Nghiên Cứu Phương Pháp Giám Sát và Điều Khiển Khói Trong Tòa Nhà Cao Tầng Tại Hà Nội

LỜI CAM ĐOAN

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHÓI TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM

1.1. Các hệ thống kỹ thuật phục vụ cho công tác phòng cháy và chữa cháy trong tòa nhà cao tầng

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

1.2.1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới

1.2.1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước

1.2.2. Các hệ thống điều khiển khói trên thế giới

1.2.2.1. Nguyên lý cơ bản

2. CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA, MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐỘNG LỰC HỌC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHÓI

2.1. Các khối chức năng và phương pháp mô hình hóa cho hệ thống

2.2. Mô hình hóa hệ thống điều áp cầu thang trong chế độ tĩnh

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

3. CHƯƠNG 3: CÁC GIẢI PHÁP CƠ BẢN ĐỂ GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHÓI

3.1. Nhiệm vụ của hệ thống giám sát và điều khiển tự động

3.2. Cấu trúc cơ bản của hệ giám sát và điều khiển tự động cho hệ thống điều khiển khói

3.2.1. Nguyên lý hoạt động của trạm điều khiển khói và hệ thống hút khói hành lang

3.2.2. Các yêu cầu và đặc điểm của hệ thống điều áp cầu thang

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

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

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

3.6. Mô phỏng hệ thống điều khiển điều áp cầu thang bằng phần mềm Simulink

3.7. Thuật toán điều khiển thích nghi

3.8. Điều khiển độ chênh áp giữa các vùng

MỞ ĐẦU

0.1. Lý do chọn đề tài và tính cấp thiết của đề tài

0.2. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

0.3. Phương pháp nghiên cứu

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

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

0.6. Kết cấu luận án

LỜI CẢM ƠN

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN NỘI DUNG CỦA LUẬN ÁN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC 1: CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU ÁP CẦU THANG

PHỤ LỤC 2: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỀU ÁP CẦU THANG KHI THAY ĐỔI CÁC THÔNG SỐ

I. Tổng Quan Về Giám Sát Khói Tòa Nhà Cao Tầng Hà Nội

Sự phát triển kinh tế đi kèm với tình hình cháy nổ phức tạp, gây thiệt hại lớn về người và tài sản. Khói là một trong những nguyên nhân chính gây thương vong. Tại Hà Nội, nhiều vụ cháy nhà cao tầng đã xảy ra, gây hậu quả nghiêm trọng, ví dụ như vụ cháy tòa nhà JSC34 làm 2 người chết do ngạt khói. Để kiểm soát khói, kỹ thuật kiểm soát khói (smoke control) đã được áp dụng trên thế giới. Các tòa nhà cao tầng ở Việt Nam cũng đã áp dụng, nhưng còn đơn giản và chưa được quan tâm đúng mức. Các tiêu chuẩn về kiểm soát khói của Việt Nam còn đơn giản so với các nước phát triển. Hiện chưa có nghiên cứu sâu về hệ thống điều khiển khói và hiệu quả hoạt động của nó tại Việt Nam.

1.1. Các Hệ Thống Kỹ Thuật Phòng Cháy Chữa Cháy Tòa Nhà

Để đảm bảo công tác phòng cháy chữa cháy tòa nhà, cần có các hệ thống kỹ thuật như hệ thống báo cháy tự động (trung tâm báo cháy, đầu báo cháy, nút ấn khẩn cấp, đèn và còi báo động), hệ thống chữa cháy (máy bơm nước chữa cháy, họng nước chữa cháy vách tường, đầu phun tự động sprinkler), và hệ thống điều khiển khói (điều áp và hút khói với quạt gió, ống dẫn gió, van gió, thiết bị điều khiển). Hệ thống điều khiển khói phổ biến là hệ thống điều áp cầu thang và hút khói hành lang.

1.2. Tiêu Chuẩn Phòng Cháy Chữa Cháy Việt Nam Thế Giới

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. Các phương pháp tính toán thiết kế đều dựa trên các tài liệu của nước ngoài.

