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

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi, được thực hiện
dưới sự hướng dẫn khoa học của tập thể hướng dẫn. Tất cả những tài liệu mà luận án có
trích dẫn đã được liệt kê đầy đủ và rõ ràng, ngoài ra tác giả không trích dẫn bất kỳ tài liệu
nào khác. Các số liệu và kết quả nghiên cứu nêu trong luận án là trung thực và chưa từng
được ai khác công bố trong bất kỳ công trình nào.
Tập thể hướng dẫn

TS. Nguyễn Xuân Tiên

Nghiên cứu sinh

PGS.TSKH Nguyễn Văn Mạnh

i

Nguyễn Đình Vịnh


LỜI CẢM ƠN
Trước hết, tôi xin trân trọng cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Đào

tạo Sau Đại học, Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt – Lạnh và các Giáo sư, Phó Giáo sư,
Tiến sĩ, thầy cô và các đồng nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi và góp nhiều ý kiến quý báu
giúp tôi hoàn thành bản luận án này.

Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến PGS.TSKH. Nguyễn

Văn Mạnh và TS. Nguyễn Xuân Tiên đã hết lòng hướng dẫn, giúp đỡ, tin tưởng và tạo mọi
điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài.

Tôi xin cảm ơn Bố, Mẹ, Vợ và người thân đã luôn bên tôi, ủng hộ và động viên tôi

trong suốt quá trình nghiên cứu.

Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè đồng nghiệp, các cán bộ quản lý và vận hành

Tòa nhà Mipec Tower đã giúp đỡ, tạo điều kiện tốt cho tôi tìm hiểu và lấy số liệu thực tế
tại đơn vị.

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Nguyễn Đình Vịnh

ii


LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN

i

ii

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

iii

vii
ix

x

MỞ ĐẦU

1

1.1.

Các hệ thống điều hòa không khí trung tâm chiller

4

1.3.

Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.2.

Phân phối phụ tải trong vận hành trạm lạnh trung tâm chiller

1.3.1. Tình hình nghiên cứu trong nước

1.3.2. Đánh giá chung các phương pháp nghiên cứu tối ưu hóa tiêu hao
năng lượng cho các hệ thống điều hòa không khí ở nước ngoài
1.3.2.1. Phương pháp giải tích xác định
1.3.2.2. Phương pháp giải tích bất định

4

6

7

7

9
9

14

1.3.3. Các nghiên cứu của Thomas Hartman

18

1.3.3.2. Nguyên lý phân tích tối ưu hóa LOOP

21

1.3.3.1. Nguyên lý hiệu quả biên đồng đều

1.3.4. Các nghiên cứu dựa trên các phương pháp mô hình hóa

18

22

1.3.5. Các nghiên cứu dựa trên các phương pháp toán tối ưu

24

1.4.

29

1.3.6. Một số nghiên cứu của các tác giả khác

1.5.

Lý thuyết tối ưu hóa vượt khe và bài toán tối ưu hóa phân phối
phụ tải trong nhà máy nhiệt điện
Các vấn đề tồn tại và nội dung nghiên cứu

CHƯƠNG 2: PHÁT TRIỂN ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT TỐI ƯU HÓA
VƯỢT KHE CHO HỆ THỐNG CHILLER
2.1

2.1.1
2.1.2

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

tối ưu trong trạm lạnh trung tâm chiller
Các hàm mục tiêu trong vận hành trạm lạnh trung tâm chiller

Bài toán phân phối phụ tải tối ưu trong trạm lạnh trung tâm
chiller
iii

27

30

32
32

32

33


2.2

Phát triển ứng dụng lý thuyết tối ưu hóa vượt khe

2.2.2

Xây dựng bài toán tối ưu hóa chế độ vận hành

2.2.1
2.2.3

Xây dựng bài toán mô hình hóa đặc tính năng lượng của thiết bị
Cách giải bài toán

34

34

38

40

2.2.3.1 Chuẩn hóa chỉ tiêu tối ưu

40

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

41

2.2.3.2 Chuyển đổi bài toán
2.2.4

Nguyên tắc phân phối phụ tải tối ưu

2.3.1

Nghiên cứu địa hình hàm mục tiêu

2.3

2.3.2

40

43

Phương pháp tối ưu hóa vượt khe

44

Thuật toán vượt khe

45

2.3.2.1 Thuật toán xác định bước vượt khe

2.3.2.2 Hướng tìm kiếm hướng chiếu Affine

44

46

48

2.4

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

50

2.4.2

Xác định tiết kiệm năng lượng theo đặc tuyến tiêu thụ năng
lượng

51

2.4.1

2.4.3
2.5

Xác định tiết kiệm năng lượng theo đặc tuyến phụ tải lạnh

Xác định lượng phát thải tiết kiệm
Kết luận chương 2

50

51

52

CHƯƠNG 3: TRẠM LẠNH TRUNG TÂM CHILLER VÀ PHƯƠNG
PHÁP THU THẬP, XỬ LÝ SỐ LIỆU

53

3.1.1

Hệ thống điều hòa không khí trung tâm chiller giải nhiệt nước

53

Hệ thống điều khiển tự động và phương pháp thu thập dữ liệu
vận hành

57

Thu thập dữ liệu vận hành

60

3.1

3.1.2
3.1.3
3.2

3.2.1

Lựa chọn đối tượng nghiên cứu điển hình

Trạm lạnh trung tâm chiller trong tòa nhà Mipec Tower

Phương pháp thu thập và xử lý số liệu

3.2.1.1 Thu thập dữ liệu từ dữ liệu lịch sử của hệ thống BAS
3.2.1.2 Thu thập dữ liệu tại hiện trường
3.2.2

Phương pháp xử lý số liệu đầu vào

3.2.2.1 Xử lý số liệu của một điểm đo

3.2.2.2 Ghép các tệp dữ liệu khác nhau

iv

53

55

60
60

62

63

63

64


3.2.3

Mô hình đặc tuyến năng lượng của các thiết bị

3.2.5

Tính toán năng lượng tiết kiệm và giảm phát thải

3.2.4
3.3

Xây dựng hàm mục tiêu tối ưu
Kết luận chương 3

64

65

65

65

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

67

4.2

Mô hình đối tượng thiết bị chính

67

Mô hình đặc tuyến làm việc của bơm nước lạnh và bơm nước
giải nhiệt

73

Hàm mục tiêu tiết kiệm năng lượng

76

4.1

4.2.1
4.2.2
4.3
4.3.1
4.3.2
4.3.3
4.4
4.4.1
4.4.2
4.4.3
4.5
4.6

Xử lý số liệu

Mô hình đặc tuyến năng lượng của máy lạnh trung tâm chiller

67

68

Hàm mục tiêu tiết kiệm năng lượng và đường đặc tuyến phân
phối phụ tải cho trạm lạnh trung tâm chiller

