王輝，李秀杰，董晶

(中國第一重型機械股份公司核電石化事業(yè)部， 遼寧大連 116113)

理化實驗室的設(shè)計與建設(shè)

王輝，李秀杰，董晶

(中國第一重型機械股份公司核電石化事業(yè)部， 遼寧大連 116113)

以某新建理化實驗室為例，闡述了實驗室的建設(shè)過程，指出了建設(shè)理化實驗室的設(shè)計思想和遵循原則；介紹了普通理化實驗室設(shè)計與建設(shè)過程中必備的功能區(qū)域及基本要求；從電力系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、供排水和供排氣系統(tǒng)幾方面探討了籌建理化實驗室的設(shè)計思想，強調(diào)了合理規(guī)劃設(shè)計對實驗室長期可靠運行的重要性。

理化實驗室；設(shè)計；建設(shè)

理化實驗室是生產(chǎn)企業(yè)和研究單位用于檢測材料和產(chǎn)品理化指標(biāo)不可或缺的部門［1］，是生產(chǎn)檢測、科學(xué)研究的前沿陣地。理化實驗室具有化學(xué)分析、力學(xué)性能和金相檢驗等綜合檢測功能?，F(xiàn)以某單位理化實驗室設(shè)計和籌建過程為例，綜合鋼鐵及裝備制造行業(yè)理化檢測實際情況,對理化實驗室的設(shè)計與籌建進行探討。

1 理化實驗室設(shè)計的基本要求

1.1 位置要求

理化實驗室應(yīng)布置在環(huán)境安靜、振動及電磁輻射影響小的位置，以減小檢測數(shù)據(jù)的誤差，提高檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性；布置在遠離粉塵且全年風(fēng)向最小頻率的下風(fēng)向地段。因此，理化實驗室一般為獨立的建筑物，與辦公樓合建時，要設(shè)置獨立的出入口；當(dāng)與計量室合建時，理化與計量應(yīng)分區(qū)、分片布置［2］。理化實驗室中，力學(xué)性能檢測設(shè)備較大且重，搬運不便，有些試驗機需獨立的地基；而化學(xué)設(shè)備多屬精密儀器，對環(huán)境要求苛刻，化學(xué)實驗室排放的有害氣體需經(jīng)樓頂及時排走。建議選定一樓為力學(xué)性能實驗室，頂樓或較高樓層為化學(xué)分析和金相檢驗實驗室。

1.2 布局及空間要求

為保證實驗室的整體性、結(jié)構(gòu)性和穩(wěn)定性，實驗室設(shè)計的開間模數(shù)一般分為3.0，3.3，3.6 m 3種，具體開間模數(shù)的選擇需與建筑模數(shù)相結(jié)合。實驗室平面布局形式有淺進深和大進深兩種，進深的選擇主要考慮房間內(nèi)的采光通風(fēng)、實驗室家具的尺寸及布置等因素。傳統(tǒng)經(jīng)驗認(rèn)為淺進深平面使用面積率高，是合理的選擇。進深一般在6～9 m之間［2］，檢測中心的布局模式選為單走廊+淺進深（6.0 m）。

實驗室層高一般建議在3.6～3.9 m之間，如某理化實驗室設(shè)計層高為4.3 m，安裝空調(diào)、消防等管道設(shè)施后，房間內(nèi)部凈高為3.3 m。力學(xué)性能由于設(shè)備高大，在設(shè)計時應(yīng)將內(nèi)部凈高定為3.5 m，保證設(shè)備的運輸和安裝空間。

2 理化實驗室的總體設(shè)計規(guī)劃

2.1 基本規(guī)劃

實驗室建設(shè)是一項復(fù)雜的綜合系統(tǒng)工程，涉及土建、配電、給排水、通風(fēng)、照明、安全措施、“三廢”處理以及室內(nèi)實驗設(shè)施配套安裝等。按照相關(guān)規(guī)范［3］及標(biāo)準(zhǔn)，全面考慮，整體規(guī)劃，最終確定方案。

