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“风”与“热”的引路人
时间:2021-11-24
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“风”和“热”是无形、无序的,但有这样一位专家学者,他用30余年的潜心研究,致力于做“风”与“热”的引路人,变“无序”为“有序”,不断刷新我国地铁通风空调技术,为城市轨道交通系统的“双碳”目标实现做出了突出贡献。

2021年11月3日,中共中央、国务院在北京人民大会堂举行2020年度国家科学技术奖励大会。作为我国城市轨道交通通风空调领域的知名专家,北京城建设计发展集团党委书记、副总经理李国庆参与研究的“建筑热环境理论及其绿色营造关键技术”荣获国家科学技术进步奖二等奖,这是他15年来第三次步入人民大会堂领取国家级奖项。

为降能耗“铤而走险”

历经50余年的发展,城市轨道交通系统业已成为各大中城市的交通命脉,与此同时,也逐渐成为城市的能耗大户,据预测,城市轨道交通用电占全国总电耗的5‰以上。其中通风空调系统占地铁系统总能耗的30%-50%,是绝对的能耗大户。同时,传统通风空调系统占据地下车站总建筑面积的30%,也是占地第一大户。因此,要实现城轨领域的“双碳”目标,降低通风空调系统能耗势在必行。

“我国地铁通风空调技术起初基本是‘抄’西方国家技术、‘抄’地面建筑技术,采用做‘加法’的方法,将隧道、车站公共区、设备用房等区域的通风系统、制冷系统简单叠加,这种‘加法’造成地铁通风空调系统投资、占地、能耗等各项指标居高不下,单公里的综合造价少则七八亿元,多则十多亿元。”李国庆说,“地下空间寸土寸金,地铁车站通风空调系统决定着地铁工程的规模、造价以及建成后地铁的运行能耗。研究地铁投资、规模和能耗能不能降,首当其冲是空调占地能不能压。”

当北京城建设计研究院接到北京地铁5号线的设计任务后,李国庆感到机会来了。他提出,把传统空调的冷机拆掉,将冷机部件与冷却塔两个系统有机结合在一起,并根据地铁的特点设计研发出新设备,安置在原本闲置的地铁通风道里。将“风”与“热”有机结合,地铁在排风的同时就能带走运行产生的余热等垃圾。通过“加法”变“减法”,为压缩车站长度创造了条件。

“国内外都没有先例,需要的设备目前也没有设备制造商,这能行吗?”面对大家的质疑,已经担任企业主要领导职务的李国庆坚持,尽管按照他说的做,出了问题他来负责。

当时,土建工程已经按照缩小的规模开挖,所需的空调设备如果不能按时到位,将全部作废,李国庆将成为“千古罪人”。但他坚信,只要设备制造商按照他的技术要求生产出合格产品,一定没问题。最终,全新的通风空调设备在北京地铁5号线首次安装应用,这项技术开启了他“颠覆”传统通风空调技术先河。

挑战“传统不可能”

“创新包括多种类型,其中原始创新是最为艰难的,要原始创新就要敢于挑战不可能。”李国庆说,“这几年我就再次成功挑战了地铁空调领域的一项不可能,取消了地铁空调系统的冷却塔,也就是类似于成功研制出了没有室外机的家用空调。”

地铁的传统空调系统离不开地面冷却塔,但冷却塔需要占用宝贵的城市地面资源,同时还存在噪音大、影响城市景观等一系列问题。因此,部分环境受限的地铁车站在建设时甚至以牺牲乘客舒适度为代价,取消了通风空调系统。针对这一难题,李国庆再次尝试挑战传统技术理念的不可能,探索一套没有冷却塔的全新地铁空调系统。

在多年技术积累的基础上,李国庆和他的研究团队发明了“可变形”换热器高效降阻与“遁形式”冷却技术。该技术基于地铁特有风井构造和区间隧道通风特性,创造性地将地面冷却塔和冷凝器合二为一并“遁形”藏于地下,提出了利用地铁通风与水相变结合的高效蒸发冷凝新技术,提高了冷却换热效率,彻底“消灭”了地面冷却塔,节省城市街面宝贵土地的同时解决了影响景观及噪声扰民等环境问题。
该项发明创新技术已推广十余座城市、近300座地铁站中,研发的系列产品已进行规模化生产,并列入国家火炬计划和广东省重点新产品,近三年直接经济效益超十亿元。据统计,该成果在北京、上海、广州、南京等数十条投入运营的地铁线路中,累计节约土建和设备投资11.95亿元、运行费用7170万元/年。

让温度“因体感而变”

通过研发全新地铁通风空调系统“大刀阔斧”减小通风空调占用空间、实现大体量节能降耗后,李国庆并未停止创新的脚步,他适时转变研究目标对象,即从乘客个体对温度的感知角度展开了新的研究。