76

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

77

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

81

Đặc tuyến phụ tải tòa nhà

82

Đường đặc tuyến phân phối phụ tải tối ưu cho cụm máy lạnh
trung tâm chiller

78

Đặc tuyến tiết kiệm năng lượng

81

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

84

Kết luận chương 4

86

Đề xuất quy trình vận hành tối ưu năng lượng cho hệ thống điều
hòa không khí trung tâm chiller tại tòa nhà Mipec Tower

85

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT

87

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

96

TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC

Phụ lục 1: Tổng quan về hệ thống điều hòa không khí trung tâm chiller

Phụ lục 2: Bảng thống kê một số hệ thống điều hòa không khí trong các
tòa nhà điển hình tại Hà Nội

Phụ lục 3: Bảng điểm điều khiển hệ thống BAS cho trạm lạnh trung tâm
tòa nhà Mipec Tower
v

89

PL1

PL17

PL20


Phụ lục 4: Cấu trúc dữ liệu lịch sử và các macro trong Excel dùng cho
xử lý số liệu

PL23

Phụ lục 6: Bảng đặc tuyến năng lượng tối ưu cụm máy lạnh trung tâm
chiller tại tòa nhà Mipec Tower

PL27

Phụ lục 8: Số liệu vận hành của chiller số 1 tại tòa nhà Mipec Tower
tháng 6/2013

PL30

Phụ lục 5: Bảng đặc tuyến năng lượng của chiller tại tòa nhà Mipec
Tower

PL26

Phụ lục 7: Bảng tính tiết kiệm năng lượng cho cụm máy lạnh trung tâm
chiller tại tòa nhà Mipec Tower

PL28

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

PL46

vi


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Danh mục các ký hiệu
Ký hiệu

Mô tả

Thứ nguyên

COP

Hiệu quả năng lượng

EF

Hệ số phát thải lưới điện

Hq

Cột áp tĩnh ngoài của quạt

Pa

L

Lưu lượng gió

m3/h

LNL

Lưu lượng nước lạnh qua bình bay hơi

l/s

NPLV

Giá trị non tải không tiêu chuẩn

E

EQ
IPLV, IEER
LaGN
LGN
N

Điện năng tiêu thụ tiết kiệm được
Lượng phát thải CO2 tiết kiệm được

kWh

Tấn CO2/MWh

Giá trị non tải tích hợp

Lưu lượng gió qua tháp giải nhiệt

Tấn CO2

m3/h

Lưu lượng nước giải nhiệt qua bình ngưng

l/s

Công suất tiêu thụ điện

kW

Tổng công suất bơm nước lạnh

kW

N1

Tổng công suất máy nén

N3

Tổng công suất bơm nước giải nhiệt

Nq

Công suất động cơ của quạt

kW

Năng suất lạnh

kW

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

kW

N2
N4

Tổng công suất quạt tháp giải nhiệt

NGN

Công suất tiêu thụ điện của quạt tháp giải nhiệt

Qk

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

Qo

QC
QS

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

kW

kW

kW

kW
kW

kW

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

o

C

toncoil

Nhiệt độ không khí trước khi vào dàn lạnh

o

Nhiệt độ môi trường

o

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

o

toffcoil

Nhiệt độ không khí sau khi ra khỏi dàn lạnh

o

o

Độ ẩm môi trường

%



Hệ số bơm nhiệt

to


Hệ số làm lạnh

vii

C
C
C
C


oncoil

Độ ẩm không khí trước khi vào dàn lạnh

%

offcoil

Độ ẩm không khí sau khi ra khỏi dàn lạnh

%

Wp

Năng suất phun ẩm (của thiết bị xử lý không khí)

kg/h

Wh

Năng suất hút ẩm (của thiết bị xử lý không khí)

Danh mục các ký hiệu dưới
GN
CH

kg/h

Giải nhiệt
Chiller

NL

Nước lạnh

AHU

Air Handling Unit

Danh mục các chữ viết tắt
BAS

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

Chiller

Chilled Water Packaged Chiller

ĐHKK

Điều hòa không khí

ĐVT

Đơn vị tính

CDW
CHW

ĐTNL

Condeser Water
Chilled Water

Đặc tuyến năng lượng

FCU

Fan Coil Unit

PPPT

Phân phối phụ tải

MLTT
TKNL
TLTT

Máy lạnh trung tâm
Tiết kiệm năng lượng

Trạm lạnh trung tâm

TTGNG Trung tâm giải nhiệt gió

TTGNN Trung tâm giải nhiệt nước

viii


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 4.1

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

ix


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1

Tóm tắt cấu trúc và phân loại hệ thống điều hòa không khí trung tâm chiller

Hình 2.1

Sơ đồ phân cấp giải bài toán phân phối phụ tải

Hình 1.2
Hình 2.2
Hình 2.3
Hình 2.4

Hình 2.5
Hình 2.6
Hình 2.7
Hình 3.1
Hình 3.2
Hình 4.1
Hình 4.2
Hình 4.3
Hình 4.4
Hình 4.5

Sơ đồ phân tích tối ưu hóa LOOP

Đường cong trơn từng khúc của đặc tính năng lượng

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

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

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

Thể hiện hình học của quá trình tìm kiếm tối ưu theo thuật toán VAF
Sơ đồ khối tìm “hướng vượt khe” theo điều kiện (2.27)

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

trong tòa nhà Mipec Tower

Sơ đồ hệ thống BAS cho tạm lạnh trung tâm chiller tại tòa Mipec Tower

Kết quả mô hình hóa đặc tuyến năng lượng của chiller số 1
Kết quả mô hình hóa đặc tuyến năng lượng của chiller số 2
Kết quả mô hình hóa đặc tuyến năng lượng của chiller số 3
Kết quả mô hình hóa đặc tuyến năng lượng của chiller số 4
Đặc tuyến năng lượng của 4 chiller

HÌnh 4.6

Đặc tuyến COP thực tế của 4 chiller

Hình 4.8

Đặc tuyến làm việc của 4 bơm nước giải nhiệt

Hình 4.7
Hình 4.9

Hình 4.10

Đặc tuyến làm việc của 4 bơm nước lạnh

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

Tower

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

x

Hình 4.11
Hình 4.12
Hình 4.13
Hình 4.14

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

cụm chiller tại tòa nhà Mipec Tower

Đặc tuyến phụ tải tòa nhà Mipec Tower ngày 26/7/2013
Đặc tuyến phụ tải tòa nhà Mipec Tower tháng 7/2013

Phân chia dải công suất phụ tải tổng trong đặc tuyến tiết kiệm năng lượng

theo chế độ phân phối phụ tải tối của cụm chiller tại tòa nhà Mipec Tower

xi


MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của đời sống xã hội, nhu cầu năng lượng ngày càng tăng một

cách nhanh chóng. Để đáp ứng nhu cầu năng lượng, một mặt chúng ta cần phải đẩy mạnh
khai thác các nguồn năng lượng sẵn có và phát triển năng lượng mới. Mặt khác, phải tìm

cách sử dụng các nguồn năng lượng một cách tiết kiệm và hiệu quả, nói gọn hơn là phải

“tiết kiệm năng lượng”. Tiết kiệm năng lượng góp phần giảm chi phí đầu tư phát triển hệ

thống cung cấp năng lượng, đồng thời góp một phần đáng kể vào việc bảo vệ môi trường
và chống biến đổi khí hậu toàn cầu.