2.2 以設(shè)備安裝要求為出發(fā)點，進行深入規(guī)劃

儀器設(shè)備是建設(shè)高水平實驗室的關(guān)鍵因素之一。在明確實驗室功能的基礎(chǔ)上，即可進行配套儀器設(shè)備的采購。為了確保購置的設(shè)備先進、精密和質(zhì)量穩(wěn)定可靠，首先根據(jù)實際需求提出設(shè)備技術(shù)要求，由設(shè)備采購部門負(fù)責(zé)招標(biāo)，采用公開招標(biāo)專家評標(biāo)的辦法進行購置。在簽訂儀器設(shè)備技術(shù)協(xié)議后，及時向供貨商索取設(shè)備的安裝要求，然后將設(shè)備的安裝條件如配電、排風(fēng)、上下水及使用氣體情況充分考慮到基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)劃中，如設(shè)備對溫濕度的要求，ICP-MS和ICP-OES均需預(yù)留不同直徑的排風(fēng)口，且風(fēng)機要獨立控制、氧氮氫分析儀要在基建中預(yù)留上下水、掃描電鏡需要防震防電磁輻射等，為后續(xù)安裝設(shè)備提供方便的同時，也可節(jié)省改造費用。在建筑材料選擇方面重點考慮地磚、墻磚及給排水排風(fēng)管道的抗化學(xué)腐蝕性能，依國家相關(guān)規(guī)定進行規(guī)劃設(shè)計、布局實驗設(shè)施。

3 理化檢測功能區(qū)域的基本要求

3.1 辦公區(qū)

應(yīng)在每個樓層集中設(shè)置，便于學(xué)習(xí)和探討工作中出現(xiàn)的問題，民用配電即可。

3.2 報告編制區(qū)

用于檢測結(jié)果的輸入、檢測報告的編制及審核，滿足辦公用電需求即可。

3.3 收樣及樣品儲存區(qū)

該區(qū)域必須干燥、通風(fēng)、防塵。樣品分為待檢、在檢、已檢3類，各存儲柜應(yīng)標(biāo)明收樣及檢測日期。

3.4 樣品處理區(qū)和化學(xué)濕法分析區(qū)

樣品處理區(qū)域在實驗過程中會產(chǎn)生大量的有毒有害、有刺激氣味的氣體，故必須有獨立排風(fēng)設(shè)施通風(fēng)柜；一般為單獨的房間，地面應(yīng)有地漏；墻面、地板、實驗臺和試劑柜等要絕緣、耐熱、耐酸堿和耐有機溶劑腐蝕；放置中央實驗臺的實驗室應(yīng)預(yù)設(shè)供實驗臺用的上下水裝置和足夠的電源插座。鑒于化學(xué)分析需要用到大量的強腐蝕性藥品，建議通風(fēng)柜內(nèi)部特殊定制耐500℃高溫且耐酸堿的陶瓷內(nèi)襯及耐氫氟酸腐蝕的PP內(nèi)襯。

3.5 儀器分析區(qū)

該區(qū)域主要設(shè)備一般有等離子體質(zhì)譜、發(fā)射光譜、碳硫氧氮氫分析、X光譜、原子吸收、氣相液相色譜、極譜、原子熒光、電鏡、萬能試驗機等設(shè)備及配套穩(wěn)壓電源和水循環(huán)系統(tǒng)。各類儀器設(shè)備具有精度高、運行條件苛刻、耗材昂貴、部件損壞維修難度大、維修費用高等特點，決定了該區(qū)域應(yīng)為單獨房間且空間不宜過小，盡量鋪設(shè)防靜電地板，互有干擾的儀器不能放在同一房間。該區(qū)域要求一定的潔凈度（可設(shè)置緩沖間）、溫濕度（溫度18～25℃，相對濕度60%～80%）、防震防輻射、獨立用電、獨立接地（電阻不大于1 Ω）等。設(shè)備放置距離墻體60～80 cm，以便維修檢查。根據(jù)設(shè)備的不同安裝要求，應(yīng)考慮預(yù)留設(shè)備的排風(fēng)管道。對于光譜類儀器，還應(yīng)避免直射陽光。

3.6 稱量區(qū)

稱量區(qū)應(yīng)為獨立的房間，用于放置精密分析天平，應(yīng)距離樓道墻面較遠，并有雙層玻璃或窗簾，防塵防震［3］，在土建方面也應(yīng)考慮防潮及保溫措施，宜設(shè)恒溫恒濕系統(tǒng)。建議為化學(xué)分析實驗室配置臺面厚度為40 cm的大理石天平臺，以達到三級減震的效果,天平臺須離開墻壁至少1 cm放置。

3.7 高溫及微波消解區(qū)

單獨的房間，主要用來擺放干燥箱、高溫爐，應(yīng)有足夠的電功率。有些高溫爐如化學(xué)實驗室的大型干燥箱體積超高或超寬，需注意預(yù)留排風(fēng)罩的尺寸和高度?？稍谠搮^(qū)域預(yù)留兩個排風(fēng)口，用于安裝通風(fēng)柜，并放置需排風(fēng)的微波消解儀、酸提純器等小型儀器。

