Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong xu thế phát triển công nghiệp hóa và hiện đại hóa các công trình xây dựng dân dụng quy mô lớn, việc thiết kế đồng bộ các hệ thống cơ điện (MEP - Mechanical, Electrical, and Plumbing) cùng với hệ thống tự động hóa tòa nhà giữ vai trò quyết định đến độ an toàn, độ ổn định vận hành và hiệu quả sử dụng năng lượng. Một hệ thống cung cấp điện được tính toán tối ưu giúp hạn chế tổn thất điện năng và giảm chi phí vận hành lâu dài; đồng thời, hệ thống thông gió - điều hòa không khí (HVAC) là thành phần then chốt nhằm bảo đảm chất lượng không khí trong nhà (IAQ), bảo vệ sức khỏe con người, duy trì tuổi thọ thiết bị và đáp ứng các quy chuẩn nghiêm ngặt về phòng cháy chữa cháy (PCCC).
Bên cạnh đó, việc ứng dụng bộ điều khiển lập trình logic (PLC) và vi điều khiển mang lại khả năng tự động hóa cao, giám sát liên tục các thông số môi trường và điều khiển linh hoạt các chế độ vận hành. Cùng với đó, phương pháp mô hình hóa thông tin công trình (BIM) thông qua phần mềm Autodesk Revit giúp trực quan hóa không gian ba chiều, phối hợp đa bộ môn nhằm phát hiện sớm các xung đột hình học giữa hệ thống đường dây, máng cáp và đường ống gió, hỗ trợ công tác quản lý vòng đời công trình. Xuất phát từ các yêu cầu thực tiễn đó, đồ án tốt nghiệp với đề tài "Thiết kế hệ thống điện, hệ thống giám sát chiếu sáng dựa trên mô hình 3D Revit và hệ thống thông gió điều khiển bằng PLC" (Design of Electrical Systems, 3D Revit-Based Lighting Monitoring Systems, and PLC-Controlled Ventilation Systems) đã được thực hiện.
Mục tiêu nghiên cứu của đồ án bao gồm 5 nội dung chính:
- Thiết kế hệ thống cung cấp điện và hệ thống HVAC đáp ứng đầy đủ nhu cầu phụ tải của công trình, bảo đảm các tiêu chuẩn về an toàn và độ tin cậy vận hành.
- Xây dựng bản vẽ kỹ thuật chi tiết và triển khai mô hình không gian 3D trên nền tảng phần mềm Autodesk Revit.
- Thiết kế và chế tạo mô hình thực nghiệm hệ thống thông gió thu hồi nhiệt (HRV - Heat Recovery Ventilation) bảo đảm khả năng hoạt động ổn định.
- Bảo đảm tính đồng bộ và phối hợp vận hành nhịp nhàng giữa các phân hệ: từ cấp điện, thông gió cho đến mạng lưới giám sát và điều khiển tự động.
- Thử nghiệm và đánh giá định lượng các kết quả vận hành thực tế của mô hình chế tạo.
Nhiệm vụ của nghiên cứu bao gồm: khảo sát mặt bằng kiến trúc và yêu cầu công năng của công trình; thu thập và đối chiếu hệ thống tiêu chuẩn, quy chuẩn kỹ thuật hiện hành; tính toán tải chiếu sáng, phụ tải điện động lực, chọn máy biến áp, máy phát điện, thiết bị đóng cắt, tiết diện dây dẫn/busway, sụt áp, dòng ngắn mạch và hệ thống tiếp địa - chống sét; tính toán phụ tải lạnh, lưu lượng thông gió hầm, thông gió sự cố, điều áp cầu thang thoát hiểm; thiết kế phần cứng mô hình HRV, lập trình PLC Mitsubishi FX3U, cấu hình biến tần Mitsubishi FR-E700 qua giao thức Modbus-RTU, lập trình vi điều khiển ESP32, thiết kế Web Server và kết nối dữ liệu thời gian thực vào mô hình Revit qua Dynamo.
- Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống cung cấp điện, hệ thống chiếu sáng, hệ thống điều hòa không khí - thông gió, mô hình thiết bị thông gió thu hồi nhiệt (HRV) và giải pháp tích hợp điều khiển - giám sát thời gian thực giữa PLC/IoT với phần mềm 3D Revit.
- Phạm vi không gian: Công trình khách sạn L'AVENIR tại thành phố Quy Nhơn, tỉnh Bình Định (quy mô gồm các tầng hầm, khối hội nghị, nhà hàng, rạp chiếu phim, các tầng phòng ngủ khách sạn và tầng kỹ thuật/mái) và mô hình thực nghiệm phòng hội nghị mẫu. Do quy chuẩn TCVN 5687:2010 chưa có số liệu khí hậu chi tiết ngoài trời cho tỉnh Bình Định, tác giả sử dụng số liệu khí hậu tham chiếu của thành phố lân cận là Đà Nẵng.
