Nghiên cứu và thiết kế hệ thống tiết kiệm tối ưu năng lượng trong tòa nhà thông minh

TRƯƠNG PHAN VĨNH PHƯỚC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

TRƯƠNG PHAN VĨNH PHƯỚC

ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG TIẾT KIỆM TỐI ƯU NĂNG
LƯỢNG TRONG TỊA NHÀ THƠNG MINH

Chun ngành:

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA

Khóa 2010-2012

Hà Nội – Năm 2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------TRƯƠNG PHAN VĨNH PHƯỚC

NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG TIẾT KIỆM TỐI ƯU NĂNG
LƯỢNG TRONG TỊA NHÀ THƠNG MINH

Chuyên ngành:

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN:
TS Nguyễn Hồng Nam

Hà Nội – Năm 2013


NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ HỆ
THỐNG TIẾT KIỆM TỐI ƢU NĂNG
LƢỢNG TRONG TÒA NHÀ.


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi, đƣợc
tập hợp từ nhiều nguồn tài liệu và liên hệ thực tế viết ra, không sao chép của bất kỳ
luận văn nào trƣớc đó.
Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm về nội dung của luận văn này.

Hà Nội, ngày 28 tháng 3 năm 2013
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Trƣơng Phan Vĩnh Phƣớc
Khoá: Cao học 2010 -2012.


LỜI CẢM ƠN
Từ thời gian bắt đầu nghiên cứu đến nay luận văn đã hồn thành. Trong q

trình làm đề tài này tôi đã nhận đƣợc sự giúp đỡ của các thầy, cô giáo đặc biệt nhất
là sự hƣớng dẫn tận tình và chu đáo của TS. Nguyễn Hồng Nam. Tôi xin chân
thành cảm ơn và xin đƣợc bày tỏ lịng biết ơn chân thành đến TS. Nguyễn Hồng
Nam, các thầy, cô giáo trong Viện Điện, Viện đào tạo sau đại học và các bộ môn
trong Đại Học Bách Khoa Hà Hội, Trƣờng Cao Đẳng Nghề Dầu Khí Vũng Tàu đã
tạo điều kiện giúp đỡ trong suốt quá trình tham gia khóa học. Các bạn bè học viên
cùng lớp đã giúp đỡ tơi hồn thành luận văn này.
Do hạn chế về thời gian, trình độ nên luận văn khơng thể tránh khỏi sai sót.
Tác giả rất mong nhận đƣợc những chỉ dẫn, góp ý của các thầy cơ cũng nhƣ các
đồng nghiệp để luận văn đƣợc hoàn thiện hơn nữa.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn và chân thành cảm ơn!!


Nghiên cứu và thiết kế hệ thống tiết kiệm tối ƣu năng lƣợng trong
tịa nhà thơng minh

2013

MỤC LỤC
MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ
DANH MỤC BẢNG BIỂU
DANH MỤC VIẾT TẮT
MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG QUẢN LÝ NĂNG LƢỢNG
TÒA NHÀ...................................................................................................... 4
1.1

Tổng quan về quản lý năng lƣợng ......................................................... 5

1.1.1 Thiết bị hiện trường.............................................................................. 5
1.1.2 Khối điều khiển .................................................................................... 6
1.1.3 Khối vận hành giám sát (SCADA) ........................................................ 7
1.1.4 Khối quản lý ......................................................................................... 7
1.2

Đánh giá hệ thống quản lý năng lƣợng .................................................. 9

1.2.1 Thực trạng ............................................................................................ 9
1.2.2 Lợi ích về năng lượng ......................................................................... 10
1.2.3 Lợi ích hỗ trợ vận hành ...................................................................... 10
1.2.4 Các giải pháp tiết kiệm ....................................................................... 11
CHƢƠNG II. CÁC PHƢƠNG PHÁP TIẾT KIỆM VÀ TỐI ƢU NĂNG
LƢỢNG ....................................................................................................... 13
2.1

Tiết kiệm năng lƣợng .......................................................................... 14

2.1.1

Giới thiệu ......................................................................................... 14

2.1.2

Dịch vụ quản lý năng lượng ............................................................. 15

2.1.3

Phần mềm ........................................................................................ 19

2.1.4

Giao thức EMS................................................................................. 20

2.1.5

Quá trình thử nghiệm thiết bị eEMS ................................................. 22

2.1.6

Tổng kết ........................................................................................... 26


Nghiên cứu và thiết kế hệ thống tiết kiệm tối ƣu năng lƣợng trong
tịa nhà thơng minh

2.2

2013

Quản lý tối ƣu năng lƣợng................................................................... 26

2.2.1

Giới thiệu ......................................................................................... 26

2.2.2

Cơ sở lý luận .................................................................................... 28

2.2.3

Mơ hình tốn học ............................................................................. 29

2.2.4

Vấn đề về kinh tế .............................................................................. 31

2.2.5

Thời gian .......................................................................................... 31

2.2.6

Trường hợp nghiên cứu .................................................................... 32

2.2.7

Kết quả và thảo luận ........................................................................ 34

2.2.8

Tính tốn và đo lường nhu cầu năng lượng ...................................... 39

