Thiết Kế Hệ Thống Kiểm Soát và Giám Sát Nồng Độ CO2 Trong Tòa Nhà

Đồ án tốt nghiệp thiết kế hệ thống kiểm soát và giám sát nồng độ CO2 trong tòa nhà, nâng cao chất lượng không khí và an toàn cho người sử dụng.

• Tác giả: Ha Gia Huy
• Người hướng dẫn: Le Trong Nghia, PhD
• Trường học: Ho Chi Minh City University of Technology and Education
• Chuyên ngành: Electrical and Electronics Engineering
• Đề tài: Design System For Controlling And Monitoring CO2 Concentration In The Building
• Loại tài liệu: Graduation Project
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

Mục lục chi tiết

• ACKNOWLEDGEMENTS
• ABSTRACT
• 1. CHAPTER 1: OVERVIEW
• 1.1. Overview of the Building Management System (BMS)
• 1.2. Reason for choosing the topic
• 1.3. The objective of the research topic
• 1.4. Research methodology
• 1.5. Research subjects
• 1.6. Project content
• 1.7. Project Implementation Process
• 2. CHAPTER 2: MODEL DESIGN
• 2.1. Design process
• 2.2. Building model parameters
• 2.3. Establishing control requirements
• 2.4. Calculating the necessary parameters for the model
• 2.5. Calculating fan power
• 2.6. Wind speed calculation when passing through the air vent
• 2.7. Selecting the air vent location for the model
• 3. CHAPTER 3: CONSTRUCTION OF THE MODEL AND DESIGN OF SUPERVISORY INTERFACE, CONTROL INTERFACE
• 3.1. Construction of the BMS Monitoring Model, Operation of the Frequency Converter
• 3.2. Block Diagram of the BMS Model
• 3.3. Wiring diagram for the BMS model
• 3.4. Installing the BMS model
• 3.5. Complete the hardware installation of the BMS model for monitoring and controlling the ventilation system using single-phase and three-phase inverter
• 3.6. Configuring the Delixi EM60 inverter
• 3.7. Configuring the IG5A inverter
• 3.8. Configure the DDC - C46 using the DDC Configuration software
• 4. CHAPTER 4: OPERATION OF THE MODEL AND RESULTS EVALUATION
• 4.1. System Operation Flowchart
• 4.2. Operating the Model in Auto Mode
• 4.3. Operating the Model in Manual Mode
• 4.4. Control Mode Evaluation
• Appendix 1: Configuration of Data Points in BMS Control Software
• Appendix 2: Variable Frequency Drive Delixi EM60
• Appendix 3: Variable Frequency Drive IG5A
• Appendix 4: CO2 sensor VELT-W-CO2-I4
• Appendix 6: Hongke 130FLJ5 fan specifications
• Appendix 7: Auramax VP4 fan specifications

Tóm tắt

I. Tổng quan về Hệ Thống Kiểm Soát Nồng Độ CO2 Trong Tòa Nhà

Hệ thống kiểm soát và giám sát nồng độ CO2 trong tòa nhà là một phần quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng không khí. Việc duy trì nồng độ CO2 ở mức an toàn không chỉ giúp bảo vệ sức khỏe con người mà còn nâng cao hiệu suất làm việc. Hệ thống này sử dụng các cảm biến CO2 để theo dõi nồng độ khí trong không khí và điều chỉnh thông gió một cách tự động.

1.1. Khái niệm về Hệ Thống Giám Sát Không Khí

Hệ thống giám sát không khí là công nghệ sử dụng cảm biến để đo lường các chỉ số chất lượng không khí, bao gồm nồng độ CO2, độ ẩm và nhiệt độ.

1.2. Tầm quan trọng của Kiểm Soát Nồng Độ CO2

Kiểm soát nồng độ CO2 là cần thiết để ngăn ngừa các vấn đề sức khỏe như đau đầu, mệt mỏi và giảm khả năng tập trung. Nồng độ CO2 cao có thể dẫn đến tình trạng thiếu oxy trong không khí.

II. Vấn đề và Thách thức trong Kiểm Soát CO2

Một trong những thách thức lớn nhất trong việc kiểm soát nồng độ CO2 là sự biến đổi liên tục của nồng độ khí trong không khí. Các yếu tố như số lượng người trong tòa nhà, hoạt động diễn ra và thông gió tự nhiên đều ảnh hưởng đến nồng độ CO2. Việc không có hệ thống giám sát hiệu quả có thể dẫn đến tình trạng nồng độ CO2 vượt mức cho phép.

2.1. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Nồng Độ CO2

Nồng độ CO2 trong không khí bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như số lượng người, hoạt động hô hấp và thông gió. Việc hiểu rõ các yếu tố này giúp tối ưu hóa hệ thống kiểm soát.

