Thiết kế và điều khiển tối ưu hệ thống sản xuất nước lạnh chiller ứng dụng cho các tòa nhà cao tầng
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.14 MB, 108 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
PHAN QUÝ
THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU
HỆ THỐNG SẢN XUẤT NƯỚC LẠNH CHILLER
ỨNG DỤNG CHO CÁC TÒA NHÀ CAO TẦNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
Hà Nội – 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
PHAN QUÝ
THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU
HỆ THỐNG SẢN XUẤT NƯỚC LẠNH CHILLER
ỨNG DỤNG CHO CÁC TÒA NHÀ CAO TẦNG
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. BÙI ĐĂNG THẢNH
Hà Nội – 2018
Thiết kế và điều khiển tối ưu hệ thống sản xuất nước lạnh Chiller ứng dụng cho các
tòa nhà cao tầng
LỜI CAM ĐOAN
Tôi Phan Quý, học viên lớp Cao học 17ACLCĐLĐK, tác giả luận văn đề tài
“thiết kế và điều khiển tối ưu hệ thống sản xuất nước lạnh Chiller ứng dụng cho các
tòa nhà cao tầng”, xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi. Các số
liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn này là hồn tồn trung thực và chưa được ai
cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác từ trước đến nay. Nếu có tơi xin hồn tồn
chịu trách nhiệm.
Hà Nội, ngày 15 tháng 03 năm 2018
Học viên cao học
Phan Quý
Trang 1/91
Thiết kế và điều khiển tối ưu hệ thống sản xuất nước lạnh Chiller ứng dụng cho các
tòa nhà cao tầng
LỜI CẢM ƠN
Tác giả luận văn xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc và kính trọng tới thầy giáo
hướng dẫn TS. Bùi Đăng Thảnh, thầy đã có nhiều hướng dẫn, chỉ bảo tận tình và
góp ý đánh giá để đề tài nghiên cứu và luận văn được hoàn thành đúng kế hoạch và
chất lượng.
Ngồi ra, tơi xin gửi lời cảm ơn đến Ban lãnh đạo Viện điện, Viện đào tạo
sau đại học Trường Đại học Bách khoa Hà nội cùng các thầy cô giáo đã hướng dẫn
và giúp đỡ tôi trong q trình học tập nghiên cứu. Tơi xin gửi lời cảm ơn đến Ban
lãnh đạo Công ty TNHH Niềm Tin, nơi đã tạo điều kiện về thời gian và giúp đỡ tơi
để có thể hồn thành khóa học cao học.
Cuối cùng, tơi cảm ơn gia đình, bạn bè đã giúp đỡ và là động lực để tơi có
thể hồn thành quá trình học tập nghiên cứu này.
Trang 2/91
Thiết kế và điều khiển tối ưu hệ thống sản xuất nước lạnh Chiller ứng dụng cho các
tòa nhà cao tầng
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN.................................................................................................... 1
LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................... 2
MỤC LỤC .............................................................................................................. 3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................... 6
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................ 7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .................................................................. 8
MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 10
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TRONG TÒA NHÀ
VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ ......................................................... 14
1.1.
TIÊU THỤ NĂNG LƯỢNG TRONG TÒA NHÀ ....................................... 14
1.1.1.
Suất tiêu thụ năng lượng các tịa nhà trung bình năm ................................ 14
1.1.2.
Tỷ lệ tiêu thụ năng lượng các khu vực trong tòa nhà................................. 15
1.1.3.
Ý nghĩa chỉ số tiêu thụ năng lượng ........................................................... 16
1.2.
HỆ THỐNG ĐIỀU HỊA TRUNG TÂM ..................................................... 20
1.2.1.
Hệ thống điều hịa trung tâm VRV ........................................................... 20
1.2.2.
Hệ thống điều hòa trung tâm Chiller ......................................................... 20
1.2.3.
Hệ thống điều hòa trung tâm sử dụng Chiller giải nhiệt nước ................... 21
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ VÀ PHƯƠNG PHÁP
ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG SẢN XUẤT NƯỚC LẠNH CHILLER...................... 22
2.1.
MÁY SẢN XUẤT NƯỚC LẠNH CHILLER.............................................. 22
2.1.1.
Phân loại Chiller theo chủng loại máy nén ................................................ 22
2.1.2.
Phân loại theo phương pháp giải nhiệt ...................................................... 22
2.2.
NGUYÊN LÝ HỆ THỐNG SẢN XUẤT NƯỚC LẠNH ............................. 25
Trang 3/91
Thiết kế và điều khiển tối ưu hệ thống sản xuất nước lạnh Chiller ứng dụng cho các
tòa nhà cao tầng
2.2.1.
Hệ thống một vịng tuần hồn ................................................................... 25
2.2.2.
Hệ thống hai vịng tuần hồn .................................................................... 27
2.2.3.
Vịng tuần hồn nước giải nhiệt Chiller .................................................... 28
2.3. GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU HỆ THỐNG SẢN XUẤT NƯỚC
LẠNH CHILLER .................................................................................................. 31
2.3.1.
Điều khiển nhiệt độ nước lạnh cấp của Chiller ......................................... 32
2.3.2.
Điều khiển bơm giải nhiệt và tháp giải nhiệt............................................. 33
2.3.3.
Điều khiển bơm sơ cấp ............................................................................. 36
2.3.4.
Điều khiển bơm thứ cấp ........................................................................... 37
2.3.5.
Bơm thừa công suất gây tổn thất gấp 2 lần về năng lượng ........................ 38
2.3.6.
Điều khiển bật tắt Chiller.......................................................................... 39
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG VÀ LƯU ĐỒ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG
SẢN XUẤT NƯỚC LẠNH CHILLER ................................................................. 42
3.1.
NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ............................................................................... 42
3.2.
KIẾN TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN .................................................... 42
3.2.1.
