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“風(fēng)”和“熱”是無形、無序的，但有這樣一位專家學(xué)者，他用30余年的潛心研究，致力于做“風(fēng)”與“熱”的引路人，變“無序”為“有序”，不斷刷新我國地鐵通風(fēng)空調(diào)技術(shù)，為城市軌道交通系統(tǒng)的“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)做出了突出貢獻(xiàn)。
2021年11月3日，中共中央、國務(wù)院在北京人民大會堂舉行2020年度國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會。作為我國城市軌道交通通風(fēng)空調(diào)領(lǐng)域的知名專家，北京城建設(shè)計發(fā)展集團(tuán)黨委書記、副總經(jīng)理李國慶參與研究的“建筑熱環(huán)境理論及其綠色營造關(guān)鍵技術(shù)”榮獲國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎二等獎，這是他15年來第三次步入人民大會堂領(lǐng)取國家級獎項(xiàng)。
為降能耗“鋌而走險”
歷經(jīng)50余年的發(fā)展，城市軌道交通系統(tǒng)業(yè)已成為各大中城市的交通命脈，與此同時，也逐漸成為城市的能耗大戶，據(jù)預(yù)測，城市軌道交通用電占全國總電耗的5‰以上。其中通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)占地鐵系統(tǒng)總能耗的30%-50%，是絕對的能耗大戶。同時，傳統(tǒng)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)占據(jù)地下車站總建筑面積的30%，也是占地第一大戶。因此，要實(shí)現(xiàn)城軌領(lǐng)域的“雙碳”目標(biāo)，降低通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗勢在必行。
“我國地鐵通風(fēng)空調(diào)技術(shù)起初基本是‘抄’西方國家技術(shù)、‘抄’地面建筑技術(shù)，采用做‘加法’的方法，將隧道、車站公共區(qū)、設(shè)備用房等區(qū)域的通風(fēng)系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)簡單疊加，這種‘加法’造成地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)投資、占地、能耗等各項(xiàng)指標(biāo)居高不下，單公里的綜合造價少則七八億元，多則十多億元�！崩顕鴳c說，“地下空間寸土寸金，地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)決定著地鐵工程的規(guī)模、造價以及建成后地鐵的運(yùn)行能耗。研究地鐵投資、規(guī)模和能耗能不能降，首當(dāng)其沖是空調(diào)占地能不能壓�！�
當(dāng)北京城建設(shè)計研究院接到北京地鐵5號線的設(shè)計任務(wù)后，李國慶感到機(jī)會來了。他提出，把傳統(tǒng)空調(diào)的冷機(jī)拆掉，將冷機(jī)部件與冷卻塔兩個系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合在一起，并根據(jù)地鐵的特點(diǎn)設(shè)計研發(fā)出新設(shè)備，安置在原本閑置的地鐵通風(fēng)道里。將“風(fēng)”與“熱”有機(jī)結(jié)合，地鐵在排風(fēng)的同時就能帶走運(yùn)行產(chǎn)生的余熱等垃圾。通過“加法”變“減法”，為壓縮車站長度創(chuàng)造了條件。
“國內(nèi)外都沒有先例，需要的設(shè)備目前也沒有設(shè)備制造商，這能行嗎？”面對大家的質(zhì)疑，已經(jīng)擔(dān)任企業(yè)主要領(lǐng)導(dǎo)職務(wù)的李國慶堅(jiān)持，盡管按照他說的做，出了問題他來負(fù)責(zé)。
當(dāng)時，土建工程已經(jīng)按照縮小的規(guī)模開挖，所需的空調(diào)設(shè)備如果不能按時到位，將全部作廢，李國慶將成為“千古罪人”。但他堅(jiān)信，只要設(shè)備制造商按照他的技術(shù)要求生產(chǎn)出合格產(chǎn)品，一定沒問題。最終，全新的通風(fēng)空調(diào)設(shè)備在北京地鐵5號線首次安裝應(yīng)用，這項(xiàng)技術(shù)開啟了他“顛覆”傳統(tǒng)通風(fēng)空調(diào)技術(shù)先河。
挑戰(zhàn)“傳統(tǒng)不可能”
“創(chuàng)新包括多種類型，其中原始創(chuàng)新是最為艱難的，要原始創(chuàng)新就要敢于挑戰(zhàn)不可能�！崩顕鴳c說，“這幾年我就再次成功挑戰(zhàn)了地鐵空調(diào)領(lǐng)域的一項(xiàng)不可能，取消了地鐵空調(diào)系統(tǒng)的冷卻塔，也就是類似于成功研制出了沒有室外機(jī)的家用空調(diào)。”
