Xây dựng mô hình hệ thống HVAC điều khiển bằng BMS chương 1

1
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

NGUYỄN ANH TUẤN

XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG HVAC
ĐIỀU KHIỂN BẰNG BMS
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện
Mã số ngành: 60 52 02 02


2
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 02 năm 2013

Chương 1
MỞ ĐẦU
1.1.Đặt vấn đề
Trên thế giới, các hệ thống thông minh, tự động điều khiển đã được áp dụng
trong các công trình xây dựng công nghiệp, dân dụng từ rất sớm và cho thấy những
đóng góp quan trọng của nó không thể phủ nhận. Các hệ thống kỹ thuật tự động gọi
chung là hệ thống quản lý tòa nhà (BMS – Building Management System).
Một hệ thống tự động hoàn chỉnh sẽ cung cấp cho công trình một giải pháp
điều khiển, quản lý điều kiện làm việc của các thiết bị như động cơ điện, nhiệt độ,
độ ẩm, lưu thông không khí, chiếu sáng, các hệ thống an ninh, báo cháy, quản lý hệ
thống thiết bị kỹ thuật, tiết kiệm năng lượng tiêu thụ cho công trình, thân thiện hơn
với môi trường.
Bên cạnh đó, hệ thống điều hòa, thông gió (HVAC), hệ thống lạnh trung tâm

làm lạnh bằng nước (Water Chiller) là không thể thiếu trong một tòa nhà cao tầng
bởi khả năng làm lạnh với hiệu suất cao, tiết kiệm chi phí.
Ở Việt Nam, những năm gần đây cũng không khó để nhận ra những đóng
góp của các hệ thống tự động trong các công trình công nghiệp và dân dụng. Những
khái niệm về quản lý tòa nhà, tiết kiệm năng lượng công trình, bảo vệ môi trường…
không còn quá mới mẻ. Tuy nhiên, mức độ áp dụng các hệ thống này nói chung vẫn
có giới hạn, chưa thực sự sâu và rộng. Điều này sẽ thay đổi nhanh chóng trong
những năm tới đây, khi nhịp độ xây dựng những công trình hiện đại ngày càng cao,
khi những hệ thống tự động hóa tòa nhà ngày càng có năng lực và độ tin cậy lớn
hơn, lợi ích của việc áp dụng những hệ thống này ngày càng rõ nét.
Luận văn này, đi sâu vào nghiên cứu xây dựng mô hình điều khiển hệ thống
HVAC bằng BMS dựa trên khả năng tự lập trình điều khiển bằng vi điều khiển pic


3
18f4550 với ngôn ngữ lập trình MikroC và Delphi, với tính năng tương tự như BMS
của các hãng Siemens, Honeywell, Yamatake,.... Kết quả nghiên cứu sẽ đưa ra một
cách nhìn tổng quát hơn về ứng dụng BMS trong việc điều khiển và giám sát hệ
thống của tòa nhà và có thể là công cụ hữu ích cho những sinh viên đang học tập và
nghiên cứu về BMS điều khiển hệ thống HVAC.
1.2.Tính cấp thiết của đề tài
Vấn đề tiết kiệm năng lượng, thân thiện với môi trường và tự động hóa trong
điều khiển và giám sát các thiết bị sử dụng điện nói chung là một trong những giải
pháp hàng đầu trong sự nghiệp công nghiệp hóa và hiện đại hóa ở Việt Nam hiện
nay. Do đó, luận văn này đưa ra một mô hình điều khiển hệ thống HVAC bằng BMS
đáp ứng yêu cầu điều khiển thực tế nêu trên.
Với phương pháp điều khiển bằng BMS, con người có khả năng giám sát các
thông số của thiết bị như nhiệt độ, CO2, tình trạng hoạt động hoặc sự cố của các
máy móc từ màn hình máy tính trung tâm. Từ đó, người ta đưa ra chế độ vận hành,
điều khiển một cách hợp lý với độ chính xác cao.

