MỞ ĐẦU

Tính thời sự và cấp thiết.
Với sự phát triển của xã hội nhu cầu năng lượng ngày càng tăng lên nhanh
chóng ở các nước trên thế giới cũng như ở Việt nam. Vậy, vấn đề bức thiết đặt ra
là phải sử dụng năng lượng sao cho tiết kiệm và hiệu quả, đặc biệt là trong các hệ
thống điều hòa không khí (ĐHKK), một trong những hộ tiêu thụ lớn điện năng
trong điều kiện khí hậu nhiệt đới nóng ẩm như nước ta (chiếm 50% - 60% tổng
công suất điện tiêu thụ trong các công trình dân dụng và thương mại [19]). Vậy,
việc nghiên cứu tìm các giải pháp để sử dụng tiết kiệm năng lượng trong ĐHKK
có một ý nghĩa hết sức quan trọng, góp phần làm giảm nhu cầu tiêu thụ năng
lượng của toàn xã hội.
Trong lĩnh vực ĐHKK hiện nay nổi lên một giải pháp tiềm năng để tiết kiệm
năng lượng mà chưa được nghiên cứu đầy đủ. Đó là vấn đề tối ưu hóa chế độ vận
hành hệ thống ĐHKK, trong đó bài toán phân phối phụ tải (PPPT) giữa các tổ máy
máy lạnh cùng làm việc có một ý nghĩa rất quan trọng. Bài toán tương tự trong các
nhà máy nhiệt điện đã được giải quyết hiệu quả, dựa theo cách tiếp cận tối ưu hóa
đa mục tiêu và áp dụng thuật toán vượt khe [12,15,16,20].
Mục tiêu nghiên cứu.
Từ sự phân tích trên, mục tiêu của 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 với trọng tâm là tối ưu hóa PPPT giữa các tổ máy máy lạnh làm
việc song song nhằm cực tiểu hóa tiêu thụ điện năng.
Nội dung của phương pháp luận xây dựng trên cơ sở phát triển ứng dụng lý
thuyết tối ưu hóa hệ thống lớn và phương pháp tối ưu hóa toán vượt khe, tương
thích để giải quyết bài toán trên.
Kết quả nghiên cứu 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 ở Việt Nam, trọng tâm nhằm vào TLTT chiller, nơi tiêu tốn
phần lớn lượng điện tiêu thụ của toàn hệ thống.

Các bộ xử lý không khí (FCU, AHU)

Xử lý không khí

Hệ thống bơm phân phối nước lạnh, nước giải nhiệt, tháp giải nhiệt

Phân phối nước

Hệ thống quạt phân phối và vận chuyển không khí

Phân phối 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


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 ĐHKK trung tâm chiller
1.2 Phân phối phụ tải trong vận hành trạm lạnh trung tâm chiller
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 (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
2


MLTT chiller là các thiết bị phụ trợ như bơm, tháp giải nhiệt... cũng có cấu trúc
tương tự.
Các giải pháp tiết kiệm năng lượng (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 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.
1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới

quả đã đưa ra được đặc tuyến của các thành phần chính và mối liên hệ giữa chúng,
tìm ra điểm cài đặt tối ưu cho điều khiển lưu lượng thay đổi.
Nghiên cứu xây dựng mô hình hóa đặc tuyến của chiller dựa trên đường đặc
tuyến B-spline được Tzu-Chi Liu, Ming-Hsiu Hsu, Kwo-Tung Lin thực hiện năm
3


2011 [68]. Nghiên cứu dựa trên dữ liệu giám sát vận hành thời gian thực để xây
dựng mô hình đặc tuyến động trực tuyến của chiller. Kết quả áp dụng thử trong cả
năm đã giúp giảm tổng tiêu hao điện năng của hệ thống 3-5%, tiết kiệm khoảng
7,5% tiêu thụ điện khi nhiệt độ ngoài trời tăng 8,5%.
Emmanuel C. Nsofor và Veera Vijay công bố kết quả nghiên cứu mô hình
hóa TKNL cho các MLTT chiller trong các tòa nhà thương mại bằng hệ thống
giám sát năng lượng thực tế [29]. T.T Chow, , Z. Lin. C.L. Song đã tiến hành tối
ưu hóa tổng thể cho máy lạnh hấp thụ bằng thuật toán di truyền (generic
algorithm) và mạng nơ ron [65]. Nghiên cứu của V. Vakiloroaya, Q. P. Ha, B,.
Samali theo tài liệu [69] công bố năm 2013 ở Úc đã tiến hành trên mô hình thực
nghiệm MLTT giải nhiệt gió và áp dụng thuật toán tối ưu gradient để giải. Joseph
Ballet và Michel Karol Grabon đã nghiên cứu và đăng ký bản quyền
US20100094434A1 thuật toán tối ưu điều khiển đối với MLTT chiller giải nhiệt
gió để xác lập chế độ vận hành hiệu quả [38].
Christopher Summers cũng nghiên cứu tối ưu hệ thống ĐHKK trung tâm
chiller dựa trên đặc tuyến bán tải của tháp giải nhiệt [26]. James W. Furlong và
Frank T. Morrison tiến hành nghiên cứu tối ưu hóa cho tổ hợp chiller giải nhiệt
nước và tháp giải nhiệt [36]. Scot M. Duncan đã nghiên cứu và đăng ký bản quyền
US20110137468A1 về thuật toán tối ưu điều khiển tháp giải nhiệt dựa trên đặc
tuyến phụ tải tòa nhà. Từ đó xác lập chế độ vận hành hiệu quả của hệ thống [52].
Năm 2013, Kriti Kapoor cùng cộng sự nghiên cứu nâng cao vận hành trạm
lạnh cỡ lớn bằng tối ưu năng lượng [42]. Kết quả của nghiên cứu cho phép tiết
kiệm được 8,57% bằng tối ưu hóa PPPT của chiller so với chính hệ thống trước