2.2.9

Kết luận ........................................................................................... 40

CHƢƠNG III. CÁC VẤN ĐỀ TRONG QUẢN LÍ NĂNG LƢỢNG TỊA
NHÀ............................................................................................................. 41

3.1

Các hệ thống điện trong tòa nhà .......................................................... 42

3.1.1

Hệ thống điện và nguồn cung cấp điện............................................. 42

3.1.2

Hệ thống chiếu sáng......................................................................... 44

3.1.3

Hệ thống HVAC ............................................................................... 50

3.1.4

Hệ thống cấp nước ........................................................................... 56

3.1.5

Hệ thống thang máy ......................................................................... 56

3.1.6

Hệ thống chữa cháy ......................................................................... 56

3.1.7

Hệ thống an ninh.............................................................................. 58

3.2

Lợi ích của việc trang bị hệ thống BMS cho tịa nhà ........................... 59

3.2.1

Giảm chi phí vận hành và bảo dưỡng............................................... 59

3.2.2

Tiết kiệm năng lượng ....................................................................... 59

3.2.3

Tạo môi trường làm việc tiện nghi, hiện đại, hiệu quả cao ............... 60

3.2.4

Đảm bảo an ninh và an toàn cho con người ..................................... 60

3.2.5

Thân thiện và góp phần gìn giữ mơi trường ..................................... 61

CHƢƠNG IV. TÌM HIỂU HỆ THỐNG QUẢN LÍ NĂNG LƢỢNG ĐỀ
XUẤT BỞI TRƢỜNG ĐẠI HỌC SOUTH WEST, ĐỨC ............................ 62

Nghiên cứu và thiết kế hệ thống tiết kiệm tối ƣu năng lƣợng trong
tịa nhà thơng minh

2013

4.1

Giới thiệu ............................................................................................ 63

4.2

Mạng điện phân tán ............................................................................. 63

4.3

Hệ thống cung cấp điện tƣơng lai - Smart Grid ................................... 65

4.3.1

Điều khiển hướng tới lưới thông minh .............................................. 65

4.3.2

Thách thức cho lưới điện thông minh ............................................... 67

4.4

Các phƣơng pháp tiên tiến ................................................................... 68

4.4.1

Kĩ thuật điều khiển Master/ Slave ..................................................... 68

4.4.2

Kĩ thuật điều khiển (chia sẻ) dòng năng lượng ................................. 69

4.4.3

Kĩ thuật điều khiển sụt Điện áp/Tần số............................................. 70

4.5

Kết luận............................................................................................... 71

CHƢƠNG V. TỔNG KẾT VÀ ĐÁNH GIÁ ................................................ 73
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 75


Nghiên cứu và thiết kế hệ thống tiết kiệm tối ƣu năng lƣợng trong
tịa nhà thơng minh

2013

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cấu trúc thu gọn của hệ thống BMS ............................................... 6
Hình 1.2 Hệ thống quản lý tịa nhà thơng minh .............................................. 8
Hình 2.1 Cấu trúc và chức năng của dịch vụ EMS. ....................................... 18
Hình 2.2 Lƣu đồ các chức năng chính của .................................................... 22

Hình 2.3 Kiến trúc của thiết bị eEMS (trái) và thiết bị eEMS thật (phải). ..... 23
Hình 2.4. Lƣợng yêu cầu của ngƣời dùng và tổng lƣu lƣợng mỗi ngày......... 24
Hình 2.5 Mối quan hệ giữa tiêu thụ năng lƣợng khi sử dụng hệ thống EMS và
khi khơng sử dụng hệ thống EMS................................................................. 25
Hình 2.6 u cầu nhiệt theo năm. ................................................................ 31
Hình 2.7 Hƣớng năng lƣợng vận hành và quá trình làm lạnh. ....................... 33
Hình 2.8 Chiến lƣợc 1: Sử dụng thiết bị ....................................................... 35
Hình 2.9 Chiến lƣợc 1: phân bố thời gian sử dụng thiết bị ............................ 36
Hình 2.10 Chiến lƣợc 2: Sử dụng thiết bị ..................................................... 36
Hình 2.11 Chiến lƣợc 2: phân bố thời gian sử dụng thiết bị .......................... 37
Hình 2.12 Chiến lƣợc 3: Sử dụng thiết bị ..................................................... 37
Hình 2.13 Chiến lƣợc 3: phân bố thời gian sử dụng thiết bị .......................... 38
Hình 3.1 Hệ thống thiết bị điện trong tòa nhà ............................................... 42
Hình 3.2 Cấu trúc hệ thống chiếu sáng LITROL .......................................... 45
Hình 3.3 Hệ thống điều khiển Chiller ........................................................... 51
Hình 3.4 Sơ đồ hệ thống làm mát nƣớc ........................................................ 52


Nghiên cứu và thiết kế hệ thống tiết kiệm tối ƣu năng lƣợng trong
tịa nhà thơng minh