Giới thiệu hệ thống điều khiển BMS ........................................................ 42
3.2.2.
Bộ điều khiển số DDC.............................................................................. 43
3.2.3.
Thiết kế kiến trúc hệ thống điều khiển tối ưu ............................................ 44
3.3. THIẾT KẾ LƯU ĐỒ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG SẢN XUẤT NƯỚC
LẠNH CHILLER .................................................................................................. 46
3.3.1.
Lưu đồ điều khiển khởi động một Chiller ................................................. 47
3.3.2.
Lưu đồ điều khiển tắt một Chiller ............................................................. 49
3.3.3.
Lưu đồ điều khiển bảo vệ Chiller.............................................................. 51
3.3.4.
Lưu đồ điều khiển cụm chiller để bật tắt tối ưu ......................................... 53
3.3.5.
Lưu đồ điều khiển nhiệt độ nước lạnh đặt ................................................. 55
3.3.6.
Lưu đồ điều khiển tháp giải nhiệt và nhiệt độ nước giải nhiệt ................... 57
3.3.7.
Lưu đồ điều khiển bơm thứ cấp ................................................................ 59
3.3.8.
Lưu đồ điều khiển chương trình chính ...................................................... 61
CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG CHO TỔ HỢP CROWNE PLAZA WEST HÀ NỘI .. 63
Trang 4/91
Thiết kế và điều khiển tối ưu hệ thống sản xuất nước lạnh Chiller ứng dụng cho các
tòa nhà cao tầng
4.1.
PHƯƠNG PHÁP ......................................................................................... 63
4.1.1.
Điều kiện tương đồng về môi trường và tải tiêu thụ .................................. 63
4.1.2.
Đánh giá theo chỉ số kWh/Btu .................................................................. 63
4.1.3.
Kế hoạch triển khai .................................................................................. 64
4.2.
KHẢO SÁT HIỆN TRẠNG HỆ THỐNG CHILLER .................................. 65
4.2.1.
Sơ lược về cơng trình ............................................................................... 65
4.2.2.
Sơ đồ hệ thống Chiller và nguyên lý hoạt động ........................................ 65
4.2.3.
Ứng dụng giải pháp điều khiển tối ưu ....................................................... 69
4.2.4.
Thống kê chỉ số năng lượng trước sử dụng chương trình phần mềm ......... 75
4.3.
ỨNG DỤNG HỆ THỐNG BMS CỦA SIEMENS ....................................... 78
4.3.1.
Cấu trúc phần cứng hệ thống .................................................................... 78
4.3.2.
Bộ điều khiển số PXC .............................................................................. 78
4.4.
KIỂM TRA VÀ ĐÁNH GIÁ CHƯƠNG TRÌNH......................................... 80
4.4.1.
Giao diện vận hành ................................................................................... 80
4.4.2.
Thơng kê số liệu chạy thử......................................................................... 82
4.4.3.
Kết quả ứng dụng hệ thống điều khiển ..................................................... 85
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN.............................................................. 88
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 89
PHỤ LỤC.............................................................................................................. 91
Trang 5/91
Thiết kế và điều khiển tối ưu hệ thống sản xuất nước lạnh Chiller ứng dụng cho các
tòa nhà cao tầng
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
STT
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
VIẾT TẮT
AHU
AI/AO
ALN
AUT/MAN
BACnetIP
BMS, BAS
CH
CHW
CHWR
CHWRT
CHWS
CHWST
COP
CTOWER
CW
CWP
CWR
CWRT
CWS
CWST
DDC
DI/DO
EUI
FCU
FLN
HVAC
IU/OU
LCC
LOAD
MCC
PAU/PAHU
PCHWP
PLC
RT, TON
SCHWP
SOV
TRIP
VRV
DIỄN GIẢI
Thiết bị xử lý khơng khí
Tín hiệu vào/ ra tương tự
Mạng cấp điều khiển
Chế độ vận hành tự động/ bằng tay trên
Chuẩn mạng truyền thông BACnetIP
Hệ thống quản lý tòa nhà
Máy làm lạnh Chiller
Nước lạnh Chiller
Nước laạnh Chiller hồi
Nhiệt độ nước lạnh hồi
Nước lanh Chiller cấp
Nhiệt độ nước lạnh cấp
Hệ số hiệu suất năng lượng
Tháp giải nhiệt
Nước giải nhiệt Chiller
Bơm giải nhiệt
Nước giải nhiệt hồi từ Chiller
Nhiệt độ nước giải nhiệt hồi
Nước giải nhiệt cấp cho Chiller
Nhiệt độ nước giải nhiệt cấp
Bộ điều khiển kỹ thuật số
Tín hiệu vào/ ra số
Suất sử dụng năng lượng trung bình năm
Tổ dàn lạnh và quạt
Mạng cấp trường
Hệ thống điều hịa thơng gió
Khối điều hịa trong/ ngồi nhà
Tổng chi phí vịng đời thiết bị
Tải lạnh hệ thống Chiller
Tủ điều khiển động cơ
Thiết bị tiền xử lý/ xử lý khơng khí
Bơm sơ cấp
Bộ điều khiển logic khả trình
Tấn lạnh, tương đương 12,000 Btu
Bơm thứ cấp
Van Solenoid
Tín hiệu lỗi q tải dịng hoặc khác
Điều hịa trung tâm biến đổi lưu lượng mơi chất lạnh
Trang 6/91
Thiết kế và điều khiển tối ưu hệ thống sản xuất nước lạnh Chiller ứng dụng cho các
tòa nhà cao tầng
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1: Chỉ số tiêu thụ năng lượng hệ thống Chiller giải nhiệt nước .................... 19
