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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM
oOo

MẠNH LÊ HOÀN

ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN
HỆ THỐNG HVAC


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT







TP. HCM 12- 2012




BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM
oOo

MẠNH LÊ HOÀN

ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN
HỆ THỐNG HVAC

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
MÃ SỐ: 60520216


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGÔ VĂN THUYÊN


TP. HCM 12- 2012
i
Lời cam đoan


Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố
trong bất kỳ công trình nào khác.



Tp. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 12 năm 2012
(Ký tên và ghi rõ họ tên)


Mạnh Lê Hoàn

ii
Lời cảm ơn

Sau một thời gian học tập và nghiên cứu tại trường, nay học viên đã hoàn
thành đề tài tốt nghiệp cao học của mình. Để có được thành quả này, học
viên đã nhận được rất nhiều sự hỗ trợ và giúp đỡ tận tình từ thầy cô, gia
đình, cơ quan và bạn bè.
Học viên xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc, chân thành đến Thầy TS.
Ngô Văn Thuyên, người đã tận tình trực tiếp hướng dẫn học viên thực hiện
hoàn thành luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn đến tất cả quí Thầy Cô trường Đại học Giao Thông
Vận Tải Thành phố Hồ Chí Minh đã trang bị cho học viên một lượng kiến
thức rất bổ ích, đặc biệt xin chân thành cảm ơn quí Thầy Cô Khoa Điện –
Điện Tử và Phòng Quản Lý Đào Tạo Sau Đại Học đã tạo điều kiện thuận lợi
và hỗ trợ cho học viên rất nhiều trong quá trình học tập cũng như trong thời
gian làm luận văn này.
Học viên xin gởi lời cảm ơn chân thành nhất đến đồng nghiệp, gia đình, bạn
bè đã giúp đỡ cho học viên rất nhiều, đã tạo cho học viên niềm tin và nỗ lực
cố gắng để hoàn thành luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn !






iii

Mục Lục
Trang
Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii
Mục Lục iii
Danh Mục Hình Vẽ vii
Danh Sách Các Bảng x
CHƯƠNG 1
Tổng Quan 1
1.1. Đặt vấn đề 1
1.2. Mục tiêu và giới hạn của đề tài 3
1.3. Phương pháp nghiên cứu 4
1.4. Ứng dụng của đề tài 4
1.5. Nội dung luận văn 4
CHƯƠNG 2
Tổng Quan Về Hệ Thống HVAC 6
2.1. Giới thiệu sơ lược về hệ thống điều hoà không khí 6
2.1.1. Biểu diễn quá trình điều hoà không khí trên đồ thị Carrier 6
2.1.2. Xác định các thông số tính toán trong hệ thống HVAC 8
2.1.2.1. Xác định các thông số trong nhà và ngoài trời 9
i. Thông số tính toán của không khí trong nhà 9
ii. Thông số tính toán của không khí ngoài trời 9
iii. Bảng tóm tắt các thông số nhiệt độ, độ ẩm tính toán 9
iv
2.1.2.2.
Xác định năng suất của máy điều hòa 10
i. Xác định lượng nhiệt hiện thừa của phòng 10
ii. Xác định lượng nhiệt ẩn tỏa ra của phòng 11
iii. Xác định lượng nhiệt hiện và ẩn do không khí từ ngoài đem vào 11

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

2.2. Giới thiệu sơ đồ HVAC tổng thể 15
2.3. Giới thiệu một số sơ đồ HVAC thông dụng tại Việt Nam 16
2.3.1. Sơ đồ điều chỉnh lưu lượng không khí cấp vào không gian điều hòa 16
2.3.2. Sơ đồ điều chỉnh lượng không khí hồi đi vòng và lượng không khí vào
trước dàn lạnh 17

2.3.3. Sơ đồ điều chỉnh năng suất lạnh 18
2.4. Kết luận 19
CHƯƠNG 3
Mô Hình Hóa Hệ Thống HVAC 20
3.1. Phân tích sơ đồ điều chỉnh năng suất lạnh 20
3.2. Mô hình toán học của không gian điều hòa và các phần tử trong hệ thống
HVAC 22

3.2.1. Mô hình toán học của không gian điều hòa 22
3.2.2. Mô hình toán học của các phần tử trong hệ thống HVAC 24
3.2.2.1. Mô hình toán học của dàn lạnh 24
3.2.2.2. Mô hình toán học của các loại cảm biến 26
3.2.2.3. Mô hình toán học của nhiệt điện trở 27
3.3. Mô hình toán học của hệ thống HVAC 27
v
3.3.1. Khái quát 27

3.3.2. Quá trình gia ẩm – làm lạnh 29
3.3.3. Quá trình tách ẩm – gia nhiệt 30
3.4. Kết quả mô phỏng các mô hình toán học 32
3.4.1. Các thông số cơ sở cho quá trình mô phỏng 32

