BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

NGUYỄN QUANG AN

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH PHƯƠNG PHÁP GIÁM SÁT
VÀ ĐIỀU KHIỂN KHÓI KHI XẢY RA CHÁY
TRONG TÒA NHÀ CAO TẦNG KHU VỰC HÀ NỘI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

NGUYỄN QUANG AN

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH PHƯƠNG PHÁP GIÁM SÁT
VÀ ĐIỀU KHIỂN KHÓI KHI XẢY RA CHÁY
TRONG TÒA NHÀ CAO TẦNG KHU VỰC HÀ NỘI

Ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 62520216

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. TS. Nguyễn Chí Tình
2. TS. Trịnh Thế Dũng

2

3. Phương pháp nghiên cứu

2

4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

3

5. Các luận điểm bảo vệ và điểm mới của luận án

3

6. Kết cấu luận án

3

Lời cảm ơn

4

Chương 1. Tổng quan về các hệ thống điều khiển khói trên thế giới 5
và Việt Nam
1.1. Các hệ thống kỹ thuật phục vụ cho công tác phòng cháy và chữa 5
cháy trong tòa nhà cao tầng
1.2. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng các hệ thống điều khiển khói

6


2.3. Mô hình hóa hệ thống hút khỏi hành lang và điều áp cầu thang 42
trong chế độ động
Nhận xét

57

Chương 3. Các giải pháp cơ bản để giám sát và điều khiển tự động 58
cho hệ thống điều khiển khói
3.1. Nhiệm vụ của hệ thống giám sát và điều khiển tự động

58

3.2. Cấu trúc cơ bản của hệ giám sát và điều khiển tự động cho hệ 59
thống điều khiển khói.
3.3. Nguyên lý hoạt động của trạm điều khiển khói và hệ thống hút 60
khói hành lang.
3.4. Các yêu cầu và đặc điểm của hệ thống điều áp cầu thang

63

3.5. Cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển điều áp cầu thang

64

3.6. Mô hình mẫu của hệ thống điều khiển áp suất dư trung bình

66

3.7. Thiết kế hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu để điều 75
khiển áp suất dư trung bình

khi thay đổi các thông số

NHỮNG TỪ VIẾT TẮT
ASHRAE: American Society of Heating, Refrigerating and AirConditioning Engineers/ Hiệp hội các hệ thống sưởi ấm, làm lạnh và điều hòa
không khí (Hoa kỳ)
BAS: Building Automation Systems/ Hệ thống tự động hóa tòa nhà
BMS: Building Management Systems/ Hệ thống quản lý tòa nhà
CFD: Computational fluid dynamics/ Lý thuyết động lực học chất lưu
DDC: Direct digital control/ Điều khiển số trực tiếp
DNS: Direct numerical simulation/Mô phỏng số trực tiếp
FDS: Fire dynamics simulator/Mô phỏng động lực học đám cháy
FACP: Fire Alarm Control Panel/ Trung tâm báo cháy tự động
FSCS: Firefighter’s Smoke Control Station/ Trạm điều kiển khói
HVAC: Heating, Ventilation and Air Conditioning/ Điều nhiệt, Thông
gió, Điều hòa không khí
IBC: International Buiding Code/ Tiêu chuẩn xây dựng quốc tế
IMC: Internal Model Control/ Mô hình điều khiển nội
LES: Large eddy simulation/ Mô phỏng xoáy rộng
MRAS: Model Reference Adaptive Systems/ Hệ điều khiển thích nghi
theo mô hình mẫu
MIT: Massachusetts Institute of Technology/ Viện

công

nghệ

Massachusetts
NFPA: National Fire Protection Association/ Hiệp hội phòng cháy quốc
gia (Hoa kỳ)
PLC: Programmable Logic Controller/ Bộ điều khiển khả trình


