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 AirConditioning 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.


12

Hình 1.6. Sơ đồ mạng điều khiển khói do hãng Colt giới thiệu


Hình 1.7. Sơ đồ mạng điều khiển khói do hãng AP giới thiệu
1.2.3. Thực trạng về ứng dụng điều khiển khói ở Việt Nam
Qua tìm hiểu các khu nhà cao tầng ở khu vực Hà Nội cho thấy hầu hết
các nhà cao tầng đã được trang bị hệ thống điều khiển khói với cấp độ khác
nhau. Ngoại trừ một số khu nhà cao cấp do doanh nghiệp nước ngoài đầu tư
như Kengnam, Lotte thì các tòa nhà cao tầng ở Hà Nội được trang bị hệ thống
điều khiển khói ở mức độ đơn giản. Hệ thống điều khiển khói trong các tòa
nhà cao tầng khu vực Hà Nội thường có các thành phần:
- Hệ thống điều áp cầu thang.
- Hệ thống hút khói tầng hầm.
- Hệ thống hút khói hành lang.


13

Trong hệ thống điều khiển thường không có trạm điều khiển khói chuyên
dùng (FSCS) mà chỉ là tủ điều khiển đơn giản được nối với trung tâm báo
cháy tự động theo cách nối dây thông thường (theo kiểu nối rơ le). Theo cách
đó, việc điều khiển hầu như phụ thuộc hoàn toàn vào trung tâm báo cháy tự
động (FACP) và con người khó có thể kiểm soát được trong những tình
huống phức tạp và tình huống báo cháy giả.
Trong các hệ thống điều áp cầu thang, việc điều khiển quạt gió thường là
đóng ngắt trực tiếp (không qua biến tần) với lệnh điều khiển từ trung tâm báo
cháy tự động hoặc bằng tay. Ngay ở khu nhà hiện đại như Royal City có trang
bị biến tần nhưng tần số lại được đặt cố định 50Hz. Các van gió ở từng khu
vực không có khả năng điều chỉnh tự động nên khó có khả năng ổn định áp
suất trong những điều kiện khác nhau.
Một số tòa nhà có hệ thống hút khói hành lang để hút khói ở hành lang
của tầng bị cháy. Hệ thống này thường được điều khiển tự động bởi tín hiệu

báo cháy tầng. Nếu xảy ra báo cháy giả hoặc nhiều tín hiệu báo cháy thì hệ
thống hút khói sẽ không phát huy được tác dụng vì không đủ công suất.
Hình 1.8. được trích từ thiết kế hệ thống điều khiển khói của tòa nhà
chung cư và dịch vụ thương mại số 3 Nguyễn Huy Tưởng, quận Thanh Xuân.
Hình 1.9 được trích từ bản vẽ thiết kế hệ thống điều khiển khói của tòa nhà
chung cư 125D Minh Khai. Các hệ thống này có cấu trúc cơ bản như nhau.
Trong hệ thống điều áp cầu thang có quạt tăng áp được điều khiển từ trung
tâm báo cháy tự động, gió được cấp qua ống gió tới từng miệng gió tại từng
tầng của buồng thang, các van điều chỉnh lưu lượng gió được điều chỉnh cố
định bằng tay. Quạt hút khói hành lang cùng với các van mở miệng hút khói
cũng được điều khiển từ trung tâm báo cháy tự động. Việc kết nối từ các quạt
và các van gió được thực hiện qua các cặp dây nối thông thường.


14

Hình 1.8. Hệ thống tạo áp cầu thang và hút khói hành lang
của tòa nhà CC và DVTM số 3 Nguyễn Huy Tưởng

Hình 1.9. Hệ thống tạo áp cầu thang và hút khói hành lang
của tòa nhà chung cư 125D Minh Khai
Qua tìm hiểu thiết kế của các tòa nhà cao tầng khu vực Hà Nội cho thấy
việc thiết kế hệ thống điều khiển khói dựa theo nhiều tiêu chuẩn khác nhau.
Theo các tiêu chuẩn của Việt Nam thì chỉ qui định các tòa nhà cao tầng phải
có hệ thống điều áp cầu thang, hệ thống hút khói hành lang và hệ thống thông
gió, hút khói tầng hầm. Hệ thống tạo áp cầu thang chỉ qui định áp suất dư từ
20 đến 50 Pa [13], [14]. Trong tiêu chuẩn Việt Nam không đề cập đến việc sử
dụng FSCS cùng mạng điều khiển.



