劉友華
(福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院,福建 福州 350002)
隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,人們對實驗室的環(huán)境和節(jié)能越來越重視,技術(shù)機(jī)構(gòu)開始追求一個低碳、安全、健康、前瞻的現(xiàn)代專業(yè)實驗室。實驗室的專業(yè)設(shè)計和施工在歐美等發(fā)達(dá)國家作為一個學(xué)科已經(jīng)有100多年的歷史,但我國在這方面起步較晚,20世紀(jì)90年代中期才開始[1],作為一門學(xué)科目前還很不完善。目前國內(nèi)實驗室建設(shè)還普遍存在土建設(shè)計先于工藝設(shè)計的現(xiàn)象,有些甚至是蓋好大樓后才考慮實驗室的布局和功能設(shè)計,由于土建設(shè)計人員不了解實驗室的特殊工藝要求而按普通建筑進(jìn)行設(shè)計,這樣往往造成工程建設(shè)的返工,并遺留諸多問題,許多方面無法達(dá)到現(xiàn)代實驗室的要求。因此,做好實驗室的工藝設(shè)計,對實驗室的建設(shè)具有十分重要的意義。
實驗室建設(shè)涉及強(qiáng)弱電、上下水、供氣、通風(fēng)、空調(diào)、凈化、消防、環(huán)保、潔凈、恒溫恒濕、智能化等系統(tǒng),因此,是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程。目前,我國實驗室建設(shè)缺乏一套系統(tǒng)的實驗室工藝設(shè)計規(guī)范,而臨時從實驗室抽調(diào)的建設(shè)人員既不熟悉建筑專業(yè)也缺乏專業(yè)實驗室的系統(tǒng)建設(shè)經(jīng)驗。由于未事先請專業(yè)的實驗室設(shè)計咨詢單位進(jìn)行工藝設(shè)計,而質(zhì)檢機(jī)構(gòu)的建設(shè)人員對實驗室的功能設(shè)計和工程建設(shè)的知識又匱乏,導(dǎo)致實驗室建設(shè)過程中存在較多的問題。
未事先對實驗室進(jìn)行整體的平面規(guī)劃,功能區(qū)分過于簡單,實驗用房與辦公等其他功能用房交叉,檢驗流程不合理而影響工作效率,對員工的人文關(guān)懷方面考慮不足。
實驗室建筑層高不夠,樓層荷載無法滿足要求,墻壁承受斜向拉力不夠;未設(shè)計管道井和風(fēng)井,難以布置上下水管道和風(fēng)道,上下水管道外露難看;未考慮須進(jìn)行防爆設(shè)計的氣瓶室,造成工程施工的返工,有的只好將裝有危險氣體的氣瓶直接放入實驗室中;未考慮發(fā)展的空間,等等。
供電線路沒有分開強(qiáng)電、弱電和儀器用電,未對網(wǎng)絡(luò)、電話、監(jiān)控、消防、門禁進(jìn)行綜合考慮[2];實驗室的強(qiáng)弱電容量和點位圖未充分考慮清楚,無法滿足實驗室的需求,只好重新布線或增加接線板,影響了實驗室的安全和美觀。
采用中央空調(diào),造成不同實驗室之間的空氣交換和串味;潔凈實驗室、生物安全實驗室等有特定要求的實驗室地面材料不能滿足整體無縫隙的要求;實驗室凈高度太高浪費能源;實驗室外窗采用有色玻璃,造成檢測時色覺判斷誤差。
現(xiàn)在有很多的實驗室在設(shè)計通風(fēng)系統(tǒng)的時候只考慮了排風(fēng),而沒有合理的設(shè)計實驗室的補風(fēng)系統(tǒng),造成了實驗室過度負(fù)壓的狀態(tài)(負(fù)壓值一般控制在-5pa~-15pa較為合理[3]),不僅影響室內(nèi)環(huán)境的舒適性,而且影響換氣次數(shù),有毒有害氣體不能完全排出室外;有些實驗室的排風(fēng)系統(tǒng)有問題,進(jìn)到實驗室就能聞到化學(xué)物質(zhì)的氣味,影響檢測人員的身體健康和工作效率。
實驗室工藝設(shè)計應(yīng)根據(jù)服務(wù)范圍、客戶需求、區(qū)域經(jīng)濟(jì)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展等情況,在滿足基本功能的同時,體現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、智能化、人性化、靈活性的特點,并考慮未來發(fā)展的前瞻性。工藝設(shè)計決定了實驗室的先進(jìn)性,是現(xiàn)代實驗室建設(shè)的重要環(huán)節(jié)。土建設(shè)計是按照工藝規(guī)劃和工藝要求進(jìn)行設(shè)計的,因此,工藝設(shè)計應(yīng)先于土建設(shè)計。
