Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: 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

Chia sẻ: Trần Văn Gan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:129

Thêm vào BST

Báo xấu

42
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài nhằm 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.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: 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

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 HÀ NỘI - 2017
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ này là công trình nghiên cứu của riêng cá nhân tôi. Các tài liệu, số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực. Các kết quả nghiên cứu chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nào. Tác giả luận án Nguyễn Quang An
MỤC LỤC Trang Những từ viết tắt Danh mục các bảng Danh mục các hình vẽ Mở đầu 1 1. Lý do chọn đề tài và tính cấp thiết của đề tài 1 2. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 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 1.3. Các thành phần của hệ thống điều khiển khói 15 1.4. Phương pháp điều khiển 19 1.5. Sự dịch chuyển của khói 23 1.6. Tính toán, thiết kế quạt điều áp cầu thang 28 Nhận xét 30 Chương 2. Mô hình hóa, mô phỏng quá trình động lực học hệ 31 thống điều khiển khói 2.1. Các khối chức năng và phương pháp mô hình hóa cho hệ thống 31
điều khiển khói 2.2. Mô hình hóa hệ thống điều áp cầu thang trong chế độ tĩnh 33 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 3.8. Mô phỏng hệ thống điều khiển điều áp cầu thang bằng phần mềm 87 Simulink 3.9. Thuật toán điều khiển thích nghi 90 3.10. Điều khiển độ chênh áp giữa các vùng 94 Nhận xét 103 Kết luận và kiến nghị 104 Danh mục các công trình công bố của tác giả có liên quan đến nội 105 dung của luận án Tài liệu tham khảo 106 Phụ lục 1. Các kết quả mô phỏng hệ thống điều áp cẩu thang 112
Phụ lục 2. Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển điều áp cẩu thang 117 khi thay đổi các thông số NHỮNG TỪ VIẾT TẮT ASHRAE: American Society of Heating, Refrigerating and Air- Conditioning 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
RANS: Reynolds Averaged Navier-Stokes/ Số Reynolds trung bình SIMC: Skogestad IMC DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Ý nghĩa Trang 1.1 Các giá trị đo áp suất dư cầu thang 26 2.1 Sự thay đổi của áp suất dư trung bình theo lưu lượng 40 quạt gió 2.2 Sự thay đổi của hệ số tỷ lệ theo diện tích khe hở 41 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 1.3 Hệ thống điều áp thang máy kết hợp hút khói hành lang 9 1.4 Hệ thống điều khiển khói phân vùng 10 1.5 Điều kiển khói phân vùng với hệ thống HVAC 10 1.6 Sơ đồ mạng điều khiển khói do hãng Colt giới thiệu 12 1.7 Sơ đồ mạng điều khiển khói do hãng AP giới thiệu 12 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 24 1.13 Đo áp suất dư cầu thang bằng máy đo cầm tay Testo 510 26 2.1 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển khói 31 2.2 Đặc tính của quạt tăng áp cầu thang VIHEM 36 2.3 Mô hình hóa từ một tòa nhà thực 37 2.4 Xây dựng đặc tính của quạt gió 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 Giao diện chương trình đọc kết quả mô phỏng 51 2.10 Kết quả mô phỏng hoạt động hút khói hành lang 53 2.11 Đồ thị biến đổi nồng độ CO2 tại tầng 1 và 2 theo thời gian 54 2.12 Kết quả mô phỏng hoạt động của hệ thống điều áp cầu thang 55 3.1 Lưu đồ thuật toán điều khiển của FSCS 62 3.2 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 Đặc tính quá độ khi khởi động quạt gió bằng biến tần 71 3.8 Mô hình điều khiển vòng kín với bộ điều khiển PID 73 3.9 Đặc tính quá độ với bộ điều khiển PID 73 3.10 Đặc tính quá độ khi thay đổi diện tích khe hở 74
