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

v 3.2.3 Mô hình đặc tuyến năng lượng của các thiết bị 64 3.2.5 Tính toán năng lượng tiết kiệm và giảm phát thải 65 CHƯƠNG 4: TỐI ƯU HÓA PHÂN PHỐI PHỤ TẢI TRẠM LẠNH 4.2.1 Mô hình đặc tuyế

i

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

TS Nguyễn Xuân Tiên PGS.TSKH Nguyễn Văn Mạnh Nguyễn Đình Vịnh

ii

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

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 9

1.3.4 Các nghiên cứu dựa trên các phương pháp mô hình hóa 22 1.3.5 Các nghiên cứu dựa trên các phương pháp toán tối ưu 24

1.4 Lý thuyết tối ưu hóa vượt khe và bài toán tối ưu hóa phân phối

CHƯƠNG 2: PHÁT TRIỂN ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT TỐI ƯU HÓA

2.1 Các hàm mục tiêu trong vận hành và bài toán phân phối phụ tải

2.1.1 Các hàm mục tiêu trong vận hành trạm lạnh trung tâm chiller 32 2.1.2 Bài toán phân phối phụ tải tối ưu trong trạm lạnh trung tâm

iv

2.2 Phát triển ứng dụng lý thuyết tối ưu hóa vượt khe 34 2.2.1 Xây dựng bài toán mô hình hóa đặc tính năng lượng của thiết bị 34 2.2.2 Xây dựng bài toán tối ưu hóa chế độ vận hành 38

2.2.3.3 Thiết lập bài toán không điều kiện rằng buộc tương đương 41

2.4 Đánh giá hiệu quả tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải 50 2.4.1 Xác định tiết kiệm năng lượng theo đặc tuyến phụ tải lạnh 50 2.4.2 Xác định tiết kiệm năng lượng theo đặc tuyến tiêu thụ năng

3.1.1 Hệ thống điều hòa không khí trung tâm chiller giải nhiệt nước 53 3.1.2 Trạm lạnh trung tâm chiller trong tòa nhà Mipec Tower 55 3.1.3 Hệ thống điều khiển tự động và phương pháp thu thập dữ liệu

3.2.1.1 Thu thập dữ liệu từ dữ liệu lịch sử của hệ thống BAS 60

v

3.2.3 Mô hình đặc tuyến năng lượng của các thiết bị 64

3.2.5 Tính toán năng lượng tiết kiệm và giảm phát thải 65

CHƯƠNG 4: TỐI ƯU HÓA PHÂN PHỐI PHỤ TẢI TRẠM LẠNH

4.2.1 Mô hình đặc tuyến năng lượng của máy lạnh trung tâm chiller 68 4.2.2 Mô hình đặc tuyến làm việc của bơm nước lạnh và bơm nước

4.3 Hàm mục tiêu tiết kiệm năng lượng và đường đặc tuyến phân

4.3.2 Đường đặc tuyến năng lượng cho cụm máy lạnh trung tâm

4.3.3 Đường đặc tuyến phân phối phụ tải tối ưu cho cụm máy lạnh

4.4 Đặc tuyến tiết kiệm năng lượng và hiệu quả tiết kiệm năng

4.4.3 Đánh giá hiệu quả tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải 84 4.5 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

PHỤ LỤC

Phụ lục 1: Tổng quan về hệ thống điều hòa không khí trung tâm chiller PL1 Phụ lục 2: Bảng thống kê một số hệ thống điều hòa không khí trong các

Phụ lục 3: Bảng điểm điều khiển hệ thống BAS cho trạm lạnh trung tâm

Phụ lục 6: Bảng đặc tuyến năng lượng tối ưu cụm máy lạnh trung tâm

Phụ lục 7: Bảng tính tiết kiệm năng lượng cho cụm máy lạnh trung tâm

Phụ lục 8: Số liệu vận hành của chiller số 1 tại tòa nhà Mipec Tower

Phụ lục 9: Bảng thông số kỹ thuật của chiller và bơm nước tại tòa nhà

vii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Danh mục các ký hiệu

COP Hiệu quả năng lượng

IPLV, IEER Giá trị non tải tích hợp

LaGN Lưu lượng gió qua tháp giải nhiệt m3/h

LGN Lưu lượng nước giải nhiệt qua bình ngưng l/s NPLV Giá trị non tải không tiêu chuẩn

NGN Công suất tiêu thụ điện của quạt tháp giải nhiệt kW

Qk Công suất giải nhiệt (công suất sưởi với máy loại bơm nhiệt) kW

QC Năng suất lạnh (của thiết bị xử lý không khí) kW

QS Năng suất sưởi ấm (của thiết bị xử lý không khí) kW

tNL,i/ tNL,o Nhiệt độ nước lạnh vào/ra oC

tGN,i / tGN, o Nhiệt độ nước giải nhiệt vào/ra oC

toncoil Nhiệt độ không khí trước khi vào dàn lạnh oC

toffcoil Nhiệt độ không khí sau khi ra khỏi dàn lạnh oC

 Hệ số làm lạnh

 Hệ số bơm nhiệt

viii

oncoil Độ ẩm không khí trước khi vào dàn lạnh %

offcoil Độ ẩm không khí sau khi ra khỏi dàn lạnh %

Wh Năng suất hút ẩm (của thiết bị xử lý không khí) kg/h

Wp Năng suất phun ẩm (của thiết bị xử lý không khí) kg/h Danh mục các ký hiệu dưới