實驗室的工藝設(shè)計是否科學(xué)、合理,對實驗室的工作效率、檢驗質(zhì)量、環(huán)境質(zhì)量及交叉污染等有重大的影響。在參考國內(nèi)外先進(jìn)實驗室設(shè)計理念的基礎(chǔ)上,根據(jù)國家質(zhì)檢中心的建設(shè)經(jīng)驗,對現(xiàn)代實驗室工藝設(shè)計的原則歸納如下:
實驗室要按照“科學(xué)規(guī)劃,合理布局”的原則舉行設(shè)計,做到技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、確保質(zhì)量的要求。實驗室的選址應(yīng)合理,平面布置要科學(xué),各類用房宜集中布置,做到功能分區(qū)明確、布局合理、聯(lián)系方便、互不干擾。實驗室設(shè)計還要全面考慮實驗工作空間、通風(fēng)系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、上下水、強(qiáng)弱電、儀器設(shè)備接地、勞動保護(hù)以及相應(yīng)的空調(diào)暖通等基礎(chǔ)設(shè)施的合理設(shè)計與配置。
功能區(qū)及儀器設(shè)備布局力求符合檢驗工作流程,優(yōu)化實驗室的工作流程,縮短人員往返距離,提高運作效率。采用節(jié)能設(shè)備,優(yōu)化管路布局,以節(jié)約建設(shè)成本和降低運行成本。除了優(yōu)化平面布局設(shè)計外,可運用先進(jìn)的實驗室管理軟件來優(yōu)化實驗過程,提高工作效率。
綠色實驗室是21世紀(jì)實驗室的主流,安全、健康、環(huán)保、節(jié)能是綠色實驗室的要素。實驗室設(shè)計要簡約、通透、大方,遵循“少改動少修飾”的原則,并考慮暖通空調(diào)的節(jié)能、太陽能風(fēng)能利用、外墻保溫、照明節(jié)能等高效節(jié)能新技術(shù)的應(yīng)用,同時要設(shè)計安全防護(hù)系統(tǒng)和廢水廢氣處理系統(tǒng),減少有毒有害物質(zhì),改善室內(nèi)外環(huán)境,保障人員健康。
人性化設(shè)計就是利用實驗室的建筑空間,提供工作人員溝通交流的場所,包括會議室、中庭空間、樓梯空間、茶水休閑室、公共服務(wù)空間等;追求空間視覺美,整潔的外觀和色彩,安全舒適的室內(nèi)環(huán)境,滿足工作人員的交流和舒適的需求。智能化就是將實驗室的各種儀器設(shè)備連接在一起實現(xiàn)實驗室網(wǎng)絡(luò)化,使工作人員能通過信息管理系統(tǒng)掌握實驗室的各種信息;智能化應(yīng)根據(jù)實驗室的規(guī)模、功能需求等實際情況滿足先進(jìn)性、可靠性、標(biāo)準(zhǔn)性、集成性、實用性、經(jīng)濟(jì)性、簡便性等要求。
對市場需求變化大的實驗室,設(shè)計時可考慮采用能調(diào)整結(jié)構(gòu)的模塊化布局,有足夠的空間來放置儀器設(shè)備,供給系統(tǒng)(包括電路、水路、氣路以及通信等)能滿足未來發(fā)展的要求,能夠在墻和天花上進(jìn)行方便的連接或斷開。如有需要,實驗室的工作臺可選擇活動的,服務(wù)柱也可調(diào)節(jié)移動,并設(shè)計可移動的隔斷墻,進(jìn)行靈活隔斷。
工藝設(shè)計要綜合考慮實驗室的總體規(guī)劃、整體定位、平面布局、實驗室需求,以及通風(fēng)(包括廢氣處理)系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、空調(diào)暖通系統(tǒng)、潔凈系統(tǒng)、純水系統(tǒng)、安全措施等方面?,F(xiàn)代實驗室的工藝設(shè)計包括實驗室工藝設(shè)計任務(wù)書、工藝設(shè)計文件及圖紙兩個方面,其主要內(nèi)容及要求簡述如下:
現(xiàn)代實驗室設(shè)計任務(wù)書的內(nèi)容包括項目概況、建設(shè)規(guī)模、設(shè)計范圍、經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)、總體設(shè)計要求、功能要求及相關(guān)要求等,要明確實驗樓里每個辦公室、每個房間、每個實驗室的功能、面積、空間(層高)、儀器設(shè)備、強(qiáng)弱電、供氣、給排水、空調(diào)暖通、環(huán)境、建筑結(jié)構(gòu)和裝修等要求。
整體布局設(shè)計時要對工藝流程、特殊功能間位置選擇、建筑結(jié)構(gòu)特點及空調(diào)外機(jī)放置等進(jìn)行統(tǒng)籌考慮,應(yīng)滿足流程的優(yōu)化及日常管理的要求。實驗室內(nèi)部布局應(yīng)考慮減少人流與物流的交叉、通風(fēng)井和管道井的設(shè)置、儀器設(shè)備的布置及其水、電、氣接口的設(shè)計等。
實驗室工作流程優(yōu)化與實驗室布局和儀器設(shè)備的擺放相關(guān),一般按“樣品處理——檢測——數(shù)據(jù)處理”最短距離的原則來優(yōu)化布局,儀器設(shè)備擺放應(yīng)考慮供水、供氣、供電、廢液廢氣排放及方便使用等問題,同時可考慮采用先進(jìn)的實驗室管理軟件來優(yōu)化實驗過程,以提高工作效率和工作質(zhì)量。
實驗室的給排水系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)根據(jù)實驗臺所需給排水的需求來定,實驗室給排水系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)在土建設(shè)計之前完成。給排水管道要盡量沿著墻(角)、柱(角)、天花、走廊等布置,并應(yīng)避免穿越儀器間、電器設(shè)備間和衛(wèi)生要求高的房間?;瘜W(xué)實驗室和純水室等應(yīng)設(shè)地漏,漏水時應(yīng)能及時排放。含有毒有害物質(zhì)的污水應(yīng)設(shè)置獨立的排水管道。實驗室一般給排水管道宜采用耐酸堿和有機(jī)溶劑的PP-R管。純水系統(tǒng)設(shè)計要考慮每個實驗室的純水需求,詳細(xì)分析各個實驗室對不同水質(zhì)(一級、二級、三級)的用水量及壓力要求。
強(qiáng)弱電系統(tǒng)設(shè)計包括電力系統(tǒng)設(shè)計、配電系統(tǒng)設(shè)計、照明設(shè)計、智能化系統(tǒng)設(shè)計、安保系統(tǒng)設(shè)計、通訊系統(tǒng)設(shè)計等。實驗室的配電系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)房間的功能要求、儀器設(shè)備的用電需求,綜合多方面因素進(jìn)行設(shè)計。電源采用三相五線制220/380V,接地(PE)或接零(N)支線必須單獨與接地(PE)或接零(N)干線相連接,不得串聯(lián)連接??照{(diào)系統(tǒng)、實驗室排風(fēng)和補風(fēng)系統(tǒng)采用集中配電,設(shè)置專門的配電間。實驗室儀器設(shè)備對電路的要求比較復(fù)雜,貴重精密儀器設(shè)備應(yīng)考慮防靜電、抗干擾、獨立接地和UPS電源等。對供配電系統(tǒng)以及綜合布線、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、安全防范等智能化系統(tǒng)的設(shè)計,要考慮預(yù)留有一定的發(fā)展空間。
實驗室通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)滿足最低換氣次數(shù)和負(fù)壓要求,具有潔凈度、溫濕度等要求的不同功能類別的實驗室,應(yīng)采用獨立新風(fēng)、回風(fēng)與排風(fēng)、通風(fēng)系統(tǒng),以保證實驗室的安全。實驗室送風(fēng)和排風(fēng)應(yīng)根據(jù)工藝、安全、衛(wèi)生和環(huán)保要求來定空氣過濾器和處理措施,送風(fēng)口一般要遠(yuǎn)離通風(fēng)柜的一側(cè),通風(fēng)柜的排風(fēng)系統(tǒng)不得借用消防風(fēng)道,實驗用房應(yīng)預(yù)留潛藏的側(cè)送側(cè)排風(fēng)口。實驗室的空調(diào)系統(tǒng)有其特殊性,不宜采用可造成不同實驗室之間空氣交換的中央空調(diào)系統(tǒng),普通實驗室一般采用獨立VRV變頻多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng),以防止實驗室氣流的交叉污染。潔凈室宜采用專業(yè)公司設(shè)計的潔凈空調(diào)機(jī),恒溫恒濕實驗室采用獨立冷源的恒溫恒濕空調(diào)機(jī)。
