Nghiên cứu xác định phương pháp giám sát và điều khiển khói khi xảy ra cháy trong tòa nhà cao tầng khu vực Hà Nội

Trong hệ thống này bao gồm các thiết bị như điều áp cầu thang, quạt hút khói, các van gió tự động damper, các cảm biến… Các hệ thống kiểm soát khói tiên tiến được điều khiển bởi một hệ t

NGUYỄN QUANG AN

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH PHƯƠNG PHÁP GIÁM SÁT

VÀ ĐIỀU KHIỂN KHÓI KHI XẢY RA CHÁY

TRONG TÒA NHÀ CAO TẦNG KHU VỰC HÀ NỘI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – 2017

NGUYỄN QUANG AN

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH PHƯƠNG PHÁP GIÁM SÁT

VÀ ĐIỀU KHIỂN KHÓI KHI XẢY RA CHÁY

TRONG TÒA NHÀ CAO TẦNG KHU VỰC HÀ NỘI

Ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa

Mã số: 62520216

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 TS Nguyễn Chí Tình

2 TS Trịnh Thế Dũng

HÀ NỘI - 2017

cá nhân tôi Các tài liệu, số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực Các kết quả nghiên cứu chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nào

Tác giả luận án

Nguyễn Quang An

Những từ viết tắt

Danh mục các bảng

Danh mục các hình vẽ

1 Lý do chọn đề tài và tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

5 Các luận điểm bảo vệ và điểm mới của luận án 3

1.6 Tính toán, thiết kế quạt điều áp cầu thang 28

75

3.8 Mô phỏng hệ thống điều khiển điều áp cầu thang bằng phần mềm Simulink

87

Phụ lục 1 Các kết quả mô phỏng hệ thống điều áp cẩu thang 112

NHỮNG TỪ VIẾT TẮT ASHRAE: American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers/ Hiệp hội các hệ thống sưởi ấm, làm lạnh và điều hòa không khí (Hoa kỳ)

BAS: Building Automation Systems/ Hệ thống tự động hóa tòa nhà

BMS: Building Management Systems/ Hệ thống quản lý tòa nhà

CFD: Computational fluid dynamics/ Lý thuyết động lực học chất lưu DDC: Direct digital control/ Điều khiển số trực tiếp

DNS: Direct numerical simulation/Mô phỏng số trực tiếp

FDS: Fire dynamics simulator/Mô phỏng động lực học đám cháy

FACP: Fire Alarm Control Panel/ Trung tâm báo cháy tự động

FSCS: Firefighter’s Smoke Control Station/ Trạm điều kiển khói

HVAC: Heating, Ventilation and Air Conditioning/ Điều nhiệt, Thông gió, Điều hòa không khí

IBC: International Buiding Code/ Tiêu chuẩn xây dựng quốc tế

IMC: Internal Model Control/ Mô hình điều khiển nội

LES: Large eddy simulation/ Mô phỏng xoáy rộng

MRAS: Model Reference Adaptive Systems/ Hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu

MIT: Massachusetts Institute of Technology/ Viện công nghệ Massachusetts

NFPA: National Fire Protection Association/ Hiệp hội phòng cháy quốc gia (Hoa kỳ)

PLC: Programmable Logic Controller/ Bộ điều khiển khả trình

DANH MỤC CÁC BẢNG

2.1 Sự thay đổi của áp suất dư trung bình theo lưu lượng

quạt gió

40

2.2 Sự thay đổi của hệ số tỷ lệ theo diện tích khe hở 41

3.1 Độ chênh áp khi đóng bớt số van gió phía trên 96

3.2 Độ chênh áp khi đóng bớt số van gió phía dưới 96

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

1.3 Hệ thống điều áp thang máy kết hợp hút khói hành lang 9

1.5 Điều kiển khói phân vùng với hệ thống HVAC 10 1.6 Sơ đồ mạng điều khiển khói do hãng Colt giới thiệu 12 1.7 Sơ đồ mạng điều khiển khói do hãng AP giới thiệu 12 1.8 Hệ thống tạo áp cầu thang và hút khói hành lang của tòa nhà

CC và DVTM số 3 Nguyễn Huy Tưởng

14

1.9 Hệ thống tạo áp cầu thang và hút khói hành lang của tòa nhà

chung cư 125D Minh Khai

14

2.1 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển khói 31 2.2 Đặc tính của quạt tăng áp cầu thang VIHEM 36

2.6 Đồ thị thay đổi hệ số tỷ lệ theo diện tích khe hở 41

2.8 So sánh sự dịch chuyển của khói giữa thực nghiệm và mô

phỏng

48

2.9 Giao diện chương trình đọc kết quả mô phỏng 51 2.10 Kết quả mô phỏng hoạt động hút khói hành lang 53 2.11 Đồ thị biến đổi nồng độ CO2 tại tầng 1 và 2 theo thời gian 54 2.12 Kết quả mô phỏng hoạt động của hệ thống điều áp cầu thang 55

3.2 Sơ đồ điều khiển hệ thống điều áp cầu thang 65 3.3 Các khối chức năng cơ bản điều khiển áp suất dư trung bình 66 3.4 Đơn giản hóa đối tượng quán tính bậc nhất có trễ 69 3.5 Đặc tính quá độ của đối tượng điều khiển 70

3.7 Đặc tính quá độ khi khởi động quạt gió bằng biến tần 71 3.8 Mô hình điều khiển vòng kín với bộ điều khiển PID 73

3.10 Đặc tính quá độ khi thay đổi diện tích khe hở 74

3.14 Mô hình gần đúng của hệ thống điều khiển sau rút gọn 81 3.15 Mô hình gần đúng của hệ thống điều khiển có khâu phi tuyến 81 3.16 Mô hình hệ điều khiển thích nghi dạng đầy đủ 82 3.17 Mô hình hệ điều khiển thích nghi dạng rút gọn 83 3.18 Mô hình hệ điều khiển thích nghi biến đổi tương đương 85 3.19 Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển thích nghi 88 3.20 Kết quả mô phỏng hệ điều khiển thích nghi 88 3.21 Kết quả mô phỏng khi thay đổi thông số của mô hình đối

tượng

89

3.23 Lưu đồ thuật toán điều khiển thích nghi hệ thống điều áp cầu

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài và tính cấp thiết của đề tài

Cùng với sự phát triển của nền kinh tế, hiện nay tình hình cháy nổ đang điễn ra hết sức phức tạp và gây ra những thiệt hại nặng nề về người và tài sản Một trong nhứng nguyên nhân gây thương vong cho con người là do khói gây

ra Khói sinh ra trong các đám cháy cũng gây ra thương vong đối với các cán

bộ chiến sĩ làm nhiệm vụ chữa cháy và gây nhiều khó khăn trong công tác chữa cháy và cứu hộ cứu nạn

Ở khu vực Hà Nội, trong những năm gần đây đã xảy ra nhiều vụ cháy nhà cao tầng gây thương vong cho con người Điển hình là vụ cháy tòa nhà JSC34 trên đường Khuất Duy Tiến vào ngày 10/3/2010 làm chết 2 người do ngạt khói Tiếp đó là vụ cháy tòa nhà 33 tầng của Tập đoàn điện lực Việt Nam tại phố Cửa Bắc ngày 15/12/2011 khiến 24 công nhân bị ngạt khói Gần đây

là các vụ cháy lớn tại tòa nhà CT4 khu chung cư Xala ngày 11/10/2015; vụ cháy chung cư Hồ Gươm Plaza ngày 14/12/2015

Để kiểm soát khói sinh ra trong các đám cháy, ngăn ngừa tác hại của nó với con người, trên thế giới đã áp dụng kỹ thuật kiểm soát khói (smoke control) Trong hệ thống này bao gồm các thiết bị như điều áp cầu thang, quạt hút khói, các van gió tự động (damper), các cảm biến… Các hệ thống kiểm soát khói tiên tiến được điều khiển bởi một hệ thống điều khiển số đặc biệt Các tòa nhà cao tầng ở nước ta cũng đã áp dụng các hệ thống kiểm soát khói, nhưng phần lớn ở mức độ đơn giản và chưa được quan tâm đúng mức Các tiêu chuẩn, qui chuẩn liên quan đến kiểm soát khói của Việt Nam đơn giản hơn nhiều so với các tiêu chuẩn, qui chuẩn của các nước phát triển Việc thiết

kế các hệ thống kiểm soát khói dựa theo nhiều tiêu chuẩn khác nhau gây khó khăn cho công tác thẩm duyệt và quản lý

Ở nước ta hiện chưa có công trình khoa học nào nghiên cứu sâu về các

hệ thống điều khiển khói và hiệu quả hoạt động của nó

Việc nghiên cứu đề tài về hệ thống điều khiển kiểm soát khói trở nên rất cấp thiết trong tình hình hiện nay để góp phần phát triển sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa trong lĩnh vực phòng cháy chữa cháy; đảm bảo an toàn cho con người và tài sản trong các tòa nhà cao tầng

2 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

a) Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu xác định phương pháp giám sát và điều khiển khói khi xảy

ra cháy trong các tòa nhà cao tầng ở khu vực Hà Nội Trong đó phải xây dựng được mô hình của đối tượng điều khiển và đưa ra giải pháp giám sát và điều khiển để nâng cao hiệu quả hoạt động cho hệ thống điều khiển khói

c) Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Các công trình xây dựng có nhiều điểm khác nhau về mục đích sử dụng, đặc điểm khí hậu, mật độ dân cư… Vì vậy khi các vụ cháy xảy ra ở các công trình có những đặc điểm khác nhau

Phạm vi nghiên cứu của đề tài chỉ giới hạn trong các hệ thống điều khiển kiểm soát khói trong các tòa nhà cao tầng khu vực Hà Nội Trong đó tập trung nghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng đến sự dịch chuyển của khói, các đặc tính của đối tượng điều khiển và ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động để nâng cao hiệu quả hoạt động của các hệ thống điều khiển khói

3 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết về động lực học chất lưu, lý thuyết điều khiển tự động hiện đại

- Khảo sát thực tế về các hệ thống điều khiển khói ở khu vực Hà Nội

- Thực nghiệm đo các thông số của hệ thống điều áp cầu thang

- Lấy ý kiến chuyên gia về các giải pháp kỹ thuật trong điều khiển khói

- Mô hình hóa cho hệ thống điều khiển khói và hệ điều khiển tự động

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học: xác định mô hình mẫu của đối tượng, sử dụng mô hình mẫu trong điều khiển thích nghi để đảm bảo sự hoạt động của hệ thống với điều kiện môi trường thay đổi phức tạp và có thể áp dụng cho nhiều tòa nhà cao tầng khác nhau ở Việt Nam

Ý nghĩa thực tiễn: đề tài có thể ứng dụng vào thực tiễn trong thiết kế và thi công các hệ thống kiểm soát khói của các tòa nhà cao tầng

5 Các luận điểm bảo vệ và điểm mới của luận án

Qua phân tích các quá trình động lực học của khói và ảnh hưởng của các yếu tố, chỉ ra những điểm còn tồn tại của các hệ thống điều khiển khói đang được áp dụng ở Hà Nội hiện nay

Nghiên cứu đặc tính động học của đối tượng có chứa dòng chất lưu chuyển động Qua đó nhận dạng hệ thống, xây dựng mô hình toán học để thiết

kế và khảo sát chất lượng của hệ thống điều khiển

Đề xuất các thuật toán điều khiển để cải thiện chất lượng và hiệu quả hoạt động cho hệ thống điều khiển khói phù hợp với điều kiện môi trường ở

Hà Nội Trong đó có việc ứng dụng điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu

để ổn định áp suất dư cho hệ thống điều áp cầu thang trong các điều kiện làm việc khác nhau và có thể áp dụng cho các tòa nhà khác nhau

6 Kết cấu luận án

Kết cầu luận án gồm 3 chương

Chương 1 Tổng quan về các hệ thống điều khiển khói trên thế giới

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian nghiên cứu và học tập tại Khoa Cơ Điện – Trường đại học

Mỏ địa chất Đến nay tôi đã hoàn thành luận án “Nghiên cứu xác định phương pháp giám sát và điều khiển khói khi xảy ra cháy trong tòa nhà cao tầng khu vực Hà Nội”, Để hoàn thành luận án, tôi đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của các thầy giáo hướng dẫn và các đồng nghiệp Tôi xin trân trọng cám ơn hai thầy hướng dẫn là TS Nguyễn Chí Tình và TS Trịnh Thế Dũng đã tận tình hướng dẫn giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận án

Tôi xin cảm ơn GS.TSKH Cao Tiến Huỳnh, PGS.TS Nguyễn Văn Liễn, PGS.TS Đào Văn Tân, PGS.TS Lê Công Thành đã có những lời khuyên và những ý kiến đóng góp bổ ích trong chuyên môn

Tôi xin cảm ơn tập thể cán bộ, giáo viên Bộ môn Tự động hóa đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong thời gian học tập tại đây; tôi xin cảm ơn các cấp lãnh đạo và tập thể cán bộ, giáo viên Trường đại học Phòng cháy chữa cháy

đã tạo điều kiện động viên, giúp đỡ giúp tôi hoàn thành nhiệm vụ học tập

Tác giả luận án

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHÓI TRÊN THẾ

GIỚI VÀ VIỆT NAM 1.1 Các hệ thống kỹ thuật phục vụ cho công tác phòng cháy và chữa cháy trong tòa nhà cao tầng

Để đảm bảo tốt cho công tác phòng cháy và chữa cháy trong các tòa nhà cao tầng, hiện nay tiêu chuẩn của các nước đều qui định cần phải có các hệ thống kỹ thuật sau:

- Hệ thống báo cháy tự động

Hệ thống báo cháy tự động bao gồm trung tâm báo cháy tự động (FACP); các đầu báo cháy; các nút ấn khẩn cấp; các đèn và còi báo động Hệ thống báo cháy tự động có nhiệm vụ phát hiện cháy và phát tín hiệu báo động trong tòa nhà

- Hệ thống chữa cháy

Hệ thống chữa cháy bao gồm các máy bơm nước chữa cháy; các họng nước chữa cháy vách tường; các đầu phun tự động (sprinkler) Ngoài hệ thống chữa cháy bằng nước còn có các hệ thống chữa cháy bằng bọt hoặc bằng khí tùy theo yêu cầu của từng công trình

