綠色實(shí)驗(yàn)室建設(shè)技術(shù)研究

劉心悅 宮兆合 郭建軍

摘? 要：貫徹綠色發(fā)展理念，建設(shè)綠色實(shí)驗(yàn)室是新發(fā)展階段的必然要求。結(jié)合綠色發(fā)展理念和未來綠色可持續(xù)實(shí)驗(yàn)室特點(diǎn)，提出綠色實(shí)驗(yàn)室具有安全、高質(zhì)、高效、環(huán)保、節(jié)能、和諧、共享、可持續(xù)的基本特征。通過總結(jié)我國實(shí)驗(yàn)室建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，論述全壽命論證技術(shù)、功能模塊化技術(shù)、模擬與仿真技術(shù)、新工藝材料技術(shù)、數(shù)字化信息化技術(shù)等綠色實(shí)驗(yàn)室建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)，最后提出推動(dòng)綠色實(shí)驗(yàn)室發(fā)展的舉措。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)室? 綠色? 基本特征? 建設(shè)技術(shù)

中圖分類號(hào)：G312? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2021）05（c）-0138-04

Research on Construction Technology of Green Laboratory

LIU Xinyue? GONG Zhaohe*? GUO Jianjun

（China Special Equipment Inspection and Research Institute， Beijing， 100029 China）

Abstract： Implementing the concept of green development and building a green laboratory is the inevitable requirement of the new development stage. Combined with the concept of green development and the characteristics of future green sustainable laboratory， it is proposed that the green laboratory has the basic characteristics of safety， high quality， high efficiency， environmental protection， energy saving， harmony， sharing and sustainability. By summarizing the experience of laboratory construction in China， this paper discusses the key technologies of green laboratory construction， such as life-cycle demonstration technology， function modularization technology， simulation and simulation technology， new process material technology， digital information technology and so on. Finally， the measures to promote the development of green laboratory are put forward.

Key Words： Laboratory; Green; Basic characteristics; Construction technology

實(shí)驗(yàn)室是科技創(chuàng)新供給源頭，是實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略的物質(zhì)基礎(chǔ)，是生產(chǎn)力的重要組成部分，在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國家安全中發(fā)揮重要作用。“十四五”規(guī)劃明確堅(jiān)持創(chuàng)新在我國現(xiàn)代化建設(shè)全局中的核心地位，提出以國家戰(zhàn)略性需求為導(dǎo)向推進(jìn)創(chuàng)新體系優(yōu)化組合，加快構(gòu)建以國家實(shí)驗(yàn)室為引領(lǐng)的戰(zhàn)略科技力量。在新發(fā)展階段，實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展不僅是規(guī)模數(shù)量的增加，更應(yīng)該是質(zhì)量效益的提升，貫徹綠色發(fā)展理念，建設(shè)綠色實(shí)驗(yàn)室成為未來實(shí)驗(yàn)室的重要發(fā)展方向。

1? 綠色實(shí)驗(yàn)室的基本特征

綠色發(fā)展觀是綠色實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的基石，落實(shí)綠色發(fā)展觀是實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的時(shí)代課題，必須深刻領(lǐng)悟綠色的深刻含義。綠色是永恒發(fā)展的必要條件和人民美好生活追求的重要前提，綠色發(fā)展就是堅(jiān)持節(jié)約資源，堅(jiān)持保護(hù)環(huán)境，堅(jiān)持高質(zhì)高效，堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展，堅(jiān)持形成人與自然和諧發(fā)展。參考國際可持續(xù)發(fā)展實(shí)驗(yàn)室協(xié)會(huì)提出的未來綠色可持續(xù)實(shí)驗(yàn)室“建成成本低、工期快、節(jié)能減排、維護(hù)簡便、容易升級(jí)改造、滿足多元化需求”的特點(diǎn)[1]，本文認(rèn)為綠色實(shí)驗(yàn)室應(yīng)具備“安全、高質(zhì)、高效、環(huán)保、節(jié)能、和諧、共享、可持續(xù)”等基本特征。

