劉友華

（福建省產品質量檢驗研究院,福建 福州 350002）

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和科學技術的進步，人們對實驗室的環(huán)境和節(jié)能越來越重視，技術機構開始追求一個低碳、安全、健康、前瞻的現(xiàn)代專業(yè)實驗室。實驗室的專業(yè)設計和施工在歐美等發(fā)達國家作為一個學科已經(jīng)有100多年的歷史，但我國在這方面起步較晚，20世紀90年代中期才開始[1]，作為一門學科目前還很不完善。目前國內實驗室建設還普遍存在土建設計先于工藝設計的現(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計，由于土建設計人員不了解實驗室的特殊工藝要求而按普通建筑進行設計，這樣往往造成工程建設的返工，并遺留諸多問題，許多方面無法達到現(xiàn)代實驗室的要求。因此，做好實驗室的工藝設計，對實驗室的建設具有十分重要的意義。

1 現(xiàn)代實驗室建設存在的問題

實驗室建設涉及強弱電、上下水、供氣、通風、空調、凈化、消防、環(huán)保、潔凈、恒溫恒濕、智能化等系統(tǒng)，因此，是一個復雜的系統(tǒng)工程。目前，我國實驗室建設缺乏一套系統(tǒng)的實驗室工藝設計規(guī)范，而臨時從實驗室抽調的建設人員既不熟悉建筑專業(yè)也缺乏專業(yè)實驗室的系統(tǒng)建設經(jīng)驗。由于未事先請專業(yè)的實驗室設計咨詢單位進行工藝設計，而質檢機構的建設人員對實驗室的功能設計和工程建設的知識又匱乏，導致實驗室建設過程中存在較多的問題。

1.1 實驗室布局不合理

未事先對實驗室進行整體的平面規(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，對員工的人文關懷方面考慮不足。

1.2 土建設計不合理

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；未設計管道井和風井，難以布置上下水管道和風道，上下水管道外露難看；未考慮須進行防爆設計的氣瓶室，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。

1.3 強弱電系統(tǒng)不合理

供電線路沒有分開強電、弱電和儀器用電，未對網(wǎng)絡、電話、監(jiān)控、消防、門禁進行綜合考慮[2]；實驗室的強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。

1.4 裝修設計不合理

采用中央空調，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。

1.5 通風系統(tǒng)不合理

現(xiàn)在有很多的實驗室在設計通風系統(tǒng)的時候只考慮了排風，而沒有合理的設計實驗室的補風系統(tǒng)，造成了實驗室過度負壓的狀態(tài)（負壓值一般控制在-5pa～-15pa較為合理[3]），不僅影響室內環(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；有些實驗室的排風系統(tǒng)有問題，進到實驗室就能聞到化學物質的氣味，影響檢測人員的身體健康和工作效率。

2 實驗室工藝設計理念與原則

實驗室工藝設計應根據(jù)服務范圍、客戶需求、區(qū)域經(jīng)濟、產業(yè)發(fā)展等情況，在滿足基本功能的同時，體現(xiàn)標準化、智能化、人性化、靈活性的特點，并考慮未來發(fā)展的前瞻性。工藝設計決定了實驗室的先進性，是現(xiàn)代實驗室建設的重要環(huán)節(jié)。土建設計是按照工藝規(guī)劃和工藝要求進行設計的，因此，工藝設計應先于土建設計。

實驗室的工藝設計是否科學、合理，對實驗室的工作效率、檢驗質量、環(huán)境質量及交叉污染等有重大的影響。在參考國內外先進實驗室設計理念的基礎上，根據(jù)國家質檢中心的建設經(jīng)驗，對現(xiàn)代實驗室工藝設計的原則歸納如下：

2.1 科學合理原則

實驗室要按照“科學規(guī)劃，合理布局”的原則舉行設計，做到技術先進、安全可靠、經(jīng)濟合理、確保質量的要求。實驗室的選址應合理，平面布置要科學，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。實驗室設計還要全面考慮實驗工作空間、通風系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、上下水、強弱電、儀器設備接地、勞動保護以及相應的空調暖通等基礎設施的合理設計與配置。

2.2 效率效益原則

功能區(qū)及儀器設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)能設備，優(yōu)化管路布局，以節(jié)約建設成本和降低運行成本。除了優(yōu)化平面布局設計外，可運用先進的實驗室管理軟件來優(yōu)化實驗過程，提高工作效率。

2.3 安全低碳原則

綠色實驗室是21世紀實驗室的主流，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，并考慮暖通空調的節(jié)能、太陽能風能利用、外墻保溫、照明節(jié)能等高效節(jié)能新技術的應用，同時要設計安全防護系統(tǒng)和廢水廢氣處理系統(tǒng)，減少有毒有害物質，改善室內外環(huán)境，保障人員健康。

