Hệ thống thông minh giám sát quản lý tòa nhà, giải pháp tiết kiệm năng lượng cho các cao ốc intelligent bullding management system (iBMS)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN TẤN TỒN HỆ THỐNG THƠNG MINH GIÁM SÁT – QUẢN LÝ TÒA NHÀ, GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG CHO CÁC CAO ỐC Intelligent BUILDING MANAGEMENT SYSTEM (Ibms) Chuyên ngành: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 11 NĂM 2009 Hệ Thống Thơng Minh Giám Sát – Quản Lý Tịa Nhà - iBMS MỤC LỤC Chương 1: Giới thiệu giải pháp iBMS 1.1 Giới thiệu đề tài luận văn 1.2 Mục tiêu đề tài luận văn 1.3 Mục tiêu phạm vi giải pháp iBMS 1.4 Các hệ thống điện – lạnh cao ốc 1.5 Phương diện kinh tế - kỹ thuật giải pháp iBMS 1.6 Định nghĩa thuật ngữ sử dụng giải pháp iBMS 1.7 Cấu hình phần cứng giải pháp iBMS Chương 2: Các thông số kỹ thuật mà iBMS phải thu thập, giám sát xử lý 2.1 Tín hiệu đường vào (Input) đường (Output) 2.2 Các thông số kỹ thuật mà iBMS phải thu thập, giám sát xử lý Chương 3: Mạng truyền thông giải pháp iBMS 3.1 Giao thức truyền thông giải pháp iBMS 3.2 Mạng truyền thông giải pháp iBMS Chương 4: Phần mềm giải pháp iBMS 4.1 Tính phần mềm hệ thống 4.2 Phương thức vận hành hệ thống Chương 5: Nghiên cứu ứng dụng giải pháp iBMS cho cơng trình cao ốc Trung Tâm Thương Mại Dầu Khí Hà Nội 5.1 Cơ sở kinh tế - kỹ thuật việc ứng dụng giải pháp iBMS 5.2 Kiến trúc tổng quan hệ thống iBMS 5.3 Sơ đồ thiết kế tổng thể giải pháp iBMS 5.4 Ứng dụng giải pháp iBMS để điều khiển quản lý toàn hệ thống kỹ thuật 5.5 Ứng dụng giải pháp iBMS đem lại khả tích hợp tồn hệ thống kỹ thuật 5.6 Nhận xét kết Chương 6: Giải pháp iBMS với mục tiêu tiết giảm lượng 6.1 Giải pháp tiết giảm điện với hệ thống điều khiển chiếu sáng 6.2 Giải pháp tiết giảm điện với hệ thống điều hịa khơng khí Chương 7: Kết luận & Nhận định đề tài luận văn Luận văn thạc sỹ - HD: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt – TS Võ Văn Huy Hoàng – HV: Nguyễn Tấn Toàn Trang Hệ Thống Thông Minh Giám Sát – Quản Lý Tòa Nhà - iBMS Đề tài: HỆ THỐNG THƠNG MINH GIÁM SÁT - QUẢN LÝ TỊA NHÀ GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG CHO CÁC CAO ỐC iBMS (intelligent BUILDING MANAGEMENT SYSTEM) Chương 1: Giới thiệu giải pháp iBMS (intelligent BUILDING MANAGEMENT SYSTEM) 1.1 Giới thiệu đề tài luận văn: a Bối cảnh giới: Thuật ngữ BMS (BUILDING MANAGEMENT SYSTEM) đời vào năm 1970 Khởi nguyên BMS xuất phát từ EMS (Energy Management System) hệ thống quản lý giám sát lượng hệ thống HVAC (Heating& Ventilating Air Conditioning) – hệ thống nhiệt lạnh điều hịa khơng khí tòa nhà lớn – EMS đời từ yêu cầu phải quản lý giám sát hệ thống HVAC mà theo thống kê phụ tải HVAC chiếm tới 65% tổng phụ tải tiêu thụ tòa cao ốc Trong trình phát triển mình, iBMS thay đổi nhiều kể phương diện phạm vi cấu hình hệ thống Cùng với tiến vượt bậc ngành công nghệ thông tin viễn thông, iBMS “tiến hóa” từ hệ thống điều khiển giám sát đơn giản trở thành hệ thống điều khiển vi tính hóa tích hợp tồn diện hệ thống vận hành cao ốc (totally integrated computerize control) Mặt khác phương diện kỹ thuật, iBMS công nghệ mang tính giải pháp ứng với dự án cụ thể có giải pháp riêng đáp ứng yêu cầu chủ đầu tư đặt ra, tương ứng với giải pháp thiết kế kỹ thuật, cung cấp thiết bị lắp đặt kèm theo công ty chuyên gia công nghệ tự động hóa - kỹ thuật điện Honeywell, Johnson Controls, Siemens, t.a.c-Schneider Electric… Tuy nhiên giải pháp-thiết kế kỹ thuật tạo nên thuật ngữ iBMS nhận diện nghiên cứu chúng cấu trúc – thiết kế kỹ thuật mang tính chung Luận văn thạc sỹ - HD: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt – TS Võ Văn Huy Hoàng – HV: Nguyễn Tấn Toàn Trang Hệ Thống Thông Minh Giám Sát – Quản Lý Tòa Nhà - iBMS b Bối cảnh Việt Nam: Làn sóng đầu tư bất động sản nhà đầu tư nước vào cao ốc Việt Nam, đặc biệt TP.HCM năm 1995-1997 làm diện mạo thành phố thay đổi nhiều với cao ốc, khách sạn New World Hotel, Saigon Trade Center, Saigon Center, Metropolitan, Saigon Tower, Sheraton Hotel, Sofitel Plaza…những công trình tạo nên dấu ấn TPHCM đại ngày nay; Tuy nhiên mà công nghệ iBMS chưa ứng dụng vào cơng trình nêu Chỉ đến sóng đầu tư thứ hai năm 2006 Việt Nam có hòa nhập mạnh mẽ với kinh tế lớn tồn cầu, Việt Nam gia nhập WTO…thì cơng trình cao ốc đẳng cấp cao cấp với ứng