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更新时间:2021/12/02

从“追风”到“驭风”我国地铁通风空调技术不断刷新低环温空气源热泵线路图

前不久,《建筑热环境理论与绿色建筑关键技术》获得科技进步奖二等奖。

这是该研究参与者李国庆15年来第三次进入人民大会堂接受奖项。他以30多年的潜心研究,致力于做“风”与“热”的引导者,变“乱”为“序”,不断刷新中国地铁的通风空调技术,为实现城市轨道交通系统“双碳”目标贡献力量。

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1990年从清华大学暖通专业毕业后,李国庆一直坚守在地铁通风空调领域科研的线。现为北京城建设计开发集团党委书记、副总经理,仍奋斗在技术创新的最前沿。低温空气源热泵电路图

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提起李国庆的创新之路,还要从广州地铁2号线时代说起,他被任命为线路设备设计总体负责人。

由于受广州地形、建筑密集等因素影响,该线路江南西站采用地下开挖方式施工,埋深超过27米。“如果空调设备按照当时国内外广泛使用的大规模风道排风送风设计,需要在狭小空间内为风道开挖两个总孔径面积接近100平方米的通风井,安全风险巨大,施工成本难以控制。”李国庆回忆道。

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当时国内外都没有解决这类问题的成功经验,所以要想克服这个困难,只能另辟蹊径。

“要传输同样多的冷能,水的传导会比空气的传导多,节省了数百倍的空间。在水系统空调和制冷的帮助下,原来近100平方米的孔径可以压缩到57平方米,所有问题都会迎刃而解。”李国庆说,“为了验证我的设计思路,我多次咨询了中国工程院院士蒋易等众多专家学者,得到了他们的支持”。

随后,李国庆多次调整设计思路,配套“地下车站气水通风空调系统”,并向项目业主提交设计方案。利用水系统进行空调制冷并不是一项新技术,但该技术在国内外应用于地铁建设。建造师非常谨慎,邀请了很多专家现场演示。最后得到了专家的一致认可。

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“车站建成后,取得了意想不到的效果。采用低环境温度空气源热泵线路图的新型空气-水通风空调系统,不仅通风降温效果令人满意,更重要的是节能效果突出,比传统车站能耗降低了四分之一。一个站每年可节约电费73万元。”李国庆已经尝到了创新的甜头。

得益于本次设计通风空调系统的有效融合,每个车站可节省土建面积600~800平方米,同时大大降低施工成本和施工风险。目前,该技术已在全国20多个城市成功应用于地铁建设,环境温度较低的空气源热泵线路图已成为地铁老线路地下开挖车站建设和空调系统改造的成功典范。低温空气源热泵电路图

“2006年,为了迎接北京奥运会,北京地铁1号线启动了消隐改造。由于两条地铁线路施工期间未安装空调,并预留了相关设备空间,地下车站的空气-水通风空调系统再次成为‘更优解’,成功实现了应用。”李国庆说,“作为一名轨道交通人,能够为北京奥运会的服务保障贡献智慧和力量,我感到非常幸运”。

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2006年“广州地铁节能环保安全技术集成与应用

“通风空调系统的体积过于臃肿复杂,直接影响地铁工程的规模和成本,以及建成后地铁的运行能耗,这已经成为当时业内同仁的普遍共识。”李国庆说。

广州地铁2号线试点测试后,李国庆实现了下一步的创新转型目标,开始了新一轮的科技攻关。终于,机会来了。2001年,北京地铁5号线开工建设。在次土建招标中,李国庆留下了“小心思”,悄悄将自己最新的通风空调设计理念运用到设计方案中。凭借精益车站设计理念,全线一举中标。

在设备招标阶段,李国庆已经“搞砸了”。按照之前的土建标准方案,车站站台被压缩了20多米,传统的空调机房根本放不下,所有投标人都无计可施。然而,就在这个时候,随着前期技术的积累,李国庆及时抛出了自己的最新款。

研究成果,即:通风空调多功能设备集成系统,成功取代传统空调冷机,形成完美解决方案,一举拿下设备标。

  “我的设计理念主要是将通风空调系统进行重新整合和改进,从而减少土建规模和投资。在设备的使用上,通过采用风机变频调速技术,可以在夏季根据轨道交通系统内部空间的热负荷在不同运营时间的变化,实现系统的变风量运行;而在非空调季节通过可开启表冷器,降低系统阻力,从而减少大量能耗,降低运行费用。”李国庆说。

  “当时的设计方案是我的最新研究成果,国内外没有范例,建设方最开始很抵触,组织行业专家进行了10余次论证,最终获得了认可,”李国庆介绍说,“虽然有了设计方案和设备概念雏形,但是市场上根本没有相关产品,经过我多方奔走,联系了几十个厂家呼吁研制,终于有厂家接受方案并生产出了上乘产品。”

  最终,全新的通风空调系统在5号线安装应用,效果良好,该技术还成功应用于北京地铁4号线号线号线以及南京、青岛等等国内多条地铁线座,形成巨大经济效益。

  创新的脚步不停歇,解决完地铁站内通风空调问题后,李国庆又将目光转向了地铁站外的“占地大户”—空调系统冷却塔。

  2016年,以李国庆研发的系列技术为核心的“地铁环境保障与高效节能关键技术创新及应用”于2016年获得技术发明二等奖。

  随着城市轨道交通使出行更加便捷,如何让地铁出行更加舒适?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”,李国庆介绍说。

  针对这项问题,李国庆带领科研团队开展了跨学科、多领域研究,从人的生理、低环温空气源热泵线路图心理以及新陈代谢等多角度多维度进行综合分析,创建了地铁乘客动态热舒适自适应理论,解决了传统热舒适理论对乘客在地铁内不同区域无法准确预测人体热舒适度的难题,对人体在热环境中舒适预测精度提升20%以上。

  “人体对环境舒适度的感知取决于3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。

  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)。低环温空气源热泵线路图

  “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,甚至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,从而显著降低空调系统装机容量,低环温空气源热泵线路图低环温空气源热泵线路图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5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”,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分别成功应用于长春、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。”