GN Giải nhiệt

CH Chiller

NL Nước lạnh

Danh mục các chữ viết tắt

AHU Air Handling Unit

BAS Building Automation System – Hệ thống điều khiển tự động tòa nhà

CDW Condeser Water

Chiller Chilled Water Packaged Chiller

CHW Chilled Water

ĐHKK Điều hòa không khí

ĐTNL Đặc tuyến năng lượng

ĐVT Đơn vị tính

FCU Fan Coil Unit

MLTT Máy lạnh trung tâm

PPPT Phân phối phụ tải

TKNL Tiết kiệm năng lượng

TLTT Trạm lạnh trung tâm

TTGNG Trung tâm giải nhiệt gió

TTGNN Trung tâm giải nhiệt nước

ix

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 4.1 Bảng đặc tuyến phân phối phụ tải tối ưu cho máy lạnh trung tâm chiller

x

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 1.2 Sơ đồ phân tích tối ưu hóa LOOP

Hình 2.1 Sơ đồ phân cấp giải bài toán phân phối phụ tải

Hình 2.2 Đường cong trơn từng khúc của đặc tính năng lượng

Hình 2.3 Dáng điệu mặt mức của hàm mục tiêu tối ưu hóa phân phối phụ tải giữa các

tổ máy làm việc song song Hình 2.4 Xác định bước “vượt khe”

Hình 2.5 Sơ đồ khối tìm kiếm “bước vượt khe” theo điều kiện (2.27)

Hình 2.6 Thể hiện hình học của quá trình tìm kiếm tối ưu theo thuật toán VAF

Hình 2.7 Sơ đồ khối tìm “hướng vượt khe” theo điều kiện (2.27)

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý và bố trí thiết bị cảm biến trong trạm lạnh trung tâm chiller

trong tòa nhà Mipec Tower Hình 3.2 Sơ đồ hệ thống BAS cho tạm lạnh trung tâm chiller tại tòa Mipec Tower Hình 4.1 Kết quả mô hình hóa đặc tuyến năng lượng của chiller số 1

Hình 4.2 Kết quả mô hình hóa đặc tuyến năng lượng của chiller số 2

Hình 4.3 Kết quả mô hình hóa đặc tuyến năng lượng của chiller số 3

Hình 4.4 Kết quả mô hình hóa đặc tuyến năng lượng của chiller số 4

Hình 4.5 Đặc tuyến năng lượng của 4 chiller

HÌnh 4.6 Đặc tuyến COP thực tế của 4 chiller

Hình 4.7 Đặc tuyến làm việc của 4 bơm nước lạnh

Hình 4.8 Đặc tuyến làm việc của 4 bơm nước giải nhiệt

Hình 4.9 Đặc tuyến năng lượng của cụm máy lạnh trung tâm chiller tại tòa nhà Mipec

Tower Hình 4.10 Tổng hợp đặc tuyến phân phối phụ tải tối ưu 4 chiller

xi

Hình 4.11 Đặc tuyến tiết kiệm năng lượng theo chế độ phân phối phụ tải tối ưu của

cụm chiller tại tòa nhà Mipec Tower Hình 4.12 Đặc tuyến phụ tải tòa nhà Mipec Tower ngày 26/7/2013

Hình 4.13 Đặc tuyến phụ tải tòa nhà Mipec Tower tháng 7/2013

Hình 4.14 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

1

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 TTg 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

QĐ-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

2

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

3

- 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

4

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

5

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

Hệ thống điều hòa không khí trung tâm chiller

Máy lạnh trung tâm chillerCác 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

Điều hòa tiện nghi

Hệ thống ĐHKK trung tâm chiller

giải nhiệt gió

Điều hòa công nghệ

Hệ thống 2 đường ống gió

Hệ thống lưu lượng gió thay đổi

Hệ thống lưu lượng nước thay

đổi

Hệ thống 3 đường ống nước

Hệ thống 4 đường ống nước

Cấu trúc hệ thốngCung cấp năng lượng

Xử lý không khíPhân phối nướcPhân phối không khíĐiện và điều khiển

Phân loại theo loại máy lạnh

Phân loại theo ứng dụngPhân loại theo đường ống khíPhân loại theo đường ống khíPhân loại theo

HT đường ống nướcPhân loại theo đường ống nước

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

7

(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

8

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

9

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:

- a1, a2, a3 là các hệ số hồi quy tìm được từ dữ liệu vận hành của chiller;

- TNL,o là nhiệt độ nước lạnh cấp hay chính là nhiệt độ ra khỏi bình bay hơi, K

- TGN,i là nhiệt độ nước giải nhiệt ra khỏi bình ngưng, 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:

10

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:

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:

Trong đó:

- TGN,i, TGN,o là nhiệt độ nước giải nhiệt vào và ra khỏi tháp giải nhiệt, K

- Ikk,i và Ikk,o là Entanpi của không khí vào và ra khỏi tháp giải nhiệt, kJ/kg.K

- LGN,i và LGN,o là lưu lượng nước giải nhiệt vào và ra khỏi tháp giải nhiệt, m3/h

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:

11

- 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

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:

12

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)

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

13

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

14

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

Phương pháp tối thiểu hóa chi phí năng lượng của trạm lạnh trong khoảng thời gian

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

15

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

16

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)

εlà sai số tiêu hao năng lượng dự tính

ε(0,σ2) = εc(0,σc2) + εr(0,σr2) (1.15)

εr – Sai số của mô hình bề mặt

εc – Tổng sai số của các mô hình cho nhóm cụm thiết bị thành phần được biểu diễn bằng :

εc(0,σc2) = εCH(0,σCH2) + εCT(0,σCT2) +… (1.16)

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

17

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

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

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

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:

21

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

22

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

23

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

24

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 3-5%, 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

25

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

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

27

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]

28

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

29

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 lượng đa dạng và phức tạp

- Lý thuyết tối ưu hóa là phương tiện toán tối ưu vạn năng áp dụng có hiệu quả cho các đặc tuyến năng lượng tuyến tính và phi tuyến