dụng iBMS triển khai lắp đặt vận hành như: cơng trình Hilton Ha Noi Opera Hotel, Sân Vận Động Quốc Gia Mỹ Đình, cơng trình cao ốc khách sạn quốc tế Times Square- 43 tầng, cơng trình cao ốc “Bitexco Financial Tower”-68 tầng, cơng trình tịa nhà đài truyền hình Tp.HCM - HTV, cơng trình cao ốc Trung Tâm Thương Mại Dầu Khí Hà Nội Điều cho thấy cơng nghệ iBMS ứng dụng vào lắp đặt cho cao ốc đẳng cấp cao cấp Việt Nam chưa đầy năm Tuy nhiên iBMS Việt Nam giới hạn phạm vi thi công lắp đặt, lĩnh vực nghiên cứu thiết kế kỹ thuật-cơng nghệ, hệ thống hóa lý thuyết ngun lý thiết kế-vận hành, truyền thơng…của iBMS hồn chỉnh chưa quan tâm Thậm chí tình hình đặc điểm chung giới ngày Công nghệ iBMS nằm tay số công ty nước chuyên nghiên cứu ngành tự động hóa –cơng nghiệp điện Honeywell, Johnson Controls, Siemens, t.a.cSchneider Electric; Và công ty nghiên cứu phát triển iBMS thiết kế sản phNm theo hướng riêng bí mật cơng nghệ riêng Điều gây khó khăn lớn cho Kỹ Sư chuyên tư vấn thiết kế hệ thống Cơ-Điện Lạnh cho cao ốc muốn tiếp cận với cơng nghệ thiết kế iBMS, cịn Kỹ Sư Việt Nam thực hành công việc lắp đặt iBMS cao ốc gặp phải nhiều khó khăn chưa có tài liệu nghiên cứu nguyên lý thiết kế kỹ thuật, nguyên lý vận hành& điều khiển truyền thơng iBMS cách hồn chỉnh 1.2 Mục tiêu đề tài luận văn: Luận văn “Hệ Thống Thơng Minh Giám Sát Quản Lý Tịa Nhà’ – giải pháp iBMS chủ yếu hướng đến hai mục tiêu sau: Luận văn thạc sỹ - HD: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt – TS Võ Văn Huy Hoàng – HV: Nguyễn Tấn Tồn Trang Hệ Thống Thơng Minh Giám Sát – Quản Lý Tòa Nhà - iBMS a Nghiên cứu iBMS giải pháp tiết kiệm lượng: Vấn đề tiết kiệm lượng ngày trở nên cấp thiết hoàn cảnh lượng hóa thạch trở nên cạn kiệt Việc nghiên cứu ứng dụng iBMS cho cao ốc cao cấp vốn tiêu thụ lượng lượng điện đáng kể mang lại hiệu suất tiết kiệm điện lên đến 30%; Mang lại giá trị kinh tế thực tế đáng kể cho chủ đầu tư dự án đóng góp vào thực chủ trương tiết kiệm lượng phục vụ cho cộng đồng xã hội nói chung b Yêu cầu thực tế tài liệu cho giải pháp iBMS Việt Nam: Việc nghiên cứu hệ thống hóa tài liệu rời rạc giải pháp iBMS đúc kết kinh nghiệm lắp đặt iBMS Việt Nam nhằm tạo thành tài liệu mang tính học thuật Việt Nam yêu cầu cần thiết thực tế Kỹ Sư Việt Nam làm việc lĩnh vực thiết kế thực hành lắp đặt giải pháp iBMS, Cơ – Điện - Lạnh dự án xây dựng cao ốc lớn cao cấp Việt Nam 1.3 Mục tiêu phạm vi ứng dụng giải pháp iBMS: a Mục tiêu: Giải pháp iBMS ứng dụng cho cao ốc nhằm đạt đến hai mục tiêu chính: • Giải pháp tích hợp & tối ưu hóa vận hành tất cảc hệ thống cao ốc: hệ thống iBMS thực thụ cho phép người quản lý điều khiển, phối hợp hoạt động giám sát từ trung tâm toàn hệ thống tòa nhà nhằm đảm bảo trình vận hành hệ thống cách tối ưu, xác hiệu Việc phối hợp hoạt động hệ thống thông qua công cụ giao tiếp, thống kê, phát tự động… giúp đáp ứng tốt yêu cầu mức độ sử dụng, đảm bảo an ninh, bảo trì, bảo hành, an tồn, tạo môi trường làm việc thân thiện, tiện nghi, thoải mái cho người tham gia hoạt động tịa nhà, góp phần nâng cao hiệu hoạt động tịa cao ốc người làm việc • Giải pháp tiết kiệm lượng cho cao ốc: chức tích hợp& tối ưu hóa vận hành hệ thống điện – lạnh, đặc biệt hệ thống nhiệt lạnh hệ thống đèn chiếu sáng vốn chiếm đến 80% công suất phụ tải tiêu thụ đem lại khả tiết giảm đến 30% tổng điện tiêu thụ cao ốc b Phạm vi ứng dụng giải pháp iBMS: Tuy nhiên, ứng dụng công nghệ iBMS thời điểm giới hạn cơng trình cao ốc qui mô lớn đẳng cấp cao cấp, chủ đầu tư phải tính tốn cân nhắc việc Luận văn thạc sỹ - HD: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt – TS Võ Văn Huy Hoàng – HV: Nguyễn Tấn Toàn Trang Hệ Thống Thông Minh Giám Sát – Quản Lý Tòa Nhà - iBMS đầu tư ban đầu vào iBMS vốn yêu cầu chi phí cao hiệu kinh doanh – đẳng cấp công trình cao ốc mà họ đầu tư 1.4 Các hệ thống điện-lạnh cao ốc: Hệ thống Cơ – Điện – Lạnh, đối tác làm việc giải pháp iBMS cao ốc bao gồm hệ thống: • Hệ thống cung cấp lượng điện (POWER SYSTEM) • Hệ thống chiếu sáng (LIGHTING SYSTEM) • Hệ thống điều hịa khơng khí – HVAC (HEATING VENTILATION AIR CONDITIONING) • Thang máy – (Vertical Transportation) • Hệ thống an ninh (SECURITY SYSTEM) • Hệ thống truy cập vào – (ACCESS CONTROL SYSTEM) • Hệ thống báo cháy chữa cháy (FIRE ALARM & FIRE PROTECTION SYSTEM) • Hệ thống thông tin liên lạc (TELECOMMUNICATION SYSTEM) Luận văn thạc sỹ - HD: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt – TS Võ Văn Huy Hoàng – HV: Nguyễn Tấn Toàn Trang Hệ Thống Thông Minh Giám Sát – Quản Lý Tòa Nhà - iBMS 1.5 Phương diện kinh tế kỹ thuật giải pháp iBMS: Các tòa cao ốc khơng có giải pháp iBMS hoạt động bình thường Tuy nhiên việc ứng dụng giải pháp iBMS mang lại khả tối ưu hóa vận hành tịa nhà, đặc biệt lợi ích to lớn vấn đề tiết giảm điện tiêu thụ xét phương diện kinh tế kỹ thuật a Cơ sở kinh tế: Giải pháp iBMS thực đem lại lợi ích to lớn kinh tế cho chủ đầu tư thông qua việc tiết giảm đáng kể nguồn điện tiêu thụ hệ thống nhiệt lạnh-thơng gió hệ thống chiếu sáng vốn chiếm đến 80% tổng điện tiêu thụ vận hành tòa cao ốc Giải pháp iBMS đem lại khả tiết giảm đến 30% tổng điện tiêu thụ cho việc vận hành cao ốc Xét cơng trình cao ốc khách sạn đẳng cấp quốc tế tọa lạc trung tâm Tp.HCM, 43 tầng, diện tích sàn xây dựng lên đến khoảng 85000 m2 Tổng vốn đầu tư cho cơng trình trình cao ốc khách sạn quốc tế khoảng 125 triệu USD Tổng công suất hệ thống điện: 10 MVA Tổng công suất điện cung cấp cho hệ thống Lạnh& Thơng gió: 6, MVA Tổng cơng suất điện cung cấp cho hệ thống đèn chiếu sáng: 1, MVA Tổng công suất điện cung cấp cho hệ thống khác: 20 MVA Điện tiêu thụ tiết giảm theo tính tốn sơ lược sau: (Điện tiêu thụ HT Lạnh &Thơng gió – Đèn chiếu sáng) x hệ số công suất x hệ số phụ tải trung bình thực tế x thời gian hoạt động trung bình tịa nhà x tiền điện theo giá kinh doanh x số ngày hoạt động tòa nhà tháng x hệ số tiết giảm điện nhờ giải pháp iBMS (80% x 10 000 kVA) x 0,95 x 0,85 x 20 x 2700 đồng/kWh x 30 ngày x 30% = 3,14 tỷ đồng Tương đương tiết kiệm 186 325 USD tháng Khả thu hồi vốn đầu tư: Theo thống kê cơng ty tư vấn thiết kế suất đầu tư trung bình giải pháp iBMS cho cơng trình cao ốc cao cấp là: 73, USD/ m2 Tỷ suất đầu tư cho ứng dụng giải pháp iBMS: 73, USD x 85 000 m2 / 125 triệu USD = % Vậy thời gian hoàn vốn đầu tư: 73, USD x 85 000 m2 / 186 325 x 12 = năm Luận văn thạc sỹ - HD: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt – TS Võ Văn Huy Hoàng – HV: Nguyễn Tấn Tồn Trang Hệ Thống Thơng Minh Giám Sát – Quản Lý Tòa Nhà - iBMS Trong đó, tuổi thọ hoạt động trung bình tòa cao ốc 30 năm b Cơ sở kỹ thuật: b1 Yếu tố thiết kế: giải pháp iBMS mang lại khả tối ưu hóa vận hành tịa nhà Ngồi ra, giải pháp iBMS tính đến từ giai đoạn thiết kế ban đầu “trục cáp chính“(Backbone network) hệ thống sau tích hợp thiết kế tổng thể giải pháp iBMS: • Hệ thống an ninh (SECURITY SYSTEM) • Hệ thống truy cập vào – (ACCESS CONTROL SYSTEM) • Hệ thống báo cháy (FIRE ALARM SYSTEM) Điều có ý nghĩa tối ưu hóa khâu thiết kế đương nhiên dẫn đến tiết kiệm chi phí đầu tư cho việc phải lắp đặt “trục cáp chính” cho hệ thống cách riêng biệt b2 Yếu tố vận hành hệ thống cao ốc: Trong cụm cao ốc lớn cao cấp, hệ thống Cơ – Điện Lạnh, báo cháy, an ninh… hoạt động phức tạp Giải pháp iBMS gọi “SCADA cao ốc” với ý nghĩa: iBMS thu thập, giám sát xử lý tín hiệu đầu vào tất hệ thống Cơ – Điện Lạnh, báo cháy, an ninh… Xuất cảnh báo, báo cáo, lập trình để tối ưu hóa cho hoạt động tập trung hóa việc điều khiển hệ thống tính chất ”tích hợp” Nói cách khác, iBMS giải pháp giúp tối ưu hóa điều hành tất hệ thống Cơ – Điện Lạnh, báo cháy, an ninh…một cách chuyên nghiệp 1.6 Định nghĩa thuật ngữ sử dụng giải pháp iBMS: a Architecture – Cấu trúc giải pháp iBMS: mơ hình cấu trúc mạng bao gồm tổ chức thành phần phần cứng phần mềm tạo nên hệ thống Trong cấu trúc phân lớp, phân bậc phân chia đảm nhận chức khác b Hardware - Phần cứng giải pháp iBMS: toàn thiết bị nằm tạo nên cấu trúc mạng; bao gồm vi xử lý cấp độ khác nhau, phần mềm tích hợp sẵn vi xử lý, cáp nguồn cáp truyền thông, thiết bị hiển thị đèn LED vi xử lý, loại thiết bị cảm biến, chuyển đổi tín hiệu analogue digital, relay c Software - Phần mềm giải pháp iBMS: Trong phần cứng cho phép người điều khiển tương tác hoạt động, diễn đạt biểu lộ in liệu phần mềm qui định tương Luận văn thạc sỹ - HD: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt – TS Võ Văn Huy Hoàng – HV: Nguyễn Tấn Toàn Trang Hệ Thống ng Thông Minh Giám Sát – Quản Lý Tịa Nhà - iBMS tác hoạt động diễn th nào, liệu hiển thị sao, vàà ngõ c máy in định dạng d Communication Photocol - Giao thức truyền thông: ngôn ngữ thông tin liên li lạc thành phần cấu trúc m iBMS, từ thiết bị đầu cuối (RTU) với ới thiết thi bị cảm biến (Sensor) đặt chỗ đối tác llàm việc iBMS (Hệ thống điện-lạnh), nh), từ RTU đến điều khiển số trực tiếp (DDC), ), ttừ DDC đến hệ thống máy tính trung tâm f Bộ lặp - Repeter: Thiết bị dùng để mở rộng ng mộ mạng truyền thơng khỏi phân vùng Nó khuyếch đại tái xuất lại tín hiệu Trong mạng máy tính tính, thiết bị thuộc phần cứng, cứng sử dụng để phát triển cự ly ghép nối mạng cách khuếch đại truyền thông tin chạy qua suốt mạng g Cầu nối - Bridge: Là thiết bị kết nối giữ mạạng truyền thông nội có chung tiêu chuNn Nn n khác đường cáp truyền dẫn, n, cho chúng khả trao đổi liệu với Sự định dạng ạng địa đị phải gíống cho mạng h Cầu dẫn - Router: Là thiết bị để kết nối vài mạạng truyền thông khác kiểu khác với ới mộ lớp mạng truyền thông chung Luận văn thạc sỹ - HD: PGS.TS Nguy Nguyễn Hoàng Việt – TS Võ Văn Huy Hoàng – HV: Nguyễn Nguy Tấn Tồn Trang Hệ Thống ng Thơng Minh Giám Sát – Quản Lý Tòa Nhà - iBMS i Cổng nối - Gateway: Là thiết bị kết nối giữaa mạ mạng truyền thông với đương ng nhiên có ý nghĩa ứng dụng “ Bridge” “Router”, ”, nhiên ssự khác biệt chức liên kết ết gi mạng truyền thơng có cấu trúc mạng truyền ền thơng vvà mơi trường truyền thông khác biệt ệt j Số (Digital): chuỗi ỗi xung điện áp mức 5V (10V) nhằm ằm truyền truy đạt thơng tin có nội dung Mã Morse ví dụ từ sớm kỹ thuật ật n Phổ biến xử lý computer ngày ày đđều sử dụng kỹ thuật số k Thiết bị điều khiển số trực ti tiếp - DCC (Digital Direct Controller) – m mạch kín điều khiển vi xử lý trực ực ti tiếp điều khiển thiết bị dựa ên thông tin nhận nh từ cảm biến đầu vào thông ssố cài cài đặt trước Trình tự điều u khiển đ lập trình sẵn lệnh ngõ đếnn cho thi thiết bị hoạt động DDC Luận văn thạc sỹ - HD: PGS.TS Nguy Nguyễn Hoàng Việt – TS Võ Văn Huy Hoàng – HV: Nguyễn Nguy Tấn Tồn Trang 76 Hệ Thống Thơng Minh Giám Sát – Quản Lý Tòa Nhà - iBMS Hệ thống bơm chữa cháy quản lý điều khiển kỹ thuật số MBC đáp ứng yêu cầu quản lý kỹ thuật, an tồn tiện ích sau: Trong điều kiện bình thường: + Tín hiệu nguồn điện cấp sẵn sàng đáp ứng để bơm chữa cháy điện hoạt động + Áp lực tĩnh hệ thống mức trì sẵn sàng cho việc vận hành (áp suất làm việc) + Mức nước bể chứa nước cung cấp đảm bảo mức yêu cầu sẵn sàng đáp ứng cho hệ thống vận hành chữa cháy Trong điều kiện cố: + Kiểm sóat chế độ vận hành bơm điện, bơm điện q tải ngừng họat động kiểm sóat chế độ họat động bơm diesel thay + Khi có cố cháy thật, cảm biến nhiệt độ phòng cảm nhận tăng nhiệt độ đột biến khu vực Khi nhiệt độ đạt ngưỡng giới hạn tín hiệu cảnh báo màu sắc hình đồ họa tiếng cịi máy tính điều khiển BCMS cài đặt riêng cho tín hiệu báo cháy kích hoạt, nhân viên vận hành nhận biết cảnh báo + Các thông tin cảnh báo – báo cháy hệ thống iBMS xử lý lưu giữ theo thời gian Hệ thống chữa cháy dùng khí nén: Luận văn cao học - HD: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt – TS Võ Văn Huy Hoàng – HV: Nguyễn Tấn Tồn 77 Hệ Thống Thơng Minh Giám Sát – Quản Lý Tòa Nhà - iBMS + Hệ thống lắp đặt 03 cảm biến áp suất tĩnh vị trí sau van điều áp khu vực đặt bình khí nén tầng hầm tầng 19 sau 02 van phân phối, cảm biến nối tới đầu vào máyMBC1 đặt tầng hầm MBC36 đặt tầng 19 + Các thông tin hệ thống chữa cháy khí nén cập nhật tới máy tính điều khiển, nâhn viên vận hành thực hệin việc giám sát tòan hệ thống thông qua thông số áp suất sẵn sàng cho chữa cháy đo đường ống dẫn hệ thống 5.5 Ứng dụng giải pháp iBMS đem lại khả tích hợp tồn hệ thống kỹ thuật : Việc tích hợp tới hệ thống iBMS mang lại nhiều tiện ích điều khiển giám sát hệ thống kỹ thuật tòa nhà Tích hợp hệ thống cho phép người vận hành, ban quản lý tịa nhà tiết kiệm chi phí vận hành, kéo dài tuổi thọ thiết bị tòan hệ thống kỹ thuật tòa nhà nâng cao khả quản lý tới tất hệ thống (xin vui lòng xem vẽ chi tiết kết nối tích hợp kèm theo) 5.5.1 Tích hợp điều khiển Chiller: - Để giám sát - điều khiển tốt Chiller, thiết bị tiêu thụ công suất lớn, điều khiển Chiller sử dụng giao thức chuNn BacNet, LONmark, ModBus, Profibus, EIB, M-Bus cung cấp thiết bị phần cứng tích hợp OPD Thiết bị OPD lắp đặt tủ MBC điều khiển Chiller bơm nước lạnh đặt tầng mái tòa nhà Luận văn cao học - HD: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt – TS Võ Văn Huy Hoàng – HV: Nguyễn Tấn Toàn 78 - Hệ Thống Thông Minh Giám Sát – Quản Lý Tòa Nhà - iBMS Sau thực việc tích hợp, tất tham số Chiller quản lý, giám sát hệ thống iBMS Các tham số giám sát quản lý áp suất hút, đNy máy nén, nhiệt độ môi chất lạnh đầu hút - đNy, chênh áp hút - đNy, thời gian chạy…Người vận hành kiểm sóat tham số man hình đồ họa hệ thống iBMS phòng điều khiển trung tâm Đây tham số để người quản lý lên kế hoạch để thực việc bảo trì, nâng cấp hệ thống, lập phương án vận hành phù hợp với yêu cầu thời tiết để phục vụ tòa nhà đảm bảo việc vận hành tiết kiệm điện 5.5.2 Tích hợp mạng đo lường M-Bus: - M-Bus sử dụng cho mạng đo lường lượng tiêu thụ nhiêt hệ thống điều hịa tích hợp vào hệ thống iBMS sử dụng M-Bus – OPD, vi xử lý giao thức M-Bus chuyên dụng cho việc kết nối từ điều khiển M-Bus trung tâm OWZ10 vào hệ thống iBMS - M-Bus – OPD lắp đặt tủ điều khiển kỹ thuật số MBC tích hợp đặt tủ điều khiển trung tâm Thông qua việc tích hợp, hệ thống BCMS quản lý số lượng tiêu thụ điều hòa AHU Các khu vực, đơn vị thuê mặt số liệu theo dõi hình dồ họa máy tính điều khiển iBMS 5.5.3 Tích hợp mạng đo lường EIB: - Mạng EIB sử dụng cho mạng đo lường điện tiêu thụ tầng hệ thống điều hòa khách hàng thuê mặt tích hợp vào hệ thống iBMS sử dụng EIB – OPD, vi xử lý giao thức EIB chuyên dụng cho việc kết nối từ diều khiển Backbone coupler N140 hệ thống EIB, sản phNm Siemens vào hệ thống BCMS - EIB – OPD lắp đặt tủ điều khiển kỹ thuật số MBC tích hợp đặt phịng điều khiển trung tâm Thơng qua việc tích hợp, hệ thống iBMS quản lý số điện tiêu thụ điều hòa AHU khu vực, đơn vị thuê mặt Các số liệu theo dõi hình đồ họa máy tính điều khiển iBMS 5.5.4 Tích hợp điều khiển Profibus DP: - Bộ điều khiển khả trình PLC S7-300 thiết bị sử dụng điều khiển giám sát hệ thống điện tòa nhà Bộ điều khiển điều khiển việc chuyển đổi điện tự động cho tiết bị đóng cắt chuyển đổi nguồn điện ATS (Automatic Transfer Switch) nguồn điện lưới nguồn điện máy phát Bộ điều khiển gồm CPU kết nối với sử dụng giao thức Profibus DP Luận văn cao học - HD: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt – TS Võ Văn Huy Hoàng – HV: Nguyễn Tấn Toàn 79 - Hệ Thống Thông Minh Giám Sát – Quản Lý Tịa Nhà - iBMS Chúng tơi đề xuất xử dụng 01 vi xử lý Profibus DP – OPD để thực kết nối tích hợp mức cao PLC S7-300 vào hệ thống BCMS Profibus DP – OPD lắp đặt tủ điều khiển kỹ thuật số MBC02, đặt phòng kỹ thuật điện tầng tịa nhà - Sau thực việc tích hợp, tất trạng thái hệ thống điện quản lý PLC S7-300 giám sát hệ thống iBMS Người vận hành kiểm soát trạng thái hệ thống điện hình đồ họa hệ thống phòng điều khiển trung tâm 5.5.5 Tích hợp hệ cấp nguồn khơng gián đọan UPS: - Để quản lý cấp nguồn không gián đoạn, hệ thống iBMS trang bị thiết bị tích hợp OPD có tiêu chuNn phù hợp với giao thức BACnet, Lontalk, Modbus, Profibuss, EIB phù hợp với tiêu chuNn SSPC135/1995 - Các thông số mà hệ thống iBMS thực quản lý bao gồm trạng thái vận hành UPS, dung lượng ắc quy UPS - Module tích hợp UPS với hệ thống iBMS đặt tủ điều khiển MBC02 phòng kỹ thuật điện tầng tòa nhà - Bộ điều khiển trình PLC S7-300 thiết bị sử dụng điều khiển giám sát hệ thống điện tòa nhà Bộ điều khiển điều khiển việc chuyển đổi tự động cho thiết bị đóng cắt Luận văn cao học - HD: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt – TS Võ Văn Huy Hoàng – HV: Nguyễn Tấn Toàn 80 Hệ Thống Thơng Minh Giám Sát – Quản Lý Tịa Nhà - iBMS chuyển đổi nguồn điện ATS (Automatic Transfer Switch) nguồn điện lưới nguồn điện máy phát Bộ điều khiển gồm 03 CPU kết nối với sử dụng giao thức Profibus DP - Sử dụng 01 vi xử lý Profibus DP – OPD để thực kết nối tích hợp mức cao PLC S7300 vào hệ thống iBMS Profibuss DP – OPD lắp đặt tủ điều khiển kỹ thuật số MBC02, đặt phòng kỹ thuật điện tầng tòa nhà - Sau thực việc tích hợp, tất trạng thái hệ thống điện quản lý PLC S7-300 giám sát hệ thống iBMS Người vận hành kiểm soát trạng thái hệ thống điện hình đồ họa hệ thống phòng điều khiển trung tâm 5.5.6 Tích hợp hệ thống an ninh: Luận văn cao học - HD: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt – TS Võ Văn Huy Hoàng – HV: Nguyễn Tấn Toàn 81 - Hệ Thống Thơng Minh Giám Sát – Quản Lý Tịa Nhà - iBMS Để thực kết nối hệ thống an ninh gồm phân hệ kỹ thuật camera quan sát hệ thống