- Hệ thống điều khiển khói

Hệ thống điều khiển khói bao gồm các hệ thống điều áp và hút khói Các thành phần chính gồm có các quạt gió; hệ thống ống dẫn gió; các van gió và các thiết bị điều khiển Phổ biến nhất hiện nay là các hệ thống điều áp cầu thang và hút khói hành lang Các hệ thống này có nhiệm vụ ngăn khói đi vào cầu thang thoát hiểm và hút khói ở các hành lang của tòa nhà Ở các nước phát triển còn có hệ thống điều khiển khói phân vùng, trong đó cho phép điều

áp hoặc hút khói cho từng khu vực trong tòa nhà

1.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng các hệ thống điều khiển khói

1.2.1.Tình hình nghiên cứu về điều khiển khói

a) Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Trên thế giới đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về lĩnh vực điều khiển, kiểm soát khói trong nhà cao tầng Các nghiên cứu được thực hiện bằng các phương pháp mô hình hóa và thực nghiệm, trong đó phương pháp

mô hình hóa được áp dụng nhiều nhất

Các nghiên cứu chủ yếu là khảo sát các diễn biến dịch chuyển của khói

và hoạt động điều khiển khói cho từng công trình cụ thể, sự biến đổi của các thông số như nhiệt độ; áp suất; nồng độ khói, phân tích tác động của các thiết

bị điều khiển đến sự dịch chuyển của khói [20], [24], [26], [27], [30], [32], [40], [44], [55] Một số công trình nghiên cứu có sử dụng cả phương pháp mô hình hóa và thực nghiệm để đối chiếu kết quả [20], [30], [32], [40], [44] Các công trình khoa học gần đây nghiên cứu về hệ thống điều áp cầu thang cho thấy áp suất dư trong buồng thang thoát hiểm biến thiên khá phức tạp và có thể vượt ra khỏi giới hạn cho phép [20], [40], [44], [51] Theo nghiên cứu về hệ thống điều áp cầu thang một tòa nhà ở Hàn Quốc [40], áp suất dư trong buồng thang thoát hiểm khi các cửa đều đóng có lúc đo được lên tới 124 Pa, trong khi theo thiết kế là 50Pa Các công trình nghiên cứu đã đưa

ra các giải pháp điều chỉnh quạt gió, điều chỉnh van gió để ổn định áp suất dư cho buồng thang thoát hiểm và các giải pháp nâng cao hiệu quả hoạt động của

hệ thống hút khói Tuy vậy các nghiên cứu trên ít đề cập đến kỹ thuật điều khiển tự động cho hệ thống điều khiển khói

b) Tình hình nghiên cứu trong nước

Ở Việt Nam đến nay chưa có công trình khoa học nào nghiên cứu sâu về

hệ thống điều khiển khói Hiện chỉ có một số tài liệu đề cập đến cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển khói, [12], [13], [14], [15] Trong đó chủ yếu nói

về các tiêu chuẩn được xây dựng dựa trên các tiêu chuẩn của các nước phát triển Các phương pháp tính toán thiết kế đều dựa trên các tài liệu của nước ngoài Việc đánh giá hiệu quả hoạt động của các hệ thống điều khiển khói trong điều kiện Việt Nam nói chung và Hà Nội nói riêng hiện vẫn còn bỏ ngỏ, đặc biệt là ở Hà Nội có khí hậu 4 mùa có thể có những ảnh hưởng đến sự hoạt động của hệ thống điều khiển khói

1.2.2 Các hệ thống điều khiển khói trên thế giới

- Sử dụng hệ thống điều áp để tăng áp suất ở những khu vực cần ngăn chặn khói Hệ thống điều áp cần tạo ra độ chênh áp đủ lớn để ngăn chặn khói vào các khu vực thoát hiểm, nhưng độ chênh áp cũng không được quá lớn để đảm bảo cho trẻ em và người già có thể đẩy được cửa thoát hiểm

Thực hiện cho hai biện pháp trên là các giải pháp cụ thể:

+ Điều áp cầu thang bộ (hình 1.1)

Hệ thống này sử dụng quạt để tăng áp cho cầu thang bộ thoát hiểm Với những tòa nhà thấp tầng có thể sử dụng hệ thống điều áp một họng phun, còn với những tòa nhà cao tầng thì thường sử dụng hệ thống điều áp nhiều họng phun hoặc phân vùng Với những tòa nhà siêu cao tầng thì việc phân vùng sẽ

giúp cho việc điều chỉnh áp suất từng vùng được ổn định hơn, tránh được sự chênh lệch áp suất do hiệu ứng ống khói Việc điều áp cầu thang bộ có thể bao gồm cả điều áp tiền sảnh và hành lang thoát hiểm

+ Điều áp thang máy (hình 1.2)

Việc điều áp cho thang máy có thể thực hiện bằng cách dùng quạt tăng

áp cho giếng thang máy hoặc tăng áp cho tiền sảnh (Trong trường hợp tiền sảnh ngăn cách thang máy với nơi ở)

Các hệ thống điều áp cầu thang có thể kết hợp với hệ thống hút khói hành lang hoặc hút khói các tầng bị cháy Trong hệ thống mô tả như hình 1.3,

Hình 1.1 Hệ thống điều áp cầu thang bộ [38]

Hình 1.2 Hệ thống điều áp buồng thang máy [38]

khi phát hiện cháy ở một tầng thì quạt tăng áp thang máy hoạt động, tất cả các van gió ở các tầng không có cháy đóng lại, van gió ở tầng bị cháy được mở và quạt hút khói sẽ hoạt động để hút khói ở tầng bị cháy

+ Điều khiển khói phân vùng (hình 1.4)

Theo phương pháp này, một tòa nhà được phân chia thành nhiều vùng Trong đó một vùng có thể là một tầng hoặc vài tầng, cũng có thể một tầng chia thành vài vùng Khi một vùng phát hiện có khói thì tất cả các vùng khác hoặc các vùng lân cận được tăng áp để ngăn khói, vùng có khói phải có các đường thoát khói ra ngoài Việc thoát khói có thể thực hiện bởi các ống thoát khói, giếng thoát khói, hệ thống đường ống và quạt hút, cũng có thể sử dụng

cả hệ thống HVAC (hình1.5) để thoát khói

Khi sử dụng hệ thống HVAC cần điều khiển các thiết bị theo trình tự sau:

- Ở vùng có khói: tắt quạt cấp khí, đóng các van gió cấp khí, mở các van gió thải khí và bật quạt hút

- Ở các vùng không có khói: tắt quạt hút, đóng các van gió thải khí, mở van gió cấp khí và bật quạt cấp khí

Hình 1.3 Hệ thống điều áp thang máy kết hợp hút khói hành lang [38]

b) Các thiết bị và kỹ thuật điều khiển

Để điều khiển các thiết bị trong hệ thống điều khiển khói, tiêu chuẩn của nhiều nước qui định phải sử dụng trạm điều khiển chuyên dùng (FSCS), hiểu

Hình 1.4 Hệ thống điều khiển khói phân vùng [38]