2.4 人性智能原則

人性化設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備連接在一起實現(xiàn)實驗室網(wǎng)絡化，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；智能化應根據(jù)實驗室的規(guī)模、功能需求等實際情況滿足先進性、可靠性、標準性、集成性、實用性、經(jīng)濟性、簡便性等要求。

2.5 前瞻靈活原則

對市場需求變化大的實驗室，設計時可考慮采用能調整結構的模塊化布局，有足夠的空間來放置儀器設備，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，服務柱也可調節(jié)移動，并設計可移動的隔斷墻，進行靈活隔斷。

3 實驗室工藝設計內容及要求

工藝設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（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)、空調暖通系統(tǒng)、潔凈系統(tǒng)、純水系統(tǒng)、安全措施等方面。現(xiàn)代實驗室的工藝設計包括實驗室工藝設計任務書、工藝設計文件及圖紙兩個方面，其主要內容及要求簡述如下：

3.1 設計任務書制定

現(xiàn)代實驗室設計任務書的內容包括項目概況、建設規(guī)模、設計范圍、經(jīng)濟技術指標、總體設計要求、功能要求及相關要求等，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）、儀器設備、強弱電、供氣、給排水、空調暖通、環(huán)境、建筑結構和裝修等要求。

3.2 平面布局設計

整體布局設計時要對工藝流程、特殊功能間位置選擇、建筑結構特點及空調外機放置等進行統(tǒng)籌考慮，應滿足流程的優(yōu)化及日常管理的要求。實驗室內部布局應考慮減少人流與物流的交叉、通風井和管道井的設置、儀器設備的布置及其水、電、氣接口的設計等。

3.3 流程優(yōu)化設計

實驗室工作流程優(yōu)化與實驗室布局和儀器設備的擺放相關，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，儀器設備擺放應考慮供水、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量。

3.4 給排水設計

實驗室的給排水系統(tǒng)設計應根據(jù)實驗臺所需給排水的需求來定，實驗室給排水系統(tǒng)設計應在土建設計之前完成。給排水管道要盡量沿著墻（角）、柱（角）、天花、走廊等布置，并應避免穿越儀器間、電器設備間和衛(wèi)生要求高的房間。化學實驗室和純水室等應設地漏，漏水時應能及時排放。含有毒有害物質的污水應設置獨立的排水管道。實驗室一般給排水管道宜采用耐酸堿和有機溶劑的PP-R管。純水系統(tǒng)設計要考慮每個實驗室的純水需求，詳細分析各個實驗室對不同水質（一級、二級、三級）的用水量及壓力要求。

3.5 強弱電設計

強弱電系統(tǒng)設計包括電力系統(tǒng)設計、配電系統(tǒng)設計、照明設計、智能化系統(tǒng)設計、安保系統(tǒng)設計、通訊系統(tǒng)設計等。實驗室的配電系統(tǒng)應根據(jù)房間的功能要求、儀器設備的用電需求，綜合多方面因素進行設計。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{系統(tǒng)、實驗室排風和補風系統(tǒng)采用集中配電，設置專門的配電間。實驗室儀器設備對電路的要求比較復雜，貴重精密儀器設備應考慮防靜電、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、計算機網(wǎng)絡、安全防范等智能化系統(tǒng)的設計，要考慮預留有一定的發(fā)展空間。

3.6 通風控制設計

實驗室通風系統(tǒng)設計應滿足最低換氣次數(shù)和負壓要求，具有潔凈度、溫濕度等要求的不同功能類別的實驗室，應采用獨立新風、回風與排風、通風系統(tǒng)，以保證實驗室的安全。實驗室送風和排風應根據(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，送風口一般要遠離通風柜的一側，通風柜的排風系統(tǒng)不得借用消防風道，實驗用房應預留潛藏的側送側排風口。實驗室的空調系統(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系統(tǒng)，普通實驗室一般采用獨立VRV變頻多聯(lián)空調系統(tǒng)，以防止實驗室氣流的交叉污染。潔凈室宜采用專業(yè)公司設計的潔凈空調機，恒溫恒濕實驗室采用獨立冷源的恒溫恒濕空調機。

3.7 集中供氣設計

現(xiàn)代實驗室供氣系統(tǒng)主要由氣源切換系統(tǒng)、調壓系統(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，室內采用防爆電器，室內不宜安裝天花吊頂。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。氣體管路應采用高質量的完全退火、無縫不銹鋼SS-316L,氣體管路的連接采用無縫焊接技術，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、氫氣等易燃氣體應與其它氣體分開，單獨引入。