II. Thách Thức Trong Giám Sát và Điều Khiển Khói Ở Hà Nội

Các nghiên cứu về hệ thống điều áp cầu thang cho thấy áp suất dư trong buồng thang thoát hiểm biến thiên phức tạp và có thể vượt quá giới hạn cho phép. Theo nghiên cứu về hệ thống điều áp cầu thang một tòa nhà ở Hàn Quốc, 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. Hơn nữa, chưa có công trình khoa học nào nghiên cứu sâu về hệ thống điều khiển khói tại Việt Nam, đặc biệt là tại Hà Nội với khí hậu 4 mùa có thể ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống. Việc đánh giá hiệu quả hoạt động của các hệ thống điều khiển khói trong điều kiện Việt Nam nói chung và Hà Nội nói riêng hiện vẫn còn bỏ ngỏ.

2.1. Ảnh Hưởng Khí Hậu Đến Hiệu Quả Hệ Thống Hút Khói

Khí hậu 4 mùa tại Hà Nội có thể ảnh hưởng đến hiệu quả hoạt động của hệ thống hút khói. Sự thay đổi nhiệt độ, độ ẩm, và áp suất không khí có thể tác động đến dòng chảy của khói và hiệu suất của các thiết bị như quạt hút và van điều khiển. Cần nghiên cứu kỹ lưỡng về ảnh hưởng của các yếu tố này để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả trong mọi điều kiện thời tiết.

2.2. Rủi Ro Từ Thiết Kế Hệ Thống Hút Khói Chưa Phù Hợp

Việc thiết kế hệ thống dựa trên các tiêu chuẩn nước ngoài mà không xem xét đến đặc điểm kiến trúc và điều kiện thực tế của các tòa nhà tại Hà Nội có thể dẫn đến hiệu quả phòng cháy chữa cháy không cao. Các yếu tố như chiều cao tòa nhà, diện tích mặt sàn, vật liệu xây dựng, và hệ thống thông gió tự nhiên cần được tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo hệ thống hút khói hoạt động tối ưu.

III. Phương Pháp Giám Sát và Điều Khiển Khói Hiệu Quả Tại Hà Nội

Các biện pháp ngăn chặn, kiểm soát khói đang được nghiên cứu và áp dụng bao gồm sử dụng hệ thống thông gió, hút khói trong không gian lớn như tầng hầm, bãi để xe, trung tâm mua sắm, và sử dụng hệ thống điều áp để tăng áp suất ở những khu vực cần ngăn chặn khói. Hệ thống điều áp cần tạo độ chênh áp đủ lớn để ngăn chặn khói vào khu vực thoát hiểm, nhưng không quá lớn để đảm bảo người già và trẻ em có thể đẩy được cửa thoát hiểm. Các giải pháp cụ thể bao gồm điều áp cầu thang bộ và điều áp thang máy.

3.1. Tối Ưu Hệ Thống Điều Áp Cầu Thang Cho Nhà Cao Tầng

Hệ thống điều áp cầu thang bộ sử dụng quạt để tăng áp cho cầu thang bộ thoát hiểm. Với tòa nhà thấp tầng có thể dùng hệ thống điều áp một họng phun, còn với tòa nhà cao tầng thì thường dùng hệ thống điều áp nhiều họng phun hoặc phân vùng. Với nhà siêu cao tầng thì phân vùng giúp điều chỉnh áp suất từng vùng ổn định hơn, tránh chênh lệch do hiệu ứng ống khói. Điều áp cầu thang bộ bao gồm cả điều áp tiền sảnh và hành lang thoát hiểm.

3.2. Điều Khiển Khói Phân Vùng Giải Pháp Tiên Tiến

Theo phương pháp điều khiển khói phân vùng, một tòa nhà được chia thành nhiều vùng (tầng hoặc vài tầng, hoặc một tầng chia thành vài vùng). Khi một vùng phát hiện có khói, các vùng khác hoặc lân cận được tăng áp để ngăn khói, vùng có khói phải có đường thoát khói ra ngoài. Thoát khói có thể thực hiện bởi các quạt hút khói và hệ thống thông gió tự nhiên. Điều khiển khói phân vùng đòi hỏi hệ thống cảm biến và điều khiển phức tạp.

IV. Mô Hình Hóa Mô Phỏng Dòng Khói Trong Tòa Nhà Cao Tầng

Trên thế giới đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về lĩnh vực điều khiển 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.

