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浅谈实验室工艺技术设计-----铜川市产品质量监督检验所崔亚梅
来源:超级管理员   发布日期:2016-01-14   查看次数:3708 次

    【摘要】实验室既化验室、检验室,在学校、工厂、科研院所、检验检测机构等有不同的性质。随着社会和经济的发展,实验室作为科研、检测、教学等的重要场所,越来越得到人们的重视,特别是改革开放以来,我国实验室建设无论是从装备还是检验检测方法上都有了显著进步。实验室建设是一项复杂的系统工程,无论是新建、扩建、还是改造,实验室都不是单纯地购买实验室仪器设备那么简单,实验室建设在专业上涉及多个领域和学科,在功能上又涉及到给排水、通风、排风、强电、弱电、空调、消防、废气废液处理、集中供气等复杂的工艺技术,同时还要考虑到环保、安全、健康、可持续性发展等诸多因素。那么建好一个专业实验室,我认为首先要考虑实验室的工艺技术设计。

    【关键词】实验室;工艺技术;设计
    一、实验室建设的基本理念
    一个实验室不专业,很难谈科技进步的健康发展,专业的实验室是专业的建设流程和专业的建设者的产物,对比国际先进实验室我们不难发现,国内实验室和国际专业实验室在建设方面最大的差距不是资金、不是技术,而是理念。
    专业的实验室建设理念至少包括以下几个方面:
    目前,我国对实验室的建设没有相关的建筑规范,因此很多实验室在土建设计阶段,没有充分考虑到实验室对建筑的特殊要求。实验建筑和办公建筑等普通建筑是两种不同的建筑,其思考方向和建设流程是不同的。工艺设计是实验室建设不可或缺的一环,并且需要先于土建设计。从某种意义上来讲土建设计是为工艺设计服务的,工艺设计决定了实验室的先进性,实验室设计是由内而外的,建设是由外而内的。实验室是一个系统,是环境,以及环境造就出的工作方式,而不是仪器和家具的简单组合。
    正确的实验室建设流程是首先进行实验室的工艺设计,然后在满足实验室工艺要求的前提下,进行实验室的土建设计。这就要求建设单位咨询专业的实验设计方,在项目的土建设计阶段,就及时介入。
    二、实验室设计与承建单位的选择
    实验室设计与承建单位应选择国内具有一定规模的企业,必须严格考察其设计、研发、生产和施工能力及资质水准,最好实地考察其已完工的项目和公司所在地。设计单位的设计人员应专业全面、经验丰富、认真负责、队伍稳定。承建单位最好在实验室所在地已承担过建设项目,这样比较熟悉当地情况。设计图纸完成后,最好请第三方机构和权威专家进行详细审核,以避免出现不合理的设计和重大缺陷。
    三、实验室设计定位和规划
在构建专业实验室的流程中,“构”的部分至关重要,它包括了实验室的定位和规划,是整个实验室建设的基础和灵魂。
    1.合理定位是指:实验室在国际和国内的定位;实验室在行业(系统)内的定位;实验室在社会中的定位(行使政府职能、第三方公正检测、通用实验室、企业技术中心等);实验室所处地理区域的定位。
    2.科学规划是指:实验室建筑规划和实验室工艺规划。实验室建筑规划包括建筑外观、风格、高度、园区布局等;实验室建设之前,调查实验室需求的过程实际上就是确定整个实验室3~5年规划的过程,因此需要进行大量前期调研工作,既要明晰自身的需求和未来的发展方向又要广泛地考察相关单位已建成的实验室,学习其经验和教训。 
    四、实验室建设流程
    1.构建专业实验室的基本元素
人;实验台;仪器设备;实验室装修工程;通风系统;消防系统;强弱电系统;供排气系统;给排水系统;污水处理系统;空调暖通系统;智能化管理系统等。
    2.建设流程