3.11 Sơ đồ hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu 75 3.12 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 83 3.18 Mô hình hệ điều khiển thích nghi biến đổi tương đương 85 3.19 Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển thích nghi 88 3.20 Kết quả mô phỏng hệ điều khiển thích nghi 88 3.21 Kết quả mô phỏng khi thay đổi thông số của mô hình đối 89 tượng 3.22 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 Cầu thang thoát hiểm của tòa nhà số 3 Nguyễn Huy Tưởng 100 3.28 Kết quả mô phỏng hoạt động điều khiển độ chênh áp 101
1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài và tính cấp thiết của đề tài Cùng với sự phát triển của nền kinh tế, hiện nay tình hình cháy nổ đang điễn ra hết sức phức tạp và gây ra những thiệt hại nặng nề về người và tài sản. Một trong nhứng nguyên nhân gây thương vong cho con người là do khói gây ra. Khói sinh ra trong các đám cháy cũng gây ra thương vong đối với các cán bộ chiến sĩ làm nhiệm vụ chữa cháy và gây nhiều khó khăn trong công tác chữa cháy và cứu hộ cứu nạn. Ở khu vực Hà Nội, trong những năm gần đây đã xảy ra nhiều vụ cháy nhà cao tầng gây thương vong cho con người. Điển hình là vụ cháy tòa nhà JSC34 trên đường Khuất Duy Tiến vào ngày 10/3/2010 làm chết 2 người do ngạt khói. Tiếp đó là vụ cháy tòa nhà 33 tầng của Tập đoàn điện lực Việt Nam tại phố Cửa Bắc ngày 15/12/2011 khiến 24 công nhân bị ngạt khói. Gần đây là các vụ cháy lớn tại tòa nhà CT4 khu chung cư Xala ngày 11/10/2015; vụ cháy chung cư Hồ Gươm Plaza ngày 14/12/2015. Để kiểm soát khói sinh ra trong các đám cháy, ngăn ngừa tác hại của nó với con người, trên thế giới đã áp dụng kỹ thuật kiểm soát khói (smoke 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 kiểm soát khói trong các tòa nhà cao tầng khu vực Hà Nội. Trong đó tập trung nghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng đến sự dịch chuyển của khói, các đặc tính của đối tượng điều khiển và ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động để nâng cao hiệu quả hoạt động của các hệ thống điều khiển khói. 3. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết về động lực học chất lưu, lý thuyết điều khiển tự động hiện đại. - Khảo sát thực tế về các hệ thống điều khiển khói ở khu vực Hà Nội. - Thực nghiệm đo các thông số của hệ thống điều áp cầu thang. - Lấy ý kiến chuyên gia về các giải pháp kỹ thuật trong điều khiển khói. - Mô hình hóa cho hệ thống điều khiển khói và hệ điều khiển tự động.
3 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học: xác định mô hình mẫu của đối tượng, sử dụng mô hình mẫu trong điều khiển thích nghi để đảm bảo sự hoạt động của hệ thống với điều kiện môi trường thay đổi phức tạp và có thể áp dụng cho nhiều tòa nhà cao tầng khác nhau ở Việt Nam. Ý nghĩa thực tiễn: đề tài có thể ứng dụng vào thực tiễn trong thiết kế và thi công các hệ thống kiểm soát khói của các tòa nhà cao tầng. 5. Các luận điểm bảo vệ và điểm mới của luận án Qua phân tích các quá trình động lực học của khói và ảnh hưởng của các yếu tố, chỉ ra những điểm còn tồn tại của các hệ thống điều khiển khói đang được áp dụng ở Hà Nội hiện nay. Nghiên cứu đặc tính động học của đối tượng có chứa dòng chất lưu chuyển động. Qua đó nhận dạng hệ thống, xây dựng mô hình toán học để thiết kế và khảo sát chất lượng của hệ thống điều khiển. Đề xuất các thuật toán điều khiển để cải thiện chất lượng và hiệu quả 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 lãnh đạo và tập thể cán bộ, giáo viên Trường đại học Phòng cháy chữa cháy đã tạo điều kiện động viên, giúp đỡ giúp tôi hoàn thành nhiệm vụ học tập. Tác giả luận án
