệu đã xử lý thu được từ quy trình xử lý số liệu ở trên. Khảo sát sơ bộ hình dáng đặc tính năng lượng của các MLTT chiller thông qua mật độ phân bố điểm đặc tuyến và sơ bộ xu hướng hình dáng đặc tuyến từ dữ liệu đầu vào để nhận định điểm gẫy trên đường đặc tuyến. Với chiller số 1 là điểm xung quanh năng suất lạnh 1500kW, chiller 2 ở vị trí khoảng 1700kW, chiller 3 ở vị trí khoảng 1200kW, chiller số 4 ở vị trí khoảng 1400kW là vị trí nghi ngờ điểm gẫy nhất. Xây dựng thử mô hình năng đặc tuyến năng lượng bằng mô hình đa thức bậc 2 với 1 điểm gẫy nghi ngờ như trên, kết 67 quả hình dáng đặc tuyến năng lượng của các chiller thu được cũng tương tự như mô hình thu được từ mô hình đa thức bậc 2 không có điểm gẫy. Điều này có thể dễ hiểu vì mỗi MLTT chiller ở đây chỉ dùng một máy nén ly tâm duy nhất và điều chỉnh năng suất lạnh bằng một van hướng dòng đầu hút. Do đó đặc tuyến làm việc, đặc tuyến năng lượng của nó trơn trên toàn dải điều chỉnh công suất. Điểm gẫy của đường đặc tuyến làm việc và đặc tuyến năng lượng sẽ thấy rõ hơn đối với các MLTT chiller sử dụng hai hay nhiều máy nén lạnh, bởi khi đó việc điều chỉnh năng suất lạnh của máy bao gồm cả việc ngắt bớt hay thêm vào một hoặc một số máy nén lạnh. Các bơm nước lạnh và bơm nước giải nhiệt cũng được điều chỉnh bằng biến tần nên đặc tuyến làm việc của chúng cũng trơn tương tự như của MLTT chiller dùng máy nén ly tâm ở trên. Bản chất đặc tuyến làm việc của các thiết bị bơm quạt, máy nén ly tâm là như nhau. Do đó, với các MLTT chiller dùng máy nén ly tâm và bơm nước lạnh, bơm nước giải nhiệt tại tòa nhà Mpec Tower cũng chỉ cần sử dụng mô hình đa thức từng khúc với đa thức bậc hai không có điểm gẫy cũng đảm bảo mô tả được đường đặc tuyến năng lượng của chúng. 4.2.1 Mô hình đặc tuyến năng lượng của máy lạnh trung tâm chiller Kết quả mô hình đặc tuyến năng lượng của các MLTT chiller bằng mô hình đa thức từng khúc với đa thức bậc hai không điểm gẫy với dữ liệu vận hành thực tế của từng MLTT chiller thể hiện trong hình 4.1 ~ 4.4 và tổng hợp ở hình 4.5, hàm mô hình đặc tuyến cho từng chiller tương ứng như công thức (4.1) ~ (4.4). Lưu ý rằng trong các công thức hàm mô hình đặc tuyến (4.1) ~ (4.4) thì đơn vị tính của công suất điện tiêu thụ là 10kW, đơn vị tính của năng suất lạnh là 10kW. Chiller số 1: mô hình đặc tuyến năng lượng thu được từ 271 điểm, điểm xuất phát của năng suất lạnh Qo thay đổi từ Qo,1min = 488,66kW và Qo,1max = 2530,18kW; công suất điện tiêu thụ nhỏ nhất và lớn nhất tương ứng là 184,09 kW và 498,43kW. NCH,1 = 17,968 + 0,006 Qo,1 + 0,0004722(Qo,1 )2 Tổng tất cả sai số bình phương của tất cả sai số ở các điểm Σe2 = 752,385 Độ dốc của hàm mô hình hóa thu được |Gradient| = 0,04 (4.1) R2 = 0,91227 Chiller số 2: mô hình đặc tuyến năng lượng thu được từ 118 điểm, điểm xuất phát của năng suất lạnh Qo thay đổi từ Qo,2min = 641,56kW và Qo,2max = 2593,5kW; công suất điện tiêu thụ tiêu nhỏ nhất và lớn nhất tương ứng là 208,62 kW và 499,33 kW. 68 NCH,2 = 10,285 + 0,168 Qo,2 – 0,0001049 (Qo,2 )2 Σe2 = 1272 |Gradient| = 0,06 R2 = 0,733206 Hình 4.1 Kết quả mô hình đặc tuyến năng lượng của chiller số 1 Hình 4.2 Kết quả mô hình đặc tuyến năng lượng của chiller số 2 69 (4.2) Hình 4.3 Kết quả mô hình đặc tuyến năng lượng của chiller số 3 Hình 4.4 Kết quả mô hình đặc tuyến năng lượng của chiller số 4 70 Chiller số 3: mô hình đặc tuyến năng lượng thu được từ 267 điểm, điểm xuất phát của năng suất lạnh Qo thay đổi từ Qo,3min = 438,12kW và Qo,3max = 2623,88kW; công suất điện tiêu thụ nhỏ nhất và lớn nhất tương ứng là 175,16 kW và 507,05 kW. NCH,3 = 11,36 + 0,112 Qo,3 + 0,0001609 (Qo,3)2 Σe2 = 2925 |Gradient| = 0,52 R2 = 0,863389 (4.3) Chiller số 4: mô hình đặc tuyến năng lượng thu được từ 266 điểm, điểm xuất phát của năng suất lạnh Qo thay đổi từ Qo,4min = 434,02kW và Qo,4max = 2440,67kW; công suất điện tiêu thụ nhỏ nhất và lớn nhất tương ứng là 161,32 kW và 507,57 kW. NCH,4 = 10,013 + 0,135 Qo,4 + 0,0001293 (Qo,4)2 Σe2 = 4295 |Gradient| = 1,65 R2 = 0,829706 (4.4) Đồ thị tổng hợp các đặc tuyến năng lượng của 4 MLTT chiller trong công trình Mipec tower thể hiện ở hình 4.5. Biểu đồ COP của 4 chiller thu được từ kết quả xây dựng đặc tuyến năng lượng thể hiện ở hình 4.6. Ta có nhận xét rằng: - Mô hình đa thức từng khúc với đa thức bậc hai cho phép nhận được lời giải là một hàm tường minh rất nhanh, hiệu quả, đáp ứng được yêu cầu đòi hỏi một phương tiện toán học đủ nhanh và mạnh dùng cho xử lý một bộ số liệu vận hành - thực tế lớn. So sánh với đường đặc tuyến IPLV và COP theo nhà sản xuất công bố như trong phụ lục 9 cho MLTT chiller, ta chỉ thấy được sự tương đồng của đường đặc tuyến COP của chiller số 1 so với công bố của nhà sản xuất, COP đạt cực đại trong khoảng phụ tải lạnh 65~80%. COP của chiller số 3 và 4 chỉ tương đồng với công bố của nhà sản xuất cho đến khoảng phụ tải lạnh 65~70%. Ở mức năng suất lạnh trên 70%, COP của các chiller 3 và 4 này vẫn tiếp tục tăng nhưng chậm hơn và sai khác với nhà sản xuất công bố. Đường COP của chiller 2 gần như - tuyến tính trong suốt dải làm việc lớn hơn 50% tải của nó. Đặc tuyến năng lượng của bốn chiller có sự sai khác. Chiller số 1 có đường đặc tuyến năng lượng thấp nhất và tốt nhất trong khoảng phụ tải lạnh 40% ~ 85%. Trong khi đó đặc tuyến năng lượng của chiller 2 lại thấp nhất ở khoảng tải dưới 50% còn chiller 4 lại cao nhất ở khoảng tải lạnh trên 50%. Chiller 3 có đường đặc tuyến năng lượng trung bình so với các chiller còn lại trong toàn dải phụ tải của nó. Điều này có thể giải thích do đặc tuyến năng lượng của mỗi chiller phụ thuộc vào điều kiện vận hành và tình trạng thiết bị thực tế liên quan đến chế độ 71 bảo dưỡng, vận hành của thiết bị như: độ bám cáu cặn của dàn ống bình ngưng, dàn ống bình bay hơi, nhiệt độ nước lạnh vào / ra của bình bay hơi, của bình ngưng... Hình 4.5 Đặc tuyến năng lượng của 4 chiller Hình 4.6 Đường đặc tuyến COP thực tế của 4 chiller 72 - Giới hạn làm việc hay khoảng điều chỉnh năng suất lạnh của các MLTT chiller phù hợp với các công bố của nhà sản xuất chiller, khoảng đều chỉnh công suất của chiller trong khoảng 20% đến 100%. Mô hình đặc tuyến năng lượng thu được phản ánh đúng đặc tuyến làm việc của thiết bị được mô hình hóa. 4.2.2 Mô hình đặc tuyến làm việc của bơm nước lạnh và bơm nước giải nhiệt Kết quả mô hình đặc tuyến làm việc của các bơm nước lạnh, bơm nước giải nhiệt bằng mô hình đa thức từng khúc với đa thức bậc hai trơn với dữ liệu vận hành thực tế được thể hiện trong hình 4.7 và hình 4.8 và hàm mô hình đặc tuyến cho từng thiết bị tương ứng như công thức (4.5) ~ (4.12). Lưu ý rằng trong các công thức hàm mô hình hóa (4.5) ~ (4.12) thì đơn vị tính của công suất điện tiêu thụ là kW, đơn vị tính của lưu lượng nước là L/s , giới hạn lưu lượng nước của bơm nước lạnh LNL,min = 50 L/s, LGN,min = 60 L/s như yêu cầu lưu lượng nước tối thiểu của MLTT chiller Carrier, LNL,max = 83,7 L/s, LGN,max = 100 L/s như tài liệu kỹ thuật của nhà sản xuất bơm nước Grundfos. Bơm nước lạnh số 5 và bơm nước giải nhiệt số 5 đang bị lỗi nên không lấy được số liệu. Hình 4.7 Đặc tuyến làm việc của 4 bơm nước lạnh Bơm nước lạnh số 1: NNL,1 = 67,081 – 1,859LNL,1 + 0,014 (LNL,1)2 Σe2 = 7,601 |Gradient| = 0,02 73 R2 = 0,803222 (4.5) Bơm nước lạnh số 2: NNL,2 = – 23,933 – 0,459 LNL,2 + 0,009 (LNL,2)2 Σe2 = 4,153 Bơm nước lạnh số 3: |Gradient| = 0,02 R2 = 0,837321 NNL,3 = 150,652 – 3,388 LNL,3 + 0,02 (LNL,3)2 Σe2 = 3,427 Bơm nước lạnh số 4: |Gradient| = 0,01 R2 = 0,828248 NNL,4 = 190,514 – 4,118 LNL,4 + 0,024 (LNL,4)2 Σe2 = 4,227 |Gradient| = 0,02 R2 = 0,9994151 (4.6) (4.7) (4.8) Hình 4.8 Đặc tuyến làm việc của 4 bơm nước giải nhiệt Bơm nước giải nhiệt số 1: NGN,1 = 24,859 - 0,793 LGN,1 + 0,012 (LGN,1)2 Σe2 = 2,613 |Gradient| = 0 R2 = 0,99762 Bơm nước giải nhiệt số 2: NGN,2 = 23,2 – 0,718 LGN,2 + 0,012 (LGN,2)2 Σe2 = 1.154 |Gradient| = 0 R2 = 0,0,958246 74 (4.9) (4.10) Bơm nước giải nhiệt số 3: NGN,3 = 13,354 – 0,375 LGN,3 + 0,01 (LGN,3)2 Σe2 = 1,152 |Gradient| = 0 Bơm nước giải nhiệt số 4: R2 = 0,9896 NGN,4 = 12,221 – 0,4 LGN,4 + 0,01 (LGN,4)2 Σe2 = 0,84 |Gradient| = 0 R2 = 0,999203 (4.11) (4.12) Kết quả mô hình đặc tuyến làm việc của các bơm nước lạnh và bơm nước giải nhiệt ở TLTT chiller Mipec Tower cho thấy: - Mô hình đặc tuyến làm việc thu được là một hàm trơn hoàn toàn hoặc gần như trơn hoàn toàn khi |Gradient| của nó đều bằng không hoặc xấp xỉ bằng không phản ảnh đúng tính chất đặc tuyến làm việc của bơm được điều khiển bằng biến - tần. Mô hình đặc tuyến làm việc thu được từ số liệu vận hành thực tế cho thấy, điểm làm việc của bơm nước giải nhiệt và cả bơm nước lạnh đang khác với điểm làm việc như thiết kế. Công suất điện tiêu thụ của các bơm nước giải nhiệt thực tế dao động trong khoảng 55 ~ 65 kW phù hợp với công bố của nhà sản xuất Grundfos trong phụ lục 10 trong khoảng 50 ~ 61 kW. Trong khi thực tế các bơm nước giải nhiệt luôn hoạt động thực tế dưới lưu lượng nước thiết kế, chỉ khoảng 85 ~ 95 L/s so với yêu cầu 100 L/s như thiết kế, chứng tỏ đặc tuyến lưới của hệ thống đường ống nước giải nhiệt đang lớn hơn so với thiết kế, tổng cột áp làm việc thực tế của bơm > 50 mH2O. Đây là một trong những nguyên nhân dẫn đến MLTT chiller không tăng được năng suất lạnh trong thực tế vận hành khi phía phụ tải lạnh yêu cầu lớn hơn còn phần giải nhiệt ở bình ngưng bị hạn chế bởi độ - chênh nhiệt độ khi bị thiếu nước giải nhiệt ở bình ngưng. Ngược lại với bơm nước giải nhiệt, điểm làm việc của các bơm nước lạnh khác với điểm làm việc trong thiết kế 83,7 L/s, cột áp 50 mH2O, khi thực tế bơm nước lạnh đang hoạt động ở lưu lượng nước lớn hơn, khoảng 120 ~ 135 L/s; công suất điện tiêu thụ thực tế dao động trong khoảng 50 ~ 55 kW khá phù hợp với thiết kế là 49,3 ~ 52,1 kW. Điều này chứng tỏ đặc tuyến lưới của hệ thống đường ống - nước lạnh đang nhỏ hơn so với thiết kế là 50 mH2O. Điểm làm việc thực tế của bơm nước lạnh và bơm nước giải nhiệt sai khác đi so với thiết kế và yêu cầu của MLTT chiller. Điều này cũng làm tăng chi phí điện 75 năng tiêu thụ của hệ thống bơm và cả chiller khi chưa khai thác hết được khả năng và sự phối hợp làm việc của cả TLTT chiller như một hệ thống liên động khép kín. Nó dẫn đến việc kéo dài thời gian mất ổn định cân bằng năng lượng của hệ thống, đặc biệt ở trong giai đoạn khởi động hệ thống ở đầu mỗi ngày làm việc khi TLTT chiller phải tăng nhanh hơn năng suất lạnh để bù cho quán tính nhiệt của hệ thống. Đây cũng là nguyên nhân khiến người vận hành hệ thống ĐHKK tại tòa nhà Mipec Tower thường xuyên phải tăng cường thêm bơm nước giải nhiệt ở mỗi đầu ngày khởi động hay khi phụ tải lạnh tăng cao trong ngày. 4.3 Hàm mục tiêu tiết kiệm năng lượng và đường đặc tuyến phân phối phụ tải cho trạm lạnh trung tâm chiller 4.3.1 Hàm mục tiêu tiết kiệm năng lượng Áp dụng phương pháp luận đã trình bày trong chương 2 và nền tảng cơ sở kết quả xây dựng đặc tính năng lượng của từng thiết bị trong cụm MLTT chiller, hàm mục tiêu tối ưu cho TLTT chiller tòa nhà Mipec Tower trên cơ sở chọn mục tiêu