理化實驗室的設計與建設

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部， 遼寧大連 116113)

理化實驗室的設計與建設

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過程，指出了建設理化實驗室的設計思想和遵循原則；介紹了普通理化實驗室設計與建設過程中必備的功能區域及基本要求；從電力系統、通風系統、供排水和供排氣系統幾方面探討了籌建理化實驗室的設計思想，強調了合理規劃設計對實驗室長期可靠運行的重要性。

理化實驗室；設計；建設

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

1 理化實驗室設計的基本要求

1.1 位置要求

理化實驗室應布置在環境安靜、振動及電磁輻射影響小的位置，以減小檢測數據的誤差，提高檢測結果的準確性；布置在遠離粉塵且全年風向最小頻率的下風向地段。因此，理化實驗室一般為獨立的建筑物，與辦公樓合建時，要設置獨立的出入口；當與計量室合建時，理化與計量應分區、分片布置［2］。理化實驗室中，力學性能檢測設備較大且重，搬運不便，有些試驗機需獨立的地基；而化學設備多屬精密儀器，對環境要求苛刻，化學實驗室排放的有害氣體需經樓頂及時排走。建議選定一樓為力學性能實驗室，頂樓或較高樓層為化學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、結構性和穩定性，實驗室設計的開間模數一般分為3.0，3.3，3.6 m 3種，具體開間模數的選擇需與建筑模數相結合。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的采光通風、實驗室家具的尺寸及布置等因素。傳統經驗認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，如某理化實驗室設計層高為4.3 m，安裝空調、消防等管道設施后，房間內部凈高為3.3 m。力學性能由于設備高大，在設計時應將內部凈高定為3.5 m，保證設備的運輸和安裝空間。

2 理化實驗室的總體設計規劃

2.1 基本規劃

實驗室建設是一項復雜的綜合系統工程，涉及土建、配電、給排水、通風、照明、安全措施、“三廢”處理以及室內實驗設施配套安裝等。按照相關規范［3］及標準，全面考慮，整體規劃，最終確定方案。

2.2 以設備安裝要求為出發點，進行深入規劃

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

3 理化檢測功能區域的基本要求

3.1 辦公區

應在每個樓層集中設置，便于學習和探討工作中出現的問題，民用配電即可。

3.2 報告編制區

用于檢測結果的輸入、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

該區域必須干燥、通風、防塵。樣品分為待檢、在檢、已檢3類，各存儲柜應標明收樣及檢測日期。

3.4 樣品處理區和化學濕法分析區

樣品處理區域在實驗過程中會產生大量的有毒有害、有刺激氣味的氣體，故必須有獨立排風設施通風柜；一般為單獨的房間，地面應有地漏；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預設供實驗臺用的上下水裝置和足夠的電源插座。鑒于化學分析需要用到大量的強腐蝕性藥品，建議通風柜內部特殊定制耐500℃高溫且耐酸堿的陶瓷內襯及耐氫氟酸腐蝕的PP內襯。

3.5 儀器分析區

該區域主要設備一般有等離子體質譜、發射光譜、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、萬能試驗機等設備及配套穩壓電源和水循環系統。各類儀器設備具有精度高、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，決定了該區域應為單獨房間且空間不宜過小，盡量鋪設防靜電地板，互有干擾的儀器不能放在同一房間。該區域要求一定的潔凈度（可設置緩沖間）、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。設備放置距離墻體60～80 cm，以便維修檢查。根據設備的不同安裝要求，應考慮預留設備的排風管道。對于光譜類儀器，還應避免直射陽光。

3.6 稱量區

稱量區應為獨立的房間，用于放置精密分析天平，應距離樓道墻面較遠，并有雙層玻璃或窗簾，防塵防震［3］，在土建方面也應考慮防潮及保溫措施，宜設恒溫恒濕系統。建議為化學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

單獨的房間，主要用來擺放干燥箱、高溫爐，應有足夠的電功率。有些高溫爐如化學實驗室的大型干燥箱體積超高或超寬，需注意預留排風罩的尺寸和高度。可在該區域預留兩個排風口，用于安裝通風柜，并放置需排風的微波消解儀、酸提純器等小型儀器。

3.8 試劑儲藏區

可根據實際情況安排藥品柜，應預留排風口以放置帶抽風試劑柜（保存揮發性藥品）；對于有一定危險性的藥品應設置單獨的危險品存儲柜。

3.9 晶間腐蝕區

基本同樣品處理區，該區域要預留足夠數量的上下水管路和排風管道。

3.10 金相顯微鏡區

屬于金相檢驗范疇，在建筑設計中除考慮防塵、防振外，還需考慮防電磁輻射設計，室內應預留滿足設備要求的電源。

3.11 沖擊、拉伸和硬度檢測區

屬于力學性能實驗范疇，包括常規性能測試（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。該區對通風排風無要求，可在高溫拉伸試驗機旁邊設置一組上下水管路，便于為剛剛檢測完的試樣冷卻降溫。該區域需估算設備用電功率并考慮安全系數，預留設備電源，保持清潔、干燥、無振動且溫度均勻，在設備安放點的周圍應留出足夠的空間，以便于進行試驗與維修。制作設備預留基礎工程時按照相應安裝地基圖施工，設備的主機應安裝在混凝土的地基上，一般設備應用地腳螺栓調整儀器水平使用，待基礎干燥后（約15 d），再進一步安裝設備。