概念设计阶段(通过合理定位、科学规划,实验室基本功能确认);工艺设计阶段(最关键环节);土建设计阶段;土建工程阶段;实验室装修及配套工程施工;仪器设备与配套设备连接、仪器调试、试运行阶段;工程验收;实验室人员培训(安全培训、设备应用及维护培训);认证认可等。
    五、实验室工艺技术设计的主要内容
    1.实验室平面布局的设计
实验室平面布局是实验室设计的基础,只有按照功能分区和工作流程的需求做好相应的平面布局规划才能确保后续的水、电、风等专业的设计,可谓牵一发而动全身。因此平面布局设计阶段应尽可能地详细考虑工作和发展的需求,合理配置空间,尽量优化整合。除了布局的优化和仪器设备的摆放位置的设计外,还应充分考虑到人员流动与物品流动的方向是否符合工作要求。例如,为了避免实验人员频繁跑动,前处理室应该和仪器室在同一楼层;气瓶室应和气相色谱仪、气质联用仪等仪器在同一楼层;尽量让单层面积最大化,以避免楼层过多,每一层都要设置洗涤室、样品室以充分利用空间;生物安全室应合理布局洁净区、半洁净区、污染区,以避免交叉污染。
    另外,完善的实验室管理制度,也是影响实验室工作流程的重要因素。
    2.实验室配电系统设计
    实验室的配电系统是根据实验仪器和设备的具体要求,经过专业的设计人员综合多方面因素设计完成的,与普通建筑有很大区别。因为实验室仪器设备对电路的要求比较复杂,并不是通常人们所认为的那样,只要满足最大电压和最大功率的要求就可以了。事实上有很多仪器设备对电路都有特殊的要求(例如静电接地、断电保护、等电位连接等)。对配电系统的设计,不但要考虑现有的仪器设备情况,同时也要考虑实验室几年的发展规划,充分考虑配电系统的预留问题及日后的电路维护等问题。为了保证电力的可靠保障,还应考虑不间断电源或双线路设计,不间断电源的容量应符合实际所需并保证一定可扩增区间以满足未来的发展所需。
此外对于某些特殊的区域,如气瓶间则应采用防爆电器元件以确保无安全隐患。墙上的插座应充分考虑需求,例如样品室应留足冰箱的插座、前处理室应预备离心机的插座、门口应预留自动鞋套机的插座、走廊两侧也应考虑到分布一些插座。
    3.实验室弱电系统设计
    实验室的弱电系统主要包括电话、监控、门禁、网络等,弱电系统有一个特点即预置后不可变更,因此不能像强电线路一样可以根据所需任意更改。例如,网络接口应与墙插并列,高度应恰好高过实验台,这样方便日后使用。仪器室应预留足够多的网络接口,不要采用地插形式而应预留足够长的线头以方便仪器台安装时连接到台面网络接口。走廊如果很长,可以在远端预留电话线,方便工作时接打电话,无菌室内外由于隔音效果较好,应预设对讲电话,便于沟通。
    4.实验室空调系统设计
    实验室对空调系统的要求,有别于普通办公室或公共区域的空调系统,有其特殊性。通用实验室的夏季空气调节室内计算参数为温度为26-28°℃,相对湿度小于65%,专用实验室的空气调节室内计算参数应按工艺要求确定,空调系统不仅仅是控制实验室的温湿度,同时还应与实验室通风系统配合,才能真正有效地保证实验室的温湿度和房间压差,令人员和精密仪器有一个良好的工作环境。实验室所在的整栋大楼若采用中央空调则一定要能够进行分区域、分时段的模块式管理,以避免加班时因不能正常使用空调而影响仪器的检测性能。中央空调管线的布局应结合实验室通排风管道的设计,避免施工的时候交错重叠,影响层高。极端天气情况下,应能确保样品室、气瓶室、超低温冰箱室、精密仪器室、不间断电源室等对温度要求高的区域保持24小时的恒定温度调节。
    5.实验室消防系统设计