chính là TKNL. Hàm mục tiêu TKNL được xác lập bằng phương pháp cực tiểu hóa tổng mức điện năng tiêu thụ của TLTT chiller ở mỗi mức phụ tải lạnh khác nhau với các điều kiện biên là giới hạn làm việc và giới hạn công suất của từng thiết bị thành phần, cụ thể ở đây là 4 MLTT chiller. = , = ( , ) (4.13) Với các điều rằng buộc: - Điều kiện giới hạn năng suất lạnh của TLTT chiller: - Điều kiện về giới hạn khả năng làm việc của từng MLTT chiller trong trạm lạnh, Qo,Σ = Qo,1 + Qo,2 + Qo,3 + Qo,4 quy định bởi hãng sản xuất hoặc giới hạn làm việc thực tế của thiết bị: 500 kW ≤ Qo,1 , Qo,2 , Qo,3 , Qo,4 ≤ 2500 kW (4.14) (4.15) Áp dụng giải bài toán bằng thuật toán vượt khe hướng chiếu Affine được tích hợp trong phần mềm Power, kết quả thu được là các đường đặc tuyến phụ tải tối ưu, đường đặc tuyến năng lượng tối ưu và đường đặc tuyến TKNL của cụm MLTT chiller trong TLTT chiller của tòa nhà Mipec Tower phụ thuộc vào các mức phụ tải lạnh tổng khác nhau của tòa nhà. 76 4.3.2 Đường đặc tuyến năng lượng cho cụm máy lạnh trung tâm chiller Kết quả đường đặc tuyến năng lượng cho cụm MLTT chiller của tòa nhà Mipec Tower được thể hiện trong hình 4.9 và bảng đặc tuyến năng lượng tối ưu thể hiện ở phụ lục 6. ΔNi Hình 4.9 Đặc tuyến năng lượng của cụm MLTT chiller tại tòa nhà Mipec Tower Đường đặc tuyến năng lượng cụm MLTT chiller là tổ hợp của các chế độ vận hành khác nhau của các MLTT chiller thành phần để có được năng suất lạnh đầu ra đáp ứng được phụ tải lạnh yêu cầu. Đường đặc tuyến phụ tải cao nhất trong hình 4.9 thể hiện chế độ phân phối kém, hoạt động của các MLTT chiller thành phần không theo một quy luật nào. Đây là đường đặc tuyến phụ tải điển hình cho các TLTT chiller không có hệ thống điều khiển tự động BAS. Chế độ vận hành cũng như số lượng thiết bị thành phần tham gia hoạt động ở một thời điểm hoàn toàn tuân theo quyết định chủ quan, cảm tính và kinh nghiệm của người vận hành. Đường đặc tuyến năng lượng nằm giữa thể hiện chế độ phân phối đều của các MLTT chiller thành phần, nghĩa là ở một mức năng suất lạnh tổng đầu ra nhất định, mức năng suất lạnh tổng này sẽ được chia đều cho các MLTT chiller tham gia vận hành, các MLTT chiller tham gia hoạt động ở cùng một mức năng suất lạnh. Đây là chế độ PPPT 77 điển hình cho hầu hết các TLTT chiller ở Việt Nam, trong đó TLTT chiller tòa nhà Mipec Tower là một trong những điển hình của chế độ phân phối phụ đều này. Đường đặc tuyến năng lượng nằm thấp nhất là đường đặc tuyến năng lượng tối ưu với hàm mục tiêu tối ưu là TKNL. Các MLTT chiller tham gia vận hành ở một mức năng suất lạnh tổng nào đó trong mức cho phép phải tuân theo một quy luật để đảm bảo công suất điện tiêu thụ của cả cụm MLTT chiller là thấp nhất và đảm bảo về các điều kiện giới hạn khả năng làm việc của bản thân mỗi MLTT chiller tham gia trong chế độ vận hành đó. Khoảng chênh lệnh giữa đường phụ tải theo chế độ phân phối đều và PPPT tối ưu chính là công suất điện có khả năng tiết kiệm được khi vận hành các MLTT ở chế độ PPPT tối ưu. 4.3.3 Đường đặc tuyến phân phối phụ tải tối ưu cho cụm máy lạnh trung tâm chiller Đường đặc tuyến PPPT tải tối ưu cho cụm MLTT chiller tại tòa nhà Mipec Tower được thể hiện trong hình 4.9. Chi tiết đặc tuyến PPPT tối ưu cho từng MLTT chiller được thể hiện trong bảng 4.1. Trong chế độ PPPT tối ưu, các MLTT chiller tham gia hoạt động phải được vận hành để đạt được mức phụ tải lạnh tổng nào đó được quy định trong đường đặc tuyến PPPT tối ưu hình 4.10 hoặc bảng 4.1. Hình 4.10 Tổng hợp đặc tuyến phân phối phụ tải tối ưu của 4 chiller 78 Mỗi điểm nút trong hình 4.10 của mỗi MLTT chiller được định nghĩa là một điểm làm việc ở mức năng suất lạnh mà MLTT chiller sẽ phải hoạt động để đạt được mức phụ tải lạnh tổng yêu cầu. Một điểm làm việc trên đường đặc tuyến phụ tải tối ưu là giao điểm của đường gióng giữa năng suất lạnh tổng trên trục hoành và đường gióng trên trục tung của năng suất lạnh mà chiller đó tham gia vận hành để đạt được năng suất lạnh tổng đó. Ở một mức phụ tải lạnh tổng nào đó trên trục hoành của hình 4.10 gióng lên gặp bất kỳ điểm nút làm việc của MLTT chiller nào thì MLTT chiller đó phải hoạt động ở mức năng suất lạnh được quy định trên trục tung của hình 4.10. Các điểm làm việc của các chiller khác nhau mà trùng nhau hay giao nhau thì thể hiện cả hai chiller đó hoạt động ở cùng một mức năng suất lạnh như chế độ PPPT đều. Các điểm làm việc nằm trên trục hoành thể hiện thiết bị sẽ không tham gia vận hành ở mức phụ tải yêu cầu đó. Bảng 4.1. Bảng đặc tuyến phân phối phụ tải tối ưu cho máy lạnh trung tâm chiller Q[s], kW 500 618.75 737.5 856.25 975 1093.75 1212.5 1331.25 1450 1568.75 1687.5 1806.25 1925 2043.75 2162.5 2281.25 2400 2518.75 2637.5 2756.25 2875 2993.75 3112.5 3231.25 3350 Qo,1, kW 0 0 0 856.25 975 1093.75 1212.5 1331.25 1450 1568.75 1687.5 1806.25 1925 2043.75 0 0 0 1473.18 1501.7 1531.07 1559.52 1589.41 1617.67 1646.66 1231.73 Qo,2, kW 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2162.5 2281.25 2400 0 0 0 0 0 0 0 2118.27 79 Qo,3, kW 0 0 737.5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1045.57 1135.8 1225.18 1315.48 1404.34 1494.83 1584.59 0 Qo,4, kW 500 618.75 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Q[s], kW 3468.75 3587.5 3706.25 3825 3943.75 4062.5 4181.25 4300 4418.75 4537.5 4656.25 4775 4893.75 5012.5 5131.25 5250 5368.75 5487.5 5606.25 5725 5843.75 5962.5 6081.25 6200 6318.75 6437.5 6556.25 6675 6793.75 6912.5 7031.25 7150 7268.75 7387.5 7506.25 7625 7743.75 7862.5 7981.25 8100 8218.75 Qo,1, kW 1197.98 1163.84 1206.25 1325 1443.75 1562.5 1681.25 1800 1918.75 2037.5 2156.25 2275 2393.75 1471.33 1500.37 1529.41 1558.45 1587.49 1616.54 1645.58 1674.61 1703.66 1732.7 1761.74 1790.79 1819.82 1848.87 1877.91 1906.95 1935.99 2031.25 2150 2268.75 2387.5 1734.11 1749.2 1764.28 1779.37 1794.45 1809.53 1824.61 Qo,2, kW 2270.77 2423.66 2500 2500 2500 2500 2500 2500 2500 2500 2500 2500 2500 2500 2500 2500 2500 2500 2500 2500 2500 2500 2500 2500 2500 2500 2500 2500 2500 2500 2500 2500 2500 2500 2500 2500 2500 2500 2500 2500 2500 80 Qo,3, kW 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1041.17 1130.88 1220.59 1310.3 1400.01 1489.71 1579.42 1669.14 1758.84 1848.55 1938.26 2027.96 2117.68 2207.38 2297.09 2386.8 2476.51 2500 2500 2500 2500 1852.93 1899.52 1946.11 1992.7 2039.28 2085.88 2132.47 Qo,4, kW 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1419.21 1476.28 1533.36 1590.44 1647.52 1704.59 1761.66 Q[s], kW 8337.5 8456.25 8575 8693.75 8812.5 8931.25 9050 9168.75 9287.5 9406.25 9525 9643.75 9762.5 9881.25 10000 Qo,1, kW 1839.69 1854.78 1869.86 1884.94 1900.04 1915.11 1930.19 1946.31 1971.12 1996 2025 2143.75 2262.5 2381.25 2500 Qo,2, kW 2500 2500 2500 2500 2500 2500 2500 2500 2500 2500 2500 2500 2500 2500 2500 Qo,3, kW 2179.06 2225.65 2272.25 2318.83 2365.43 2412.02 2458.61 2500 2500 2500 2500 2500 2500 2500 2500 Qo,4, kW 1818.74 1875.82 1932.89 1989.97 2047.03 2104.12 2161.2 2222.44 2316.38 2410.25 2500 2500 2500 2500 2500 Các điểm làm việc trong chế độ PPPT tối ưu có thể là các điểm liên tục liền nhau, hoặc cũng có thể là những điểm rời rạc như trong hình 4.10, nhưng mỗi điểm làm việc này đều có ý nghĩa quan trọng trong các đóng góp hiệu quả TKNL ở mức phụ tải lạnh tổng tương ứng vì chỉ làm việc ở điểm làm việc đó thì khả năng TKNL mới đạt được mức tiết kiệm tương ứng. Chế độ PPPT tối ưu cho phép khai thác triệt để khả năng và hiệu suất của từng thiết bị thành phần tham gia trong chế độ phân phối đó nên hiệu quả TKNL sẽ là cao nhất. Vai trò quan trọng của từng điểm làm việc rời rạc hay liên tục trong chế độ PPPT tối ưu đến hiệu quả TKNL áp dụng trong thực tế vận hành sẽ được thảo luận kỹ hơn trong phần tiếp theo. 4.4 Đặc tuyến tiết kiệm năng lượng và đánh giá hiệu quả tiết kiệm năng lượng 4.4.1 Đặc tuyến tiết kiệm năng lượng Kết quả PPPT tối ưu mang lại hiệu quả TKNL so với chế độ phân phối đều và được thể hiện bằng đường đặc tuyến TKNL trong hình 4.11. Thực chất đây là mức chênh công suất tiêu thụ điện tiết kiệm được giữa đường đặc tuyến phụ tải ở chế độ PPPT đều tối ưu và chế độ PPPT đều ở một mức phụ tải lạnh xác định. Mức tiết kiệm công suất điện lớn nhất của cụm 4 chiller ở tòa nhà có thể đạt được đến 130,9kW ở mức phụ tải lạnh tổng xung quanh khoảng 2000 kW, tương đương với khoảng 26% công suất tiêu thụ điện của một chiller ở đầy tải. 81 Hình 4.11 Đặc tuyến tiết kiệm theo chế độ phân phối phụ tải tối ưu của cụm chiller tại tòa nhà Mipec Tower Mặt khác, ở mức phụ tải lạnh tổng trên mức 8000 kW thì mức tiết kiệm công suất điện này gần như không đáng kể do tất cả các tổ máy đều phải tham gia vận hành. Do vậy, mức tiết công suất điện tiêu thụ chỉ có ý nghĩa thực tế nếu ta tính toán được hay định lượng được điện năng tiết kiệm được ở mỗi mức phụ tải lạnh trong suốt khoảng thời gian trong ngày, trong tháng hay trong cả năm vận hành. Để làm được điều này, ta cần phải khảo sát đặc tuyến phụ tải lạnh tổng hay còn gọi là đặc tuyến phụ tải tòa nhà và được trình bày ở phần tiếp theo. 4.4.2 Đặc tuyến phụ tải tòa nhà Đặc tuyến phụ tải tòa nhà thể hiện sự thay đổi năng suất lạnh, năng suất sưởi tổng của cả tòa nhà theo thời gian trong ngày, trong tháng hay trong cả mùa, cả năm. Khảo sát đặc tuyến phụ tải tòa nhà sẽ cho ta biết được sự thay đổi của năng suất lạnh tổng trong từng khoảng thời gian xác định, như ở tòa nhà Mipec Tower là mỗi khoảng 10 phút. Như vậy ta sẽ biết mức phân bố phụ tải tòa nhà trong cả ngày, cả tháng, cả năm để kết hợp với đường đặc tính TKNL thu được từ kết quả PPPT tối ưu để tính ra được hiệu quả TKNL của tòa nhà trong cả một khoảng thời gian dài hơn như cả ngày, cả tháng, cả quý, cả năm. 82 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 07/26/2013 07/26/2013 07/26/2013 07/26/2013 07/26/2013 07/26/2013 07/26/2013 07/26/2013 07/26/2013 07/26/2013 07/26/2013 07/26/2013 07/26/2013 07/26/2013 07/26/2013 07/26/2013 07/26/2013 07/26/2013 07/26/2013 07/26/2013 07/26/2013 07/26/2013 07/26/2013 07/26/2013 07/26/2013 07/26/2013 07:10:00 07:50:00 08:30:00 09:10:00 09:50:00 10:30:00 11:10:00 11:50:00 12:30:00 13:10:00 13:50:00 14:30:00 15:10:00 15:50:00 16:30:00 17:10:00 17:50:00 18:30:00 19:10:00 19:50:00 20:30:00 21:10:00 21:50:00 22:30:00 23:10:00 23:50:00 0 Hình 4.12 Đặc tuyến phụ tải tòa nhà Mipec Tower ngày 26/7/2013 (ĐVT: kW) Khảo sát đặc tuyến phụ tải tòa nhà Mipec tower trong một ngày nắng nóng điển hình của tháng 7 như trong hình 4.12. Suốt thời gian hành chính, phụ tải tòa nhà phục vụ chính cho khối văn phòng và trung tâm thương mại, khu vực chiếm đến 90% phụ tải tòa nhà. Thời gian sau 18h00 chủ yếu phục vụ cho khu vực rạp chiếu phim và dịch vụ công cộng. Phụ tải tòa nhà trong suốt thời gian làm việc hành chính tương đối ổn định, khoảng ngay sau bắt đầu giờ làm việc khoảng 8h30 đến 18h00, dao động xung quanh mức đỉnh 2800 ~ 3000 kW. Khoảng thời gian sau 18h00 đến 21h00, phụ tải tòa nhà giảm đột ngột và dao động ổn định xung quanh 1100 ~ 1200 kW khi phụ tải khối văn phòng không