2013

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Tập lệnh chính của giao thức EMS ................................................ 20
Bảng 2.2 Đặc tính thiết bị. ............................................................................ 32
Bảng 2.3 Năng lƣợng mong muốn của kế hoạch năng lƣợng. ....................... 34
Bảng 2.4 Bảng tiền tính giá điện hàng ngày.................................................. 34
Bảng 2.5 Kết quả theo bƣớc đo là 4 giờ. ....................................................... 34

Bảng 2.6 Kết quả tối ƣu sử dụng các bƣớc thời gian khác nhau. ................... 38
Bảng 2.7 Cài đặt thiết bị với điểm đặt có thời gian khác nhau chiến lƣợc 2. . 39


Nghiên cứu và thiết kế hệ thống tiết kiệm tối ƣu năng lƣợng trong
tịa nhà thơng minh

2013

DANH MỤC VIẾT TẮT
Access Control- Điều khiển tập trung.
- AHU: Air Handing Unit- Máy điều hòa.
- ARCnet- Mạng ARC.
- BACnet TCP/IP- Mạng BAC TCP/IP.
- CCTV: Closed Circuit Television- Truyền hình mạch đóng.
- CHP: Combined Heat And Power- Kết hợp nhiệt và năng lƣợng.
- CMIP: Common Management Information Protocol- giao thức thông
tin quản lý chung.
- DDC: Direct Digital Controler- Bộ điều khiển số trực tiếp.
- DEM: Digital Energy Meter- Bộ đo đếm điện năng.
- DERs: Distributed Energy Resources- Phƣơng án phân bổ năng lƣợng.
- DG: Distributed Generation- Hệ phân phối.
- DIM: Device Interface Module- Module thiết bị giao diện.
- ECSs: Energy Conversion Systems- Hệ thống chuyển đổi năng lƣợng.
- eEMS: Embedded EMS- Thiết bị nhúng EMS.
- EMS: Energy Management System- Hệ thống quản lý năng lƣợng.
- EMSP: Energy Management System Protocol- Giao thức Hệ thống
quản lý năng lƣợng.
- FCU: Fan Coil Unit- Máy điều hoà.
- FLN: Floor Lever Network- Mạng FLN

- HAN: Home Area Network- Mạng trong nhà
- HTTP: Hypertext Transfer Protocol- Giao thức truyền siêu văn bản.
- HVAC: Heating, Ventilation, and Air Conditioning- Nhiệt, thơng gió
và điều hịa khơng khí.
- ICT: Information and Communication Technologies- Công nghệ thông
tin và truyền thông.
- LAN: Local Area Network- Mạng máy tính nội bộ.
- LCM: Lighting Control Module- Công tắc chiếu sáng.
- LLN: Lighting Lever Network- Cấp độ lƣới điện chiếu sáng.
- MBC: Module Building Controller- Bộ điều khiển MBC.
- MEC: Modular Equipment Controller- thiết bị điều khiển.
- NAN: Neighborhood Area Network- Mạng ngoài trời.
-


NVR: Network Video Recorder- Mạng lƣới ghi hình.
- PDA: Personal Digital Assistant- Thiết bị cầm tay kỹ thuật số.
- PLL: Phase Locked Loop- Vòng lặp lệch pha.
- PoE: Power over Ethernet- Nguồn trên Ethernet.
- PSM: Programable Switch Module- Công tắc khả trình.
- PWM: Pulse Width Modulation-Mơ hình hóa độ rộng xung.
- RCM: Relay Control Module- Các thiết bị điều khiển đèn.
- RESs: Renewable Energy Sources- Nguồn năng lƣợng tái tạo.
- SCADA: Supervisory Control And Data Acquisition- Vận hành và
giám sát.
- SCHDL: Schedule- Danh mục, phụ lục.
- SMTP: Simple Mail Transfer Protocol- giao thức truyền tải thƣ tín đơn
giản.
- SNMP: Simple Network Management Protocol- Giao thức quản lý
mạng đơn giản.

- SOA: Simple Object Access- Truy cập đối tƣợng đơn giản.
- SOAP: Simple Object Access Protocol- Giao thức truy cập đối tƣợng
đơn giản
- TC: Total Cost- Tổng chi phí.
- TCP / IP: transmission control protocol/ Internet Protocol- Giao thức
điều khiển truyền tải/Giao thức liên mạng.
- Telnet: Terminal Network- Mạng đầu cuối.
- TKNL: Tiết kiệm năng lƣợng.
- UDDI: Universal Description, Discovery, And Integration- Phổ quát
mô tả, khám phá và hội nhập
- UPS: Uninterruptible Power Supplier- Hệ thống nguồn cung cấp liên
tục.
- WAN: Wide Area Network– Mạng diện rộng.
- WON: Wak on Lan- Gọi hoạt động thông qua mạng cục bộ.
- WSDL: Web Service Description Language- Ngôn ngữ mô tả định
dạng dịch vụ Web.
- XLM: Extensible Markup Language- Ngôn ngữ đánh dấu mở rộng.
-

[Type text]

Page 0


Nghiên cứu và thiết kế hệ thống tiết kiệm tối ƣu năng lƣợng trong
tịa nhà thơng minh