地鐵的傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)離不開地面冷卻塔，但冷卻塔需要占用寶貴的城市地面資源，同時還存在噪音大、影響城市景觀等一系列問題。因此，部分環(huán)境受限的地鐵車站在建設(shè)時甚至以犧牲乘客舒適度為代價，取消了通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)。針對這一難題，李國慶再次嘗試挑戰(zhàn)傳統(tǒng)技術(shù)理念的不可能，探索一套沒有冷卻塔的全新地鐵空調(diào)系統(tǒng)。
在多年技術(shù)積累的基礎(chǔ)上，李國慶和他的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)明了“可變形”換熱器高效降阻與“遁形式”冷卻技術(shù)。該技術(shù)基于地鐵特有風(fēng)井構(gòu)造和區(qū)間隧道通風(fēng)特性，創(chuàng)造性地將地面冷卻塔和冷凝器合二為一并“遁形”藏于地下，提出了利用地鐵通風(fēng)與水相變結(jié)合的高效蒸發(fā)冷凝新技術(shù)，提高了冷卻換熱效率，徹底“消滅”了地面冷卻塔，節(jié)省城市街面寶貴土地的同時解決了影響景觀及噪聲擾民等環(huán)境問題。
該項(xiàng)發(fā)明創(chuàng)新技術(shù)已推廣十余座城市、近300座地鐵站中，研發(fā)的系列產(chǎn)品已進(jìn)行規(guī)模化生產(chǎn)，并列入國家火炬計劃和廣東省重點(diǎn)新產(chǎn)品，近三年直接經(jīng)濟(jì)效益超十億元。據(jù)統(tǒng)計，該成果在北京、上海、廣州、南京等數(shù)十條投入運(yùn)營的地鐵線路中，累計節(jié)約土建和設(shè)備投資11.95億元、運(yùn)行費(fèi)用7170萬元/年。
讓溫度“因體感而變”
通過研發(fā)全新地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)“大刀闊斧”減小通風(fēng)空調(diào)占用空間、實(shí)現(xiàn)大體量節(jié)能降耗后，李國慶并未停止創(chuàng)新的腳步，他適時轉(zhuǎn)變研究目標(biāo)對象，即從乘客個體對溫度的感知角度展開了新的研究。
目前，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(biāo)準(zhǔn)是統(tǒng)一的，這種模式對乘客的舒適度服務(wù)性不強(qiáng)，也不利于控制能耗。“炎熱的夏天，當(dāng)乘客從38度的室外進(jìn)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�！崩顕鴳c介紹，“針對這一特點(diǎn)，我們開展了基礎(chǔ)性理論研究，結(jié)合地鐵乘客流動性特點(diǎn)，建立了地鐵乘客動態(tài)熱舒適自適應(yīng)(aPMV)理論，該理論區(qū)別于傳統(tǒng)的固定熱舒適理論，解決了傳統(tǒng)固定熱舒適理論難以對乘客動態(tài)從室外-地鐵車站站廳-地鐵車站站臺-地鐵車廂行走過程人體熱舒適準(zhǔn)確預(yù)測的難題，熱環(huán)境中人體熱舒適預(yù)測精度提升20%以上。提出了熱環(huán)境對人體熱舒適影響的客觀度量生理指標(biāo)，確定了人體可接受熱環(huán)境的舒適體感溫度區(qū)間為16-28℃，明確適宜的節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。”
在此理論基礎(chǔ)上，針對地鐵車站出入口通道、站廳、站臺以及車廂等不同功能區(qū)的特點(diǎn)，進(jìn)一步將地鐵車站內(nèi)不同功能區(qū)域按照人員停留時間進(jìn)行動態(tài)分區(qū)，建立按不同舒適等級確定設(shè)計溫度、濕度的技術(shù)路線，在滿足乘客動態(tài)熱舒適前提下，顯著降低空調(diào)系統(tǒng)裝機(jī)容量，極大地節(jié)約了地鐵系統(tǒng)初期建設(shè)投資和后期運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用�！巴ㄋ锥�，這套系統(tǒng)為地鐵空調(diào)控制系統(tǒng)裝上了‘智慧大腦’，它可以自動采集室外溫度數(shù)據(jù)，并根據(jù)室外溫度的變化，動態(tài)調(diào)整車站內(nèi)部不同區(qū)域的階梯式溫度標(biāo)準(zhǔn)，比如室外溫度為32度時，站廳溫度可設(shè)置為30度，站臺溫度可設(shè)置為28度。這種‘因體感而變’的模式既符合人體生理學(xué)，又可大大節(jié)省能耗�！崩顕鴳c介紹。
讓“熱”乘“風(fēng)”而去
隨著人們對美好生活標(biāo)準(zhǔn)的提高，對地鐵除了“通達(dá)性”要求外，“舒適性”的要求也越來越高。特別是夏季乘坐地鐵，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的效果直接決定乘客對地鐵的滿意度�！叭梭w對環(huán)境舒適度的感知取決于三個因素，即溫度、濕度和風(fēng)速，同樣的溫度和濕度，風(fēng)速越大，體感溫度會越低，這是我們每個人的真實(shí)感受。”李國慶說，“那么反過來想，是否可以通過適當(dāng)加大風(fēng)速，讓‘熱’乘‘風(fēng)’而去，在不影響乘客體感舒適度的同時，通過提高空調(diào)控制溫度、從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗呢？”