còn. Sau 21h00 phụ tải chỉ còn khu dịch vụ công cộng và rạp chiếu phim và mức phụ tải dao động trong khoảng 300~400kW. Mức phụ tải đỉnh lớn nhất trong ngày chủ yếu là khi hệ thống ĐHKK khởi động, năng suất lạnh của hệ thống tăng lên lớn do phải triệt tiêu đồng thời phụ tải nền của tòa nhà do hệ thống dừng vào ban đêm và quán tính nhiệt của chính hệ thống. Đặc điểm phụ tải của tòa nhà tương đối ổn định khiến cho 1 điểm làm việc rời rạc của từng chiller trong đường đặc tuyến PPPT tối ưu cũng có ý nghĩa quan trọng trong khả năng khai thác triệt để hiệu quả TKNL ở chế độ PPPT tối ưu. Điểm làm việc này trở nên không có ý nghĩa khi mức tiết kiệm công suất tiêu thụ quá nhỏ ở mức phụ tải tòa nhà ổn định. Khảo sát đặc điểm phụ tải toàn nhà cho cả tháng 7/2013 thể hiện trong hình 4.13. Các ngày làm việc trong tuần, phụ tải tòa nhà cũng luôn luôn ổn định và tương đối cân 83 bằng nhau. Các mức phụ tải thấp chỉ xảy ra vào các ngày cuối tuần khi khối văn phòng nghỉ làm việc. Điều này càng cho thấy vai trò ý nghĩa của từng điểm làm việc trong chế độ PPPT tối ưu. 07/01/2013… 07/01/2013… 07/02/2013… 07/03/2013… 07/04/2013… 07/05/2013… 07/06/2013… 07/07/2013… 07/08/2013… 07/09/2013… 07/10/2013… 07/11/2013… 07/12/2013… 07/13/2013… 07/14/2013… 07/15/2013… 07/16/2013… 07/17/2013… 07/18/2013… 07/18/2013… 07/19/2013… 07/20/2013… 07/21/2013… 07/22/2013… 07/23/2013… 07/24/2013… 07/25/2013… 07/26/2013… 07/27/2013… 07/28/2013… 07/29/2013… 07/30/2013… 07/31/2013… 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 Hình 4.13 Đặc tuyến phụ tải tòa nhà Mipec Tower tháng 7/2013 (ĐVT: kW) Khảo sát đặc tính phụ tải tòa nhà sẽ cho ta biết được các mức phối phụ tải tòa nhà trong ngày, trong tháng, trong năm để từ đó xác định được tổng thời gian hệ thống hoạt động ở các mức phụ tải khác nhau để dự tính được hiệu quả TKNL của chế độ PPPT tối ưu. 4.4.3 Đánh giá hiệu quả tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải Hình 4.14 Phân chia dải năng suất phụ tải tổng trong đặc tuyến TKNL theo chế độ phân phối phụ tải tối ưu của cụm chiller tại tòa nhà Mipec Tower 84 Cách tính gần đúng thực tế hơn là chia khả năng công suất thành những khoảng công suất, ví dụ là bước phụ tải 500kW hay 1000 kW như trong hình 4.14, và xác định thời gian hoạt động của hệ thống ở mỗi dải mức phụ tải lạnh này. Kết quả tính toán hiệu quả TKNL từ đặc tuyến PPPT tối ưu và đặc tuyến phụ tải tòa nhà năm 2013 được trình bày trong phụ lục 7. Hiệu quả TKNL ở mức khoảng 11,6%. Cũng phải nói thêm rằng, PPPT tối ưu cho hệ thống đang PPPT đều sẽ có nhiều hạn chế do thực tế mức phụ tải phân phối cho các MLTT chiller hoạt động đồng thời mà quá chênh lệch nhau thì hệ thống hiện tại không áp dụng được và cần phải có thay đổi trong cấu trúc TLTT chiller. Ngoài ra, trong thực tế vận hành, tính ổn định của mức phụ tải lạnh chỉ là ở sự dao động trong một biên độ vừa phải chứ không phải là một giá trị xác định như kết quả của PPPT tối ưu. Bên cạnh đó, chế độ PPPT tối ưu luôn chọn thiết bị có đặc tuyến năng lượng tốt nhất ở mức phụ tải đó, điều này không phải khi nào cũng thực hiện được khi thiết bị cần có thời gian nghỉ để bảo trì, bảo dưỡng, sửa chữa nên không thể hoạt động được những lúc yêu cầu. Do đó, tác giả đánh giá hiệu quả TKNL ở mức 8 ~ 10%, tương đương khoảng 95 000 ~ 119 000 kWh/năm, tương ứng với mức giảm phát thải 53 ~ 66,7 Tấn CO2/năm. Đây là đóng góp đáng kể chỉ từ biện pháp đơn giản nhất là khai thác triệt để khả năng vận hành của thiết bị hiện có – Biện pháp áp dụng chế độ PPPT tối ưu. 4.5 Đề xuất quy trình vận hành tối ưu năng lượng cho hệ thống điều hòa không khí trung tâm tại tòa nhà Mipec Tower Đề xuất quy trình vận hành tối ưu năng lượng cho hệ thống ĐHKK trung tâm chiller tại tòa nhà Mipec Tower nói riêng, cho hệ thống ĐHKK trung tâm chiller nói chung, trên cơ sở kết quả PPPT tối ưu cả trạm lạnh qua các bước như sau: - Bước 1: Lập biểu đồ đặc tính phụ tải tòa nhà và khu vực làm tài liệu tham khảo - Bước 2: Sử dụng biểu đồ PPPT tối ưu hình 1 hoặc bảng lựa chọn công suất lập - để dự đoán mức phụ tải tòa nhà theo ngày, tuần, tháng, mùa và cả năm; sẵn trên cơ sở hình 1 xác định chế độ công suất vận hành vận hành cho từng MLTT chiller; Bước 3: Đặt và vận hành các MLTT chiller theo giá trị công suất lạnh tối ưu đã xác định ở bước 2; Bước 4: Định kỳ cập nhật số liệu vận hành và đánh giá lại đặc tuyến năng lượng của từng thiết bị thành phần. 85 - Bước 5: Đánh giá hiệu quả TKNL của chế độ vận hành tối ưu theo chu kỳ / mùa vận hành. Đồng thời xác định lại biểu đồ vận hành tối ưu hình 1 cho chu kỳ tiếp theo. 4.6 Kết luận chương 4 Phương pháp luận thành lập và giải bài toán PPPT tối ưu sử dụng thuật toán tối ưu hóa vượt khe tích hợp trong phần mềm Power để giải đã được tính toán thử nghiệm trên mô hình và hệ thống thiết bị tại tòa nhà Mipec Tower 229 Tây Sơn, Hà nội đã được trình bày trong chương này với các nội dung quan trọng sau: - Trên cơ sở xử lý số liệu vận hành thực tế, đã mô hình hóa được đặc tuyến năng lượng của các MLTT chiller và đặc tuyến làm việc của các bơm nước lạnh, các bơm nước giải nhiệt trong TLTT chiller tòa nhà Mipec Tower bằng mô hình đa - - thức từng khúc bậc hai. Xây dựng được phiếm hàm mục tiêu tối ưu toàn cục cho TLTT chiller giải nhiệt nước. Trên cơ sở sử dụng thuật toán vượt khe hướng chiếu Affine tích hợp trong phần mềm Power đã giải thành công bài toán tối ưu PPPT cho cụm MLTT chiller tại tòa nhà Mipec Tower. Trên cơ sở đặc tuyến năng lượng và đặc tuyến làm việc của các thiết bị chính trong TLTT chiller tại tòa nhà Mipec Tower đã đánh giá được thực tế đặc tuyến làm việc của thiết bị so với các công bố của nhà sản xuất, cũng như trả lời đầy - đủ các khó khăn gặp phải trong vận hành hệ thống tại tòa nhà. Đã xây dựng được thuật toán tính toán TKNL, cho kết quả TKNL 8 ~ 10% điện năng tiêu thụ cho MLTT chiller, tương đương 95 000 ~ 119 000 kWh/năm, tương ứng với mức giảm phát thải 53 ~ 66,7 Tấn CO2/năm, khi áp dụng chế độ PPPT tối ưu. Kết quả TKNL này có nhiều khả năng tăng lên khi thực hiện tối ưu tổng thể và triệt để đến từng cụm thiết bị trong TLTT chiller như cụm bơm nước - lạnh và cụm bơm nước giải nhiệt / tháp giải nhiệt. Đã đề xuất được quy trình vận hành áp dụng kết quả PPPT tối ưu cho hệ thống ĐHKK trung tâm chiller tại tòa nhà Mipec Tower. Phương pháp luận PPPT tối ưu ứng dụng thuật toán tối ưu hóa vượt khe đã được áp dụng thành công để giải bài toán tối ưu hóa PPPT cho TLTT tòa nhà Mipec Tower. Phương pháp luận này hoàn toàn áp dụng được trong các bài toán PPPT tương tự trong các hệ thống ĐHKK trung tâm chiller. 86 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Kết luận Nội dung nghiên cứu đã giải quyết được mục tiêu đặt ra của luận án thể hiện thông qua các kết quả quan trọng như sau:  Đã phát triển ứng dụng phương pháp luận tối ưu hóa hệ thống lớn vào giải bài toán tối ưu hóa chế độ vận hành hệ thống ĐHKK trung tâm chiller. Phân tích hệ thống theo quan điểm tối ưu hóa nêu trên để xây dựng bài toán tối ưu cho trường hợp hệ thống ĐHKK với trọng tâm là TLTT chiller giải nhiệt nước.  Đã xây dựng phương pháp xác định đặc tuyến năng lượng của các thiết bị chính trong TLTT chiller trên cơ sở mô hình đa thức từng khúc bậc hai và thuật toán vượt khe. Đã đánh giá đặc tuyến làm việc thực tế của thiết bị so với các công bố của nhà sản xuất để giải quyết các khó khăn trong vận hành.  Đã thiết lập bài toán tối ưu hóa vận hành của TLTT chiller theo cách chọn mục tiêu chính là cực tiểu hóa tiêu hao năng lượng. Đồng thời, đưa bài toán về dạng hàm mục tiêu vô điều kiện cho phép áp dụng thuật toán vượt khe để xác định biểu đồ phụ tải tối ưu của từng thiết bị theo phụ tải tổng yêu cầu.  Đã phát triển bổ sung phần mềm “Power” chức năng phân tích đặc tuyến phụ tải cũng như đặc tuyến tiêu thụ năng lượng của hệ thống để tính toán hiệu quả TKNL và giảm phát thải trong vận hành hệ thống ĐHKK trung tâm chiller.  Đã áp dụng thành công phương pháp luận đề xuất cho hệ thống ĐHKK điển hình là cụm MLTT chiller của tòa nhà Mipec Tower (Hà nội). Hiệu quả tiết kiệm thu được là 8 - 10% điện năng tiêu thụ của MLTT chiller, tương đương tiết kiệm 95 000 - 119 000 kWh/năm, tương ứng với mức giảm phát thải 53 66,7 Tấn CO2/năm.  Đưa ra quy trình giải bài toán tối ưu hóa cụm MLTT chiller theo nguyên tắc hệ phân cấp, cho phép tối ưu hóa triệt để. Đó là tối ưu hóa từng cụm thiết bị thành phần ở cấp dưới, kết quả nhận được là đặc tuyến năng lượng tối ưu của mỗi cụm thiết bị, làm cơ sở để giải bài toán PPPT tối ưu cho cấp trên kế tiếp. Cuối cùng là giải bài toán PPPT tối ưu cho các thiết bị chính và thu được biểu đồ (bảng) PPPT tối ưu cho toàn hệ thống. 87  Kết quả của luận án khẳng định sự thành công việc phát triển áp dụng lý thuyết tối ưu hóa vượt khe vào giải quyết bài toán tối ưu hóa chế độ vận hành một hệ thống năng lượng lớn như hệ thống ĐHKK trung tâm chiller nói chung và TLTT chiller nói riêng. Đề xuất Đề xuất phát triển quy trình thiết kế vận hành hệ thống ĐHKK trung tâm chiller trong tài liệu [25, 27] nhằm phát huy hiệu quả áp dụng chế độ PPPT tối ưu vào thực tiễn trên cơ sở cực tiểu hóa tiêu hao năng lượng với các bước như sau:  Bước 1: Phân tích đặc tuyến phụ tải của khu vực và đặc tuyến phụ tải tòa nhà ở công trình tương tự đang vận hành làm cơ sở dữ liệu tham chiếu cho tính toán thiết kế.  Bước 2: Tính toán phụ tải tòa nhà được thiết kế theo điều kiện thời tiết và đặc tuyến phụ tải của khu vực và cơ sở dữ liệu tham chiếu thu được ở bước 1.  Bước 3: Khảo sát đặc tuyến phụ tải của hệ thống được thiết kế trên cơ sở bước 1 và bước 2 và đặc tính hoạt động của tòa nhà được thiết kế.  Bước 4: Lựa chọn hệ thống và thiết bị phù hợp với đặc tuyến phụ tải thay đổi và PPPT tối ưu để khai thác triệt để hiệu quả TKNL có được do PPPT tối ưu.  Bước 5: So sánh hiệu quả TKNL giữa hai phương án: PPPT đều và PPPT tối ưu, trên cơ sở đặc tuyến năng lượng do nhà sản xuất thiết bị công bố.  Bước 6: Kiểm tra đánh giá hiệu quả TKNL thực tế của hệ thống khi đưa vào vận hành để hoàn thiện cơ sở dữ liệu tham chiếu cho các bước thực hiện bên trên cho các công trình khác.  Bước 7: Thực hiện định kỳ kiểm toán và hiệu chỉnh chế độ vận hành phù hợp để triệt để khai thác hiệu quả TKNL của hệ thống bằng tối ưu hóa PPPT. 88 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] Cục khí tượng thủy văn và biến đổi khí hậu, Bộ Tài nguyên và Môi trường (2014). Quyết định số 359/KTTVBDKH ngày 21/4/2014 về Hệ số phát thải lưới điện Việt Nam. Hiệp hội Năng lượng Việt Nam (2012). Niêm giám năng lượng Việt Nam 2012. Lê Chí Hiệp (2010). Giáo trình điều hòa không khí. Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh. Lê Chí Hiệp, Lê Minh Nhựt (2007). Đánh giá hiệu quả của việc ứng dụng máy lạnh hấp thụ để phối cấp lạnh và cấp nhiệt cho khách sạn Park Hyatt Sài Gòn. Tạp chí Khoa học và công nghệ Nhiệt số 75-5/2007. Lê Minh Nguyên, Nguyễn Đức Lợi (2007). Phân tích, đánh giá các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong điều hòa không khí qua 3 loại công trình tiêu biểu. Tạp chí Khoa học và công nghệ Nhiệt số 77-9/2007. Lê Nguyên Minh (2006). Giải pháp tiết kiệm năng lượng trong thiết kế hệ thống điều hòa không khí công suất lớn. Tạp chí Khoa học và công nghệ Nhiệt số 683/2006. Lê Nguyên Minh (2012). Nghiên cứu đề xuất giải pháp công nghệ điều hòa không khí theo phân vùng khí hậu các tỉnh phía Bắc. Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp bộ, Mã số B2010-03-72. Bộ giáo dục và đào tạo. Lê Nguyên Minh (2006). Tiết kiệm năng lượng trong hệ thống điều hòa không khí trung tâm báo cáo tại Hội Thảo Kỹ thuật Lạnh và Điều hòa không khí lần 1, 2006. Nguyễn Đức Lợi (2009). So sánh hệ số hiệu quả năng lượng (COP) và giá trị non tải tích hợp (IPLV) của hệ điều hòa không khí VRV và Chiller ở một tòa nhà tại Hà Nội. Tạp chí Năng lượng Nhiệt số 88-7/2009. Nguyễn Đức Lợi (2013). Tiết kiệm năng lượng và khả năng khử ẩm cho phòng điều hòa nhờ AHU với dàn nước hồi nhiệt. Tạp chí Năng lượng Nhiệt số 109-1/2013. Nguyễn Đức Lợi, Nghiêm Đình Cương, Phạm Hữu Hưng (2013). Đánh giá khả năng tiết kiệm năng lượng của hệ thống điều hòa không khí nhà Quốc hội. Tạp chí Năng lượng Nhiệt số 112-7/2013. 89 [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] Nguyễn Văn Mạnh (1991). Các bài toán nhiệt tối ưu hoá phi tuyến và phương pháp “vượt khe” Tạp chí Năng lượng Nhiệt, 1991. Số 2. Tr. 43-50. Nguyễn Văn Mạnh, Bùi Minh Trí (1996). Một thuật toán tìm cực trị dựa trên sự kết hợp giữa nguyên lý “vượt khe” và nguyên lý kéo dãn không gian. Tạp chí Khoa học & Công nghệ của các trường ĐHKT, 1996. Số 12. Tr. 1-6. Nguyễn Văn Mạnh (1990). Phương pháp giải bài toán phân phối tối ưu phụ tải giữa các tổ máy làm việc song song. Tuyển tập Công trình Khoa học ĐHBK Hà nội, 1990. T. 8. Tr. 29-34. Nguyễn Văn Mạnh (1999). Phương pháp tối ưu hoá hệ điều khiển đối tượng bất định/Tóm tắt Luận án TSKH, tr. Năng lượng Moscow–1999, 42 tr. Nguyễn Văn Mạnh (2004) Tổ hợp phần mềm “POWER” - tối ưu hoá chế độ vận hành các tổ máy năng lượng trong nhà máy điện. Báo cáo Đề tài NCKH cấp Bộ (2004), mã số B-2003-28-83. Phạm Hoàng Lương, Nguyễn Việt Dũng (2013). Đánh giá hiệu quả của điều hòa gia dụng – Phần 1. Tạp chí Năng lượng Nhiệt số 109-1/2013. Phạm Hoàng Lương, Nguyễn Việt Dũng (2013). Đánh giá hiệu quả của điều hòa gia dụng – Phần 2. Tạp chí Năng lượng Nhiệt số 110-3/2013. Số liệu thống kê năm 2010 về chi phí tiêu hao năng lượng trong các tòa nhà trung tâm thương mại, văn phòng, khách sạn. Hội thảo Xây dựng năng lực ASEAN + 3 NAMA, tháng 11 năm 2012 Мань Н.В., Хунг Н.Ч. (2000) Оптимизация режима работы энергетических объектов //Труды международ. Науч. Конф. “Control-2000”. Москва-2000. С.32-36 (Bản dịch tiếng Việt) A. Kaya, Donald P. Alexander, Larry S. Rice (1987). Energy Management of Chiller Plant for Improved efficiency and Operation. ESL-IE-87-09-28. Proceeding for the 9th Anual Industrial Energy Technology Conference, Houston, Texas, [22] [23] September 16-18, 1987. Air-conditioning and Refrigeration Institute (1987). Refrigeration and Air- conditioning. 2nd Edition, Prentice-Hall Inc, New Jersey, USA. ANSI/ASHRAE/IES Standard 90.1-2010 90 [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32 [33] [34] [35] [36] ASHRAE (2003), 2000 ASHRAE System and Equipment handbook. 2000, 2001, 2002 and 2003 ASHRAE handbook CD. Carrier newsletter. Optimizing Chiller Plant Efficiency: Factors to Consider. Carrier Synopsys – a HVAC Newsletter for Building Owners and Managers, Vol. 3, No. 1 Christopher Summers, Ronald Howell (1996). Chilled Water Plant Optimization based on Part-Load Cooling Tower Performance. David Klee, Gary Gigot (2011). Seven steps to Maximizing Central Plant Effciency. Johnson Controls White paper. Johnson Controls Inc. EIA (2013). Annual Energy Outlook 2013. DOE/EIA-0383, Department of Energy. Emmanuel C. Nsofor, Veera Vijay (2004). Modeling Energy Conservation for HVAC Performacne in a Commercial Facility. Energy Engineering: 2004; 101, 3, ProQuest Central, page 35-49. Francisco Ortiz, James R. Simpson, Joseph J. Pignatiello (2004). A Genetic Algorithm Approach to Multiple Response Optimization. Journal of Quality Technology, Oct 2004, 36, 4, ProQuest Central, page 432-450. Honeywell Inc. Engineering Manual of Automatic Control for Commercial Buildings, Honeywell Inc Copyright 1997. Hugh Crowther, Joanes Furlong (2004). Optimizing Chiller and Towers. ASHRAE Journal, July 2004, page 34-40 IEA - Energy International http://www.iea.org/statistics/statisticssearch/report/?country=VIETNAM, UnitedStates Agency, China, IPCC/REAP Special Report: Safeguarding the Ozone Layer and the Global Climate System, http://www.ipcc.ch/pdf/special-reports/sroc/sroc03.pdf. James E. Broun (2007). Performance of a Demand-Limiting Control Algorithm for Hybrid Cooling Plants. ASHRAE Transactions (2007); 113, ProQuest Central, page 95-104. James W. Furlong, Frank T. Morrison. Optimization of Water-Cooled Chiller – Cooling Tower Combinations. CTI Journal, Vol 26, No. 1, page 12-19. 91 [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] Jennifer L. Gorter (2012). HVAC Equipment Right-Sizing: Occupant Comfort and Energy Savings Potential. Energy Engineering 2012, 109,1 ProQuest Central, page 59-75. Joseph Ballet, Michel Karon Grabon (2010). Optimization of Air-cooled Chiller System Operation. US patent US20100094434A1. Justin M. Harrel, James A. Mathias (2009). Improving Efficiency in a Campus Chilled Water System Using Exergy Analysis. ASHRAE TransactionsVol 115, No. 2, page 507-522. K.T. Chan, F.W Yu (2002). Part load efficiency of Air-cooled multiple-chiller plant. Building Service Engineering Res. Technol. 23, 1 (2002), page 31-41. K.T. Chan, FW Vu (2004). Condensing temperture control to enhance the efficiency of Air-cooled chiller. Building Service Engineering Res. Technol. 25, 4 (2004), page 279-294. Kriti Kapoor, Kody M. Powell, Wesley J. Cole, Jong Suk Kim, Thomas F. Edgar (2013). Improved Large-scale Process Cooling Operation through Energy Optimization. Processes ISSN 22227-9717. Lu Lu, Wenjian Cai, Lihua Xie, Shujiang Li, Yeng Chai Shoh (2005). HVAC system optimization – in building section.Enery and Building 37 (2005) page 11-22. Mick Schwedler, Beth Bakkum (2009). ASHRAE Journal November 2009, page 32. Upgrading Chilled-Water Systems. Michael Vaughn (2011). 2010-2011 ASHRAE Research Report, ASHRAEE Journal 2011, Vol 53, no 10, page 60-70. Nabil Nassif, Stanislaw Kajl, Robert Sabourin (2005). Optimization of HVAC Control System Strategy Using Two-Objective Genetic Algorithm. HVAV&R Research, Jul 2005, vol. 11, no. 3, page 459-486. New Buildings Institute Inc. Integrated Energy System: Productivity and Building Science, Consultant report 500-03-082, Canifornia Energy Commission, USA. Nguyen Van Manh. The affine projection method for solving non-linear optimization problems //NCST Proceeding No 2-1992. P.53-60. 92 [49] [50] Peter Armstrong, Dave Winiarski (2006), Optimal Chilled Water Delta-T. Technical Assistance to Flow Control Industries (FCI). PNNL-16161, PNNL OSBP Technical Assitance Program. P.R. Amstrong, W. Jiang, D. Winiarski, S. Katipamula, L.K. Norford, R.A. Willingham (2009). Efficient Low-Lift Cooling with Radial Distribution, Thermal Storage, and Variable-Speed Chiller Controls – Part 1: Component and Subsystem [51] Models. HVAC&R Research, Volume 15, Number 2, page 366-400. P.R. Amstrong, W. Jiang, D. Winiarski, S. Katipamula, L.K. Norford, R.A. Willingham (2009). Efficient Low-Lift Cooling with Radial Distribution, Thermal Storage, and Variable-Speed Chiller Controls – Part II: Annual Energy Use and [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] Savings. HVAC&R Research, Volume 15, Number 2, page 402-432. Scot M. Ducan (2011), Optimized Control system for Cooling system. US patent US20110137468A1. Steven T. Taylor (2002). Primary-Only vs. Primary-Secondary Variable Flow System. ASHRAE Journal, February 2002, page 25-29. Stoecker W. F., Jones J. W. (1982). Refrigeration and Air Conditioning. 2nd Edition, McGraw-Hill book company, Singapore. Terrance Morris, Steve Blaine (2008). Chiller Plant Optimization Tool. ASHRAE Journal, Luly 2008, page 54-60. Thomas Hartman (2001). All Variable Speed Centrifugal Chiller Plants. ASHRAE Journal, September 2001, page 43-51. Thomas Hartman (2000). Chiller-Plant Control Using Gateway Technologies. HPAC Engineering, January 2001, page 81-86. Thomas Hartman (2005). Designing Efficient System With the Equal Marginal Performance Principle. ASHRAE Journal Vol. 47, No. 7, July 2005, page 64-70. Thomas Hartman (1996). Design Issues of Variable Chilled-Water Flow Through Chillers. SA-96-12-2 Thomas Hartman (2001). Instrumentation Issues for Monitoring Chiller Plant Efficiency. ASHRAE Transactions 2001, Vol. 107, ProQuest Central, page 407414. 93 [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] Thomas Hartman (1999). “LOOP” Chiller Plant Dramatically Lower Chilled Water Costs. ASME International Conference, Lahaina, Maui, Hawaii, April 11-15, 1999. Thomas Hartman (2000). Network Based Control: An Imperative for Green Office Buildings. APEC Green Buidling Workshop and Conference, Taipei, Taiwan, October 16, 2000. Thomas Hartman (2005). Relational Network-Enable Approaches to improving the efficiency and effitiveness of HVAC operation. Network Controls, October 2005, page 10-13. Thomas Hartman (2001). Ultra-Efficient Cooling with Demand-Based Control. HAPC Engineering, December 2001, page 29-35. T.T. Chow, G.Q. Zhang. Z. Lin, C.S. Song (2002). Global optimization of absorption chiller system by genetic algorithm and neural network. Energy and Buildings 34 (2002), page 103-109. T. X. Nghiem, M. Behl, G. J. Pappas, R. Mangharam (2011). “Green Scheduling” – Scheduling of Control system for peak demand power reduction. Procceding International Green Computing Conference and Workshop (IGGC). T. X. Nghiem, M. Behl, G. J. Pappas, R. Mangharam (2011). “Green Scheduling for Engergy-Efficent Operation of Multiple Chiller Plant. IEEE Conference on Dicision and Control (CDC 2011). Tzu-Chi Liu, Ming-Hsiu Hsu, Kwo-Tung Lin (2011). Chiller performance curve online modeling using B-spline curve. Energy Engineering 2011; vol 108, No. 6 ProQuest Central, page 46-58. V. Vakiloroaya, Q.P. Ha, B. Samali (2013). Energy-Efficient HVAC system: Simulation-empirical modelling and gradient optimization. Automation in Construction 31 (2013), page 176-185. Well Jiang, T.Agami Reddy (2007). General Mothodology Combining Engineering Optimization of Primary HVAV&R Plants with Decision Analysis Methodes – Part I: Deterministic Analysis. HVAV&R Research (Jan 2007), Vol. 13, No. 1; ProQuest Central, page 93-117. 