Vai trò của hiệu quả sử dụng năng lượng là rất to lớn đối với sự phát triển kinh tế

xã hội, an toàn năng lượng và nâng cao mức sống nhân dân [28, 33, 34, 47, 49]. Đó là vấn
đề nổi cộm đã được đưa vào chính sách quốc gia của nước ta cũng như đa số các nước trên

thế giới. Quốc hội nước ta đã ban hành luật sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả số
50/2010/QH12. Đồng thời, Chính phủ đã cụ thể hóa bằng chương trình mục tiêu quốc gia

về sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả, ban hành theo Quyết định số 79/2006 QĐTTg ngày 14/04/2006. Trong đó [2], đưa ra mục tiêu phấn đấu tiết kiệm từ 3% - 5% tổng
mức tiêu thụ năng lượng toàn quốc giai đoạn 2006-2010, và từ 5% - 8% tổng mức tiêu thụ
năng lượng giai đoạn 2011-2015.

Ở những nước có khí hậu nóng ẩm như nước ta, các hệ thống điều hòa không khí

(ĐHKK) chiếm một tỷ trọng lớn trong tổng nhu cầu tiêu thụ năng lượng cho xã hội và dân

sinh. Theo thống kê, các hệ thống ĐHKK ở nước ta tiêu tốn tới 50% ~ 60% tổng công suất
điện tiêu thụ trong các công trình dân sinh, như các tòa nhà thương mại, dân dụng và khách

sạn [19]. Vì vậy, chỉ cần có giải pháp tiết kiệm được vài phần trăm chi phí năng lượng
trong các công trình đó cũng mang lại một hiệu quả kinh tế xã hội to lớn, góp phần quan
trọng giảm nhu cầu tiêu thụ năng lượng.

Ý nghĩa kinh tế to lớn của vấn đề tiết kiệm năng lượng (TKNL) trong ĐHKK đã

thu hút sự quan tâm chú ý của nhiều chuyên gia và các nhà nghiên cứu với nhiều giải pháp

được đưa ra. Có thể phân chia sự nghiên cứu đó thành hai mảng chính. Mảng thứ nhất là
các nghiên cứu nhằm cải tiến nâng cao hiệu suất cũng như độ an toàn của các loại thiết bị

thành phần trong hệ thống ĐHKK. Mảng thứ hai bao gồm các nghiên cứu về phương thức
vận hành hệ thống sao cho giảm thiểu tới mức có thể chi phi năng lượng.

Cho đến nay, đã có rất nhiều kết quả nghiên cứu được công bố, đặc biệt các vấn đề

thuộc mảng thứ nhất được nghiên cứu khá hoàn thiện. Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu
1


thuộc mảng thứ hai có phần khiêm tốn hơn, còn nhiều bài toán phức tạp để lại chưa giải

quyết hoặc giải quyết chưa hiệu quả, đặc biệt là các vấn đề trong bài toán tối ưu hóa tổng
thể chế độ vận hành hệ thống.

Hệ thống ĐHKK trung tâm chiller là một hệ thống nhiệt qui mô lớn, bao gồm các

thiết bị chính và nhiều thiết bị phụ trợ liên kết với nhau theo cấu trúc phân cấp. Điều đó

cho thấy đặc điểm và tính chất phức tạp của bài toán tối ưu hóa chế độ vận hành hệ thống.

Về bài toán này, còn nhiều vấn đề bỏ trống, đặc biệt là cách đặt và giải quyết bài toán trong
điều kiện Việt Nam. Hầu hết các công trình nghiên cứu chỉ mới dừng lại ở việc đánh giá

bản chất các quá trình trong từng thiết bị cụ thể như: bơm nước tuần hoàn, tháp giải nhiệt,

máy lạnh trung tâm (MLTT) chiller, bộ xử lý không khí... Trong khi đó, mỗi thiết bị thành
phần của hệ thống đều có quan hệ phụ thuộc lẫn nhau trong một thực thể thống nhất. Hơn

nữa tính chất đa mục tiêu của bài toán tối ưu hóa hệ thống hầu như chưa đặt ra và giải
quyết theo quan điểm hệ thống.

Trong bối cảnh nghiên cứu tối ưu hóa chế độ vận hành hệ thống ĐHKK trung tâm

chiller, nổi lên một vấn đề trung tâm mà ít người quan tâm tới. Đó là bài toán phân phối
phụ tải tối ưu giữa các tổ máy máy lạnh đang làm việc. Trong khi đó, bài toán tương tự đã
được giải quyết hiệu quả đối với nhà máy nhiệt điện, dựa theo cách đặt vấn đề tối ưu hóa
đa mục tiêu và trên cơ sở áp dụng thuật toán vượt khe [12,15,16,20].

Từ những phân tích trên trên đây, mục tiêu nghiên cứu của đề tài luận án đặt ra là

xây dựng phương pháp luận giải quyết bài toán tối ưu hóa chế độ làm việc của trạm lạnh
trung tâm (TLTT) chiller nhằm cực tiểu hóa tiêu hao năng lượng vận hành. Nội dung
nghiên cứu dựa trên cơ sở phát triển áp dụng lý thuyết tối ưu hóa hệ thống lớn và thuật

toán tối ưu hóa vượt khe. Kết quả nghiên cứu dự kiến nhằm làm cơ sở cho việc thiết lập
chế độ vận hành hợp lý các TLTT chiller.

Đối tượng của đề tài hướng tới là các hệ thống ĐHKK trung tâm chiller được sử

dụng phổ biến tại Việt Nam, trọng tâm nhằm vào TLTT chiller, nơi tiêu tốn phần lớn lượng
điện tiêu thụ của toàn hệ thống.

Nội dung chính của luận án được bố cục như sau:

- Phần mở đầu nêu tính cấp bách của vấn đề nghiên cứu các giải pháp TKNL trong

các hệ thống ĐHKK, đặc biệt trong điều kiện Việt Nam.

2


- Chương 1: Giới thiệu cấu trúc và nguyên lý vận hành một hệ thống ĐHKK trên cơ

sở kỹ thuật hiện đại. Phân tích tổng quan các kết quả nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam
về các giải pháp giảm thiểu chi phí vận hành hệ thống ĐHKK.