2013

MỞ ĐẦU

Hiện nay trên thế giới, hầu hết các toà nhà lớn trong các đơ thị hiện đại
nhƣ tổ hợp văn phịng, chung cƣ cao cấp, các tịa nhà chính phủ, sân bay, nhà
ga,… đều đã đƣợc trang bị hệ thống quản lý năng lƣợng tịa nhà – BMS
(Building Management System). Điều này góp phần quan trọng trong việc
khai thác hiệu quả và đảm bảo tính kinh tế trong việc sử dụng tồ nhà. Bên
cạnh đó, hệ thống BMS cịn giúp cho việc sử dụng các toà nhà đáp ứng đƣợc
các yêu cầu về an toàn, an ninh. Chức năng, phạm vi hoạt động của các hệ
thống BMS là rất rộng lớn vì nó quản lí, điều khiển mọi hoạt động của các
thiết bị bên trong toà nhà. Do vậy, tuỳ theo yêu cầu, chức năng hoạt động của
toà nhà mà các hệ thống BMS cần đƣợc xây dựng và trang bị sao cho phù
hợp.
Có rất nhiều hãng, tập đồn cơng nghệ đã và đang tập trung nghiên cứu,
thiết kế, chế tạo và phát triển các hệ thống quản lí tồ nhà nhƣ: Siemens Đức, Honeywell - Mỹ, Yamatake - Nhật, Advantech – Đài loan, Point Sys –
Pháp,... có hãng chuyên về hệ thống an ninh, an tồn, có hãng lại chun về
các phần mềm quản lí hệ thống và có hãng lại chun về vai trị tích hợp hệ
thống.
Ở Việt Nam có khoảng 90% trong tổng số nhà cao tầng thơng thƣờng có
hệ thống cơ sở hạ tầng tối thiểu nhƣ hệ thống cấp thốt nƣớc, điện, báo
cháy,… Và có khoảng 50% tồ nhà cao tầng đƣợc trang bị hệ thống điều hoà
tập trung, hệ thống bảo vệ và báo cháy, báo động xâm nhập và giám sát bằng
camera nhƣng chƣa có hệ thống điều hoà tập trung, hệ thống bảo vệ báo cháy
đƣợc điều khiển riêng biệt, không thể trao đổi thông tin với nhau, khơng có
quản lí và giám sát chung, cịn phần quản lí điện năng thì ở mức thấp. Khoảng

Trương Phan Vĩnh Phước-10BDKTDH-VT06

1


Nghiên cứu và thiết kế hệ thống tiết kiệm tối ƣu năng lƣợng trong

tịa nhà thơng minh

2013

30% nhà cao tầng có trang bị hệ thống điều hồ tập trung, hệ thống bảo vệ và
báo cháy, hệ thống báo động xâm nhập và giám sát bằng camera có trang bị
hệ thống BMS [1]. Tất cả thiết bị của hệ thống điều hồ, báo cháy đƣợc điều
khiển riêng biệt và tích hợp từng phần. Hệ thống BMS cho phép trao đổi
thông tin, giám sát giữa các hệ thống, quản lí tập trung và quản lí điện năng ở
mức cao. Nhƣng hiện nay tất cả các toà nhà cao tầng đều chƣa đƣợc trang bị
hệ thống quản lí tồ nhà thơng minh với các hệ thống điều khiển điều hoà, báo
cháy,… đƣợc điều khiển tập trung, tƣơng tác bởi hệ thống BMS.
Một tòa nhà có trang bị hệ thống BMS đƣợc tích hợp đầy đủ hệ thống
thông tin, truyền thông và tự động hố sẽ đƣợc gọi là tồ nhà hiệu năng cao,
tồ nhà xanh, tồ nhà cơng nghệ cao, tịa nhà thong minh. Chúng sẽ đƣợc áp
dụng trong các tồ nhà có những chức năng đặc biệt nhƣ bệnh viện, cơ quan,
tòa nhà Quốc hội, tịa nhà Chính phủ,…
Nhƣ vậy phần lớn việc quản lí nhà cao tầng ở Việt Nam chƣa đƣợc trang
bị hệ thống BMS nên xét về mặt chất lƣợng và hiệu năng sử dụng thì chƣa đạt
yêu cầu của đơ thị hiện đại. Hiện các tồ nhà chƣa đƣợc trang bị hệ thống
BMS nên tiền điện thƣờng rất nhiều.
Bên cạnh việc sử dụng điện năng cho các hoạt động vận hành của tòa
nhà (hệ thống điều hòa, hệ thống thang máy,…) thì việc sử dụng điện năng
cho điều khiển chiếu sáng cũng chiếm một tỷ trọng khá lớn. Việc quản lý tốt
vấn đề chiếu sáng không chỉ đem lại môi trƣờng làm việc đáp ứng đủ ánh
sáng mà còn nâng cao hiệu quả đầu tƣ cho việc tiết kiệm điện và chi phí vận
hành.
Trong vấn đề tự động hóa điều khiển chiếu sáng, ngƣời vận hành có thể
lập sẵn lịch hoạt động chiếu sáng cho từng khu vực nhất định theo giờ làm
việc, hoặc cho từng thời điểm nhất định. Nhƣ khu hành lang là nơi thƣờng