94 [71] Well Jiang, T.Agami Reddy Patrick Gurian (2007). General Mothodology Combining Engineering Optimization of Primary HVAV&R Plants with Decision Analysis Methodes – Part II: Uncertainty and Decision Analysis. [72] [73] Research (Jan, 2007), Vol. 13, No. 1; ProQuest Central, page 119-140. HVAV&R Yiming Feng, Cheng Chang, Qingpeng Wei (2012). Ongoing Commissioning Based on BMS Data Logs. ASHRAE Transaction 2012, CH-12-C039, page 301308. Yongjun Sun, Shengwei Wang, Gongsheng Huang (2010). Model-based Optimal Start Control Strategy for Multi-Chiller Plants in Commercial Buildings. Building Service Engineering Ref. Technol. 32,2 (2010), page 113-129. 95 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN [1] Nguyễn Đình Vịnh, Nguyễn Văn Mạnh, Phạm Hải Trung, Nguyễn Viết Đức (2012). Ứng dụng hệ thống quản lý tòa nhà thực hiện các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong hệ thống điều hòa không khí trung tâm. Hội thảo khoa học các giải pháp tiết kiệm và sử dụng năng lượng hiệu quả tại công trình Lăng Chủ tịch Hồ Chí Minh do Hội KHKT Lạnh và Điều hòa không khí Việt Nam phối hợp cùng Ban quản lý Lăng Chủ tịch Hồ Chí Minh - Bộ tư lệnh bảo vệ Lăng Chủ tịch Hồ Chí [2] [3] [4] Minh tổ chức 14/ 12/2012. Nguyễn Đình Vịnh, Nguyễn Văn Mạnh, Nguyễn Văn Chung, Tạ Quốc Huy (2013). Phương pháp tối ưu hóa chế độ vận hành hệ thống lạnh trung tâm chiller. Tạp chí Năng lượng nhiệt số 114-11/2013 trang 7~10. Nguyễn Đình Vịnh, Nguyễn Văn Mạnh (2014). Tối ưu hóa chế độ vận hành hệ thống lạnh trung tâm chiller có lưu lượng nước thay đổi. Tạp chí Năng lượng nhiệt số 119-9/2014, trang 18~23. Nguyễn Đình Vịnh, Nguyễn Văn Mạnh, Đỗ Mạnh Hùng (2015). Xây dựng chế độ vận hành theo phân phối phụ tải tối ưu và đánh giá hiệu quả tiết kiệm năng lượng, giảm phát thải cho trạm lạnh trung tâm chiller. Tạp chí Năng lượng nhiệt số 1223/2015, trang18~20. 96 PHỤ LỤC 1: T TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU ĐI HÒA KHÔNG KHÍ TRUNG TÂM CHILLER PL1.1 Máy lạnh ạnh trung tâm chiller MLTT chiller có nhi nhiều ều loại, phân loại theo nhiều cách khác nhau và kèm theo nó sẽ có tên gọi khác nhau và được ợc thể hiện tổng quát ở hình PL1.1. Phân loại ại và gọi tên MLTT chiller theo chu trình lạnh ạnh có thể phân ra máy lạnh nén hơi hay máy lạnh ạnh có máy nén lạnh, máy lạnh hấp thụ, máy lạnh eject ejectơ ơ và máy lạnh l nén khí [24]. Việc gọi tên MLTT chiller có máy nén lạnh còn đi kèm với ới kiểu máy nén: loại l có máy nén hở, ở, máy nén kín ho hoặc máy nén nửa kín. Trong đó loại MLTT chiller có máy nén hở ở không phổ biến trong ứng dụng ĐHKK. Ví dụ: MLTT chiller giải ải nhiệt nước n có máy nén ly tâm kiểu ểu kín, môi chất lạnh R134a... Phân loại Phân loại máy lạnh trung tâm chiller Loại 1 chiều Loại 2 chiều (bơm nhiệt) Máy lạnh trung tâm giải nhiệt gió Máy lạnh trung tâm giải nhiệt nước theo chức năng theo phương thức giải nhiệt Máy nén pit tông Máy nén rô to Máy nén đĩa xoắn Máy nén trục vít Máy nén ly tâm Máy nén tua bin theo loại máy nén Amoniắc (NH3) Freon R22 Freon R134a Freon F410a Freon R407c Freon khác (R404, R404b...) theo môi chất lạnh Hình PL1 PL1.1 Phân loại MLTT chiller có máy nén lạnh ạnh MLTT chiller giải ải nh nhiệt nước và giải nhiệt gió là hai loại MLTT sử dụng chủ yếu trong hệ thống ĐHKK trun trung tâm. MLTT chiller giải ải nhiệt gió có các quạt giải nhiệt cho dàn ngưng. MLTT giải ải nhiệt nnước có bình ngưng được ợc làm mát bằng nước, n hệ thống bơm nước ớc giải nhiệt tuần hoàn và tháp giải nhiệt. PL1 Cấu trúc của một MLTT có máy nén lạnh có thể bao gồm 1 hay nhiều vòng tuần hoàn môi chất lạnh; 1 hay nhiều dàn giải nhiệt hay binh ngưng; 1 hay nhiều bình bay hơi; 1 hay nhiều máy nén lạnh hay 1 hay nhiều van tiết lưu khác nhau... Đi kèm với nó là hệ thống dầu bôi trơn và hệ thống điều khiển phức hợp với các thiết bị bảo vệ an toàn và tự động điều khiển [24, 54]. Máy nén lạnh sử dụng trong MLTT chiller có nhiều loại khác nhau: máy nén pít tông, máy nén rô to, máy nén đĩa xoắn, máy nén trục vít, máy nén ly tâm hay máy nén tua bin. Mỗi loại máy nén có các phương thức điều khiển khác nhau để điều chỉnh năng suất lạnh của MLTT chiller: van đi tắt thường dùng cho các máy nén pít tông hay máy nén đĩa xoắn, van trượt thường dùng cho máy nén trục vít, van hướng dòng cho máy nén ly tâm hay máy nén tua bin. Máy nén có thể là loại kín hay nửa kín; máy nén có tốc độ không đổi hay máy nén có sử dụng công nghệ biến tần để thay đổi tốc độ động cơ và máy nén. Biến tần cho động cơ máy nén cũng có thể là loại tích hợp nguyên cụm hay tách rời... [24, 54] Dàn ngưng của MLTT chiller cũng có nhiều cấu trúc khác nhau theo vật liệu chế tạo: dàn ngưng ống đồng cánh nhôm, dàn ngưng bằng nhôm hợp kim cấu trúc nguyên khối (micro fin)... hay dàn ngưng có hoặc không có lớp bảo vệ chịu thời tiết hay tăng cường trao đổi nhiệt. Thông thường dàn ngưng có cấu trúc mô đun và được ghép nối song song với nhau. Bình bay hơi/bình ngưng của MLTT chiller cũng có nhiều loại và có các cấu trúc khác nhau theo cấu tạo: bình bay hơi/bình ngưng ống vỏ nằm ngang, bình bay hơi/bình ngưng kiểu tấm trao đổi nhiệt (Plate Heat Exchanger). Hay khác nhau theo phương thức tổ chức trao đổi nhiệt: loại bình có cấu trúc ngập lỏng (môi chất), loại bình có cấu trúc quá nhiệt hay quá lạnh... hay các loại bình có tăng cường trao đổi nhiệt bằng ống có cánh... Ngoài ra bình bay hơi / bình ngưng còn gọi tên theo số lần tuần hoàn của nước lạnh qua bình: loại 1 lần tuần hoàn (1-pass), loại 2 lần tuần hoàn (2-pass), loại 3 lần tuần hoàn (3pass)... Van tiết lưu trong MLTT chiller có nhiều loại theo cấu trúc của van tiết lưu: van tiết lưu nhiệt cân bằng trong, van tiết lưu nhiệt cân bằng ngoài, van tiết lưu điện tử có điều chỉnh bước... MLTT chiller cũng bao gồm hàng loạt các thiết bị phụ trợ khác đảm bảo hoạt động an toàn và ổn định của thiết bị: bình tách lỏng; bình tách dầu; hệ thống thu gom và bơm dầu bôi trơn; van cách ly; các thiết bị bảo vệ an toàn như công tắc áp suất cao, công tắc áp PL2 suất ất thấp, van an toàn; các thiết bị vvà hệ thống điều khiển tự động: ộng: bộ b điều khiển trung tâm, các cảm biến nhiệt độ, ộ, cảm biến áp suẩt, cảm biến mức lỏng, công tắc dòng, các thiết bị đo đếm điện, bảo vệ điện... ện... PL1.2 Thiết ết bị xử lý không khí trong hệ thống điều ều hòa không khí trung tâm chiller Thiết ết bị xử lý không khí là thiết bị đểể thực hiện các quá trình xử lý không khí trước tr khi đưa vào không gian điều ều hòa. Nó được ợc phân loại và gọi tên theo nhiều cách khác nhau. Phân loại theo đặc ặc tính xử lý nhiệt ẩm bao gồm thiết bị xử lý không khí kiểu khô và thiết bị xử lý không khí kiểu ướt. ớt. Tổng hợp cấu trúc và phân loại thiết bị xử lý không khí được thể hiện ở hình PL1.2. Việc ệc phân loại theo đặc tính lưu lượng ợng không khí bao gồm loại có lưu lượng không đổi (CAV – Constant Air Volume) hay lo loại có lưu lượng ợng không khí thay đổi (VAV – Variable Air Volume) [24]. Thiết bị xử lý không khí Thiết bị xử lý không khí kiểu khô Thiết bị xử lý không khí kiểu ướt Phân loại Thiết bị xử lý không khí có lưu lượng không đổi Thiết bị xử lý không khí có lưu lượng gió thay đổi Phân loại Module lọc bụi Module làm mát Module sưởi ấm Module phum ẩm Module quạt Các module khác Các thành phần thiết bị Hình PL1. 1.2 Cấu ấu trúc và phân loại thiết bị xử lý không khí Cấu ấu trúc của thiết bị xử lý không khí th thường được ợc phân chia thành các mô đun tương ứng với các quá trình xử lý không khí trong thiết bị: mo mođun lọc ọc bụi; mô đun làm mát (làm lạnh); mô đun suởi ởi ấm; mô đun phun ẩm; mô đun quạt ạt hay các mô đun khác như mô đun thu hồi ồi nhiệt... Tùy thuộc vào số llượng ợng và quá trình xử lý không khí kh thực hiện thiết bị mà nó có thểể bao gồm hay không bao gồm một hay nhiều mô đun cùng loại lo như: mô đun làm lạnh ạnh cấp 1, cấp 2; mô đun sưởi cấp 1, cấp 2; mô đun lọc bụi sơ cấp, ấp, thứ cấp; mô đun quạt gió cấp; mô đun quạt ạt gió hồi; mô đun quạt gió thải... Thứ tự sắp ắp xếp của các mô đun bên trong thiết bị được ợc thực hiện theo trình tự của các quá trình xử lý không khí và thiết bị phải đảm nhận. PL3 Lưu lượng không khí qua thiết bị xử lý không khí phù hợp với hệ thống phân phối không khí kết nối với thiết bị. Trong hệ thống có lưu lượng không đổi, lưu lượng không khí qua thiết bị cũng không đổi, đi kèm với nó là quạt gió có tốc độ không đổi. Với hệ thống có lưu lượng thay đổi, lưu lượng không khí qua thiết bị cũng thay đổi tương ứng, đi kèm với nó là quạt gió có tốc độ thay đổi được. Mô đun quạt có nhiệm vụ vận chuyển và tạo dòng không khí tuần hoàn trong hệ thống phân phối không khí và đi qua thiết bị. Quạt thường được sử dụng là quạt ly tâm có cánh thuận dòng hoặc ngược dòng. Ngoài ra còn có quạt ly tâm thẳng dòng cũng được sử dụng. Thiết bị xử lý không khí thường có ít nhất một mô đun quạt, khi đó sẽ làm nhiệm vụ vừa cấp và hút không khí tuần hoàn; hoặc có thể có đến 2 hay 3 mô đun quạt trong cùng thiết bị xử lý không khí: quạt gió cấp, quạt gió hồi, quạt gió thải... Mô đun làm lạnh có thể có cấu trúc là loại dàn ống có cánh (kiểu khô) hay cấu trúc buồng phun (kiểu ướt) và đều sử dụng nước lạnh. Với kiểu khô, các quá trình xử lý không khí thực hiện trong mô đun làm lạnh là làm lạnh và khử ẩm. Với cấu trúc buồng phun, mô đun làm lạnh có thể thực hiện được các quá trình làm lạnh, khử ẩm và tăng ẩm. Năng suất làm lạnh hoặc kết hợp khử ẩm và tăng ẩm được điều chỉnh bằng lưu lượng nước lạnh hoặc nhiệt độ nước lạnh. Mô đun sưởi ấm thường là kiểu khô với nước nóng đi trong dàn ống có cánh hay các bộ gia nhiệt bằng điện trở sưởi. Quá trình xử lý không khí thực hiện trong mô đun sưởi ẩm chỉ là gia nhiệt hay tăng nhiệt độ. Nước nóng được cung cấp từ hệ thống nồi hơi đun nước nóng. Năng suất sưởi ấm được điều chỉnh bằng lưu lượng nước nóng hoặc nhiệt độ nước nóng. Mô đun lọc bụi thực hiện quá trình làm sạch không khí về mặt cơ khí. Lọc bụi có cấu trúc bằng nhiều loại vật liệu hay cách thức xử lý khác nhau: lọc bụi thô, lọc bụi túi, lọc bụi tĩnh điện, lọc bụi rửa được hay không rửa được... hoặc có thể là tổ hợp của các loại lọc bụi khác nhau trong cùng một mô đun hay nhiều mô đun sắp xếp theo thứ tự yêu cầu của quá trình xử lý bụi trong không khí. Ngoài ra, thiết bị xử lý không khí còn có thể có các mô đun khác như mô đun thu hồi nhiệt bằng bộ trao đổi nhiệt không khí – không khí (heatwheel), bộ thu hồi nhiệt bằng bơm nhiệt; các bộ thanh trùng và triệt khuẩn trong không khí như: đèn cực tím, bộ rửa khí... hay mô đun hòa trộn và các van gió điều chỉnh... PL4 PL1.3 Các sơ đồ hệ thống đường ống phân phối đường nước trong hệ thống điều hòa không khí trung tâm chiller Hệ thống đường ống phân phối nước lạnh và bơm nước lạnh tuần hoàn là khâu vận chuyển trung gian năng lượng từ MLTT chiller tới các hộ tiêu thụ là các thiết bị xử lý không khí. Cấu trúc của hệ thống là hệ thống kín khi sử dụng thiết bị làm lạnh kiểu khô và là hệ thống hở khi sử dụng thiết bị làm lạnh kiểu ướt. Chất tải lạnh, thông thường là nước, được bơm nước tuần hoàn từ MLTT chiller đến các mô đun làm lạnh của thiết bị xử lý không khí. Nước sau khi thực hiện quá trình làm lạnh được hút ngược về MLTT [3]. Hệ thống đường ống phân phối nước nóng cũng tương tự như hệ thống đường ống phân phối nước