安全即確保實(shí)驗(yàn)室人員安全健康，試驗(yàn)環(huán)境滿足實(shí)驗(yàn)方法要求，試驗(yàn)設(shè)備正常運(yùn)行，安全是實(shí)驗(yàn)室必須具備的基本特征，是實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和運(yùn)行的重要前提，不能確保實(shí)驗(yàn)室安全，科研工作、實(shí)驗(yàn)教學(xué)等便無從談起。

高質(zhì)即確保實(shí)驗(yàn)室科研成果、檢測(cè)報(bào)告、人才培養(yǎng)等產(chǎn)出的高質(zhì)，多出創(chuàng)新性、前端性成果，高質(zhì)是實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和運(yùn)行的必要條件，是質(zhì)量強(qiáng)國的客觀需求，也是實(shí)驗(yàn)室價(jià)值的體現(xiàn)。

高效即實(shí)驗(yàn)室具有高產(chǎn)出比，確保實(shí)驗(yàn)室能夠低投入高產(chǎn)出的高效率運(yùn)行，使實(shí)驗(yàn)室多出成果、快出成果，管理流暢、運(yùn)行高效的實(shí)驗(yàn)室對(duì)降低科研人員事務(wù)性工作也具有重要作用。

環(huán)保是人類生存的客觀要求，伴隨實(shí)驗(yàn)室中危險(xiǎn)化學(xué)品、危險(xiǎn)設(shè)備的廣泛使用，廢棄物排放處置、噪音污染等環(huán)境問題突出，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)必須研判環(huán)境影響，必須達(dá)到法律法規(guī)中對(duì)相關(guān)環(huán)境保護(hù)的要求。

節(jié)能既是響應(yīng)國家節(jié)能減排號(hào)召，構(gòu)建清潔低碳、安全高效能源體系的舉措，又是降低實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行成本、提升效益，降低實(shí)驗(yàn)室能源資源消耗是實(shí)驗(yàn)室高質(zhì)、高效的重要體現(xiàn)。

和諧是以人為本的具體體現(xiàn)，建立適于人員工作的硬件環(huán)境和身心愉悅的軟件環(huán)境，是激發(fā)實(shí)驗(yàn)室工作人員積極性和創(chuàng)造力的重要保障。

共享是提升實(shí)驗(yàn)室使用效益和效率的重要措施，建設(shè)以實(shí)驗(yàn)功能為導(dǎo)向的開放型實(shí)驗(yàn)室，推進(jìn)科技資源共享，可以充分挖掘?qū)嶒?yàn)室能力，實(shí)現(xiàn)能力互補(bǔ)和以強(qiáng)促強(qiáng)。

可持續(xù)是實(shí)驗(yàn)室發(fā)展能力持續(xù)提升，適應(yīng)社會(huì)發(fā)展需求，不斷創(chuàng)新的基本要求，也是做到高質(zhì)、高效、環(huán)保、節(jié)能、和諧、共享的重要前提，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)必須滿足后續(xù)升級(jí)改造的需要。

2? 綠色實(shí)驗(yàn)室建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

不同學(xué)科、不同領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)室在新材料研發(fā)、新技術(shù)探索、新方法應(yīng)用、高端裝備技術(shù)支撐等諸多方面發(fā)揮巨大作用，但隨著實(shí)驗(yàn)室的快速發(fā)展，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)不平衡不充分的問題凸顯，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)后勁略顯不足，存在著能源浪費(fèi)、重復(fù)建設(shè)、資源擱置、建設(shè)技術(shù)落后等一系列問題。存在上述問題的原因是多方面的，既有體制機(jī)制不適合，也有思想觀念不適應(yīng)，綠色實(shí)驗(yàn)室技術(shù)模糊不清也是一個(gè)重要原因，通過筆者的研究，總結(jié)出以下幾項(xiàng)綠色實(shí)驗(yàn)室建設(shè)技術(shù)。

2.1 全壽命論證技術(shù)