Trương Phan Vĩnh Phước-10BDKTDH-VT06

2


Nghiên cứu và thiết kế hệ thống tiết kiệm tối ƣu năng lƣợng trong
tịa nhà thơng minh

2013

xun có ngƣời qua lại, trong thời gian làm việc nếu có đủ ánh sáng thì sẽ
khơng cần thiết bật đèn, nhƣng nếu khơng đủ ánh sáng thì hệ thống BMS sẽ
tự động bật sáng khu vực đó khi có ngƣời đi qua. Những khu vực nhạy cảm
về vấn đề an ninh, hệ thống sẽ tự động bật sáng khu vực đó về đêm hoặc
chiếu sáng tăng cƣờng trong những thời điểm nhạy cảm.
Xuất phát từ những ý tƣởng và những tình hình thực tế nhƣ ở trên, tôi
chọn đề tài: “Nghiên cứu và thiết kế hệ thống tiết kiệm năng lƣợng tối ƣu
trong tịa nhà thơng minh” cho luận văn tốt nghiệp.
Luận văn đƣợc tổ chức thành 5 chƣơng với các nội dung chính nhƣ sau:
Chƣơng 1: Tổng quan về Hệ thống quản lý năng lƣợng tòa nhà
Chƣơng 2: Các phƣơng pháp tiết kiệm và tối ƣu năng lƣợng
Chƣơng 3: Các vấn đề trong quản lý năng lƣợng tịa nhà
Chƣơng 4: Tìm hiểu hệ thống quản lí năng lƣợng đề xuất bởi Trƣờng
đại học South West, Đức
Chƣơng 5: Tổng kết và đánh giá.

Trương Phan Vĩnh Phước-10BDKTDH-VT06

3

Nghiên cứu và thiết kế hệ thống tiết kiệm tối ƣu năng lƣợng trong
tịa nhà thơng minh

2013

CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ
HỆ THỐNG QUẢN LÝ NĂNG
LƢỢNG TÒA NHÀ

Trương Phan Vĩnh Phước-10BDKTDH-VT06

4


Nghiên cứu và thiết kế hệ thống tiết kiệm tối ƣu năng lƣợng trong
tịa nhà thơng minh

2013

1.1 Tổng quan về quản lý năng lƣợng
Làm thế nào để quản lý và điều hành tồn bộ hệ thống thiết bị trong tịa
nhà khổng lồ mà không phải sử dụng đến hàng trăm nhân viên? Hệ thống
quản lý tòa nhà BMS sẽ trả lời câu hỏi này với việc cho phép nâng cao hiệu
suất và tối ƣu hóa sử dụng năng lƣợng của tịa nhà.
Hệ thống quản lí năng lƣợng tịa nhà BMS đƣợc thiết kế theo mơ hình
điều khiển phân lớp. Một hệ thống BMS thƣờng đƣợc thiết kế theo mơ hình
4 lớp sau:
Khối thiết bị hiện trƣờng.

Khối điều khiển.
Khối vận hành giám sát.
Khối quản lý.
Thiết kế hệ thống BMS phải đi kèm với thiết kế về xây dựng và các
trang thiết bị có trong tịa nhà. Khi xây dựng tịa nhà trang bị hệ thống BMS,
ngƣời thiết kế xây dựng và ngƣời thiết kế hệ thống BMS phải phối hợp với
nhau để đƣa ra bản thiết kế thống nhất, với yêu cầu một không gian để lắp
đặt các thiết bị điều khiển, thiết bị cảm biến, thiết bị chấp hành và đi dây cáp
mạng. Thêm vào đó, cần bổ sung và trang bị thêm các thiết bị hổ trợ cho hệ
thống BMS nhƣ lắp đặt thêm hệ thống cảm biến nồng độ CO2 ở các cửa nhận
và cửa xả hệ thông gió, cảm biến nhiệt độ cho hệ thống làm lạnh, làm nóng
nƣớc cung cấp cho hệ điều hịa, hệ thống nƣớc nóng-lạnh cho tịa nhà,...
1.1.1 Thiết bị hiện trường
Các thiết bị hiện trƣờng gồm cảm biến (sensor): cảm biến nhiệt, cảm
biến ánh sáng, cảm biến chuyển động, cảm biến hồng ngoại,... và các thiết bị

Trương Phan Vĩnh Phước-10BDKTDH-VT06

5


Nghiên cứu và thiết kế hệ thống tiết kiệm tối ƣu năng lƣợng trong
tịa nhà thơng minh

2013

chấp hành (actuator): điều hồ khơng khí, quạt thơng gió, thang máy,... và
các bộ điều khiển mức hiện trƣờng (Field controller) để giao tiếp trực tiếp
trong khu vực có các ứng dụng cần điều khiển. Các thiết bị hiện trƣờng có
khả năng tự giao tiếp với nhau, hoặc qua bộ điều khiển cục bộ (Local

controller). Các cảm biến sẽ gửi thông tin của hệ thống, của môi trƣờng tới
bộ điều khiển. Bộ điều khiển sẽ xử lý thơng điệp đó và gửi tới thiết bị chấp
hành. Thiết bị chấp hành có thể nhận yêu cầu trực tiếp từ các thiết bị cảm
biến, hoặc từ hệ thống BMS.
HỆ THỐNG BMS
TÍCH HỢP
Dịch vụ của BMS
tích hợp