15

Trong các bản thiết kế về điều khiển khói có nhiều số liệu và phép tính
gần đúng như diện tích các khe hở, sức cản đường ống, thông số môi trường...
Các loại quạt gió, van gió không có đặc tính rõ ràng do các cơ sở sản xuất
không quan tâm. Việc kiểm tra nghiệm thu các công trình nhiều khi chỉ mang
tính chất định tính, không thể kiểm tra được đầy đủ các thông số và khả năng
hoạt động của hệ thống trong những điều kiện khác nhau.
Các tòa nhà cao tầng ở Việt Nam không áp dụng giải pháp điều áp phân
vùng như các nước phát triển, cùng với việc thi công không đảm bảo theo
đúng thiết kế dẫn đến việc điều áp sẽ khó đảm bảm đúng yêu cầu kỹ thuật.
Từ thực tế đó cho thấy cần phải có công cụ giúp phân tích đánh giá các
hệ thống điều khiển khói mà phổ biến hiện nay là các phần mềm mô phỏng.
Bên cạnh đó cần phải đặt ra việc ứng dụng các kỹ thuật điều khiển hiện đại để
nâng cao chất lượng hoạt động của hệ thống và giám sát sự hoạt động của hệ
thống theo xu hướng của các nước tiên tiến.
1.3. Các thành phần của hệ thống điều khiển khói
Hệ thống điều khiển khói gồm các thành phần sau :
- Các thiết bị thông gió, hút khói (quạt, van gió, ống gió...)
- Các thiết bị điều khiển (Tủ báo cháy, tủ điều khiển khói, tủ điều khiển
HVAC)
- Các thiết bị kích hoạt (đầu báo khói, nút ấn khẩn cấp...)
1.3.1. Các thiết bị thông gió, hút khói.
a) Hệ thống HVAC
Hệ thống HVAC có nhiệm vụ duy trì điều kiện môi trường không khí
trong tòa nhà (nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ ô xy, khí thải...) và có khả năng điều
khiển khói. Có những hệ thống HVAC chuyên dùng trong điều khiển khói chỉ
có chức năng tạo áp, thông gió và hút khói.
b) Quạt gió



16

Quạt gió dùng để cấp khí, tăng áp suất cho những khu vực cần thiết hoặc
dùng để hút gió thải, xả khói khi có cháy.
Quạt gió được phân làm 2 loại chính :
- Quạt hướng trục
- Quạt ly tâm
Quạt hướng trục có cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ và hiệu suất cao hơn
so với quạt ly tâm. Tuy nhiên quạt ly tâm lại có khả năng tạo áp suất lớn hơn
so với quạt hướng trục. Các nhà cao tầng ở Việt Nam không áp dụng giải
pháp phân vùng nên hệ thống điều áp thường sử dụng quạt ly tâm để đảm bảo
khả năng điều áp.
c) Van gió (hình 1.10)
Van gió bao gồm van chặn lửa (Fire damper) và van chặn khói (Smoke
damper). Cấu tạo của van gió có 2 dạng là kiểu nhiều lá (Multi-blade) và kiểu
rèm (Curtain).

Hình 1.10. Cấu tạo của các van gió [38]
- Van chặn lửa dùng để ngăn lửa được chế tạo theo tiêu chuẩn UL555
(UL1990a). Thông thường khi van chặn lửa hoạt động theo nguyên tắc của
cầu chì, bình thường ở trạng thái mở nó được giữ bởi một dây dễ nóng chảy,
khi dây chảy đứt do tác đông của ngọn lửa thì sẽ đóng sập lại để ngăn lửa lan
sang nơi khác. Hiện nay còn có các loại van chặn lửa hoạt động bởi cơ cấu