2.2. Hệ Thống Thông Gió Không Đủ Hiệu Quả

Hệ thống thông gió không đủ hiệu quả có thể dẫn đến nồng độ CO2 tăng cao, gây ra các vấn đề sức khỏe cho người sử dụng tòa nhà. Cần có giải pháp cải thiện thông gió để đảm bảo không khí trong lành.

III. Phương Pháp Giải Quyết Vấn Đề Nồng Độ CO2

Để giải quyết vấn đề nồng độ CO2, việc áp dụng công nghệ IoT trong hệ thống giám sát là rất cần thiết. Các cảm biến CO2 có thể được kết nối với hệ thống quản lý tòa nhà (BMS) để tự động điều chỉnh thông gió. Điều này không chỉ giúp duy trì nồng độ CO2 ở mức an toàn mà còn tiết kiệm năng lượng.

3.1. Ứng Dụng Công Nghệ IoT Trong Giám Sát

Công nghệ IoT cho phép kết nối các cảm biến CO2 với hệ thống BMS, giúp theo dõi và điều chỉnh nồng độ CO2 một cách tự động và hiệu quả.

3.2. Giải Pháp Tối Ưu Hóa Thông Gió

Tối ưu hóa thông gió thông qua việc sử dụng cảm biến và điều khiển tự động giúp duy trì nồng độ CO2 ở mức an toàn, đồng thời tiết kiệm năng lượng cho tòa nhà.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn và Kết Quả Nghiên Cứu

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng hệ thống kiểm soát nồng độ CO2 có thể giảm thiểu nồng độ CO2 xuống dưới mức cho phép. Kết quả cho thấy rằng việc sử dụng cảm biến CO2 kết hợp với hệ thống BMS mang lại hiệu quả cao trong việc duy trì chất lượng không khí.

4.1. Kết Quả Thực Nghiệm Từ Mô Hình

Mô hình thử nghiệm cho thấy nồng độ CO2 được kiểm soát hiệu quả, với mức giảm đáng kể so với trước khi áp dụng hệ thống.

4.2. Lợi Ích Của Hệ Thống Kiểm Soát

Hệ thống kiểm soát không chỉ giúp cải thiện chất lượng không khí mà còn nâng cao sự thoải mái cho người sử dụng tòa nhà, từ đó tăng năng suất làm việc.

V. Kết Luận và Tương Lai Của Hệ Thống Kiểm Soát CO2

Hệ thống kiểm soát và giám sát nồng độ CO2 trong tòa nhà là một giải pháp cần thiết trong bối cảnh hiện nay. Tương lai của hệ thống này sẽ tiếp tục phát triển với sự hỗ trợ của công nghệ mới, giúp nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong việc kiểm soát chất lượng không khí.

5.1. Triển Vọng Phát Triển Công Nghệ

Công nghệ mới sẽ giúp cải thiện khả năng giám sát và điều khiển nồng độ CO2, từ đó nâng cao chất lượng không khí trong các tòa nhà.

5.2. Tầm Quan Trọng Của An Toàn Sức Khỏe

Đảm bảo an toàn sức khỏe cho người sử dụng tòa nhà là mục tiêu hàng đầu. Hệ thống kiểm soát CO2 sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc này.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong lĩnh vực tự động hóa công trình, hệ thống quản lý tòa nhà (Building Management System - BMS) đóng vai trò then chốt trong việc giám sát, vận hành tập trung các trang thiết bị kỹ thuật, tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ, hỗ trợ công tác bảo trì và đơn giản hóa quy trình sửa chữa. Trước các yêu cầu thực tiễn ngày càng cao, nhiều hãng công nghệ lớn trên thế giới như Siemens, Honeywell, ABB và Echelon đã nghiên cứu, ban hành các tiêu chuẩn cũng như phát triển các dòng thiết bị chuyên dụng phục vụ tự động hóa tòa nhà.

Chất lượng không khí trong không gian kín (Indoor Air Quality) ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe thể chất và hiệu suất làm việc của con người. Sự gia tăng nồng độ khí carbon dioxide ($CO_2$) do quá trình hô hấp trong các không gian đông người hoặc phòng kín nếu không được thông gió đầy đủ sẽ gây ra hiện tượng thiếu dưỡng khí, mệt mỏi, đau đầu và giảm khả năng tập trung. Do đó, việc ứng dụng công nghệ BMS kết hợp cảm biến đo nồng độ $CO_2$ và biến tần để điều khiển hệ thống quạt thông gió trở thành một giải pháp kỹ thuật cần thiết.

Đề tài "Thiết kế hệ thống kiểm soát và giám sát nồng độ $CO_2$ trong tòa nhà" (Design system for controlling and monitoring $CO_2$ concentration in the building) được nhóm tác giả Hà Gia Huy và Lâm Quang Bửu thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Lê Trọng Nghĩa tại Khoa Đào tạo Quốc tế, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (thời gian thực hiện từ 24/02/2024 đến 20/06/2024).