目前,地铁空调系统一般采用固定热舒适模式,即地铁车站站厅、站台等不同功能区域的空调控制温度标准是统一的,这种模式对乘客的舒适度服务性不强,也不利于控制能耗。“炎热的夏天,当乘客从38度的室外进入26度的站厅后,瞬间的冷气扑面而来,给人的感觉很不舒服,甚至对健康不利。”李国庆介绍,“针对这一特点,我们开展了基础性理论研究,结合地铁乘客流动性特点,建立了地铁乘客动态热舒适自适应(aPMV)理论,该理论区别于传统的固定热舒适理论,解决了传统固定热舒适理论难以对乘客动态从室外-地铁车站站厅-地铁车站站台-地铁车厢行走过程人体热舒适准确预测的难题,热环境中人体热舒适预测精度提升20%以上。提出了热环境对人体热舒适影响的客观度量生理指标,确定了人体可接受热环境的舒适体感温度区间为16-28℃,明确适宜的节能设计标准。”

在此理论基础上,针对地铁车站出入口通道、站厅、站台以及车厢等不同功能区的特点,进一步将地铁车站内不同功能区域按照人员停留时间进行动态分区,建立按不同舒适等级确定设计温度、湿度的技术路线,在满足乘客动态热舒适前提下,显著降低空调系统装机容量,极大地节约了地铁系统初期建设投资和后期运营维护费用。“通俗而言,这套系统为地铁空调控制系统装上了‘智慧大脑’,它可以自动采集室外温度数据,并根据室外温度的变化,动态调整车站内部不同区域的阶梯式温度标准,比如室外温度为32度时,站厅温度可设置为30度,站台温度可设置为28度。这种‘因体感而变’的模式既符合人体生理学,又可大大节省能耗。”李国庆介绍。

让“热”乘“风”而去

随着人们对美好生活标准的提高,对地铁除了“通达性”要求外,“舒适性”的要求也越来越高。特别是夏季乘坐地铁,通风空调系统的效果直接决定乘客对地铁的满意度。“人体对环境舒适度的感知取决于三个因素,即温度、湿度和风速,同样的温度和湿度,风速越大,体感温度会越低,这是我们每个人的真实感受。”李国庆说,“那么反过来想,是否可以通过适当加大风速,让‘热’乘‘风’而去,在不影响乘客体感舒适度的同时,通过提高空调控制温度、从而实现节能降耗呢?”

地铁系统中包括两种“风”,即“活塞风”和“热压风”,所谓“活塞风”就是地铁列车从隧道中驶过时的“抽拉”作用所产生的空气流动,“热压风”则是指由于空气温度差而形成的空气流动(如车站内外的温差)。“自有地铁以来,这两种风一直都是无序的,也是不好被利用的,以至于从未想过通过有效组织和利用风来降低地铁能耗。”李国庆说,“通过一系列研究,我们提出了地铁内部热环境多参数耦合模型,创建了温度、湿度与风速综合补偿的工程设计线算图。这种设计模型能够充分利用地铁存在活塞风和热压风的特点,在不影响乘客动态热舒适情况下,用自然风速补偿温度和湿度,降低环境设计标准(类似于夏季室内空调控制温度由26度提高至30度),从而显著降低空调系统装机容量,达到节约地铁初期建设投资和后期运营维护费用的目的。”

该系统最核心的技术是要让风从“无序”变为“有序”。为了实现对“活塞风”的有效“驾驭”,研发了适用于全国五个气候区的地铁车站智能有序活塞风调控技术。该技术通过智能调控通风设备、智能活塞风调解阀、智慧调控系统等设备系统,有效控制活塞风在地铁车站出入口、迂回风道、活塞风道和车站内的有序流动。“当然了,该技术是一套非常复杂的系统工程,需要土建和设备多系统的协调联动。举一个简单例子,在非空调季,需要活塞风进入站台,屏蔽门上方百叶开启时,需要迂回风道迂回风阀处于关闭状态。”李国庆说。该成果既保障了舒适健康的地铁环境质量,又有效降低了建筑用能需求,显著提升建筑节能减碳水平,有关技术和理论已经成功应用于青岛、上海、北京等多个城市的地铁工程中,取得了显著的社会效益和经济效益。

随着应对气候变化成为全人类的共同挑战,“双碳”目标是以习近平总书记为核心的党中央统筹国内国际两个大局作出的重大战略决策,也是中国人民对世界的庄严承诺。提高城市及其建筑韧性和增强气候变化的适应性是低碳城市和低碳建筑的必然需求,未来建筑特别是交通类建筑将向绿色化及超低能耗、近零能耗、低碳建筑规模化发展。

手捧2020年度国家科技进步二等奖这一鲜红的证书,李国庆感慨道,“这是一份荣誉,也是一份责任,是国家对我们整个科研团队研究成果的认可和勉励。作为一名从业30余年的城市轨道交通科技工作者、新中国首条地铁设计企业的党委书记,我将准确把握新发展阶段,贯彻新发展理念,融入新发展格局,持续坚持创新引领,立足行业前沿,聚焦企业中心工作,努力培养一支‘政治可靠,业务过硬,作风优良’的干部人才队伍,为我国城市轨道交通绿色低碳发展、企业的高质量发展作出更大的贡献。”

人物档案:

李国庆,享受国务院政府津贴专家,“北京市有突出贡献的科学、技术、管理人才”,“北京市新世纪百千万人才”,教授级高级工程师,北京城建设计发展集团党委书记、董事、副总经理,轨道交通节能北京市工程研究中心主任,三获国家技术发明奖、国家科学技术进步奖。