2017-1-22

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独家制作:

本期策划:@素手莲花

李国庆:1990年清华大学暖通空调专业毕业
教授级高级工程师
北京城建设计发展集团党委书记、副总经理
主持地铁环境保障关键技术研发
访谈背景:
  随着国内经济的迅速发展,对于交通出行需求的大幅度提升,中国城市轨道交通在过去十多年快速发展,业绩引人关注。城市轨道交通中的地铁更是成为运营的主力军,有关地铁建设的投资未来几年预计达到7000亿元。城市轨道交通的大规模建设,也带来了很多新的技术挑战,围绕此领域的技术创新也迎来了新的发展机遇。

  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。
  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。
  此项目的重要参与单位之一,正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。
  暖通空调在线高端访谈特别专访了参与此项目的北京城建设计发展集团党委书记、副总经理李国庆先生,请他为我们讲述围绕这一奖项所进行的多年的科研创新历程。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。
  这些故事,体现了地铁工程设计和施工人员的智慧。在地铁通风、空调工程建设方面取得的技术创新成果,在北京、上海、广州、深圳、青岛、南京、武汉等大城市地铁中得以应用,经受住实践的考验,取得了良好的社会效益和经济效益,同时创新过程也促进了行业上相关技术科研、工程实测等方面的合作,充分体现了创新技术在节能减排、降低投资、减小地铁建设规模、提升地铁车站舒适度等方面所发挥的重要作用。

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访谈印象

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。
  自2001年始,李国庆先生担任北京城建设计研究总院(北京城建设计发展集团前身)党委书记一职,但他并未离开地铁通风空调业务领域,仍然在攻克工程难题中发挥重要作用。访谈过程中,能够深刻感受到他在工程问题探求解决方案的同时,非常注重寻求科技理论依据,并严格遵守工程建设规律,每完成一项创新之后,注重实际应用中的数据实测及分析,务必求证创新的科学性和可实现行。这些需要他付出加倍的辛劳、具备扎实的专业基础、具有开放的合作态度,拥有广泛的专业人才队伍的支持。
  地铁行业中与李国庆先生有过合作的各层次人士,无论是熟识的清华大学校友,还是产业链上在工程实施创新中给予开发投入的设备厂商,或者地铁建设方业主人员,都在鼎力配合支持他所做出的创新,由此我们可以看到一项又一项创新技术在数十年的地铁工程项目中应用、不断提升、不断被证明,这个过程体现了地铁行业鼓励创新者勇敢前行的一种精神力量。
  面对自工作以来经过历年项目实践所结出的科技创新硕果,李国庆先生说:“这么多年,我觉得自己是被地铁建设高速发展这股大风吹着走的。不断产生的新需求、新难题,促使我们需要不断寻求改变、深入思考、广泛研究、提出创新技术思路和理念、寻求方案论证、解决难题及进行工程实测,才有机会让我们有了很多科技成果。” 多年潜心研究,面对创新的累累硕果,他低调而谦虚。
  “时代的进步已让我们明白高尚的人生就要追求生活的尊严,国家给予他的种种荣誉证明了他的贡献”这是国内暖通行业泰斗吴德绳教授在李国庆先生的专著“ 《城市轨道交通-通风空调新技术及应用》(序二)”中对李国庆本人的评价,中肯而贴切。

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关于获得国家奖项目的工程技术核心点

暖通空调在线:国家科学技术奖励大会2017年1月9日在北京人民大会堂隆重举行,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际科学技术合作奖的评选结果。您代表北京城建设计发展集团申报的“地铁环境保障与高效节能关键技术创新及应用”获国家技术发明二等奖。这是一个非常值得庆贺的事!暖通空调在线表示衷心的祝贺!
  请您介绍一下此次获奖项目中核心技术创新点,以及这些创新技术在实际工程项目中的应用情况。

李国庆:这次获得国家技术发明二等奖的项目,是多方鼎力合作的一个科技成果,项目评价中提出了5个方面的创新技术点,我介绍其中有关工程技术应用方面的3个创新核心点,这些也是我们北京城建设计发展集团在实际工程应用中不断摸索而积累下来的创新成果。有关这些成果诞生之时的一些细节,我都记忆犹新。

第一个创新核心点:“暗挖车站通风空调系统”。
  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。

第二个创新核心点:“城市轨道交通通风空调多功能设备集成系统”。
  此套设备集成系统设计理念的提出,也是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。