3.1

Độ chênh áp khi đóng bớt số van gió phía trên

96

3.2

Độ chênh áp khi đóng bớt số van gió phía dưới

96

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình Ý nghĩa

Trang

1.1

Hệ thống điều áp cầu thang bộ

8

1.2

Hệ thống điều áp buồng thang máy

8


1.8

Hệ thống tạo áp cầu thang và hút khói hành lang của tòa nhà

14

CC và DVTM số 3 Nguyễn Huy Tưởng
1.9

Hệ thống tạo áp cầu thang và hút khói hành lang của tòa nhà

14

chung cư 125D Minh Khai
1.10

Cấu tạo của các van gió

16


1.11

Mặt trước của FSCS

19

1.12

Hiệu ứng ống khói trong tòa nhà


38

2.5

Giao diện của một tầng

39

2.6

Đồ thị thay đổi hệ số tỷ lệ theo diện tích khe hở

41

2.7

Tensor ứng suất Cauchy

43

2.8

So sánh sự dịch chuyển của khói giữa thực nghiệm và mô

48

phỏng
2.9


Sơ đồ điều khiển hệ thống điều áp cầu thang

65

3.3

Các khối chức năng cơ bản điều khiển áp suất dư trung bình

66

3.4

Đơn giản hóa đối tượng quán tính bậc nhất có trễ

69

3.5

Đặc tính quá độ của đối tượng điều khiển

70

3.6

Mô hình của đối tượng điều khiển

70

3.7



Mạch vòng điều khiển PI

79

3.13

Mô hình gần đúng của hệ thống điều khiển áp suất dư

80

3.14

Mô hình gần đúng của hệ thống điều khiển sau rút gọn

81

3.15

Mô hình gần đúng của hệ thống điều khiển có khâu phi tuyến 81

3.16

Mô hình hệ điều khiển thích nghi dạng đầy đủ

82

3.17

Mô hình hệ điều khiển thích nghi dạng rút gọn

Mô hình mẫu có khâu phi tuyến

92

3.23

Lưu đồ thuật toán điều khiển thích nghi hệ thống điều áp cầu

93

thang
3.24

Nguyên lý điều khiển độ chênh áp giữa các tầng

95

3.25

Lưu đồ thuật toán điều khiển độ chênh áp khi hệ số a không

98

đổi
3.26

Lưu đồ thuật toán điều khiển độ chênh áp khi hệ số a thay đổi 99

3.27


control). Trong hệ thống này bao gồm các thiết bị như điều áp cầu thang, quạt
hút khói, các van gió tự động (damper), các cảm biến… Các hệ thống kiểm
soát khói tiên tiến được điều khiển bởi một hệ thống điều khiển số đặc biệt.
Các tòa nhà cao tầng ở nước ta cũng đã áp dụng các hệ thống kiểm soát khói,
nhưng phần lớn ở mức độ đơn giản và chưa được quan tâm đúng mức. Các
tiêu chuẩn, qui chuẩn liên quan đến kiểm soát khói của Việt Nam đơn giản
hơn nhiều so với các tiêu chuẩn, qui chuẩn của các nước phát triển. Việc thiết
kế các hệ thống kiểm soát khói dựa theo nhiều tiêu chuẩn khác nhau gây khó
khăn cho công tác thẩm duyệt và quản lý.
Ở nước ta hiện chưa có công trình khoa học nào nghiên cứu sâu về các


2

hệ thống điều khiển khói và hiệu quả hoạt động của nó.
Việc nghiên cứu đề tài về hệ thống điều khiển kiểm soát khói trở nên rất
cấp thiết trong tình hình hiện nay để góp phần phát triển sự nghiệp công
nghiệp hóa, hiện đại hóa trong lĩnh vực phòng cháy chữa cháy; đảm bảo an
toàn cho con người và tài sản trong các tòa nhà cao tầng.
2. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
a) Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu xác định phương pháp giám sát và điều khiển khói khi xảy
ra cháy trong các tòa nhà cao tầng ở khu vực Hà Nội. Trong đó phải xây dựng
được mô hình của đối tượng điều khiển và đưa ra giải pháp giám sát và điều
khiển để nâng cao hiệu quả hoạt động cho hệ thống điều khiển khói.
c) Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Các công trình xây dựng có nhiều điểm khác nhau về mục đích sử dụng,
đặc điểm khí hậu, mật độ dân cư… Vì vậy khi các vụ cháy xảy ra ở các công
trình có những đặc điểm khác nhau.
Phạm vi nghiên cứu của đề tài chỉ giới hạn trong các hệ thống điều khiển