1.3.Mục tiêu của đề tài
Đây là một trong những phương pháp điều khiển và giám sát thiết bị có khả
năng tự động hóa cao. Với khả năng yêu cầu về tự động hóa ngày càng cao trong
sản suất và đời sống thì việc ứng dụng điều khiển bằng BMS là hết sức cần thiết.
Trong điều kiện hiện nay, với nhịp độ xây dựng nhà cao tầng ngày càng phát
triển. Cho nên việc sử dụng các hệ thống lạnh trung tâm, điều hòa không khí và
thông gió là không thể thiếu. Do đó, giải pháp điều khiển, khả năng giám sát thiết
bị, giám sát các thông số trong hệ thống lạnh sẽ được nghiên cứu trong luận văn
này.
Trong luận văn này, chúng tôi tập trung nghiên cứu xây dựng mô hình hệ
thống HVAC, mô hình phần cứng BMS và thiết lập giao diện phần mềm điều khiển
từ màn hình máy tính đối với hệ thống HVAC.
1.4.Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của hệ thống điều hòa, thông gió (HVAC)
- Nghiên cứu mô hình phần cứng của BMS


4
- Nghiên cứu mô hình phần mềm điều khiển BMS
- Nghiên cứu ngôn ngữ lập trình MikroC, để lập trình cho phần cứng của BMS
- Nghiên cứu ngôn ngữ lập trình Delphi, để lập trình phần mềm điều khiển của BMS
- Nghiên cứu các chuẩn truyền thông thông dụng RS-232, RS-485
- Nghiên cứu các loại cảm biến nhiệt độ, cảm biến CO2, van điện từ
- Đánh giá hiệu quả mô hình HVAC điều khiển bằng BMS
1.5.Phương pháp luận
- Luận văn là tài liệu tham khảo có giá trị cho những ai quan tâm, nghiên cứu đến hệ
thống điều hòa, thông gió và hệ thống điều khiển BMS.
- Đây là một trong những phương pháp điều khiển và giám sát thiết bị có khả năng tự
động hóa cao. Với khả năng yêu cầu về tự động hóa ngày càng cao trong sản suất và
đời sống thì việc ứng dụng điều khiển bằng BMS là hết sức cần thiết.

- Luận văn này cung cấp một mô hình điều khiển hệ thống điều hòa, thông gió bằng
BMS có thể ứng dụng trong thực tiễn.
1.6.Phương pháp nghiên cứu
- Thu thập và đọc hiểu các tài liệu liên quan từ cán bộ hướng dẫn, sách, các bài báo
và internet.v.v…
- Nghiên cứu nguyên lý hoạt động hệ thống điều hòa, thông gió
- Nghiên cứu phần mềm MikroC và Delphi
- Nghiên cứu phần cứng và phần mềm điều khiển BMS một số hãng trên thế giới.
- Xây dựng mô hình điều khiển hệ thống điều hòa, thông gió bằng BMS
- Lập trình phần mềm, kết nối phần cứng và chạy thử.
- Đánh giá hiệu quả của việc điều khiển hệ thống điều hòa, thông gió bằng BMS
1.7.Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Hệ thống HVAC (heating, ventilating air conditioning) là hệ thống quan
trọng trọng hệ BMS. Nó là hệ thống điều hòa không khí, thông gió của một tòa nhà.
Hệ thống HVAC có thể được chia làm hai mảng là: Điều hòa và thông gió.
Hệ thống điều hòa thông thường hiện nay trên thế giới được chia thành hai
hệ thống: Hệ thống điều hòa sử dụng máy lạnh Chiller và hệ thống điều hòa bán
trung tâm VRV.
Hệ thống điều hòa được điều khiển tại phòng điều hành trung tâm thông qua
các màn hình hiển thị thông số. Để kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm trong các khu vực,
tất cả các khu vực được làm mát bởi các máy điều hòa không khí, khu công cộng,
các phòng máy đều được lắp đặt các bộ cảm biến nhiệt độ và độ ẩm của không khí