kiểm sóat chế độ vào, chúng tơi sử dụng mơ đun tích hợp OPD chun biệt cho kết nối hệ thống an ninh sử dụng giao thức BACnet, Lontalk, Modbus, Profibuss, EIB - Khi kết nối tới hệ thống thông tin hệ thống an ninh quản lý server hệ thống iBMS OPD tích hợp lắp đặt tủ điều khiển kỹ thuật số MBC tích hợp đặt phịng điều khiển trung tâm - Khi tích hợp, hệ thống iBMS thực việc tác động tới điểm an ninh, thực chức điều khiển tới tất cửa hệ thống an ninh quản lý, điều khiển mở tất cửa để phục vụ việc thóat hiểm trường hợp khNn cấp lập trình máy tính hệ thống iBMS - Cùng với thông tin này, nhân viên trực iBMS thực lập báo cáo, nhận báo cáo tự động hệ thống an ninh chuyển tới, server hệ thống iBMS có khả ngăng kích hoạt điều khiển theo lệnh mặc định lập trình trường hợp khNn cấp 5.5.7 Tích hợp giám sát hệ thống thang máy: Luận văn cao học - HD: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt – TS Võ Văn Huy Hoàng – HV: Nguyễn Tấn Tồn 82 - Hệ Thống Thơng Minh Giám Sát – Quản Lý Tòa Nhà - iBMS Nhiệt độ, độ Nm khu vực đặt thang máy hệ thống iBMS quản lý thông qua tín hiệu cảm biến nhiệt độ - độ Nm phịng - Thang máy sau tích hợp quản lý giám sát theo chiều dọc, hệ thống iBMS kiểm soát vận hành thang suốt hành lang hoạt động tình hoạt động bình thường, hay tình cố có hiểm, tránh tình trạng có người bị kẹt thang máy Người vận hành vào thông in cố thang máy mà ứng cứu ngưới bị kẹt cabin thang - Hệ thống iBMS cung cấp module tích hợp hệ thống thang máy có giao thức chuNn BACnet Modbus - Khi kết nối vào hệ thống iBMS, hình máy tính điều khiển hệ thống iBMS, người vận hành theo dõi vị trí thang tầng, trạng thái hoạt động thang - Hệ thống iBMS cung cấp đầu cho hệ thống thang máy 01 tín hiệu biến đổi trạng thái “DO” giá trị biến đổi 0-1 kiểu rơle, theo yêu cầu thiết kế kỹ thuật Đầu DO đáp ứng tiêu chuNn: + Điện áp đặt: U = 250VA + Dòng điện Imax = 4A 5.6 Nhận xét kết quả: Toà nhà Trung Tâm Thương Mại Dầu Khí Hà Nội trang trang bị hệ thống iBMS với khoảng 10.000 điểm điều khiển Tổng diện tích sử dụng 28.000m2 Cơng suất điện tính tốn cho tịa nhà khoảng 3000 kVA Hệ số công suất 0,86, hệ số sử dụng đồng thời 0,85 Cơng suất tiêu thụ tịa nhà: P = 3000.0,85.0,86 = 2,193 kW Điện tiêu thụ ngày: Pn= P.24 = 52,632 kWh Điện tiêu thụ tháng: Pt = Pn.30 = 1,578,960kWh Với mức giá điện kinh doanh Điện Lực tính thời điểm : 2,700VNĐ/1kWh Chi phí tiền điện tháng là: S = Pt.2700 = 4, 2633,192,000 VNĐ Khi trang bị hệ thống iBMS, tiết kiệm 15% lượng tiêu thụ Số tiền tiết kiệm tháng là: Sđ = S.0, 15 = 639,478,800 VNĐ Chi phí nâng cấp,bảo dưỡng cho hệ thống iBMS tính cho 01 tháng là: Sbd = 18,000,000,000 0,001 = 18,000,000 VNĐ Luận văn cao học - HD: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt – TS Võ Văn Huy Hoàng – HV: Nguyễn Tấn Tồn 83 Hệ Thống Thơng Minh Giám Sát – Quản Lý Tòa Nhà - iBMS Số tiền tiết kiệm tháng trang bị hệ thống iBMS là: Skt= Sđ–Sbd = 621,478,800 VNĐ Chi phí cho hệ thống iBMS khoảng 5% giá trị dự tốn tịa nhà Tổng chi phí dự kiến tịa nhà 360 tỷ, chi phí đầu tư cho hệ thống iBMS 18 tỷ Thời gian khấu hao hệ thống là: Tkh= 18,000,000,000 /Skt= 28,96 (tháng) = 2,4 năm Kếtluận: Vậy, với số vốn đầu tư cho hệ thống iBMS 5% dự tốn cơng trình, chủ đầu tư hoàn vốn hệ thống sau 2,4 năm hoạt động Với tuổi thọ hệ thống iBMS 20 năm bảo dưỡng định kỳ, lợi ích Chủ đầu tư sau thời gian khấu hao (Tính cho 20 năm đỉnh cao hiệu suất hoạt động tòa nhà) là: S = 12 Skt (20 –2, 4) = 131,256,322,000 VNĐ = 7,353,295 USD Luận văn cao học - HD: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt – TS Võ Văn Huy Hoàng – HV: Nguyễn Tấn Toàn 84 Hệ Thống Thơng Minh Giám Sát – Quản Lý Tịa Nhà - iBMS Chương 6: Giải pháp iBMS với mục tiêu tiết giảm lượng Trong tổng số điện tiêu thụ cao ốc, hệ thống chiếu sáng chiếm khoảng 15% hệ thống điều hịa khơng khí chiếm 65%; Vậy nên nói đến giải pháp tiết giảm điện tòa cao ốc, vào phân tích giải pháp tiết giảm lượng hệ thống chiếu sáng hệ thống điều hịa khơng khí 6.1 Giải pháp tiết giảm điện với hệ thống điều khiển chiếu sáng: Phần mềm tính tốn tiết kiệm điện HT điều khiển chiếu sáng hãng Hager - Đức HAGER PRODUCTS FOR SAVING ENERGY WITH LIGHTING CONTROL SYSTEM channels timer Light sensitive switch Presence detector 2-20.000lux Luận văn cao học - HD: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt – TS Võ Văn Huy Hoàng – HV: Nguyễn Tấn Tồn 85 Hệ Thống Thơng Minh Giám Sát – Quản Lý Tòa Nhà - iBMS Motion detector Universal Dimmer Chúng ta phân tích trường hợp cụ thể khu văn phòng tầng sử dụng giải pháp điều khiển chiếu sáng –Lighting control system – iBMS:( xem file excel- khổ giấy A3 - SO SÁNH ĐIỆN NĂNG TIÊU THỤ GIỮA HT CHIẾU SÁNG THÔNG THƯỜNG VÀ HT CHIẾU SÁNG DẠNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN) Luận văn cao học - HD: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt – TS Võ Văn Huy Hoàng – HV: Nguyễn Tấn Tồn 86 Hệ Thống Thơng Minh Giám Sát – Quản Lý Tòa Nhà - iBMS 6.2 Giải pháp tiết giảm điện với hệ thống điều hịa khơng khí: Với phần trình bày nêu chương - Phần mềm giải pháp iBMS, phần 4.2 (Phương thức vận hành hệ thống) chương 5.4 - Nghiên cứu ứng dụng giải pháp iBMS cho cơng trình cao ốc Trung Tâm Thương Mại Dầu Khí Hà Nội, phần 5.5 (Ứng dụng giải pháp iBMS để điều khiển quản lý toàn hệ thống kỹ thuật cơng trình cao ốc Trung Tâm Thương Mại Dầu Khí Hà Nội) – Ta tóm gọn giải pháp iBMS với mạng lưới thông tin liên lạc hệ thống cảm biến tiến hành thu thập liệu, thông số kỹ thuật đặc trưng hệ thống điều hịa khơng khí nhiệt độ, độ Nm, độ khơng khí, tín hiệu báo dịng chảy nước lạnh hệ thống đường ống, nhiệt độ, áp suất nước lạnh đầu vào, đầu Chiller… đưa máy tính chủ trung tâm iBMS phần mềm iBMS xử lý, giám sát – hiển thị, điều khiển theo chương trình cài đặt tối ưu chủ định đội ngũ vận hành kỹ thuật tòa nhà Hệ hoạt động công việc điều khiển hệ thống lạnh giải pháp iBMS tạo nên cân chất lượng khơng khí, hoạt động hợp lý điều chỉnh nhịp nhàng thiết bị chiller, bơm cấp nước lạnh hồi tiếp (Chiller Water Pump – Condensate Water Pump), tháp giải nhiệt (Cooling Tower), máy lạnh AHU (Air Handling Unit), FCU (Fan Coil Unit)… dẫn đến tăng hiệu đầu tư, giảm chi phí vận hành tiết giảm lượng Theo số liệu thống kê CABA – Continental Automated Buildings Association www.caba.org ASHRAE (American Society of Heating, Refregerating and Air Conditioning Engineers - Hiệp hội kỹ sư điều hịa khơng khí-điện lạnh Mỹ), điện tiêu thụ nhà văn phòng khu vực ASEAN thường là: 264KWh/m2/năm, khả tiết kiệm lượng từ 15% -20% so với khơng có giải pháp iBMS Một thống kê khác nước Đức cho cao ốc văn phòng đưa so sánh mức tiết giảm điện ứng dụng giải pháp iBMS với khơng có giải pháp sau: Luận văn cao học - HD: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt – TS Võ Văn Huy Hoàng – HV: Nguyễn Tấn Tồn 87 Hệ Thống Thơng Minh Giám Sát – Quản Lý Tịa Nhà - iBMS Qua cho thấy việc ứng dụng giải pháp iBMS đem lại khả tiết giảm điện đến 45% vận hành hệ thống điều hịa khơng khí so với chưa ứng dụng giải pháp Còn hệ thống chiếu sáng, giải pháp iBMS đạt mức tiết giảm điện lên đến 60% Như vậy, giải pháp iBMS cao ốc mang lại khả tiết giảm lượng điện thơng qua việc tối ưu hóa việc giám sát - điều khiển – vận hành hệ thống điều hịa khơng khí (chiếm khoảng 65% điện tiêu thụ) hệ thống chiếu sáng (chiếm khoảng 15% điện tiêu thụ) sau: 45% x 65% + 60% x 15% = 29.34% => xấp xỉ 30% Luận văn cao học - HD: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt – TS Võ Văn Huy Hoàng – HV: Nguyễn Tấn Toàn 88 Hệ Thống Thơng Minh Giám Sát – Quản Lý Tịa Nhà - iBMS Chương 7: Kết luận & Nhận định đề tài luận văn HỆ THỐNG THÔNG MINH GIÁM SÁT-QUẢN LÝ TÒA NHÀ - GIẢI PHÁP TIẾT KỆM NĂNG LƯỢNG CHO CÁC CAO ỐC – iBMS (intelligent BUILDING MANAGEMENT SYSTEM) Tịa nhà có hệ thống trung tâm - Khơng có iBMS: Điều hịa trung tâm (Chiller, VRV) Tủ điện hạ trung tâm Hệ báo cháy trung tâm Camera quan sát trung tâm (loại vùng) Khơng có iBMS Ta có nhận định rằng: • Các hệ thống trung tâm hoạt động riêng rẽ • Khơng có liên kết, phối hợp hệ thống • Khơng có quản lý theo dõichung • Mức độ tin cậy hệ thống thấp, lượng chưa tiết kiệm tốt Tòa nhà có hệ thống trung tâm - Có iBMS: Điều hòa trung tâm (Chiller, VRV) Tủ điện hạ trung tâm Hệ báo cháy trung tâm (Địa chỉ) Camera quan sát trung tâm Hệ thống kiểm sốt vào Có hệ thống iBMS làm tảng Ta có nhận định rằng: • BMS cho phép liên kết, phối hợp hệ thống • BMS tạo quản lý theo dõi chung, cung cấp phương tiện để vận hành tổng thể tịa nhà • Mức độ tin cậy hệ thống cao, lượng tiết giảm tốt Luận văn cao học - HD: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt – TS Võ Văn