Bảng 2: Chỉ số tiêu thụ năng lượng hệ thống Chiller giải nhiệt gió ....................... 19
Bảng 3: Thơng số thiết kế máy của nhà sản xuất ................................................... 70
Bảng 4: Chỉ số suất tiêu thụ điện năng kW/RT theo tải máy Chiller ....................... 70
Bảng 5: Tổng năng lượng điện tiêu thụ của hệ thống theo tải ................................ 73
Bảng 6: Ngưỡng chuyển đổi số lượng Chiller theo tải lạnh hệ thống ..................... 73
Bảng 8: Thống kê chỉ số năng lượng lạnh Btu, nhiệt độ trung bình và chỉ số tiêu thụ
năng lượng kWh/Btu .............................................................................................. 77
Bảng 9: Thống kê chỉ số đồng hồ điện sau khi sử dụng chương trình phần mềm .... 83
Bảng 10: Thống kê chỉ số năng lượng lạnh Btu, nhiệt độ trung bình và chỉ số tiêu
thụ năng lượng kWh/Btu ........................................................................................ 84
Bảng 11: Bảng so sánh tổng hợp 106 x kWh/Btu .................................................... 86
Trang 7/91
Thiết kế và điều khiển tối ưu hệ thống sản xuất nước lạnh Chiller ứng dụng cho các
tòa nhà cao tầng
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1: Biểu đồ suất tiêu thụ năng lượng EUI trung bình theo năm ...................... 15
Hình 2: Biểu đồ tỷ lệ sử dụng năng lượng các khu vực trong tịa nhà .................... 16
Hình 3: Sơ đồ hệ thống sản xuất nước lạnh Chiller giải nhiệt nước ....................... 21
Hình 4: Chiller giải nhiệt nước máy nén ly tâm ..................................................... 23
Hình 5: Chiller giải nhiệt nước máy nén trục vít .................................................... 24
Hình 6: Chiller giải nhiệt gió máy nén trục vít....................................................... 24
Hình 7: Hệ thống một vịng tuần hồn có ống gom bơm sơ cấp ............................. 26
Hình 8: Hệ thống một vịng tuần hồn riêng biệt bơm sơ cấp ................................ 26
Hình 9: Hệ thống hai vịng tuần hồn có ống gom bơm sơ cấp .............................. 28
Hình 10: Hệ thống hai vịng tuần hồn riêng biệt bơm sơ cấp ............................... 28
Hình 11: Hệ thống tuần hồn giải nhiệt chung ống gom bơm giải nhiệt ................ 30
Hình 12: Hệ thống tuần hoàn giải nhiệt bơm giải nhiệt riêng biệt ......................... 31
Hình 13: Biến đổi nhiệt độ phịng khơng bám theo nhiệt độ đặt của FCU.............. 38
Hình 14: Biến đổi nhiệt độ phòng đáp ứng theo nhiệt độ đặt của FCU .................. 38
Hình 15: Đường đặc tính tiêu thụ năng lượng Chiller theo tải ............................... 41
Hình 16: Cấu trúc hệ thống điều khiển BMS .......................................................... 45
Hình 17: Lưu đồ điều khiển khởi động một Chiller ................................................ 48
Hình 18: Lưu đồ điều khiển tắt một Chiller ........................................................... 50
Hình 19: Lưu đồ điều khiển bảo vệ Chiller ............................................................ 52
Hình 20: Lưu đồ điều khiển bật tắt cụm Chiller ..................................................... 54
Hình 21: Lưu đồ điều khiển nước lạnh đặt............................................................. 56
Hình 22: Lưu đồ điều khiển tháp giải nhiệt và nhiệt độ nước giải nhiệt ................. 58
Hình 23: Lưu đồ điều khiển bơm thứ cấp ............................................................... 60
Hình 24: Lưu đồ điều khiển chương trình chính .................................................... 62
Hình 25: Vịng tuần hồn nước lạnh của Crowne Plaza ........................................ 67
Hình 26: Vịng tuần hồn nước giải nhiệt của Crowne Plaza ................................ 68
Trang 8/91
Thiết kế và điều khiển tối ưu hệ thống sản xuất nước lạnh Chiller ứng dụng cho các
tòa nhà cao tầng
Hình 27: Biểu đồ chỉ số suất tiêu thụ năng lượng điện kW/RT theo tải .................. 71
Hình 28: Biểu đồ chỉ số kW/RT hệ thống Chiller theo tải lạnh sử dụng ................. 74
Hình 29: Hệ thống BMS sử dụng PXC và Apogee Insgiht của Siemens .................. 78
Hình 30: Bộ điều khiển tích hợp MEC của Siemens ............................................... 79
Hình 31: Bộ điều khiển PXC36.EA của Siemens .................................................... 79
Hình 32: Giao diện vận hành hệ thống Chiller ...................................................... 81
Hình 33: Giao diện cài đặt tham số cho chương trình phần mềm .......................... 81
Hình 34: Biểu đồ chỉ số kWh/Btu trước và sau ...................................................... 87
Trang 9/91
Thiết kế và điều khiển tối ưu hệ thống sản xuất nước lạnh Chiller ứng dụng cho các
tòa nhà cao tầng
MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Tình trạng thiếu hụt năng lượng và hiệu ứng nhà kính CO2 đang là những
vấn đề hết sức nóng hổi và quan tâm giải quyết trong tình hình chung của thế giới
hiện nay.Và để giảm thiểu vấn đề này thì sử dụng năng lượng một cách hiệu quả và
tiết kiệm là một trong các cách đơn giản và kinh tế nhất đang được nghiên cứu và
ứng dụng.