現(xiàn)代實驗室供氣系統(tǒng)主要由氣源切換系統(tǒng)、調(diào)壓系統(tǒng)、管道系統(tǒng)、用氣點、報警系統(tǒng)及易燃易爆氣體回火阻火器等組成。氣瓶間采用實體墻,安裝防爆門、泄爆窗,室內(nèi)采用防爆電器,室內(nèi)不宜安裝天花吊頂。氣源區(qū)氣體采用自動切換裝置,供氣系統(tǒng)設(shè)計低壓報警系統(tǒng),實現(xiàn)工作人員方便、有效地管理氣瓶間。氣體管路應(yīng)采用高質(zhì)量的完全退火、無縫不銹鋼SS-316L,氣體管路的連接采用無縫焊接技術(shù),管路安裝在吊頂上方,中央儀器臺氣體管路的引入通過功能柱來實現(xiàn),管線布置在維修通道實驗臺背面。乙炔、氫氣等易燃?xì)怏w應(yīng)與其它氣體分開,單獨引入。
實驗室不同于普通辦公樓的辦公室,其對消防的要求比一般的辦公室要高得多。潔凈室、恒溫恒濕室、冷庫和精密儀器室等不得采用自動水噴淋系統(tǒng),應(yīng)采用氣體滅火系統(tǒng)。
實驗室裝修設(shè)計應(yīng)符合實驗室環(huán)境要求,美觀大方,富有現(xiàn)代科技感,展現(xiàn)出行業(yè)特點、工作理念和獨特風(fēng)格。在選材、色調(diào)搭配和施工方法等方面,應(yīng)充分考慮安全性和舒適性,注意防水、防塵、防滑、防靜電等。裝修所涉及的材料應(yīng)盡量采用防火阻燃材料,符合環(huán)保要求。墻面所用水溶性乳膠漆必須是無污染、無毒、無火災(zāi)隱患,有機(jī)揮發(fā)物的釋放量及有機(jī)揮發(fā)物總量要嚴(yán)格控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。洗滌間墻面等帶水操作臺墻面,需做彈性乳液防水涂料。所有地面、墻面、天花的管道、線槽穿洞必須嚴(yán)格密封。裝修最終效果要現(xiàn)代時尚、美觀大方。
現(xiàn)對國家食品質(zhì)檢中心(福州)的工藝設(shè)計作簡要介紹。首先,組織相關(guān)部門制訂設(shè)計任務(wù)書。其次,明確招標(biāo)文件的工藝設(shè)計內(nèi)容,即完成工藝設(shè)計及配套的水、電、送排風(fēng)、氣體等輔助設(shè)施的方案設(shè)計等。其三,根據(jù)項目相關(guān)要求和國家相關(guān)規(guī)范要求,進(jìn)行合理規(guī)劃設(shè)計,并進(jìn)行了工藝設(shè)計及下列配套與輔助設(shè)施的方案設(shè)計,具體內(nèi)容如下:
實驗室的平面工藝布局設(shè)計經(jīng)過多次醞釀和反復(fù)磋商,滿足了各科室科研和檢測項目需求,符合實驗操作流程和國家相關(guān)規(guī)范要求。設(shè)計中整體考慮了辦公區(qū)、實驗區(qū)、輔助功能區(qū)之間,控制區(qū)與公共區(qū)之間,污染區(qū)與清潔區(qū)之間,樣品通道、污物通道與人員通道之間的劃分和控制,實現(xiàn)了空間利用最大化、使用功能最優(yōu)化、實驗流程一體化。
該項目給排水點位圖的設(shè)計特點:一是實驗用水全部采用隱藏式布置,點位精確定位于實驗家具的檢測通道之內(nèi),避免了上水外露或穿柜體的現(xiàn)象;二是實驗室水槽、下水管道采用耐酸、堿及有機(jī)溶劑的PPR管,并采取防堵塞、防滲漏措施,為了防止水槽溢滿淹沒貴重儀器,所有帶水槽的房間設(shè)有地漏;三是微生物實驗室洗手水嘴使用非觸摸式的感應(yīng)水龍頭,存在生物危險因素的微生物實驗室等不得設(shè)置地漏;四是理化實驗區(qū)內(nèi)易受化學(xué)物質(zhì)灼傷處設(shè)置洗眼器及緊急沖淋裝置;五是實驗廢水采用獨立的管網(wǎng)系統(tǒng),分類收集,分類處理。