- Phạm vi thời gian: Đồ án được hoàn thành và bảo vệ vào tháng 7 năm 2025.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khóa luận thiết lập hệ thống cơ sở lý thuyết dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia (QCVN, TCVN), tiêu chuẩn ngành và tiêu chuẩn quốc tế:
- Hệ thống điện và an toàn điện: QCVN QTĐ 2009/BCT, QCVN QTĐ-8-2010/BCT, QCVN 12:2014/BXD (hệ thống điện cho nhà ở và công trình công cộng), QCVN 09:2017/BXD (công trình xây dựng sử dụng năng lượng hiệu quả), TCVN 7114-1:2008 / QCVN 22/2016/BYT (chiếu sáng nơi làm việc trong nhà), TCXDVN 333:2005 (chiếu sáng nhân tạo bên ngoài), TCVN 9206:2012, TCVN 9207:2012 (đường dẫn điện), TCVN 9208:2012, Thông tư 39/2015/BCT, TCVN 7447, TCVN 9358:2012 (nối đất thiết bị), TCVN 9385:2012 và TCVN 9888:2013 (bảo vệ chống sét), TCN 68-174:2006, tiêu chuẩn quốc tế IEC-2018.
- Hệ thống HVAC và PCCC: ASHRAE 2008 (tiêu chuẩn của Hiệp hội Kỹ sư Nhiệt, Lạnh và Điều hòa Không khí Hoa Kỳ), TCVN 5687:2010 (thông gió - điều hòa không khí), TCVN 3288:1979, QCVN 06:2010/BXD (an toàn cháy cho nhà và công trình), TCVN 2622-1995, QCVN 05:2013/BTNMT và TCXD 306:2004 (thông số vi khí hậu).
Phương pháp nghiên cứu được triển khai kết hợp giữa lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm:
- Phương pháp khảo sát thực địa (Field Survey Method): Thu thập thông tin mặt bằng kiến trúc khách sạn L'AVENIR, khảo sát không gian bố trí các phòng máy kỹ thuật (phòng biến áp, phòng máy phát, giếng thang, trục kỹ thuật điện - cơ).
- Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu (Document Analysis and Synthesis Method): Hệ thống hóa các bảng tra, công thức tính toán từ quy chuẩn, giáo trình "Cung cấp điện" và catalogue thiết bị của các nhà sản xuất (Philips, Schneider Electric, DAIKIN, Mitsubishi Electric, Mikro, Selec, AOSIF SME, GAONTECH, Lọc Hoàng Kim).
- Phương pháp tính toán kỹ thuật (Technical Calculation Method):
- Chiếu sáng: Phương pháp hệ số sử dụng quang thông xác định số lượng đèn thông qua công thức tính chỉ số phòng $i = (L \times W) / [(L + W) \times H_c]$ và hệ số suy giảm bù $MF = LLMF \times LSF \times LMF \times RMF$.
- Điện động lực: Xác định công suất tính toán, dòng điện làm việc, kiểm tra dòng ngắn mạch ba pha, tính toán dung lượng bù công suất phản kháng từ $\cos\varphi = 0{,}8$ đạt ngưỡng quy định, kiểm tra sụt áp trên thanh dẫn Busway và cáp hạ thế theo tiêu chuẩn IEC-2018.
- Cơ điện lạnh: Tính toán phụ tải nhiệt, lưu lượng gió tươi, lưu lượng hút khói sự cố và cột áp quạt tăng áp cầu thang duy trì chênh áp $+20 \sim +50\text{ Pa}$.
- Phương pháp mô phỏng và mô hình hóa (Simulation and Modeling Method): Ứng dụng phần mềm DIALUX evo kiểm chứng độ rọi; phần mềm Fridgetech AHU Performance Analyser tính toán hòa trộn không khí và hiệu suất làm lạnh; phần mềm Autodesk Revit dựng mô hình 3D kết cấu MEP; công cụ Dynamo xử lý luồng dữ liệu trung gian.
- Phương pháp thực nghiệm và đánh giá (Testing and Evaluation Method): Lắp ráp mô hình thực tế hệ thống HRV, kết nối cảm biến (nhiệt độ PT100, chênh áp, $\text{CO}_2$), lập trình PLC Mitsubishi FX3U qua GX Works2, nạp code ESP32 qua PlatformIO, cấu hình mạng truyền thông công nghiệp Modbus-RTU qua cổng RS485 và đánh giá khả năng hiển thị thời gian thực trên Web Server và mô hình 3D Revit.