3.8 試劑儲藏區(qū)

可根據(jù)實際情況安排藥品柜，應(yīng)預(yù)留排風(fēng)口以放置帶抽風(fēng)試劑柜（保存揮發(fā)性藥品）；對于有一定危險性的藥品應(yīng)設(shè)置單獨的危險品存儲柜。

3.9 晶間腐蝕區(qū)

基本同樣品處理區(qū)，該區(qū)域要預(yù)留足夠數(shù)量的上下水管路和排風(fēng)管道。

3.10 金相顯微鏡區(qū)

屬于金相檢驗范疇，在建筑設(shè)計中除考慮防塵、防振外，還需考慮防電磁輻射設(shè)計，室內(nèi)應(yīng)預(yù)留滿足設(shè)備要求的電源。

3.11 沖擊、拉伸和硬度檢測區(qū)

屬于力學(xué)性能實驗范疇，包括常規(guī)性能測試（拉伸、壓縮、彎曲、硬度、落錘、沖擊等）、高溫持久-蠕變、斷裂韌性、高溫松弛、熱疲勞試驗等。該區(qū)對通風(fēng)排風(fēng)無要求，可在高溫拉伸試驗機旁邊設(shè)置一組上下水管路，便于為剛剛檢測完的試樣冷卻降溫。該區(qū)域需估算設(shè)備用電功率并考慮安全系數(shù)，預(yù)留設(shè)備電源，保持清潔、干燥、無振動且溫度均勻，在設(shè)備安放點的周圍應(yīng)留出足夠的空間，以便于進行試驗與維修。制作設(shè)備預(yù)留基礎(chǔ)工程時按照相應(yīng)安裝地基圖施工，設(shè)備的主機應(yīng)安裝在混凝土的地基上，一般設(shè)備應(yīng)用地腳螺栓調(diào)整儀器水平使用，待基礎(chǔ)干燥后（約15 d），再進一步安裝設(shè)備。

3.12 實驗用水制備區(qū)

該區(qū)工作臺面應(yīng)堅固耐熱，配備能滿足制水設(shè)備功率要求的電源線路；供水水龍頭應(yīng)有隔渣網(wǎng)。制水環(huán)境應(yīng)盡可能避免污染，制備超純水應(yīng)該達到一定的潔凈度。

3.13 氣體存放區(qū)

該區(qū)樓板承重應(yīng)大于300 kg／m2，預(yù)留排風(fēng)口，用于接駁可燃性或危險氣體氣瓶柜。

3.14 預(yù)留實驗區(qū)

該區(qū)域為實驗室發(fā)展預(yù)留的空間，應(yīng)在保持清潔的基礎(chǔ)上，將上下水和電源容量留足并在地面預(yù)定位置留有地漏即可。

4 實驗室內(nèi)部裝修系統(tǒng)規(guī)劃

4.1 供電系統(tǒng)

在實驗室內(nèi)同時運行多臺大功率設(shè)備，會使供電線路過載發(fā)熱，時間過長，可能會導(dǎo)致電線絕緣層強度下降而燃燒，并引燃周圍物品發(fā)生火災(zāi)。因此必須重視電器設(shè)備的用電設(shè)計。

首先考慮供電電壓，有的設(shè)備需220 V，而有的需380 V，由于是新建實驗室，多數(shù)儀器設(shè)備是在實驗室主體建成后進貨，在給欲訂貨的儀器設(shè)備預(yù)留電容量的基礎(chǔ)上，還要考慮電源負(fù)荷大小和今后可能的發(fā)展情況，應(yīng)設(shè)置總電源控制開關(guān)，當(dāng)實驗室無人時能切斷室內(nèi)電源；對于24 h運轉(zhuǎn)的設(shè)備如烘箱、恒溫箱、冰箱、純水發(fā)生系統(tǒng)等，應(yīng)設(shè)有專用電源，不至于因切斷實驗室的總電源而影響其工作。建議每個實驗房間都設(shè)有獨立的電控柜，以220 V為主，留有380 V供電，多個空氣開關(guān)分別控制，保證使用過程中如有漏電現(xiàn)象立刻自動切斷電源。力學(xué)性能實驗室的大功率設(shè)備供電，可預(yù)設(shè)1個40 kW、2個20 kW、2個10 kW的動力電源，每路均設(shè)有空氣開關(guān)和接觸器［4］。根據(jù)實驗臺桌及儀器設(shè)備的安放位置，要考慮到將來會逐漸增添新的儀器設(shè)備，在敷設(shè)電線、安裝插座時應(yīng)留有余量，配電導(dǎo)線應(yīng)采用銅芯線，最好配合小型儀器布局電源插座，在實驗室的墻壁上應(yīng)安裝多處單相和三相插座，方便臨時使用。實驗室的安全關(guān)系到檢測人員和設(shè)備的安全，為確保防止觸電事故及儀器設(shè)備的正常運行，供電系統(tǒng)必須有良好的地線。