Đề tài xác định 5 mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

1. Trình bày các tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng cho hệ thống thông gió và điều hòa không khí trong tòa nhà.
2. Thiết kế và thi công mô hình BMS vận hành hệ thống thông gió cho không gian phòng thí nghiệm.
3. Thiết kế giao diện trên nền tảng Website phục vụ công tác giám sát và điều khiển hệ thống.
4. Vận hành thử nghiệm mô hình thực tế ở các chế độ làm việc khác nhau.
5. Đánh giá các kết quả đạt được sau quá trình nghiên cứu, chế tạo và vận hành mô hình.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu bao gồm:

• Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống quản lý tòa nhà BMS; bộ điều khiển trung tâm BCU (Building Control Unit) và bộ điều khiển kỹ thuật số DDC - C46 của hãng PNTECH; biến tần 1 pha Delixi EM60; biến tần 3 pha LS iG5A; quạt cấp khí tươi Auramax VP4; quạt hút khí thải ly tâm Hongke 130FLJ5; cảm biến $CO_2$ VELT-W-CO2-I4; phần mềm BMS Control Software, Node-RED, Firebase và giao diện Web.
• Phạm vi không gian và quy mô: Phòng thí nghiệm GE (GE Laboratory Room) tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM làm đối tượng tham chiếu thực tế, cùng mô hình thực nghiệm mô phỏng thu nhỏ với tỉ lệ thể tích xấp xỉ 1:5000.
• Sản phẩm bàn giao của đề tài: 01 báo cáo thuyết minh đồ án tốt nghiệp; 01 mô hình phần cứng vận hành kiểm soát nồng độ $CO_2$; 01 giao diện giám sát và điều khiển trên nền tảng Website.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài vận dụng hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành của Việt Nam và quốc tế về thiết kế thông gió, chất lượng không khí và độ ồn công trình:

• Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5687:2010 (Phụ lục G và H): Xác định công thức tính lưu lượng gió cấp tươi cần thiết cho phòng: $$L = m \cdot V$$ Trong đó: $L$ là lưu lượng gió cấp ($m^3/h$); $m$ là bội số trao đổi không khí (đối với phòng thí nghiệm, chọn $m = 10$ lần/giờ); $V$ là thể tích không gian phòng ($m^3$).
• Tiêu chuẩn Hoa Kỳ ASHRAE 62.1 - 2016: Quy định nồng độ $CO_2$ môi trường không khí ngoài trời dao động từ 300 đến 500 ppm; cường độ phát thải $CO_2$ trung bình của một người làm việc nhẹ với máy móc là 0,5 lít/phút. Tiêu chuẩn này cũng phân loại khí thải thành 4 cấp độ (Type 1 đến Type 4); phòng thí nghiệm GE được phân loại khí thải Mức 2 (Type 2 - mức độ ô nhiễm và kích ứng nhẹ).
• Sổ tay ASHRAE Handbook 2019: Hướng dẫn độ ồn nền liên quan đến hệ thống HVAC. Nhóm nghiên cứu chọn mức áp suất âm theo thang đo A-weighting là 40 dBA cho phòng thí nghiệm. Vận tốc gió trung bình khuyến nghị tương ứng là 2,5 m/s tại miệng gió cấp và 3,0 m/s tại miệng gió hút.

Về mức độ ảnh hưởng của nồng độ $CO_2$ đối với sức khỏe con người, đề tài tổng hợp các ngưỡng đánh giá sinh lý học:

Nồng độ $CO_2$ (ppm)	Mức độ tác động sinh lý
> 40.000	Môi trường cực kỳ độc hại, thiếu oxy nghiêm trọng
> 5.000	Mức độ độc hại cao, thời gian chịu đựng tối đa 8 giờ
2.000 – 5.000	Gây nhức đầu, buồn ngủ, kém tập trung, tăng nhịp tim, buồn nôn nhẹ
1.000 – 2.000	Bắt đầu xuất hiện triệu chứng ngột ngạt, buồn ngủ, khó thở
500 – 1.000	Nồng độ tiêu chuẩn bình thường trong không gian sinh hoạt kín
350 – 500	Nồng độ môi trường không khí tự nhiên ngoài trời

Phương pháp nghiên cứu thực hiện qua các bước:

1. Nghiên cứu lý thuyết và tra cứu tiêu chuẩn thông gió, HVAC, BMS.
2. Tính toán kỹ thuật: Xác định thể tích phòng mẫu, tính lưu lượng không khí cần thiết, vận tốc qua cửa gió, khoảng cách bố trí cửa hút và cửa cấp.
3. Thiết kế - thi công phần cứng: Đấu nối tủ điện điều khiển, lắp đặt thiết bị đo, hệ thống biến tần và quạt thông gió.
4. Cấu hình và lập trình phần mềm: Cài đặt thông số biến tần, thiết lập kênh vào/ra trên DDC-C46, cấu hình Node-RED, cơ sở dữ liệu Firebase Realtime Database và xây dựng trang web giám sát.
5. Thực nghiệm và đo đạc dữ liệu: Thử nghiệm vận hành ở hai chế độ Tự động (Auto) và Bằng tay (Manual), thu thập số liệu dòng điện, điện áp, tốc độ quạt và nồng độ $CO_2$.