3.12 實驗用水制備區

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

3.13 氣體存放區

該區樓板承重應大于300 kg／m2，預留排風口，用于接駁可燃性或危險氣體氣瓶柜。

3.14 預留實驗區

該區域為實驗室發展預留的空間，應在保持清潔的基礎上，將上下水和電源容量留足并在地面預定位置留有地漏即可。

4 實驗室內部裝修系統規劃

4.1 供電系統

在實驗室內同時運行多臺大功率設備，會使供電線路過載發熱，時間過長，可能會導致電線絕緣層強度下降而燃燒，并引燃周圍物品發生火災。因此必須重視電器設備的用電設計。

首先考慮供電電壓，有的設備需220 V，而有的需380 V，由于是新建實驗室，多數儀器設備是在實驗室主體建成后進貨，在給欲訂貨的儀器設備預留電容量的基礎上，還要考慮電源負荷大小和今后可能的發展情況，應設置總電源控制開關，當實驗室無人時能切斷室內電源；對于24 h運轉的設備如烘箱、恒溫箱、冰箱、純水發生系統等，應設有專用電源，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有獨立的電控柜，以220 V為主，留有380 V供電，多個空氣開關分別控制，保證使用過程中如有漏電現象立刻自動切斷電源。力學性能實驗室的大功率設備供電，可預設1個40 kW、2個20 kW、2個10 kW的動力電源，每路均設有空氣開關和接觸器［4］。根據實驗臺桌及儀器設備的安放位置，要考慮到將來會逐漸增添新的儀器設備，在敷設電線、安裝插座時應留有余量，配電導線應采用銅芯線，最好配合小型儀器布局電源插座，在實驗室的墻壁上應安裝多處單相和三相插座，方便臨時使用。實驗室的安全關系到檢測人員和設備的安全，為確保防止觸電事故及儀器設備的正常運行，供電系統必須有良好的地線。

4.2 供排水系統

水是實驗不可缺少的基礎條件之一，除極少數儀器設備房間外，理化實驗室每個實驗房間都要求有水供應，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，應安裝超純水發生裝置，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。

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

4.3 通風、排風系統

理化實驗室通風設計以化學實驗室為主，其通風方式主要有通風柜、排氣罩和排風管，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；排走儀器設備產生的熱量和雜質。宜根據設備的要求，用通風管道及風機進行通風排氣以保證設備正常運行。

實驗室通風柜的排風系統宜獨立設置，采用每臺或同房間的通風柜使用一套風機和管路，每套系統在各房間獨立控制，不共用風道，也不得借用消防風道。同一個房間若有兩臺以上的通風柜，應劃為一個系統，避免一臺通風柜使用時，其它通風柜產生倒流污染室內。一個房間內宜裝一套排風設備。實驗室的補風由新風機所送入的新風、通過門縫或預留百葉補風口滲入的新風和經中央空調送入的新風組成。通風柜應布置在遠離新風口的地方，避免新風剛進入就被排出。為避免實驗室內的有害氣體污染其余房間和走廊，室內一般可通過調整排風量大小以及風機的開停順序設計成負壓狀態，新風可通過房間的門縫滲入到室內。實驗室要有一定的換氣次數，以保證室內揮發性有害物質及時排出室外，換氣次數與通風柜數量及每個通風柜換氣量有關，通常實驗室無人時換氣次數為5～6次／h［6］。

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

4.4 供氣排氣系統

實驗室用氣主要有燃氣和設備用氣兩類。燃氣主要有天然氣、煤氣、液化石油氣以及酒精噴燈等，分析實驗使用燃氣用于試樣熔融分解和小型玻璃器皿制造。實驗室不同種類和等級的氣體裝在鋼瓶中放置在專用區域。設置氣體匯流排的區域最好是單獨的房間，要嚴禁明火，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。常見理化設備所需氣體及純度見表1。

表1 理化設備所需氣體種類及純度

以某實驗室為例，力學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，考慮到力學和金相實驗室用氣量少且種類單一，從經濟角度考慮，不必將力學和金相實驗室用氣設計在匯流排管道內。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，氧氣屬助燃氣體。為安全起見，應選用專業化的施工隊伍對供氣排氣系統進行安裝、調試，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。

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

5 結語

理化實驗室在建設、裝修過程中，設計要有一定的前瞻性，應對不同檢測內容實驗室建筑要求深入了解，包括一般要求及特殊要求，合理布局和設計，充分考慮供電、供水、供氣、通風、空氣凈化、安防、環保等基礎條件，從而保證建設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：航空工業出版社，2004.

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

［3］JGJ 91-1993 科學實驗建筑設計規范[S].

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

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

［6］張偉偉.化學實驗室通風設計相關問題分析［J］.建筑熱能通風空調，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

聯系人：王輝；E-mail： 75451209@qq.com

2012-03-20