3.4.2. Kết quả mô phỏng không gian điều hòa 34
3.4.3. Kết quả mô phỏng dàn lạnh 36
3.4.4. Kết quả mô phỏng điện trở 37
3.4.5. Kết quả mô phỏng hệ thống HVAC 37
CHƯƠNG 4
Thiết Kế Và Mô Phỏng Bộ Điều Khiển 42
4.1. Giải thuật điều khiển 42
4.2. Xây dựng bộ điều khiển và kết quả mô phỏng 43
4.2.1. Xây dựng bộ điều khiển 43
4.2.2. Kết quả mô phỏng 45
CHƯƠNG 5
Kết Quả Thực Nghiệm 50
5.1. Mô tả phần cứng của hệ thống HVAC 50
5.1.1. Phần cơ khí 50
5.1.2. Phần mạch điện - điện tử 52
5.1.3. Phần thu thập dữ liệu thông qua card PCI-1711U 55
5.2. Thu thập và xử lý tín hiệu 56
5.2.1. Tín hiệu nhiệt độ 56
vi
5.2.2. Tín hiệu độ ẩm 58

5.2.3. Kết nối vào – ra của mô hình thực nghiệm 59
5.3. Kết quả thực nghiệm 61
CHƯƠNG 6
Kết Luận Và Hướng Phát Triển Của Đề Tài 64
6.1. Kết luận 64
6.1.1. Các kết quả đã đạt được của đề tài 64
6.1.2. Hạn chế 64
6.2. Hướng phát triển của đề tài 65
TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

PHỤ LỤC 67
Phụ lục A: code Matlab “xác định mô hình toán học của không gian điều hòa” . 67
Phụ lục B: code Matlab “xác định mô hình toán học của điện trở” 74
Phụ lục C: code Matlab “xác định thông số vật lý của không khí” 81
Phụ lục D: code Matlab “mô phỏng nhiệt độ của hệ thống HVAC” 84
Phụ lục E: code Matlab “mô phỏng độ ẩm của hệ thống HVAC” 104
Phụ lục F: ma trận khuyếch đại tương đối 124
Phụ lục G: phương pháp IMC (Internal Mode Control) 126
Phụ lục H: code Matlab “chương trình Matlab GUI” 129
Phụ lục I: chương trình C điều khiển van nước lạnh bằng PIC 149
Phụ lục J: chuyển đổi nhiệt độ sang U-I 152

vii
Danh Mục Hình Vẽ
Trang
Hình 2.1. Sơ đồ điều tiết không khí 6

Hình 2.2. Quá trình điều tiết không khí 8
Hình 2.3. Sơ đồ điều hoà không khí tổng quát. 15
Hình 2.4. Sơ đồ điều chỉnh lưu lượng không khí cấp vào không gian điều hoà. 17
Hình 2.5. Sơ đồ điều chỉnh lượng không khí hồi đi vòng và lượng không khí vào
trước dàn lạnh. 18

Hình 2.6. Sơ đồ điều chỉnh năng suất lạnh. 19
Hình 3.1. Sơ đồ điều chỉnh năng suất lạnh dùng trong mô hình hóa 21
Hình 3.2. Các trạng thái không khí khi qua sơ đồ điều chỉnh năng suất lạnh 21
Hình 3.3. Sơ đồ các dòng nhiệt 22
Hình 3.4. Tín hiệu vào - ra của dàn lạnh 25
Hình 3.5. Quá trình thay đổi nhiệt độ, độ ẩm trong phòng 28
Hình 3.6. Sơ đồ điều khiển nhiệt độ, độ ẩm 28

Hình 3.7. Sơ đồ khối điều khiển nhiệt độ, độ ẩm 29
Hình 3.8. Sơ đồ khối của quá trình gia ẩm – làm lạnh 29
Hình 3.9. Sơ đồ khối của quá trình tách ẩm – gia nhiệt 32
Hình 3.10. Kết quả mô phỏng không gian điều hòa với dàn lạnh 10 kW 35
Hình 3.11. Kết quả mô phỏng với dàn lạnh 20 kW 35
Hình 3.12. Kết quả mô phỏng với số lần trao đổi gió là 10 35
Hình 3.13. Kết quả mô phỏng với dàn lạnh 10 kW 36
Hình 3.14. Kết quả mô phỏng với điện trở 10 kW 37
viii
Hình 3.15. Mô hình mô phỏng quá trình tách ẩm – gia nhiệt 38