地鐵系統(tǒng)中包括兩種“風(fēng)”，即“活塞風(fēng)”和“熱壓風(fēng)”，所謂“活塞風(fēng)”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(fēng)”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）�！白杂械罔F以來，這兩種風(fēng)一直都是無序的，也是不好被利用的，以至于從未想過通過有效組織和利用風(fēng)來降低地鐵能耗�！崩顕鴳c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(fēng)速綜合補(bǔ)償?shù)墓こ淘O(shè)計線算圖。這種設(shè)計模型能夠充分利用地鐵存在活塞風(fēng)和熱壓風(fēng)的特點(diǎn)，在不影響乘客動態(tài)熱舒適情況下，用自然風(fēng)速補(bǔ)償溫度和濕度，降低環(huán)境設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（類似于夏季室內(nèi)空調(diào)控制溫度由26度提高至30度），從而顯著降低空調(diào)系統(tǒng)裝機(jī)容量，達(dá)到節(jié)約地鐵初期建設(shè)投資和后期運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用的目的。”
該系統(tǒng)最核心的技術(shù)是要讓風(fēng)從“無序”變?yōu)椤坝行颉�。為了�?shí)現(xiàn)對“活塞風(fēng)”的有效“駕馭”，研發(fā)了適用于全國五個氣候區(qū)的地鐵車站智能有序活塞風(fēng)調(diào)控技術(shù)。該技術(shù)通過智能調(diào)控通風(fēng)設(shè)備、智能活塞風(fēng)調(diào)解閥、智慧調(diào)控系統(tǒng)等設(shè)備系統(tǒng)，有效控制活塞風(fēng)在地鐵車站出入口、迂回風(fēng)道、活塞風(fēng)道和車站內(nèi)的有序流動。“當(dāng)然了，該技術(shù)是一套非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要土建和設(shè)備多系統(tǒng)的協(xié)調(diào)聯(lián)動。舉一個簡單例子，在非空調(diào)季，需要活塞風(fēng)進(jìn)入站臺，屏蔽門上方百葉開啟時，需要迂回風(fēng)道迂回風(fēng)閥處于關(guān)閉狀態(tài)�！崩顕鴳c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(guān)技術(shù)和理論已經(jīng)成功應(yīng)用于青島、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(jì)效益。
隨著應(yīng)對氣候變化成為全人類的共同挑戰(zhàn)，“雙碳”目標(biāo)是以習(xí)近平總書記為核心的黨中央統(tǒng)籌國內(nèi)國際兩個大局作出的重大戰(zhàn)略決策，也是中國人民對世界的莊嚴(yán)承諾。提高城市及其建筑韌性和增強(qiáng)氣候變化的適應(yīng)性是低碳城市和低碳建筑的必然需求，未來建筑特別是交通類建筑將向綠色化及超低能耗、近零能耗、低碳建筑規(guī)模化發(fā)展。
手捧2020年度國家科技進(jìn)步二等獎這一鮮紅的證書，李國慶感慨道，“這是一份榮譽(yù)，也是一份責(zé)任，是國家對我們整個科研團(tuán)隊(duì)研究成果的認(rèn)可和勉勵。作為一名從業(yè)30余年的城市軌道交通科技工作者、新中國首條地鐵設(shè)計企業(yè)的黨委書記，我將準(zhǔn)確把握新發(fā)展階段，貫徹新發(fā)展理念，融入新發(fā)展格局，持續(xù)堅(jiān)持創(chuàng)新引領(lǐng)，立足行業(yè)前沿，聚焦企業(yè)中心工作，努力培養(yǎng)一支‘政治可靠，業(yè)務(wù)過硬，作風(fēng)優(yōu)良’的干部人才隊(duì)伍，為我國城市軌道交通綠色低碳發(fā)展、企業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展作出更大的貢獻(xiàn)�！�
人物檔案：
李國慶，享受國務(wù)院政府津貼專家，“北京市有突出貢獻(xiàn)的科學(xué)、技術(shù)、管理人才”，“北京市新世紀(jì)百千萬人才”，教授級高級工程師，北京城建設(shè)計發(fā)展集團(tuán)黨委書記、董事、副總經(jīng)理，軌道交通節(jié)能北京市工程研究中心主任，三獲國家技術(shù)發(fā)明獎、國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎。 | 