hoạt động cho hệ thống điều khiển khói phù hợp với điều kiện môi trường ở
Hà Nội. Trong đó có việc ứng dụng điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu
để ổn định áp suất dư cho hệ thống điều áp cầu thang trong các điều kiện làm
việc khác nhau và có thể áp dụng cho các tòa nhà khác nhau.
6. Kết cấu luận án
Kết cầu luận án gồm 3 chương.
Chương 1. Tổng quan về các hệ thống điều khiển khói trên thế giới
và Việt Nam.
Chương 2. Mô hình hóa, mô phỏng quá trình động lực học của hệ
thống điều khiển khói.
Chương 3. Các giải pháp giám sát và điều khiển tự động cho hệ
thống điều khiển khói.


4

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian nghiên cứu và học tập tại Khoa Cơ Điện – Trường đại học
Mỏ địa chất. Đến nay tôi đã hoàn thành luận án “Nghiên cứu xác định phương
pháp giám sát và điều khiển khói khi xảy ra cháy trong tòa nhà cao tầng khu
vực Hà Nội”, Để hoàn thành luận án, tôi đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của
các thầy giáo hướng dẫn và các đồng nghiệp. Tôi xin trân trọng cám ơn hai
thầy hướng dẫn là TS. Nguyễn Chí Tình và TS. Trịnh Thế Dũng đã tận tình
hướng dẫn giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận án.
Tôi xin cảm ơn GS.TSKH Cao Tiến Huỳnh, PGS.TS Nguyễn Văn Liễn,
PGS.TS. Đào Văn Tân, PGS.TS Lê Công Thành đã có những lời khuyên và
những ý kiến đóng góp bổ ích trong chuyên môn.
Tôi xin cảm ơn tập thể cán bộ, giáo viên Bộ môn Tự động hóa đã tạo
điều kiện giúp đỡ tôi trong thời gian học tập tại đây; tôi xin cảm ơn các cấp

thang và hút khói hành lang. Các hệ thống này có nhiệm vụ ngăn khói đi vào
cầu thang thoát hiểm và hút khói ở các hành lang của tòa nhà. Ở các nước
phát triển còn có hệ thống điều khiển khói phân vùng, trong đó cho phép điều
áp hoặc hút khói cho từng khu vực trong tòa nhà.


6

1.2. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng các hệ thống điều khiển khói
1.2.1.Tình hình nghiên cứu về điều khiển khói
a) Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Trên thế giới đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về lĩnh vực điều
khiển, kiểm soát khói trong nhà cao tầng. Các nghiên cứu được thực hiện
bằng các phương pháp mô hình hóa và thực nghiệm, trong đó phương pháp
mô hình hóa được áp dụng nhiều nhất.
Các nghiên cứu chủ yếu là khảo sát các diễn biến dịch chuyển của khói
và hoạt động điều khiển khói cho từng công trình cụ thể, sự biến đổi của các
thông số như nhiệt độ; áp suất; nồng độ khói, phân tích tác động của các thiết
bị điều khiển đến sự dịch chuyển của khói [20], [24], [26], [27], [30], [32],
[40], [44], [55]. Một số công trình nghiên cứu có sử dụng cả phương pháp mô
hình hóa và thực nghiệm để đối chiếu kết quả [20], [30], [32], [40], [44].
Các công trình khoa học gần đây nghiên cứu về hệ thống điều áp cầu
thang cho thấy áp suất dư trong buồng thang thoát hiểm biến thiên khá phức
tạp và có thể vượt ra khỏi giới hạn cho phép [20], [40], [44], [51]. Theo
nghiên cứu về hệ thống điều áp cầu thang một tòa nhà ở Hàn Quốc [40], áp
suất dư trong buồng thang thoát hiểm khi các cửa đều đóng có lúc đo được lên
tới 124 Pa, trong khi theo thiết kế là 50Pa. Các công trình nghiên cứu đã đưa
ra các giải pháp điều chỉnh quạt gió, điều chỉnh van gió để ổn định áp suất dư
cho buồng thang thoát hiểm và các giải pháp nâng cao hiệu quả hoạt động của
hệ thống hút khói. Tuy vậy các nghiên cứu trên ít đề cập đến kỹ thuật điều