việc của bơm và tháp giải nhiệt [55]. Năm 2006, Peter Anstrong và cộng sự cũng
tiến hành nghiên cứu tối ưu độ chênh nhiệt độ nước lạnh. Nghiên cứu dựa trên mô
hình đơn giản nhất gồm một máy lạnh, một bơm nước lạnh với lưu lượng thay đổi
để nghiên cứu ảnh hưởng của độ chênh nhiệt độ đến COP của chiller [49]. Năm
2004, Hugh Crowther và James W. Fulong nghiên cứu tối ưu hóa tổ hợp MLTT
giải nhiệt nước và tháp giải nhiệt, để tìm ra chế độ lưu lượng nước giải nhiệt phù
hợp trên cơ sở ảnh hưởng của nhiệt độ bầu ướt của môi trường [32].
1.4 Các vấn đề tồn tại và nội dung nghiên cứu
Tổng kết lại ta có thể thấy, TKNL trong hệ thống ĐHKK trung tâm là một
vấn đề quan trọng và đang được quan tâm nghiên cứu. Nhiều phương pháp nghiên
cứu cùng lời giải đã được thực hiện. Phương pháp giải tích xác định thể hiện nhiều
hạn chế. Các phần mềm mô hình hóa như DOE2-2, BLAST hay EnergyPlus [50,
51] hay các phương pháp mô hình hóa dự đoán chi phí [21], mô hình hóa mạng nơ
ron trên cơ sở lý thuyết mờ [43, 65, 70, 71] đều được áp dụng và cho kết quả khích
lệ. Nghiên cứu dựa trên quy hoạch bất định là một hướng đi đúng để tối ưu hóa
vận hành trong hệ thống ĐHKK trung tâm chiller.
Phương pháp chung để giải bài toán tối ưu là sử dụng các thuật toán tối ưu
để giải. Hầu hết các thuật toán tối ưu hóa đã được sử dụng. Xét về tổng thể, các
nghiên cứu trên cho kết quả tích cực. Phương pháp tối ưu hóa chế độ PPPT là
phương pháp hiệu quả và dễ làm, chi phí thấp, mang lại lợi ích thực tiễn rất thiết
thực nhưng chưa được quan tâm nghiên cứu đầy đủ. Phương pháp tối ưu hóa dựa
trên thuật toán vượt khe [12~16, 20, 48] thể hiện sự hiệu quả và đã áp dụng rất
thành công để giải các bài toán tối ưu PPPT trong các nhà máy nhiệt điện lớn ở
Việt Nam, mang lại hiệu quả kinh tế thiết thực. Tuy nhiên, phương pháp chưa
được phát triển ứng dụng vào bài toán tối ưu chế độ vận hành trong các hệ thống
ĐHKK trung tâm. Trên cơ sở đó, tôi lựa chọn đề tài luận án “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”.
CHƯƠNG 2. PHÁT TRIỂN ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT TỐI ƯU HÓA
VƯỢT KHE CHO HỆ THỐNG CHILLER

lạnh trung
tâm chiller

Cụm bơm
nước lạnh

Cụm bơm
nước giải
nhiệt

Cụm tháp
giải nhiệt

Cấp cơ sở

Từng máy
lạnh trung
tâm chiller

Từng máy
bơm nước
lạnh

Từng
máy bơm
nước giải
nhiệt

Từng
tháp giải

đây là hàm đa thức từng khúc, để mô hình hóa đặc tuyến năng lượng của thiết bị.
Mô hình đa thức từng khúc cho phép xấp xỉ với độ chính xác rất cao mà không cần
nâng cao bậc của mô hình. Để tăng độ chính xác, có thể tăng số đoạn biến thiên và
mỗi đoạn được xấp xỉ bởi đa thức tương ứng. Trong mỗi khoảng giữa các điểm
gẫy, đặc tính năng lượng của tổ máy có thể xấp xỉ bởi một đa thức không quá bậc
hai [13~15, 20]. Mô hình hàm trơn từng khúc, đặc tuyến năng lượng cho một
MLTT chiller được biểu diễn trong biểu thức (2.1):
= (

