这是该项研究的参与者李国庆15年来第3次步入人民大会堂领取国家级奖项。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”目标实现做出贡献。
“小”年轻释放“大”能量
1990年从清华大学暖通空调专业毕业后，李国庆始终坚守在地铁通风空调领域科研第一线，如今已是北京城建设计发展集团党委书记、副总经理的他依然奋斗在技术创新最前沿。
提起李国庆的创新之路，还要从广州地铁2号线的建设谈起。当时年仅31岁的他被委任为该线路设备设计总体负责人。
受限于广州地形、建筑物密集等因素影响，该线路上的江南西站采用暗挖形式施工，埋深超过27米。“如果按照当时国内外普遍使用的大型风管排送风设计空调设备，需要在狭小的空间内，为风管开挖两个孔径总面积接近100平方米的通风井，安全风险巨大，建设成本也难以控制。”李国庆回忆说。
当时国内外并没有解决此类问题的成功经验，要想跨过这道难关，只能另辟蹊径。
“传送同等冷量，用水传导将比空气传导，节省空间几百倍。通过借助水系统空调制冷，能将原来接近100平方米的孔径面积压缩至57平米，所有问题将迎刃而解。”李国庆说，“为了验证自己的设计思路，我向中国工程院院士江亿等多名专家学者反复请教，并获得了他们的支持”。
随后，李国庆多次调整设计思路，形成整套“地下车站空气—水通风空调系统”，并向建设方提交了设计方案。利用水系统空调制冷并非新技术，但是将此技术应用于地铁施工建设中，在国内外尚属首次，建设方非常谨慎，并邀请了多名专家现场论证。最终获得专家的一致通过。
“车站建成后，获得了超乎意料的收效，新建的空气—水通风空调系统不但通风制冷效果令人满意，更重要的是节能效果凸显，比传统车站能耗降低四分之一，一个车站每年就能节省电费73万元。”李国庆从创新中尝到了甜头。
得益于该设计对通风空调系统的有效整合，每个车站可节约土建面积达600~800平方米，同时大幅度降低了建设成本和施工风险，目前，该项技术已成功应用于全国20多座城市的地铁建设，成为暗挖车站施工和地铁旧线空调系统改造的成功范本。
“2006年，为迎接北京奥运，北京地铁1号线和2号线启动了消隐改造，由于两条地铁线在建设时均未安装空调和预留相关设备空间，地下车站空气—水通风空调系统再次成为‘最优解’，顺利实现应用。”李国庆说，“能够在服务保障北京奥运会中贡献智慧和力量，作为一名轨道交通人我感到很幸运”。
2006年，以本技术为主要应用的“广州地铁二号线节能、环保和安全技术集成与应用”获得了国家科学技术进步奖二等奖，李国庆第一次站在了国家科技创新最高领奖台。
地铁站的“减负”专家
“我国地铁通风空调设计起初基本是照搬西方国家空调技术和地面建筑技术，采用做‘加法’的方法，将隧道、车站公共区、设备管理用房等区域的通风系统、制冷系统简单叠加，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10多亿元。”谈起国内早期通风空调系统的建设，李国庆显得有些无奈。
“通风空调系统体积过于臃肿繁杂，直接影响着地铁工程的规模、造价以及建成后地铁的运行能耗，这当时已经成为行业同仁的普遍共识。”李国庆表示。
在广州地铁2号线建设中小试牛刀后，李国庆已经有了下一个创新改造目标，启动了新一轮的科技攻关。机会终于来了，2001年，北京地铁5号线启动建设，在率先进行的土建招标中，李国庆留了“小心思”，将自己最新的通风空调设计理念悄悄运用到设计方案中，全线标准车站的设计长度由200米压缩到了176米，凭借着精干的车站设计理念一举中标。
到了设备招标阶段，李国庆却“捅了娄子”，按照前期的土建标方案，车站站台被压缩了20多米，传统的空调机房根本放不下，各投标单位无计可施。但此时，凭借着前期的技术积累，李国庆适时抛出了自己的最新研究成果，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、6号线、7号线、9号线、10号线、14号线以及南京、青岛等等国内多条地铁线路中，应用车站超过300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年获得国家技术发明二等奖。
让地铁空调实现“变频”
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、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）。
“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，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。”