Thiết kế và triển khai
Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc tích hợp nhiều tầng công nghệ từ thiết bị trường, bộ điều khiển trung gian đến lớp hiển thị - quản lý thông tin:
| Tầng chức năng |
Thiết bị / Nền tảng công nghệ |
Chức năng kỹ thuật |
| Cung cấp nguồn động lực |
- Tủ RMU trung thế: LBS-SF6 630A/200A-24kV-25kA/1s
- 02 Máy biến áp khô: 1250 kVA, 22/0.4kV, Dyn11
- 02 Máy phát điện dự phòng: 930 kVA (prime)
- Hệ thống Busway nhôm 1250A TPN + (E)
- Tủ bù tự động Selec APFC 147-108 & tụ Mikro |
Cấp nguồn liên tục cho toàn bộ phụ tải khách sạn; tự động hòa đồng bộ máy phát và chuyển nguồn ATS khi mất lưới; bù công suất phản kháng nâng cao $\cos\varphi$. |
| Hệ thống HVAC tòa nhà |
- 03 Cụm Chiller giải nhiệt nước: 167 kW/cụm
- 01 Tháp giải nhiệt 3 cell (đặt tại tầng 24)
- Quạt tăng áp cầu thang/thang máy (PAF)
- Quạt hút khói hành lang/nhà hàng (SEAF)
- 02 Thiết bị xử lý không khí sơ cấp PAU-RF |
Cung cấp nước lạnh cho hệ thống FCU; thông gió tầng hầm theo nồng độ $\text{CO}$; duy trì chênh áp buồng thang $+20 \sim +50\text{ Pa}$; hút khói sự cố hành lang trục đứng qua van MFD. |
| Mô hình thực nghiệm HRV |
- Bộ trao đổi nhiệt kiểu tấm cố định (Fixed-Plate Cross-flow)
- Phin lọc sơ cấp Hoàng Kim, quạt hút/thổi
- Dàn coil lạnh bổ sung, ống gió mềm polyester |
Thu hồi nhiệt giữa dòng khí thải và khí tươi cấp vào phòng hội nghị mẫu nhằm tiết kiệm năng lượng điều hòa. |
| Tầng điều khiển công nghiệp |
- PLC Mitsubishi FX3U-32M
- Module analog đầu vào FX2N-4AD
- Module truyền thông FX3U-485-BD
- Biến tần Mitsubishi FR-E700 |
Đọc tín hiệu cảm biến analog qua lệnh FROM/TO; xử lý thuật toán điều khiển tự động; điều khiển tần số biến tần qua Modbus-RTU để thay đổi cấp tốc độ quạt (Low/Middle/High). |
| Tầng thu thập IoT & Mạng |
- Vi điều khiển ESP32 (lập trình PlatformIO)
- Module chuyển đổi UART TTL sang RS485 V3
- Module Modbus Relay 4 kênh
- Cảm biến PT100 (kèm bộ chuyển đổi), $\text{CO}_2$, chênh áp |
Đóng vai trò Gateway giao tiếp Modbus-RTU với PLC/Relay; gửi nhận dữ liệu trạng thái qua mạng Wi-Fi; cung cấp giao diện Web Server điều khiển/giám sát. |
| Tầng hiển thị BIM 3D |
- Phần mềm Autodesk Revit
- Kịch bản Dynamo Visual Programming |
Tạo Shared Parameters trong Family; trích xuất dữ liệu từ Web Server qua endpoint /get-all-data; tự động gán tham số và đổi màu RGB đèn/quạt trong mô hình 3D theo thời gian thực. |
Quy trình điều khiển và giải thuật hệ thống được thiết lập gồm hai chế độ:
- Chế độ tự động (Auto Mode): Hệ thống thông gió tầng hầm giám sát nồng độ $\text{CO}$ qua cảm biến. Khi $[\text{CO}] \le 9\text{ ppm}$, toàn bộ quạt dừng để tiết kiệm điện. Khi $[\text{CO}] > 9\text{ ppm}$, quạt cấp gió tươi hoạt động và quạt hút thông gió chạy ở tốc độ thấp. Khi xảy ra báo cháy, quạt cấp gió tươi lập tức ngắt, toàn bộ quạt hút khói sự cố chuyển sang chạy cưỡng bức tốc độ cao. Hệ thống tăng áp cầu thang vận hành tự động theo tín hiệu báo cháy: các quạt PAF khởi động tạo áp suất dương trong dải $+20 \sim +50\text{ Pa}$; nếu áp suất vượt quá $50\text{ Pa}$, cảm biến vi sai kích hoạt van xả áp cơ/động cơ để giảm áp, chống kẹt cửa thoát hiểm.