Hình 3.16. Thông số vật lý của không khí ở nhiệt độ 30ºC, độ ẩm 80% 39
Hình 3.17. Thông số vật lý của không khí ở nhiệt độ 22ºC, độ ẩm 60% 39
Hình 3.18. Kết quả mô phỏng quá trình gia nhiệt trong hệ thống HVAC 41
Hình 3.19. Kết quả mô phỏng quá trình tách ẩm trong hệ thống HVAC 41
Hình 4.1. Hệ thống tương tác với tín hiệu điều khiển 43
Hình 4.2. Nhiệt độ của hệ thống khi có tín hiệu điều khiển thích hợp 46
Hình 4.3. Độ ẩm của hệ thống khi có tín hiệu điều khiển thích hợp 47
Hình 4.4. Tín hiệu nhiệt độ tác động vào hệ thống 47
Hình 4.5. Đáp ứng của hệ thống với tác động của nhiệt độ từ bên ngoài 48
Hình 4.6. Tín hiệu độ ẩm tác động vào hệ thống 48
Hình 4.7. Đáp ứng của hệ thống với tác động của độ ẩm từ bên ngoài 49
Hình 5.1. Phần cơ khí của mô hình HVAC 50
Hình 5.2. Phần mạch điện tử của mô hình HVAC 52
Hình 5.3. Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển van nước lạnh 53
Hình 5.4. Sơ đồ mạch in của mạch điều khiển van nước lạnh 53
Hình 5.5. Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển điện trở 54
Hình 5.6. Sơ đồ mạch in của mạch điều khiển điện trở 54
Hình 5.7. Bố trí thiết bị điện – điện tử trong tủ điều khiển mô hình HVAC 55
Hình 5.8. Card PCI – 1711U 56

Hình 5.9. Card PCLD – 8710 56
Hình 5.10. Mạch chuyển đổi và khuyếch đại tín hiệu nhiệt độ 57
Hình 5.11. Sơ đồ mô phỏng chuyển đổi dòng điện và điện áp của nhiệt độ 57
ix
Hình 5.12. Dung kháng của cảm biến thay đổi theo độ ẩm 58

Hình 5.13. Sơ đồ khối chuyển đổi tín hiệu cảm biến ẩm 58
Hình 5.14. Sơ đồ mạch chuyển đổi tín hiệu cảm biến ẩm 59
Hình 5.15. Quan hệ giữa dòng điện ra và độ ẩm tương đối 59
Hình 5.16. Kết nối vào – ra của card PCI-1711 60
Hình 5.17. Tín hiệu vào - ra trong Simulink 60
Hình 5.18. Nhiệt độ trong mô hình hệ thống HVAC 61
Hình 5.19. Độ ẩm trong mô hình hệ thống HVAC 61
Hình 5.20. Tín hiệu điều khiển điện trở 62
Hình 5.21. Tín hiệu điều khiển van nước lạnh 63
Hình G.1. Cấu trúc điều khiển IMC 126
Hình G.2. Cấu trúc điều khiển phản hồi 128
Hình J.1. Sơ đồ mô phỏng chuyển đổi dòng điện và điện áp của nhiệt độ 152
Hình J.2. Chi tiết RTD 100 152
Hình J.3. Chi tiết Wheatstone Bridge 153
Hình J.4. Chi tiết Amplifying Circuit 153
Hình J.5. Chi tiết Voltage to Current Converter 153






x
Danh Sách Các Bảng

Trang
Bảng 1.1. Nhiệt độ và độ ẩm thích hợp cho sản xuất 2

Bảng 2.1. Nhiệt độ và độ ẩm ngoài trời 10
Bảng 3.1. Thông số thiết kế yêu cầu 32
Bảng 3.2. Thông số vật lý 33
Bảng 3.3. Thông số thiết kế theo tiêu chuẩn ASHREA 34
Bảng 3.4. Thông số của mô hình thực tế 40
Bảng 5.1. Các giá trị tương ứng giữa nhiệt độ và điện trở 56














1. Tổng Quan 1


Chương 1
Tổng Quan
1.1. Đặt vấn đề
Lĩnh vực điều hòa không khí hay gọi tắt là HVAC (Heating, Ventilating & Air

Conditionning) đã hình thành và phát triển từ lâu đời đặc biệt phát triển mạnh mẽ
vào thế kỷ 20 nhờ sự phát triển của các ngành công nghiệp và khoa học, nhưng các
công trình chủ yếu mới là khống chế nhiệt độ chứ chưa đáp ứng được các yêu cầu
kỹ thuật cần thiết. Xuất phát từ những nhu cầu cụ thể của từng ngành kỹ thuật đã
hình thành hai xu hướng cơ bản là điều hòa tiện nghi cho các phòng ở và điều hòa
công nghệ phục vụ các nhu cầu sản xuất.
Nhiều tác giả qua nghiên cứu đã công bố các kết quả về tiêu chuẩn, xu thế thiết kế
và điều khiển hệ thống HVAC [1,2,3]. Dựa vào các kết quả nghiên cứu này,
ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning
Engineers) đã phát triển và ứng dụng như một tiêu chuẩn điều hòa không khí nhằm
cải thiện điều kiện lao động của con người trong nhiều ngành công nghiệp như:
dược phẩm, thực phẩm, giấy, in, máy chính xác, điện tử,…Các thông số không khí
như nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió, độ sạch không khí,…phải phù hợp với yêu cầu
công nghệ sản xuất hoặc chế biến. Bảng 1.1 giới thiệu một số giá trị thích hợp về
nhiệt độ, độ ẩm tương đối của không khí thích hợp cho sản xuất [
4] của một số
ngành công nghiệp.
Năm 1911, Willis H. Carrier, người được xem là ông tổ của ngành kỹ thuật điều hòa
không khí, đã đưa ra định nghĩa điều hòa không khí là kết hợp sưởi ấm, làm lạnh,
gia ẩm, hút ẩm, lọc và rửa không khí, tự động duy trì khống chế trạng thái không
khí không đổi phục vụ cho mọi yêu cầu tiện nghi và công nghệ. Ngoài việc ông là
người đi đầu trong việc xây dựng cơ sở lý thuyết, ông còn phát minh, sáng chế, thiết
kế và chế tạo các thiết bị của hệ thống điều hòa không khí.