, B) =

(

, B)

(2.2)

trong đó: Qo là năng suất lạnh của MLTT chiller; NCH là công suất điện của MLTT
chiller; fi(Qo,B) là đa thức xấp xỉ trong đoạn Di, xác định với điều kiện fi(Qo,B) ≡ 0
nếu Qo  Di; B = {bo, b1, b2, ..., bn} - vec tơ tham số cần tìm.
Đặc thù vận hành của các MLTT chiller trong hệ thống ĐHKK trung tâm là
đặc tính năng lượng của chúng không phụ thuộc vào nhau, nghĩa là các MLTT
hoạt động độc lập và không phụ thuộc lẫn nhau về khả năng sản xuất năng lượng
(công suất lạnh). Điều đó làm đơn giản bài toán nhận dạng mô hình. Xét về bản
chất, số lượng đoạn trơn i mà càng tăng thì mô hình thu được sẽ càng chính xác,
dự đoán được vị trí điểm nối giữa các đoạn càng chính xác thì mô hình thu được
cũng sẽ càng chính xác. Ví dụ số đoạn trơn là 3 đoạn: D1, D2, D3 [13~15, 20]:
D1={Qo,min  Qo,1}, D2={Qo,1  Qo,2}, D3={Qo,2  Qo,max}; trong đó, Qo,min, Qo,max giới hạn dưới và trên của dải phụ tải cho phép của MLTT chiller; Qo,1, Qo,2 - giới
hạn hay điểm gẫy giữa các đoạn. Qo,0=Qo,min, Qo,3=Qo,max.
Đặc tính năng lượng của MLTT chiller được biểu diễn bởi các đa thức từng


,B −

( )

(2.6)

trong đó NCH(t) - công suất điện tiêu thụ thống kê ở công suất lạnh thứ t, Qo(t) của
MLTT chiller với các điều kiện hạn chế: Q (t)o,min  Qo(t)  Q(t)o,max.
Đặc tính tiêu hao năng lượng thu được từ (2.3) được được viết gọn lại:
NCH(Qo) = b0 + b1 Qo + b2 Qo2 ,
(2.7)
trong đó NCH(Qo) - hàm công suất điện tiêu thụ của MLTT chiller phụ thuộc vào
năng suất lạnh Qo.
Vec tơ các tham số cần tìm B = {b0, b1, b2} được xác định khi cực tiểu hoá
hàm sai số theo độ lệch bình phương của công suất điện tiêu thụ theo mô hình và
theo thực tế (số liệu thống kê) ở công suất lạnh tương ứng [14, 15]:
(B) =

( )

,B −

( )

→ min

(2.8)

Trong thực tế vận hành, MLTT chiller không hoạt động độc lập, mà cần

n

F3 (x)   f 3i (Qoi , Q ik )  max
x

i=1

(2.9a)
(2.9b)
(2.9c)

với điều kiện rằng buộc là:
- Điều kiện giới hạn năng suất lạnh và công suất nhiệt của TLTT chiller

 Qoi  Q0, ,
n

i1

Q
n

i 1

i
k

 Qk ,  ,

(2.10)

Fjmax  Fjmin

trong đó Fjmin , Fjmax là các giới hạn dưới và trên của chỉ tiêu thứ j.
Từ đó nhận được bài toán tương đương với (2.9) là:
H1 (x), H 2 (x), H 3 (x)  min
x

(2.13)

Chuyển đổi bài toán: Thiết lập chỉ tiêu thống nhất dưới một trong những phương
pháp: Phương pháp trọng số: Phương pháp min – max hoặc phương pháp chọn
mục tiêu chính.
9


Thiết lập bài toán không điều kiện rằng buộc tương đương: Bài toán tối ưu hoá
tương ứng với chỉ tiêu thống nhất có dạng toán học như sau:
(2.17)
f ( x )  min , x = {x1,x2,…,x2n},
x

với các điều kiện rằng buộc:
- Điều kiện rằng buộc theo lựa chọn chỉ tiêu thống nhất theo quan điểm
chọn chỉ tiêu chính:
(2.18)
H j ( x )  H jmax , 1  j  2, j  i ,
- Điều kiện rằng buộc theo các phương trình cân bằng năng lượng:
Qo,   xi  0, Qk ,   x ni  0 ,
n


