Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế & thi công hệ thống điều khiển van lưu lượng gió HVAC

Tài liệu đồ án tốt nghiệp chi tiết về thiết kế và thi công hệ thống điều khiển van lưu lượng gió cho điều hòa, bao gồm sơ đồ, lập trình và mô hình.

• Tác giả: Nguyễn Hoài Phong
• Người hướng dẫn: Hà A Thồi
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử Truyền Thông
• Đề tài: Thiết Kế Và Thi Công Hệ Thống Điều Khiển Van Lưu Lượng Gió Ứng Dụng Vào Hệ Thống Điều Hòa Không Khí
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về hệ thống điều khiển van lưu lượng gió

Hệ thống điều khiển van lưu lượng gió là một phần quan trọng trong điều hòa không khí hiện đại, đặc biệt trong các hệ thống điều hòa trung tâm và hệ thống phân tán. Van lưu lượng gió (VAV - Variable Air Volume) được thiết kế để điều chỉnh tự động lưu lượng không khí cung cấp vào từng khu vực khác nhau của tòa nhà. Công nghệ này giúp tối ưu hóa hiệu suất năng lượng và cải thiện chất lượng không khí trong nhà. Hệ thống này thường được sử dụng trong các tòa nhà văn phòng, bệnh viện, trường học và các công trình công cộng khác. Điều khiển tự động của van lưu lượng gió cho phép duy trì nhiệt độ và độ ẩm ổn định mà không cần can thiệp thủ công liên tục. Đồ án này tập trung vào thiết kế và thi công hệ thống điều khiển sử dụng công nghệ hiện đại như chip ESP-32 để quản lý lưu lượng gió hiệu quả.

1.1. Khái niệm van lưu lượng gió VAV

Van lưu lượng gió (VAV) là thiết bị điều chỉnh lưu lượng không khí tự động dựa trên cảm biến nhiệt độ và độ ẩm. Van này hoạt động bằng cơ chế điều khiển điện tử để thay đổi mở độ van và kiểm soát lưu lượng gió vào phòng. Hệ thống VAV hiện đại có khả năng tiết kiệm năng lượng 20-40% so với hệ thống thông thường. Van lưu lượng gió thường được lắp đặt trong ống gió và kết nối với hệ thống điều khiển trung tâm.

1.2. Ứng dụng trong hệ thống điều hòa không khí

Hệ thống điều khiển van lưu lượng gió được ứng dụng rộng rãi trong điều hòa không khí trung tâm của các tòa nhà cao tầng. Nó cho phép điều chỉnh lưu lượng gió riêng biệt cho từng khu vực, phòng hoặc tầng khác nhau. Công nghệ này đặc biệt hữu ích trong các bệnh viện, phòng máy chủ, phòng sạch sảnh và các không gian có yêu cầu kiểm soát khí hậu cao.

II. Thành phần và cấu trúc hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển van lưu lượng gió bao gồm nhiều thành phần điện tử quan trọng hoạt động phối hợp để đạt hiệu suất tối ưu. Vi điều khiển ESP-32 đóng vai trò xử lý dữ liệu trung tâm từ các cảm biến. Cảm biến DHT22 có nhiệm vụ đo nhiệt độ và độ ẩm để cung cấp thông tin cho vi điều khiển. Động cơ BILIMO basic LG-24-SR được sử dụng để điều khiển vị trí van lưu lượng gió. IC ổn áp LM2576 và ASM1117 cấp nguồn ổn định cho toàn bộ hệ thống. Ngoài ra, IC chuyển đổi USB-UART CH304 cho phép giao tiếp với máy tính để lập trình và giám sát hệ thống. Các thành phần này được tích hợp trên bo mạch in để tạo thành một bộ điều khiển hoàn chỉnh.

2.1. Vi điều khiển ESP 32 và cảm biến

Chip ESP-32 ESP-WROOM-32 là vi điều khiển mạnh mẽ với khả năng xử lý tín hiệu nhanh và hỗ trợ giao tiếp không dây WiFi. Cảm biến DHT22 có độ chính xác cao trong đo lường nhiệt độ và độ ẩm, phạm vi hoạt động từ -40°C đến 80°C. Hai thiết bị này kết hợp chặt chẽ để thu thập dữ liệu môi trường và truyền tới hệ thống điều khiển.