Ngoài ra, sử dụng năng lượng một cách hiệu quả và tiết kiệm khơng những
góp phần bảo vệ mơi trường, mà cịn là uy tín và cam kết của Chủ đầu tư đối với
môi trường và cộng đồng, đem lại giá trị kinh tế trực tiếp cho Chủ đầu tư. Sử dụng
năng lượng hiệu quả trong khi vẫn đảm bảo các tính năng sẵn có của hệ thống, đảm
bảo sự tiện nghi cho khách hàng sẽ giúp chủ đầu tư tiết kiệm chi phí năng lượng sử
dụng, chi phí đầu tư cơ sở hạ tầng thiết bị, chi phí bảo trì bảo dưỡng máy móc thiết
bị do giảm số giờ vận hành, giảm công suất thiết kế hệ thống, giảm chỉ số tiêu thụ
năng lượng, giảm thời gian bảo dưỡng và giảm các phụ tùng thay thế. Do đó tổng
chi phí vịng đời thiết bị sẽ được giảm (Total Life Cycle Cost - LCC).
Với các dự án mới đầu tư trong một thập kỷ trở lại đây, các công trình
thường được đánh giá theo mức độ thân thiện với mơi trường hoặc cịn được biết
đến với tiêu chuẩn cơng trình xanh (GREEN) trong việc sử dụng năng lượng, điển
hình như tiêu chuẩn đánh giá cơng trình xanh LEED tại Mỹ, LOTUS của Hội đồng
cơng trình xanh Việt Nam - VGBC, các tiêu chuẩn này xác định những tiêu chí và
chỉ dẫn kỹ thuật từ giai đoạn lập dự án đầu tư, thiết kế cơ sở đến giai đoạn vận hành
bảo dưỡng. Tuy nhiên với các dự án đang hoạt động, trên cơ sở hệ thống đã được
thiết kế và xây dựng sẵn có, các thiết bị hiện hữu mà chủ đầu tư đang khai thác sử
dụng, thì tối ưu hóa về mặt điều khiển và vận hành hệ thống là là phương pháp kinh
tế và dễ đàng được chủ đầu tư chấp thuận triển khai.
Trang 10/91
Thiết kế và điều khiển tối ưu hệ thống sản xuất nước lạnh Chiller ứng dụng cho các
tòa nhà cao tầng
Tại Việt Nam hiện nay theo quy định tại Thông tư số 09/2012/TT-BCT của
Bộ Công thương, Quy định về việc “lập kế hoạch, báo cáo thực hiện kế hoạch sử
dụng năng lượng hiệu quả và tiết kiệm; thực hiện kiểm toán năng lượng” đã và đang
được áp dụng đối với các cơ sở sử dụng năng lượng trọng điểm hoặc các đơn vị
khác liên quan, gồm các tòa nhà và trung tâm thương mại, sản xuất lớn (trong đó có
các tổ hợp văn phịng, khách sạn...). Qua việc đó thể hiện tầm quan trọng của vấn đề
và Chính phủ vừa bắt buộc và cũng vừa khuyến khích các chủ đầu tư phải sử dụng
năng lượng một cách hiệu quả và tiết kiệm.
Xuất phát từ tình hình thực tế trên và nhằm góp phần thiết thực vào cơng
cuộc cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, trong khn khổ của khố học Cao
học, chuyên ngành Đo lường và các hệ thống điều khiển của trường Đại học Bách
khoa Hà Nội, được sự tạo điều kiện giúp đỡ của nhà trường và sự tận tình hướng
dẫn của thầy giáo TS. Bùi Đăng Thảnh, học viên đã lựa chọn đề tài nghiên cứu tốt
nghiệp của mình là: “Thiết kế và điều khiển tối ưu hệ thống sản xuất nước lạnh
Chiller ứng dụng cho các tòa nhà cao tầng”.
Lịch sử nghiên cứu
Mặc dù việc nghiên cứu và ứng dụng hệ thống điều khiển để tối ưu sử dụng
năng lượng gần đây đã được các hãng điều hòa hoặc các hãng sở hữu hệ thống điều
khiển tiến hành, tuy nhiên đây là phần công nghệ đặc thù và bí mật sở hữu trí tuệ
của các hãng nên phần mềm này đã được đóng gói kín, giá thành bản quyền sử dụng
là rất cao nên chưa có cơng trình nào ở Hà Nội sử dụng, một số cơng trình nghiên
cứu về điều khiển bật tắt hoặc tối ưu lưu lượng các hệ thống một vòng tuần hồn, 2
vịng tuần hồn [6,10,13]. Việc tìm hiểu và ứng dụng các cách thức vận hành nâng
cao hiệu suất chỉ ở cấp kỹ sư vận hành của mỗi chủ đầu tư, và chỉ từng phần trong
hệ thống thực hiện chủ yếu bằng tay (can thiệp bằng tay) chứ chưa được thực hiện
một cách hệ thống và tự động bằng chương trình phần mềm trên BMS.
Mục đích nghiên cứu của luận văn
Trang 11/91
Thiết kế và điều khiển tối ưu hệ thống sản xuất nước lạnh Chiller ứng dụng cho các
tòa nhà cao tầng
Thiết kế phần mềm điều khiển tối ưu được hệ thống sản xuất nước lạnh
Chiller, ứng dụng cho các tòa nhà cao tầng để tiết kiệm năng lượng điện tiêu thụ
trên cơ sở đánh giá bằng chỉ số tiêu thụ năng lượng kWh/Btu của hệ thống nghiên
cứu, trên cơ sở đó có thể ứng dụng rộng rãi cho rất nhiều cơng trình tịa nhà cao
tầng ở Hà Nội.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Thiết kế và sơ đồ hệ thống sản xuất nước lạnh Chiller
Máy sản xuất nước lạnh Chiller và cách thức vận hành điều khiển
Các bơm trong hệ thống và cách thức vận hành điều khiển
Hệ thống tháp giải nhiệt, chu trình năng lượng
Phạm vi nghiên cứu của đề tài là giải pháp vận hành điều khiển từng thiết bị
và điều khiển phối hợp toàn bộ các thiết bị trong hệ thống một cách tự động bằng
phần mềm mà làm cho hệ thống đạt được hiệu suất sử dụng năng lượng cao nhất
thay thế cho việc điều khiển bằng con người.