Nguyên tắc phân phối phụ tải tối ưu áp dụng thuật toán tối ưu hóa vượt khe
là một thuật toán con bao gồm hai bước lặp liên tục: Lựa chọn số lượng thành
phần MLTT chiller có thể đưa vào hoạt động và gọi bài toán tối ưu hóa bên trên để
tìm ra chế độ PPPT có tiêu hao năng lượng nhỏ nhất.
Ở mỗi mức phụ tải lạnh yêu cầu, cần phải lựa chọn tổ hợp những khả năng
số lượng MLTT chiller cần hoạt động sao cho mức phụ tải lạnh yêu cầu phải lớn
hơn tổng năng suất lạnh nhỏ nhất, đồng thời nhỏ hơn tổng năng suất lạnh lớn nhất
của các MLTT chiller phải tham gia vận hành. Đây chính là sự đảm bảo các điều
kiện giới hạn năng suất lạnh và công suất nhiệt của TLTT chiller (2.10) và điều
kiện biên giới hạn khả năng làm việc của từng MLTT chiller (2.11), nghĩa là:
i
i
i
xmin
 x i  xmax
, x i  x ni  S max
, i = 1,2,..., n

Qio, min  Qio,   Qio, max
10

(2.26)


Trong đó: Qio, min là tổng công suất lạnh nhỏ nhất của các MLTT chiller
tham gia vận hành ; Qio, max tổng công suất lạnh lớn nhất của các MLTT chiller
tham gia vận hành; Qio,  là mức phụ tải lạnh yêu cầu. Nếu ký hiệu n là số lượng
MLTT chiller cần vận hành trong tổng số m MLTT chiller trong TLTT ở mức phụ
tải lạnh xác định, số lượng phương án vận hành đáp ứng được điều kiện (2.26) là
tổ hợp chập n của m các phương án khả năng Cnm.

Phương pháp tối ưu hóa vượt khe
Trong phần này áp dụng kết quả nghiên cứu trong [12,14,15, 20,48].
2.4 Đánh giá hiệu quả tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải
Thuật toán tối ưu hóa vượt khe đã được cụ thể hóa bằng chương trình phần
mềm máy tính Power trong công trình [16]. Kết quả tối ưu hóa trong [16] xây
dựng được đặc tuyến PPPT tối ưu và đặc tuyến tiết kiệm công suất điện tiêu thụ
ứng với mỗi công suất phụ tải, ở đây là năng suất lạnh Qio,Σ được xác định trong
biểu thức (2.27)
Để tính được điện năng tiết kiệm được E trong một khoảng thời gian nào đó,
thường là cả mùa hay cả năm, cần thiết phải xác định tổng thời gian xuất hiện của
mỗi mức phụ tải trong cả mùa hay cả năm vận hành. Đây là tích phân của hàm
f(Qio, τ) theo biến là thời gian chạy τ ở mức phụ tải Qio. Biểu diễn toán học của
phép tính hiệu quả TKNL được biểu diễn bằng công thức (2.32).
=

(

, )

(2.32)

11


Tuy nhiên, trong thực tế thì (2.30) thu được từ lời giải trong [16, 20] lại là
một hàm ẩn hay phiếm hàm, do đó ta chỉ có thể tính gần đúng (2.32) như sau:
Xác định hiệu quả tiết kiệm điện năng theo đặc tuyến phụ tải lạnh.
Trong trường hợp ta có được dữ liệu đặc tuyến phụ tải lạnh của hệ thống, ta
sẽ xác định tổng số giờ mà hệ thống vận hành trong một dải công suất xác định
nào đó. Biểu thức (2.32) có thể được tính xấp xỉ bằng:


ΔEi là điện năng tiêu thụ tiết kiệm được trong dải phụ tải {Qio ~ Qoi+1}
(2.37)
∆ ≅ ∆ ∆
Với Δτi là bước khoảng chia thời gian hệ thống vận hành trong dải phụ tải
i
{Q o ~ Qoi+1}; Q1o = Qo,min ; Qon+1 = Qo,max ; i = 1,2, ..., n
Cách tính này sẽ càng chính xác nếu bước khoảng chia thời gian càng nhỏ,
đồng nghĩa là tần suất lấy mẫu càng cao càng chính xác.
Xác định lượng phát thải tiết kiệm.
Theo tài liệu [1], lượng phát thải tiết kiệm được xác định theo hệ số phát
thải được quy định hàng năm của Cục khí tượng thủy văn và biến đổi khí hậu, Bộ
tài nguyên và môi trường và được xác định theo biểu thức (2.38):
EQ = E. EF
(2.38)
Trong đó: EQ là lượng phát thải tiết kiệm được, Tấn CO2; EF là hệ số phát thải
lưới điện, được quy định trong tài liệu [1], EF = 0,5603 Tấn CO2/MWh.
12


2.5

Kết luận chương 2
Kết quả nghiên cứu đạt được trình bày trong chương 2 gồm những điểm sau:
- Trên cơ sở mô hình đa thức từng khúc với đa thức bậc hai đã xây dựng đặc
tuyến năng lượng của các thiết bị chính trong TLTT chiller để giải quyết
bài toán tối ưu PPPT đã xác lập.
- Đã xây dựng bài toán tối ưu PPPT cho hệ thống ĐHKK trung tâm gồm
nhiều MLTT chiller làm việc song song. Bài toán đã được giải bằng việc
sử dụng thuật toán tối ưu vượt khe hướng chiếu Affine.