2.2. Hệ thống cấp nguồn và kích hoạt

IC ổn áp LM2576 được sử dụng để giảm áp từ 12V xuống 5V với hiệu suất cao. IC ổn áp ASM1117 ổn định nguồn 3.3V cho vi điều khiển ESP-32. Động cơ BILIMO basic LG-24-SR được kích hoạt bởi mạch điều khiển để thay đổi vị trí van. Hệ thống cấp nguồn đảm bảo ổn định và bảo vệ các linh kiện điện tử.

III. Quy trình thiết kế và thi công hệ thống

Quy trình thiết kế hệ thống điều khiển van lưu lượng gió bao gồm nhiều bước kỹ thuật quan trọng từ thiết kế mạch điện đến lắp ráp thực tế. Đầu tiên, sơ đồ khối hệ thống được thiết kế chi tiết để xác định các yêu cầu chức năng. Tiếp theo, sơ đồ nguyên lý được vẽ bằng phần mềm thiết kế CAD để đảm bảo độ chính xác. Bo mạch in được thiết kế với bố trí linh kiện tối ưu và đảm bảo khả năng tản nhiệt. Sau đó, thi công bo mạch bao gồm hàn dán linh kiện và kiểm tra chất lượng kỹ lưỡng. Lắp ráp các bộ phận cơ khí như động cơ và van lưu lượng gió được thực hiện theo bản vẽ kỹ thuật. Cuối cùng, kiểm tra chức năng toàn hệ thống được thực hiện trong các điều kiện làm việc thực tế.

3.1. Thiết kế sơ đồ và bo mạch in

Sơ đồ nguyên lý được thiết kế chi tiết để thể hiện kết nối điện toàn bộ. Phần mềm Altium Designer được sử dụng để tạo sơ đồ 2D và 3D. Bo mạch in được thiết kế với tiêu chuẩn cao để tránh nhiễu điện từ. Bố trí linh kiện được tối ưu hóa để giảm chiều dài dây dẫn và cải thiện hiệu suất.

3.2. Thi công lắp ráp và kiểm tra

Thi công bo mạch bao gồm hàn dán linh kiện SMD và THD. Kiểm tra chất lượng hàn được thực hiện bằng kính lúp để đảm bảo không có lỗi. Lắp ráp bộ điều khiển vào vỏ nhôm chuyên dụng để bảo vệ và tản nhiệt. Kiểm tra hoạt động toàn hệ được thực hiện trước khi đưa vào sử dụng.

IV. Lập trình và vận hành hệ thống

Lập trình hệ thống điều khiển van lưu lượng gió là giai đoạn quan trọng để đạt được hiệu suất tối ưu. Phần mềm vi điều khiển được viết bằng ngôn ngữ C++ trong Arduino IDE. Chương trình chính có nhiệm vụ đọc dữ liệu từ cảm biến DHT22 và điều khiển vị trí động cơ dựa trên thuật toán điều khiển PID. Phần mềm máy tính được lập trình bằng Visual Studio C# để hiển thị giao diện điều khiển và giám sát hoạt động hệ thống. Giao tiếp USB-UART cho phép kết nối giữa bo mạch và máy tính để điều chỉnh thông số. Tài liệu hướng dẫn sử dụng được viết chi tiết để giúp người vận hành hiểu rõ chức năng từng bộ phận. Quy trình thao tác được mô tả bước theo bước để dễ dàng sử dụng hệ thống.

4.1. Lập trình vi điều khiển và thuật toán điều khiển

Chương trình lập trình vi điều khiển sử dụng ngôn ngữ C++ với thư viện Arduino. Thuật toán PID được áp dụng để điều chỉnh tự động lưu lượng gió dựa trên sai số giữa giá trị mong muốn và giá trị thực tế. Chương trình theo dõi liên tục nhiệt độ và độ ẩm từ cảm biến. Các hàm điều khiển được tối ưu hóa để phản ứng nhanh với những thay đổi điều kiện môi trường.