    实验室是一个特殊环境,对消防的要求相对于普通的办公楼来说要求很多。实验室设计人员要根据实验室的具体情况,例如设备投资与工艺特点、实验工艺要求、储存样品和试剂的种类、实验建筑物的特点等,采用不同的消防措施来保障实验室的消防安全。如对于精密仪器室和无菌室、配电室、不间断电源室而言,其消防就不能采用自动喷淋装置,而应采用气体灭火装置,以避免自动喷淋装置损坏仪器设备或破坏洁净环境。
    6.实验室给排水系统设计
     给水系统选择:根据科研、生产、生活、消防等方面用水对水质、水温、水压和水量的要求,结合室外给水系统等因素,从技术经济指标上比较后确定。用水定额、水压、水质、水温及用水条件,应按工艺要求确定。水管由土建方通过预埋管铺设在地板下面,引到中央台指定位置;对于边台,水管由土建方埋设在墙里引到指定位置。
    排水系统的管道应耐酸碱腐蚀及有机试剂对材质的融解,应采用PPR或其他材质,而不能用普通的PVC管材,同时也要根据污水的性质、流量、排放规律并结合室外排水条件而定方案。由于大型实验室下水管道复杂,应采取必要措施避免管道堵塞渗漏,如养成良好的用水习惯、放置滤网、设置存水弯、弯头采用45°角连接等。集中供水系统由于成本较高,水质不稳定,因此不推荐使用。为了避免二次污染,可采用感应式水龙头,缺点是容易坏。为了美观,热水器可采用内置式的即热式电热水器。
    排出有毒有害物质的污水:应与生活污水及其它废水废液分开。对于较纯的溶剂废液或贵重试剂,宜在技术经济方面分析后决定是否回收利用。
凡含有有毒和有害物质的污水,均应进行必要的处理,符合国家排放标准后,方可排入城市污水管网。
    7.实验室供排气设计
    实验室很多设备的运行都需要各种各样的气体供应,同时也会产生废气。如何既安全又方便地解决供排气问题,也是一直以来困扰实验室工作人员的问题之一。传统的实验室供气方式是采用将气瓶安置在仪器设备的旁边,危险气体的气瓶放置在气瓶柜内,排气采用直接排放到实验室内或是通过简易的管道排放在窗外。在实验室的发展过程中,随着实验室仪器设备的增加,实验室内经常是密布着各种各样的管道和气瓶。这样处理既造成了非常大的安全隐患,也不美观。
     正确的实验室供排气的解决方案是把实验室的供排气看作一个系统。目前来说以集中供气作为主流设计方案得到广泛使用。气瓶室的安全性必须得到保障,必须采用防爆门、泄爆窗、气体泄漏感应报警装置、所有电器电路均应采用防爆型的、还应考虑防雷、防静电以及空调设备。
    8.实验室供排风系统设计
    实验室供排风系统是整个实验室设计和建设过程中规模最大、影响最广泛的系统之一。供排风系统完善与否,直接对实验室环境、实验人员的身体健康、实验设备的运行维护等方面产生重要影响。
    实验室过度负压,通风柜气体泄漏,实验室噪音等问题,一直是困扰实验室工作人员的难题。这些问题给长期在实验室中工作的人员,甚至工作在实验室周围的管理和后勤人员,造成了身体和心理上的伤害。
   通排风系统完善的实验室,应该是环境和谐、安全、健康的工作场所。实验室噪音、房间的换气次数、压差、通风柜有毒气体残留等都是值得关注的问题。另外,样品室和试剂室也应考虑有通排风设备,以免样品带来的异味影响环境;一个现代化的实验室,应设计新风系统;通风柜前方的新风口散流器应采用可以调节方向活动室百叶设计,以避免冬夏季节外界冷热空气直接吹向操作者。
    9.实验室装修设计
    整体设计以清新、淡雅色调为主,简约、自然、时尚、高档融为一体,不仅可以体现现代实验室的功能要求,而且极大地满足了人体工程学的规范。在实验室功能隔断时,尽可能减轻建筑楼板的承重,实验室内隔断选用轻质隔墙,根据实验室不同采用不同材料的隔断处理。
    天花:一般实验室的天花用不集尘、不易脱落的龙骨支架铝扣板天花。天花应采用小方格的扣板形式,而不应采用大块的整体结构,这样便于施工和后期维护。有些仪器需要静音,天花选用静音天花,灯光照明采用内嵌式防尘灯盘。30Wx3,工作区照度>450Lux,走道照度>200Lux。
