這是該項研究的參與者李國慶15年來第3次步入人民大會堂領取國家級獎項。他用30余年的潛心研究，致力于做“風”與“熱”的引路人，變“無序”為“有序”，不斷刷新我國地鐵通風空調(diào)技術，為城市軌道交通系統(tǒng)的“雙碳”目標實現(xiàn)做出貢獻。
“小”年輕釋放“大”能量
1990年從清華大學暖通空調(diào)專業(yè)畢業(yè)后，李國慶始終堅守在地鐵通風空調(diào)領域科研第一線，如今已是北京城建設計發(fā)展集團黨委書記、副總經(jīng)理的他依然奮斗在技術創(chuàng)新最前沿。
提起李國慶的創(chuàng)新之路，還要從廣州地鐵2號線的建設談起。當時年僅31歲的他被委任為該線路設備設計總體負責人。
受限于廣州地形、建筑物密集等因素影響，該線路上的江南西站采用暗挖形式施工，埋深超過27米。“如果按照當時國內(nèi)外普遍使用的大型風管排送風設計空調(diào)設備，需要在狹小的空間內(nèi)，為風管開挖兩個孔徑總面積接近100平方米的通風井，安全風險巨大，建設成本也難以控制。”李國慶回憶說。
當時國內(nèi)外并沒有解決此類問題的成功經(jīng)驗，要想跨過這道難關，只能另辟蹊徑。
“傳送同等冷量，用水傳導將比空氣傳導，節(jié)省空間幾百倍。通過借助水系統(tǒng)空調(diào)制冷，能將原來接近100平方米的孔徑面積壓縮至57平米，所有問題將迎刃而解。”李國慶說，“為了驗證自己的設計思路，我向中國工程院院士江億等多名專家學者反復請教，并獲得了他們的支持”。
隨后，李國慶多次調(diào)整設計思路，形成整套“地下車站空氣—水通風空調(diào)系統(tǒng)”，并向建設方提交了設計方案。利用水系統(tǒng)空調(diào)制冷并非新技術，但是將此技術應用于地鐵施工建設中，在國內(nèi)外尚屬首次，建設方非常謹慎，并邀請了多名專家現(xiàn)場論證。最終獲得專家的一致通過。
“車站建成后，獲得了超乎意料的收效，新建的空氣—水通風空調(diào)系統(tǒng)不但通風制冷效果令人滿意，更重要的是節(jié)能效果凸顯，比傳統(tǒng)車站能耗降低四分之一，一個車站每年就能節(jié)省電費73萬元。”李國慶從創(chuàng)新中嘗到了甜頭。
得益于該設計對通風空調(diào)系統(tǒng)的有效整合，每個車站可節(jié)約土建面積達600~800平方米，同時大幅度降低了建設成本和施工風險，目前，該項技術已成功應用于全國20多座城市的地鐵建設，成為暗挖車站施工和地鐵舊線空調(diào)系統(tǒng)改造的成功范本。
“2006年，為迎接北京奧運，北京地鐵1號線和2號線啟動了消隱改造，由于兩條地鐵線在建設時均未安裝空調(diào)和預留相關設備空間，地下車站空氣—水通風空調(diào)系統(tǒng)再次成為‘最優(yōu)解’，順利實現(xiàn)應用。”李國慶說，“能夠在服務保障北京奧運會中貢獻智慧和力量，作為一名軌道交通人我感到很幸運”。
2006年，以本技術為主要應用的“廣州地鐵二號線節(jié)能、環(huán)保和安全技術集成與應用”獲得了國家科學技術進步獎二等獎，李國慶第一次站在了國家科技創(chuàng)新最高領獎臺。
地鐵站的“減負”專家
“我國地鐵通風空調(diào)設計起初基本是照搬西方國家空調(diào)技術和地面建筑技術，采用做‘加法’的方法，將隧道、車站公共區(qū)、設備管理用房等區(qū)域的通風系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)簡單疊加，造成地鐵通風空調(diào)系統(tǒng)投資、占地、能耗等各項指標居高不下，單公里的綜合造價少則七八億元，多則10多億元。”談起國內(nèi)早期通風空調(diào)系統(tǒng)的建設，李國慶顯得有些無奈。
“通風空調(diào)系統(tǒng)體積過于臃腫繁雜，直接影響著地鐵工程的規(guī)模、造價以及建成后地鐵的運行能耗，這當時已經(jīng)成為行業(yè)同仁的普遍共識。”李國慶表示。
在廣州地鐵2號線建設中小試牛刀后，李國慶已經(jīng)有了下一個創(chuàng)新改造目標，啟動了新一輪的科技攻關。機會終于來了，2001年，北京地鐵5號線啟動建設，在率先進行的土建招標中，李國慶留了“小心思”，將自己最新的通風空調(diào)設計理念悄悄運用到設計方案中，全線標準車站的設計長度由200米壓縮到了176米，憑借著精干的車站設計理念一舉中標。
到了設備招標階段，李國慶卻“捅了婁子”，按照前期的土建標方案，車站站臺被壓縮了20多米，傳統(tǒng)的空調(diào)機房根本放不下，各投標單位無計可施。但此時，憑借著前期的技術積累，李國慶適時拋出了自己的最新研究成果，即：通風空調(diào)多功能設備集成系統(tǒng)，成功取代傳統(tǒng)空調(diào)冷機，形成完美解決方案，一舉拿下設備標。