全壽命論證技術(shù)是確保實(shí)驗(yàn)室“安全、高質(zhì)、高效、環(huán)保、節(jié)能、和諧、共享、可持續(xù)”的重要手段，是實(shí)驗(yàn)室建設(shè)全過程必要、可行的重要保障。全壽命論證是保證立項(xiàng)、初步方案設(shè)計(jì)、詳細(xì)方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)實(shí)施、實(shí)驗(yàn)室試運(yùn)行等全過程科學(xué)、合理、可行的重要過程，論證是充分發(fā)揮專家知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)、智慧及各類技術(shù)手段的系統(tǒng)工程。通過論證，保證實(shí)驗(yàn)室建設(shè)具有必要性和前瞻性，即能力需求合理、技術(shù)工藝先進(jìn)、儀器設(shè)備合適;通過論證降低建設(shè)成本和運(yùn)行成本，確保實(shí)驗(yàn)室適于升級(jí)改造。實(shí)驗(yàn)室建設(shè)全壽命論證方法有類比論證法、頭腦風(fēng)暴法、技術(shù)經(jīng)濟(jì)法、建模仿真法、SWOT法（態(tài)勢(shì)分析法）、綜合評(píng)分法等。

2.2 功能模塊化技術(shù)

模塊化技術(shù)是提高實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行效益、效率，確保實(shí)驗(yàn)室可持續(xù)發(fā)展的重要技術(shù)，主要包括實(shí)驗(yàn)?zāi)芰δK化技術(shù)和實(shí)驗(yàn)室保障功能模塊化技術(shù)。實(shí)驗(yàn)室能力模塊化技術(shù)，即以實(shí)驗(yàn)室能力單元為導(dǎo)向，將實(shí)驗(yàn)室科學(xué)分解為最基本能力單元，這些能力單元模塊使用設(shè)備雷同，方法相通，基礎(chǔ)保障要求類似，如在力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)室中將功能分為拉伸試驗(yàn)?zāi)芰δK、沖擊試驗(yàn)?zāi)芰δK。保障功能模塊化技術(shù)就是將實(shí)驗(yàn)室能力的基礎(chǔ)保障功能模塊化，如建立公共實(shí)驗(yàn)室管廊，將通風(fēng)管道、各類電纜、上下水管等集中在伴隨走廊的管廊內(nèi)，管廊采用框架結(jié)構(gòu)，便于后續(xù)進(jìn)一步改造和升級(jí)，降低改造成本和維護(hù)成本。

2.3 模擬與仿真技術(shù)

模擬與仿真技術(shù)是實(shí)驗(yàn)室環(huán)保、節(jié)能的重要技術(shù)手段，是消除實(shí)驗(yàn)室危險(xiǎn)源、保障人員設(shè)施安全的有效方法。通過全數(shù)字仿真、半實(shí)物仿真、實(shí)裝模擬等[2]手段實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)環(huán)境、化工生產(chǎn)過程、危險(xiǎn)試驗(yàn)操作等的模擬，如特種設(shè)備運(yùn)行的高壓、高溫、高空環(huán)境，以及模擬復(fù)雜電磁環(huán)境等。建模仿真技術(shù)通常是基于數(shù)學(xué)理論建立起來的數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)學(xué)表達(dá)式來解析某個(gè)過程，并在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬[3，4]，可進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析、材料微觀結(jié)構(gòu)分析、熱分析、加工仿真等。模擬與仿真仿真實(shí)驗(yàn)室具有成本節(jié)約、避免污染、建設(shè)周期短、易擴(kuò)展的特點(diǎn)，可進(jìn)行危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)的遠(yuǎn)程控制，打破時(shí)間和空間的局限，實(shí)現(xiàn)各分實(shí)驗(yàn)室異地聯(lián)合和資源共享。

2.4 新工藝材料技術(shù)

新工藝材料技術(shù)是建設(shè)綠色實(shí)驗(yàn)室的核心手段，工藝是主干，材料是枝葉，選擇合適的試驗(yàn)工藝和試驗(yàn)材料是實(shí)驗(yàn)室做到安全、高質(zhì)、環(huán)保、節(jié)能的重要前提。應(yīng)選用符合實(shí)驗(yàn)室實(shí)際的先進(jìn)工藝，切勿盲目追求高、精、尖，通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)工藝改善試驗(yàn)條件，提高實(shí)驗(yàn)質(zhì)量;既要注重減少高溫高壓環(huán)境，也要避免恒溫恒濕的苛刻條件，注重能源保存和資源節(jié)約;使用新型節(jié)能環(huán)保材料，減少實(shí)驗(yàn)過程中危險(xiǎn)化學(xué)品、有毒有害氣體和危險(xiǎn)設(shè)備設(shè)施的使用，減少危險(xiǎn)源，保障實(shí)驗(yàn)安全。如設(shè)計(jì)微型實(shí)驗(yàn)和微型化實(shí)驗(yàn)設(shè)備，降低高低溫試驗(yàn)環(huán)境能源消耗，減少化學(xué)試劑的使用，從源頭上防止和控制污染的產(chǎn)生[5，6];采用有效危廢處理技術(shù)，減少后續(xù)處理難度和費(fèi)用，使實(shí)驗(yàn)室廢液、固體廢棄物更好地滿足處置系統(tǒng)的要求，便于輸送的同時(shí)降低對(duì)處置系統(tǒng)的不利影響[7，8]。