实验室噪音:按照OSHA以及ADA规范,实验室内噪音不得高于60分贝。考虑液质、气质、扫描电镜的房间。
实验室地面:对于洗涤室、高温室、气瓶室、含汞实验的实验室、恒温恒湿实验室、洁净实验室、大型仪器室等不同种类实验室,需要采用不同的地面处理方式。
实验室为了便于参观检查,参观走廊两侧或大型仪器室可采用落地玻璃幕墙设计,这样更加通透明亮,便于管理,缺点是不能在墙根预留插座,同时门的稳定性较差,造价也较高。实验室若要达到最佳的视觉效果,配色也是一个考虑的方面。搭配合理的柜体、台面、地面、天花会凸显其卓尔不凡的高端特征,令参观者过目不忘,令使用者身心愉悦。
    另外关于一些生物安全实验室、恒温恒湿实验室等特殊实验室,装修需要遵循相关的技术规范。
    10.实验室家具的选择
    实验室家具的选择首先应考虑能充分满足工作所需,主要涉及到台面材质、柜体结构与材质、颜色搭配等要素。例如前处理室应采用耐酸碱的陶瓷板台面、仪器室应采用理化板台面等。台柜的结构主要分为钢木、铝木、全钢三种,实验台的支架又可分为C形、回形,应根据各个单位的需求而定。每个房间台柜的布局、种类、数量也要充分考量,边台、中央台、高柜、吊柜等应搭配得当,避免造成日后工作的不便。
    11.实验室仪器设备摆放
    仪器设备的摆放是一个实验室设计中的重点和难点之一。实验仪器的摆放看似简单,可实际上需要考虑的因素非常多。实验仪器是否可以良好的运行,是否可以得到妥善的保护,是否可以将环境对其的影响度降到最低,相互之间是否有影响,实验人员是否可以方便的使用等等问题,都是在考虑实验室仪器摆放位置的时候需要关注的问题。合理的布置实验仪器,不仅需要设计人员对仪器设备本身,对环境、供气、供水、供电、废气、废水、废液的排放等方面的特殊要求非常了解外,还需要设计人员具有相当丰富的建筑工程设计及施工等管理方面的知识。
    12.其他还应考虑的设计
    二十一世纪的实验室是智能化的实验室,应安全、健康、节能、环保、人性,所以除了以上实验室工艺技术设计外,还要考虑以下设计。
    12.1人性化设计
    人性化设计是尽量利用实验室建筑中的空间,提供给人们会面并且交流的机会。包括休息室、会议室、中庭空间、楼梯空间、共享的实验室设备空间、公共服务空间,尽量增加人们见面交流的机会,使其成为团队合作和研究的社会化建筑。
    12.2智能化设计
    智能化实验室包括远程电话及电视会议、讲演设备、移动的视听设备,数据、音频、视频和计算机的结合,智能化实验室通过总线方式统一管理,将实验室内的各种仪器设备连接到一起实现实验室网络化,并通过各种引出方式实现与移动网络、电信网络、电视网络等连接,从而使工作人员在任何时间、任何地方、任意控制内外的各种信息。不仅可以实现手机遥控、面板遥控、自动记忆等简单功能,还可以实现宽带上网、远程监控和数字电视遥控等功能。
智能化系统包括通信接受系统、电话交换系统、信息网络系统、综合布线系统、信息化应用系统、建筑设备管理系统、公共安全系统等,智能化系统设计应根据实验室的规模、功能需求等实际情况,选择配置相关的系统。
    12.3绿色环保设计
    安全、健康、环保、节能是绿色实验室的要素,为了人类的健康,绿色实验室已成为二十一世纪实验室的主流。设置安全防护系统、以资源效率、健康环境和生产力为基础的可持续节能建筑已成为现实,降低设备能耗,提高能量效率,减少有害物质或垃圾,改善市内和市外环境,保护人体健康,有效利用环保材料和资源,循环再利用并增加再生产品的使用已成为必然的趋势。
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