Huy Hoàng – HV: Nguyễn Tấn Toàn 89 Hệ Thống Thơng Minh Giám Sát – Quản Lý Tịa Nhà - iBMS Đạt 15% -20% tiết giảm điện so với khơng có iBMS (Theo số liệu CABA Continental Automated Buildings Asociationwww.caba.org ASHRAE -(American Society of Heating, Refregerating and Air Conditioning Engineers - Hiệp hội kỹ sư điều hịa khơng khí-điện lạnh Mỹ) Liên hệ thực tế giải pháp iBMS lĩnh vực xây dựng tòa nhà cao tầng Việt Nam: Khoảng 90% số nhà cao tầng Việt Nam có hệ thống sở hạ tầng, hệ thống cung cấp thải nước, hệ thống cung cấp điện, hệ thống quạt trần điều hòa hệ thống báo cháy Đây tịa nhà lọai thơng thường Trong phân khúc cao ốc cao cấp hơn, khỏang 50% số tịa nhà có trang bị hệ thống điều hịa tập trung, hệ thống bảo vệ báo cháy, hệ thống báo động xâm nhập giám sát bắng camera chưa có hệ thống BMS Tất thiết bị hệ thống điều hòa, báo cháy, điều khiển riêng biệt, điều khiển không trao đổi thơng tin với nhau, khơng có quản lý giám sát chung phần quản lý điện mức thấp Đây tịa nhà có hệ thống điều khiển giám sát tập trung, chưa có hệ thống iBMS Khỏang 30% số tịa nhà phân khúc có trang bị hệ thống điều hòa tập trung, hệ thống bảo vệ báo cháy, hệ thống báo động xâm nhập giám sát camera có trang bị hệ thống iBMS Tất thiết bị hệ thống điều hòa, báo cháy, điều khiển riêng biệt tích hợp phần Hệ iBMS cho phép trao đổi thông tin, giám sát hệ thống, cho phép quản lý tập trung Hệ iBMS cho phép quản lý điện mức cao Đây lọai tòa nhà cao tầng trang bị hệ thống tự động hóa iBMS Điều cho thấy có tịa nhà cao tầng Việt nam trang bị hệ thống quản lý tịa nhà thơng minh iBMS Khi trang bị hệ thống này, tất hệ thống điều hòa, báo cháy, chiếu sáng thang máy, cấp thoát nước, hệ thống điện, thông tin, an ninh điều khiển tập trung, tương tác tích hợp hệ iBMS Đây lọai nhà cao tầng thơng minh Cịn gọi tòa nhà hiệu cao, tòa nhà xanh, tòa nhà cơng nghệ cao Ngày nay, tịa nhà cao tầng khơng đạt tiêu chí diện tích sử dụng mà cịn phải đạt tiêu chí tiết kiệm điện năng, đạt tiêu chí mơi trường, tiêu chí tiện nghi, tiêu chí hệ thống thơng tin, tiêu chí an ninh Qua phân tích thực trạng hệ thống quản lý nhà cao tầng trên, thấy tính cấp thiết phải trang bị giải pháp iBMS cho tòa nhà cao tầng Việt Nam Luận văn cao học - HD: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt – TS Võ Văn Huy Hoàng – HV: Nguyễn Tấn Tồn 90 Hệ Thống Thơng Minh Giám Sát – Quản Lý Tòa Nhà - iBMS TÀI LIỆU THAM KHẢO: A Honeywell Engineering Manual of Automatic Control for Commercial Building B Collection Technique –Cahier technique no.209 Data Acquistion: Detection – Schneider Electric, November 2005 C Modeling the Building Automation System’s Performance A Thesis Presented to the Academic Faculty by Shariar Makarechi Georgia Institute of Technology – USA D Section 6: Building Controls – The University of Melbourne – Australia E Advanced Sensor Controls for Building Application: Market Assessment and Potential R&D Pathway – Pacific Northwest National Laboratory – Operated by Battle for the U.S Department of Energy F Building Management System: Beyond Electronics – H T Mustafa and Bansal – Department of Mechanic Engineering - The University of Aucland – Newzeeland G Building Management Systems in further and higher education – T.A.C, a company of Schneider Electric H Generic Building – Intelligent Integrated Building Management System Based on Intelligent Structured Cable System – Design Concept Proposal - T.A.C, a company of Schneider Electric I Standard Specification for BMS – Kevin Pennycook – BSRIA Limited – UK Luận văn cao học - HD: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt – TS Võ Văn Huy Hoàng – HV: Nguyễn Tấn Toàn ... Trang Hệ Thống Thơng Minh Giám Sát – Quản Lý Tòa Nhà - iBMS Đề tài: HỆ THỐNG THƠNG MINH GIÁM SÁT - QUẢN LÝ TỊA NHÀ GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG CHO CÁC CAO ỐC iBMS (intelligent BUILDING MANAGEMENT. .. tính giám sát trung tâm, cho giám sát điều khiển cách trực quan - Quản lý hệ thống điện: điều khiển giám sát hệ thống cung cấp nguồn điện, hệ thống chiếu sáng, máy phát điện dự phòng - Quản lý hệ. .. điện-lạnh cao ốc: Hệ thống Cơ – Điện – Lạnh, đối tác làm việc giải pháp iBMS cao ốc bao gồm hệ thống: • Hệ thống cung cấp lượng điện (POWER SYSTEM) • Hệ thống chiếu sáng (LIGHTING SYSTEM) • Hệ thống