Hình 1.5 Điều kiển khói phân vùng với hệ thống HVAC [38]

theo đúng nghĩa của nó là trạm điều khiển khói của người chữa cháy (Firefighter’s Smoke Control Station) FSCS thực hiện chức năng điều khiển

và giám sát sự hoạt động của các thiết bị như quạt gió, van gió ở các chế độ tự động hoặc bằng tay bởi người có trách nhiệm Trong các hệ thống điều khiển hiện đại, mạch điều khiển được thiết kế dưới dạng mạng công nghiệp theo giao thức MODBUS RTU hay BACNET MS/TP

Một thành phần quan trọng trong hệ thống điều khiển khói là hệ thống điều áp cầu thang Trong những hệ thống hiện đại, việc điều khiển quạt gió thường được thực hiện thông qua biến tần, các van gió là loại van điều khiển bằng điện để điều chỉnh áp suất từng vị trí đảm bảo yêu cầu kỹ thuật

Hình 1.6 là một mạng điều khiển khói do hãng Colt của Anh quốc giới

thiệu “Nguồn: www.coltinfo.co.uk” Trung tâm của mạng điều khiển là trạm

điều khiển khói chuyên dùng (FSCS) với các chế độ điều khiển tự động và điều khiển bằng tay Các mạch vòng (loop) bao gồm nhiều phần tử được định địa chỉ nối theo mạng Bình thường FSCS làm việc ở chế độ tự động, thu nhận tín hiệu từ các cảm biến hoặc từ trung tâm báo cháy tự động (FACP) để

tự động điều khiển các thiết bị Tuy nhiên trong những tình huống diễn biến phức tạp, người điều khiển sẽ chuyển sang chế độ điều khiển bằng tay để điều khiển các thiết bị theo yêu cầu thực tế

Hình 1.7 giới thiệu mạng điều khiển khói của hãng AP “Nguồn: www.automatikprodukter.se” của Thụy điển Trong mạng điều khiển có các

bộ điều khiển số trực tiếp (DDC) thực hiện nhiệm vụ điều khiển các quạt gió, van gió Các bộ điều khiển này được nối theo mạng MODBUS RTU, nhờ đó

nó được điều khiển và giám sát từ một trạm điều khiển hoặc giám sát bằng máy tính thông qua mạng Internet

1.2.3 Thực trạng về ứng dụng điều khiển khói ở Việt Nam

Qua tìm hiểu các khu nhà cao tầng ở khu vực Hà Nội cho thấy hầu hết các nhà cao tầng đã được trang bị hệ thống điều khiển khói với cấp độ khác nhau Ngoại trừ một số khu nhà cao cấp do doanh nghiệp nước ngoài đầu tư như Kengnam, Lotte thì các tòa nhà cao tầng ở Hà Nội được trang bị hệ thống điều khiển khói ở mức độ đơn giản Hệ thống điều khiển khói trong các tòa nhà cao tầng khu vực Hà Nội thường có các thành phần:

- Hệ thống điều áp cầu thang

- Hệ thống hút khói tầng hầm

- Hệ thống hút khói hành lang

Hình 1.6 Sơ đồ mạng điều khiển khói do hãng Colt giới thiệu

Hình 1.7 Sơ đồ mạng điều khiển khói do hãng AP giới thiệu

Trong hệ thống điều khiển thường không có trạm điều khiển khói chuyên dùng (FSCS) mà chỉ là tủ điều khiển đơn giản được nối với trung tâm báo cháy tự động theo cách nối dây thông thường (theo kiểu nối rơ le) Theo cách

đó, việc điều khiển hầu như phụ thuộc hoàn toàn vào trung tâm báo cháy tự động (FACP) và con người khó có thể kiểm soát được trong những tình huống phức tạp và tình huống báo cháy giả

Trong các hệ thống điều áp cầu thang, việc điều khiển quạt gió thường là đóng ngắt trực tiếp (không qua biến tần) với lệnh điều khiển từ trung tâm báo cháy tự động hoặc bằng tay Ngay ở khu nhà hiện đại như Royal City có trang

bị biến tần nhưng tần số lại được đặt cố định 50Hz Các van gió ở từng khu vực không có khả năng điều chỉnh tự động nên khó có khả năng ổn định áp suất trong những điều kiện khác nhau

Một số tòa nhà có hệ thống hút khói hành lang để hút khói ở hành lang của tầng bị cháy Hệ thống này thường được điều khiển tự động bởi tín hiệu báo cháy tầng Nếu xảy ra báo cháy giả hoặc nhiều tín hiệu báo cháy thì hệ thống hút khói sẽ không phát huy được tác dụng vì không đủ công suất

Hình 1.8 được trích từ thiết kế hệ thống điều khiển khói của tòa nhà chung cư và dịch vụ thương mại số 3 Nguyễn Huy Tưởng, quận Thanh Xuân Hình 1.9 được trích từ bản vẽ thiết kế hệ thống điều khiển khói của tòa nhà chung cư 125D Minh Khai Các hệ thống này có cấu trúc cơ bản như nhau Trong hệ thống điều áp cầu thang có quạt tăng áp được điều khiển từ trung tâm báo cháy tự động, gió được cấp qua ống gió tới từng miệng gió tại từng tầng của buồng thang, các van điều chỉnh lưu lượng gió được điều chỉnh cố định bằng tay Quạt hút khói hành lang cùng với các van mở miệng hút khói cũng được điều khiển từ trung tâm báo cháy tự động Việc kết nối từ các quạt

và các van gió được thực hiện qua các cặp dây nối thông thường

Qua tìm hiểu thiết kế của các tòa nhà cao tầng khu vực Hà Nội cho thấy việc thiết kế hệ thống điều khiển khói dựa theo nhiều tiêu chuẩn khác nhau Theo các tiêu chuẩn của Việt Nam thì chỉ qui định các tòa nhà cao tầng phải

có hệ thống điều áp cầu thang, hệ thống hút khói hành lang và hệ thống thông gió, hút khói tầng hầm Hệ thống tạo áp cầu thang chỉ qui định áp suất dư từ

20 đến 50 Pa [13], [14] Trong tiêu chuẩn Việt Nam không đề cập đến việc sử dụng FSCS cùng mạng điều khiển

Hình 1.8 Hệ thống tạo áp cầu thang và hút khói hành lang

của tòa nhà CC và DVTM số 3 Nguyễn Huy Tưởng

Hình 1.9 Hệ thống tạo áp cầu thang và hút khói hành lang

của tòa nhà chung cư 125D Minh Khai

Trong các bản thiết kế về điều khiển khói có nhiều số liệu và phép tính gần đúng như diện tích các khe hở, sức cản đường ống, thông số môi trường Các loại quạt gió, van gió không có đặc tính rõ ràng do các cơ sở sản xuất không quan tâm Việc kiểm tra nghiệm thu các công trình nhiều khi chỉ mang tính chất định tính, không thể kiểm tra được đầy đủ các thông số và khả năng hoạt động của hệ thống trong những điều kiện khác nhau

Các tòa nhà cao tầng ở Việt Nam không áp dụng giải pháp điều áp phân vùng như các nước phát triển, cùng với việc thi công không đảm bảo theo đúng thiết kế dẫn đến việc điều áp sẽ khó đảm bảm đúng yêu cầu kỹ thuật