- Chế độ thủ công (Manual Mode): Cho phép người vận hành can thiệp trực tiếp qua màn hình Web Server để bật/tắt từng line đèn chiếu sáng, kích hoạt van gió 1, van gió 2, máy bơm và lựa chọn các cấp tốc độ quạt (Low, Middle, High) thông qua lệnh Modbus gửi từ ESP32/PLC tới biến tần FR-E700.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan (Overview)
Chương 1 làm rõ lý do lựa chọn đề tài xuất phát từ nhu cầu thực tiễn về an toàn cấp điện, hiệu quả năng lượng của hệ thống HVAC và tính cấp thiết của việc số hóa quản lý công trình qua công nghệ BIM kết hợp tự động hóa PLC. Tác giả xác định quy trình thực hiện dự án (Project Implementation Process) gồm 6 giai đoạn kế tiếp: khảo sát công trình; thiết kế hệ thống cấp điện và HVAC; xây dựng mô hình 3D Revit; lập trình điều khiển giám sát PLC và Web Server; lắp ráp mô hình thực nghiệm; vận hành thử nghiệm và đánh giá chất lượng. Mục tiêu và 5 phương pháp nghiên cứu được chuẩn hóa làm kim chỉ nam xuyên suốt toàn bộ nội dung đồ án.
Chương 2: Thiết kế hệ thống cấp điện, HVAC và mô hình hóa 3D Revit (Design Power Supply System, HVAC and 3D Revit Modeling)
Chương 2 trình bày khối lượng tính toán kỹ thuật trọng tâm của đồ án:
- Cung cấp điện nguồn: Nguồn trung thế từ lưới điện thành phố Quy Nhơn cấp qua tuyến cáp ngầm $3\times 1\text{C}-95\text{ mm}^2$ Cu/XLPE/DSTA/PVC-24kV luồn trong ống HDPE dẫn vào trạm biến áp tầng hầm. Tủ RMU sử dụng máy cắt phụ tải LBS-SF6 630A-24kV-25kA/1s cho lộ vào/ra và LBS-SF6 200A-24kV kết hợp cầu chì trung thế cho lộ máy biến áp. Hệ thống sử dụng 02 máy biến áp khô $1250\text{ kVA}$ (22/0.4kV, Dyn11) và 02 máy phát điện dự phòng công suất $930\text{ kVA}$ (prime) đấu nối hòa đồng bộ (GEN-SYNC) qua tủ chuyển nguồn tự động ATS, bảo đảm dự phòng 100% công suất cho phụ tải thông thường và phụ tải PCCC.
- Phân phối hạ thế, sụt áp và bù công suất: Hệ thống tủ MSB (LV-MSB1, LV-MSB2, LV-MSB3) đạt cấp bảo vệ IP42; trục dẫn điện đứng sử dụng Busway nhôm 1250A Mikro TPN + (E). Tính toán bù công suất phản kháng nâng hệ số công suất tải từ $\cos\varphi = 0{,}8$ đạt giá trị thiết kế bằng tủ tụ bù tự động 8 cấp Selec APFC 147-108 kết hợp contactor Schneider 115A. Tính toán kiểm tra sụt áp trên các lộ cáp và Busway từ tủ tổng LV-MSB3 đến các hộp lấy điện Plug-in Unit và tủ phân phối DB các tầng đều thỏa mãn quy định TCVN 9207:2012 và IEC-2018.
- Hệ thống chống sét và tiếp địa: Trang bị 01 kim thu sét phát tia tiên đạo sớm (ESE) có bán kính bảo vệ $R_{bv} = 60\text{ m}$ lắp đặt trên đỉnh mái, kết hợp mạng đai đồng $3\times 25\text{ mm}$ chạy xung quanh công trình từ cao độ $60\text{ m}$ trở lên để chống sét đánh tạt ngang theo QCVN 12:2014/BXD. Dây dẫn sét sử dụng 02 dây đồng trần $50\text{ mm}^2$ luồn ống PVC đi trong thang cáp xuống hệ thống tiếp địa chống sét ($R \le 10\ \Omega$). Hệ thống nối đất hạ thế trạm biến áp và tủ phân phối đạt điện trở $R \le 4\ \Omega$; hệ thống tiếp địa hệ thống điện nhẹ (ELV) sử dụng mạch vòng cáp đồng trần $70\text{ mm}^2$ đạt điện trở $R \le 1\ \Omega$.