3.8 消防系統(tǒng)設計

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)，應采用氣體滅火系統(tǒng)。

3.9 裝飾裝修設計

實驗室裝修設計應符合實驗室環(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、工作理念和獨特風格。在選材、色調搭配和施工方法等方面，應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、無火災隱患，有機揮發(fā)物的釋放量及有機揮發(fā)物總量要嚴格控制在標準范圍內。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、線槽穿洞必須嚴格密封。裝修最終效果要現(xiàn)代時尚、美觀大方。

4 食品實驗室工藝設計案例

現(xiàn)對國家食品質檢中心（福州）的工藝設計作簡要介紹。首先，組織相關部門制訂設計任務書。其次，明確招標文件的工藝設計內容，即完成工藝設計及配套的水、電、送排風、氣體等輔助設施的方案設計等。其三，根據(jù)項目相關要求和國家相關規(guī)范要求，進行合理規(guī)劃設計，并進行了工藝設計及下列配套與輔助設施的方案設計，具體內容如下：

4.1 工藝設計項目內容：實驗室裝備工程設計施工圖

實驗室的平面工藝布局設計經(jīng)過多次醞釀和反復磋商，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規(guī)范要求。設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。

4.2 給排水點位圖預留項目內容：實驗室裝備工程設計給排水點位圖

該項目給排水點位圖的設計特點：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，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有地漏；三是微生物實驗室洗手水嘴使用非觸摸式的感應水龍頭，存在生物危險因素的微生物實驗室等不得設置地漏；四是理化實驗區(qū)內易受化學物質灼傷處設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。

4.3 通風系統(tǒng)及VAV系統(tǒng)圖項目內容：實驗室通風系統(tǒng)及VAV系統(tǒng)圖工程設計圖

為避免實驗室內產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，保持實驗室內的適當負壓，確保實驗室內的氣流不外泄到走廊。主要設計特點：一是通風柜采用VAV控制系統(tǒng)，面風速維持在0.5m/s，保證最優(yōu)的排風效果；二是通過機械補新風，維持室內的微負壓動態(tài)平衡，保證室內的舒適性；三是采用VRV變頻多聯(lián)空調系統(tǒng)，避免了各室之間氣流的交叉污染；四是排風與補風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，減少實驗廢氣對周圍環(huán)境的影響。

4.4 凈化系統(tǒng)項目內容：實驗室凈化系統(tǒng)工程設計圖

該項目凈化系統(tǒng)設計特點：一是工藝布局合理，根據(jù)需要設置了更衣、風淋和緩沖間，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)的設置和節(jié)能運行；四是采用潔凈空調系統(tǒng)，設粗、中、高三級空氣過濾器和消毒滅菌裝置，排風與送風連鎖；五是氣流有序，由清潔區(qū)向半污染區(qū)和污染區(qū)流動。

4.5 供氣系統(tǒng)項目內容：實驗室供氣系統(tǒng)工程設計圖

該項目供氣系統(tǒng)設計特點：一是設有獨立的氣瓶間，可燃與不可燃氣體分開放置，氣瓶間采用實體墻，設有防爆門和泄爆窗，室內采用防爆電氣；二是氣路系統(tǒng)設有泄漏報警、緊急切斷和強排風等裝置；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，設置了氣路吹掃、排空等設施；四是采用雙氣源自動切換模式供氣，設有欠壓換氣報警裝置，使用方便。

4.6 純水系統(tǒng)項目內容：實驗室純水系統(tǒng)工程設計圖

該項目純水系統(tǒng)設計特點：一是采用集中供水，原水經(jīng)過多級工藝處理，出水水質穩(wěn)定，可同時滿足不同實驗的用水水質要求；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)設備全自動運行，完全實現(xiàn)人機對話，而無需專人看管；四是設備和輸水管路具有在線化學清洗和消毒功能，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。

4.7 環(huán)保系統(tǒng)項目內容：實驗室環(huán)保系統(tǒng)工程設計圖

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)收集進入廢水調節(jié)池，再經(jīng)廢水處理機處理后達標排放。實驗室廢氣通過通風柜、原子吸收罩或萬向排氣罩等設備收集后，由排風井引至大樓屋面，經(jīng)處理達標后高空排放。有機廢氣和無機廢氣劃分為不同的系統(tǒng)，有機廢氣采用活性炭吸附裝置處理，無機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.實驗室設計與建設指南[M]. 北京：中國水利水電出版社，2011. 186-190.

[3] 趙翔.關于化學實驗室VAV 控制的設計和實踐. 智能建筑與城市信息[J]，2011（3）：74-76.