Phương pháp nghiên cứu
Tìm hiểu về công nghệ, khảo sát các nghiên cứu, tài liệu liên quan để thu
thập thông tin về cơ sở lý thuyết từ nhiều nguồn (sách giáo trình, hồ sơ tài liệu công
nghệ nhà sản xuất, các khảo sát…..)
Nghiên cứu sử dụng chương trình phần mềm triển khai trên hệ thống điều
khiển tòa nhà, cài đặt các tham số điều khiển bám sát thực tế vận hành và hệ thống
hiện hữu để thực hiện tối ưu.
Nội dung luận văn
Nghiên cứu về quy trình cơng nghệ hệ thống sản xuất nước lạnh
Chiller
Thiết kế phần cứng và và phần mềm điều khiển hệ thống tối ưu năng
lượng
Trang 12/91
Thiết kế và điều khiển tối ưu hệ thống sản xuất nước lạnh Chiller ứng dụng cho các
tòa nhà cao tầng
Ứng dụng giải pháp nghiên cứu trong một dự án thực tế và đánh giá
hiệu quả
Trang 13/91
Thiết kế và điều khiển tối ưu hệ thống sản xuất nước lạnh Chiller ứng dụng cho các
tòa nhà cao tầng
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG
TRONG TÒA NHÀ VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ
1.1.
1.1.1.
TIÊU THỤ NĂNG LƯỢNG TRONG TỊA NHÀ
Suất tiêu thụ năng lượng các tịa nhà trung bình năm
Theo các nghiên cứu và đánh giá về mức tiêu thụ năng lượng trong tòa nhà
trên thế giới, về cơ bản mức sử dụng năng lượng trong tịa nhà (bao gồm năng
lượng điện, nhiên liệu hóa thạch và sinh học, năng lượng mặt trời...) phụ thuộc vào
loại hình tịa nhà hay cịn gọi là cơng năng, điều kiện khí hậu thời tiết, giải pháp
kiến trúc cũng như giải pháp thiết kế hệ thống cơ điện, tiêu chuẩn sử dụng và chế độ
vận hành bảo trình bảo dưỡng cụ thể của từng cơng trình.
Hiện nay ở Việt Nam chưa có một đánh giá hay khảo sát quy mơ nào về việc
sử dụng năng lượng hoặc suất tiêu thụ năng lượng nào được tiến hành, tuy nhiên
theo một báo cáo uy tín được cơng bố rộng rãi của Cơng ty tài chính quốc tế IFC
trực thuộc Ngân hàng thế giới [11], suất tiêu thụ năng lượng theo m2, chỉ số suất sử
dụng năng lượng trung bình năm (EUI – Energy Use Intensity), của các loại hình
cơng trình gồm nhà ở, trung tâm thương mại, bệnh viện, văn phòng cho th và
khách sạn như Hình 1, cụ thể:
Cơng trình nhà ở: 50 kWh/m2
Cơng trình trung tâm thương mại: 300 kWh/m2
Cơng trình bệnh viện và cơ sở y tế: 400 kWh/m2
Cơng trình văn phịng, cao ốc cho th làm văn phịng: 200 kWh/m2
Cơng trình khách sạn, căn hộ cho thuê: 250 kWh/m2
Trang 14/91
Thiết kế và điều khiển tối ưu hệ thống sản xuất nước lạnh Chiller ứng dụng cho các
tòa nhà cao tầng
Đơn vị: kWh/m2
450.0
400.0
350.0
300.0
250.0
200.0
150.0
100.0
50.0
-
Nhà ở
TT thương
mại
Bệnh viện
Văn phịng Khách sạn
cho th
Hình 1: Biểu đồ suất tiêu thụ năng lượng EUI trung bình theo năm
1.1.2.
Tỷ lệ tiêu thụ năng lượng các khu vực trong tòa nhà
Tỷ lệ tiêu thụ năng lượng của các khu vực trong một tòa nhà cũng thay đổi
và phụ thuộc vào cơng năng của tịa nhà, trong đó khu vực sử dụng năng lượng lớn
nhất là hệ thống điều hịa và thơng gió (viết tắt là HVAC - Heating, Ventilation, and
Air Conditioning), chiếm từ 50% tới 60% tổng tiêu thụ năng lượng của các tịa nhà
đó [7,8], tiếp sau đó là hệ thống chiếu sáng và nước nóng. Trong Hình 2 là tỷ lệ tiêu
thụ điển hình cho loại tòa nhà khách sạn và văn phòng trong cùng báo cáo của Cơng
ty tài chính quốc tế IFC [11]:
Trang 15/91
Thiết kế và điều khiển tối ưu hệ thống sản xuất nước lạnh Chiller ứng dụng cho các
tòa nhà cao tầng
Tịa nhà văn phịng, khách sạn
Khác
3%
Ăn uống
13%
Chiếu sáng
13%
Nước nóng
9%
Điều hịa
50%
Quạt +
Bơm
12%
Hình 2: Biểu đồ tỷ lệ sử dụng năng lượng các khu vực trong tịa nhà
Hệ thống điều hịa khơng khí của tịa nhà bao gồm 02 phần khá riêng biệt
gồm khu vực sản xuất và khu vực tiêu thụ, khu vực sản xuất chính là khu vực sản
sinh ra năng lượng lạnh/nóng tùy từng thiết kế hệ thống như máy sản xuất nước
lạnh Chiller hoặc giàn nóng ngồi nhà - Outdoor Unit (OU), khu vực tiêu thụ năng
lượng lạnh/nóng gồm các PAU, AHU, FCU, hoặc giàn lạnh - Indoor Unit (IU). Qua
đó có thể thấy rằng tiêu thụ năng lượng của hệ thống điều hịa khơng khí chủ yếu
nằm ở khu vực sản xuất, đây chính là khu vực mà học viên sẽ chọn làm đề tài để
nghiên cứu và ứng dụng hệ thống điều khiển tự động tối ưu nhằm tiết kiệm năng
lượng trong tòa nhà.