lạnh. Trong hệ thống phân phối nước nóng, MLTT chiller được thay thế bằng thiết bị cấp nhiệt trung tâm như các bộ calorifier, nồi hơi đun nước nóng hay bơm nhiệt. Bơm nước nóng tuần hoàn bơm nước nóng từ trung tâm cấp nhiệt đến các hộ tiêu thụ là các mô đun sấy hay sưởi ấm không khí. Nước sau khi thực hiện quá trình sưởi ấm được đưa ngược trở về thiết bị cấp nhiệt trung tâm [3]. Hệ thống đường ống nước giải nhiệt sử dụng trong hệ thống sử dụng MLTT giải nhiệt nước. Nước giải nhiệt được vận chuyển từ MLTT đến tháp giải nhiệt để đưa ra ngoài môi trường [3]. Bơm nước tuần hoàn thường sử dụng là bơm ly tâm và có nhiều loại khác nhau: bơm ly tâm trục ngang, bơm ly tâm trục đứng, bơm ly tâm trục đứng ghép đôi (twin pump). Bơm ly tâm trục ngang có loại bơm ly tâm trục rời hay bơm bơm ly tâm trục liền, loại đầu hút thẳng dòng hay loại đầu hút vuông dòng (end-suction) [24]. Bơm nước tuần hoàn cũng thường được ghép nối song song để có sự hoạt động đổi vai trò và dự phòng cho nhau, hoặc cũng có thể được ghép nối nối tiếp trong các sơ đồ đường ống nước lạnh có vòng tuần hoàn sơ cấp và thứ cấp [3, 24, 54]. PL1.3.1 Sơ đồ hệ thống phân phối nước lạnh, nước nóng cho phụ tải. Sơ đồ hệ thống đường ống nước 2 đường ống là cơ bản nhất và phổ biến nhất. Sơ đồ 3 đường ống hoặc 4 đường ống thực chất là sự kết hợp của hai hệ thống 2 đường ống của đường ống phân phối nước lạnh và nước nóng ghép chung hay ghép song song [3, 24, 54]. Sơ đồ hệ thống đường ống nước 2 đường ống có thể phân chia ra làm 2 loại: a) Sơ đồ hệ thống đường ống nước có lưu lượng không đổi kết hợp sử dụng van điều khiển 3 ngả. PL5 Nước lạnh hoặc nước nóng tuần hoàn trong hệ thống không đổi thể hiện trên hình PL1.3a,b. Đây là sơ đồ được sử dụng rộng rãi trong hệ thống phân phối đường nước nóng. Ưu điểm cơ bản của sơ đồ là nước nóng liên tục tuần hoàn trong hệ thống đường ống và sẵn sàng cung cấp năng lượng để sưởi cho hộ tiêu thụ là các bộ xử lý không khí. Hình PL1.3 Sơ đồ đường ống nước lạnh có lưu lượng không đổi, van 3 ngả a) Đường ống hồi trực tiếp b) Đường ống nước lạnh hồi ngược b) Sơ đồ đường ống nước có lưu lượng thay đổi kết hợp sử dụng van điều khiển hai ngả và van đi tắt Sơ đồ đường ống nước có lưu lượng thay đổi kết hợp sử dụng van điều khiển hai ngả và van đi tắt như trong hình 1.10a,b là biến thể của sơ đồ đường nước có lưu lượng nước lạnh không đổi ở hình PL1.4a,b với việc sử dụng van điều khiển hai ngả tại thiết bị xử lý không khí và van đi tắt ngay tại TLTT. Nước tuần hoàn trong hệ thống đường ống phân phối phía phụ tải có lưu lượng thay đổi, nhưng nước lạnh tuần hoàn tại trạm lạnh có lưu lượng không đổi. Đây là sơ đồ sử dụng phổ biến cho hệ thống đường ống phân phối nước lạnh. PL6 Hình PL1.4 Sơ đồ đường ống nước lạnh có lưu lượng thay đổi, van 2 ngả a) Đường ống hồi trực tiếp b) Đường ống nước lạnh hồi ngược PL1.3.2 Sơ đồ hệ thống đường ống nước lạnh trong trạm lạnh trung tâm chiller Hình PL1.5 Sơ đồ trạm lạnh trung tâm với cụm máy lạnh trung tâm chiller - bơm ghép song song a) Có van điều khiển đi tắt (by-pass) b) Không có van điều khiển đi tắt Sơ đồ hệ thống đường ống nước trong TLTT thể hiện mối liên hệ vật lý cấu thành TLTT. Do giới hạn công suất cũng như giới hạn làm việc của mỗi tổ máy nên bắt buộc phải có sự ghép nối các tổ máy có công suất nhỏ hơn để có được trạm lạnh có công suất PL7 lớn hơn, đáp ứng được nhu cầu của phụ tải. Tùy thuộc vào cách kết nối hệ thống nước tuần hoàn ở trạm lạnh/trạm nhiệt trung tâm và hộ tiêu thụ lạnh/ hộ tiêu thụ nhiệt cũng như việc sử dụng bơm nước tuần hoàn khác nhau mà có các sơ đồ hệ thống nước khác nhau. Hình PL1.5a,b thể hiện sơ đồ đường ống nước lạnh trong TLTT với bơm nước lạnh được kết nối nối tiếp với MLTT để tạo thành cụm thiết bị trong trạm lạnh. Các cụm thiết bị bơm – chiller được ghép nối song song với nhau để cung cấp công suất lớn hơn. Hình PL1.5b là sơ đồ có lưu lượng nước lạnh không đổi và thường được kết nối với hệ thống đường ống nước phía phụ tải có lưu lượng không đổi sử dụng van điều khiển ba ngả như đã mô tả trong hình PL1.3a. Sơ đồ đường ống nước lạnh trong TLTT ở hình PL1.5a với van điều khiển đi tắt ở trạm lạnh, cung nước lạnh có lưu lượng thay đổi phía phụ tải sử kết hợp với sơ đồ sử dụng van điều khiển hai ngả trong hình PL1.3a. Hình PL1.6 Sơ đồ trạm lạnh trung tâm với các cụm bơm, máy lạnh trung tâm ghép song song độc lập a) Có van điều khiển đi tắt b) Không có van điều khiển đi tắt Nhược điểm cơ bản của sơ đồ này là các bơm hay các MLTT chiller không thể hỗ trợ vai trò của nhau khi có sự cố do cụm bơm chiller được chỉ định nối tiếp với nhau. Để giải thích rõ hơn điều này ta có thể lấy ví dụ, trong cụm bơm nước lạnh – MLTT chiller 1 mà bơm nước lạnh 1 bị lỗi, còn cụm bơm nước lạnh – MLTT chiller 2 lại có chiller bị lỗi, khi đó bơm nước lạnh 2 không thể đổi vai trò của bơm nước lạnh 1 để đảm bảo chiller 1 chạy được bình thường. Do đó, đây là sơ đồ cổ điển và chỉ được sử dụng trong các TLTT lớn thường có cả cụm bơm nước lạnh – MLTT dự phòng. PL8 Hình PL1.6 là biến thể của sơ đồ hình PL1.5 với cụm bơm nước lạnh và cụm MLTT ghép song song độc lập. Trong sơ đồ này, cụm bơm nước lạnh được ghép nhóm song song với nhau để đảm bảo khả năng đổi lẫn vai trò cho nhau.Tương tự như vậy các tổ MLTT chiller cũng được ghép nhóm với nhau. Sơ đồ này cho phép chuyển đổi vai trò của các bơm, các chiller trong hệ thống cho nhau và được sử dụng rộng rãi trong các trạm lạnh có số MLTT dưới 5 ~ 6 tổ máy. Cũng cần phải lưu ý thêm rằng, sơ đồ hình PL1.5 đảm bảo lưu lượng nước đi qua mỗi MLTT chiller chính bằng công suất lưu lượng bơm, còn ở sơ đồ hình PL1.6 thì cần phải bố trí thêm các thiết bị cân bằng để đảm lưu lượng nước đi qua chiller phù hợp và cân bằng. Hình PL1.7 Sơ đồ trạm lạnh trung tâm với bơm sơ cấp – thứ cấp nhiều phụ tải lạnh Sơ đồ hệ thống đường ống nước lạnh sơ cấp và thứ cấp là sơ đồ hệ thống cổ điển như hình PL1.7. Bơm tuần hoàn sơ cấp cung cấp lưu lượng nước lạnh tuần hoàn không đổi đi qua MLTT chiller, bơm tuần hoàn thứ cấp được điều chỉnh lưu lượng bằng biến tần để có lưu lượng đi phụ tải thay đổi để kết hợp đường ống PPPT có van hai ngả hoặc cũng có lưu lượng tuần hoàn cố định để kết hợp với van ba ngả ở phía phụ tải. Đây là sơ đồ được sử dụng cho các hệ thống có nhiều vùng phụ tải khác nhau về tính chất vận hành và chế độ vận hành. Bơm nước lạnh sơ cấp có thể được ghép nhóm song song như hình PL1.4, hình PL1.5 hoặc kết hợp nhóm bơm nước lạnh sơ cấp – MLTT như sơ đồ hình PL1.6. Sơ đồ được sử dụng rộng rãi trong các công trình đa năng như: trung tâm hội nghị, khách sạn, phòng họp… PL9 Ngoài ra còn có thêm các sơ đồ đường ống nước là sự kết hợp của các sơ đồ có lưu lượng nước thay đổi và không đổi; sơ đồ đường nước nhiều vòng tuần hoàn thường được áp dụng ở các hệ thống có tính phức tạp và yêu cầu công nghệ khắt khe hay các công trình nhà cao tầng khi các sơ đồ một vòng tuần hoàn ở trên không áp dụng được; sơ đồ có thêm sự kết hợp của sơ đồ sơ cấp - thứ cấp với các bình tích lạnh. Thông số đặc trưng của hệ thống đường ống phân phối nước nói chung (nước lạnh, nước giải nhiệt) là mối quan hệ giữa lưu lượng nước tuần hoàn và tổn thất áp suất hay độ chênh cột áp trên toàn hệ thống được thể hiện bằng đặc tuyến của lưới của đường ống phân phối. Bơm nước tuần hoàn được đặc trưng bởi đặc tuyến làm việc của bơm với 3 thông số cơ bản phụ thuộc nhau là cột áp tổng, lưu lượng và công suất tiêu thụ điện. Sự giao nhau của hai đường đặc tuyến này là điểm làm việc của bơm và hệ thống đường ống. PL1.3.3 Sơ đồ hệ thống đường ống nước giải nhiệt và tháp giải nhiệt trong trạm lạnh trung tâm chiller giải nhiệt nước Hệ thống đường ống nước giải nhiệt và tháp giải nhiệt chỉ sử dụng trong hệ thống ĐHKK trung tâm có MLTT giải nhiệt nước. Cấu trúc hệ thống giải nhiệt cho MLTT giải nhiệt nước bao gồm:  Tháp giải nhiệt  Bơm tuần hoàn nước giải nhiệt  Hệ thống đường ống nước giải nhiệt. Cũng tương tự như hệ thống đường ống phân phối nước lạnh, việc ghép nối giữa bơm nước giải nhiệt và MLTT chiller khác nhau sẽ cho các sơ đồ khác nhau. Bơm giải nhiệt có thể được nối nối tiếp với MLTT chiller để tạo thành cụm bơm nước giải nhiệt – MLTT chiller; các cụm thiết bị này được ghép nhóm song song để tạo ra hệ thống có công suất giải nhiệt lớn hơn. Sơ đồ này tương tự như sơ đồ hình 3.1 khi bơm nước lạnh được thay bằng bơm nước giải nhiệt. Bơm giải nhiệt cũng có thể được ghép nhóm với nhau trên ống góp chung, MLTT chiller cũng được ghép nhóm với nhau trên ống góp chung như hình PL1.8 để tạo ra khả năng đổi lẫn vai trò cho nhau của các thiết bị cùng trong nhóm. PL10 Có nhiều loại tháp giải nhiệt được sử dụng và được phân làm hai loại chính là tháp giải nhiệt kín và tháp giải nhiệt hở. Tháp giải nhiệt kín là loại tháp giải nhiệt mà việc trao đổi nhiệt (giải nhiệt) từ nước giải nhiệt ra ngoài môi trường xung quanh thông qua bề mặt trao đổi nhiệt mà thường là dàn ống có cánh. Phân loại tháp giải nhiệt kín theo phương thức giải nhiệt có thể chia làm hai loại: tháp giải nhiệt khô, nước giải nhiệt trong tháp trao đổi nhiệt trực tiếp với không khí môi trường, và tháp giải nhiệt kín kiểu tưới, phía ngoài dàn ống trao đổi nhiệt được tưới nước phủ kín dàn ngoài, nước giải nhiệt trao đổi nhiệt với cả không khí và nước tưới giải nhiệt ở bên ngoài. Tháp giải nhiệt hở sử dụng phương thức trao đổi nhiệt (truyền nhiệt và truyền chất) trực tiếp giữa nước giải nhiệt và không khí môi trường bên ngoài. Tháp giải nhiệt kiểu hở thường được phân chia làm hai loại theo phương thức bố trí dòng nước giải nhiệt và dòng không khí: tháp giải nhiệt ngược dòng (hay thường gọi là các tháp giải nhiệt kiểu tròn) và tháp giải nhiệt ngang dòng (cross flow cooling tower) hay vẫn thườn gọi là tháp giải nhiệt kiểu vuông. Các tháp giải nhiệt kiểu kín (tháp giải nhiệt khô và tháp giải nhiệt kiểu tưới) có hiệu suất thấp và không phù hợp với điều kiện Việt Nam nên ít được sử dụng. Các tháp giải nhiệt kiểu hở (tháp giải nhiệt ngược dòng và vuông dòng) có hiệu suất cao và phù hợp với điều kiện thời tiết Việt Nam nên được sử dụng rộng rãi. Hệ thống đường ống Hình PL1.8 Sơ đồ đường ống nước giải nhiệt và tháp giải nhiệt PL11 nước giải nhiệt thường là hệ thống hở tương ứng với các tháp giải nhiệt hở. Do đó hệ thống đường ống nước giải nhiệt thường được chế tạo bằng ống thép mạ kẽm để chống ăn mòn. Việc ghép nhóm các tháp giải nhiệt hở cũng cần phải lưu ý, sơ đồ đường ống có đường ống hồi ngược sẽ không thể áp dụng với tháp giải nhiệt hở, phương án tối ưu vẫn phải sử dụng van cân bằng ở đường cấp đến và đi khỏi tháp giải nhiệt để đảm bảo lưu lượng nước vào/ra của mỗi tháp giải nhiệt để không xảy ra sự cố tràn hay thiếu nước do mất cân bằng. Các sơ đồ đường ống nước giải nhiệt chủ yếu là sơ đồ 2 đường ống với lưu lượng thay đổi và lưu lượng không đổi, trong đó hệ thống nước giải nhiệt có lưu lượng không đổi được sử dụng phổ biến hơn cả trong các hệ thống ĐHKK truyền thống. PL1.4 Đặc điểm tổng quát của các sơ đồ hệ thống đường ống nước trong trạm