李國慶。北京城建設計發展集團供圖

“這是一份榮譽，是國家對我們整個科研團隊研究成果的認可和勉勵，更是一份責任。”北京城建設計發展集團黨委書記、副總經理李國慶手捧鮮紅的証書說。

11月3日，2020年度國家科學技術獎揭曉，李國慶參與研發的“建筑熱環境理論及其綠色營造關鍵技術”榮獲國家科學技術進步獎二等獎。這是李國慶15年來第三次步入人民大會堂領取國家級獎項。

“在城市軌道交通綠色低碳發展背景下，作為一名從事地鐵通風空調設計30余年的科技工作者，我有責任通過不斷創新，為軌道交通系統實現‘雙碳’目標貢獻一份力量。”李國慶說。

大膽做“減法” 不再卡脖子

軌道交通是城市公共交通的骨干，也是能耗大戶。數據顯示，城市軌道交通用電佔全國總耗電量的5‰以上，其中通風空調系統佔地鐵系統總能耗的30%-50%。它還是佔地第一大戶，佔據地下車站總建筑面積的30%。

城市地下空間寸土寸金，地鐵車站通風空調系統決定著工程規模、造價及建成后地鐵的運行能耗。實現城市軌道交通領域的“雙碳”目標，壓減通風空調佔地空間，降低其能耗勢在必行。

“我國地鐵通風空調技術基本借鑒其他國家，採用做‘加法’的方法，將隧道、車站公共區、設備用房等區域的通風系統、制冷系統堆砌，導致地鐵通風空調系統投資、佔地、能耗等指標居高不下，工程綜合造價攀升。”李國慶說。

2002年，北京城建設計研究院接到北京地鐵5號線土建及設備設計任務。李國慶大膽提出：拆掉傳統空調的冷機，整合冷機部件與冷卻塔兩個系統，從而縮小佔地面積和體積，減少施工風險和工程投資。

李國慶尋思：若實現這個構想就需要研制出形式簡單、功能齊全，又節約機房佔地空間的新型通風空調系統。李國慶說：“新設備可以放在原本閑置的地鐵通風道裡，通過採用風機變頻調速技術，將‘風’與‘熱’結合，地鐵在排風的同時帶走運行產生的余熱。通過‘加法’變‘減法’，壓縮車站長度節省面積，從而縮小地下車站土建規模，降低了投資成本。”

“這在國內外都沒有先例，研發的新設備也沒有相應的制造商，能行嗎？”業內人士對李國慶的方案提出了質疑。另外，由於是一款新產品，市場前景不明朗，廠家都拒絕為李國慶生產。“真的是壓力山大。”李國慶回憶當時的情形說。

李國慶一次又一次宣講新設備的優勢，一輪又一輪對新技術展開論証，他對自己的創新充滿信心，“我不是簡單為了証明自己的東西比國外技術水平高，而是要抓住我國地鐵大規模建設的歷史機遇期，全力以赴創新，研發出我們自己的新技術新產品新理論，從此不再被國外卡脖子。”

最終，李國慶贏得了專家支持，並說服廠家同意進行生產。2007年10月，北京地鐵5號線開通，首次採用全新的地鐵暖通空調集成系統，運行情況良好，且車站長度縮短了20米。此后，新空調系統在多個城市地鐵線路應用，據測算，僅北京地鐵5號線和10號線一期38座車站土建工程就節省了1.9億元造價。

挑戰不可能 冷卻塔遁形

傳統的地鐵空調系統離不開地面冷卻塔，不但佔用了寶貴的地上資源，還存在噪音大、影響城市景觀等問題。李國慶說：“部分地鐵車站因為地面冷卻塔設置條件受限，甚至通風空調系統無法正常運行，致使乘客舒適度大大降低。”

創新包括多種類型，原始創新最為艱辛。李國慶說：“開展原始創新就要敢於挑戰不可能，不怕冒風險擔責任，走出一條新路。”

李國慶探索研制出一套沒有冷卻塔的全新地鐵空調系統，“打個不恰當的比方，就相當於沒有室外機的家用空調。”

他和團隊發明了“可變形”換熱器高效降阻與“遁形式”冷卻技術，該技術基於地鐵特有風井構造和區間隧道通風特性，創造性將地面冷卻塔和冷凝器合二為一，並“遁形”藏於地下。

李國慶還提出了利用地鐵通風與水相變結合的高效蒸發冷凝新技術，提高了冷卻換熱效率，徹底“消滅”了地面冷卻塔，節省了寶貴的土地資源，解決了影響景觀及噪聲擾民等問題。該項發明新技術已推廣至北京、上海、杭州、石家庄、鄭州等城市數十條地鐵線路，累計節約土建和設備投資11.95億元，每年節省地鐵運行費用7170萬元。