- Chương 2: Giới thiệu bài toán tối ưu hóa chế độ vận hành hệ thống lớn và lý

thuyết tối ưu hóa vượt khe. Trình bày sự phát triển áp dụng phương pháp luận trên cho hệ

thống ĐHKK trung tâm chiller, bao gồm hai bài toán mô hình hóa đặc tính tiêu hao năng
lượng và bài toán tối ưu hóa PPPT giữa các tổ máy lạnh trong hệ thống.

- Chương 3: Trình bày phương pháp thu thập số liệu vận hành thực tế và cách xử lý

đưa về dạng thích hợp cho việc giải bài toán tối ưu hóa chế độ làm việc của hệ thống phục
vụ cho quá trình vận hành ở chu kỳ sau.

- Chương 4: Áp dụng phương pháp luận đã phát triển trong chương 2 và chương 3

vào bài toán thực tế là tối ưu hóa vận hành TLTT chiller trong tòa nhà Mipec Tower (Hà
Nội). Đồng thời, đánh giá hiệu quả kinh tế thu được theo phương thức vận hành tối ưu.

- Kết luận: Tóm tắt những kết quả nghiên cứu chính và đề xuất quy trình áp dụng

phương thức PPPT tối ưu xác định được đối với các hệ thống ĐHKK tương tự.
Kết quả, ý nghĩa khoa học và thực tiễn dự kiến của đề tài bao gồm:

 Phân tích hệ thống trên quan điểm tối ưu hóa để xây dựng bài toán tối ưu chế
độ vận hành với trọng tâm là TLTT chiller giải nhiệt nước.

 Phương pháp xây dựng đặc tuyến năng lượng của các thiết bị chính trong TLTT
chiller, dựa theo mô hình đa thức từng khúc bậc hai và áp dụng thuật toán tối ưu
hóa vượt khe.

 Phương pháp giải bài toán tối ưu hóa chế độ vận hành TLTT chiller với mục
tiêu chính là cực tiểu hóa chi phí năng lượng cho vận hành, trên cơ sở áp dụng
thuật toán vượt khe.

 Phát triển mở rộng phần mềm “Power” áp dụng cho tính toán hiệu quả TKNL
và giảm phát thải của quá trình vận hành hệ thống ĐHKK trung tâm chiller.

3


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Chương 1 giới thiệu tổng quan đặc điểm công nghệ của hệ thống điều hòa không

khí trung tâm chiller cùng với các vấn đề trong vận hành hệ thống. Đồng thời, trình bày sơ

lược tình hình nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước liên quan đến đề tài, từ đó
xác định mục tiêu nghiên cứu của đề tài.

1.1

Các hệ thống điều hòa không khí trung tâm chiller

Hệ thống ĐHKK trung tâm chiller là một hệ thống phức hợp bao gồm nhiều thành

phần cấu thành và có hoạt động liên động chặt chẽ với nhau. Về cơ bản, nó được xếp vào
hệ thống làm lạnh/sưởi ấm gián tiếp thông qua chất tải lạnh, phổ biến là nước, với máy làm

lạnh nước trung tâm chiller và các bộ xử lý không khí AHU, FCU kiểu khô hay kiểu ướt.

Liên động giữa hai thành phần chính này là hệ thống phân phối nước/chất tải lạnh và hệ
thống điện, điện điều khiển phức hợp. Bản thân các bộ xử lý không khí cũng cấu trúc khác
nhau theo ứng dụng đi kèm với hệ thống phân phối không khí khác nhau [3, 23, 24, 54].

Tóm tắt cấu trúc và phân loại hệ thống ĐHKK trung tâm chiller được thể hiện ở

hình 1.4. Việc gọi tên hệ thống tùy thuộc theo cách phân loại, ứng dụng của hệ thống cũng
như các sơ đồ hệ thống khác nhau mà nó là sự tổ hợp của các thành phần và chủng loại

thiết bị trong hệ thống. Cấu trúc thành phần của hệ thống được tổ hợp theo nhiều phương

thức khác nhau. Chi tiết hơn về cấu trúc hệ thống ĐHKK trung tâm chiller và các thành
phần thiết bị của nó được diễn giải ở phụ lục 1.

Hệ thống ĐHKK trung tâm chiller được phân loại thành hai loại chính là Hệ thống

ĐHKK trung tâm chiller giải nhiệt nước và Hệ thống ĐHKK trung tâm giải nhiệt gió. Hai

hệ thống này được phân loại theo loại máy lạnh trung tâm (MLTT) chiller về phương thức

giải nhiệt: MLTT chiller giải nhiệt nước và MLTT chiller giải nhiệt gió. Cấu trúc hệ thống
ĐHKK trung tâm chiller có thể chia làm hai phần chính:

- Phần tiêu thụ hay phụ tải lạnh: bao gồm các thiết bị tiêu thụ năng lượng như

AHU, FCU, VAV... và hệ thống đường ống phân phối nước và phân phối không khí, đảm
bảo được điều kiện tiện nghi, điều kiện môi trường của không gian sử dụng.

- Phần cung ứng năng lượng thường được gọi là TLTT chiller: bao gồm máy lạnh

trung tâm chiller và các thiết bị phụ trợ như bơm nước lạnh, bơm nước giải nhiệt, tháp giải
nhiệt... đảm bảo cung cấp đủ năng lượng cho phần tiêu thụ năng lượng trong hệ thống.
4


Hệ thống điều hòa không khí trung tâm chiller
Máy lạnh trung tâm chiller
Các bộ xử lý không khí (FCU, AHU)
Hệ thống bơm phân phối nước lạnh, nước giải nhiệt, tháp giải nhiệt
Hệ thống quạt phân phối và vận chuyển không khí
Các thiết bị và hệ thống điện, điện điều khiển
Hệ thống ĐHKK trung tâm chiller
giải nhiệt nước

Hệ thống ĐHKK trung tâm chiller
giải nhiệt gió

Điều hòa tiện nghi

Điều hòa công nghệ

Hệ thống 1 đường ống gió

Hệ thống 2 đường ống gió

Hệ thống lưu lượng gió không
đổi

Hệ thống lưu lượng gió thay đổi

Hệ thống lưu lượng nước không
đổi
Hệ thống 2
Hệ thống hồi
đường ống
ngược
nước

Hệ thống lưu lượng nước thay
đổi
Hệ thống 3
Hệ thống 4
đường ống
đường ống
nước
nước

Cấu trúc hệ
thống

Cung cấp năng
lượng
Xử lý không

khí
Phân phối
nước

Phân phối
không khí

Điện và điều
khiển

Phân loại theo
loại máy lạnh

Phân loại theo
ứng dụng

Phân loại theo
đường ống khí

Phân loại theo
đường ống khí
Phân loại theo
HT đường ống
nước
Phân loại theo
đường ống
nước

Hình 1.1 Tóm tắt cấu trúc và phân loại hệ thống điều hòa không khí trung tâm chiller

Trong hệ thống ĐHKK trung tâm chiller, TLTT chiller là nơi tiêu hao phần lớn

năng lượng tiêu thụ trong hệ thống. Các giải pháp TKNL áp dụng cho TLTT chiller có ý
nghĩa quan trọng trong việc giảm chi phí năng lượng tiêu thụ trong toàn hệ thống ĐHKK

trung tâm chiller. Giải pháp TKNL trong hệ thống ĐHKK trung tâm chiller bằng phương

pháp phân phối phụ tải (PPPT) tối ưu liên quan đến chế độ vận hành trong TLTT chiller
đóng một vai trò quan trọng trong việc giảm chi phí vận hành của TLTT chiller nói riêng
và hệ thống ĐHKK trung tâm chiller nói chung.