HỆ GIÁM SÁT
AN NINH

Khách hàng của
BMS tích hợp

Bảo mật

Bảo mật

LAN- TCP/IP

DDC
Các bộ điều khiển
vào ra trung tâm
ACC

Tích hợp với
hệ thống
ĐHKK qua
chuẩn truyền

thơng
BACnet/
ModBus/
LONmark

Tích hợp với
hệ thống
điện quan
chuẩn truyền
thơng
ModBus/
LONmark

Điều khiển
mạng các bộ
điều khiển
trung tâm hệ
thống chiếu
sáng

NVR

Điều khiển
các hạng
mục kỹ thuật
khác: cấp
thoát nƣớc,
điều áp câu
thang thốt
hiểm

Hình 1.1 Cấu trúc thu gọn của hệ thống BMS

1.1.2 Khối điều khiển
Kết nối từ trung tâm điều khiển tới các mức điều khiển ứng dụng hiện
trƣờng trong tòa nhà thông qua cáp với giao thức BACnet TCP/IP, bao gồm
các bộ điều khiển số trực tiếp - DDC (Digital Direct Controller), các bộ điều

Trương Phan Vĩnh Phước-10BDKTDH-VT06

6


Nghiên cứu và thiết kế hệ thống tiết kiệm tối ƣu năng lƣợng trong
tịa nhà thơng minh

2013

khiển cục bộ, khu vực, các giao tiếp với các hệ thống phụ trợ nhƣ: điều hịa
khơng khí, báo cháy, chữa cháy, hệ thống điện,...
Khối điều khiển có các chức năng sau:
Nhận lệnh điều khiển từ khối vận hành giám sát rồi gửi tới thiết bị chấp
hành. Xử lý thơng điệp khi có u cầu tại hiện trƣờng.
Gửi thông điệp, kết quả tới khối vận hành giám sát.
1.1.3 Khối vận hành giám sát (SCADA)
Khối vận hành giám sát – SCADA là trung tâm điều khiển, mức quản
lý bao gồm các hệ thống máy chủ dữ liệu, trạm làm việc đƣợc cài đặt các
phần mềm quản lý bảo dƣỡng, máy in và máy tính dành cho việc lập trình
và cấu hình hệ thống. Nó có chức năng chính sau:
Quản lý tồn bộ tồ nhà

Gửi u cầu đến bộ điều khiển hiện trƣờng.
Hệ thống BMS quản lý các thành phần hệ thống toà nhà theo cơ chế
đánh địa chỉ. Mỗi thiết bị, mỗi bộ điều khiển hiện trƣờng đƣợc gắn một
địa chỉ. Các thiết bị hiện trƣờng có thể trực tiếp giao tiếp với nhau hoặc
qua bộ điều khiển cục bộ. Giao tiếp thƣờng đƣợc sử dụng ở “Bus trƣờng”
là ARCnet và ở “Bus điều khiển” là BACnet TCP/IP. Một điều thuận lợi
khi tích hợp hệ thống đó là các thiết bị hiện trƣờng nhƣ thang máy, điều
hồ, quạt thống gió,... đều hỗ trợ chuẩn truyền thơng TCP/IP, rất dễ tích
hợp mức hệ thống.
1.1.4 Khối quản lý
Khối này thực ra đƣợc cài đặt ngay ở khối vận hành giám sát. Chức
năng chính của nó là cài đặt kế hoạch làm việc và kết nối vận hành từ xa qua
mạng viễn thơng, internet,... Ví dụ khi ta cần một phòng họp cho 100 ngƣời

Trương Phan Vĩnh Phước-10BDKTDH-VT06

7


Nghiên cứu và thiết kế hệ thống tiết kiệm tối ƣu năng lƣợng trong
tịa nhà thơng minh

2013

vào ngày giờ cố định. Ngƣời quản trị có thể tự tìm và ấn định hoặc gõ lệnh để
máy tìm. Khi đó khối vận hành giám sát sẽ tự động gửi lệnh điều khiển bao
gồm: thời gian mở phịng họp, bật đèn, điều hồ, thơng gió,... trƣớc thời
gian ấn định đó. Ánh sáng trong phòng đƣợc mặc định là ánh sáng phòng họp
với mục đích đem lại sự thoải mái cho ngƣời sử dụng, tiết kiệm năng lƣợng,
giảm sự vận hành của con ngƣời đối với các thiết bị trong toà nhà.

Hiện nay, các phần mềm điều khiển hệ thống BMS đƣợc tích hợp với
các thiết bị hỗ trợ khác nhƣ: hệ thống truyền hình hội nghị, điều khiển và
giám sát qua mạng, các thiết bị cầm tay PDA,... Tuy nhiên, để ứng dụng đƣợc
BMS, các thiết bị lắp đặt trong tòa nhà phải hỗ trợ kêt nối BMS, tức là hỗ
trợ các chuẩn truyền thông chuẩn nhƣ: BACnet, LonWork, Modbus,... Hoặc
hỗ trợ chuẩn tín hiệu cơng nghiệp (4-20mA).