5 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 Để đảm bảo tốt cho công tác phòng cháy và chữa cháy trong các tòa nhà cao tầng, hiện nay tiêu chuẩn của các nước đều qui định cần phải có các hệ thống kỹ thuật sau: - Hệ thống báo cháy tự động Hệ thống báo cháy tự động bao gồm trung tâm báo cháy tự động (FACP); các đầu báo cháy; các nút ấn khẩn cấp; các đèn và còi báo động. Hệ thống báo cháy tự động có nhiệm vụ phát hiện cháy và phát tín hiệu báo động trong tòa nhà. - Hệ thống chữa cháy Hệ thống chữa cháy bao gồm các máy bơm nước chữa cháy; các họng nước chữa cháy vách tường; các đầu phun tự động (sprinkler). Ngoài hệ thống chữa cháy bằng nước còn có các hệ thống chữa cháy bằng bọt hoặc bằng khí tùy theo yêu cầu của từng công trình. - Hệ thống điều khiển khói Hệ thống điều khiển khói bao gồm các hệ thống điều áp và hút khói. Các thành phần chính gồm có các quạt gió; hệ thống ống dẫn gió; các van gió và các thiết bị điều khiển. Phổ biến nhất hiện nay là các hệ thống điều áp cầu 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 khiển tự động cho hệ thống điều khiển khói. b) Tình hình nghiên cứu trong nước Ở Việt Nam đến nay chưa có công trình khoa học nào nghiên cứu sâu về hệ thống điều khiển khói. Hiện chỉ có một số tài liệu đề cập đến cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển khói, [12], [13], [14], [15]. Trong đó chủ yếu nói
7 về các tiêu chuẩn được xây dựng dựa trên các tiêu chuẩn của các nước phát triển. Các phương pháp tính toán thiết kế đều dựa trên các tài liệu của nước ngoài. 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, đặc biệt là ở Hà Nội có khí hậu 4 mùa có thể có những ảnh hưởng đến sự hoạt động của hệ thống điều khiển khói. 1.2.2. Các hệ thống điều khiển khói trên thế giới a) Nguyên lý cơ bản Các nguyên lý cơ bản và phương pháp tính toán thiết kế được giới thiệu chi tiết trong các tài liệu tham khảo [12], [37], [38]. Các biện pháp để ngăn chặn, kiểm soát khói đang được nghiên cứu và áp dụng cả trong và ngoài nước bao gồm: - Sử dụng hệ thống thông gió, hút khói: hệ thống này thường được sử dụng trong những không gian lớn như tầng hầm, bãi để xe, trung tâm mua sắm, trung tâm hội nghị triển lãm... hệ thống thông gió, hút khói cũng được sử dụng để hút khói hành lang hoặc các phòng bị cháy trong các tòa nhà cao tầng. - Sử dụng hệ thống điều áp để tăng áp suất ở những khu vực cần ngăn chặn khói. Hệ thống điều áp cần tạo ra độ chênh áp đủ lớn để ngăn chặn khói vào các khu vực thoát hiểm, nhưng độ chênh áp cũng không được quá lớn để đảm bảo cho trẻ em và người già có thể đẩy được cửa thoát hiểm. 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. Hình 1.3. Hệ thống điều áp thang máy kết hợp hút khói hành lang [38] + Điều khiển khói phân vùng (hình 1.4) Theo phương pháp này, một tòa nhà được phân chia thành nhiều vùng. Trong đó một vùng có thể là một tầng hoặc vài tầng, cũng có thể một tầng chia thành vài vùng. Khi một vùng phát hiện có khói thì tất cả các vùng khác hoặc các vùng lân cận được tăng áp để ngăn khói, vùng có khói phải có các đường thoát khói ra ngoài. Việc thoát khói có thể thực hiện bởi các ống thoát khói, giếng thoát khói, hệ thống đường ống và quạt hút, cũng có thể sử dụng cả hệ thống HVAC (hình1.5) để thoát khói. Khi sử dụng hệ thống HVAC cần điều khiển các thiết bị theo trình tự sau: - Ở vùng có khói: tắt quạt cấp khí, đóng các van gió cấp khí, mở các van gió thải khí và bật quạt hút. - Ở các vùng không có khói: tắt quạt hút, đóng các van gió thải khí, mở van gió cấp khí và bật quạt cấp khí.
10 Hình 1.4. Hệ thống điều khiển khói phân vùng [38] Hình 1.5. Điều kiển khói phân vùng với hệ thống HVAC [38] b) Các thiết bị và kỹ thuật điều khiển Để điều khiển các thiết bị trong hệ thống điều khiển khói, tiêu chuẩn của nhiều nước qui định phải sử dụng trạm điều khiển chuyên dùng (FSCS), hiểu
11 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.