1.1.3.
Ý nghĩa chỉ số tiêu thụ năng lượng
Như đã đề cập ở trên, chỉ số suất tiêu thụ năng lượng trung bình theo năm
của các tòa nhà phụ thuộc nhiều yếu tố trong đó có cơng năng, điều kiện mơi
trường, giải pháp kiến trúc cũng như giải pháp thiết kế hệ thống cơ điện, tiêu chuẩn
sử dụng và chế độ vận hành, bảo trình bảo dưỡng. Trong thực tế chúng ta sẽ đặt câu
hỏi rằng với một tịa nhà cụ thể nào đó thì việc sử dụng giải pháp điều khiển tối ưu
Trang 16/91
Thiết kế và điều khiển tối ưu hệ thống sản xuất nước lạnh Chiller ứng dụng cho các
tòa nhà cao tầng
sẽ tiết kiệm được bao nhiêu năng lượng đang sử dụng hoặc với một chủ đầu tư thì
quy ra là bao nhiêu tiền chi phí năng lượng sẽ được cắt giảm, và cắt giảm theo cách
nào, làm thế nào để đánh giá việc đó chính xác. Để giải đáp các câu hỏi này học
viên xin trình bày một nội dung sau:
Có sử dụng giải pháp điều khiển tối ưu để tiết kiệm năng lượng cho tịa nhà
được khơng?
Trên thực tế các tịa nhà đều có thể thay đổi cách vận hành sử dụng hoặc
nâng cấp hệ thống để tối ưu việc sử dụng năng lượng được, nhưng khả năng thay
đổi để tiết kiệm được là khơng giống nhau, nó phụ thuộc vào từng điều kiện cụ thể
và cần phải tiến hành đánh giá mới có thể đưa ra giải pháp được. Với một tòa nhà
mới được đầu tư hiện đại và công nghệ tiên tiến, thiết kế hệ thống hợp lý và vận
hành hiệu quả thì khả năng thay đổi tối ưu là không lớn và không cần thiết, trong
khi đó việc tối ưu mang lại hiệu quả rất lớn nếu sử dụng cho các hệ thống cơ điện đã
qua sử dụng một thời gian tương đối vài năm và chưa được tối ưu lần nào, việc vận
hành hệ thống đang kém hiệu quả (dời xa điểm vận hành tối ưu). Vậy bước đầu tiên
và bao quát chung là so sánh chỉ số suất tiêu thụ năng lượng trung bình theo năm
với tiêu chuẩn trung bình của các cơng trình. Một tịa nhà có suất tiêu thụ năng
lượng càng lớn hơn mức trung bình thì càng có khả năng ứng dụng giải pháp tối ưu.
Hiệu quả tối ưu giá trị bao nhiêu?
Việc tối ưu một hệ thống trong tòa nhà đứng trên góc độ chủ đầu tư sẽ là quy
ra tiết kiệm được bao nhiêu chi phí, tuy nhiên với góc độ kỹ thuật sẽ cần đánh giá
theo tỷ lệ phần trăm, vì số đơn vị tiêu thụ của mỗi tòa nhà là khác nhau và đặc trưng
của hệ thống điều hòa là cường độ sử dụng thay đổi theo các tháng trong năm. Vì
vậy quy về tỷ lệ phần trăm tiết kiệm trung bình theo từng mốc hoặc quy ra tỷ lệ
trung bình theo năm đều được.
Phương pháp đánh giá hiệu quả tối ưu cho hệ thống?
Phương pháp đánh giá hiệu quả của hệ thống tối ưu cần phải dựa trên chỉ số
định lượng trong các điều kiện so sánh tương đồng, có một số cách đánh giá khác
Trang 17/91
Thiết kế và điều khiển tối ưu hệ thống sản xuất nước lạnh Chiller ứng dụng cho các
tòa nhà cao tầng
nhau hoặc theo hiệu suất hoặc theo giá trị tuyệt đối, tuy nhiên ở trong luận văn này
sẽ chọn hệ số hiệu quả năng lượng theo đơn vị chỉ số tiêu thụ năng lượng kWh/Btu
làm căn cứ để so sánh. Đây cũng là hệ số phổ biến dùng để đánh giá hiệu quả hệ
thống sản xuất nước lạnh Chiller hiện nay của các tòa nhà trên thế giới và các hãng
sản xuất hệ thống thường sử dụng. Hiệu suất hoạt động hệ thống Chiller COP
(Coefficient Of Performance) được tính tốn quy đổi từ chỉ số tiêu thụ năng lượng
kWh/Btu như sau:
=
.
/
(1)
Việc tiết kiệm năng lượng khu vực sản xuất là đưa hiệu suất sử dụng năng
lượng điện sản xuất nước lạnh lên cao nhất. Giá trị đầu vào của hệ thống là công
suất điện (kW) hoặc số điện tiêu thụ (kWh) và giá trị đầu ra tính bằng cơng suất tấn
lạnh RT (Refrigeration Tons) hoặc số năng lượng lạnh Btu. Chỉ số hiệu quả sử dụng
năng lượng của Hệ thống sản xuất nước lạnh được đánh giá bằng chỉ số kWh/Btu
(hoặc tương đương quy đổi là kW/RT, kW/kW trong một số tài liệu nghiên cứu),
hoặc được hiểu là năng lượng kWh điện tiêu thụ của hệ thống để sản xuất ra được 1
Btu lạnh (hoặc công suất kW điện để sản xuất ra 1 đơn vị công suất nhiệt lạnh RT).