為避免實驗室內(nèi)產(chǎn)生的有毒有害氣體交叉污染,該項目實驗室氣流方向從低危險區(qū)域向高危險區(qū)域流動,氣流設(shè)計從辦公區(qū)域,廊道,以及其他輔助區(qū)域流入實驗室,保持實驗室內(nèi)的適當(dāng)負(fù)壓,確保實驗室內(nèi)的氣流不外泄到走廊。主要設(shè)計特點:一是通風(fēng)柜采用VAV控制系統(tǒng),面風(fēng)速維持在0.5m/s,保證最優(yōu)的排風(fēng)效果;二是通過機(jī)械補新風(fēng),維持室內(nèi)的微負(fù)壓動態(tài)平衡,保證室內(nèi)的舒適性;三是采用VRV變頻多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng),避免了各室之間氣流的交叉污染;四是排風(fēng)與補風(fēng)采用靜壓傳感變頻系統(tǒng),最大限度地實現(xiàn)節(jié)能和降噪的目的;五是廢氣經(jīng)處理后高空排風(fēng),減少實驗廢氣對周圍環(huán)境的影響。
該項目凈化系統(tǒng)設(shè)計特點:一是工藝布局合理,根據(jù)需要設(shè)置了更衣、風(fēng)淋和緩沖間,做到人流、物流、污物流三流清晰,避免交叉感染;二是裝飾材料為玻鎂彩鋼板,易于清潔消毒、耐腐蝕、不起塵、不開裂、光滑防水,相交位置做圓弧處理,無縫對接;三是空調(diào)凈化系統(tǒng)的劃分有利于實驗室的消毒滅菌、自動控制系統(tǒng)的設(shè)置和節(jié)能運行;四是采用潔凈空調(diào)系統(tǒng),設(shè)粗、中、高三級空氣過濾器和消毒滅菌裝置,排風(fēng)與送風(fēng)連鎖;五是氣流有序,由清潔區(qū)向半污染區(qū)和污染區(qū)流動。
該項目供氣系統(tǒng)設(shè)計特點:一是設(shè)有獨立的氣瓶間,可燃與不可燃?xì)怏w分開放置,氣瓶間采用實體墻,設(shè)有防爆門和泄爆窗,室內(nèi)采用防爆電氣;二是氣路系統(tǒng)設(shè)有泄漏報警、緊急切斷和強(qiáng)排風(fēng)等裝置;三是為保證氣體純度和氣壓的穩(wěn)定性,采用多級減壓供氣方式,設(shè)置了氣路吹掃、排空等設(shè)施;四是采用雙氣源自動切換模式供氣,設(shè)有欠壓換氣報警裝置,使用方便。
該項目純水系統(tǒng)設(shè)計特點:一是采用集中供水,原水經(jīng)過多級工藝處理,出水水質(zhì)穩(wěn)定,可同時滿足不同實驗的用水水質(zhì)要求;二是純水系統(tǒng)為閉路循環(huán)系統(tǒng),管網(wǎng)采用單循環(huán)無死角恒壓供水方式,管道為符合GLP要求的潔凈級超純CleanPVC管材;三是系統(tǒng)設(shè)備全自動運行,完全實現(xiàn)人機(jī)對話,而無需專人看管;四是設(shè)備和輸水管路具有在線化學(xué)清洗和消毒功能,具有高溫除藻功能;五是系統(tǒng)具備升級功能,具有高的可靠性和穩(wěn)定性。
該項目環(huán)保系統(tǒng)主要包括廢水和廢氣的處理。實驗室廢水經(jīng)獨立的管網(wǎng)系統(tǒng)收集進(jìn)入廢水調(diào)節(jié)池,再經(jīng)廢水處理機(jī)處理后達(dá)標(biāo)排放。實驗室廢氣通過通風(fēng)柜、原子吸收罩或萬向排氣罩等設(shè)備收集后,由排風(fēng)井引至大樓屋面,經(jīng)處理達(dá)標(biāo)后高空排放。有機(jī)廢氣和無機(jī)廢氣劃分為不同的系統(tǒng),有機(jī)廢氣采用活性炭吸附裝置處理,無機(jī)廢氣采用噴淋塔處理。
[1] 揚子晚報網(wǎng).我國急需實驗室建設(shè)專才[Z] .(2007-03-15)[2012-06-19]http://www.yangtse.com/jypd/jyck/200703/t20070315_267993.htm)
[2] 黃家聲主編.實驗室設(shè)計與建設(shè)指南[M]. 北京:中國水利水電出版社,2011. 186-190.
[3] 趙翔.關(guān)于化學(xué)實驗室VAV 控制的設(shè)計和實踐. 智能建筑與城市信息[J],2011(3):74-76.