1. Tổng Quan 2


Bảng 1.1. Nhiệt độ và độ ẩm thích hợp cho sản xuất.
Ngành công
nghiệp

Công nghệ sản xuất
Nhiệt độ,
ºC
Độ ẩm tương đối, %
Sợi
Chải, xe sợi 22 ÷ 25 55 ÷ 70
Dệt sợi 22 ÷ 25 70 ÷ 80
Bia
Lên men 3 ÷ 4 50 ÷ 70
Xử lý malt 10 ÷ 15 80 ÷ 85
Thực phẩm
Bơ 16 60
Làm bánh 18 ÷ 27 45 ÷ 65
Máy chính xác
Lắp ráp 20 ÷ 24 40 ÷ 50
Gia công 24 45 ÷ 55
Tuy nhiên, sau cuộc khủng hoảng năng lượng năm 1970, qua nghiên cứu thấy rằng
hệ thống HVAC tiêu thụ khoảng 40-50 phần trăm năng lượng trên thế giới[1]. Từ
đó, nhiều ngành kỹ thuật nói chung và ngành kỹ thuật điều khiển tự động nói riêng
đã tập trung nghiên cứu để làm giảm điện năng tiêu thụ của hệ thống HVAC.
Để thành công trong việc nghiên cứu điều khiển hệ thống HVAC, các tác giả trên
thế giới đã chỉ quan tâm đến duy nhất một thông số như nhiệt độ[5], thiết bị[6], sơ
đồ HVAC[7], không gian điều hòa[8],…Tuy nhiên, hệ thống HVAC là một hệ
thống phức hợp, phi tuyến, nhiều đầu vào ra (MIMO) với các biến số có mối liên
quan mật thiết như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất,…và tác động nhiễu lớn, không ổn định
như nhiệt độ ngoài trời, hoạt động của máy móc, thiết bị, con người,…Do đó, vấn
đề đặt ra là tìm một mô hình toán để mô tả chính xác các quá trình trong hệ thống
HVAC phù hợp những tiêu chuẩn, những tham số riêng biệt và điều khiển chúng là
không dễ dàng. Thêm vào đó là các quá trình nhiệt động và quán tính nhiệt đều
được bỏ qua trong hầu hết các mô hình toán nên việc xây dựng mô hình thực tế từ

mô hình toán cũng khiến việc nghiên cứu gặp không ít khó khăn.
1. Tổng Quan 3


Việt Nam là một trong những nước nằm trong vùng khí hậu nóng ẩm, cùng với sự
đi lên của của nền kinh tế đất nước, trên tất cả các miền của đất nước ta, các công
trình nhà ở, khách sạn, bệnh viện, phân xưởng sản suất đã và đang được xây dựng
không thể thiếu phần trang bị các hệ thống điều hoà không khí để tạo ra môi trường
không khí tiện nghi cho sinh hoạt con người và cho quy trình công nghệ sản xuất.
Với thế giới, kỹ thuật điều hoà không khí đã được phát triển từ lâu nhưng với Việt
Nam thì đó còn là một lĩnh vực mới phát triển. Do đó, vấn đề tìm hiểu, nghiên cứu,
ứng dụng lý thuyết điều khiển tự động để điều khiển hệ thống HVAC cho phù hợp
với điều kiện thực tế ở Việt Nam hầu như còn bỏ ngõ.
Trong tình hình thực tế ở Việt Nam hiện nay, điều khiển hệ thống HVAC chủ yếu là
điều khiển làm giảm nhiệt độ, độ ẩm cũng như tiết kiệm điện năng tiêu thụ dựa trên
thuật toán ON/OFF (bang bang) hoặc PID một biến mà không tính đến tác động qua
lại giữa hai đại lượng nhiệt độ và độ ẩm với nhau có thể dẫn hệ thống đến chỗ mất
ổn định hoặc ổn định trong phạm vi rất hẹp và tiêu thụ năng lượng lớn.
Từ những vấn đề được trình bày ở trên, nhận thấy điều khiển hệ thống HVAC là
điều khiển các thông số không khí như nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió,…nên tác giả
lấy tên đề tài luận văn là “Điều khiển đa biến hệ thống HVAC” với nhiệm
vụ chính là thiết kế một bộ điều khiển tự động giữ ổn định đồng thời nhiệt độ và độ
ẩm cho không gian điều hoà đáp ứng được những tiêu chuẩn GMP (Good
Manufacturing Practices) của tổ chức WHO (World Health Organization).
1.2. Mục tiêu và giới hạn của đề tài
Nhằm thực hiện mục tiêu phân tích, thiết kế, thi công bộ điều khiển giữ ổn định
nhiệt độ, độ ẩm của hệ thống HVAC đáp ứng được các tiêu chuẩn GMP-WHO, năm
mục tiêu cơ bản sau đây phải được hoàn thành:
• Xây dựng mô hình toán học của hệ thống HVAC áp dụng tại Việt Nam.
• Phân tích, thiết kế, mô phỏng mô hình toán trên Matlab.