Từ thực tế đó cho thấy cần phải có công cụ giúp phân tích đánh giá các

hệ thống điều khiển khói mà phổ biến hiện nay là các phần mềm mô phỏng Bên cạnh đó cần phải đặt ra việc ứng dụng các kỹ thuật điều khiển hiện đại để nâng cao chất lượng hoạt động của hệ thống và giám sát sự hoạt động của hệ thống theo xu hướng của các nước tiên tiến

1.3 Các thành phần của hệ thống điều khiển khói

Hệ thống điều khiển khói gồm các thành phần sau :

- Các thiết bị thông gió, hút khói (quạt, van gió, ống gió )

- Các thiết bị điều khiển (Tủ báo cháy, tủ điều khiển khói, tủ điều khiển HVAC)

- Các thiết bị kích hoạt (đầu báo khói, nút ấn khẩn cấp )

1.3.1 Các thiết bị thông gió, hút khói

a) Hệ thống HVAC

Hệ thống HVAC có nhiệm vụ duy trì điều kiện môi trường không khí trong tòa nhà (nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ ô xy, khí thải ) và có khả năng điều khiển khói Có những hệ thống HVAC chuyên dùng trong điều khiển khói chỉ

có chức năng tạo áp, thông gió và hút khói

b) Quạt gió

Quạt gió dùng để cấp khí, tăng áp suất cho những khu vực cần thiết hoặc dùng để hút gió thải, xả khói khi có cháy

Quạt gió được phân làm 2 loại chính :

- Quạt hướng trục

- Quạt ly tâm

Quạt hướng trục có cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ và hiệu suất cao hơn

so với quạt ly tâm Tuy nhiên quạt ly tâm lại có khả năng tạo áp suất lớn hơn

so với quạt hướng trục Các nhà cao tầng ở Việt Nam không áp dụng giải pháp phân vùng nên hệ thống điều áp thường sử dụng quạt ly tâm để đảm bảo khả năng điều áp

c) Van gió (hình 1.10)

Van gió bao gồm van chặn lửa (Fire damper) và van chặn khói (Smoke damper) Cấu tạo của van gió có 2 dạng là kiểu nhiều lá (Multi-blade) và kiểu rèm (Curtain)

- Van chặn lửa dùng để ngăn lửa được chế tạo theo tiêu chuẩn UL555 (UL1990a) Thông thường khi van chặn lửa hoạt động theo nguyên tắc của cầu chì, bình thường ở trạng thái mở nó được giữ bởi một dây dễ nóng chảy, khi dây chảy đứt do tác đông của ngọn lửa thì sẽ đóng sập lại để ngăn lửa lan sang nơi khác Hiện nay còn có các loại van chặn lửa hoạt động bởi cơ cấu

Hình 1.10 Cấu tạo của các van gió [38]

điện từ, khí nén thông qua cảm biến nhiệt độ

- Van chặn khói dùng để ngăn khói hoặc thoát khói được chế tạo theo tiêu chuẩn UL555S (UL1983) Sự hoạt động của van chặn khói có thể là đóng hoặc mở tùy theo yêu cầu chặn khói hay thoát khói Van chặn khói thường hoạt động nhờ cơ cấu điện từ hoặc khí nén Theo tiêu chuẩn UL555S thì van chặn khói phải đảm bảo độ rò rỉ khói (khi đóng hoàn toàn) trong phạm vi cho phép và nó được phân thành các cấp độ 0, I, II, III, IV [37]

Van chặn khói có cấp độ 0 có độ rò rỉ bằng 0 được dùng trong các dự án điện hạt nhân Các cấp độ I, II, III, IV được sử dụng trong các công trình xây dựng tùy theo yêu cầu kỹ thuật

Các van gió hoạt động nhờ cơ cấu điện từ được gọi là Motorized damper hoặc Actuated damper, các van gió hoạt động nhở khí nén được gọi là EP damper (Electrical to Pressure Damper)

1.3.2 Các thiết bị điều khiển

a) Trung tâm báo cháy tự động (FACP)

Trung tâm báo cháy tự động thu nhận tín hiệu báo cháy từ các đầu báo khói hoặc nhiệt và phát tín hiệu báo động Một số trung tâm báo cháy tự động cũng có chức năng điều khiển khói như điều khiển quạt tăng áp, quạt hút khói

và điều khiển một số thiết bị khác Tuy vậy nhiều tiêu chuẩn không cho phép dùng FACP để trực tiếp điều khiển mà chỉ gửi tín hiệu đến FSCS để điều khiển hệ thống [37], [38] Đây là vấn đề còn tồn tại nhiều ở Việt Nam mà chưa có những đánh giá về hiệu quả hoạt động của nó

b) Trạm điều khiển khói (FSCS)

FSCS với tên gọi đầy đủ là trạm điều khiển khói của người chữa cháy,

có chức năng điều khiển và giám sát các thiết bị trong hệ thống điều khiển khói như quạt tăng áp, quạt hút khói, các van chặn khói, van chặn lửa Trạm điều khiển khói đòi hỏi phải có cả chế độ điều khiển hoàn toàn tự động và

điều khiển bằng tay

FSCS là thiết bị có chức năng giám sát và điều khiển các thiết bị trong

hệ thống điều khiển khói Thiết bị này được dùng trong công tác chữa cháy hoặc các ứng cứu khẩn cấp, nó không được dùng cho các công việc vận hành thông thường trong tòa nhà FSCS là thiết bị đặc biệt quan trọng trong hệ thống điều khiển khói nên phải đáp ứng nhiều tiêu chuẩn [37], [38]:

- Về vị trí lắp đặt: Hầu hết các tiêu chuẩn đều yêu cầu phải có FSCS trong hệ thống điều khiển khói của tòa nhà Một số tiêu chuẩn yêu cầu FSCS phải lắp đặt tại trung tâm chỉ huy chữa cháy của tòa nhà hoặc phải đặt ở tầng thấp nhất tại phòng được bảo vệ chống cháy

- Về mặt kết cấu: Các tiêu chuẩn thường đưa ra yêu cầu thiết kế đặc biệt với FSCS, trong đó phải có sơ đồ trên bề mặt cùng các đèn tín hiệu để giám sát hoạt động của mọi phần tử trong hệ thống điều khiển khói Các đèn tín hiệu có màu sắc theo qui định để phân biệt trạng thái của các thiết bị (quạt, van gió), chẳng hạn màu trắng là trạng thái bình thường; màu đỏ là trạng thái tắt hoặc đóng, màu xanh lá cây là trạng thái bật hoặc mở; màu vàng là trạng thái báo lỗi Các công tắc điều khiển phải ghi rõ các trạng thái ON/OFF/AUTO hoặc OPEN/CLOSE/AUTO Sơ đồ in trên bề mặt FSCS phải thể hiện được vị trí của các thiết bị sao cho dễ hiểu nhất Do yêu cầu về kết cấu phải chắc chắn, dễ sử dụng nên FSCS không chế tạo theo kiểu máy tính hoặc màn hình cảm ứng Tuy vậy cũng có thể sử dụng đồ họa máy tính để làm thiết bị giám sát phụ để giám sát hoạt động của hệ thống Để đáp ứng được các tiêu chuẩn qui định, nhiều nhà sản xuất FSCS phải thực hiện việc sản xuất theo đơn đặt hàng của từng dự án Hình 1.11 là hình ảnh mặt trước của FSCS

