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李国庆:详解获得2016国家技术发明奖工程应用核心点

来源:暖通空调在线 作者:暖通空调在线 2017-01-21 13:18:46
[暖通空调在线原创]   
    2017年1月9日上午,中共中央、国务院在北京人民大会堂隆重举行国家科学技术奖励大会,大会揭晓了2016年度国家最高科学技术奖、国家自然科学奖、国家技术发明奖、国家科技进步奖和中华人民共和国国家科学技术合作奖的评选结果。

    在获奖名单中,“地铁环境保障与高效节能关键技术创新及应用”获得了国家技术发明二等奖。

    此项目的重要主导单位之一,是在我国近些年大规模地铁建设中做出突出贡献的北京城建设计发展集团,该集团所拥有的作为项目支撑的多项工程创新技术,在地铁工程中得以广泛应用并取得良好的应用效果。这一项目获得国家技术发明二等奖,也是对多年来设计、科研人员们付出艰辛努力的至高奖励。

    暖通空调在线特别专访了参与并主导该项目四项工程创新点的北京城建设计发展集团党委书记、副总经理李国庆先生,请他为我们详解这一获奖项目中创新技术落实到实际工程的关键点,同时,也因为李国庆先生多年来一直从事地铁通风空调系统的设计和科研工作,积累了丰富的实践经验,我们也从采访中获知了很多有趣的在地铁工程中实施通风空调系统技术创新的故事。
 
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    地铁在中国的发展,经历了从上世纪60年代末国内最早的北京地铁1号线以人民防空为主兼顾运营到现在的以运营为主兼顾人民防空,进而成为解决城市交通问题的主力军。老百姓对地铁从需求到功能上,都有了巨大的变化。地铁需要确保安全运行,而且要降低投资、节省运营费用、提供安全舒适的车站环境等诸多方面综合考虑。因此,地铁工程建设遇到诸多问题的挑战,如:占地面积大、系统能耗高、系统运行模式复杂等问题一直都是长期困挠地铁建设的难题。地铁科研技术人员不断的在工程实践中探索创新,在解决工程难题的过程中,也积累了诸多的创新技术与发明。 
       
    李国庆先生1990年自清华大学暖通空调专业毕业后,进入北京城建设计发展集团工作,当年就进入正在建设的北京地铁1号线西单站项目设计组工作。自此,他在北京城建设计发展集团扎根,27年来一直从事与中国城市轨道交通建设相关的设计、研究工作,带领团队取得了多项科技创新成果,在国内外完成了多个重点工程项目,参与编写多项国家标准规范,获得了多个省部级、国家级奖项。  
       
    “地铁环境保障与高效节能关键技术创新及应用”获得了2016国家技术发明二等奖,该项目申报奖项的文件中归纳了以下5个技术核心点:

    (1)发明了地铁环境保障用通风空调多功能设备集成化技术,解决了传统地铁环控系统能耗高、占地多、运行控制繁琐的难题;
   
    (2)发明了“柱-壁-体”空气湖通风高效气流组织技术及设计方法,应用于系列地铁工程建设中,提高了地铁通风效率和空气品质;

    (3)发明了地铁暗挖车站高效空气-水空调技术与输配减阻降耗技术,打破地铁环控设计全部采用全空气系统的固定模式,降低了地铁环控输送系统阻力;
         
    (4)发明了基于全年气候的地铁可调通风型站台门技术及设计方法,改善了地铁站台候车环境,通风空调系统年运行能耗大幅度降低;
         
    (5)基于关键技术创新,研发具有自主知识产权的地铁环控系列产品,实现了产业化生产。

    李国庆先生在采访中详细讲解了他所带领的北京城建设计发展集团科研团队主导其中1、3、4点创新的过程,上述第5点的产业化,也是在李国庆先生指导企业将创新技术落实到产品生产当中。

    1 地铁环境保障用通风空调多功能设备集成化技术

    此套设备集成系统设计理念的提出,缘于北京地铁的实际工程需求。2005年,北京地铁建设5号线时,提出了需要减少地下车站规模的问题。当时我们经过分析研究,提出了缩短车站长度的设想,这个创新理念提出后,还得到了彦启森和吴元炜两位前辈的大力支持,他们在了解了我们的设计理念之后,呼吁行业企业投入研发,将设计思路落地,这些参与此项目的企业,都自行投入资金进行工程项目设备的配套开发,后来这一系列的设备集成系统直接应用于北京的多项地铁工程建设中。
       
    集成系统的构成简单说就是将区间隧道通风系统与车站公共区通风空调系统完全合并、有机集成设置在机房中,这是最基本的思路。实现的技术创新点,采取了风机变频技术,改变风机的特性曲线,满足不同的风量、风压要求,解决所集成的不同系统之间风机参数匹配的问题。另一个重要创新技术,是可电动开启式表冷器设备的研发,将用于夏季冷却空气的表冷器移至土建风道中,这个表冷器因为设置了电动控制可开启与关闭,这样在通风季节,将表冷器打开,还可以降低通风阻力,减少风机运行的能源消耗。  
       
    这项创新,目前已经应用于北京地铁4号线、5号线、6号线、7号线、9号线和10号线、14号线、青岛地铁、南京地铁等工程中,目前运行效果良好,实现了社会和经济效益的双丰收。  
       