5


1.2

Phân phối phụ tải trong vận hành trạm lạnh trung tâm
chiller

Hệ thống ĐHKK trung tâm chiller là tổ hợp của nhiều thiết bị cấu thành. Hoạt động

của hệ thống ĐHKK trung tâm chiller là sự liên động vật lý và cân bằng năng lượng động.
Sự liên động vật lý ở đây là sự phối hợp hoạt động giữa các thành phần bộ phận trong cùng
một thiết bị hay cụm thiết bị: các bơm, các tháp giải nhiệt, các MLTT chiller... để đảm bảo

cung cấp năng lượng cho các hộ tiêu thụ là các thiết bị xử lý không khí. Sự liên động vật lý
còn thể hiện ở toàn bộ hệ thống. Các bộ xử lý không khí chỉ hoạt động khi không gian điều
hòa được sử dụng. Các bơm nước chỉ hoạt động khi có các van nước đã ở trạng thái mở,

MLTT chiller chỉ chạy khi đồng thời các bơm nước lạnh, bơm nước giải nhiệt, tháp giải

nhiệt, bộ xử lý không khí... đã chạy.

Sự cân bằng năng lượng động thể hiện trong từng thiết bị trong hệ thống. Nhu cầu

tải trong không gian thể hiện ở sự thay đổi nhiệt độ, độ ẩm dưới tác động của môi trường

xung quanh và phụ tải trong không gian điều hòa. Phụ tải này được quyết định bởi công

suất của các thiết bị xử lý không khí trong từng thời điểm. Công suất của thiết bị xử lý
không khí được thể hiện thông qua lưu lượng nước lạnh/nước nóng cấp đến cho thiết bị.
Tổng cộng lưu lượng nước cấp đến các bộ xử lý không khí cần cân bằng với tổng lưu
lượng nước được cung cấp bởi hệ thống bơm từ TLTT chiller. Tổng công suất lạnh của
thiết bị xử lý không khí chính là phụ tải lạnh của hệ thống. TLTT chiller phải đảm bảo

cung cấp đủ công suất theo tổng phụ tải của hệ thống, hay ở đây là cần có sự cân bằng
năng lượng giữa nguồn cung (TLTT chiller) và hộ tiêu thụ (không gian điều hòa hay thiết
bị xử lý không khí).

Để đảm bảo được sự liên hệ vật lý và cân bằng năng lượng động, hệ thống ĐHKK

trung tâm chiller cần một quy trình và chế độ vận hành an toàn, ổn định. Quy trình vận

hành và chế độ vận hành thể hiện sự liên động vật lý và cân bằng năng lượng động trong
vận hành trong hệ thống. Mỗi quy trình vận hành phải phù hợp với một hệ thống cụ thể và

phải do hệ thống quyết định. Chế độ vận hành đảm bảo sự cân bằng năng lượng giữa
nguồn cung (TLTT chiller) và hộ tiêu thụ (phụ tải lạnh). Sự cân bằng này chính là sự đáp
ứng và đảm bảo điều kiện tiện nghi trong không gian sử dụng.

Phụ tải lạnh của hệ thống ĐHKK trung tâm chịu nhiều yếu tố tác động ngẫu nhiên

(như điều kiện thời tiết vùng miền, thời gian trong ngày hay trong mùa, tính chất đồng thời

tác động của các phụ tải khác như con người, thiết bị...) và cả các yếu tố tác động được
6


(giá trị đặt điều kiện tiện nghi trong nhà...) nên luôn có tính thay đổi. Để đáp ứng được tính
chất thay đổi của phụ tải lạnh, TLTT chiller cần phải có một chế độ vận hành hợp lý, an
toàn và hiệu quả. Do vậy các TLTT chiller thường có cấu trúc nhiều MLTT chiller hoạt

động song song để tăng độ an toàn và dải điều chỉnh năng suất lạnh phù hợp với sự thay
đổi của phụ tải lạnh. Đi kèm với MLTT chiller là các thiết bị phụ trợ như bơm, tháp giải
nhiệt... cũng có cấu trúc tương tự.

Do cấu trúc song song trong TLTT chiller, yêu cầu về PPPT giữa các tổ máy, cụm

thiết bị làm việc song song đóng vai trò quan trọng trong việc thực hiện nâng cao hiệu quả
TKNL trong vận hành TLTT chiller bên cạnh yếu tố nâng cao về an toàn và độ tin cậy của
hệ thống. Chế độ phân phối đều phụ tải ở đó phụ tải lạnh yêu cầu được chia đều cho tất cả

các thiết bị thành phần trong TLTT chiller như tài liệu [61, 64, 68] chỉ được áp dụng trong
các TLTT chiller có tất cả các thiết bị thành phần đều được trang bị biến tần, hay chính là
hệ thống có biến tần toàn bộ.

Chế độ PPPT đều kết hợp lựa chọn số lượng thiết bị/cụm thiết bị trong TLTT

chiller vận hành đồng thời để đáp ứng mức phụ tải lạnh yêu cầu là chế độ phân phối điển

hình đang được sử dụng cho các hệ thống ĐHKK phổ biến ở Việt Nam và trên thế giới. Ở

chế độ PPPT này, phụ tải lạnh yêu chỉ được chia đều cho số lượng MLTT chiller đang vận
hành đồng thời để đáp ứng được phụ tải lạnh yêu cầu. Chế độ vận hành này bao gồm cả
việc gọi thêm hay ngắt bớt số lượng MLTT chiller vận hành mà vẫn đảm bảo đáp ứng phụ

tải lạnh yêu cầu. Chế độ PPPT này được gọi ngắn gọn là chế độ PPPT đều trong luận án
này.