.“Nguồn: www.hrkirkland.com ; www.kmccontrols.com.hk ”

1.3.3 Các thiết bị kích hoạt

a) Đầu báo khói

Đầu báo khói dùng để tự động phát hiện khói khi xảy ra cháy Nó có thể hoạt động theo nguyên tắc quang điện hoặc nguyên tắc i-on hóa (dùng chất phóng xạ) Các đầu báo loại thông thường được nối song song theo từng kênh không cho phép nhận biết địa chỉ nơi phát hiện khói Các đầu báo địa chỉ có định địa chỉ cho từng đầu báo và truyền thông tin theo mạng Loại đầu báo địa chỉ cho phép nhận biết nơi phát hiện khói

b) Nút ấn khẩn cấp bằng tay

Nút ấn khẩn cấp bằng tay được bố trí ở các hành lang Nếu có người phát hiện ra cháy mà hệ thống tự động chưa phát hiện kịp thời thì có thể sử dụng nút ấn khẩn cấp bằng tay Nút ấn này thường dùng để kích hoạt cho hệ thống tăng áp cầu thang

1.4 Phương pháp điều khiển

1.4.1 Thiết bị điều khiển

Trong một tòa nhà cao tầng có thể tồn tại nhiều hệ thiết bị như báo cháy

tự động, chữa cháy tự động, HVAC, quản lý điện năng Khi xảy ra cháy thì

Hình 1.11 Mặt trước của FSCS

hầu hết các hệ phải chuyển chế độ làm việc, có hệ phải ngừng, có hệ chuyển sang chế độ ưu tiên đặc biệt

Hệ thống điều khiển khói có đặc điểm là làm việc ở điều kiện nhiệt độ cao, môi trường ô nhiễm, nguồn điện có thể thay đổi đột ngột, chế độ làm việc phải linh hoạt

Để điều khiển các thiết bị trong hệ thống điều khiển khói (quạt gió, van gió), xét về nguyên lý thì có thể sử dụng các thiết bị HVAC, thiết bị BAS, thiết bị PLC Tuy nhiên do đặc thù của hệ thống điều khiển khói nên các cơ quan có thẩm quyền của các quốc gia chỉ cho phép các thiết bị trong danh mục được sử dụng trong hệ thống điều khiển khói Các thiết bị BAS, PLC và ngay cả các trung tâm báo cháy tự động (FACP) tuy có khả năng điều khiển các quạt và các van gió nhưng cũng không nằm trong danh mục của thiết bị điều khiển khói

Để đáp ứng yêu cầu khắt khe của hệ thống điều khiển khói, hiện nay phần lớn các tiêu chuẩn đều yêu cầu sử dụng trạm điều khiển khói (FSCS) [37], [38] Đó là thiết bị chuyên dùng trong hệ thống điều khiển khói

1.4.2 Cách thức kích hoạt hệ thống điều khiển khói

Có 3 cách để kích hoạt hệ thống điều khiển khói:

đặt ở các hành lang thoát hiểm Khi một người phát hiện có cháy mà hệ thống

tự động chưa kích hoạt thì có thể kích hoạt bằng tay Tuy nhiên trong những

hệ thống điều khiển khói phân vùng thì việc kích hoạt bằng tay có thể gây ra hoạt động nhầm lẫn, bởi vì người ấn nút kích hoạt có thể ở khu vực không có cháy, dẫn đến các quạt gió và các van gió hoạt động không đúng với yêu cầu Tiêu chuẩn NFPA 92A qui định sử dụng bộ điều khiển cục bộ đặt tại các khu vực có ghi chú rõ ràng và chỉ có người có quyền điều khiển mới điều khiển được bộ điều khiển này

c) Kích hoạt bằng FSCS

Ở chế độ bình thường, các công tắc điều khiển của FSCS được đặt ở chế

độ AUTO Khi cần điều khiển trực tiếp từ FSCS thì người có trách nhiệm sẽ điều khiển bằng cách chuyển công tắc sang các vị trí ON hoặc OFF (OPEN, CLOSE) để bật hoặc tắt cưỡng bức các thiết bị theo yêu cầu

1.4.3 Quyền ưu tiên điều khiển

Với 3 cách thức để kích hoạt hệ thống điều khiển khói, sẽ không tránh khỏi trường hợp có nhiều lệnh kích hoạt và dẫn đến xung đột trong hệ thống

Vì vậy trong hệ thống điều khiển khói cần phải phân định thứ tự ưu tiên các lệnh kích hoạt

Thông thường khi xảy ra cháy, các tín hiệu tự động từ các cảm biến sẽ giành quyền điều khiển hệ thống, kích hoạt hệ thống điều khiển khói và loại

bỏ các lệnh thông thường trước đó Trong quá trình phát triển đám cháy, khói

sẽ lan ra các khu vực khác trong tòa nhà dẫn đến các cảm biến khác tiếp tục gửi lệnh đến hệ thống điều khiển Trong trường hợp đó nếu như vắng mặt người có trách nhiệm để đưa ra quyết định thì việc hệ thống đáp ứng các tín hiệu tự động tiếp theo là không thích hợp Lý do là ở khu vực phát tín hiệu đầu tiên đang có diễn biến xấu, nếu hệ thống tự động đưa ra phản ứng tiếp theo có thể gây ra xung đột với phản ứng đầu tiên

Hệ thống điều khiển khói có thể được kích hoạt bằng tay bởi các nút ấn khẩn cấp Tín hiệu kích hoạt bằng tay phải giành quyền kiểm soát của các tín hiệu điều khiển bình thường và cả tín hiệu kích hoạt tự động trước đó (nếu tín hiệu tự động và bằng tay xung đột nhau) Tín hiệu kích hoạt bằng tay tiếp theo sẽ giành quyền điều khiển của tín hiệu kích hoạt trước đó

Tín hiệu điều khiển được ưu tiên hàng đầu là tín hiệu từ FSCS Các lệnh điều khiển từ FSCS sẽ giành quyền kiểm soát của các tín hiệu điều khiển từ các cảm biến và các nút ấn bằng tay ở các khu vực Lệnh điều khiển sau sẽ giành quyền điều khiển của lệnh trước đó Thông thường khi xảy ra cháy thì những người có trách nhiệm sẽ phải kiểm tra tình hình thực tế và ra các lệnh điều khiển từ FSCS

Các hệ thống điều khiển khói ở Việt Nam hiện nay không sử dụng FSCS, việc điều khiển phụ thuộc vào hệ thống báo cháy tự động nên không đảm bảo được quyền ưu tiên điều khiển như trên

1.4.4 Kết nối giữa hệ thống điều khiển khói với hệ thống báo cháy tự động

Thông thường hệ thống điều khiển khói phải nhận tín hiệu từ các trung tâm báo cháy tự động (FACP) Việc kết nối giữa FACP với FSCS có thể thực hiện theo hai cách:

