縣級環境監測站實驗室內部設計案例簡介和分析

卞金良,呂偉明,張 潔

(江陰市環境監測站,江蘇江陰 214431)

1 前 言

根據環境保護部辦公廳《關于申報環保監測執法業務用房建設項目的通知》(環辦函〔2008〕817號)的文件要求,中西部地區掀起了一股申報建設監測執法業務用房的熱潮。實驗室的建設是一項復雜的系統工程,目前普遍存在基建設計與實驗室功能相脫節的問題。環境監測實驗室屬于綜合性實驗室,由于承擔的檢測項目較多,配備的各種儀器設備數量多、技術含量高、使用環境的要求各不相同,所以實驗室的建筑設計和內部功能設計要盡可能滿足不同工作條件的需求是一件極其復雜又有相當難度的事[1]。本文詳細介紹江陰市環境監測站新大樓實驗室建設內部功能設計想法、依據及相關方案的優選,供同規模環境監測實驗室的建設借鑒。

2 項目概況

本項目為江陰市環境監測站新建的環境監測中心實驗樓。建設地點位于錫澄公路西側、江陰市職業技術學院東北角,總占地面積約 2.58hm2,高度22.5m。實驗樓主體為五層,總建筑面積 7259m2,其中首層 1101 m2,二層 1463 m2,三～五層 1509 m2,六層 168 m2為少量的設備用房 (供樓層空調機組用)[2]。

3 項目設計原則和理念

本項目定位是把環境監測中心建成綠色、環保、生態、節能的建筑典范。實驗室建設應遵循“三個保護,兩個節約和一個確保”的原則。三個保護就是要做到對人員的保護、對儀器設備的保護和對周圍環境的保護;兩個節約就是在建設過程中節約資源,在使用過程中節約能源;一個確保就是所有目的只有一個,確保檢測結果準確可靠[3]。為符合以上原則及達到國內領先、國際同步的建設方向,本項目采納了國內外各專業規范,采用了國際上領先的VAV實驗室全新風通風控制系統理念及自動化管理系統,使本實驗樓在安全、舒適的前提下能保證節能與可靠,使內外均能符合綠色建筑的特色。并通過整體設備及系統的整合達到當今國際上對實驗室建設之安全、舒適、節能、可靠的最高設計理念[2]。

4 項目內部設計的簡介和選擇

4.1 實驗室平面布局的優選

實驗室布局充分考慮了環境監測既有現場監測又有實驗室分析的特點,結合環境監測工作流程和程序、實驗室安全、實驗室專業學科功能和監測站今后的發展方向(有機、生態為主)在每個樓層分別設置了分析實驗室、儀器分析室、天平室、前處理實驗室和輔助功能實驗室等,輔助功能實驗室又包括樣品間、洗瓶間、設備間等。并在每個樓層預留了一定的實驗室作為今后發展之用。具體樓層分布為：

一樓：現場監測和后勤保障室,包括水質準備室、氣質準備室、接樣室、冷藏間、應急輻射監測室、化學試劑室、永久樣品室、耗材庫房、儲藏間、氣瓶間和計算機房;

二樓：常規實驗室,包括樣品室、質量管理監控室、設備間、流動注射室、理化室、COD室、天平和分光光度室及部分辦公室;

三樓：常規實驗室,包括設備間、樣品室、理化室、儀器室、自動監測校準室、天平和分光光度室、嗅辯室和部分辦公室;

四樓：樣品室、設備間、預處理室、土壤預處室、氣相色譜室、氣相色譜質譜室、TOC室、蘇碼罐 -GC-MS室、吹掃捕集 -GC-MS室、熱脫附 -GC-MS室、洗瓶間、天平和分光光度室,四樓有機預處理室房間共 3個,約 180m2;

五樓：無機和生態室,包括純水機房、樣品室、設備間、預處理室、石油類分析室 (考慮到通風,放在最頂層)、原子熒光儀室、離子色譜儀室、測汞儀室、原子吸收儀室、ICP-AES儀室、ICP-MS儀室、分子生物室、生物預處理室、生態室、生物培養室、生物潔凈室、BOD室和天平分光光度室。

考慮到通排風和給排水的方便性,在樓層布局時我們將每一樓層主要通風設施和主要上下水管道安排在了整幢樓的兩邊的房間。考慮到實驗室消防要滿足相應要求,實驗室走廊主通道為 2500mm,操作室內主通道 ≥1500mm,操作室內次通道≥1200mm。化學分析室、樣品前處理室等操作室設有桌上型洗眼器。實驗室相應區域設置緊急噴淋裝置。化學實驗室、前處理實驗室內設有安全急救箱、存放常用的急救藥品。

