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

MẠNH LÊ HOÀN

ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN
HỆ THỐNG HVAC LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

TP. HCM 12- 2012

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

MẠNH LÊ HOÀN

ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN
HỆ THỐNG HVAC

ii
Lời cảm ơn

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

1. Tổng Quan 2 Bảng 1.1. Nhiệt độ và độ ẩm thích hợp cho sản xuất.
Ngành công
nghiệp

mô hình toán cũng khiến việc nghiên cứu gặp không ít khó khăn.
1. Tổng Quan 3 Việt Nam là một trong những nước nằm trong vùng khí hậu nóng ẩm, cùng với sự
đi lên của của nền kinh tế đất nước, trên tất cả các miền của đất nước ta, các công
trình nhà ở, khách sạn, bệnh viện, phân xưởng sản suất đã và đang được xây dựng
không thể thiếu phần trang bị các hệ thống điều hoà không khí để tạo ra môi trường
không khí tiện nghi cho sinh hoạt con người và cho quy trình công nghệ sản xuất.
Với thế giới, kỹ thuật điều hoà không khí đã được phát triển từ lâu nhưng với Việt
Nam thì đó còn là một lĩnh vực mới phát triển. Do đó, vấn đề tìm hiểu, nghiên cứu,
ứng dụng lý thuyết điều khiển tự động để điều khiển hệ thống HVAC cho phù hợp
với điều kiện thực tế ở Việt Nam hầu như còn bỏ ngõ.
Trong tình hình thực tế ở Việt Nam hiện nay, điều khiển hệ thống HVAC chủ yếu là
điều khiển làm giảm nhiệt độ, độ ẩm cũng như tiết kiệm điện năng tiêu thụ dựa trên
thuật toán ON/OFF (bang bang) hoặc PID một biến mà không tính đến tác động qua
lại giữa hai đại lượng nhiệt độ và độ ẩm với nhau có thể dẫn hệ thống đến chỗ mất
ổn định hoặc ổn định trong phạm vi rất hẹp và tiêu thụ năng lượng lớn.
Từ những vấn đề được trình bày ở trên, nhận thấy điều khiển hệ thống HVAC là
điều khiển các thông số không khí như nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió,…nên tác giả
lấy tên đề tài luận văn là “Điều khiển đa biến hệ thống HVAC” với nhiệm
vụ chính là thiết kế một bộ điều khiển tự động giữ ổn định đồng thời nhiệt độ và độ
ẩm cho không gian điều hoà đáp ứng được những tiêu chuẩn GMP (Good
Manufacturing Practices) của tổ chức WHO (World Health Organization).
1.2. Mục tiêu và giới hạn của đề tài
Nhằm thực hiện mục tiêu phân tích, thiết kế, thi công bộ điều khiển giữ ổn định
nhiệt độ, độ ẩm của hệ thống HVAC đáp ứng được các tiêu chuẩn GMP-WHO, năm
mục tiêu cơ bản sau đây phải được hoàn thành:
• Xây dựng mô hình toán học của hệ thống HVAC áp dụng tại Việt Nam.
• Phân tích, thiết kế, mô phỏng mô hình toán trên Matlab.
Chương này trình bày cơ sở lý thuyết, lý luận và các giả thuyết khoa học của hệ
thống HVAC. Phần cuối của chương trình bày một số sơ đồ điều hòa không khí đã
và đang được sử dụng tại Việt Nam.
Chương 3. Mô hình hóa hệ thống HVAC:
Ở đầu chương phân tích lưu đồ công nghệ, áp dụng các định luật cơ bản của vật lý,
hóa học, kết hợp với các thông số kỹ thuật của thiết bị công nghệ để tìm ra quan hệ
giữa các đại lượng đặc trưng trong hệ thống HVAC. Sau đó, quá trình xây dựng mô
hình toán học và kết quả mô phỏng của hệ thống điều hoà không khí sẽ được trình
bày ở cuối chương.
Chương 4. Thiết kế và mô phỏng bộ điều khiển:
Giải thuật điều khiển và quá trình thiết kế, mô phỏng bộ điều khiển giữ ổn định
nhiệt độ, độ ẩm trong hệ thống HVAC sẽ được trình bày chi tiết trong chương này.
Chương 5. Kết quả thực nghiệm
Chương này trình bày quá trình thực nghiệm và kết quả đạt được với giải thuật điều
khiển trong chương 4.
Chương 6. Kết luận và hướng phát triển của đề tài
Các kết quả đạt được trong luận văn, các mặt hạn chế và hướng phát triển của đề tài
được thể hiện trong chương này.

2. Tổng Quan Về Hệ Thống HVAC 6
T. Toàn bộ quá trình nói trên được biểu diễn bằng đồ thị Carrier như Hình 2.2.
Trục tung của đồ thị trong Hình 2.2 là độ chứa hơi d (g/kg), bên cạnh là trục hệ số
nhiệt hiện SHF (sensible heat factor) được định nghĩa bằng công thức 2.1:
hh
ha
QQ
SHF
QQ Q
= =
+
(2.1)
Trong đó
h
Q
(kW) là nhiệt hiện,
a
Q
(kW) là nhiệt ẩn, và
Q
(kW) là tổng nhiệt của
quá trình điều hòa không khí.
Trục hoành của đồ thị trong Hình 2.2 là nhiệt độ
t
(ºC). Các đường biểu diễn trên đồ
thị Carrier được ký hiệu như sau:
•
d
= Const là đường thẳng song song với trục hoành (g/kg)
•
t


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

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

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

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

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

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

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

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

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

Q 0.84x(d d )xVx= −ξ
(2.11)
Với:
hN2
Q
- Nhiệt hiện rò rỉ từ ngoài vào (W)
aN2
Q
- Nhiệt ẩn rò rỉ từ ngoài vào (W)
V
– Thể tích của không gian điều hòa (m
3
)
ξ
– hệ số kinh nghiệm (tham khảo tài liệu[9]).
N
t
– Nhiệt độ ngoài trời (ºC)
T
t
- Nhiệt độ trong phòng (ºC)
N
d
– Độ chứa hơi của không khí ngoài trời (g/kg)
T
d
– Độ chứa hơi của không khí trong phòng (g/kg)
2. Tổng Quan Về Hệ Thống HVAC 13
QQQ
= +
: tổng nhiệt hiện của máy điều hòa (W)
a af aN
QQQ= +
: tổng nhiệt ẩn của máy điều hòa (W)
- Tính hệ số nhiệt hiệu dụng ESHF (effective sensible heat factor):
hef hef
ef hef aef
QQ
ESHF
QQQ
= =
+
(2.14)
Trong đó:
hef hf hN
Q Q BF.Q= +
: nhiệt hiện hiệu dụng của phòng (W)
aef af aN
Q Q BF.Q= +
: nhiệt ẩn hiệu dụng của phòng (W)
BF
: hệ số đi vòng (tham khảo tài liệu[9])
• Bước 2:
- Xác định điểm trạng thái không khí trong phòng
TT
T(t , )ϕ
, và không khí ngoài trời
NN