---

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Tính toán thông số mô hình và không gian tham chiếu

Không gian tham chiếu thực tế là phòng thí nghiệm GE Training Center có kích thước: Chiều dài $D_1 = 17\text{ m}$, chiều rộng $R_1 = 10\text{ m}$, chiều cao $H_1 = 3,3\text{ m}$.

• Diện tích phòng GE: $S_1 = 17 \times 10 = 170\text{ m}^2$.
• Thể tích phòng GE: $V_1 = 17 \times 10 \times 3,3 = 561\text{ m}^3$.
• Lưu lượng gió tươi yêu cầu cho phòng GE ($m = 10$): $L_1 = 561 \times 10 = 5.610\text{ m}^3/\text{h}$. (Thực tế trang bị quạt hướng trục Deton lưu lượng $6.640\text{ m}^3/\text{h}$, công suất $1,1\text{ kW}$).

Mô hình thực nghiệm được chế tạo theo kích thước thu nhỏ (tỉ lệ thể tích $\approx 1:5000$):

• Kích thước đáy: Chiều dài $D_2 = 0,3\text{ m}$, diện tích $S_2 = 0,42\text{ m}^2$, thể tích mô hình $V_2 = 0,026\text{ m}^3$.
• Lưu lượng gió tươi tính toán cho mô hình: $L_2 = 0,026 \times 10 = 0,26\text{ m}^3/\text{h}$.
• Giải pháp kỹ thuật: Do trên thị trường không có quạt công nghiệp lưu lượng siêu nhỏ $0,26\text{ m}^3/\text{h}$, nhóm sử dụng quạt có công suất lớn hơn kết hợp điều khiển giảm tốc độ thông qua biến tần điều chỉnh tần số.
• Vị trí cửa gió: Khoảng cách ngắn nhất giữa mép 2 cửa cấp và cửa hút phòng GE là 3 m; khoảng cách tương ứng trên mô hình thực nghiệm là 0,3 m. Tấm trần mô hình làm bằng gỗ dán chịu lực để gắn quạt và ống dẫn gió.

Cấu trúc phần cứng và sơ đồ kết nối tủ điện

Hệ thống điều khiển được đặt trong tủ điện kích thước $30 \times 40\text{ cm}$ gồm các thiết bị:

1. Bộ điều khiển trung tâm BCU PNTECH (nguồn 24VDC).
2. Bộ điều khiển kỹ thuật số DDC - C46 PNTECH (nguồn 24VDC).
3. 02 rơle trung gian OMRON MY4N (loại 14 chân).
4. 01 rơle trung gian OMRON LY2N (loại 8 chân).
5. 02 Aptomat MCB BKN 2P/16A.
6. Bộ chuyển đổi nguồn AC/DC (chuyển đổi từ nguồn lưới 220VAC sang 24VDC cấp cho BCU, DDC và cảm biến).
7. Biến tần 1 pha Delixi EM60 điều khiển quạt cấp Auramax VP4 (1 pha 220VAC).
8. Biến tần 3 pha LS iG5A điều khiển quạt hút ly tâm Hongke 130FLJ5 (3 pha 220VAC).
9. Cảm biến $CO_2$ VELT-W-CO2-I4 (nguồn 24VDC, tín hiệu analog đưa về DDC).

Hạ tầng truyền thông giữa các khối:

• Kết nối BCU với DDC - C46 thông qua chuẩn truyền thông RS485 (giao thức Modbus RTU), sử dụng cáp xoắn đôi chống nhiễu bọc màng nhôm (Shielded twisted-pair RS485 cable). Chân A+ và B- của DDC được nối trực tiếp với chân A+ và B- của BCU.
• Sơ đồ đấu nối chân trên DDC - C46:
  • Cổng UI01: Nhận tín hiệu đo từ cảm biến $CO_2$ VELT-W-CO2-I4.
  • Cổng UI05: Nhận tín hiệu công tắc chế độ Auto quạt cấp.
  • Cổng UI06: Nhận tín hiệu công tắc chế độ Manual quạt cấp.
  • Cổng UI09: Nhận tín hiệu công tắc chế độ Auto quạt hút.
  • Cổng UI10: Nhận tín hiệu công tắc chế độ Manual quạt hút.
  • Cổng NO01: Nối chân chung COM của biến tần 1 pha.
  • Cổng NO02: Nối chân DI1 (chạy thuận FWD) của biến tần 1 pha.