- Tính toán chiếu sáng chi tiết: Triển khai theo 9 bước kỹ thuật, kiểm nghiệm qua phần mềm DIALUX evo. Điển hình tại phòng chiếu phim Cinema-1 (tầng 3, kích thước $12{,}7\text{ m} \times 9\text{ m} \times 6\text{ m}$), sử dụng đèn Downlight Philips Essential Smart Bright 12W ($1300\text{ lm}$), hệ số phản xạ trần 0.3, $MF = 0{,}94$, đạt độ rọi yêu cầu $E_{min} = 200\text{ lux}$; Ballroom (tầng 5, kích thước $24{,}9\text{ m} \times 16\text{ m} \times 6{,}4\text{ m}$), sử dụng đèn Downlight Philips 20W ($2000\text{ lm}$), $E_{min} = 500\text{ lux}$; Break-out room 01 (tầng 4, kích thước $16{,}1\text{ m} \times 7\text{ m} \times 3{,}4\text{ m}$), sử dụng tấm Panel CoreLine Philips 33W ($3600\text{ lm}$), $E_{min} = 500\text{ lux}$; và khối phòng ngủ DB-DELUXE tầng 8.
- Thiết kế hệ thống HVAC: Công trình bố trí 03 cụm Chiller giải nhiệt nước công suất $167\text{ kW}$/cụm đặt tại tầng hầm và 01 tháp giải nhiệt 3 cell đặt trên tầng 24; hệ thống thông gió tầng hầm sử dụng 02 quạt cấp gió tươi FAF-B1F và 02 quạt hút khói/thông gió SEAF-B1F vận hành hai cấp tốc độ; hệ thống hút khói nhà hàng tại các tầng 1, lửng, 3, 5, 7 tích hợp van đảo chiều M1/M2 trên đường hồi AHU; hệ thống tăng áp buồng thang bộ và giếng thang máy chữa cháy duy trì chênh áp $+20 \sim +50\text{ Pa}$ qua các quạt PAF tầng hầm, tầng 1, tầng 25 và tầng mái kết hợp cảm biến vi sai và van xả áp; hệ thống hút khói hành lang từ tầng 1 đến 23 qua van MFD nối về quạt ly tâm SEAF-24F-01 trên tầng 24; toàn bộ đường ống gió PCCC làm bằng tôn mạ kẽm dày tối thiểu $1{,}2\text{ mm}$ chịu lửa 2 giờ.
- Triển khai mô hình Revit 3D: Dựng hoàn chỉnh không gian kiến trúc, kết cấu và mạng lưới đường ống, máng cáp, tủ điện, thiết bị cơ điện lạnh của khách sạn L'AVENIR.
Chương 3: Phần cứng và phần mềm (Hardware and Software)
Chương 3 tập trung vào thiết kế mô hình thực nghiệm và tích hợp hệ thống điều khiển - giám sát:
- Thiết bị mô hình HRV: Thiết kế chế tạo mô hình thông gió thu hồi nhiệt cho phòng hội nghị mẫu gồm: lõi trao đổi nhiệt dạng tấm chéo dòng cố định (Fixed-Plate Cross-flow Heat Exchanger) dựa trên tiêu chuẩn ASHRAE 2008 và tài liệu GAONTECH, phin lọc sơ cấp Lọc Hoàng Kim, hệ thống ống gió tròn có mặt bích nhựa, ống gió mềm cách nhiệt polyester, khung giá đỡ cơ khí và dàn coil lạnh phụ trợ.
- Thiết kế tủ điều khiển và cấu hình thiết bị: Tủ điện điều khiển được bố trí mạch lực, rơ le bảo vệ, nguồn 24VDC, bộ điều khiển PLC Mitsubishi FX3U, module mở rộng 4 kênh analog đầu vào FX2N-4AD, module giao tiếp RS485 FX3U-485-BD kết nối với biến tần Mitsubishi FR-E700 qua giao thức Modbus-RTU. Module mở rộng FX2N-4AD được lập trình qua tập lệnh
TO (cấu hình kênh, khởi tạo) và FROM (đọc dữ liệu số chuyển đổi từ cảm biến nhiệt độ PT100, cảm biến chênh áp, cảm biến $\text{CO}_2$), thực hiện giải thuật chuẩn hóa tuyến tính (Analog Input Scaling Line).
- Cấu hình Gateway IoT ESP32 và Modbus: Sử dụng vi điều khiển ESP32 lập trình qua PlatformIO, module UART TTL sang RS485 V3 và module Modbus Relay 4 kênh để đóng cắt các phụ tải chiếu sáng và van điện từ.