1.3

Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Trên thực tế trong nước đến nay chưa có một nghiên cứu chi tiết nào về vấn đề tối

ưu hóa hoạt động của hệ thống ĐHKK để giải quyết bài toán TKNL. Chỉ có một số bài

nghiên cứu nhỏ lẻ nhằm vào khâu thiết kế hoặc ước lượng tiêu thụ năng lượng của hệ

thống ĐHKK trung tâm chiller phục vụ cho thiết kế hệ thống mới và kiểm toán năng

lượng. Trong các nghiên cứu này có giá trị nhất là các nghiên cứu trong [6, 7]. Theo tài
liệu [7], tác giả đã tiến hành nghiên cứu và đề xuất các giải pháp công nghệ ĐHKK theo

phân vùng khí hậu các tỉnh phía Bắc. Tác giả tập trung vào nghiên cứu đặc điểm và phân

miền khí hậu cũng như tính chất, quy mô của các hệ thống ĐHKK, trên cơ sở đó đề xuất
lựa chọn công nghệ ĐHKK phù hợp, hiệu quả hơn. Nghiên cứu này mới dừng lại ở tính
7

định hướng lựa chọn công nghệ và thiết bị phù hợp phục vụ công tác quản lý nhà nước và
định hướng phát triển ứng phó với biến đổi khí hậu ở Việt Nam. Tác giả cũng đã nghiên

cứu giải pháp TKNL trong thiết kế hệ thống ĐHKK công suất lớn [6], áp dụng giải pháp

thu hồi nhiệt thải bằng sử dụng chiller có bộ thu hồi nhiệt. Giải pháp đã mang lại hiệu quả
cao cho hệ thống ĐHKK công suất lớn cấp nhiệt và cấp lạnh đồng thời. Tương tự như

nghiên cứu trong [5], nghiên cứu trong tài liệu [4] lại áp dụng máy lạnh hấp thụ trong các
công trình cấp lạnh – cấp nhiệt đồng thời để nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng.

Các giải pháp TKNL của ba loại công trình tiêu biểu là siêu thị, khách sạn cao tầng

và tòa nhà văn phòng được nghiên cứu trong [5]. Các tác giả chủ yếu phân tích đặc tính
phụ tải của các công trình tiêu biểu trên, áp dụng một số giải pháp TKNL như tăng cường
che nắng, sử dụng các bộ thu hồi nhiệt thải. Kết quả nghiên cứu cũng dừng ở mức lý thuyết

tính toán ở trên mô hình bằng phần mềm với các điều kiện giả định. Nghiên cứu trong [9]
của cùng tác giả cũng chỉ dừng lại so sánh hiệu quả sử dụng năng lượng của hai hệ thống

ĐHKK VRV và chiller cho một công trình cụ thể dựa trên phân tích lý thuyết và thiết kế
hệ thống cho công trình, kết quả cũng chỉ đưa ra kết luận sử dụng hệ thống ĐHKK nào phù
hợp cho cụ thể công trình.

Nghiên cứu các bộ xử lý không khí AHU với dàn nước hồi nhiệt trong tài liệu [10]

mới dừng lại ở việc đánh giá hiệu quả sử dụng năng lượng đối với các bộ AHU ứng dụng
trong không gian điều hòa có điều chỉnh nhiệt độ, độ ẩm đồng thời. Nghiên cứu trong tài

liệu [17, 18], các tác giả cũng chỉ mới dừng lại ở việc đánh giá hiệu quả sử dụng năng

lượng của máy điều hòa gia dụng, trên cơ sở đó tư vấn cho chính phủ lựa chọn và xây dựng
chương trình dán nhãn TKNL cho các máy điều hòa gia dụng trong điều kiện Việt Nam.

Tổng quát hóa các nghiên cứu trong nước đối với hệ thống điều hòa trung tâm

chiller có thể thấy, hầu hết các nghiên cứu mới dừng lại ở việc tìm kiếm các giải pháp thiết

bị, công nghệ hay lựa chọn hệ thống ĐHKK TKNL hơn [4, 8~11]. Các nghiên cứu chủ yếu

để phục vụ cho công tác xây dựng hệ thống mới ở giai đoạn tư vấn lập dự án đầu tư hay
giai đoạn thiết kế [5~ 8] mà chưa có nghiên cứu nào phục vụ cho việc nâng cấp, cải tạo hay
đơn giản hơn là giữ nguyên hệ thống cũ bằng giải pháp thay đổi chế độ vận hành để nâng
cao hiệu quả sử dụng năng lượng.

8


1.3.2 Đánh giá chung các phương pháp nghiên cứu tối ưu hóa tiêu hao
năng lượng cho hệ thống điều hòa không khí ở nước ngoài

Trong vài chục năm gần đây có rất nhiều các tác giả nghiên cứu vấn đề tối ưu hóa

tiêu hao năng lượng cho hệ thống ĐHKK, trong đó phương pháp nghiên cứu của Wei
Jiang và T. Agami Reddy là nổi bật hơn, rõ ràng hơn cả. Các tác giả đã tổng quát các
phương pháp tổng hợp tối ưu kỹ thuật cho các TLTT chiller bằng phương pháp giải tích
ứng dụng công cụ máy tính bao gồm: phương pháp giải tích xác định và phương pháp giải
tích bất định [70, 71].
1.3.2.1

Phương pháp giải tích xác định

Theo tài liệu [70], bằng phương pháp giải tích xác định, Wei Jiang và T. Agami

Reddy đề xuất áp dụng các kết quả mô hình hóa toán học của hiệu suất năng lượng từng
thành phần thiết bị chính trong hệ thống bao gồm: chiller, tháp giải nhiệt, bơm và quạt.
a) Mô hình thiết bị

Mô hình cho chiller của Gordon Ng (GN)

Mô hình bán thực nghiệm của Gordon Ng dự toán sự phụ thuộc hiệu quả năng

lượng COP [23] của chiller vào một số yếu tố có thể đo được như: nhiệt độ hồi của chất

lỏng (nước hay môi chất lạnh) từ bình ngưng, nhiệt độ nước ra khỏi bình bay hơi và năng
suất lạnh của bình bay hơi. Phương pháp đã được kiểm định trên 50 loại chiller sử dụng

máy nén hơi các loại với công suất khác nhau và cho kết quả khá chính xác để dự đoán
COP:

+1

,

,

Trong đó:

−1=

,

(

+

,

,

,

)

+

(

,

)

-

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

-

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

-

(1.1)

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

Mô hình máy lạnh hấp thụ một cấp theo mô hình của Gordon Ng cũng được Jiang

và Reddy (2003) phát triển với sai số 6 ~ 8% cho máy lạnh hấp thụ hai cấp dùng hơi hoặc
nước nóng:

,

,

,

−

,

,

,

=

+
9

,

,

(1.2)


Trong đó:
-

Tgen,i là nhiệt độ nguồn nhiệt cấp đến máy lạnh hấp thụ, K

bo, b1 là các hệ số hồi quy tìm được từ dữ liệu vận hành của chiller

Mô hình cho tháp giải nhiệt

Mô hình cho tháp giải nhiệt thực hiện theo mô hình hệ số mật độ dòng nhiệt hiệu

quả (Effectiveness-NTU). NTU nguyên gốc được định nghĩa cho thiết bị trao đổi nhiệt
kiểu bề mặt, đã được điều chỉnh bởi Braun (1988) và Braun cùng cộng sự (1989) để mô

hình hóa đặc tuyến của các tháp giải nhiệt bằng việc sử dụng giả thuyết tuyến tính hóa
entanpi bão hòa của không khí:

=

(1.3)

Trong đó:

-

-

c và n là các hệ số được xác định bằng cách thay đổi lưu lượng không khí qua
tháp giải nhiệt Lkk (m3/h) khi lưu lượng nước giải nhiệt LGN (m3/h) đi qua tháp
không đổi;

NTU là hệ số mật độ dòng nhiệt hiệu quả của tháp giải nhiệt.