5
trong phòng, điều này cho phép quản lý được nhiệt độ toàn bộ các khu vực của tòa
nhà.
Việc điều khiển điều hòa dựa trên các nguyên tắc hoạt động của nó, quy trình
được thực hiện như sau:
- Duy trì môi trường sạch: Các bộ lọc giúp hệ thống duy trì chất lượng không

khí, lọc sạch bụi bẩn trong không khí được đưa đến đầu vào của điều hòa
- Điều chỉnh nhiệt độ, làm mát, hút ẩm: Máy điều hòa vận hành để thực hiện
việc gia công khí, khi nhận biết được các tín hiệu về nhiệt độ khí, độ ẩm trong
phòng, sau khi không khí qua giàn trao đổi nhiệt hệ thống sẽ tự động điều khiển
nhiệt độ, độ ẩm thông qua việc đóng mở các van.
- Điều chỉnh nồng độ khí CO2 : đối với việc làm sạch không khí, nếu chỉ dựa
vào các bộ lọc khí thì chưa đủ, trong môi trường hoạt động của con người cũng như
của máy móc luôn sản sinh ra nguồn khí thải CO2. Khi nồng độ khí này trong các
khu vực tăng cao, con người sẽ cảm thấy mệt mỏi và khó chịu, năng suất lao động
giảm. Để quản lý được chất lượng không khí, trong các máy điều hòa được lắp các
bộ cảm biến nồng độ khí CO2 tại đường ống gió hồi hoặc được lắp đặt tại các
phòng do các máy điều hòa chịu trách nhiệm xử lý không khí. Tín hiệu cảm biến
nồng độ CO2 của từng khu vực cụ thể sẽ được xử lý và điều chỉnh phù hợp thông
qua việc đóng mở các van trộn khí tươi.
Tất cả các thông tin về chế độ hoạt động, tình trạng của thiết bị trong quá
trình vận hành được cập nhật tới các máy tính điều khiển, các thông tin này được
lưu giữ để sử dụng lâu dài.
*KẾT LUẬN: Hệ thống điều hòa, thông khí quyết định trực tiếp đến môi trường
sống, hoạt động trong tòa nhà. Vì thế, các hệ thống điều hòa thông gió luôn là mối
quan tâm của các chủ đầu tư về chất lượng hệ thống, giá thành…
1.8.Tình hình nghiên cứu trong nước
Ở Việt Nam ngày nay, việc xây dựng các tòa nhà cao tầng làm công sở, trung
tâm thương mại, khách sạn,… ngày càng trở nên phổ biến. Chúng trở nên hiện đại,
tiện nghi để phục vụ các yêu cầu ngày càng cao của con người. Giải pháp kết hợp
hệ thống các thiết bị cơ điện tử sử dụng trong tòa nhà với công nghệ tự động hóa


6
nhằm đem lại khả năng tự hoạt động của các hệ thống như: hệ thống điều hòa,
thông gió, hệ thống chiếu sáng, hệ thống báo cháy, camera,… đã không còn là điều

mới mẽ nữa. Tuy nhiên, vấn đề sống còn của giải pháp này lại nằm ở chỗ làm sao có
thể quản lý chung trong một hệ thống thống nhất. Các hệ thống tự động hóa tòa nhà
(BMS- Building Management System) đã ra đời để giải quyết bài toán này.
Nhiệm vụ chính của hệ thống BMS là điều khiển, giám sát, quản lý các thiết
bị cơ, điện trong một tòa nhà cao tầng, giúp cho việc vận hành, bảo dưỡng và quản
lý tòa nhà một cách thuận tiện, an toàn và tiết kiệm.
Hệ thống MBS được phát triển dựa trên nền kiến trúc của một hệ điều khiển
phân tán với các bộ điều khiển số trực tiếp (DDC- Direct Digital Controler) được
kết nối với hệ thống mạng tầng, các bộ điều khiển, định tuyết cấp cao hơn liên kết
các DDC với hệ thống mạng của tòa nhà.
1.9.Nội dung luận văn
Nội dung luận văn gồm 7 chương:
Chương 1: Mở đầu
Chương 2: Tổng quan về hệ thống BMS (Building Management System)
Chương 3: Tổng quan về hệ thống điều hòa, thông gió (HVAC)
Chương 4: Các chuẩn truyền thông và cảm biến thông dụng
Chương 5: Ngôn ngữ lập trình
Chương 6: Xây dựng mô hình điều khiển HVAC bằng BMS
Chương 7: Kết luận và hướng nghiên cứu phát triển