• Thiết kế và thi công không gian điều hoà thực theo mô hình toán.
1. Tổng Quan 4


• Thiết kế và thi công bộ điều khiển tự động giữ ổn định đồng thời nhiệt độ và
độ ẩm.
• Chạy thử nghiệm cho kết quả bằng mô hình thực.
Trong điều khiển HVAC, người ta đặc biệt quan tâm tới sự thoả hiệp yêu cầu chất
lượng nhiều mặt, trong đó khả năng loại bỏ nhiễu và tính ổn định bền vững là hai
trong những tiêu chí đánh giá quan trọng. Thực tế ít có phương pháp nào lại có thể
cho một bộ tham số tốt ngay từ lần chỉnh định đầu tiên, nên giới hạn của đề tài là
điều khiển đồng thời nhiệt độ và độ ẩm của mô hình hệ thống HVAC .
1.3. Phương pháp nghiên cứu
Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận văn bao gồm:
• Khảo sát, phân tích tổng hợp
• Mô phỏng trên máy tính
• Thiết kế mô hình thực nghiệm
• Đánh giá kết quả dựa trên mô phỏng và thực nghiệm
1.4. Ứng dụng của đề tài
Lĩnh vực điều hòa không khí hay gọi tắt là HVAC (Heating, Ventilating & Air
Conditionning) đã và đang được sử dụng sử dụng rộng rãi tại Việt Nam như phân
xưởng sản xuất dược phẩm ở nhà máy Domexco-Đồng Tháp, phân xưởng sản xuất
linh kiện điện tử tại nhà máy Fujitsu-Đồng Nai,…Việc điều khiển nhanh chóng,
chính xác đồng thời các thông số của AHU (Air Handling Unit) trong hệ thống
HVAC sẽ làm giảm chi phí vận hành và tiết kiệm điện năng tiêu thụ góp phần giảm
quá tải lên lưới điện quốc gia trong mùa khô.
1.5. Nội dung luận văn
Phần còn lại của nội dung luận văn bao gồm:
Chương 2. Tổng quan về hệ thống HVAC:
1. Tổng Quan 5

Chương này trình bày cơ sở lý thuyết, lý luận và các giả thuyết khoa học của hệ
thống HVAC. Phần cuối của chương trình bày một số sơ đồ điều hòa không khí đã
và đang được sử dụng tại Việt Nam.
Chương 3. Mô hình hóa hệ thống HVAC:
Ở đầu chương phân tích lưu đồ công nghệ, áp dụng các định luật cơ bản của vật lý,
hóa học, kết hợp với các thông số kỹ thuật của thiết bị công nghệ để tìm ra quan hệ
giữa các đại lượng đặc trưng trong hệ thống HVAC. Sau đó, quá trình xây dựng mô
hình toán học và kết quả mô phỏng của hệ thống điều hoà không khí sẽ được trình
bày ở cuối chương.
Chương 4. Thiết kế và mô phỏng bộ điều khiển:
Giải thuật điều khiển và quá trình thiết kế, mô phỏng bộ điều khiển giữ ổn định
nhiệt độ, độ ẩm trong hệ thống HVAC sẽ được trình bày chi tiết trong chương này.
Chương 5. Kết quả thực nghiệm
Chương này trình bày quá trình thực nghiệm và kết quả đạt được với giải thuật điều
khiển trong chương 4.
Chương 6. Kết luận và hướng phát triển của đề tài
Các kết quả đạt được trong luận văn, các mặt hạn chế và hướng phát triển của đề tài
được thể hiện trong chương này.