- Tích hợp Revit qua Dynamo và Web Server: Tạo các Shared Parameters trong Family Revit; xây dựng kịch bản Dynamo gồm các cụm node: lấy chuỗi dữ liệu JSON từ endpoint
/get-all-data của Web Server, bóc tách giá trị cảm biến, gán giá trị số vào tham số mô hình, chuyển đổi trạng thái ON/OFF thành mã màu RGB để tự động đổi màu hiển thị của đèn và quạt trên mô hình 3D Revit; thiết kế giao diện Web Server gồm màn hình tổng quan tòa nhà, biểu đồ tham số cảm biến thời gian thực, bảng điều khiển hệ thống chiếu sáng và các cấp tốc độ thông gió.
Chương 4: Lắp đặt, vận hành và đánh giá hệ thống (System Installation, Operation, and Evaluation)
Chương 4 mô tả quá trình lắp đặt hoàn thiện tủ điện điều khiển, gắn quạt thông gió, phin lọc và cụm cảm biến lên mô hình thực nghiệm HRV. Tác giả tiến hành thử nghiệm vận hành hệ thống qua các kịch bản:
- Kiểm tra tính đáp ứng của van 1, van 2: đèn báo trạng thái trên tủ sáng đồng bộ với đèn chỉ thị trên giao diện Web khi van mở.
- Vận hành biến tần điều khiển tốc độ quạt ở các mức Low, Middle, High, xác nhận sự thay đổi lưu lượng và phản hồi trạng thái chính xác lên trang giám sát Web.
- Kiểm tra đóng ngắt các line đèn chiếu sáng 1, 2, 3, 4 trên mô hình vật lý và đối chiếu hiển thị tương ứng trên Web.
- Đánh giá khả năng đồng bộ dữ liệu vào mô hình 3D Revit: Dynamo đọc thành công chuỗi dữ liệu trạng thái từ Web Server và đổi màu hiển thị thiết bị theo thời gian thực; hoàn thiện video render mô hình 3D khách sạn L'AVENIR. Đánh giá hệ thống cung cấp điện bảo đảm tính ổn định và tính khả thi trong thi công.
Chương 5: Kết luận và định hướng phát triển (Conclusion and Development Orientation)
Tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được về mặt tính toán thiết kế cơ điện theo tiêu chuẩn, chế tạo mô hình thực nghiệm và lập trình tích hợp đa nền tảng; đồng thời nêu bật các hạn chế kỹ thuật và định hướng nâng cấp hệ thống trong tương lai.
Kết quả và đóng góp
Đồ án đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể, có số liệu đối chiếu rõ ràng:
| Phân hệ kỹ thuật |
Kết quả tính toán và triển khai thực tế |
| Cấp nguồn trung & hạ thế |
- Tuyến cáp ngầm trung thế $3\times 1\text{C}-95\text{ mm}^2$ Cu/XLPE/DSTA/PVC-24kV.
- 02 Máy biến áp khô lõi nhôm $1250\text{ kVA}$ (22/0.4kV, Dyn11).
- 02 Máy phát điện dự phòng đồng bộ $930\text{ kVA}$ (prime), dự phòng 100% phụ tải.
- Trục đứng Busway nhôm 1250A Mikro TPN + (E); tủ bù tự động 8 cấp Selec APFC 147-108 nâng $\cos\varphi$ từ 0.8 lên ngưỡng quy định. |
| Chống sét & Tiếp địa |
- 01 Kim thu sét chủ động ESE bán kính bảo vệ $60\text{ m}$, đai đồng $3\times 25\text{ mm}$ chống sét đánh ngang từ cao độ $60\text{ m}$.
- Điện trở tiếp địa trạm/hạ thế $R \le 4\ \Omega$, tiếp địa chống sét $R \le 10\ \Omega$, tiếp địa điện nhẹ ELV $R \le 1\ \Omega$. |
| Chiếu sáng kỹ thuật |
- Tính toán 9 bước và mô phỏng đạt chuẩn TCVN 7114-1:2008:
+ Cinema-1 (tầng 3): $E_{min} = 200\text{ lux}$ (đèn Downlight Philips DN027B 12W, $1300\text{ lm}$).
+ Ballroom (tầng 5): $E_{min} = 500\text{ lux}$ (đèn Downlight Philips DN020B 20W, $2000\text{ lm}$).
+ Break-out room 01 (tầng 4): $E_{min} = 500\text{ lux}$ (Panel Philips RC132V 33W, $3600\text{ lm}$). |
| Hệ thống HVAC & PCCC |
- 03 Chiller giải nhiệt nước $167\text{ kW}$/cụm tại hầm, 01 tháp giải nhiệt 3 cell tầng 24.
- Thông gió tầng hầm tự động theo $[\text{CO}]$: ngắt khi $\le 9\text{ ppm}$, chạy cấp/hút tốc độ thấp khi $> 9\text{ ppm}$, hút khói tốc độ cao khi cháy.