Chỉ số kWh/Btu cũng tương tự như số lít xăng mà một chiếc xe hơi tiêu thụ trên
mỗi quãng đường 100 km, việc điều khiển tối ưu hệ thống là để có chỉ số kWh/Btu
theo chiều giảm đến điểm thấp nhất tại mọi thời điểm.
Ngồi chỉ số kWh/Btu thì chỉ số tiêu thụ điện kWh cũng có thể dùng để đánh
giá việc tiết kiệm năng lượng. Trong cùng một điều sử dụng và môi trường nhiệt độ
tương đồng, mà chỉ số kWh tiêu thụ giảm thì có nghĩa là hệ thống đã tiết kiệm hơn.
Như vậy để có thể so sánh đánh giá cần tiến hành thu thập thông tin kWh/Btu tại
thời điểm trước khi tối ưu và sau khi tối ưu, sau đó tính trung bình và so sánh ở các
điều kiện môi trường tương đồng.
Phương pháp bench-marking chỉ số kW/RT với bảng tiêu chuẩn?
Trang 18/91
Thiết kế và điều khiển tối ưu hệ thống sản xuất nước lạnh Chiller ứng dụng cho các
tòa nhà cao tầng
Sau khi thu thập được chỉ số kW/RT của tòa nhà sẽ so sánh chỉ số này với
một bảng chỉ số tiêu chuẩn để đánh giá tiềm năng tiến hành thay đổi tối ưu điều
khiển gọi là phương pháp Bench-marking. Có rất nhiều bảng tiêu chuẩn so sánh của
các hiệp hội cũng như phịng nghiên cứu trên thế giới, ví dụ như Hiệp hội các hệ
thống sưởi ấm, làm lạnh và điều hịa khơng khí Hoa Kỳ ASHRAE, hiệp hội cơng
trình xanh LEED của Úc, hiệp hội cơng trình xanh BCA Green Mark...Ở đây học
viên sử dụng bảng tiêu chuẩn đánh giá xếp hạng hệ thống của BCA Green Mark
Singapore [7] và khu vực Đông Nam Á để xếp hạng và cấp chứng chỉ xanh cho các
cơng trình, thể hiện ở Bảng 1 và Bảng 2:
Bảng 1: Chỉ số tiêu thụ năng lượng hệ thống Chiller giải nhiệt nước
Tòa nhà sử dụng Chiller giải nhiệt nước
Cơng suất lạnh tịa nhà (RT)
Mức đánh giá theo
< 500
≥ 500
Green Mark
Chỉ số năng lượng (kW/RT)
Hiệu suất thấp
-
-
Đạt
0.85
0.75
Vàng
0.80
0.70
Vàng +
0.75
0.68
Kim cương
0.70
0.65
Bảng 2: Chỉ số tiêu thụ năng lượng hệ thống Chiller giải nhiệt gió
Tịa nhà sử dụng Chiller giải nhiệt gió hoặc loại 2 khối
Cơng suất lạnh tòa nhà (RT)
Mức đánh giá theo
< 500
≥ 500
Green Mark
Chỉ số năng lượng (kW/RT)
Hiệu suất thấp
-
-
Đạt
1.1
1.0
Vàng
1.0
Vàng +
0.85
Kim cương
0.78
Trang 19/91
Không áp dụng
Thiết kế và điều khiển tối ưu hệ thống sản xuất nước lạnh Chiller ứng dụng cho các
tòa nhà cao tầng
1.2.
HỆ THỐNG ĐIỀU HỊA TRUNG TÂM
Hệ thống điều hịa khơng khí trung tâm là một hệ thống gồm một hay nhiều
máy trung tâm phối hợp thành một hệ thống tổng thể phân phối lạnh cho toàn bộ
các khu vực trong toà nhà. Hệ thống điều hoà trung tâm sử dụng nước làm tác nhân
lạnh thông qua hệ thống đường ống dẫn nước, môi chất lạnh vào các dàn trao đổi
nhiệt để làm lạnh khơng khí, tồn bộ q trình sản sinh năng lượng lạnh/nóng của
hệ thống tập trung tại một hoặc một số khu vực nhất định trong tòa nhà như tầng
hầm, tầng mái hoặc tầng kỹ thuật. Hệ thống điều hòa trung tâm gồm hệ thống sử
dụng Chiller và hệ thống VRV.
1.2.1.
Hệ thống điều hòa trung tâm VRV
Hệ thống điều hòa trung tâm VRV (Variable Refrigerant Volume) là hệ
thống điều hịa có thể điều chỉnh được lưu lượng mơi chất lạnh, qua đó có thể thay
đổi cơng suất theo phụ tải bên ngồi. Điều hịa trung tâm nhiều dàn nóng và nhiều
dàn lạnh dùng chung đường ống mơi chất (theo từng ứng dụng cụ thể, ví dụ 12 dàn
lạnh dùng cùng một dàn nóng). Dàn lạnh có các ống mơi chất cấp (lỏng) và hồi (khí
gas), ống nước xả ngưng. Dàn lạnh được cấp gió tươi (vào hộp hồi, hoặc cấp trực
tiếp vào dàn lạnh) hoặc được hút gió thải. Ngồi ra có thể có thêm hệ thống thu hồi
nhiệt, bơm nước ngưng.
VRV về bản chất là một hệ thống điều hịa hai cục, nhìn bề ngồi VRV giống
như điều hịa hai cục thơng thường, tuy nhiên khối ngồi nhà sẽ lớn hơn, phần giải
nhiệt công suất lớn và có nhiều quạt gió. Là hệ thống điều hịa phát triển đầu tiên
bởi hãng Daikin của Nhật Bản. Tuy nhiên hệ thống VRV là một hệ tương đối kín và
được nhà sản xuất bảo mật công nghệ, trong đề tài nghiên cứu này học viên không
nghiên cứu sử dụng giải pháp tối ưu cho hệ thống này vì tiềm năng tối ưu sử dụng
năng lượng của loại hình này khơng lớn.