“我的設計理念主要是將通風空調(diào)系統(tǒng)進行重新整合和改進，從而減少土建規(guī)模和投資。在設備的使用上，通過采用風機變頻調(diào)速技術，可以在夏季根據(jù)軌道交通系統(tǒng)內(nèi)部空間的熱負荷在不同運營時間的變化，實現(xiàn)系統(tǒng)的變風量運行；而在非空調(diào)季節(jié)通過可開啟表冷器，降低系統(tǒng)阻力，從而減少大量能耗，降低運行費用。”李國慶說。
“當時的設計方案是我的最新研究成果，國內(nèi)外沒有范例，建設方最開始很抵觸，組織行業(yè)專家進行了10余次論證，最終獲得了認可，”李國慶介紹說，“雖然有了設計方案和設備概念雛形，但是市場上根本沒有相關產(chǎn)品，經(jīng)過我多方奔走，聯(lián)系了幾十個廠家呼吁研制，終于有廠家接受方案并生產(chǎn)出了上乘產(chǎn)品。”
最終，全新的通風空調(diào)系統(tǒng)在5號線安裝應用，效果良好，該技術還成功應用于北京地鐵4號線、6號線、7號線、9號線、10號線、14號線以及南京、青島等等國內(nèi)多條地鐵線路中，應用車站超過300座，形成巨大經(jīng)濟效益。
創(chuàng)新的腳步不停歇，解決完地鐵站內(nèi)通風空調(diào)問題后，李國慶又將目光轉向了地鐵站外的“占地大戶”—空調(diào)系統(tǒng)冷卻塔。
2016年，以李國慶研發(fā)的系列技術為核心的“地鐵環(huán)境保障與高效節(jié)能關鍵技術創(chuàng)新及應用”于2016年獲得國家技術發(fā)明二等獎。
讓地鐵空調(diào)實現(xiàn)“變頻”
隨著城市軌道交通使出行更加便捷，如何讓地鐵出行更加舒適？地鐵空調(diào)系統(tǒng)一般采用固定熱舒適模式，即地鐵車站站廳、站臺等不同功能區(qū)域的空調(diào)控制溫度標準是統(tǒng)一的，這種模式對乘客的舒適度服務性不強，也不利于控制能耗。
“炎熱的夏天，當乘客從38度的室外進入26度的站廳后，瞬間的冷氣撲面而來，給人的感覺很不舒服，甚至對健康不利”，李國慶介紹說。
針對這項問題，李國慶帶領科研團隊開展了跨學科、多領域研究，從人的生理、心理以及新陳代謝等多角度多維度進行綜合分析，創(chuàng)建了地鐵乘客動態(tài)熱舒適自適應理論，解決了傳統(tǒng)熱舒適理論對乘客在地鐵內(nèi)不同區(qū)域無法準確預測人體熱舒適度的難題，對人體在熱環(huán)境中舒適預測精度提升20%以上。
“人體對環(huán)境舒適度的感知取決于3個因素，即溫度、濕度和風速，同樣的溫度和濕度，風速越大，體感溫度會越低，這是我們每個人的真實感受”李國慶說。
地鐵系統(tǒng)中包括兩種“風”，即“活塞風”和“熱壓風”，所謂“活塞風”就是地鐵列車從隧道中駛過時的“抽拉”作用所產(chǎn)生的空氣流動，“熱壓風”則是指由于空氣溫度差而形成的空氣流動（如車站內(nèi)外的溫差）。
“自有地鐵以來，這兩種風一直都是無序的，也是不好被利用的，甚至從未想過通過有效組織和利用風來降低地鐵能耗”，李國慶說，“通過一系列研究，我們提出了地鐵內(nèi)部熱環(huán)境多參數(shù)耦合模型，創(chuàng)建了溫度、濕度與風速綜合補償?shù)墓こ淘O計線算圖。”
這種設計模型能夠充分利用地鐵存在活塞風和熱壓風的特點，在不影響乘客動態(tài)熱舒適情況下，用自然風速補償溫度和濕度，從而顯著降低空調(diào)系統(tǒng)裝機容量，達到節(jié)約地鐵初期建設投資和后期運營維護費用的目的。
該系統(tǒng)最核心的技術是要讓風從“無序”變?yōu)?ldquo;有序”。為了實現(xiàn)對“活塞風”的有效“駕馭”，研發(fā)了適用于全國5個氣候區(qū)的地鐵車站智能有序活塞風調(diào)控技術。該技術通過智能調(diào)控通風設備、智能活塞風調(diào)解閥、智慧調(diào)控系統(tǒng)等設備系統(tǒng)，有效控制活塞風在地鐵車站出入口、迂回風道、活塞風道和車站內(nèi)的有序流動。
“當然了，該技術是一套非常復雜的系統(tǒng)工程，需要土建和設備多系統(tǒng)的協(xié)調(diào)聯(lián)動”，李國慶說，“該成果既保障了舒適健康的地鐵環(huán)境質(zhì)量，又有效降低了建筑用能需求，顯著提升建筑節(jié)能減碳水平，有關技術和理論已經(jīng)分別成功應用于長春、青島、上海、北京等多個城市的地鐵工程中，取得了顯著的社會效益和經(jīng)濟效益。”