4.2 供排水系統(tǒng)

水是實驗不可缺少的基礎(chǔ)條件之一，除極少數(shù)儀器設(shè)備房間外，理化實驗室每個實驗房間都要求有水供應(yīng)，如有條件，最好安裝蓄水裝置，防止實驗過程中突然停水。實驗室的供水有城市自來水［5］和實驗用純水，應(yīng)安裝超純水發(fā)生裝置，盡可能增加取水終端便于超純水的使用，滿足精密儀器使用要求。

實驗室的實驗臺應(yīng)盡可能都安裝水管、單頭或多頭水龍頭、水槽和洗眼器。根據(jù)房間的既定功能，確定供排水的大致位置和數(shù)量，選用不同材料的排水管道，例如大量使用有機溶劑的化學(xué)實驗室應(yīng)安裝耐有機溶劑的鑄鐵排水管道、經(jīng)常產(chǎn)生酸堿廢水的實驗室宜采用耐酸減的排水管道等?；瘜W(xué)實驗對環(huán)境的影響和潛在危害是客觀存在的，在建設(shè)實驗室過程中必須充分重視。實驗室產(chǎn)生的一般廢水無須處理就可排入城市下水網(wǎng)道，有害廢水在向室外排放前，必須對其進行凈化處理，使之達到國家規(guī)定的排污標(biāo)準(zhǔn)。在設(shè)計時配備足夠數(shù)量的廢液收集裝置，便于收集實驗過程中產(chǎn)生的廢液，定期交由相關(guān)部門處理。

4.3 通風(fēng)、排風(fēng)系統(tǒng)

理化實驗室通風(fēng)設(shè)計以化學(xué)實驗室為主，其通風(fēng)方式主要有通風(fēng)柜、排氣罩和排風(fēng)管，其目的是為避免人員因長期在危險空氣中工作而傷害到身體健康；排走儀器設(shè)備產(chǎn)生的熱量和雜質(zhì)。宜根據(jù)設(shè)備的要求，用通風(fēng)管道及風(fēng)機進行通風(fēng)排氣以保證設(shè)備正常運行。

實驗室通風(fēng)柜的排風(fēng)系統(tǒng)宜獨立設(shè)置，采用每臺或同房間的通風(fēng)柜使用一套風(fēng)機和管路，每套系統(tǒng)在各房間獨立控制，不共用風(fēng)道，也不得借用消防風(fēng)道。同一個房間若有兩臺以上的通風(fēng)柜，應(yīng)劃為一個系統(tǒng)，避免一臺通風(fēng)柜使用時，其它通風(fēng)柜產(chǎn)生倒流污染室內(nèi)。一個房間內(nèi)宜裝一套排風(fēng)設(shè)備。實驗室的補風(fēng)由新風(fēng)機所送入的新風(fēng)、通過門縫或預(yù)留百葉補風(fēng)口滲入的新風(fēng)和經(jīng)中央空調(diào)送入的新風(fēng)組成。通風(fēng)柜應(yīng)布置在遠離新風(fēng)口的地方，避免新風(fēng)剛進入就被排出。為避免實驗室內(nèi)的有害氣體污染其余房間和走廊，室內(nèi)一般可通過調(diào)整排風(fēng)量大小以及風(fēng)機的開停順序設(shè)計成負(fù)壓狀態(tài)，新風(fēng)可通過房間的門縫滲入到室內(nèi)。實驗室要有一定的換氣次數(shù)，以保證室內(nèi)揮發(fā)性有害物質(zhì)及時排出室外，換氣次數(shù)與通風(fēng)柜數(shù)量及每個通風(fēng)柜換氣量有關(guān)，通常實驗室無人時換氣次數(shù)為5～6次／h［6］。