4.2. Phần mềm giám sát và hướng dẫn sử dụng

Phần mềm máy tính cung cấp giao diện thân thiện để hiển thị trạng thái hệ thống. Người dùng có thể xem giá trị nhiệt độ, độ ẩm và vị trí van lưu lượng gió trong thời gian thực. Tài liệu hướng dẫn bao gồm hình ảnh minh họa và mô tả chi tiết để người vận hành dễ dàng sử dụng hệ thống.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng Quan Trong chương này nêu ra lý do và mục tiêu chọn đề tài, tìm đối tượng và đề ra phạm vi nghiên cứu của đề tài, phương pháp nghiên cứu và giới hạn của đề tài.  Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết. Nêu các cơ sở lý thuyết chính liên quan đến các thành phần phần cứng và phần mềm cả hệ thống.  Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán Tính toán thiết kế, đưa ra sơ đồ nguyên lí của hệ thống.

 Chương 4: Thi Công Hệ Thống Thi công board mạch, thiết kế lưu đồ, giải thuật, chương trình. Thi công mô hình hoàn chỉnh.  Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá Đưa ra kết quả đề tài, nhận xét, đánh giá  Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển Đưa ra các kết luận về những vấn đề mà trong quá trình nghiên cứu đã đạt được và chưa đạt được. Đưa ra hướng phát triển đề tài trong tương lai.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2. GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG VẬN CHUYỂN KHÔNG KHÍ 2.1 Khái niệm, cấu tạo và phân loại Khái niệm: Hệ thống điều hòa không khí là hệ thống mà thiết bị xử lí nhiệt, trao đổi nhiệt kiểu bề mặt. Trong thiết bị điều hòa không khí, không khí chuyển động ngang qua bên ngoài vật thể cần trao đổi nhiệt và thực hiện quá trình trao đổi nhiệt.

Cấu tạo chính gồm: dàn nóng, dàn lạnh, hệ thống đường ống. Hầu hết các dàn lạnh, dàn nóng của các máy điều hòa không khí điều sử dụng đường ống (thường sử dụng ống đồng) có cánh nhằm nâng cao hiệu quả trao đổi nhiệt. Bên trong đường ống dẫn môi chất lạnh hoặc tác nhân lạnh, phổ biến là nước hoặc glycol (thường được gọi là gas máy lạnh). Cấu tạo hệ thống điều hòa không khí điển hình.

Phân loại: Có nhiều cách phân loại hệ thống điều không khí, dựa trên các tiêu chí khác nhau, cụ thể như sau: Theo đặc điểm của thiết bị xử lý nhiệt ẩm: - Hệ thống điều hòa cục bộ. - Hệ thống điều hòa kiểu phân tán - Hệ thống điều hòa trung tâm Theo đặc điểm môi chất giải nhiệt dàn ngưng: - Hệ thống điều hòa giải nhiệt bằng nước (water cooled). BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT - Hệ thống điều hòa giải nhiệt bằng không khí (air cooled).

Theo khả năng xử lý không khí: - Máy điều hòa một chiều lạnh. - Máy điều hòa hai chiều nóng lạnh.2 Hệ thống kiểu cục bộ. Hệ thống điều hòa không khí kiểu cục bộ là hệ thống chỉ điều hòa không khí trong phạm vi hẹp, thường chỉ là một hoặc một vài phòng riêng độc lập. Trên thực tế loại máy điều hòa kiểu này gồm bốn loại phổ biến như sau: - Máy đều hòa dạng của sổ (window type): Dàn nóng và dàn lạnh cùng một khối, thường được lắp đặt trên các tường nhà trông giống các cửa sổ nên được gọi là máy điều hòa không khí dạng cửa sổ.

Máy điều hòa không khí dạng cửa sổ. - Máy điều hòa kiểu rời (split type): Để khắc phục cho nhược điểm của máy điều hòa cửa sổ là không thể lắp đặt cho các phòng nằm sâu bên BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT trong hoặc không có mặt tường tiếp giáp bên ngoài. Nên máy điều hòa kiểu rời được ra đời để làm nhiệm vụ trên.