Cấu hình biến tần và phần mềm hệ thống

Nhóm tiến hành cài đặt các thanh ghi chức năng cho biến tần Delixi EM60:

Mã hàm (Function code)	Tên chức năng	Giá trị cài đặt	Ý nghĩa thông số
P0.02	Control mode	0	Chế độ điều khiển V/F
P0.03	Option of operation control mode	1	Điều khiển chạy/dừng qua cầu đấu ngoài (Terminal)
P0.04	Option of A Frequency Source	3	Nguồn đặt tần số từ đầu vào ngoài VF1
P0.08	Upper limit frequency	50.00 Hz	Tần số giới hạn trên
P0.09	Lower limit frequency	50.00 Hz	Tần số giới hạn dưới
P0.14	Motor rated power	Cài theo động cơ	Công suất định mức động cơ
P0.15	Motor rated frequency	50.00 Hz	Tần số định mức động cơ
P0.16	Motor rated voltage	230 V	Điện áp định mức động cơ
P0.18	Motor Rated Rotating Speed	1400 RPM	Tốc độ quay định mức động cơ
P2.00	Di1 Terminal Function	1	Chức năng chân DI1: Chạy thuận (FWD)
P2.12	UP/DOWN Terminal Change Rate	01.00	Tốc độ thay đổi tần số
P2.13	Minimum Input of Curve 1	00.00 V	Điện áp đầu vào nhỏ nhất của đường cong 1
P2.14	Corresponding reference for Min Input	0.0 %	Giá trị tham chiếu tương ứng đầu vào nhỏ nhất
P2.15	Maximum Input of Curve 1	05.00 V	Điện áp đầu vào lớn nhất của đường cong 1
P5.02	Analog Input Curve Selection	00021	Lựa chọn đường cong đầu vào tương tự

Đối với biến tần LS iG5A, quy trình cấu hình bao gồm thiết lập thông số động cơ, cài đặt giao tiếp Modbus RS485, cấu hình nhóm hàm H, hàm I, nhóm hàm tần số Frq, cài đặt tốc độ Baudrate, địa chỉ trạm (MAC address) và thông số vòng điều khiển PID.

Về cấu trúc phần mềm:

• Cấu hình DDC - C46: Sử dụng phần mềm DDC Configuration để định tuyến ngõ vào/ngõ ra, gán địa chỉ giao tiếp và khai báo biến điểm dữ liệu (Data Points).
• Phần mềm BMS Control Software: Quản trị mạng BCU, khai báo IP, quản lý danh mục thiết bị, khởi tạo và theo dõi các Data Points ($CO_2$ sensor, Fan Frequency, Fan Speed, Output Current, Output Voltage).
• Nền tảng Node-RED: Đóng vai trò cầu nối trung gian xử lý luồng dữ liệu (Data Flow) giữa phần cứng BMS và giao diện người dùng thông qua các khối Inject node, HTTP In node và Function node.
• Cơ sở dữ liệu Firebase Realtime Database: Lưu trữ dữ liệu đo lường trực tuyến, phân quyền bảo mật (Security Rules) và cung cấp API đồng bộ dữ liệu cho ứng dụng web.
• Giao diện Web: Lập trình bằng Visual Studio Code, cung cấp màn hình đăng nhập, bảng hiển thị trạng thái hệ thống, biểu đồ trực quan hóa nồng độ $CO_2$, điện áp, dòng điện, tần số và tốc độ quạt theo thời gian thực.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: TỔNG QUAN (OVERVIEW)

Chương 1 giới thiệu tổng quan về sự phát triển của hệ thống quản lý tòa nhà (BMS) trong thời đại tự động hóa. Tác giả nêu rõ lý do lựa chọn đề tài xuất phát từ yêu cầu kiểm soát chất lượng không khí trong nhà, hạn chế nguy cơ ngạt khí và mệt mỏi do tích tụ $CO_2$. Chương này xác định mục tiêu nghiên cứu, đối tượng khảo sát, phạm vi giới hạn của mô hình thực nghiệm và sơ đồ quy trình triển khai đề tài gồm 3 khối chức năng chính: Khối thiết kế (Design block), Khối thi công (Construction block) và Khối vận hành (Operation block).

Chương 2: THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN MÔ HÌNH (MODEL DESIGN)

Chương 2 trình bày chi tiết quy trình tính toán kỹ thuật dựa trên các tiêu chuẩn TCVN 5687:2010, ASHRAE 62.1-2016 và ASHRAE Handbook 2019. Tác giả tính toán thể tích không gian mẫu ($V_1 = 561\text{ m}^3$) và thể tích mô hình thu nhỏ ($V_2 = 0,026\text{ m}^3$), từ đó xác định lưu lượng không khí tươi tương ứng ($5.610\text{ m}^3/\text{h}$ cho phòng thật và $0,26\text{ m}^3/\text{h}$ cho mô hình với bội số trao đổi khí $m = 10$). Dựa trên tiêu chuẩn độ ồn 40 dBA cho phòng thí nghiệm, vận tốc gió ra tại cửa cấp được chọn là 2,5 m/s và tại cửa hút là 3,0 m/s. Khoảng cách cửa gió giữa 2 miệng cấp và 1 miệng hút được xác định là 3 m trên thực tế và 0,3 m trên mô hình thí nghiệm.