  这套系统简单介绍其特点就是改变了传统的城市交通通风空调系统的构成复杂、控制繁琐的问题,这些问题直接导致了地铁地下车站空间规模巨大、建设投资极高、运行费用超高等问题。
  在我们提出“城市轨道交通通风空调多功能设备集成系统”之前,国内外城市轨道交通采用的通风空调系统的形式基本上是一样的,都是采取区间隧道通风系统和车站通风空调系统分散独立设置,这样的设置,通风空调系统的占地面积几乎占整个地铁车站的20%。如果从能耗上来说,这种系统的空调能耗已占城市轨道交通总能耗约1/3-1/2,这也是急需解决的问题。

  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。

第三个创新核心点:“可调通风型站台门式通风空调系统”。
  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。

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关于中国地铁建设

暖通空调在线:您从大学一毕业就进入城市轨道交通建设领域工作,您如何评价这些年这个领域的发展?地铁通风空调技术水平在国际行业上有了怎样的地位?

李国庆:自英国伦敦建设世界上第一条地铁线路以来,世界地铁的发展至今已经有了150多年历史了,全世界轨道交通承担的城市客运量越来越大,地铁已经成为城市交通的骨干线。
  近些年来,中国地铁的建设速度之快,让世界惊奇,地铁建设所遇到的科技难题、我们的解决方案、这些年的技术创新,都引起了世界同行的关注,地铁通风空调技术的创新应用,更是一个不断尝新、创新的发展过程。因此,我们这个领域应该说是走在了世界城市轨道交通的最前沿。

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关于当前地铁建设中存在的问题

暖通空调在线:地铁在中国的发展速度之快举世瞩目,经过这些年的高速发展,您认为在地铁建设中还存在哪些问题亟待解决?

李国庆:在这么多年的工作当中,我一直瞄准几个大的目标来推进技术上的创新工作。
  第一个就是占地问题。这也是地铁建设中突出的问题,通风空调系统在地铁工程项目中占地也是很大的,因此如何在保持完善的城市轨道交通通风空调系统功能的前提下,实现削减其占用的土建面积和空间规模,是我们的一个重要课题,解决这个难题,需要勇于突破和创新。“系统集成、暗挖车站空气-水系统”的开发都是我们做出的探索,更需要长期跟踪研究技术应用的实际效果。
  第二个目标是运营费用降低的问题。地铁运营中很大一部分成本来自能源消耗,通风空调系统又是耗能大户,根据城市轨道交通所在城市的气候条件不同,通风空调系统基本上是消耗了城市轨道电力资源总量约30-50%,因此,降低能耗,通风空调系统还有很多潜力可挖。
  第三个目标是通风空调系统的创新技术融合问题。各种创新手段和措施应该互相借鉴,取长补短,在城市轨道交通的实际工程上,通风空调创新技术可根据实际情况,将多种创新技术协调配合,达到满足功能、结构简化、经济合理的目标。

暖通空调在线:针对您所描述的上述三个大目标,您除了有体现在2016获得国家技术发明奖内那三方面创新外,还有其他方面的探索吗?

李国庆:还有一些尝试和创新,我以蒸发冷凝应用为例给你介绍一下。

此项技术的第一次应用是在北京地铁1号线西单站的空调系统改造工程,当时西单地铁站外部地面空间有限,西部地上又设有一个市民广场,没有位置和空间放置冷却塔,为此作为项目技术改造组组长,我提出了改造蒸发冷凝技术,创造一套适合地铁工程需求的蒸发冷凝式通风空调技术的设计思路。

  传统地铁空调系统中冷却塔一般设置在地面,但冷却塔在使用中存在噪声高、占地面积大、漂水等问题,而蒸发冷凝技术因为无需设置地面冷却塔,因此在国内民用建筑中得到了一些应用,但在西单站改造前,蒸发冷凝技术在地铁中还没有应用先例,在此之前,也没有将蒸发冷凝技术与地铁的特点结合的案例,因此,结合西单站在地铁中进行的新型蒸发冷凝式通风空调系统技术的研发和探索,对国内地铁类似工程具有很好的示范作用。
  为了对比实际运行效果,北京地铁也特别支持我们在西单站进行双方案的设计,在一个站点用了两套系统。车站西端采用了蒸发冷凝系统,车站东端采用了传统的冷却塔系统(东端地面有条件设置冷却塔),做完项目后,我们请清华大学李先庭老师团队在相同条件下做了能效的对比实测,东端的冷却塔系统测试数据为能效比2.22,西端的新型蒸发冷凝系统测试数据为能效比4.71,节能效果不言而喻。随后,重庆地铁6号线的若干座地下车站受周边环境条件影响,为解决景观的问题,对蒸发冷凝式通风空调系统在城市轨道交通工程中的应用进行了研究,经过分析比较,选择了蒸发冷凝系统。目前,国内地铁采用该项技术的城市有上海、天津、杭州、武汉、郑州等,未来会更多。