Sơ đồ nguyên lý máy điều hòa không khí dạng rời. - Máy điều hòa kiểu ghép (multi-splip type): Máy điều hòa kiểu ghép thực chất là máy điều hòa rời nhưng có 2 đến 4 dàn lạnh đấu chung một dàn nóng. Mỗi cụm dàn lạnh được gọi là một hệ thống và độc lập với cụm dàn lạnh khác. Hoạt động như máy điều hòa rời, nhưng tiết kiệm diện tích lắp đặt dàn nóng hơn.

Máy điều hòa không khí kiểu ghép. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT - Máy điều hòa dạng tủ thổi trực tiếp: Máy điều hòa dạng tủ thổi trực tiếp là máy điều hòa có công suất trung bình. Đây là chủng máy rất hay được lắp đặt ở các nhà hàng hoặc sảnh hội trường.

Về cấu tạo nguyên lý cũng giống như máy điều hòa rời gồm một dàn nóng và một dàn lạnh. Máy điều hòa dạng tủ thổi trực tiếp.3 Hệ thống kiểu phân tán. Máy điều hòa không khí dạng phân tán là máy điều hòa ở đó khâu xử lý không khí phân tán tại nhiều nơi, tại nhiều khu vực, nghĩa là hệ thống có nhiều dàn lạnh. Trên thực tế có hai dạng phổ biến như sau: - Hệ thống điều hòa không khí kiểu VRV (Variable Refrigerant Volume) - Hệ thống điều hòa không khí làm lạnh bằng nước (Water chiller) a.

Hệ thống điều hòa không khí VRV (Variable Refrigerant Volume). Máy điều hòa không khí VRV ra đời từ những năm 70 của thế kỷ XX, do hãng Daikin (Nhật Bản) phát minh ra trước yêu cầu về tiết kiệm năng lượng và yêu cầu về điều hòa không khí cho các nhà cao tầng. Tên gọi VRV xuất phát từ các chữ đầu trong tiếng Anh: Variable Refrigerant Volume, nghĩa là hệ điều hòa không khí có khả năng điều chỉnh lưu lượng môi chất tuần hoàn, qua đó sẽ thay đổi được công suất làm lạnh của hệ thống. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Từ công suất máy lạnh được xác định năng suất lạnh máy nén: 𝜋𝑑 2 𝑄𝑂 = 𝜆.1) 4 Trong đó: 𝜆 – hệ số cấp máy nén. 𝑞0 – năng suất lạnh của máy nén, kJ/kg. 𝑠 – chiều dài quét của pittông, m. z – số xylanh của máy nén.

n – tốc độ quay của máy nén, vg/gy Từ công thức (2.1), khi muốn thay đổi 𝑄𝑂 , thì một trong những biện pháp là thay đổi tốc độ quay của máy nén. Để thay đổi tốc độ quay của máy nén trong hệ thống VRV, người ta sử dụng biến tần để thay đổi tần số nguồn điện, qua đó sẽ thay đổi tốc độ quay của máy nén một cách tỷ lệ. Máy điều hòa không khí VRV khắc phục được nhược điểm của máy điều hòa không khí dạng rời, là độ dài đường ống dẫn gas, mở rộng công suất lạnh v.6 là sơ đồ nguyên lý của một hệ thống điều hòa không khí kiểu VRV, gồm dàn nóng, dàn lạnh hệ thống đường ống và phụ kiên. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8 CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2. Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều hòa không kí kiểu VRV. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 9 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Dàn nóng: là một dàn trao đổi nhiệt hoặc tổ hợp 2 hay nhiều giàn nóng.

Cấu tạo cũng bao gồm dàn trao đổi nhiệt bằng cánh nhôm bố trí quạt hướng trục thổi gió lên phía trên. Động cơ máy nén và các thiết bị phụ của hệ thống được đặc ở dàn nóng. Máy nén lạnh thường là loại máy kín li tâm dạng xoắn. Dàn nóng hệ thống điều hòa không kí kiểu VRV.