Chương 3: THI CÔNG MÔ HÌNH VÀ THIẾT KẾ GIAO DIỆN GIÁM SÁT, ĐIỀU KHIỂN (CONSTRUCTION OF THE MODEL AND DESIGN OF SUPERVISORY INTERFACE, CONTROL INTERFACE)

Chương 3 tập trung vào quá trình hiện thực hóa phần cứng và phần mềm. Nội dung bao gồm sơ đồ khối hệ thống BMS, sơ đồ nguyên lý đơn tuyến và sơ đồ đấu nối dây chi tiết. Tác giả mô tả từng bước lắp ráp tủ điện kích thước $30 \times 40\text{ cm}$, gắn các thiết bị BCU, DDC - C46, rơle OMRON, MCB và bộ đổi nguồn. Toàn bộ quy trình cài đặt tham số cho biến tần Delixi EM60 và biến tần LS iG5A được lập bảng chi tiết. Chương này cũng hướng dẫn cài đặt phần mềm DDC Configuration, xây dựng luồng truyền nhận dữ liệu qua Node-RED, cấu hình Realtime Database trên nền tảng Firebase và thiết kế giao diện website giám sát.

Chương 4: VẬN HÀNH MÔ HÌNH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ (OPERATION OF THE MODEL AND RESULTS EVALUATION)

Chương 4 phân tích kết quả thử nghiệm vận hành hệ thống ở hai chế độ Auto và Manual. Tác giả trình bày lưu đồ thuật toán điều khiển $CO_2$, quy trình kích hoạt hệ thống trên trang web và bộ điều khiển phần cứng. Dữ liệu thực nghiệm được thu thập để đánh giá sự tương quan giữa nồng độ khí $CO_2$ đo được và tốc độ đáp ứng của quạt thông gió, cũng như sự ổn định của điện áp và dòng điện động cơ khi biến tần thay đổi tần số công tác.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả vận hành thực nghiệm

Hệ thống được vận hành và kiểm tra ở 2 chế độ làm việc:

Tiêu chí đánh giá	Chế độ Tự động (Auto Mode)	Chế độ Bằng tay (Manual Mode)
Nguyên lý kích hoạt	Tự động kích hoạt khi cảm biến đo $CO_2 > 500\text{ ppm}$	Người vận hành chủ động bật/tắt ON/OFF trên giao diện Web
Điều khiển quạt cấp	Tốc độ thay đổi linh hoạt theo nồng độ $CO_2$ phòng (PID)	Điều chỉnh tần số vận hành trực tiếp theo giá trị cài đặt trên Web
Điều khiển quạt hút	Chạy tối đa công suất khi phát hiện $CO_2$ vượt ngưỡng	Bật/tắt và cố định tần số công tác theo yêu cầu thủ công
Cơ chế ngắt hệ thống	Tự động dừng khi $CO_2 \le 500\text{ ppm}$ (ngưỡng an toàn)	Dừng hệ thống khi người vận hành nhấn nút OFF trên Web
Giám sát dữ liệu	Hiển thị liên tục đồ thị $CO_2$, dòng, áp, tốc độ quạt	Hiển thị các thông số tức thời của hệ thống trên giao diện

Kết quả đo đạc thực nghiệm cho thấy hệ thống đã kiểm soát được nồng độ $CO_2$ trong phòng mô hình luôn duy trì ở mức nhỏ hơn hoặc bằng ngưỡng cài đặt cho phép ($\le 500\text{ ppm}$), phù hợp với tiêu chuẩn chất lượng không khí của ASHRAE 62.1. Đồ thị vận hành phản ánh rõ mối tương quan tỷ lệ thuận giữa nồng độ $CO_2$ và tốc độ quay của quạt: Khi mật độ người hoặc nồng độ khí tăng cao, biến tần tăng tần số điều khiển động cơ quạt cấp và quạt hút để tăng lưu lượng thông gió; khi nồng độ $CO_2$ giảm về ngưỡng an toàn, hệ thống giảm dần tốc độ và tự động tắt để tiết kiệm điện năng.