4.2 實驗室排風系統的設計和優選

實驗室的氣流控制形式一般有機械定風量氣流控制系統、雙穩態氣流控制、變風量氣流控制系統等 4種,而氣流控制的閥門一般有文丘里閥、蝶閥或其他流量測量裝置的閥門等幾種[1]。經過優選設計,實驗室房間設有通風柜、抽氣式藥品柜和移動式排氣口等多種排風設備,設計新風量約為排風量的 90%,保持房間內有一定的負壓,不足部分由走廊自然補入,在任何情況下,氣流都應從辦公區域、廊道、以及其它輔助區域流入實驗室。所有化學實驗室內的氣體都應直接排放,以避免實驗室內產生的有毒有害氣體交叉污染。無排風設備或排風設備風量小,但仍有化學污染的實驗室或房間,于室內吊頂上設有一般輔助排風口,并提供至少 4次/小時的全新風最小換氣次數,以維持室內空氣質量。無化學污染的實驗室或房間,按每人30CMH風量 (每間 150CMH)提供少量新風,以保持室內空氣新鮮。排風則由每個樓層的水平送風、水平排風 (每個樓層為一個排風口)改為了垂直排風、水平送風方式,縮短了排風管道的長度,減少了管路壓損,降低了能耗,避免了樓層內的送排風管道的交叉,可有效的提高房間內吊頂高度[2]。實驗室排風氣流控制系統采用變風量方式和定風量排風方式的組合,共分 8個系統,其中個別需 24小時排風的實驗區 (如廢棄物間、樣品間、設備間等),五個樓面相關房間采用同一小型定風量排風機排風 (與BA自控系統結合時也可定時開關),不與大系統結合以避免不必要的能耗及確保污染氣源的有效排除,五樓有幾個直通樓頂房間通風柜采用定風量排風方式,其余皆采用變風量排風控制方式。氣流控制閥門在變風量和定風量通風柜的排風管上,安裝變風量或定風量耐酸堿文丘里排風閥,定風量設備的排風管上,安裝與壓力無關型風量控制耐酸堿排風閥;在需要變風量控制的房間或走道的送風管上,安裝變風量文丘里送風閥,在定風量控制的房間或走道的送風管上,安裝與力無關型風量控制送風閥。本系統樓宇BA系統采用各分區控制模式,各實驗室分區可根據實際使用需求,啟閉送排風系統,避免整個樓面因少數實驗室使用,卻需開啟整層送排風系統的可能,從而達到節能要求,并符合初期人員較少的實際情況[2]。

4.3 實驗室供電系統的設計和優選

實驗室用電主要包括照明用電和動力用電兩大部分。一般動力用電主要用于各類儀器設備、空調和電梯等,本實驗樓的電源均由總變電站引來,供電電壓為 220/380V。辦公室/實驗室大于 300 lux[2]。在進行內部的電控設計時,監測站明確了實驗室 3K W以上的特殊用電點位,因為環境監測實驗室有很多儀器設備(如原子吸收、ICP-MS、GC -MS、I CP-AES、馬福爐等)功率較高,一般都在6K W以上,這些設備的布線回路、布線方式、電線的選擇及插座的方式都有不同,需要逐一考慮。根據以上情況,實驗室的墻上和儀器設備臺上都配置了相應電源插座,電源插座選擇了 10A、16A、20A、30A的幾種,以滿足不同儀器設備的需求。防雷接地采用共享接地方式,接地電阻≤1歐姆。同時實驗室用電在考慮了一定的同時使用率的情況下,對以后的實驗室用電情況作了適當余量設計,在此基礎上選擇了相應的大樓變壓器。

4.4 實驗室特殊氣體系統的設計和優選

實驗室所用氣體種類包括：氦氣、氬氣、氧氣、乙炔、氮氣、液氮、管道壓縮空氣等,所有氣體管道及相關閥件/配件都能滿足氣體純凈度的要求,至少為 99.999%。實驗室氣體管道布設將滿足實驗要求,走線合理、安全、美觀;氣體管道的材質要滿足承載氣體的特殊需求,所有氣體管道選用 SS316L BA級不銹鋼潔凈管;所有氣體管道采用軌道自動焊接連接;鋼瓶氣體集中存放,統一管理。可燃氣體配置了泄漏報警系統,管路中安裝回火防止器以保證用氣安全。低溫氣體如氮氣輸送采用了絕熱管,確保供氣管路不結露,氣體冷量損耗最低以及操作人員安全。實驗室個別儀器用氣,如TOC儀器用氧氣,采取就近設置氣瓶室,單點供氣,減少敷設管路的長度,降低材料成本。