Nhược điểm chủ yếu của hệ thống điều hòa dạng VRV là dàn nóng giải nhiệt bằng gió nên hiệu suất làm việc chưa cao, số lượng dàn lạnh hạn chế, chỉ phù hợp với hệ thống công suất vừa, đối với hệ thống công suất lớn người ta thường sử dụng hệ thống điều hòa không khí kiểu làm lạnh bằng nước water chiller. Dàn lạnh: giống với các dàn lạnh của máy điều hòa không khí dạng rời.  Có các dạng dàn lạnh cơ bản như sau: - Dàn lạnh treo tường: Hình 2. Dàn lạnh treo tường.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 10 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT - Dàn lạnh cassette âm trần Hình 2. Dàn lạnh cassette âm trần. - Dàn lạnh giấu trần nối ống gió Hình 2.

Dàn lạnh giấu trần nối ống gió. Hệ thống điều hòa không khí làm lạnh bằng nước (Water chiller). Để khắc phục nhược điểm của hệ thống điều hòa không khí dạng VRV, người ta đã phát minh ra hệ thống điều hòa không khí kiểu làm lạnh bằng nước. Khác với các hệ thống điều hòa không khí khác, hệ thống điều hòa không khí làm lạnh bằng nước không xử lý không khí tại dàn lạnh, mà các cụm máy chiller sẽ làm lạnh nước ở khoảng 7°C.

Sau đó, các ống (vật liệu thường là các ống thép dày mạ kẽm) được bọc cách nhiệt, đẫn nước đến các dàn trao đổi nhiệt gọi là các FCU (Fan-Coil Unit) hoặc AHU (Air Handling Unit) tức máy các máy xử lý nhiệt ẩm không khí. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 11 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều hòa làm lạnh bằng nước.10 mô tả sơ đồ nguyên lý của một hệ thống điều hòa không khí làm lạnh bằng nước, hệ thống bao gồm các thiết bị chính sau: - Cụm máy làm lạnh bằng nước chiller - Tháp giải nhiệt.

- Bơm nước giải nhiệt. - Bơm nước lạnh tuần hoàn. - Bình giãn nở và cấp nước bổ sung. - Hệ thống xử lý nước.

- Các dàn lạnh FCU và AHU. - Hệ thống đường ống nước lạnh và nước giải nhiệt. Chúng ta sẽ đi sâu hơn vào chức năng của các thiết bị được liệt kê ở trên: Cụm máy làm lạnh chiller: Nó được xem là thiết bị quan trọng nhất của hệ thống điều hòa không khí kiểu làm lạnh bằng nước. Nó sẽ làm lạnh môi chất lỏng ở nhiệt độ 7°C.

Cụm máy được sản xuất với cấu tạo các thành phần chính như sau: -Máy nén: có nhiều dạng, nhưng phổ biến là loại trục vít, máy nén kín, máy nén pit-tong nữa kín. -Thiết bị ngưng tụ: có hai loại, thiết bị bình ngưng hoặc dàn ngưng, tuỳ thuộc vào hình thức giải nhiệt bằng nước hay bằng không khí. Người ta thường chọn bằng nước vì nó ít ảnh hưởng bởi thời tiết, có tính ổn định cao và hiệu quả làm lạnh cao. Trong tháp giải nhiệt bằng nước đòi hỏi phải có tháp và bơm nước giải nhiệt.

-Bình bay hơi: Bình bay hơi hay sử dụng là bình bay hơi ống đồng có cánh. Nước được vận chuyển bên trong ống và giải nhiệt ra bên ngoài nhờ nhờ các tầng cánh. Bình bay hơi được bọc cách nhiệt, duy trì nhiệt độ không lạnh không xuống thấp hơi 7°C nhằm ngăn ngừa nước đóng bang gây nổ bình. -Tủ điện điều khiển: Cụm chiller thường đã có sẵn tủ điện có chức năng điều khiển hoạt động của cụm chiller, khi lắp đặt người ta chỉ cần lắp thêm một tủ điện đơn giản làm tủ nguồn cho các bơm và tháp giải nhiệt.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 12 CHƯƠNG 2.