- Kết nối Point to Point

- Kết nối qua cổng truyền thông nối tiếp

a) Kết nối Point to Point

Việc kết nối được thực hiện bằng các cặp dây nối từ các đầu ra của FACP tới các đầu vào của FSCS Các đầu ra của FACP hoạt động theo từng nhóm đầu báo được phân chia theo từng vùng Các tín hiệu từ đầu ra của FACP gửi tín hiệu đến các đầu vào của FSCS để điều khiển các cơ cấu chấp hành Cách kết nối này đơn giản nhưng tốn nhiều dây nối và chỉ thích hợp khi

khoảng cách giữa FACP với FSCS được bố trí ở khoảng cách gần nhau

b) Kết nối qua cổng truyền thông nối tiếp

Thay vì phải dùng nhiều dây nối thì giữa FACP với FSCS có thể giao tiếp với nhau qua cổng truyền thông nối tiếp (chẳng hạn cổng RS485) Khi đó đòi hỏi giữa FACP với FSCS phải có cùng giao thức truyền thông với nhau

1.4.5 Giao tiếp với các hệ thống khác trong tòa nhà

Trong một tòa nhà cao tầng hiện nay có thể tồn tại nhiều mạng thông tin như mạng thông tin quản lý tòa nhà, mạng Internet Hệ thống điều khiển khói tiên tiến cũng có khả năng kết nối với các mạng thông tin khác để chia sẻ thông tin và giám sát từ xa

1.5 Sự dịch chuyển của khói

Khi xảy ra cháy, khói được tạo ra và dịch chuyển do tác động của sự chênh áp mà cụ thể là do các yếu tố sau:

- Hiệu ứng ống khói

- Quá trình tự bay lên của khói

- Sự giãn nở vì nhiệt

- Tác động của gió

- Tác động của hệ thống điều hòa không khí

- Hiệu ứng piston trong thang máy

1.5.1 Hiệu ứng ống khói

Hiệu ứng ống khói (hình 1.12) được định nghĩa là dòng chảy thẳng đứng của không khí do sự chênh lệch nhiệt độ giữa bên trong và bên ngoài trục của tòa nhà Với hiệu ứng ống khói thông thường có sự chuyển động của khí lên cao trong một trục của tòa nhà (cầu thang, thang máy ) khi không khí bên ngoài trục tòa nhà lạnh hơn so với không khí bên trong Trong trường hợp đó khí nóng trong trục tòa nhà có tỷ trọng nhỏ hơn sẽ thoát ra bên ngoài ở phía trên, còn khí bên ngoài có tỷ trọng lớn hơn sẽ tràn vào trục tòa nhà ở phía

dưới Như vậy ở phía trên áp suất bên trong trục tòa nhà lớn hơn phía ngoài, còn ở phía dưới áp suất bên trong nhỏ hơn phía ngoài Khi nhiệt độ trong trục tòa nhà nhỏ hơn nhiệt độ ngoài thì xảy ra hiệu ứng ống khói ngược với dòng khí chuyển động ngược lại

Mặt phẳng nằm ngang ở độ cao mà tại đó độ chênh áp suất trong và ngoài nhà bằng không được gọi là mặt phẳng cân bằng áp suất

Độ chênh áp suất giữa trong và ngoài nhà được tính theo công thức [37]:

T o là nhiệt độ phía ngoài (K)

T i là nhiệt độ phía trong nhà (K)

h là khoảng cách từ điểm cần tính đến mặt phẳng cân bằng áp suất

Hiệu ứng ống khói phụ thuộc vào độ chênh lệch nhiệt độ và độ cao của tòa nhà, nó gây ảnh hưởng nhiều đến độ chênh lệch áp suất giữa tầng trên cùng và dưới cùng trong cầu thang thoát hiểm khi được điều áp Trong điều

Hình 1.12 Hiệu ứng ống khói trong tòa nhà [38]

kiện khí hậu 4 mùa ở Hà Nội, hiệu ứng ống khói càng gây ảnh hưởng phức tạp đến sự biến đổi của áp suất dư trong buồng thang Buồng thang thoát hiểm trong các nhà cao tầng ở Hà Nội không được phân vùng, cho nên chiều cao càng lớn thì hiệu ứng ống khói diễn ra càng mạnh

Theo công thức (1.1) thì độ chênh lệch áp suất giữa tầng trên cùng và dưới cùng trong buồng thang sẽ là:

Trong đó: H là chiều cao của tòa nhà (m)

Ví dụ sau đây cho thấy ảnh hưởng của hiệu ứng ống khói:

Với tòa nhà có chiều cao khoảng 100 m (tương đương chiều cao tòa nhà

30 tầng), giả sử nhiệt độ trong buồng thang T i = 298 K (250C), nhiệt độ ngoài

trời vào mùa đông T 0 = 291 K (180) thì độ chênh lệch áp suất sẽ là:

Nếu nhiệt độ ngoài trời T0 = 288 K (150C) thì độ chênh lệch áp suất sẽ là

40 Pa Nếu nhiệt độ ngoài trời vào mùa hè là 308 K (350C) thì độ chênh lệch

áp suất sẽ là -37,7 Pa (áp suất phía dưới cao hơn phía trên)

Độ chênh lệch áp suất thực tế còn phụ thuộc vào công suất và vị trí đặt quạt tăng áp, khối lượng riêng của không khí, diện tích khe hở

Kết quả thực nghiệm cũng đã chứng minh cho sự thay đổi của áp suất dư

do ảnh hưởng của hiệu ứng ống khói Việc thực nghiệm tiến hành đo áp suất

dư cho một tòa nhà Royal City tại đường Nguyễn Trãi, dụng cụ đo áp suất dư

là máy đo cầm tay Testo 510 (hình 1.13), thời điểm đo vào mùa đông Kết quả

đo tại các tầng như trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Các giá trị đo áp suất dư cầu thang

Vị trí đo Tầng 1 Tầng 3 Tầng 16 Tầng 24 Tầng 35

Việc khảo sát sự thay đổi của áp suất dư có thể thực hiện thông qua phần mềm mô phỏng

Theo QCVN 06:2010 [13] thì qui định áp suất dư trong buồng thang

thoát hiểm khi điều áp từ 20 Pa đến 50 Pa là có căn cứ đến điều kiện khí hậu

Việt Nam Theo qui chuẩn này thì độ chênh lệch áp suất tối đa giữa các tầng chỉ là 30 Pa Tuy nhiên với những tòa nhà có chiều cao tương đối lớn như ví

dụ trên thì độ chênh lệch áp suất có thể vượt quá ngưỡng khi có sự chênh lệch nhiệt độ cao

1.5.2 Quá trình tự bay lên của khói

Ở nhiệt độ cao, do tỷ trọng giảm nên khói sẽ tự bay lên Tại mỗi vị trí sẽ xuất hiện độ chênh áp suất giữa vùng khói với vùng lân cận [37] :

Q out là lưu lượng thể tích của khói từ phòng bị cháy thoát ra (m3/s)

Q in là lưu lượng thể tích của không khí từ ngoài vào phòng (m3/s)

T out là nhiệt độ của khói thoát khỏi phòng (K)

T in là nhiệt độ không khí vào phòng (K)

1.5.4 Tác động của gió

Gió có thể gây ra những tác động đến sự dịch chuyển của khói Áp suất

mà gió gây ra trên một bề mặt được tính theo công thức [37]:

Tác động của gió thường diễn biến bất thường nên có thể coi là tác động nhiễu đến hệ thống điều khiển khói