- Điều áp buồng thang và giếng thang máy chữa cháy duy trì chênh áp $+20 \sim +50\text{ Pa}$ qua quạt PAF và van xả áp.
- Hút khói hành lang qua quạt ly tâm SEAF-24F-01 tầng 24 và van ngăn cháy MFD các tầng. |
| Chế tạo mô hình & Điều khiển |
- Chế tạo hoàn chỉnh mô hình HRV tấm trao đổi nhiệt cố định dòng chéo kết hợp dàn coil lạnh.
- Lập trình điều khiển phối hợp: PLC FX3U + FX2N-4AD + Biến tần FR-E700 (Modbus-RTU) + ESP32 + Web Server.
- Đồng bộ trạng thái thiết bị thực tế lên mô hình 3D Revit qua kịch bản Dynamo đổi màu RGB theo thời gian thực. |
Đóng góp kỹ thuật mà nhóm tác giả đã đạt được là xây dựng thành công một quy trình thiết kế cơ điện hoàn chỉnh từ khâu tính toán phụ tải theo tiêu chuẩn Việt Nam và quốc tế, triển khai không gian 3D trên nền tảng BIM Revit, cho đến việc thu hẹp khoảng cách giữa mô hình số và phần cứng thực tế. Thay vì chỉ dừng lại ở bản vẽ tĩnh, đề tài đã phát triển giải pháp tích hợp dữ liệu thời gian thực giữa thiết bị điều khiển công nghiệp (PLC, biến tần, cảm biến) với mô hình Revit thông qua Dynamo và Web Server, tạo nền tảng ban đầu cho việc ứng dụng mô hình thông tin công trình trong giai đoạn quản lý và vận hành tòa nhà.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Giá trị tham khảo
Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và ứng dụng thực hành cho:
- Đối tượng thụ hưởng: Sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điện, Kỹ thuật Cơ điện Tòa nhà (MEP), Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Nhiệt - Lạnh (HVAC) và Công nghệ Kỹ thuật Công trình/BIM.
- Nội dung tham khảo trọng tâm:
- Quy trình 9 bước tính toán thiết kế chiếu sáng chi tiết kết hợp hệ số suy giảm bù quang thông ($MF$) và đối chứng mô phỏng qua DIALUX evo.
- Phương pháp tính chọn thiết bị bảo vệ, dây dẫn, thanh dẫn Busway và kiểm tra sụt áp, dòng ngắn mạch theo các tiêu chuẩn kỹ thuật Việt Nam và IEC-2018.
- Thiết kế hệ thống PCCC cơ điện chuyên sâu: giải pháp điều áp buồng thang thoát hiểm ($+20 \sim +50\text{ Pa}$) và thông gió hút khói tầng hầm theo nồng độ $\text{CO}$.
- Hướng dẫn cấu hình kết nối mạng truyền thông công nghiệp Modbus-RTU giữa PLC FX3U với biến tần FR-E700, xử lý module mở rộng analog FX2N-4AD và cách thức xây dựng kịch bản Dynamo đọc dữ liệu API từ Web Server để trực quan hóa trạng thái thiết bị trên mô hình 3D Revit.
Câu hỏi thường gặp
1. Khách sạn L'AVENIR sử dụng cấu hình cấp nguồn trung thế và máy biến áp như thế nào để bảo đảm cấp điện liên tục?
Nguồn điện cấp cho công trình lấy từ lưới điện trung thế thành phố Quy Nhơn qua tuyến cáp ngầm $3\times 1\text{C}-95\text{ mm}^2$ Cu/XLPE/DSTA/PVC-24kV dẫn tới tủ RMU tầng hầm (sử dụng thiết bị đóng cắt LBS-SF6 630A và 200A kèm cầu chì). Hệ thống trang bị 02 máy biến áp khô lõi nhôm công suất $1250\text{ kVA}$ (22/0.4kV, tổ đấu dây Dyn11). Để dự phòng sự cố mất lưới, công trình sử dụng 02 máy phát điện công suất $930\text{ kVA}$ (prime) hoạt động hòa đồng bộ (GEN-SYNC) kết hợp tủ chuyển nguồn tự động ATS, bảo đảm cung cấp 100% công suất cho toàn bộ phụ tải sinh hoạt và phụ tải PCCC.