tuần hoàn (4 bơm chạy và 1 bơm dự phòng) của hãng Grundfos model NKG 125100-200/204.7 -B BAQE có lưu lượng 301 m3/h, cột áp 50 mH2O, động cơ bơm
75 kW; 5 bơm nước giải nhiệt tuần hoàn (4 bơm chạy và 1 bơm dự phòng) của
hãng Grundfos model NKG 125-100-200/212.1 -B BAQE có lưu lượng 360 m3/h,
cột áp 50 mH2O, động cơ bơm 75 kW; 6 tháp giải nhiệt vuông loại ngang dòng
13


của hãng OCEAN model YC-900S có năng suất giải nhiệt mỗi tháp là 3150 kW.
Mỗi tháp giải nhiệt gồm 2 quạt giải nhiệt, mỗi quạt công suất 5,5kW được điều
khiển bằng biến tần. Các tháp giải nhiệt được ghép nhóm thành 1 khối tháp hoạt
động đồng thời; hệ thống sử dụng sơ đồ đường ống nước có lưu lượng thay đổi.
Bơm nước lạnh và bơm nước giải nhiệt tuần hoàn được điều khiển biến tần.
Chế độ vận hành đang được sử dụng của hệ thống là phân phối đều đúng
như thiết kế. Hệ thống hoạt động từ 7:30 đến 24:00 hàng ngày và có điều chỉnh
theo mùa vận hành. Hệ thống đã được vận hành từ tháng 4/2011 đến nay.
Hệ thống điều khiển tự động và phương pháp thu thập dữ liệu vận hành
TLTT chiller tòa nhà Mipec Tower được trang bị hệ thống giám sát và điều
khiển tự động (BAS) tiên tiến. Bảng điểm điều khiển của hệ thống BAS cho TLTT
chiller tòa nhà Mipec Tower được cho ở phụ lục 3. Dữ liệu vận hành được hệ
thống BAS lập kế hoạch lấy mẫu và lưu trữ dữ liệu theo thời gian thực (trendlog).
Thời gian lấy mẫu và lưu trữ có thể đặt được, khoảng từ 30 giây đến hàng giờ. Dữ
liệu ghi được được lưu thành file dạng Microsoft access hoặc SQL và có thể xuất
ra các file excel phục vụ cho công tác lưu trữ, xử lý dữ liệu vận hành và quản lý
cần thiết.
Hệ thống BAS được trang bị cho TLTT chiller nói riêng, hay cả hệ thống
ĐHKK nói chung cũng chính là mô hình thực nghiệm thực tế để thu thập và quản
lý các dữ liệu vận hành của hệ thống. Các thông số không được giám sát từ hệ
thống BAS có thể thực hiện được thông qua các thiết bị đo bên ngoài như: đo lưu
lượng nước giải nhiệt qua van cân bằng và bộ đo lưu lượng, đo công suất điện qua
các bộ đồng hồ đo điện...


CHƯƠNG 4: TỐI ƯU HÓA PHÂN PHỐI PHỤ TẢI TRẠM LẠNH
TRUNG TÂM CHILLER
4.1 Xử lý số liệu
Kết quả, đã xử lý dữ liệu cho các thiết bị TLTT chiller tòa nhà Mipec Tower
với bộ dữ liệu sau xử lý gồm hơn 1000 trang dữ liệu. Dữ liệu này dùng cho việc
đánh giá, xây dựng các mô hình đặc tuyến năng lượng và đặc tuyến làm việc của
thiết bị.
4.2 Mô hình đối tượng thiết bị chính
Sử dụng mô hình đa thức từng khúc để xây dựng đặc tuyến năng lượng của
các MLTT chiller và đặc tuyến làm việc của các bơm nước lạnh, bơm nước giải
nhiệt ở tòa nhà Mipec Tower với bộ số liệu đã xử lý thu được từ quy trình xử lý số
liệu ở trên.
Mô hình đặc tuyến năng lượng của máy lạnh trung tâm chiller
Kết quả mô hình đặc tuyến năng lượng của các MLTT chiller bằng mô hình
đa thức từng khúc với đa thức bậc hai không điểm gẫy với dữ liệu vận hành thực
tế của các MLTT chiller thể hiện hình 4.5, hàm mô hình đặc tuyến cho từng chiller
tương ứng như công thức (4.1) ~ (4.4). Đặc tuyến COP thực tế của các MLTT
chiller ở hình 4.6.