1.5.5 Tác động của hệ thống HVAC

Trước khi nghiên cứu phát triển các hệ thống điều khiển khói, hệ thống HVAC luôn ngừng hoạt động khi xảy ra cháy Hiện nay nhờ kỹ thuật điều khiển tiên tiến, các hệ thống HVAC có thể tham gia tích cực để hỗ trợ cho hệ thống điều khiển khói, đặc biệt là trong giai đoạn đầu hình thành đám cháy

1.5.6 Hiệu ứng Piston

Hiệu ứng piston xảy ra trong giếng thang máy khi thang máy chuyền động Nếu thang máy chuyển động từ trên xuống thì áp suất phía dưới tăng lên, áp suất phía trên giảm xuống và ngược lại Độ chênh áp lớn nhất do hiệu ứng piston gây ra sẽ xuất hiện ở tầng trên cùng hoặc tầng dưới cùng

1.6 Tính toán, thiết kế quạt điều áp cầu thang

Việc tính toán chọn quạt điều áp cầu thang cần quan tâm đến 2 thông số

cơ bản là lưu lượng và cột áp

Lưu lượng khí cần cấp cho cầu thang khi điều áp bằng tổng lượng khí từ cầu thang thoát ra hành lang và lượng khí từ cầu thang thoát ra phía ngoài tòa nhà [12], [37]:

Trong đó:

Q T là lưu lượng khí cần cấp cho cầu thang (m3/s)

Q SB là lưu lượng khí thoát từ cầu thang ra hành lang (m3/s)

Q SOu là lưu lượng khí thoát từ cầu thang ra ngoài tòa nhà (m3/s)

Q SOi là lưu lượng khí thoát từ cầu thang ra ngoài theo các lối riêng (m3/s) Lưu lượng khí cần cấp phụ thuộc nhiều vào diện tích các lối thoát, trong

đó có diện tích các khe hở Trong thiết kế, các diện tích khe hở chỉ có thể lấy gần đúng

Cột áp của quạt điều áp trong trường hợp quạt đặt ở trên tầng thượng được tính theo công thức [12]:

p p  p  p  p  p (1.7)

Trong đó:

p là cột áp của quạt tăng áp (Pa)

 p SB là độ chênh áp do hiệu ứng ống khói tại độ cao cửa hút gió (Pa)

 p 1 là áp suất dư cần thiết tại tầng 1 (Pa)

 p f1 là tổn hao áp suất trong buồng thang (Pa)

 p f2 là tổn hao áp suất trong mạng ống dẫn (Pa)

p w là áp suất gió bên ngoài phía khuất gió tại vị trí cửa hút (p w < 0) (Pa)

Về vị trí đặt thì quạt điều áp cầu thang có thể đặt trên tầng thượng hoặc tầng trệt ở nơi có thể lấy gió sạch

Với các nước có khí hậu lạnh, ảnh hưởng của hiệu ứng ống khói thuận trong buồng thang làm cho nhiệt độ phía dưới có xu hướng thấp hơn phía trên nên quạt tăng áp thường đặt phía dưới để bù sự chênh lệch áp suất đó [37]

Ở Hà Nội có khí hậu 4 mùa, hiệu ứng ống khói có thể thuận hoặc ngược nên quạt tăng áp có thể đặt ở tầng thượng hoặc tầng trệt Thực tế hiện nay hầu hết các quạt tăng áp đều được đặt ở tầng thượng Cách đặt này sẽ phù hợp với khí hậu mùa hè nhưng lại không phù hợp với khí hậu mùa đông để bù sự chênh lệch áp suất

Khi thiết kế hệ thống điều áp cầu thang ở Hà Nội với quạt tăng áp đặt ở tầng thượng thì các thông số thường chọn trong điều kiện mùa đông [12] Trong điều kiện đó thì áp suất ở tầng dưới cùng có giá trị thấp nhất Nếu đảm bảo được áp suất ở tầng dưới cùng là 20 Pa thì ở tầng trên cùng có thể vượt quá 50 Pa do hiệu ứng ống khói như ở mục 1.5.1 đã phân tích

Như vậy khi thiết kế hệ thống điều áp cầu thang sẽ phải sử dụng nhiều thông số gần đúng và các thông số thực tế có thể khác nhiều so với thiết kế

Mặt khác áp suất dư trong buồng thang chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố nên khó đảm bảo đúng tiêu chuẩn yêu cầu Vấn đề này có thể khắc phục nếu áp dụng kỹ thuật điều khiển tự động để điều khiển quạt gió và các van gió trong

hệ thống điều áp cầu thang

Nhận xét

- Ở các nước phát triển, việc ứng dụng hệ thống điều khiển khói cho các tòa nhà cao tầng rất được quan tâm Các hệ thống điều khiển khói ở nhiều nước phải theo tiêu chuẩn các tiêu chuẩn khắt khe Trong đó bắt buộc phải sử dụng FSCS được thiết kế cho từng dự án và điều khiển các thiết bị theo mạng truyền thông Giải pháp điều áp phân vùng rất được chú ý trong các tòa nhà cao tầng

- Ở Việt Nam cũng đã áp dụng các hệ thống điều khiển khói cho các tòa nhà cao tầng, nhưng mức độ tự động hóa còn đơn giản Các hệ thống điều khiển khói đang áp dụng phổ biến bao gồm hệ thống điều áp cầu thang và hút khói hành lang Các tòa nhà cao tầng ở Việt Nam không áp dụng giải pháp điều áp phân vùng, các hệ thống điều áp cầu thang không điều chỉnh tự động

để ổn định áp suất dư Việc thiết kế và thi công các hệ thống điều khiển khói không thống nhất theo một tiêu chuẩn chung Hiện chưa có những nghiên cứu sâu để đánh giá hiệu quả hoạt động của các hệ thống đang sử dụng

- Để có thể áp dụng hiệu quả các hệ thống điều khiển khói vào Việt Nam thì cần có những nghiên cứu về mặt kỹ thuật, trong đó cần đặc biệt đến khâu giám sát và điều khiển tự động cho hệ thống

Chương 2

MÔ HÌNH HÓA, MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐỘNG LỰC HỌC HỆ

THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHÓI 2.1 Các khối chức năng cơ bản và phương pháp mô hình hóa cho hệ thống điều khiển khói

2.1.1 Các khối chức năng cơ bản của hệ thống điều khiển khói

Các khối chức năng cơ bản của hệ thống điều khiển khói được mô tả như hình 2.1 Trạm điều khiển khói nhận tín hiệu báo cháy từ trung tâm báo cháy

tự động và thực hiện các lệnh điều khiển cho hệ thống điều áp cầu thang và hệ thống hút khói hành lang Đối tượng điều khiển là buồng thang thoát hiểm và các hành lang chứa khí và khói Để có thể thiết kế hệ thống điều khiển phù hợp thì cần thiết phải xây dựng mô hình đối tượng và tìm hàm truyền của đối tượng

Hình 2.1 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển khói

Trạm điều khiển khói (FSCS)

Trung tâm báo

Van gió buồng thang

Áp suất dư

Giá trị đặt

Cảm biến

áp suất

a) Sơ đồ khối của toàn hệ thống

b) Sơ đồ khối của hệ thống điều áp cầu thang