創自主體系 乘客感知更舒適

應對氣候變化成為全人類的共同挑戰，交通建筑開始向綠色化及超低能耗、低碳建筑發展。長期以來，我國地鐵通風空調專業參照歐美標准，缺乏自主的理論和技術體系。

李國慶歷時20余年，通過理論方法研究、關鍵技術研發、產品研制及工程設計應用等，取得了一系列創新成果，突破了高耗能等理論和技術瓶頸。

地鐵空調系統一般採用固定熱舒適模式，傳統固定舒適理論難以對乘客從室外-地鐵站廳-站台-車廂動態行走過程的人體熱舒適進行准確預測，造成地鐵站站廳、站台等不同功能區域空調控制溫度採用一樣的標准。盛夏時節，當乘客從炎熱的室外進入冷氣十足的站廳，給人的感受極不舒服，甚至不利於身體健康。此外，傳統模式也不利於能耗控制。

李國慶率領團隊結合乘客流動性特點，創立了地鐵乘客動態熱舒適自適應理論，提出了熱環境對人體熱舒適影響的客觀度量指標，確定了人體可接受熱環境的舒適體感溫度區間，明確了適宜的節能設計標准，使熱環境中人體熱舒適預測精度提升了20%以上。

在此基礎上，李國慶進一步將地鐵車站出入口、通道、站廳、站台以及車廂等不同功能區域按照人員停留時間進行動態分區，建立按不同舒適等級確定設計溫度、濕度的技術路線，在滿足乘客動態熱舒適前提下，降低空調系統裝機容量，極大節約了地鐵系統初期建設投資和后期運營維護費用。

“通俗地講，這套系統等於為地鐵空調控制系統裝上了‘智慧大腦’，它可以自動採集室外溫度數據，並根據室外溫度變化，動態調整車站內部不同區域階梯式溫度標准，如室外溫度32攝氏度時，站廳溫度可設置為30攝氏度，站台溫度可設置為28攝氏度。這種‘因體感而變’的新模式既符合人體生理學，又大大降低了能耗。”李國慶說。

逆向思維馭風 讓熱乘風而去

隨著人們對美好生活的新期待，乘客對地鐵舒適性的要求也越來越高。人體對環境舒適度的感知取決於三個因素：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。李國慶採取逆向思維：能否通過適當加大風速，讓“熱”乘“風”而去，在不影響乘客舒適度的同時，通過提高空調控制溫度，實現節能降耗。

地鐵系統中包括兩種“風”，即“活塞風”和“熱壓風”。“活塞風”是地鐵列車從隧道中駛過時“抽拉”作用產生的空氣流動，“熱壓風”是由於空氣溫度差形成的空氣流動，如車站內外的溫差。

“自有地鐵以來，這兩種風一直都是無序的，無法被有效利用，甚至從未通過組織和利用風來降低地鐵能耗，”李國慶說，“通過研究，我們提出了地鐵內部熱環境多參數耦合模型，充分利用活塞風和熱壓風，在不影響乘客動態熱舒適情況下，用自然風速補償溫度和濕度，這就好比夏季室內空調控制溫度由26攝氏度提高至30攝氏度，降低了空調系統裝機容量，達到節約地鐵建設初期投資和后期運營維護費用的目的。”

為實現對“活塞風”的“駕馭”，李國慶和團隊研發了適用於全國五個氣候區的地鐵車站智能有序活塞風調控技術，通過智能調控通風設備、智能活塞風調節閥、智慧調控系統等設備系統，精准“掌控”活塞風在地鐵車站出入口、風道和車站內的流動，讓風由“無序”變為“有序”。

這項技術既保障了地鐵車站健康舒適的環境，又降低了建筑用能需求，達到了減碳效果。這些理論和技術成果已應用於北京地鐵6號線、8號線、9號線、14號線，以及青島、上海等多個城市的地鐵工程中，取得了顯著的社會效益和經濟效益。

跋涉創新路 技術更迭一往無前

李國慶不斷發明創新研制了很多新產品，開拓了諸多新市場。一些生產企業送給他技術干股，都被李國慶一一謝絕了。

李國慶研發的新技術多屬於節能降耗型，為甲方節省了佔地面積和設備費用，而設計單位設計費是根據工程造價按比例收取的，越為甲方省錢，設計人員相應的設計費越少。有人開玩笑問他：“你到底圖啥啊？”當年李國慶研制出新技術取消了地面冷卻塔，有同行質問他說：“那麼多冷卻塔企業豈不是要倒閉了。”每當面對這些不理解時，李國慶總是憨然一笑。

“科技進步必然會淘汰落后技術，我作為一名知識分子應當堅守良知，不能為了保護行業利益無視技術進步。而是要在專業領域不停跋涉，通過創新突破，推動技術不斷迭代升級，持續研發出更多更好的東西，為國家繁榮和社會進步做出貢獻。”李國慶說。

人物檔案：

李國慶：享受國務院政府特殊津貼專家，“北京市有突出貢獻的科學、技術、管理人才”，軌道交通節能北京市工程研究中心主任。提出了多項國內外首創的工程技術，研發了多台套創新設備和產品。科研項目榮獲國家技術發明二等獎一項，國家科技進步二等獎二項。

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