lạnh trung tâm chiller giải nhiệt nước Qua phân tích các sơ đồ đường ống nước lạnh, nước giải nhiệt trong TLTT chiller ta có thể tổng quát các đặc điểm của hệ thống như sau: Trong trạm lạnh trung tâm sử dụng MLTT chiller giải nhiệt gió, sơ đồ hệ thống đường ống nước lạnh của TLTT chiller chính là sơ đồ hệ thống đường ống nước của TLTT chiller giải nhiệt gió như trong các hình PL1.5 ~ PL1.7. Cấu trúc của TLTT chiller giải nhiệt gió chỉ bao gồm các bơm nước lạnh, MLTT chiller giải nhiệt gió và hệ thống đường ống nước lạnh. Với TLTT chiller giải nhiệt nước, sơ đồ đường ống trong trạm lạnh bao gồm cả hệ thống đường ống nước lạnh và đường ống nước giải nhiệt. Sơ đồ điển hình của một TLTT chiller giải nhiệt nước, cũng là sơ đồ sử dụng cho tòa nhà Mipec, được thể hiện trong hình 3.1. Cấu trúc của TLTT giải nhiệt nước phức tạp hơn nhiều và bao gồm: các MLTT giải nhiệt nước, các bơm nước lạnh, các bơm nước giải nhiệt, các tháp giải nhiệt hệ thống đường ống nước lạnh và nước giải nhiệt. Đặc điểm điển hình của các TLTT chiller được thiết kế và lắp đặt đều có tính mô đun. Điều này đảm bảo trong mọi trường hợp vận hành thì số lượng bơm hay tháp giải nhiệt chạy đồng thời đều tương ứng với số lượng MLTT chiller chạy đồng thời, cũng đồng thời các bơm hay chiller hay tháp giải nhiệt đều có thể đổi lẫn vai trò của nhau trong cùng cụm thiết bị nó tham gia. Nguyên nhân cơ bản của đặc điểm này là do sự mô đun hóa theo từng dải công suất trong việc sản xuât hàng hoạt để giảm giá thành thiết bị, cũng như do yêu cầu điều chỉnh năng suất lạnh trạm lạnh đáp ứng theo yêu cầu của phụ tải lạnh. PL12 Tổng công suất tiêu thụ điện của TLTT chiller bằng tổng công suất tiêu thụ điện của tất cả các thiết bị thành phần trong TLTT chiller hoạt động đồng thời bao gồm: công suất điện tiêu thụ cho MLTT chiller, bơm nước lạnh, bơm nước giải nhiệt, quạt tháp giải nhiệt (không bao gồm công suất tiêu thụ điện của các thiết bị dự phòng). Tuy nhiên, tổng năng suất lạnh của trạm lạnh cấp đến phụ tải cũng chỉ bằng tổng năng suất lạnh của các MLTT chiller hoạt động đồng thời. Do đó, đối với các trạm lạnh mà các bơm hay quạt tháp giải nhiệt có lưu lượng không đổi, đồng nghĩa với công suất điện tiêu thụ của bơm hay tháp giải nhiệt là không đổi thì cơ hội TKNL của TLTT cũng chỉ thông qua khả năng điều chỉnh phụ tải của MTLL chiller mà thôi. Bài toán tối ưu PPPT để tìm kiếm cơ hội TKNL chỉ còn là bài toán phân phối của riêng các MLTT chiller mà thôi. Đối với các TLTT chiller mà có lưu lượng thay đổi, nghĩa là bơm hoặc quạt tháp giải nhiệt được điều khiển bằng biến tần, thì bài toán tối ưu PPPT sẽ có ý nghĩa lớn hơn khi cơ hội TKNL không chỉ ở trên MLTT chiller mà cả các hiệu quả TKNL ở các thành phần khác như bơm và quạt tháp giải nhiệt. PL1.5 Sơ đồ phân phối không khí trong hệ thống điều hòa không khí trung tâm chiller Việc gọi tên các sơ đồ phân phối không khí có thể theo các cách khác nhau. Theo sơ đồ xử lý không khí thì có thể chia ra làm: sơ đồ thẳng, sơ đồ có tuần hoàn không khí một cấp hay sơ đồ có tuần hoàn không khí hai cấp. Một cách phân loại khác có thể chia ra làm 2 loại: sơ đồ phân phối không khí có lưu lượng không đổi (CAV – Constant Air Volume) và sơ đồ phân phối không khí có lưu lượng thay đổi (VAV – Variable Air Volume) [24]. Sơ đồ phân phối không khí có lưu lượng gió không đổi trên hình PL1.9 có không khí tuần hoàn giữa không gian điều hòa và thiết bị xử lý với lưu lượng không đổi. Sơ đồ được sử dụng rộng rãi cho một không gian cùng chế độ nhiệt ẩm hay trong các ứng dụng điều hòa công nghệ khi có thêm các yếu tố khác bên cạnh chế độ nhiệt - ẩm ổn định như: độ sạch không khí, áp suất phòng, các chỉ tiêu vi sinh... Sơ đồ có lưu lượng gió không đổi được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng điều hòa công nghệ, điều hòa tiện nghi cho một vùng khí hậu. PL13 Hình PL1.9 Sơ đồ hệ thống phân phối không khí có lưu lượng gió không đổi (CAV) Hình PL1.10 Sơ đồ hệ thống phân phối không khí có lưu lượng gió thay đổi (VAV) Sơ đồ phân phối không khí có lưu lượng thay đổi như trên hình PL1.10 có lưu lượng không khí tuần hoàn tương ứng với nhu cầu phụ tải. Đây là sơ đồ thường được sử dụng trong hệ thống ĐHKK tiện nghi khi một thiết bị xử lý không khí cung cấp cho nhiều không gian có chế độ nhiệt ẩm khác nhau. Để đảm bảo được chế độ nhiệt ẩm khác nhau của nhiều không gian, thiết bị xử lý không khí kết hợp với các bộ điều chỉnh lưu lượng (VAV box). Tùy theo nhu cầu phụ tải của mỗi không gian, các hộp VAV khống chế lưu lượng gió cấp vào tương ứng. Các hộp VAV có nhiều loại: Loại điều chỉnh lưu lượng không phụ thuộc vào áp suất và loại điều chỉnh lưu lượng phụ thuộc vào áp suất. Cấu trúc cơ bản của một họp VAV bao gồm: cảm biến lưu lượng không khí (Cross-flow sensor); van gió điều chỉnh lưu lượng và động cơ van gió; bộ điều khiển VAV. Ngoài ra, trong hộp VAV có thể có thêm 1 hoặc 1 vài mô đun xử lý không khí thứ cấp như: dàn sưởi / điện trở sưởi thứ cấp hay dàn lạnh / dàn sưởi thứ cấp [24, 54]. PL14 Giống như bơm nước tuần hoàn trong hệ thống đường ống nước lạnh, nước nóng và nước giải nhiệt, đặc tuyến làm việc của quạt gió và đặc tuyến lưới của hệ thống đường ống phân phối không khí có mối liên hệ chặt chẽ với nhau ở điểm làm việc. PL1.6 Điều khiển trong hệ thống điều hòa không khí trung tâm chiller Ngày nay công nghệ máy tính, công nghệ điện tử đã phát triển vượt bậc. Hầu hết các hệ thống điều khiển trong ĐHKK sử dụng các bộ điều khiển số trên nền tảng vi sử lý (micro-processor based control system). Một hệ thống điều khiển số bao gồm: Các thiết bị cảm biến, bộ điều khiển và các phần tử thừa hành [32]. Thiết bị cảm biến cung cấp cho bộ điều khiển số các thông tin liên quan đến các điều kiện thay đổi. Một cảm biến tương tự được sử dụng để theo dõi các điều kiện thay đổi liên tục như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất.... Cảm biến tương tự cung cấp tín hiệu điện khác nhau như 0-10VDC, 4-20mA. Cảm biến số hay trạng thái để theo dõi các trạng thái cố định như trạng thái bơm chạy hay dừng. Cảm biến số cung cấp cho bộ điều khiển tín hiệu rời rạc như là tiếp điểm đóng hay mở. Một số cảm biến điện tử có sử dung đặc tuyến của vật liệu (điện trở, cặp nhiệt...) đưa tín hiệu trực tiếp đến bộ điều khiển. Ngoài ra cũng có các cảm biến cần có bộ chuyển đổi từ tín hiệu cảm biến sang tín hiệu điện tiêu chuẩn được sử dụng bởi bộ điều khiển như: tín hiệu áp suất, nồng độ chất khí trong không khí... [32] Bộ điều khiển là thiết bị vi xử lý với nhiều thuật toán điều khiển như điều khiển 2 vị trí, điều khiển tỷ lệ (P), điều khiển tỷ tích (PD) hay điều khiển tỷ - tích – phân (PID). Nó nhận các tín hiệu từ cảm biến, khuếch đại và/hoặc điều kiện hay so sánh với giá trị đặt, đồng thời hiệu chỉnh sai số nếu cần. Tín hiệu đầu ra thường điều chỉnh các thiết bị thừa hành. Bộ điều khiển số cho phép thực hiện các chức năng và quy trình điều khiển đa dạng, từ đơn giản đến phức tạp, nhiều tín hiệu đầu vào tới nhiều quy trình điều khiển. Các tín hiệu đầu vào/đầu ra của bộ điều khiển có thể chấp nhận rất nhiều loại tín hiệu: tín hiệu số dạng tiếp điểm, tín hiệu số đạng xung, tín hiệu tương tự dạng điện trở, cặp nhiệt, 010VDC, 4-20mA... [32] Các phần tử thừa hành là thiết bị nhận tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển như các actuator, rơle hay các bộ chuyển đổi và thực hiện các chức năng vật lý trong phần tử điều khiển đầu cuối như khởi động bơm, quạt hay điều chỉnh bước van điều khiển. PL15 Trong hệ thống ĐHKK, hệ thống điều khiển được ứng dụng rất rộng rãi. Nó có thể đơn giản chỉ điều khiển 1 thiết bị hay phần tử cụ thể như: quạt, bơm, FCU... hay cụm thiết bị gồm nhiều quá trình phức tạp hơn như các thiết bị xử lý không khí, MLTT, cụm bơm nước làm việc song song hay nối tiếp... hay phức tạp hơn và lớn hơn nữa là toàn bộ hệ thống ĐHKK với nhiều các ứng dụng / chương trình khác nhau. Hệ thống điều khiển thực hiện toàn bộ các quá trình điều khiển hoạt động của thiết bị trong hệ thống, từ thiết bị đơn giản đến thiết bị phức tạp. Nó là hệ thống liên kết, phối hợp hoạt động của từng thiết bị, cụm thiết bị hay toàn bộ hệ thống, về bản chất hệ thống BAS giống như là mô hình cho toàn bộ hệ thống, thiết bị được điều khiển. Cấu trúc một hệ thống điều khiển tự động nối mạng (BAS – Building Automation system) thường có cấu trúc dạng phân tán và được phân chia làm 4 mức [32]: - Mức các thiết bị cảm biến và thừa hành. Đây là các thiết bị cảm biến như cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, áp suất... cung cấp các tín hiệu đầu vào cho các bộ điều khiển hiện trường. Các phần tử thừa hành là các thiết bị chiller, AHU, FCU, quạt, van gió, van nước... thực hiện theo điều khiển của các bộ điều khiển cấp trường. - Mức các bộ điều khiển hiện trường. Đây là các bộ điều khiển kỹ thuật số thường lắp đặt bên cạnh các thiết bị nó điều khiển như các AHU, FCU, chiller, bơm, quạt… Đây là nơi thực hiện các thuật toán điều khiển trực tiếp như điều khiển như PI / PID... Các bộ điều khiển này có thể không có hoặc có màn hình hiển thị tại chỗ để có thể theo dõi, thay đổi các thông số vận hành, cài đặt tại chỗ. - Mức tích hợp: Bao gồm các bộ điều khiển quản lý, tích hợp toàn bộ các bộ điều khiển kỹ thuật số hiện trường cũng như các bộ điều khiển hay thiết bị đo đếm tích hợp như: Đồng hồ đo điện vạn năng, đồng hồ đo công suât lạnh tiêu thụ kWh, các bộ biến tần, MLTT chiller… kết nối thành một hệ thống quản trị và điều khiển thống nhất. Đây là lớp thiết bị thực hiện các giải pháp tối ưu, quản trị độc lập. - Mức quản trị: Bao gồm các phần mềm trên nền tảng máy tính, cung cấp một phần mềm quản trị dữ liệu thống nhất cũng như giao diện người dùng trực quan. Tại đây người dùng có thể thực hiện việc điều khiển, quản trị, lập các báo cáo, lịch trình vận hành, ghi lại dữ liệu lich sử vận hành… phục vụ cho công tác quản trị, lưu trữ, báo cáo, điều khiển…. PL16 Phụ lục 2. THỐNG KÊ MỘT SỐ HỆ THỐNG ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ TRONG CÁC TÒA NHÀ ĐIỂN HÌNH TẠI HÀ NỘI STT Tên công trình – Tòa nhà Năng suất lạnh Loại hệ thống Tòa nhà Mipec tower 4x2450 kW TTGNN Tòa nhà Vincom Bà Triệu 4x3850 kW TTGNN Tòa nhà Landcaster 3x1000 kW TTGNN Siêu thị Big C Thăng Long 3x 1575 kW TTGNN Siêu thị Ocean Hoàng Đạo Thúy 2x 700 kW I Tòa nhà phức hợp, TTTM, dịch vụ 2 Tòa nhà tháp đôi HUD Mỹ đình 1 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 3x3510 kW Tòa nhà Vincom II Bà Triệu 3x1225 kW Tòa nhà Indochine Plaza Hà Nội Siêu thị Metro TTTM Royal TTGNN TTGNN 8x3850 kW TTGNN 4x2100 kW TTGNN 6x3850 kW Tòa nhà Keang Nam Landmark Tower 6x4200 kW Tòa nhà Lotte TTGNN 3x1225 kW TTTM Times City The Manor TTGNN 3x3500 kW + 3x2800 kW TTGNN TTGNN TTGNN TTGNN 15 TTTM và văn phòng Parkson 17 TTTM Savico Mall 1x2275 kW + TTGNN + 18 TTTM Grand Plaza 2x3500 kW + TTGNN II Tòa nhà văn phòng 2 Tòa nhà dầu khí 16 1 3 4 5 6 7 TTTM Ion Long Biên 2x770 kW 4x2800 kW VRV VRV TTGNG Tòa nhà VTC 3x1760 kW TTGNN Tòa nhà văn phòng PVI 3x2650 kW TTGNN 3x1050 