Đóng góp kỹ thuật của đề tài

• Chế tạo thành công mô hình phần cứng BMS hoàn chỉnh có khả năng phối hợp đồng bộ giữa bộ điều khiển trung tâm BCU, bộ điều khiển kỹ thuật số DDC, cảm biến $CO_2$ và hệ thống truyền động biến tần - động cơ quạt 1 pha và 3 pha.
• Xây dựng giải pháp tích hợp truyền thông đa tầng: Từ mạng truyền thông công nghiệp Modbus RTU / RS485 ở cấp trường đến giao tiếp trung gian qua Node-RED, lưu trữ đám mây Firebase và giao diện web người dùng.
• Cung cấp tài liệu quy trình tính toán, lựa chọn thông số và cài đặt biến tần thực tế phục vụ cho các bài toán thông gió tự động theo chất lượng không khí trong nhà.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế về quy mô thiết bị: Do điều kiện kinh phí và tính sẵn có của thiết bị thực tế, lưu lượng quạt công nghiệp trên thị trường lớn hơn nhiều so với lưu lượng tính toán lý thuyết của mô hình thu nhỏ ($0,26\text{ m}^3/\text{h}$), buộc phải sử dụng giải pháp điều khiển giảm tốc bằng biến tần để mô phỏng.
• Hạn chế về môi trường thực nghiệm: Mô hình thực nghiệm có tỉ lệ thể tích $1:5000$, do đó tốc độ khuếch tán khí và phản ứng của cảm biến trong không gian hẹp có sự chênh lệch nhất định so với độ trễ truyền dẫn không khí trong tòa nhà thực tế có thể tích lớn.
• Hướng nghiên cứu mở rộng:
  • Mở rộng tích hợp thêm các cảm biến đo lường chất lượng không khí khác như bụi mịn ($PM_{2.5}$, $PM_{10}$), nhiệt độ, độ ẩm và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs).
  • Tối ưu hóa thuật toán điều khiển PID và thuật toán tiết kiệm năng lượng nâng cao cho hệ thống HVAC trên quy mô toàn bộ tòa nhà.

---

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho:

• Sinh viên các ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Nhiệt - Lạnh (HVAC) và Kỹ thuật Tòa nhà khi thực hiện đồ án môn học, đồ án tốt nghiệp về hệ thống BMS.
• Kỹ sư thiết kế và vận hành tòa nhà cần tài liệu tra cứu về việc tích hợp biến tần (Delixi EM60, LS iG5A) với bộ điều khiển DDC/BCU qua chuẩn truyền thông Modbus RTU / RS485.
• Các nhà nghiên cứu và lập trình viên IoT công nghiệp muốn tham khảo giải pháp kết nối phần cứng công nghiệp lên nền tảng đám mây (Node-RED, Firebase Realtime Database) và xây dựng giao diện SCADA trên nền tảng Web.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Mô hình thực nghiệm trong đồ án được thiết kế theo tỉ lệ thể tích bao nhiêu so với phòng thí nghiệm tham chiếu thực tế?
Mô hình thực nghiệm được thiết kế thu nhỏ với tỉ lệ thể tích xấp xỉ $1:5000$ so với phòng thí nghiệm GE Training Center thực tế (thể tích phòng GE là $561\text{ m}^3$, thể tích mô hình thực nghiệm là $0,026\text{ m}^3$).

2. Tiêu chuẩn nào được sử dụng để tính toán lưu lượng thông gió và bội số trao đổi không khí?
Đề tài áp dụng Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5687:2010 (Phụ lục G và H) với công thức $L = m \cdot V$, trong đó bội số trao đổi không khí $m = 10$ lần/giờ được chọn theo tiêu chuẩn dành cho không gian phòng thí nghiệm.

3. Hệ thống vận hành ở chế độ Tự động (Auto Mode) dựa trên các ngưỡng điều kiện nào?
Ở chế độ Auto, hệ thống tự động kích hoạt khi cảm biến phát hiện nồng độ $CO_2 > 500\text{ ppm}$. Khi đó, quạt cấp hoạt động điều chỉnh theo nồng độ $CO_2$ đo được, quạt hút hoạt động hết công suất để thải khí độc. Khi nồng độ $CO_2$ giảm xuống dưới hoặc bằng $500\text{ ppm}$, hệ thống sẽ tự động ngắt.

4. Những thiết bị chính nào được bố trí bên trong tủ điện điều khiển của mô hình?
Tủ điện kích thước $30 \times 40\text{ cm}$ gồm có: Bộ điều khiển trung tâm BCU, bộ điều khiển kỹ thuật số DDC - C46, 02 rơle OMRON MY4N (14 chân), 01 rơle OMRON LY2N (8 chân), 02 Aptomat MCB BKN 2P/16A và bộ chuyển đổi nguồn AC/DC (220VAC sang 24VDC).