2. Tổng Quan Về Hệ Thống HVAC 6

Chương 2
Tổng Quan Về Hệ Thống HVAC
Hầu hết các phương pháp điều khiển hiện đại đều dựa trên cơ sở mô hình toán học
được xây dựng bằng các thông số vật lý hoặc bằng thực nghiệm. Chương này trình
bày sơ lược về cơ sở lý thuyết, lý luận và các giả thuyết khoa học của hệ thống
HVAC trước khi đi vào nội dung mô hình hóa của hệ thống điều hòa không khí
trong chương sau. Phần cuối của chương trình bày một số sơ đồ điều hòa không khí
đã và đang được sử dụng tại Việt Nam.
2.1. Giới thiệu sơ lược về hệ thống điều hoà không khí
2.1.1. Biểu diễn quá trình điều hoà không khí trên đồ thị Carrier
Kỹ thuật điều hoà không khí là kỹ thuật khống chế các thông số của không khí (như
nhiệt độ, độ ẩm,…) trong không gian cần điều hoà nằm trong vùng cho phép. Tùy
theo đặc điểm của môi trường không khí xung quanh bên ngoài phòng cần điều hòa
(mùa lạnh hay mùa nóng) và yêu cầu trạng thái không khí trong không gian cần
điều hòa mà hệ thống điều hòa có hay không có bộ phận gia nhiệt không khí.

Hình 2.1. Sơ đồ điều tiết không khí
2. Tổng Quan Về Hệ Thống HVAC 7


Quá trình xử lý không khí được thực hiện như Hình 2.1, trạng thái không khí N
được hút vào quạt là trạng thái của không khí ngoài trời sau khi hỗn hợp với không
khí hồi sẽ có trạng thái H. Không khí này được xử lý bụi bằng cách cho đi qua bộ
lọc bụi, sau khi qua dàn lạnh sẽ chuyển sang trạng thái O. Không khí ở trạng thái O
khi qua điện trở gia nhiệt thì trạng thái của nó là Q. Không khí ở trạng thái Q khi
qua quạt trạng thái của nó là Q’. Khi qua ống dẫn khí, trạng thái không khí cũng bị
biến đổi từ Q’ sang V, V là trạng thái không khí đi vào không gian điều hoà. Cần
chú ý quá trình O-Q, Q-Q’ và Q’-V là quá trình có độ chứa hơi không đổi. Khi tính
toán sơ bộ có thể coi các điểm Q,Q’ và V trùng nhau. Như vậy, không khí đi vào
không gian cần điều hoà V là hỗn hợp khí tươi ở ngoài trời N hoà trộn với khí hồi

T. Toàn bộ quá trình nói trên được biểu diễn bằng đồ thị Carrier như Hình 2.2.
Trục tung của đồ thị trong Hình 2.2 là độ chứa hơi d (g/kg), bên cạnh là trục hệ số
nhiệt hiện SHF (sensible heat factor) được định nghĩa bằng công thức 2.1:
hh
ha
QQ
SHF
QQ Q
= =
+
(2.1)
Trong đó
h
Q
(kW) là nhiệt hiện,
a
Q
(kW) là nhiệt ẩn, và
Q
(kW) là tổng nhiệt của
quá trình điều hòa không khí.
Trục hoành của đồ thị trong Hình 2.2 là nhiệt độ
t
(ºC). Các đường biểu diễn trên đồ
thị Carrier được ký hiệu như sau:
•
d
= Const là đường thẳng song song với trục hoành (g/kg)
•
t

= Const là đường thẳng song song với trục tung (ºC)
•
I
= Const là đường thẳng tạo với trục tung một góc 135º, giá trị entanpi của
không khí ẩm bão hòa (có thể coi là của không khí ẩm chưa bão hòa) được
cho trên đường thẳng bên trái đường
ϕ
= 100% (kJ/kg)
•
V
= Const là đường thể tích riêng (m
3
/kg)
•
hc
I

= Const là đường hiệu chỉnh entanpi.
2. Tổng Quan Về Hệ Thống HVAC 8



Hình 2.2. Quá trình điều tiết không khí
2.1.2. Xác định các thông số tính toán trong hệ thống HVAC
Để biểu diễn các lượng nhiệt trao đổi tương ứng trong từng quá trình, đặt các ký
hiệu sau:

N
I
: entanpi của không khí ngoài trời (kJ/kg)

O
I
: entanpi của không khí sau khi ra khỏi giàn lạnh (kJ/kg)

Q
I
: entanpi của không khí khi ra khỏi quạt (kJ/kg)
V
I
: entanpi của không khí sau khi qua ống dẫn không khí thổi vào phòng
(kJ/kg)

T
I
: entanpi của không khí trong không gian điều hòa (kJ/kg)

G
: lượng không khí đi qua dàn lạnh thổi vào phòng (kg/s)
N
G
: lượng không từ ngoài vào phòng (kg/s)
Phụ tải của hệ thống máy lạnh:
O HO
Q G(I I )= −
(2.2)
2. Tổng Quan Về Hệ Thống HVAC 9