Từ phương trình cân bằng năng lượng của tháp giải nhiệt, nhiệt độ nước giải nhiệt

ra khỏi tháp giải nhiệt được xác định theo:
=

,

+

,

,

,

,

,

,

(1.4)

,

Trong đó:
-

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

-

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

-

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

Mô hình cho bơm và quạt

Mô hình cho bơm và quạt được xác lập bằng mô hình đa thức bậc ba biểu diễn

quan hệ của công suất điện Np và công suất lưu lượng Lp của bơm hay quạt. Đặc tuyến làm
việc của quạt hoặc bơm ở điều kiện bán tải được xác định theo:
( )=

Trong đó:

,

+

[

( )] +

10

[

( )] +

[

( )]

(1.5)


-

Np,0 : Công suất điện định mức của động cơ bơm hay quạt, kW

Np(t) : Công suất điện của động cơ bơm hay quạt ở công suất lưu lượng bán tải
thứ Lp(t), kW

e0 đến e3 là các hệ số hiệu suất của quạt;

PLR(t): Hệ số bán tải xác định bằng tỷ lệ giữa công suất lưu lượng ở chế độ bán
tải Lp(t) và công suất lưu lượng định mức của bơm hay quạt Lp,0.

( )=

( )

(1.6)

,

Trong hệ thống có lưu lượng nước không đổi, công suất điện Np,o được coi là không

đổi. Tuy nhiên, trong hệ thống có lưu lượng thay đổi, công suất điện của bơm là hàm của
phụ tải tòa nhà, cụ thể hơn ở đây là lưu lượng nước. Phenal và cộng sự (1997) đã nghiên
cứu khả năng tuyến tính hóa bằng mô hình hàm bậc hai cho quan hệ giữa Np(t) và Lp(t),
đường đặc tuyến thu được cũng tương tự như đường đặc tuyến thu được ở (1.5).
b) Các phương pháp giải

Trên cơ sở lập được mô hình toán học của các thành phần trong hệ thống điều hòa

trung tâm chiller, các tác giả đề xuất các phương pháp chung để giải bài toán tối ưu vận
hành theo phương pháp giải tích xác định. Bản chất phương pháp này là tối ưu có điều kiện
rằng buộc tham số [70]. Cụ thể như sau:

Phương pháp công thức hóa các hàm đối tượng

Hàm đối tượng ở đây là hàm giá của tiện ích mà nó sẽ khác nhau theo các điều kiện

tính giá khác nhau.

Hàm tính giá theo thời gian thực RTP không kể đến các chi phí yêu cầu là tổng

của chi phí vận hành ở điều kiện vận hành ổn định P cộng thêm giá của chi phí năng lượng
phát sinh trong các giai đoạn khởi động SC. Hàm tính giá có thể biểu diễn bằng:
=

,

,

+ (1 −

Điều kiện là:

hi(x1, x2, x3, …, xK) = bi
≤

)

,

i = 1, 2, 3, …, t

gj(x1, x2, x3, …, xK) < cj
≤

,

j = 1, 2, 3, …, n

11

k = 1, 2, …, K

,

(1.7)

(1.8)
(1.9)

(1.10)


Trong đó t và k là chỉ số cho khoảng thời gian và thiết bị, T và K là tổng thời gian

cho mỗi khoảng thời gian và tổng số các thiết bị; các biểu thức (1.8) ~ (1.10) là các giới
hạn cân bằng, giới hạn không cân bằng và giới hạn cho dải làm việc tương ứng; x1, x2, x3,
…, xK là các biến điều khiển còn P và SC là các hàm của các biến điều khiển x.

Trong trường hợp sử dụng hàm tính giá theo yêu cầu TOU thì sẽ phức tạp hơn do

hàm tính giá bao gồm cả giá điện và giá khí đốt ổn định (giá năng lượng + giá yêu cầu)

cũng như là giá ở giai đoạn khởi động. Hàm tính giá được tính như (1.11) và cũng phải
thỏa mãn điều kiện (1.8) đến (1.10).
=

(

)+ 1−

+

,

, ,

(1.11)

Phương pháp dự toán tổng năng lượng tiêu hao dựa trên tối ưu hóa tĩnh

Vấn đề tối ưu hóa vận hành nhà máy đáp ứng được phụ tải xác định trước bao gồm

hai mức độ của cấu trúc phân cấp do hai loại biến điều khiển khác nhau. Thứ nhất, biến

điều khiển đảm bảo mức độ cao hơn liên quan đến các biến điều khiển rời rạc mà không
thể điều khiển liên tục được như là số lượng chiller, tháp giải nhiệt, bơm giải nhiệt, bơm
nước lạnh… hoạt động đồng thời. Thứ hai, biến điều khiển ở mức thấp hơn là trên khía

cạnh kinh tế, liên quan đến các biến cần phải điều khiển liên tục. Các biến điều khiển độc
lập có thể bao gồm: giá trị đặt của nhiệt độ nước lạnh, lưu lượng nước lạnh qua chiller,

tháp giải nhiệt, tốc độ biến tần của quạt và bơm… Do đó, tối ưu vận hành phải quan tâm
đến cả hai yếu tố gồm quyết định lựa chọn máy nào chạy và chạy nó như thế nào.