Hình 1.2 Hệ thống quản lý tịa nhà thơng minh

Trương Phan Vĩnh Phước-10BDKTDH-VT06

8


Nghiên cứu và thiết kế hệ thống tiết kiệm tối ƣu năng lƣợng trong
tịa nhà thơng minh

2013

1.2 Đánh giá hệ thống quản lý năng lƣợng
1.2.1 Thực trạng
Theo trung tâm tiết kiệm năng lƣợng (TKNL) thành phố Hồ Chí Minh
ECC-HCMC (trực thuộc Sở Khoa học và Cơng nghệ, TPHCM), khái niệm
“tịa nhà xanh” đƣợc hiểu là những tòa nhà đạt chuẩn về sử dụng năng lƣợng
hiệu quả, giảm sự tỏa hơi do hiệu ứng nhà kính, bảo tồn nguồn nƣớc, chống
ơ nhiễm tiếng ồn, khơng khí, đất và ánh sáng. Hiệu quả của những “tòa nhà
xanh” là giúp làm giảm mức tiêu thụ điện, nguồn nƣớc, giảm rác thải,...
Ông Huỳnh Kim Tƣớc, giám đốc ECC-HCMC, cho biết tỉ lệ sử dụng
năng lƣợng trong các tòa nhà ở Việt Nam chiếm từ 35% đến 40% tổng năng
lƣợng tiêu dùng và trong những năm tới, con số này còn tăng cao hơn nữa.

Khảo sát các cơng trình cao tầng tại các đơ thị lớn nhƣ Hà Nội, Đà
Nẵng, thành phố Hồ Chí Minh cho thấy năng lƣợng sử dụng trong các tịa
nhà, cơng trình cao tầng là rất lớn nhƣng khơng hiệu quả và khơng kiểm sốt
đƣợc. Đa số đƣợc thiết kế theo phong cách nƣớc ngồi, khơng phù hợp với
điều kiện khí hậu tự nhiên ở Việt Nam.
Gần đây, có khuynh hƣớng thiết kế các cơng trình theo kiến trúc hiện
đại phƣơng Tây với nhiều mảng kính lớn, bỏ qua tiêu chuẩn, điều kiện khí
hậu ở Việt Nam. Những bất hợp lý trong việc thiết kế cơng trình, đặc biệt
phần vỏ cách nhiệt kém, khơng tổ chức chiếu sáng, thơng thống tự nhiên và
phải gắn thiết bị điện đã làm thất thoát từ 20% - 25% nguồn năng lƣợng.
Số lƣợng các tòa nhà đạt tiêu chuẩn TKNL hiện chỉ đếm đƣợc trên đầu
ngón tay. Với thực tế đó, cần phải có nhiều hoạt động hơn nữa để khuyến
khích xây dựng những “tịa nhà xanh” nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng năng
lƣợng và hiệu quả kinh tế.

Trương Phan Vĩnh Phước-10BDKTDH-VT06

9


Nghiên cứu và thiết kế hệ thống tiết kiệm tối ƣu năng lƣợng trong
tịa nhà thơng minh

2013

1.2.2 Lợi ích về năng lượng
Với các nghiên cứu và thử nghiệm, khi hệ thống BMS đƣợc áp dụng trong
tòa nhà đã đạt đƣợc các lợi ích nhƣ:
Tự động điều khiển liên tục cơng suất tải. Đặt các thiết bị chấp hành
hoạt động theo tiến trình định trƣớc hoặc theo các tiêu chuẩn đặt ra

ban đầu theo các thông tin nhận đƣợc từ hệ thống cảm biến.
Điều khiển đóng ngắt hệ thống điện khi gặp sự cố.
Giám sát việc sử dụng năng lƣợng hằng ngày. Tự động cảnh báo nếu
năng lƣợng tiêu thụ hằng ngày quá cao.
Giám sát mức độ tiêu thụ năng lƣợng, in hố đơn tiền điện cho từng
khu vực chức năng.
Có thể xác định chính xác cơng suất điều hịa khơng khí tới từng
phịng, từng khu vực. Thuận lợi cho các cao ốc văn phịng cho th,
khi trong một tầng có nhiều văn phịng đƣợc th bởi nhiều cơng ty
khác nhau, tuy nhiên sử dụng một điều hòa trung tâm.
Khởi động hệ thống chiếu sáng khi có đột nhập trái phép.
1.2.3 Lợi ích hỗ trợ vận hành
Hệ thống tự động điều khiển các thiết bị chấp hành theo các kịch bản
đƣợc đặt ra từ trƣớc.
Ví dụ khi xảy ra cháy tại một tầng của toà nhà, các thiết bị hỗ trợ cho
chữa cháy và cứu nạn đƣợc kích hoạt, cụ thể nhƣ: hệ thống chữa cháy tự
động kích hoạt, hệ thống thơng gió ngừng cấp khí sạch và hút khí ra khỏi
tầng đang có cháy. Những thiết bị điện khơng cần thiết đƣợc ngắt khỏi hệ
thống điện. Hệ thống truy nhập vào ra đƣợc ngắt, hệ thống thang máy sẽ đƣa
các thang đến tầng bị cháy, bơm áp lực cầu thang đƣợc khởi động, để hỗ trợ
di chuyển ngƣời ra khỏi tầng bị cháy.
Trương Phan Vĩnh Phước-10BDKTDH-VT06