Nhiệt lượng mà không khí hấp thụ khi đi qua quạt:

q QO
Q G(I I )= −
(2.3)
Nhiệt lượng mà không khí hấp thụ khi đi qua ống dẫn:
d VQ
Q G(I I )= −
(2.4)
Lượng nhiệt cần xử lý trong không gian điều hòa (không khí từ V biến đổi thành T):
V TV
Q G(I I )= −
(2.5)
2.1.2.1. Xác định các thông số trong nhà và ngoài trời
i. Thông số tính toán của không khí trong nhà
Theo [4], các thông số nhiệt độ
T
t
, độ ẩm
T
ϕ
được chọn phù hợp với đối tượng làm
việc sao cho đáp ứng được yêu cầu vệ sinh và yêu cầu công nghệ có xét tới yêu cầu
về tính kinh tế.
ii. Thông số tính toán của không khí ngoài trời
Việc chọn thông số tính toán ngoài trời phụ thuộc vào mùa nóng, lạnh và cấp điều
hòa. Nhiệt độ và độ ẩm tương đối của không khí ngoài trời
N
t
,
N
ϕ

chọn theo cấp III
của hệ thống HVAC bình thường:
Mùa nóng:
N tbmax N tbmax
t t , (t )= ϕ=ϕ

Mùa lạnh:
N tbmin N tbmin
t t , (t )= ϕ=ϕ

Trong đó
tbmax
t
,
tbmin
t
là nhiệt độ trung bình của tháng nóng nhất và lạnh nhất trong
năm.
tbmax
(t )ϕ
,
tbmin
(t )ϕ
là độ ẩm trung bình của tháng nóng nhất có
tbmax
t
và của
tháng lạnh nhất có
tbmin
t

trong năm.
iii. Bảng tóm tắt các thông số nhiệt độ, độ ẩm tính toán
Theo [4], có thể dùng Bảng 2.1 cho 3 thành phố chính của Việt Nam trong việc
chọn thông số tính toán trong nhà và ngoài trời.
2. Tổng Quan Về Hệ Thống HVAC 10


Bảng 2.1. Nhiệt độ và độ ẩm ngoài trời
Địa điểm Hà Nội Đà Nẵng Hồ Chí Minh
Vĩ độ
21º 00' Bắc
16º 10' Bắc 10º 24' Bắc
Nhiệt độ nhiệt kế khô
(mùa hè), ºC
37.2 36.1 33.9
Nhiệt độ nhiệt kế ướt
(mùa hè), ºC
29.4 30 29.4
Độ ẩm (mùa hè), % 85 76.4 86
Nhiệt độ nhiệt kế khô
(mùa đông), ºC
10 15.6 18.3
Độ ẩm (mùa đông), % 81 89.5 77.8
2.1.2.2. Xác định năng suất của máy điều hòa
Từ Hình 2.1 và công thức 2.2, tổng nhiệt thừa
Q
của không gian điều hòa cần phải
lấy đi cũng chính là năng suất lạnh
O
Q

. Việc xác định năng suất của máy điều hòa
phụ thuộc vào kết cấu, vị trí và tải nhiệt của không gian điều hòa. Thông thường
người ta xác định các thông số sau:
i. Xác định lượng nhiệt hiện thừa của phòng
Theo [9], lượng nhiệt hiện thừa của phòng
hf
Q
gồm:
hf 1 2 3
Q QQQ=++
(2.6)
Ở đây,
1
Q
(W) là nhiệt hiện bức xạ mặt trời vào phòng,
2
Q
(W) là nhiệt hiện truyền
qua kết cấu bao che phòng và
3
Q
(W) là nhiệt hiện tỏa ra từ nguồn nhiệt trong
phòng (do người, đèn chiếu sáng, máy móc). Việc tính toán cụ thể các thông số
1
Q
,
2
Q
,
3

Q
có thể tham khảo trong tài liệu [9].
2. Tổng Quan Về Hệ Thống HVAC 11


ii. Xác định lượng nhiệt ẩn tỏa ra của phòng
Nhiệt ẩn tỏa ra
af
Q
trong không gian cần điều hòa có thể gồm: nhiệt ẩn tỏa ra từ
người (do mồ hôi, hơi thở), nhiệt ẩn tỏa ra từ thức ăn (nếu là nhà hàng ăn uống),
nhiệt ẩn tỏa ra từ thùng chứa môi chất nóng (nếu là phân xưởng sản xuất). Nhiệt ẩn
tỏa ra từ thức ăn có thể cộng thêm 10W vào lượng nhiệt ẩn do một người tỏa ra.
Vậy khi không tính nhiệt ẩn từ thùng chứa môi chất nóng thì lượng nhiệt ẩn do
người tỏa ra chính là nhiệt ẩn tỏa ra của phòng cần điều hòa:
af a
Q n.q=
(2.7)
Trong đó
n
,
a
q
(W) lần lượt là số người trong phòng cần điều hòa và lượng nhiệt
ẩn tỏa ra từ một người.
iii. Xác định lượng nhiệt hiện và ẩn do không khí từ ngoài đem vào
Trong hệ thống HVAC luôn phải đưa một lượng không khí tươi (chứa nhiều O
2
) từ
ngoài trời vào phòng điều hòa, lúc này không khí ngoài trời sẽ tỏa ra nhiệt hiện