4.1. Ứng Dụng CFD Trong Mô Phỏng Dòng Khói Tòa Nhà

CFD (Computational Fluid Dynamics) là công cụ mạnh mẽ để mô phỏng dòng khói trong tòa nhà cao tầng. Phần mềm mô phỏng cháy nổ cho phép các nhà thiết kế và kỹ sư phòng cháy chữa cháy hình dung được sự lan truyền của khói trong các tình huống khác nhau và đánh giá hiệu quả của các giải pháp kiểm soát khói. Kết quả mô phỏng giúp tối ưu hóa vị trí và công suất của quạt hút, van điều khiển.

4.2. Thực Nghiệm Đối Chiếu Kết Quả Mô Phỏng Dòng Khói

Để đảm bảo độ tin cậy của các kết quả mô phỏng dòng khói, cần thực hiện các thí nghiệm thực tế để đối chiếu và hiệu chỉnh mô hình. Các thí nghiệm có thể bao gồm việc tạo ra các đám cháy nhỏ trong môi trường kiểm soát và đo đạc các thông số như nhiệt độ, áp suất, nồng độ khói tại các vị trí khác nhau. Sự phù hợp giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm là yếu tố then chốt để đảm bảo tính chính xác của hệ thống điều khiển khói.

V. Giải Pháp Giám Sát và Điều Khiển Tự Động Cho Hệ Thống Khói

Nghiên cứu về hệ thống điều áp cầu thang một tòa nhà ở Hàn Quốc, 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 khiển tự động cho hệ thống điều khiển khói.

5.1. Ứng Dụng PLC Trong Hệ Thống Điều Khiển Khói Tự Động

PLC (Programmable Logic Controller) là một lựa chọn phổ biến cho hệ thống điều khiển khói tự động nhờ tính linh hoạt, độ tin cậy cao, và khả năng tích hợp với nhiều loại cảm biến và thiết bị khác. PLC có thể được lập trình để giám sát liên tục các thông số như nhiệt độ, áp suất, nồng độ khói, và tự động điều chỉnh hoạt động của quạt hút, van điều khiển để duy trì môi trường an toàn trong tòa nhà.

5.2. Hệ Thống BMS Tích Hợp Quản Lý Điều Khiển Khói

Hệ thống BMS (Building Management System) có thể tích hợp chức năng quản lý và điều khiển khói, cho phép người vận hành theo dõi trạng thái của hệ thống phòng cháy chữa cháy từ xa, nhận cảnh báo khi có sự cố, và điều khiển các thiết bị từ trung tâm. Hệ thống BMS cũng có thể thu thập và phân tích dữ liệu để tối ưu hóa hiệu quả hoạt động của hệ thống điều khiển khói và giảm thiểu chi phí năng lượng.

VI. Kết Luận và Ứng Dụng Công Nghệ Cho Phòng Cháy Chữa Cháy

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. Cần 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.

6.1. Đề Xuất Ứng Dụng Công Nghệ IoT Trong Giám Sát Khói

Công nghệ IoT (Internet of Things) có tiềm năng lớn trong việc cải thiện hiệu quả giám sát khói. Các cảm biến khói, nhiệt độ, áp suất có thể được kết nối với mạng internet để truyền dữ liệu về trung tâm điều khiển. Dữ liệu này có thể được phân tích bằng các thuật toán AI để phát hiện sớm các dấu hiệu cháy và đưa ra cảnh báo kịp thời. Ứng dụng IoT giúp tăng cường khả năng phản ứng nhanh chóng và chính xác trong các tình huống khẩn cấp.

6.2. Phát Triển Vật Liệu Chống Cháy Mới Cho Tòa Nhà Cao Tầng

Nghiên cứu và phát triển vật liệu chống cháy mới là một hướng đi quan trọng để nâng cao khả năng phòng cháy chữa cháy cho tòa nhà cao tầng. Các vật liệu này cần có khả năng chịu nhiệt cao, không sinh khói độc, và ngăn chặn sự lan truyền của lửa. Việc sử dụng vật liệu chống cháy trong xây dựng giúp kéo dài thời gian thoát hiểm và tạo điều kiện thuận lợi cho lực lượng chữa cháy tiếp cận hiện trường.

Nghiên Cứu Phương Pháp Giám Sát và Điều Khiển Khói Khi Xảy Ra Cháy Trong Tòa Nhà Cao Tầng Khu Vực Hà Nội