2. Tiêu chí điều khiển tự động của hệ thống thông gió tầng hầm và hệ thống tăng áp cầu thang được thiết lập ra sao?
Hệ thống thông gió tầng hầm hoạt động dựa trên nồng độ $\text{CO}$ đo từ cảm biến: khi $[\text{CO}] \le 9\text{ ppm}$, toàn bộ quạt dừng; khi $[\text{CO}] > 9\text{ ppm}$, quạt cấp gió tươi FAF-B1F hoạt động và quạt hút thông gió SEAF-B1F chạy ở tốc độ thấp; khi xảy ra hỏa hoạn, quạt cấp gió tươi dừng và quạt hút chuyển sang chạy tốc độ cao để hút khói. Đối với hệ thống tăng áp buồng thang thoát hiểm và giếng thang máy chữa cháy, quạt PAF tự động khởi động khi có tín hiệu báo cháy để duy trì áp suất dương trong khoảng $+20 \sim +50\text{ Pa}$; nếu áp suất vượt quá $50\text{ Pa}$, cảm biến vi sai sẽ tác động mở van xả áp cơ/động cơ nhằm giải phóng áp suất dư, bảo đảm cửa thoát hiểm có thể mở được cho người thoát nạn.
3. Mô hình thực nghiệm HRV sử dụng loại thiết bị trao đổi nhiệt nào và cấu hình phần cứng điều khiển ra sao?
Mô hình HRV sử dụng bộ trao đổi nhiệt dạng tấm cố định dòng chéo (Fixed-Plate Cross-flow Heat Exchanger) dựa trên tiêu chuẩn ASHRAE 2008 và tài liệu GAONTECH, kết hợp phin lọc sơ cấp Hoàng Kim, quạt hút/thổi và dàn coil lạnh phụ trợ. Phần cứng điều khiển gồm PLC Mitsubishi FX3U, module analog FX2N-4AD kết nối các cảm biến (nhiệt độ PT100, chênh áp, $\text{CO}_2$), module truyền thông FX3U-485-BD kết nối biến tần Mitsubishi FR-E700 điều khiển quạt qua Modbus-RTU, phối hợp cùng vi điều khiển ESP32, module UART sang RS485 và module Modbus Relay 4 kênh.
4. Cơ chế đồng bộ dữ liệu thời gian thực giữa cảm biến hiện trường và mô hình 3D Revit được thực hiện bằng cách nào?
Tín hiệu đo từ các cảm biến trường được module FX2N-4AD/PLC và vi điều khiển ESP32 thu thập, sau đó gửi lên Web Server. Tại môi trường Autodesk Revit, nhóm tác giả tạo các tham số chia sẻ (Shared Parameters) cho các Family thiết bị và thiết lập một kịch bản Dynamo. Dynamo thực hiện truy vấn HTTP lấy dữ liệu dạng JSON từ endpoint /get-all-data của Web Server, bóc tách giá trị trạng thái của quạt, đèn và cảm biến, gán trực tiếp vào các Project Parameters trong Revit, đồng thời chuyển đổi giá trị trạng thái thành mã màu RGB để tự động đổi màu hiển thị của đối tượng trên mô hình 3D.
5. Tại sao đồ án phải sử dụng thông số khí hậu của thành phố Đà Nẵng để tính toán hệ thống HVAC cho công trình tại Quy Nhơn?
Theo trình bày của nhóm tác giả tại mục 2.3 Chương 2, khi tra cứu Phụ lục B của tiêu chuẩn quốc gia TCVN 5687:2010 ("Thông gió - điều hòa không khí - tiêu chuẩn thiết kế"), tài liệu này không cung cấp bảng thông số tính toán điều hòa không khí ngoài trời chuyên biệt cho tỉnh Bình Định. Do đó, theo nguyên tắc kỹ thuật trong tiêu chuẩn, nhóm tác giả đã lựa chọn trạm quan trắc khí hậu của địa phương lân cận có đặc tính thời tiết tương đồng là thành phố Đà Nẵng để làm căn cứ tính toán phụ tải lạnh cho công trình.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã giải quyết toàn diện bài toán thiết kế hệ thống cơ điện (cấp điện, chống sét - tiếp địa, chiếu sáng, HVAC và PCCC) cho công trình khách sạn cao tầng L'AVENIR tại Quy Nhơn theo đúng các quy chuẩn, tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành. Nghiên cứu không chỉ dừng lại ở lý thuyết tính toán và mô hình hóa 3D trên Revit mà còn chế tạo thành công mô hình vật lý hệ thống thông gió thu hồi nhiệt (HRV) kết hợp dàn coil lạnh. Điểm nổi bật của đề tài là việc tích hợp thành công chuỗi thu thập dữ liệu và điều khiển tự động qua PLC FX3U, biến tần E700, ESP32, hiển thị trên Web Server và đồng bộ trạng thái trực quan hóa thời gian thực vào mô hình Revit qua Dynamo, mở ra hướng tiếp cận thực tiễn trong việc ứng dụng công nghệ BIM cho công tác quản lý và vận hành công trình hiện đại.