10


Nghiên cứu và thiết kế hệ thống tiết kiệm tối ƣu năng lƣợng trong
tịa nhà thơng minh

2013

Ví dụ khi u cầu một phòng họp cho 100 ngƣời. Hệ thống BMS sẽ tự
động tìm phịng họp, thời gian và địa điểm cụ thể. Trƣớc thời gian họp 30
phút (thời gian đặt có thể thay đổi), BMS sẽ tự động điều khiển bật điều hồ
phịng họp, hệ thống thơng gió, chiếu sáng, an ninh... Khi thời gian họp kết
thúc sẽ vận hành hệ thống thang máy chờ tại tầng làm việc.
1.2.4 Các giải pháp tiết kiệm
Theo các nhà khoa học tại Viện KH-CN Xây dựng, có nhiều giải pháp để
thực hiện việc TKNL trong tòa nhà nhƣ giải pháp quy hoạch, giải pháp môi
trƣờng sinh thái, giải pháp kiến trúc và giải pháp kỹ thuật, trong đó giải pháp
kỹ thuật với các hệ thống thiết bị cơng nghệ TKNL đóng vai trị quan trọng.
Việc áp dụng hệ thống thiết bị thông minh nhằm kiểm soát tối đa mức năng
lƣợng tiêu thụ cũng đang đƣợc nghiên cứu và áp dụng rộng rãi.
Một trong những biện pháp hiệu quả TKNL trong các tòa nhà là trang bị
các thiết bị hiện đại, hệ thống điều khiển tự động nhƣ hệ thống điều hịa
khơng khí, hệ thống bơm có sử dụng biến tần, chiếu sáng hiệu suất cao, hệ
thống cấp nƣớc nóng mặt trời, hệ thống điều khiển giám sát tự động BMS,...
Trong đó, việc sử dụng hệ thống điều hịa khơng khí, thơng gió và sƣởi
ấm (HVAC – heating, ventilation, and air conditioning) hiệu suất cao cùng
với các công nghệ chiếu sáng hiện đại đang đƣợc xem nhƣ một trong những
cách tốt nhất để tiết giảm năng lƣợng.
Ơng Huỳnh Quốc Huy, Trƣởng Phịng Năng lƣợng mới của ECCHCMC, cho biết hệ thống TKNL của BEMS với tính năng tự động điều
khiển, vận hành, theo dõi giám sát toàn bộ hoạt động tiêu thụ năng lƣợng
trong tòa nhà, cho phép nâng cao hiệu suất và tối ƣu hóa sử dụng năng lƣợng.
Hệ thống BEMS tự động giám sát theo dõi và trích xuất báo cáo hằng
tháng về tình hình tiêu thụ năng lƣợng của các thiết bị trong tòa nhà, giúp xác
Trương Phan Vĩnh Phước-10BDKTDH-VT06

11

Nghiên cứu và thiết kế hệ thống tiết kiệm tối ƣu năng lƣợng trong
tịa nhà thơng minh

2013

định đƣợc chính xác ngun nhân gây tiêu tốn năng lƣợng, từ đó tìm cách
khắc phục. Tại khách sạn Legend ở TPHCM, việc lắp đặt hệ thống BEMS đã
giúp tiết kiệm 10% đến 15% tổng mức năng lƣợng tiêu thụ.
Ông Huỳnh Kim Tƣớc cho biết: “Nhận thức đƣợc tầm quan trọng của
những lợi ích mà cơng trình xanh mang lại, ECC-HCMC thƣờng xun tổ
chức các khóa tập huấn, các buổi hội thảo chuyên đề, những cuộc thi liên
quan đến chủ đề này. ECC-HCMC đã tƣ vấn nhiều giải pháp cho các đơn vị
để giúp sử dụng hiệu quả và TKNL”.
Theo ECC-HCMC, vào năm 2013, có 30 tịa nhà, khách sạn tại Việt
Nam sẽ đƣợc chính phủ Nhật Bản cùng Cơng ty Viet ESCO (thuộc ECCHCMC) chọn lựa để hỗ trợ tài chính đầu cho việc TKNL [2].

Trương Phan Vĩnh Phước-10BDKTDH-VT06

12


Nghiên cứu và thiết kế hệ thống tiết kiệm tối ƣu năng lƣợng trong
tịa nhà thơng minh

2013

CHƢƠNG II. CÁC PHƢƠNG PHÁP
TIẾT KIỆM VÀ TỐI ƢU NĂNG
LƢỢNG

Trương Phan Vĩnh Phước-10BDKTDH-VT06

13