Thực hiện cho hai biện pháp trên là các giải pháp cụ thể:
+ Điều áp cầu thang bộ (hình 1.1)
Hệ thống này sử dụng quạt để tăng áp cho cầu thang bộ thoát hiểm. Với
những tòa nhà thấp tầng có thể sử dụng hệ thống điều áp một họng phun, còn
với những tòa nhà cao tầng thì thường sử dụng hệ thống điều áp nhiều họng
phun hoặc phân vùng. Với những tòa nhà siêu cao tầng thì việc phân vùng sẽ


8

giúp cho việc điều chỉnh áp suất từng vùng được ổn định hơn, tránh được sự
chênh lệch áp suất do hiệu ứng ống khói. Việc điều áp cầu thang bộ có thể
bao gồm cả điều áp tiền sảnh và hành lang thoát hiểm.
+ Điều áp thang máy (hình 1.2)
Việc điều áp cho thang máy có thể thực hiện bằng cách dùng quạt tăng
áp cho giếng thang máy hoặc tăng áp cho tiền sảnh (Trong trường hợp tiền
sảnh ngăn cách thang máy với nơi ở)

Hình 1.1. Hệ thống điều áp cầu thang bộ [38]

Hình 1.2. Hệ thống điều áp buồng thang máy [38]
Các hệ thống điều áp cầu thang có thể kết hợp với hệ thống hút khói
hành lang hoặc hút khói các tầng bị cháy. Trong hệ thống mô tả như hình 1.3,


9

khi phát hiện cháy ở một tầng thì quạt tăng áp thang máy hoạt động, tất cả các
van gió ở các tầng không có cháy đóng lại, van gió ở tầng bị cháy được mở và
quạt hút khói sẽ hoạt động để hút khói ở tầng bị cháy.

theo đúng nghĩa của nó là trạm điều khiển khói của người chữa cháy
(Firefighter’s Smoke Control Station). FSCS thực hiện chức năng điều khiển
và giám sát sự hoạt động của các thiết bị như quạt gió, van gió ở các chế độ tự
động hoặc bằng tay bởi người có trách nhiệm. Trong các hệ thống điều khiển
hiện đại, mạch điều khiển được thiết kế dưới dạng mạng công nghiệp theo
giao thức MODBUS RTU hay BACNET MS/TP.
Một thành phần quan trọng trong hệ thống điều khiển khói là hệ thống
điều áp cầu thang. Trong những hệ thống hiện đại, việc điều khiển quạt gió
thường được thực hiện thông qua biến tần, các van gió là loại van điều khiển
bằng điện để điều chỉnh áp suất từng vị trí đảm bảo yêu cầu kỹ thuật.
Hình 1.6 là một mạng điều khiển khói do hãng Colt của Anh quốc giới
thiệu “Nguồn: www.coltinfo.co.uk”. Trung tâm của mạng điều khiển là trạm
điều khiển khói chuyên dùng (FSCS) với các chế độ điều khiển tự động và
điều khiển bằng tay. Các mạch vòng (loop) bao gồm nhiều phần tử được định
địa chỉ nối theo mạng. Bình thường FSCS làm việc ở chế độ tự động, thu
nhận tín hiệu từ các cảm biến hoặc từ trung tâm báo cháy tự động (FACP) để
tự động điều khiển các thiết bị. Tuy nhiên trong những tình huống diễn biến
phức tạp, người điều khiển sẽ chuyển sang chế độ điều khiển bằng tay để điều
khiển các thiết bị theo yêu cầu thực tế.
Hình 1.7 giới thiệu mạng điều khiển khói của hãng AP “Nguồn:
www.automatikprodukter.se” của Thụy điển. Trong mạng điều khiển có các
bộ điều khiển số trực tiếp (DDC) thực hiện nhiệm vụ điều khiển các quạt gió,
van gió. Các bộ điều khiển này được nối theo mạng MODBUS RTU, nhờ đó
nó được điều khiển và giám sát từ một trạm điều khiển hoặc giám sát bằng
máy tính thông qua mạng Internet.