    这个项目在设计之初,又得到了清华大学朱颖心老师团队的大力支持,帮助进行了模拟计算,此创新合作项目,获得2009年北京市科技进步三等奖。

    2 地铁暗挖车站高效空气-水空调技术与输配减阻降耗技术

    这个技术发明有一段故事。1998年,是广州地铁2号线江南西站的建设期,基于这个站点的实际情况,地处商业中心,地面交通繁忙,建筑物密集,寸土寸金。车站明挖的方式并不可用,因此工程施工方只能采取暗挖的方式。我们当时按照传统的暗挖形式地下车站通风空调系统方式进行设计出图,暗挖的单个通道截面积至少需要约90平方米,这带来了土建结构施工的巨大风险。
       
    本身地下车站采用暗挖形式施工时,车站的土建面积往往因为施工场地和建造费用的原因必须尽量减小,导致通风空调机房难以找到合适的位置,而之前地铁车站普遍采用的全空气通风空调系统的机房占地面积又很大,两者之间有着无法协调的矛盾。  
       
    为此,我们在项目中不得不推翻原有按传统全空气系统的设计方案,在设计思路上寻求理念上的创新,通过改变通风空调系统设置形式,达到既减少建设土方开挖量和减小施工风险,又要确保地下车站的舒适度。我们当时把一些创新理念拿出来,请当时也在广州出差的清华大学江亿院士和朱颖心老师帮助加以分析,他们两位专家特别认真地与我们一起讨论,并肯定了我提出的设想。在不断的摸索中,我们提出了“暗挖车站新型空气-水通风空调系统”的设计方案,创新性地将风机盘管系统进行合理布局,在车站公共区采用风机盘管+新风的通风空调系统的形式,这样的方案还极大地缩小了暗挖隧道的断面面积,由最初90多平方米缩小到57.4平方米。  
         
    这套系统配置,需要根据城市轨道交通地下车站内部空气环境在不同工况时的需求来设定,并且在不同的运行季节和运行工况采用相应的运行模式。当时在广州地铁建设期间,广东省建筑设计院的老专家刘建华女士在结合当地气候状况的情况上,给了我们很多帮助。
         
    此套空气-水通风空调系统的创新点简单说是很好地利用了暗挖形式地下车站的结构特点,将占地面积大的集中通风空调机房分散为若干的占地面积小的机房,并利用暗挖施工的拱形结构特点,更好地利用了空间进行机房的布置,减少了土建规模,单独设置的小新风道、全新风道、排风道,同时与地下车站通风系统、排烟系统有机结合,构造了一套满足地下车站所需功能的新系统,满足正常通风、空调和火灾排烟的功能需要。  
         
    这个系统后续委托清华大学朱颖心老师团队进行了一个月的实地监测,之后又委托清华大学李先庭老师团队与我们一起对数据进行分析,测试结果表明,新系统实际运行效果良好,后续资料整理为科技成果,在2005年,该项目获得了北京市科技进步一等奖。  
         
    目前,各地地铁建设中已有很多工程直接采用或者借鉴了这套设计思路,当初我们在广州地铁2号线江南西站的应用是属于业界首创。
       
    3 基于全年气候的地铁可调通风型站台门技术及设计方法

    地铁车站到底采用哪种站台门系统,业界有个持续了几十年的争论,这就是“屏蔽门与安全门之争”。行业普遍认为,地铁在空调季节的运行过程中,屏蔽门式通风空调系统的季节节能性好,非空调季节,则安全门式通风空调系统节能性好。因此,要解决这一看似矛盾的现象,通过技术途径,实现屏蔽门式通风空调系统与安全门式通风空调系统的有机转换,构建一套全新的全年的节能型通风空调系统,在不同季节充分发挥各自的节能优势,这项全新技术方案就是“可调通风型站台门式通风空调系统”。  
         
    这个技术方案的名称也有一个小故事,当时我们叫“新型站台门”,是施仲衡院士、江亿院士和吴德绳院长,他们三个人一起商量后给这个新型站台门名字修改为 “可调通风型站台门”,与此对应,新型通风空调系统也命名为“可调通风型站台门式通风空调系统”。
         
    可调通风型站台门式通风空调系统在非空调季节,充分利用地铁列车在隧道内运行所产生的活塞风,满足地下车站公共区及隧道区间空气的温度和湿度的要求,并实现地铁地下车站内部空气与外界大气之间适度的通风换气,从而节约地下车站公共区风机的运行能耗以及区间隧道风机的运行能耗,达到节能目的,在空调季节可隔绝区间隧道与地下车站的连通,消除列车运行产生的活塞效应对地下车站的影响,保证地下车站空调负荷不至于损失,实现通风空调系统全年运行的节能。  
         
    这套理念实现起来有很多难点,涉及到跨学科的很多方面,有很多制约因素需要考虑。我提出了思路之后,需要做出了一套新的站台门与空调、通风系统匹配起来,然后专业做屏蔽门设备的企业做了研发,上海地铁11号线云锦路站给了我们机会安装,后来清华大学李先庭团队和我们一起也做了好几年不同季节的使用情况测试,积累了丰富而翔实的工程实践应用资料。

    想了解李国庆先生更多创新实践可阅读暖通空调在线高端访谈:

    李国庆:地铁追“风”的创新实践者
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