kW TTGNN 3x2625 kW Tòa nhà FPT Cầu Giấy 3x1185 kW Tòa nhà CEO 3x1050 kW Tòa nhà Vinaconex 9 Tòa nhà Corner Stone 3x 1000 kW PL17 TTGNN TTGNG TTGNN TTGNN STT 8 9 Tên công trình – Tòa nhà Tòa nhà Vietcombank Tòa nhà BIDV Trần Quang Khải Năng suất lạnh Loại hệ thống 2x2450 kW + TTGNN 3x962 kW TTGNN 4x1580 kW 2x1225 kW TTGNN 10 Tòa nhà 63 Lý Thái Tổ 12 Tòa nhà Sun Red River 3x 1310 kW TTGNN Tòa nhà EVN Cửa Bắc 4x2800 kW TTGNN 11 13 14 15 16 17 18 Tòa nhà Ocean Tòa nhà Vietinbank Lý Thường Kiệt VRV VRV Tòa nhà Geleximco 3x 1225 kW TTGNN Tòa nhà Tungshing 2x630kW TTGNN Tòa nhà VNPT Huỳnh Thúc Kháng Tòa nhà văn phòng Licogi 13 VRV 2x960 kW TTGNN II Trụ sở cơ quan nhà nước, trường học, 1 Trụ sở kho bạc nhà nước 4x1400 kW TTGNN Trụ sở Bộ khoa học và Công nghệ 2x1150 kW TTGNN 2 3 4 5 6 7 8 công trình công cộng, bệnh viện Trụ sở Bộ tài chính 1600 HP Nhà làm việc Quốc hội Trung tâm hội nghị Quốc gia 8x1060 kW TTGNN* 850 HP VRV 18x1000 kW Trung tâm hội nghị Quốc tế Tòa nhà 36 Hùng Vương 2x 525 kW Trụ sở bộ công an (10 tòa nhà) 6x(2x1400 kW) 4x(3x1400 kW) 9 Trụ sở cục tần số 11 Trường Đại học sân khấu điện ảnh 2x650 kW Nhà hát ca múa nhạc trung ương 2x210 kW 10 12 13 14 15 3x 1300 kW Trường Quốc tế Liên hợp quốc Thư viện Tạ Quang Bửu VRV 2x700 kW TTGNG TTGNG TTGNG TTGNN TTGNG TTGNN 2x610 kW TTGNN Bảo tàng Hà Nội 2x385 kW + TTGNG Trung tâm chiếu phim quốc gia 1x388 kW + TTGNG + 3x7000 kW PL18 2x325 kW + TTGNG STT Tên công trình – Tòa nhà 16 Bảo tàng phụ nữ Việt Nam 18 17 19 IV Bệnh viện Vinmex Năng suất lạnh Loại hệ thống 2x 210 kW TTGNG 2x518 kW TTGNN Nhà ga hành khách T1 – Sân bay quốc tế 3x2800 kW 3x2560 kW TTGNN Nhà ga hành khách T1 mở rộng – Sân bay 2x 1225 kW TTGNG Nội Bài quốc tế Nội Bài Khách sạn, căn hộ cho thuê TTGNN 1 Khách sạn Sofitel Metropole 2x875 kW + TTGNG 2 Khách sạn Sofitel Plaza 2x1120 kW + TTGNG + 3 Khách sạn Hilton 3x770 kW TTGNG 5 Khách sạn Intercontinental Hồ Tây 3x1225 kW TTGNN 4 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 2x650kW 1x 2100 kW Khách sạn Sheraton Hà Nội 4x1225 kW Khách sạn Pullman Horrizon 4x 1050 kW Khách sạn Hà Nội Daewoo 4x3500 kW Tòa nhà Hà Nội lake View 2x875 kW TTGNN TTGNN TTGNN TTGNN TTGNN Khách sạn Marriott 4 x 2450 kW TTGNN Khách sạn Melia Hà Nội 5x1400 kW TTGNN TTTM, văn phòng Vietinbank Ciputra 4x7500kW + TTGNN TTTM, văn phòng, dịch vụ Mipec Riverside 4x1840 kW TTGNN Khách sạn dân chủ 3x245 kW Khách sạn Hà Nội 2x980 kW Các công trình đang xây dựng Nhà ga hành khách T2 – Sân bay Quốc tế Nội bài PL19 2x1515 kW 6x3850kW TTGNG TTGNN TTGNN MLTT Chiller-01~04 2 Trạng thái chạy/dừng 1 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 AO Tín hiệu điều khiển tương tự A SL DO Tín hiệu điều khiển số Mô tả DI Tín hiệu đầu vào số STT AI Tín hiệu đầu vào tương tự Phụ lục 3: BẢNG ĐIỂM ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG BAS CHO TRẠM TRẠM LẠNH TRUNG TÂM TÒA NHÀ MIPEC TOWER 4 Trạng thái tự động/bằng tay 4 4 Trạng thái lỗi 4 4 4 Lệnh chạy/dừng chiller 4 Cảm biến nhiệt độ nước vào/ra bình bay hơi 8 Cảm biến nhiệt độ nước vào/ra bình ngưng 8 Cảm biến nhiệt độ nước lạnh cấp/hồi tổng 2 Trạng thái công tắc dòng chảy 8 Cảm biến đo lưu lượng nước 1 Cảm biến nhiệt độ nước giải nhiệt cấp/hồi tổng Cảm biến chênh áp nước 2 1 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm ngoài trời 1 Van nước vào bình bay hơi 4 Van đi điều khiển đi tắt Van nước vào bình ngưng tụ Các điểm kết nối cấp cao của chiller % dòng điện giới hạn làm việc Công suất điện tiêu thụ 1 8 4 4 8 2 2 1 8 1 2 1 4 4 PL20 4 8 8 4 4 8 8 1 DO AO SL Tín hiệu đầu vào số Tín hiệu điều khiển số Tín hiệu điều khiển tương tự Mô tả DI Tín hiệu đầu vào tương tự STT AI 18 Dòng điện tiêu thụ 4 4 20 Nhiệt độ bay hơi 4 4 Áp suất bay hơi 4 4 19 21 22 23 Điện áp nguồn cấp 8 Nhiệt độ ngưng tụ 4 Áp suất ngưng tụ 4 Số lần khởi động 4 4 4 24 Số giờ chạy máy 26 Điều chỉnh giá trị đặt nhiệt độ 4 Trạng thái tự động/bằng tay 5 5 Trạng thái lỗi bơm nước lạnh 5 5 25 4 8 B Bơm nước lạnh CHWP-01~05 2 Trạng thái chạy/dừng bơm nước lạnh 1 3 4 5 5 Lệnh chạy/dừng bơm nước lạnh 5 C Bơm nước giải nhiệt CDWP-01~05 5 2 Trạng thái chạy/dừng bơm nước giải nhiệt 5 1 3 4 5 Biến tần cho bơm nước lạnh 4 5 4 4 5 5 Trạng thái tự động/bằng tay 5 5 Trạng thái lỗi bơm nước giải nhiệt 5 5 Lệnh chạy/dừng bơm nước giải nhiệt Biến tần cho bơm nước giải nhiệt PL21 5 5 5 5 5 5 5 5 5 2 Trạng thái chạy/dừng 1 3 4 5 6 Tín hiệu điều khiển tương tự Tháp giải nhiệt CT-01~06 AO Tín hiệu điều khiển số D SL DO Tín hiệu đầu vào số Mô tả DI Tín hiệu đầu vào tương tự STT AI 6 Trạng thái tự động/bằng tay 12 12 Trạng thái lỗi 12 12 12 Lệnh chạy/dừng quạt tháp 12 Cảm biến nhiệt độ nước vào/ra tháp giải nhiệt 12 Biến tần cho quạt tháp Tổng cộng PL22 12 12 12 279 99 12 110 12 42 12 23 Phụ lục 4: CẤU TRÚC DỮ LIỆU LỊCH SỬ VÀ CÁC MACRO TRONG EXCEL DÙNG CHO XỬ LÝ SỐ LIỆU Bảng PL4.1 Cấu trúc dữ liệu lịch sử (trendlog) cho một điểm đo Time Dev 9017, AV 0, present-value, Events CH-2 Outlet Temp. (oC) 10/01/2013 0:00 16.13 "" 10/01/2013 0:10 16.24 "" 10/01/2013 0:20 16.26 NR 10/01/2013 0:30 16.26 "" 10/01/2013 0:40 16.26 "" 10/01/2013 0:50 16.30 Time changed by 6 seconds 10/01/2013 0:50 16.30 "" PL4.1 Macro nối file trong Microsoft Excel Sub MergeFile() Dim Y, X As Integer, sh As Worksheet, Cursh As Worksheet On Error GoTo ErrHandler Application.ScreenUpdating = False Set Cursh = ActiveSheet Y = Application.GetOpenFilename("Excel Files, *.xls?*", MultiSelect:=True) If TypeName(Y) = "Boolean" Then MsgBox "No Files were selected" GoTo ExitHandler End If X=1 While X 1 Then sh.UsedRange.Offset(1).Copy Cursh.[A65536].End(3)(2).PasteSpecial 3 End If Next Application.CutCopyMode = False .Close False End With X=X+1 Wend ExitHandler: Application.ScreenUpdating = True Exit Sub ErrHandler: MsgBox Err.Description Resume ExitHandler End Sub PL4.2 Macro nối sheet trong Microsoft Excel Sub CombineWorkbooks() Dim FilesToOpen Dim x As Integer On Error GoTo ErrHandler Application.ScreenUpdating = False FilesToOpen = Application.GetOpenFilename _ (FileFilter:="Microsoft Excel Files (*.xls), *.xls", MultiSelect:=True, Title:="Files to Merge") If TypeName(FilesToOpen) = "Boolean" Then MsgBox "No Files were selected" GoTo ExitHandler End If x=1 PL24 While x [...]... gió không đổi Hệ thống lưu lượng gió thay đổi Hệ thống lưu lượng nước không đổi Hệ thống 2 Hệ thống hồi đường ống ngược nước Hệ thống lưu lượng nước thay đổi Hệ thống 3 Hệ thống 4 đường ống đường ống nước nước Cấu trúc hệ thống Cung cấp năng lượng Xử lý không khí Phân phối nước Phân phối không khí Điện và điều khiển Phân loại theo loại máy lạnh Phân loại theo ứng dụng Phân loại theo đường ống khí Phân. .. chiller Các bộ xử lý không khí (FCU, AHU) Hệ thống bơm phân phối nước lạnh, nước giải nhiệt, tháp giải nhiệt Hệ thống quạt phân phối và vận chuyển không khí Các thiết bị và hệ thống điện, điện điều khiển Hệ thống ĐHKK trung tâm chiller giải nhiệt nước Hệ thống ĐHKK trung tâm chiller giải nhiệt gió Điều hòa tiện nghi Điều hòa công nghệ Hệ thống 1 đường ống gió Hệ thống 2 đường ống gió Hệ thống lưu lượng. .. sử dụng năng lượng 8 1.3.2 Đánh giá chung các phương pháp nghiên cứu tối ưu hóa tiêu hao năng lượng cho hệ thống điều hòa không khí ở nước ngoài Trong vài chục năm gần đây có rất nhiều các tác giả nghiên cứu vấn đề tối ưu hóa tiêu hao năng lượng cho hệ thống ĐHKK, trong đó phương pháp nghiên cứu của Wei Jiang và T Agami Reddy là nổi bật hơn, rõ ràng hơn cả Các tác giả đã tổng quát các phương pháp tổng... nước và phân phối không khí, đảm bảo được điều kiện tiện nghi, điều kiện môi trường của không gian sử dụng - Phần cung ứng năng lượng thường được gọi là TLTT chiller: bao gồm máy lạnh trung tâm chiller và các thiết bị phụ trợ như bơm nước lạnh, bơm nước giải nhiệt, tháp giải nhiệt đảm bảo cung cấp đủ năng lượng cho phần tiêu thụ năng lượng trong hệ thống 4 Hệ thống điều hòa không khí trung tâm chiller. .. trung tâm chiller Giải pháp TKNL trong hệ thống ĐHKK trung tâm chiller bằng phương pháp phân phối phụ tải (PPPT) tối ưu liên quan đến chế độ vận hành trong TLTT chiller đóng một vai trò quan trọng trong việc giảm chi phí vận hành của TLTT chiller nói riêng và hệ thống ĐHKK trung tâm chiller nói chung 5 1.2 Phân phối phụ tải trong vận hành trạm lạnh trung tâm chiller Hệ thống ĐHKK trung tâm chiller là... 4.11 Hình 4.12 Hình 4.13 Hình 4.14 Đặc tuyến tiết kiệm năng lượng theo chế độ phân phối phụ tải tối ưu của cụm chiller tại tòa nhà Mipec Tower Đặc tuyến phụ tải tòa nhà Mipec Tower ngày 26/7/2013 Đặc tuyến phụ tải tòa nhà Mipec Tower tháng 7/2013 Phân chia dải công suất phụ tải tổng trong đặc tuyến tiết kiệm năng lượng theo chế độ phân phối phụ tải tối của cụm chiller tại tòa nhà Mipec Tower xi MỞ ĐẦU... lạnh của thiết bị xử lý không khí chính là phụ tải lạnh của hệ thống TLTT chiller phải đảm bảo cung cấp đủ công suất theo tổng phụ tải của hệ thống, hay ở đây là cần có sự cân bằng năng lượng giữa nguồn cung (TLTT chiller) và hộ tiêu thụ (không gian điều hòa hay thiết bị xử lý không khí) Để đảm bảo được sự liên hệ vật lý và cân bằng năng lượng động, hệ thống ĐHKK trung tâm chiller cần một quy trình... đường ống khí Phân loại theo HT đường ống nước Phân loại theo đường ống nước Hình 1.1 Tóm tắt cấu trúc và phân loại hệ thống điều hòa không khí trung tâm chiller Trong hệ thống ĐHKK trung tâm chiller, TLTT chiller là nơi tiêu hao phần lớn năng lượng tiêu thụ trong hệ thống Các giải pháp TKNL áp dụng cho TLTT chiller có ý nghĩa quan trọng trong việc giảm chi phí năng lượng tiêu thụ trong toàn hệ thống ĐHKK... hành nghiên cứu tối ưu hóa cho tổ hợp chiller giải nhiệt nước và tháp giải nhiệt Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ bầu ướt tới hiệu quả hoạt động của tháp giải nhiệt và lưu lượng nước giải nhiệt để tìm ra điểm làm việc tối ưu ở chế độ bán tải của chiller và tháp giải nhiệt để TKNL [36] Năm 2006, Thuật toán tối ưu hóa di truyền ứng dụng trong bài toán tối ưu hóa hệ thống điều khiển ĐHKK được nghiên. .. là hệ thống phân phối nước/chất tải lạnh và hệ thống điện, điện điều khiển phức hợp Bản thân các bộ xử lý không khí cũng cấu trúc khác nhau theo ứng dụng đi kèm với hệ thống phân phối không khí khác nhau [3, 23, 24, 54] Tóm tắt cấu trúc và phân loại hệ thống ĐHKK trung tâm chiller được thể hiện ở hình 1.4 Việc gọi tên hệ thống tùy thuộc theo cách phân loại, ứng dụng của hệ thống cũng như các sơ đồ hệ ... án Nghiên cứu giải pháp tiết kiệm lượng cho hệ thống điều hòa không khí chiller phương pháp phân phối phụ tải tối ưu với nội dung nghiên cứu bao gồm:  Phát triển ứng dụng phương pháp luận tối. .. cứu tối ưu hóa tiêu hao lượng cho hệ thống điều hòa không khí nước Trong vài chục năm gần có nhiều tác giả nghiên cứu vấn đề tối ưu hóa tiêu hao lượng cho hệ thống ĐHKK, phương pháp nghiên cứu. .. chung phương pháp nghiên cứu tối ưu hóa tiêu hao lượng cho hệ thống điều hòa không khí nước 1.3.2.1 Phương pháp giải tích xác định 1.3.2.2 Phương pháp giải tích bất định 7 9 14 1.3.3 Các nghiên cứu