實驗室的噪聲一般應(yīng)小于55 dB，故用于提供室內(nèi)排風(fēng)的風(fēng)機應(yīng)盡量放置于室外，必要時可設(shè)通風(fēng)機房。可將風(fēng)機放置于樓頂，便于檢修，易于消聲和減振，同時置于樓頂不占用使用面積，且使室內(nèi)的排風(fēng)管道處于負(fù)壓狀態(tài)，以免有害物質(zhì)由于管道的腐蝕或損壞而滲入室內(nèi)。

4.4 供氣排氣系統(tǒng)

實驗室用氣主要有燃?xì)夂驮O(shè)備用氣兩類。燃?xì)庵饕刑烊粴?、煤氣、液化石油氣以及酒精噴燈等，分析實驗使用燃?xì)庥糜谠嚇尤廴诜纸夂托⌒筒Ａ髅笾圃?。實驗室不同種類和等級的氣體裝在鋼瓶中放置在專用區(qū)域。設(shè)置氣體匯流排的區(qū)域最好是單獨的房間，要嚴(yán)禁明火，遠離火源，防暴曬，如使用易燃易爆氣體要裝有特殊的防護和報警裝置。常見理化設(shè)備所需氣體及純度見表1。

表1 理化設(shè)備所需氣體種類及純度

以某實驗室為例，力學(xué)性能實驗室使用液氮為試樣降溫至-105℃甚至更低，而金相實驗室使用氮氣為掃描電鏡提供惰性的氣氛，考慮到力學(xué)和金相實驗室用氣量少且種類單一，從經(jīng)濟角度考慮，不必將力學(xué)和金相實驗室用氣設(shè)計在匯流排管道內(nèi)。從表1中可以看出，所用氣體中氨氣和甲烷屬易燃、易爆氣體，氧氣屬助燃?xì)怏w。為安全起見，應(yīng)選用專業(yè)化的施工隊伍對供氣排氣系統(tǒng)進行安裝、調(diào)試，配備氣體報警和阻火器等裝置以確保危險性氣體的使用安全。

實驗室的排氣系統(tǒng)應(yīng)視廢氣的具體產(chǎn)生量而定，如果量少可直接排出室外，但應(yīng)采用專門的排氣管從樓頂排放；對有毒、有害或量大的廢氣，可在風(fēng)機排風(fēng)口末端加裝活性碳或其它吸附裝置進行處理后排放。

5 結(jié)語

理化實驗室在建設(shè)、裝修過程中，設(shè)計要有一定的前瞻性，應(yīng)對不同檢測內(nèi)容實驗室建筑要求深入了解，包括一般要求及特殊要求，合理布局和設(shè)計，充分考慮供電、供水、供氣、通風(fēng)、空氣凈化、安防、環(huán)保等基礎(chǔ)條件，從而保證建設(shè)后的理化實驗室安全、有效地長期運行。

［1］劉慶瑔，郭汝華.理化檢測實用手冊［M］.北京：航空工業(yè)出版社，2004.

［2］馮廣財，王玉真.機械工廠理化試驗室建筑設(shè)計要求簡述［J］.中國科技信息，2011(10)： 62.

［3］JGJ 91-1993 科學(xué)實驗建筑設(shè)計規(guī)范[S].

［4］李巖，劉旺開.淺談實驗室電氣改造//北京高教學(xué)會實驗室工作研究會2007年學(xué)術(shù)研討會論文集［C］.北京：高等教育出版社，2007： 16-19.

［5］趙恒康 .淺談實驗室設(shè)計與籌建［J］.光譜實驗室，2000(2)：181-182.

［6］張偉偉.化學(xué)實驗室通風(fēng)設(shè)計相關(guān)問題分析［J］.建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2010，29(1)： 97-100.

Design and Construction of Physical and Chemical Laboratory

Wang Hui， Li Xiujie， Dong Jing
（Nuclear Power and Petro-Chemical Business Group of China First Heavy Industries，Dalian 116113，China）

The establishment of the laboratory was elaborated by taking a physical and chemical laboratory as an example. The design ideology and discipline of physical and chemical laboratory were put forward. The functional zone and basic primary requirement in course of common physical and chemical laboratory design and construction were introduced.The design ideas for establishing physical and chemical laboratory were discussed from several aspects，such as electrical system，ventilation system，water supply and drainage，gas supply and exhaust system，which was important for the laboratory to operate steadily.

physical and chemical laboratory; design; construction

O6-31

A

1008-6145(2012)04-0090-04

10.3969／j.issn.1008-6145.2012.04.028

聯(lián)系人：王輝；E-mail： 75451209@qq.com

2012-03-20