根據氣體的種類、流量、純度,在氣體鋼瓶間選用了半自動切換裝置,實現從空瓶一側自動切換到滿瓶一側,保持氣體的連續穩定的供應。鋼瓶配備了鋼瓶固定架,以防鋼瓶傾倒發生危險。為了便于日后的維護,在每種氣體管道每樓層上安裝維修閥 (高純氣體采隔膜閥),且每種氣體管道進入每個實驗室房間都需安裝維修閥。

4.5 實驗室潔凈房等特殊房間的設計和優選

環境監測實驗室潔凈房,我們主要考慮了生物潔凈房和 ICP-MS室兩個房間。生物潔凈房間約有 40m2,包括緩沖區、更衣間、清潔走廊和無菌室,潔凈等級為萬級。ICP-MS分為準備室和儀器室,約為 30m2,潔凈等級為十萬級。為防止周邊區域不潔凈氣體進入,潔凈間排風設計為室內正壓,新風量大于一定的排風量[2]。在環境監測實驗室中BOD分析實驗室的恒溫恒濕要求較高、冷藏間對墻面和地面要求較高、嗅辨間、氣瓶間等房間也有專門的要求,我們也請設計公司對以上房間進行了專門設計。

4.6 實驗室純水系統的設計和優選

實驗室中央純水系統是在實驗室大樓中某個固定地點 (五樓設備間)對自來水進行純化,再利用管路系統將制備的純水供應到實驗室大樓所有使用點,選擇純水時一般需要考慮每個用水點、用水點需要什么水質、每個用水點的水量是多少,從而確定供水方案的選擇。純水系統方案一般有中央純水系統、中央純水系統雙機備份、若干小型中央純水系統和單點純水系統等幾種。監測站初期設計時,考慮到原有實驗室有各個固定的單點純水機,所以在初期設計時沒有考慮中央純水系統。但由于我站實驗室較大,一個樓層約有 1500m2,現有單點純水機還不能滿足用水點位的要求,取用較麻煩,而且以后增加的純水機的總的投資較大,使用維護成本較高,后增設中央純水系統,主機設在五樓,制好的水從五樓通過管路通到各樓層取水點位,取水點水質設定為電阻率：≥15MΩ -cm@ 25℃、總有機碳 TOC： ＜10～30ppb、細菌：＜1CFU/ml(紫外,循環,過濾)、顆粒：0.2μm微過濾器,其他特殊點位的水質使用單點純水系統,所以監測站的純水系統方案是中央純水系統外加單點純水系統。

4.7 實驗室供排水系統的設計和優選

實驗室大樓生活排水 (衛生間、沐浴等)與實驗室排水系統分開。實驗室排水管選擇 PP聚丙烯復合管,耐酸堿腐蝕,耐高溫。實驗室的廢水由廢水處理設施處理后排放至市政管網。

4.8 實驗室廢水、廢氣處理的設計和優選

實驗室設計了廢水收集池和廢水處理裝置,實驗室廢水經處理后達到污水綜合排放標準三級標準后排放至市政管網。實驗室在運行過程中會產生酸性廢氣、堿性廢氣和有機廢氣等大氣污染物,設計為水洗吸收和活性炭吸附處理。各類廢氣主要產生并收集于通風柜、試劑柜、移動排風罩和一些局部的排風點。經水洗塔和活性炭過濾箱處理后高空排放[2]。實驗室共有通風柜有 53臺,其中有四臺通風柜內需處理高氯酸等特殊化學藥品,為避免高氯酸化學氣體在排氣管道內屯積而產生爆炸,此四臺通風柜的排氣管道內以水噴淋的方式處理后,用直接高空排放的方式[2]。

5 結 論

該建設設計方案經多次修改,專家論證,接近工程實際,已實施建設。其特點是系統可靠實用,技術先進,具備安全性、舒適性、節能性和可靠性,能滿足環境監測實驗室的要求,特別是在排風系統的設計上達到了國內一流水平。

[1] 馬 昕,薛秋紅,賈俊濤 .實驗室功能設計、建設和改造工作指南[M].北京：中國標準出版社,2009.

[2] 孫國鵬,吳牡丹,等 .江陰市環境監測中心大樓實驗樓設計方案[D].上海：奧卓萊流體科技(上海)有限公司,2010.

[3] 趙光華,胡京枝,董小海,等 .淺談農產品檢測實驗室建設中應注意的問題[J].農產品質量與安全,2010,(3)：42-43.