Phương pháp tối ưu hóa tĩnh là phương pháp tính bằng tối ưu chi phí vận hành cho

từng bước khoảng chia thời gian, ví dụ như là từng giờ. Các thành phần cấu thành giá chỉ
bao gồm chi phí giá điện và khi ở chế độ ổn định ở từng giờ. Do đó tổng số lượng được tối

thiểu hóa. Hàm giá FS chỉ bằng tổng chi phí năng lượng, tức là tổng các chi phí của tất cả

các thiết bị đang vận hành. Năng lượng tiêu thụ Pk cho mỗi thành phần thứ k là hàm của

đặc tuyến thành phần thứ k đó phụ thuộc vào các biến điều khiển được xác định bởi các bộ
hàm đẳng thức đầu ra. Chi phí năng lượng sử dụng của thành phần thứ k liên quan đến đơn

giá tổng hợp Rk phụ thuộc vào mỗi thời gian (ví dụ như là đơn giá ở mỗi giờ trong ngày).
Bộ các biến tối ưu hóa, xk, là nguồn để tối thiểu hóa hàm giá trong suốt khoảng chia thời
gian liên quan đến các biến điều khiển rời rạc và liên tục.
12


=

(1.12)

Các chế độ vận hành tổng quát

Có rất nhiều chế độ vận hành khả thi (nghĩa là các khả năng tổng hợp nhiều thiết bị

để đáp ứng yêu cầu ở một điều kiện xác định). Lưu ý rằng chế độ vận hành khả thi là chế

độ đáp ứng các điều kiện, trong khi bộ các chế độ vận hành bao gồm tất cả các khả năng
tổng hợp trạng thái của các biến điều khiển rời rạc điều khiển được mà không phá vỡ bất

kể điều kiện rằng buộc nào. Phương pháp tiếp cận ở đây là lập thành bảng ở dạng ma trận

cho các loại thiết bị. Ma trận này phải thỏa mãn các điều kiện giới hạn phỏng đoán để tự
động tìm ra các chế độ vận hành khả thi cho mỗi loại thiết bị, từ đó tạo ra được tất cả các
chế độ vận hành khả thi của cả trạm lạnh.

Xác định các giá trị đặt điều khiển tối ưu cho thiết bị.

Sử dụng thuật toán chương trình tuần tự bậc 2 (Fletcher 2001) để xác định các giá

trị đặt vận hành tối ưu (ví dụ như phần trăm bán tải của chiller, tốc độ của quạt tháp giải

nhiệt) để tối thiểu hóa chi phí năng lượng cho chế độ vận hành. Thực hiện giải tích này cho

tất cả các tổ hợp có thể có của các thiết bị, các giá trị đặt điều khiển cho các thiết bị ở chế
độ tối thiểu hóa chi phí năng lượng được xác lập cho tất cả các tổ hợp chế độ vận hành
được xác định. Từ đó tìm ra được chế độ vận hành tối ưu nhất cho phụ tải yêu cầu.
Giải tích mặt phản hồi trong vận hành tối ưu cho mỗi chế độ vận hành.

Các phương pháp xác định chế độ vận hành tối ưu để đáp ứng được phụ tải yêu cầu

ở trên gặp khó khăn khi áp dụng vào thực tiễn được do quan điểm tính toán sử dụng để dự
đoán được đường tối ưu trong suốt thời gian, hay trường hợp động của hệ thống. Năm

1995, Koeppel và công sự đã xác lập phương pháp đơn giản hóa cơ bản quá trình xác định
điểm cài đặt điều khiển tối ưu cho máy lạnh hấp thụ hiệu ứng kép. Theo đó, tác giả đề xuất

phương pháp thực nghiệm tổng quát, cụ thể hơn là mô hình bề mặt như một phương tiện
tính toán trên máy tính cho phù hợp. Trước hết, cần phải xác lập một loạt chế độ vận hành

mô hình ở rất nhiều điều kiện vận hành khác nhau, giống như điều kiện vận hành xác định
bởi nhà sản xuất. Tiếp theo phải xác định chế độ vận hành tối ưu cho mỗi điều kiện bằng
sử dụng mô hình hóa đa thức để biểu diễn cho các phương pháp điều khiển tối ưu. Mô hình

hóa này thay thế cho mô hình số ở trên (ma trận chế độ vận hành) và kể đến tất cả những
ảnh hưởng liên quan đến phân tích tối ưu bất định mà cần đến hàng nghìn mô hình cho

13


thiết bị thực. Do đó nó sẽ giảm đi thời gian tính toán đáng kể để dự đoán được chi phí năng
lượng khi phụ tải tòa nhà tương ứng với tổ hợp khác nhau của thiết bị lớn (trong TLTT

chính là chiller). Phép dự đoán này cho phép khi nào cần tắt hay bật thiết bị lớn. Các mô
hình bề mặt chỉ tạo ra cho từng trạm lạnh và được cập nhật mỗi khi thiết bị được thay thế
hay đặc tuyến làm việc của thiết bị thay đổi [70].

Khó khăn lớn nhất của mô hình hóa bề mặt phản hồi là không xác định được mối

liên hệ giữa các biến phản hồi và các biến độc lập. Do đó, bước quan trọng là phải xác định

hàm xấp xỉ cho hàm thực quan hệ giữa biến phản hồi và bộ các biến độc lập. Thông thường
người ta sử dụng mô hình hóa đa thức trong vài vùng biến độc lập.
gian

Phương pháp tối thiểu hóa chi phí năng lượng của trạm lạnh trong khoảng thời
Tổng chi phí năng lượng cho mỗi chế độ vận hành trong mỗi khoảng thời gian

(hàng giờ) thu được từ kết quả hồi quy của mô hình hóa bề mặt. Bước tiếp theo là xác định
được quy trình vận hành tối ưu trong cả quãng thời gian dài (hàng ngày). Do đó, phụ tải

hiện tại và tương lai cần phải xem xét đồng thời. Khi tính đến cả nhu cầu tải thay đổi, vấn
đề tối ưu hóa phải giải quyết việc lập kế hoạch vận hành của thiết bị đáp ứng được phụ tải
với hiệu suất càng cao càng tốt, đồng thời tránh ảnh hưởng của tiêu hao năng lượng ở giai
đoạn khởi động. Phương pháp cơ bản là áp dụng thuật toán Dijikstra (Dijikstra 1959) để

giải vấn đề trình tự vận hành của chiller theo thuật toán nhanh nhất, mà trong trường hợp

này là thuật toán dẫn đến chi phí thấp nhất.

Tổng quát hóa phương pháp giải tích xác định của tác giả [70] là đề xuất một

phương pháp kỹ thuật xác định gắn liền việc lựa chọn đặc tuyến thiết bị ở phụ tải cho phép,
đồng thời với việc xác định các biến điều khiển cài đặt thông qua tổng hợp các tối ưu phi

tuyến để hội tụ nhanh nhất. Tối ưu hóa bằng phương pháp quy hoạch hóa vận hành và các

biến điều khiển dưới các cấu trúc khác nhau được giải quyết bằng các mô hình bề mặt để
xác định chi phí năng lượng cho các cấu hình thiết bị khác nhau trong điều kiện vận hành
và giá nhiên liệu khác nhau.
1.3.2.2

Phương pháp giải tích bất định

Trong thực tế, điều kiện vận hành chịu ảnh hưởng của nhiễu trong và nhiễu ngoài

như đặc tuyến của van điều khiển, thiết bị… khiến cho hầu hết các phương pháp tối ưu giải
tích xác định chưa mang lại lời giải hiệu quả. Hoạt động của hệ thống diễn ra luôn luôn
không ổn định, chế độ vận hành thay đổi do đó các phương pháp giải tích có tính đến các
14