2.5 數(shù)字化信息化技術(shù)

數(shù)字化信息化是實(shí)驗(yàn)室高效、共享、可持續(xù)的重要前提，是提高實(shí)驗(yàn)室管理效能，響應(yīng)國家科技資源共享，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室能力持續(xù)提升和實(shí)驗(yàn)室文化傳承的有效手段。完整的實(shí)驗(yàn)室信息網(wǎng)格包括宏觀數(shù)據(jù)和微觀數(shù)據(jù)兩部分。宏觀數(shù)據(jù)即實(shí)驗(yàn)室間的數(shù)字信息化，統(tǒng)計(jì)各實(shí)驗(yàn)室能力、先進(jìn)技術(shù)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)施、實(shí)驗(yàn)人員、科研項(xiàng)目信息等，形成實(shí)驗(yàn)室宏觀大數(shù)據(jù)，建立聯(lián)系實(shí)驗(yàn)室間的橋梁;微觀數(shù)據(jù)即實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的數(shù)字信息化，試驗(yàn)過程中重要參數(shù)、關(guān)鍵檢測(cè)信息、檢測(cè)報(bào)告等進(jìn)行數(shù)字化存儲(chǔ)，設(shè)定專用語句，便于分類檢索和調(diào)用，做好實(shí)驗(yàn)室管理信息統(tǒng)計(jì)工作，實(shí)現(xiàn)管理數(shù)據(jù)信息化，運(yùn)用概率知識(shí)分析危險(xiǎn)易發(fā)點(diǎn)、管理關(guān)鍵點(diǎn)。如實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)（LIMS）是目前應(yīng)用成熟的實(shí)驗(yàn)室管理軟件，是實(shí)現(xiàn)《檢測(cè)和校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室能力認(rèn)可準(zhǔn)則》等管理思想的技術(shù)手段[9]，基本涵蓋實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行所需的人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)等全部要素。

2.6 自動(dòng)化智能化技術(shù)

自動(dòng)化智能化技術(shù)是保障實(shí)驗(yàn)室安全、高質(zhì)、高效運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室和諧、共享的有效技術(shù)手段。以數(shù)字化信息化為基礎(chǔ)，提高設(shè)備設(shè)施自動(dòng)化智能化水平，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采樣與取樣、自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)檢測(cè)、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集與智能分析、智能故障診斷與應(yīng)急停車，廣泛應(yīng)用人工智能技術(shù)，可提高實(shí)驗(yàn)速度，縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，保證實(shí)驗(yàn)質(zhì)量，提高實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性[10];減少實(shí)驗(yàn)人員同機(jī)械設(shè)備的接觸，將對(duì)人員的傷害降至最低。以我國壓力容器設(shè)計(jì)制造與維護(hù)為例，當(dāng)前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了壓力容器加工過程中的數(shù)字化下料切割與成形、自動(dòng)焊接與熱處理、無損檢測(cè)數(shù)字化，正在運(yùn)用自動(dòng)化智能化技術(shù)，積極推進(jìn)不同企業(yè)間協(xié)同設(shè)計(jì)制造，與用戶構(gòu)建交互平臺(tái)，開展遠(yuǎn)程運(yùn)維、故障診斷等服務(wù)[11]。

3? 推動(dòng)綠色實(shí)驗(yàn)室技術(shù)舉措

3.1 加強(qiáng)宣傳倡導(dǎo)