Hình 4.5 Đặc tuyến năng lượng của 4 chiller
15


Hình 4.6 Đường đặc tuyến COP thực tế của 4 chiller

Chiller số 1: NCH,1 = 17,968 + 0,006 Qo,1 + 0,0004722(Qo,1 )2
(4.1)
2
2

mức năng suất lạnh trên 70%, COP của các chiller 3 và 4 này vẫn tiếp tục tăng
nhưng chậm hơn và sai khác với nhà sản xuất công bố. Đường COP của chiller
2 gần như tuyến tính trong suốt dải làm việc lớn hơn 50% tải của nó.
 Đặc tuyến năng lượng của bốn chiller có sự sai khác. Chiller số 1 có đường đặc
tuyến năng lượng thấp nhất và tốt nhất trong khoảng phụ tải lạnh 40% ~ 85%.
Trong khi đó đặc tuyến năng lượng của chiller 2 lại thấp nhất ở khoảng tải dưới
50% còn chiller 4 lại cao nhất ở khoảng tải lạnh trên 50%. Chiller 3 có đường
16


đặc tuyến năng lượng trung bình so với các chiller còn lại trong toàn dải phụ tải
của nó. Điều này có thể giải thích do đặc tuyến năng lượng của mỗi chiller phụ
thuộc vào điều kiện vận hành và tình trạng thiết bị thực tế liên quan đến chế độ
bảo dưỡng, vận hành như: độ bám cáu cặn của dàn ống bình ngưng, dàn ống
bình bay hơi, nhiệt độ nước lạnh vào/ra của bình bay hơi, của bình ngưng...
Mô hình đặc tuyến làm việc của bơm nước lạnh và bơm nước giải nhiệt
Kết quả mô hình đặc tuyến làm việc của các bơm nước lạnh, bơm nước giải
nhiệt bằng mô hình đa thức từng khúc với đa thức bậc hai trơn với dữ liệu vận
hành thực tế được thể hiện trong hình 4.7 và hình 4.8 và hàm mô hình đặc tuyến
cho từng thiết bị tương ứng như công thức (4.5) ~ (4.12). Lưu ý rằng trong các
công thức hàm mô hình hóa (4.5) ~ (4.12) thì đơn vị tính của công suất điện tiêu
thụ là kW, đơn vị tính của lưu lượng nước là L/s , giới hạn lưu lượng nước của
bơm nước lạnh LNL,min = 50 L/s, LGN,min = 60 L/s như yêu cầu lưu lượng nước tối
thiểu của MLTT chiller Carrier, LNL,max = 83,7 L/s, LGN,max = 100 L/s như tài liệu
kỹ thuật của nhà sản xuất bơm nước Grundfos. Bơm nước lạnh số 5 và bơm nước
giải nhiệt số 5 đang bị lỗi nên không lấy được số liệu.

Hình 4.7 Đặc tuyến làm việc của 4
Hình 4.8 Đặc tuyến làm việc của 4 bơm
bơm nước lạnh

Σe = 1.154 |Gradient| = 0 R = 0,0,958246
Bơm nước giải nhiệt số 3: NGN,3 = 13,354 – 0,375 LGN,3 + 0,001 (LGN,3)2 (4.11)
Σe2 = 1,152 |Gradient| = 0 R2 = 0,9896
17


Bơm nước giải nhiệt số 4: NGN,4 = 12,221 – 0,4 LGN,4 + 0,01 (LGN,4)2
(4.12)
2
2
Σe = 0,84 |Gradient| = 0 R = 0,999203
Kết quả mô hình đặc tuyến làm việc của các bơm nước lạnh và bơm nước
giải nhiệt ở TLTT chiller Mipec Tower cho thấy:
 Mô hình đặc tuyến làm việc thu được là một hàm trơn hoàn toàn hoặc gần như
trơn hoàn toàn khi |Gradient| của nó đều bằng hoặc xấp xỉ bằng không phản ảnh
đúng tính chất đặc tuyến làm việc của bơm được điều khiển bằng biến tần.
 Mô hình đặc tuyến làm việc thu được từ số liệu vận hành thực tế cho thấy, điểm
làm việc của bơm nước giải nhiệt và cả bơm nước lạnh đang khác với điểm làm
việc như thiết kế. Công suất điện tiêu thụ của các bơm nước giải nhiệt thực tế
dao động trong khoảng 55 ~ 65 kW phù hợp với công bố của nhà sản xuất
trong khoảng 50 ~ 61 kW. Trong khi thực tế các bơm nước giải nhiệt luôn hoạt
động thực tế dưới lưu lượng nước thiết kế, chỉ khoảng 85 ~ 95 L/s so với yêu
cầu 100 L/s như thiết kế, chứng tỏ đặc tuyến lưới của hệ thống đường ống nước
giải nhiệt đang lớn hơn so với thiết kế, tổng cột áp làm việc thực tế của bơm >
50 mH2O. Đây là một trong những nguyên nhân dẫn đến MLTT chiller không
tăng được năng suất lạnh trong thực tế vận hành khi phía phụ tải lạnh yêu cầu
lớn hơn.
 Ngược lại với bơm nước giải nhiệt, điểm làm việc của các bơm nước lạnh khác
với điểm làm việc trong thiết kế 83,7 L/s, cột áp 50 mH2O, khi thực tế bơm
nước lạnh đang hoạt động ở lưu lượng khoảng 120 ~ 135 L/s; công suất điện