1.2.2.
Hệ thống điều hòa trung tâm Chiller
Trang 20/91
Thiết kế và điều khiển tối ưu hệ thống sản xuất nước lạnh Chiller ứng dụng cho các
tòa nhà cao tầng
Hệ thống điều hòa chiller gồm một hay nhiều máy trung tâm kết hợp thành
một hệ thống tổng thể phân phối lạnh cho toàn bộ khu vực trong nhà xưởng, tòa
nhà. Hệ thống điều hòa trung tâm chiller sử dụng nước qua các hệ thống đường ống
dẫn nước vào các dàn trao đổi nhiệt để làm lạnh khơng khí. Có 2 loại chiller phổ
biến gồm:
Chiller giải nhiệt gió, giải nhiệt trực tiếp trên Chiller
Chiller giải nhiệt nước, giải nhiệt thông qua hệ thống tháp giải nhiệt
1.2.3.
Hệ thống điều hòa trung tâm sử dụng Chiller giải nhiệt nước
Máy sản xuất nước lạnh Chiller thực chất là một máy nén, gồm cả dàn nóng
Condenser và giàn lạnh Evaporator, sau đó chilled water được làm lạnh ở giàn lạnh,
môi chất thường dùng là nước khử khoáng, đi đến tải là các FCU hoặc AHU, như
Hình 3. Nhiệt độ mơi chất nước lạnh ra khoảng 6˚C -7˚C để cấp đến các tải sử dụng
và hồi lại khoảng 12˚C -14˚C. Với các tháp giải nhiệt thì nhiệt độ chênh nhau cũng
khoảng 5˚C đến 7˚C, nước giải nhiệt cấp đến Chiller khoảng 27˚C – 32˚C và hồi về
tháp giải nhiệt khoảng 32˚C - 39˚C.
Hình 3: Sơ đồ hệ thống sản xuất nước lạnh Chiller giải nhiệt nước
Trang 21/91
Thiết kế và điều khiển tối ưu hệ thống sản xuất nước lạnh Chiller ứng dụng cho các
tòa nhà cao tầng
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ VÀ
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG SẢN XUẤT
NƯỚC LẠNH CHILLER
2.1.
2.1.1.
MÁY SẢN XUẤT NƯỚC LẠNH CHILLER
Phân loại Chiller theo chủng loại máy nén
Bộ phận quan trọng nhất trong một máy Chiller và giàn nóng điều hịa chính
là máy nén (Compressor), hiện nay có nhiều chủng loại máy nén khác nhau được sử
dụng đem lại hiệu suất và công suất không khác nhau [4]. Các chủng loại máy nén
phổ biến hiện gồm có:
a. Máy nén ly tâm (Centrifugal compressor) là loại có độ bền cao, hiệu suất
cao, công suất lớn nhất nhưng giá thành cũng cao, được dùng phổ biến nhất
hiện nay. Máy nén ly tâm được cấu tạo gồm nhiều tầng máy nén liên tục làm
cho tổng công suất của tải máy nén lên rất cao. Đường đặc tính COP theo tải
của loại này có hiệu suất cao nhất ở vào khoảng 50 – 90% tải, ngồi hai
vùng này thì hiệu suất thấp.
b. Máy nén trục vít (Rotary Screw compressor) là loại có cơng nghệ từ khá lâu,
hiệu suất trung bình, cơng suất trung bình, và giá thành khá rẻ. Đường đặc
tính COP theo tải của loại này là đường dốc xuống, tải càng cao thì hiệu
suất càng giảm, tuy nhiên khơng nên làm việc dưới 25% tải.
c. Máy nén dạng piston (reciprocating compressor): Dùng cho loại chiller cỡ
nhỏ, điều hòa cỡ nhỏ, hoặc như điều hịa hai cục gia đình, hiện nay ít dùng
cho Chiller. Là loại có hiệu suất thấp, khơng bền nhưng giá rẻ.
d. Máy nén xoắn ốc (Scroll compressor): dùng phổ biến cho chiller cỡ nhỏ, điều
hòa cỡ nhỏ, điều hịa hai cục gia đình, điều hịa VRV, hiện nay ít dùng cho
Chiller. Là loại có hiệu suất cao và bền, nhưng giá thành lại cao.
2.1.2.
Phân loại theo phương pháp giải nhiệt
Trang 22/91
Thiết kế và điều khiển tối ưu hệ thống sản xuất nước lạnh Chiller ứng dụng cho các
tòa nhà cao tầng
Các tịa nhà cao tầng hiện nay có sử dụng hệ thống điều hịa trung tâm cơng
suất lớn chủ yếu sử dụng điều hòa trung tâm Chiller, được chia thành loại gồm
Chiller giải nhiệt gió và Chiller giải nhiệt nước như đã đề cập ở phần trước. Hệ
thống Chiller giải nhiệt gió được dùng được khuyến cáo dùng cho hệ thống nếu
tổng công suất lạnh dưới 500 tấn lạnh, với hệ thống có tổng cơng suất lạnh trên 500
tấn lạnh chủ đầu tư thường sử dụng loại giải nhiệt nước, đây cũng là theo khuyến
cáo của hiệp hội cơng trình xanh BCA Singapore [7]. Các chủng loại đang sử dụng
trong các tòa nhà gồm:
Chiller giải nhiệt nước máy ly tâm, trong Hình 4
Chiller giải nhiệt nước trục vít, trong Hình 5
Chiller giải nhiệt gió trục vít, trong Hình 6
Hình 4: Chiller giải nhiệt nước máy nén ly tâm
Trang 23/91