當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室綠色發(fā)展理念還未完全普及，各部門、各行業(yè)對(duì)綠色內(nèi)涵的理解也不盡相同，因此必須加強(qiáng)宣傳倡導(dǎo)，建立綠色實(shí)驗(yàn)室管理平臺(tái)，增強(qiáng)技術(shù)宣傳，共享建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，使實(shí)驗(yàn)室綠色、可持續(xù)發(fā)展觀念深入到每一位科技從業(yè)者的心中。

3.2 加強(qiáng)組織領(lǐng)導(dǎo)

設(shè)立專門機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)綠色實(shí)驗(yàn)室建設(shè)工作，并賦予相應(yīng)職責(zé)，國家管理部門負(fù)責(zé)綠色實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的頂層設(shè)計(jì)、統(tǒng)籌規(guī)劃、制度建設(shè)、宣傳培訓(xùn)、技術(shù)支撐、溝通交流等，各部門管理機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)制訂符合本部門發(fā)展規(guī)律的綠色實(shí)驗(yàn)室建設(shè)計(jì)劃，找出各項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用的突破點(diǎn)，各單位管理機(jī)構(gòu)具體負(fù)責(zé)本單位綠色實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的相關(guān)工作。

3.3 加強(qiáng)統(tǒng)籌規(guī)劃

打破以往實(shí)驗(yàn)室重復(fù)建設(shè)、盲目建設(shè)的現(xiàn)象，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的統(tǒng)籌規(guī)劃，充分運(yùn)用綠色實(shí)驗(yàn)室建設(shè)技術(shù)，將已有實(shí)驗(yàn)室改造與實(shí)驗(yàn)室新建相結(jié)合，不同行業(yè)、不同地區(qū)分層次推進(jìn);放緩實(shí)驗(yàn)室建設(shè)步伐，注重現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室資源整合，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室間的信息溝通，增強(qiáng)資源共享。

3.4 建立制度標(biāo)準(zhǔn)

建立綠色實(shí)驗(yàn)室建設(shè)制度，規(guī)范人員職責(zé)、建設(shè)程序、評(píng)價(jià)原則、考核機(jī)制等內(nèi)容，使綠色實(shí)驗(yàn)室建設(shè)有章可依;推進(jìn)綠色實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，明確人員、設(shè)施、環(huán)境、程序等相關(guān)要求，規(guī)范技術(shù)運(yùn)用，明確綠色、可持續(xù)評(píng)價(jià)指標(biāo)，使綠色實(shí)驗(yàn)室建設(shè)有法可尋。

3.5 完善獎(jiǎng)懲機(jī)制

行之有效的獎(jiǎng)懲機(jī)制是推動(dòng)綠色實(shí)驗(yàn)室技術(shù)的有效手段，設(shè)置綠色實(shí)驗(yàn)室建設(shè)專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)，對(duì)應(yīng)用綠色建設(shè)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行經(jīng)費(fèi)補(bǔ)貼;將綠色實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與國家財(cái)政支持、科技項(xiàng)目申報(bào)、科研成果獎(jiǎng)勵(lì)等掛鉤，將綠色可持續(xù)水平作為一項(xiàng)重要考核指標(biāo);設(shè)立技術(shù)應(yīng)用專項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)金，對(duì)綠色實(shí)驗(yàn)室技術(shù)應(yīng)用較好的集體和個(gè)人進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)。

4? 結(jié)語

實(shí)驗(yàn)室是國家科技力量的核心，是建立科技創(chuàng)新體系的主體，實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)質(zhì)量決定了我國科技發(fā)展高度，建設(shè)綠色高質(zhì)量實(shí)驗(yàn)室意義重大。應(yīng)不斷完善綠色實(shí)驗(yàn)室建設(shè)技術(shù)，加強(qiáng)綠色實(shí)驗(yàn)室選宣傳引導(dǎo)，完善標(biāo)準(zhǔn)制度和管理措施，提升實(shí)驗(yàn)室建設(shè)進(jìn)程中各系統(tǒng)、各環(huán)節(jié)的統(tǒng)一協(xié)作水平，使實(shí)驗(yàn)室真正實(shí)現(xiàn)安全、高質(zhì)、高效、環(huán)保、節(jié)能、和諧、共享、可持續(xù)運(yùn)行，為國家創(chuàng)造更多的綠色科技財(cái)富。

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