tòa nhà Mipec Tower được thể hiện trong hình 4.9 và phụ lục 6. Đường ĐTNL
cụm MLTT chiller là tổ hợp của các chế độ vận hành khác nhau của các MLTT
chiller thành phần để có được năng suất lạnh đầu ra đáp ứng được phụ tải lạnh.
Đường ĐTNL cao nhất trong hình 4.8 thể hiện chế độ phân phối kém, hoạt động
của các MLTT chiller thành phần không theo một quy luật nào. Đường ĐTNL
nằm giữa thể hiện chế độ phân phối đều của các MLTT chiller thành phần, nghĩa
là ở một mức năng suất lạnh tổng đầu ra nhất định, sẽ được chia đều cho các
MLTT chiller tham gia vận hành, các MLTT chiller tham gia hoạt động ở cùng
một mức năng suất lạnh. Đây là chế độ PPPT điển hình cho hầu hết các TLTT
chiller ở Việt Nam. Đường ĐTNL nằm thấp nhất là đường ĐTPT tối ưu với hàm
mục tiêu tối ưu là TKNL. Khoảng chênh lệnh giữa đường phụ tải theo chế độ phân
phối đều và PPPT tối ưu chính là công suất điện có khả năng tiết kiệm được khi
vận hành các MLTT ở chế độ PPPT tối ưu.
Đường đặc tuyến PPPT tối ưu cho cụm MLTT chiller
Đường đặc tuyến PPPT tải tối ưu cho cụm MLTT chiller tại tòa nhà Mipec
Tower được thể hiện trong hình 4.10. Trong chế độ PPPT tối ưu, các MLTT
chiller tham gia hoạt động phải được vận hành để đạt được mức phụ tải lạnh tổng
nào đó được quy định trong đường đặc tuyến PPPT tối ưu hình 4.10 và bảng 4.1.
19


Hình 4.10 Tổng hợp đặc tuyến phân phối phụ tải tối ưu của 4 chiller
Mỗi điểm nút trong hình 4.10 của mỗi MLTT chiller được định nghĩa là một
điểm làm việc ở mức năng suất lạnh mà MLTT chiller sẽ phải hoạt động để đạt
được mức phụ tải lạnh tổng yêu cầu. Một điểm làm việc trên đường đặc tuyến phụ
tải tối ưu là giao điểm của đường gióng giữa năng suất lạnh tổng trên trục hoành
và đường gióng trên trục tung của năng suất lạnh mà chiller đó tham gia vận hành
để đạt được năng suất lạnh tổng đó. Các điểm làm việc của các chiller khác nhau
mà trùng nhau hay giao nhau thì thể hiện cả hai chiller đó hoạt động ở cùng một
mức năng suất lạnh như chế độ PPPT đều. Các điểm làm việc nằm trên trục hoành

TKNL thu được từ kết quả PPPT tối ưu để tính ra được hiệu quả TKNL của hệ
thống trong khoảng thời gian xác định. Khảo sát đặc tuyến phụ tải tòa nhà Mipec
tower trong một ngày nắng nóng điển hình của tháng 7 như trong hình 4.1 (Đơn vị
tính kW).
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
07/26/2013…
07/26/2013…
07/26/2013…
07/26/2013…
07/26/2013…
07/26/2013…
07/26/2013…
07/26/2013…
07/26/2013…
07/26/2013…
07/26/2013…
07/26/2013…
07/26/2013…
07/26/2013…
07/26/2013…
07/26/2013…
07/26/2013…
07/26/2013…
07/26/2013…