12

Hình 1.6. Sơ đồ mạng điều khiển khói do hãng Colt giới thiệu

báo cháy tầng. Nếu xảy ra báo cháy giả hoặc nhiều tín hiệu báo cháy thì hệ
thống hút khói sẽ không phát huy được tác dụng vì không đủ công suất.
Hình 1.8. được trích từ thiết kế hệ thống điều khiển khói của tòa nhà
chung cư và dịch vụ thương mại số 3 Nguyễn Huy Tưởng, quận Thanh Xuân.
Hình 1.9 được trích từ bản vẽ thiết kế hệ thống điều khiển khói của tòa nhà
chung cư 125D Minh Khai. Các hệ thống này có cấu trúc cơ bản như nhau.
Trong hệ thống điều áp cầu thang có quạt tăng áp được điều khiển từ trung
tâm báo cháy tự động, gió được cấp qua ống gió tới từng miệng gió tại từng
tầng của buồng thang, các van điều chỉnh lưu lượng gió được điều chỉnh cố
định bằng tay. Quạt hút khói hành lang cùng với các van mở miệng hút khói
cũng được điều khiển từ trung tâm báo cháy tự động. Việc kết nối từ các quạt
và các van gió được thực hiện qua các cặp dây nối thông thường.


14

Hình 1.8. Hệ thống tạo áp cầu thang và hút khói hành lang
của tòa nhà CC và DVTM số 3 Nguyễn Huy Tưởng

Hình 1.9. Hệ thống tạo áp cầu thang và hút khói hành lang
của tòa nhà chung cư 125D Minh Khai
Qua tìm hiểu thiết kế của các tòa nhà cao tầng khu vực Hà Nội cho thấy
việc thiết kế hệ thống điều khiển khói dựa theo nhiều tiêu chuẩn khác nhau.
Theo các tiêu chuẩn của Việt Nam thì chỉ qui định các tòa nhà cao tầng phải
có hệ thống điều áp cầu thang, hệ thống hút khói hành lang và hệ thống thông
gió, hút khói tầng hầm. Hệ thống tạo áp cầu thang chỉ qui định áp suất dư từ
20 đến 50 Pa [13], [14]. Trong tiêu chuẩn Việt Nam không đề cập đến việc sử
dụng FSCS cùng mạng điều khiển.




16

Quạt gió dùng để cấp khí, tăng áp suất cho những khu vực cần thiết hoặc
dùng để hút gió thải, xả khói khi có cháy.
Quạt gió được phân làm 2 loại chính :
- Quạt hướng trục
- Quạt ly tâm
Quạt hướng trục có cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ và hiệu suất cao hơn
so với quạt ly tâm. Tuy nhiên quạt ly tâm lại có khả năng tạo áp suất lớn hơn
so với quạt hướng trục. Các nhà cao tầng ở Việt Nam không áp dụng giải
pháp phân vùng nên hệ thống điều áp thường sử dụng quạt ly tâm để đảm bảo
khả năng điều áp.
c) Van gió (hình 1.10)
Van gió bao gồm van chặn lửa (Fire damper) và van chặn khói (Smoke
damper). Cấu tạo của van gió có 2 dạng là kiểu nhiều lá (Multi-blade) và kiểu
rèm (Curtain).

Hình 1.10. Cấu tạo của các van gió [38]
- Van chặn lửa dùng để ngăn lửa được chế tạo theo tiêu chuẩn UL555
(UL1990a). Thông thường khi van chặn lửa hoạt động theo nguyên tắc của
cầu chì, bình thường ở trạng thái mở nó được giữ bởi một dây dễ nóng chảy,
khi dây chảy đứt do tác đông của ngọn lửa thì sẽ đóng sập lại để ngăn lửa lan
sang nơi khác. Hiện nay còn có các loại van chặn lửa hoạt động bởi cơ cấu