地源热泵PLC控制技术在国家体育场(“鸟巢”)中的应用

　　一、概述

　　国家体育场(“鸟巢”)为2008年第29届奥林匹克运动会的主体育场，是奥运会场馆的代表，它在设计、施工和运行中所体现的“绿色奥运””科技奥运”理念，场馆和相关设施严格执行节能环保设计标准，在可再生能源与新能源利用、建筑节能、水资源保护和利用等方面采取了一系列有力措施。

　　“鸟巢”在设计中包含了一套规模很大的雨水深度处理回用系统，体育场内70%的供水由回用水代替，其中23%来自系统处理后的雨水;更引人注目的是，“鸟巢”使用了地源热泵，从土壤中吸收能量，用于补偿体育场空调系统等。地源热泵是一种使用可再生能源、节能、环保的系统，通过地埋换热管，冬季吸收土壤中蕴含的热量为“鸟巢”供热，夏季吸收土壤中存贮的冷量向“鸟巢”供冷。

　　二、地源热泵空调简介

　　地源热泵机组是一种利用再生能源的高效节能、无污染的既可供暖又可制冷的新型水冷式空调机组，由压缩机、冷凝器、蒸发器、节流装置和其它制冷附件组成，是一种可以全天候运转的空气调节设备。地水源热泵利用地能或浅水层一年四季温度稳定的特性，冬季把地能作为热泵供暖的热源，把高于环境温度的地能中的热能取出来供给室内采暖;夏季把地能作为空调的冷源，通过能量转换地下热源转换成冷源。其原理是通过极少量的电能，实现能量的搬运转移。

　　由于于地下的温度在恒定在10—25度的，地源热泵机组的工况优于传统的空调的工况所以它能够更轻松的达到室内的温度要求和效果，所以地源热泵机组的能效比更高。因此，地源热泵空调更节能。

　　三、系统描述

　　国家体育场(“鸟巢”)为2008年第29届奥林匹克运动会的主体育场，地下3层，地上7层, 国家体育场地源热泵大型中央空调项目总体设计冷负荷为14533kw，采用地源热泵和冰蓄冷结合的形式。鸟巢地源热泵中央空调采用采用烟台冰轮和顿汉布什的制冷设备及系统，其电气控制主要采用施耐德的Micro 和Twido PLC，以及XBTGT触摸屏。

　　“鸟巢”地源热泵大型中央空调系统包含地源热泵机房控制系统和两台全封螺杆地源热泵机组。

　　四、电气控制系统结构与构成

　　控制系统网络结构如上图所示，为三层网络结构。

　　地源热泵机组选用Twido系列 PLC TWDLCAA40DRF及扩展模块，它本身所带的一个通讯口和XBTGT触摸屏相连。可以根据来自源热泵机房控制系统的给定信号进行启/停和能量自动调节，控制程序据负荷变化及变化率自动控制滑阀上载卸载，实现制冷能量无级调节，最大限度降低设备能耗。通过人机界面可以设定压缩机的工作方式和运行参数，检查压缩机的运行状况，查看机组故障情况等。每一个PLC扩展一个通讯口，做MODBUS从站，连在MODBUS总线上，实现和源热泵机房控制系统PLC 的通讯。

　　源热泵机房控制系统PLC选用MICRO系列PLC TSX3721001。MICRO系列PLC的通讯功能非常强大，支持MODBUS，UN-TELWAY，以太网TCP/IP等多种通讯协议。控制系统完成制冷系统及相应循环水系统的控制，如制冷/制热模式切换，对冷媒水供水和回水的温度及压力，冷却水供水和回水的温度及压力，冷却水泵，冷媒水泵等的监控，系统PLC扩展一个TSXSCP114通信卡，做MODBUS主站，通过MODBUS网络和Twido PLC通讯，自动控两台制地源热泵机组开停，使空调系统按程序高效节能运转。

　　MICRO PLC TSX3721本身带两个通讯口，其中一个通信口和触摸屏连接，另外一个通信口和施耐德工业以太网模块TSXETZ410相连。TSXETZ410模块在此起到一个网桥作用，一端通过系统PLC交换数据，另一端通过TCP/IP以太网联接到鸟巢建筑智能系统上，从鸟巢建筑智能系统可以监控整个地源热泵中央空调系统的运行状况。

　　地源热泵机房控制系统控制柜的PLC为Micro系列, 配置为： CPU:TSX3721101+2块TSXAEZ801+2块TSXDMZ28DR+TSXDEZ32D2+TSXSCP114通讯卡+以太网模块TSXETZ410

　　地源热泵机组制冷工况冷水设计温度为5/13度，制热工况热水设计供回水温度为55/50度。地下热源部分，冬季的设计供回水温度为5-2度，夏季为27 /32度。每台压缩机制冷机组包含2台压缩机，共有一个制冷回路，由Twido PLC 核心进行控制的，通过数字量模块和模拟量模块采集传感器信号，可以实现根据负荷状况实现自动能量调节。配置为：TWDLCAA40DRF+TWDDRA8RT+6块TWDAMI2HT+TWDNAC485D+触摸屏XBTGT2110

　　五、结束语

　　地源热泵等环保节能技术和设备，在奥运场馆中的成功应用，紧扣“绿色奥运”、“科技奥运”的主题，会促进在各个领域中充分推广利用。在国家体育场地源热泵大型中央空调系统中，使用了施耐德Micro 和Twido 序列PLC和XBTGT触摸屏,除了实现各工艺控制功能，网络通讯灵活且实现方便，具有开放的远程联网等是一大亮点，提高整个系统的性能，降低了操作维护成本。