khoảng công suất, ví dụ là bước phụ tải 500kW hay 1000 kW, và xác định thời
gian hoạt động của hệ thống ở mỗi dải mức phụ tải lạnh này. Kết quả tính toán
hiệu quả TKNL từ đặc tuyến PPPT tối ưu và đặc tuyến phụ tải tòa nhà năm 2013
được trình bày trong phụ lục 7. Hiệu quả TKNL ở mức khoảng 11,6%.
Cũng phải nói thêm rằng, PPPT tối ưu cho hệ thống đang PPPT đều sẽ có
nhiều hạn chế do thực tế mức phụ tải phân phối cho các MLTT chiller hoạt động
đồng thời mà quá chênh lệch nhau thì hệ thống hiện tại không áp dụng được và
cần phải có thay đổi trong cấu trúc TLTT chiller. Ngoài ra, trong thực tế vận hành,
tính ổn định của mức phụ tải lạnh chỉ là ở sự dao động trong một biên độ vừa phải
chứ không phải là một giá trị xác định như kết quả của PPPT tối ưu. Chế độ PPPT
tối ưu luôn chọn thiết bị có đặc tuyến năng lượng tốt nhất ở mức phụ tải đó, điều
này không phải khi nào cũng thực hiện được khi thiết bị cần có thời gian nghỉ để
bảo trì, bảo dưỡng, sửa chữa nên không thể hoạt động được những lúc yêu cầu. Do
đó, tác giả đánh giá hiệu quả TKNL ở mức 8 ~ 10%, tương đương 95000 ~
119000 kWh/năm, tương ứng với mức giảm phát thải 53 ~ 66,7 Tấn CO2/năm.
Đây là đóng góp đáng kể chỉ từ biện pháp đơn giản nhất là khai thác triệt để khả
năng vận hành của thiết bị hiện có – Biện pháp áp dụng chế độ PPPT tối ưu.
4.5 Đề xuất quy trình vận hành tối ưu năng lượng cho hệ thống điều hòa
không khí trung tâm tại tòa nhà Mipec Tower
Đề xuất quy trình vận hành tối ưu năng lượng cho TLTT chiller tại tòa nhà
Mipec Tower nói riêng, cho hệ thống ĐHKK trung tâm chiller nói chung, trên cơ
sở kết quả PPPT tối ưu cả trạm lạnh qua các bước như sau:
- Bước 1: Lập biểu đồ đặc tính phụ tải tòa nhà và khu vực làm tài liệu tham khảo
để dự đoán mức phụ tải tòa nhà theo ngày, tuần, tháng, mùa và cả năm;
- Bước 2: Sử dụng biểu đồ PPPT tối ưu hình 1 hoặc bảng lựa chọn công suất lập
sẵn trên cơ sở hình 1 xác định chế độ công suất vận hành vận hành cho từng
MLTT chiller;
- Bước 3: Đặt và vận hành các MLTT chiller theo giá trị công suất lạnh tối ưu đã
xác định ở bước 2;
- Bước 4: Định kỳ cập nhật số liệu vận hành và đánh giá lại đặc tuyến năng lượng

PPPT tối ưu. Kết quả TKNL này có nhiều khả năng tăng lên khi thực hiện tối
ưu tổng thể và triệt để đến từng cụm thiết bị trong TLTT chiller như cụm bơm
nước lạnh và cụm bơm nước giải nhiệt / tháp giải nhiệt.
 Đã đề xuất được quy trình vận hành áp dụng kết quả PPPT tối ưu cho hệ thống
ĐHKK trung tâm chiller tại tòa nhà Mipec Tower.
 Phương pháp luận PPPT tối ưu ứng dụng thuật toán tối ưu hóa vượt khe đã
được áp dụng thành công để giải bài toán tối ưu hóa PPPT cho TLTT tòa nhà
Mipec Tower. Phương pháp luận này hoàn toàn áp dụng được trong các bài
toán PPPT tương tự trong các hệ thống ĐHKK trung tâm chiller.
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT

Kết luận
Nội dung nghiên cứu đã giải quyết được mục tiêu đặt ra của luận án thể hiện
thông qua các kết quả quan trọng như sau:
 Đã phát triển ứng dụng phương pháp luận tối ưu hóa hệ thống lớn vào giải bài
toán tối ưu hóa chế độ vận hành hệ thống ĐHKK trung tâm chiller. Phân tích
hệ thống theo quan điểm tối ưu hóa nêu trên để xây dựng bài toán tối ưu cho
trường hợp hệ thống ĐHKK với trọng tâm là TLTT chiller giải nhiệt nước.
 Đã xây dựng phương pháp xác định đặc tuyến năng lượng của các thiết bị chính
trong TLTT chiller trên cơ sở mô hình đa thức từng khúc bậc hai và thuật toán
vượt khe. Đã đánh giá đặc tuyến làm việc thực tế của thiết bị so với các công
bố của nhà sản xuất để giải quyết các khó khăn trong vận hành.
23


 Đã thiết lập bài toán tối ưu hóa vận hành của TLTT chiller theo cách chọn mục
tiêu chính là cực tiểu hóa tiêu hao năng lượng. Đồng thời, đưa bài toán về dạng
hàm mục tiêu vô điều kiện cho phép áp dụng thuật toán vượt khe để xác định
biểu đồ phụ tải tối ưu của từng thiết bị theo phụ tải tổng yêu cầu.
 Đã phát triển bổ sung phần mềm “Power” chức năng phân tích đặc tuyến phụ

ưu, trên cơ sở đặc tuyến năng lượng do nhà sản xuất thiết bị công bố.
 Bước 6: Kiểm tra đánh giá hiệu quả TKNL thực tế của hệ thống khi đưa vào
vận hành để hoàn thiện cơ sở dữ liệu tham chiếu cho các bước thực hiện bên
trên cho các công trình khác.
 Bước 7: Thực hiện định kỳ kiểm toán và hiệu chỉnh chế độ vận hành phù hợp
để triệt để khai thác hiệu quả TKNL của hệ thống bằng tối ưu hóa PPPT.
24