hN1
Q
, nhiệt ẩn
aN1
Q
. Mặt khác, không gian điều hòa tuy kín nhưng vẫn có hiện
tượng không khí lọt vào phòng qua cửa ra vào, qua khe hở cửa,…Mức độ rò rỉ
không khí vào phòng phụ thuộc vào độ chênh áp suất ngoài và trong, tốc độ gió, số
lần đóng mở cửa, đặc điểm khe hở,…Do tính không quy luật của hiện tượng rò rỉ
cho nên việc tính lượng nhiệt hiện
hN2
Q
, nhiệt ẩn
aN2
Q
của không khí đem vào này
là khá khó khăn.
• Nhiệt hiện và nhiệt ẩn do không khí tươi từ ngoài chủ động đưa vào phòng
hN1 N N T
Q 1.23xL x(t t )= −
(2.8)
aN1 N N T
Q 3xL x(d d )= −
(2.9)
Với:
hN1
Q
- Nhiệt hiện chủ động từ ngoài vào (W)
aN1
Q

- Nhiệt ẩn chủ động từ ngoài vào (W)
2. Tổng Quan Về Hệ Thống HVAC 12


N1
L nxl=
– lượng không khí tươi từ ngoài trời (l/s)
n
– số người trong phòng cần điều hòa.
1
l
– lượng không khí tươi từ ngoài trời cần đưa vào phòng cho một người (l/s)
N
t
– Nhiệt độ ngoài trời (ºC)
T
t
- Nhiệt độ trong phòng (ºC)
N
d
– Độ chứa hơi của không khí ngoài trời (g/kg)
T
d
– Độ chứa hơi của không khí trong phòng (g/kg)
• Nhiệt hiện và nhiệt ẩn của không khí rò rỉ từ ngoài vào phòng điều hòa theo
kinh nghiệm
hN2 N T
Q 0.39x(t t )xVx= −ξ
(2.10)
aN2 N T

Q 0.84x(d d )xVx= −ξ
(2.11)
Với:
hN2
Q
- Nhiệt hiện rò rỉ từ ngoài vào (W)
aN2
Q
- Nhiệt ẩn rò rỉ từ ngoài vào (W)
V
– Thể tích của không gian điều hòa (m
3
)
ξ
– hệ số kinh nghiệm (tham khảo tài liệu[9]).
N
t
– Nhiệt độ ngoài trời (ºC)
T
t
- Nhiệt độ trong phòng (ºC)
N
d
– Độ chứa hơi của không khí ngoài trời (g/kg)
T
d
– Độ chứa hơi của không khí trong phòng (g/kg)
2. Tổng Quan Về Hệ Thống HVAC 13

iv. Xác định lượng không khí qua dàn lạnh và nhiệt độ thổi vào không gian điều
hòa bằng đồ thị Carrier
• Bước 1:
- Tính hệ số nhiệt hiện của phòng RSHF (room sensible heat factor):
hf hf
hf af f
QQ
RSHF
QQ Q
= =
+
(2.12)
- Tính hệ số nhiệt hiện tổng (grand sensible heat factor):
hh
ha
QQ
GSHF
QQ Q
= =
+
(2.13)
Trong đó:
hN hN1 hN2
QQQ= +
: tổng nhiệt hiện của không khí từ ngoài trời vào phòng (W)
aN aN1 aN2
QQQ
= +
: tổng nhiệt ẩn của không khí từ ngoài trời vào phòng (W)
h hf hN

QQQ
= +
: tổng nhiệt hiện của máy điều hòa (W)
a af aN
QQQ= +
: tổng nhiệt ẩn của máy điều hòa (W)
- Tính hệ số nhiệt hiệu dụng ESHF (effective sensible heat factor):
hef hef
ef hef aef
QQ
ESHF
QQQ
= =
+
(2.14)
Trong đó:
hef hf hN
Q Q BF.Q= +
: nhiệt hiện hiệu dụng của phòng (W)
aef af aN
Q Q BF.Q= +
: nhiệt ẩn hiệu dụng của phòng (W)
BF
: hệ số đi vòng (tham khảo tài liệu[9])
• Bước 2:
- Xác định điểm trạng thái không khí trong phòng
TT
T(t , )ϕ
, và không khí ngoài trời
NN

N(t , )ϕ
, điểm gốc G(24ºC, 50%).