5. Các công nghệ và nền tảng phần mềm nào được kết hợp để xây dựng hệ thống giám sát trên Web?
Hệ thống sử dụng phần mềm BMS Control Software để quản lý Data Points của BCU/DDC, phần mềm Node-RED để điều phối và xử lý luồng dữ liệu trung gian, cơ sở dữ liệu Firebase Realtime Database để đồng bộ dữ liệu thời gian thực và giao diện website được phát triển bằng Visual Studio Code.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Hà Gia Huy và Lâm Quang Bửu đã hoàn thành việc thiết kế, chế tạo và vận hành thành công mô hình BMS kiểm soát nồng độ $CO_2$ trong phòng thí nghiệm dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật TCVN 5687:2010 và ASHRAE 62.1. Hệ thống đã kết nối hoàn chỉnh giữa các thiết bị điều khiển công nghiệp (BCU, DDC - C46, biến tần Delixi EM60, biến tần LS iG5A) với nền tảng giám sát web thông qua Node-RED và Firebase. Kết quả thử nghiệm chứng minh mô hình hoạt động ổn định ở cả hai chế độ Auto và Manual, đảm bảo duy trì nồng độ $CO_2$ trong ngưỡng an toàn cho phép ($\le 500\text{ ppm}$) và phản ánh chính xác tương quan giữa chất lượng không khí và lưu lượng thông gió.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION GRADUATION THESIS ELECTRICAL AND ELECTRONIC ENGINEERING TECHNOLOGY DESIGN SYSTEM FOR CONTROLLING AND MONITORING CO2 CONCENTRATION IN THE BUILDING INSTRUCTOR: LE TRONG NGHIA, PhD. STUDENT: HA GIA HUY LAM QUANG BUU SKL013345 Ho Chi Minh City, June 2024 MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HO CHI MINH UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY OF INTERNATIONAL EDUCATION  GRADUATION PROJECT DESIGN SYSTEM FOR CONTROLLING AND MONITORING CO2 CONCENTRATION IN THE BUILDING. Student’s name: Student’s ID: HA GIA HUY 19142098 LAM QUANG BUU 19142087 Major: ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERING Supervisor: LE TRONG NGHIA, PhD. Ho Chi Minh, June 2024 1 ` THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom– Happiness -------- Ho Chi Minh City, June 20, 2024 GRADUATION PROJECT ASSIGNMENT Student name: Ha Gia Huy Student ID: 19142098 Student name: Lam Quang Buu Student ID: 19142076 Major: Electrical and electronics engineering Class: 1914CLA3 Supervisor: Le Trong Nghia, PhD.

Phone number: _________________ Date of assignment: 24/02/2024 Date of submission: 20/06/2024 1. Project title: Design system for controlling and monitoring CO2 concentration in the bulding. Initial materials provided by supervisor: ___________________________________ 3. Content of the project: - Design a model to monitor CO2 levels in a building.

- Design the interface for monitoring and controlling the system. - Operating and monitoring the BMS system and assessing the results. Final product: - 1 project report. - 1 operational model for controlling CO2 levels.

- 1 interface on the Website platform. CHAIR OF THE PROGRAM SUPERVISOR (Sign with full name) (Sign with full name) ii THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom– Happiness ----***---- SUPERVISOR’S EVALUATION SHEET Student name : Ha Gia Huy Student ID : 19142098 Student name : Lam Quang Buu Student ID : 19142087 Major: Electrical and Electronics Engineering Technology Project title: Design system for controlling and monitoring CO2 concentration in the bulding. Supervisor: Le Trong Nghia, PhD EVALUATION 1. Content of the project:.

Approval for oral defense? (Approved or denied) .) Ho Chi Minh City, month day, year SUPERVISOR (Sign with full name) iii THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom– Happiness ----***---- PRE-DEFENSE EVALUATION SHEET Student name : Ha Gia Huy Student ID : 19142098 Student name : Lam Quang Buu Student ID : 19142087 Major: Electrical and Electronics Engineering Technology Project title: Design system for controlling and monitoring CO2 concentration in the bulding. Name of Examiner: Nguyen Phan Thanh, PhD EVALUATION 1. Content and workload of the project:. Approval for oral defense? (Approved or denied) .) Ho Chi Minh City, month day, year EXAMINER (Sign with full name) iv THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom– Happiness ----***---- EVALUATION SHEET OF DEFENSE COMMITTEE MEMBER Student name : Ha Gia Huy Student ID : 19142098 Student name : Lam Quang Buu Student ID : 19142087 Major: Electrical and Electronics Engineering Technology Project title: Design system for controlling and monitoring CO2 concentration in the bulding.

Name of Defense Committee Member:. Content and workload of the project: .) Ho Chi Minh City, month day, year COMMITTEE MEMBER (Sign with full name) v ACKNOWLEDGEMENTS I would like to sincerely thank the dedicated guidance and mentoring of Dr. Le Trong Nghia, Lecturer at the Faculty of Internatonal Education, Ho Chi Minh City University of Technology and Education. His insightful feedback, suggestions, and guidance have been a tremendous motivation that helped our group complete this project.

I would like to express my gratitude to all the esteemed teachers of the Faculty of Internatonal Education at Ho Chi Minh City University of Technology and Education for their teaching and imparting valuable knowledge to us during our time studying at the university. Thank you to my classmates for encouraging and helping us overcome difficulties in our studies. I would like to thank all the members of my family for their constant material and moral support, care, encouragement, and for providing us with all the necessary conditions during our study and completion of the graduation project. Sincerely thank! Ho Chi Minh, date … month … year 2024 Students i ABSTRACT This topic presents an overview, outlining the ventilation system in the building.