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北京城建设计发展集团股份有限公司简介

北京城建设计发展集团股份有限公司(01599.HK)是北京城建集团等多家大型企业共同发起成立的,为城市建设提供专业服务的科技型工程公司,业务范围涵盖城市轨道交通、综合交通枢纽、地下空间开发、工业与民用建筑、市政、桥梁、道路等领域,为客户提供工程前期咨询、规划、投融资、勘测测绘、设计、项目管理、工程总承包、系统集成、项目评价、经济分析等专业化高质量的全程服务。拥有工程设计综合甲级、房屋建筑工程施工总承包壹级、市政公用工程施工总承包壹级、城市轨道交通工程专业承包资质,以及工程咨询、城乡规划编制、工程造价、工程勘察综合类、工程测量、地址灾害评估、施工图审查等多项资质。
  北京城建设计发展集团股份有限公司的前身北京城建设计研究总院有限责任公司,成立于1958年,是专门为新中国第一条地铁北京地铁1号线建设而成立的。半个多世纪以来,分布于40多家分支机构的近4000名员工秉承设计城市、构筑未来的使命,致力于构建美丽城市的梦想,促进人与城市、环境的和谐、可持续发展。业已成为城市轨道交通建设行业的翘楚。
  为人至诚、为业至精。历经半个世纪,完成了众多令世人瞩目的工程,服务获得了政府、客户的认可,荣获全国“五一”劳动奖状、首都劳动奖状等多项荣誉。2014年7月8日在香港联交所上市,致力于成为以设计为引领的城市建设综合服务商。
  截至目前,公司城市轨道交通业务覆盖北京、南京、重庆、伊朗、德黑兰等国内外60个城市,承担了100余条城市轨道交通线路的总体总包设计任务,其中已运营线路53条,通车里程达1000多公里,是国内市场份额最大、最具综合实力的城市轨道总体总包设计单位。

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李国庆简介


  河北徐水人,博士研究生,教授级高级工程师,国家注册公用设备工程师,现任北京城建设计发展集团股份有限公司党委书记、副总经理。建设部市政行业专家委员会委员,中国城市轨道交通标准化委员会副秘书长,北京、昆明、青岛等多个城市轨道交通专家委员会专家,北京市有突出贡献的科学、技术、管理人才,享受国务院政府特殊津贴。
  作为城市轨道交通领域内优秀的中青年技术专家,20多年从事城市轨道交通设计和科研工作,专业理论功底扎实,城市轨道交通通风空调与供暖专业技术造诣极高,实际工程经验丰富。他先后主持了北京、广州、德黑兰等国内外多个主要城市30多项地铁工程以及国家801、519两项重要保密工程,获得国家科学技术进步二等奖1项,国家优秀勘察设计银奖1项,省部级奖20余项。主编、参编国家标准和规范5项。其中,《地铁设计规范》(GB50157-2003)作为国内首部城市轨道交通行业的技术规范,被全行业誉为城市轨道交通技术的基础典范,为整个行业其它规范的制订奠定了基础,并多次获得建设部和北京市科技进步奖项。他负责的“通风、空调与供暖”、“防烟、排烟与事故通风”等章节,为行业技术的发展作出了巨大贡献。出版学术专著《城市轨道交通通风空调新技术及应用》在行业中具有重要技术影响,在国内外重点和核心期刊发表有影响力的论文20余篇。技术创新成就突出,在本专业提出了多项独创性新理论和新技术,拥有国内外首创实用新型专利30余项,实际工程应用和转化成效极为显著,同时解决了多个重大工程建设技术难题,为中国城市轨道交通通风空调技术取得国际领先地位和我国城市轨道交通装备制造业发展及设备国产化作出了应有贡献,创造了显著的经济效益、社会效益和环境效益。

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