理化实验室规划布局及工程设计

引言

　　理化实验室是工业部门、生产企业及研究单位用于检测材料和产品理化指标不可缺少的重要组成部分，对材料及产品质量有监督保证及指导作用。理化实验室作为专用实验室，主要应用于医药工业、石油化工、检验检疫、疾病预防等行业，是生产检测、科学研究的重要技术基础，也是支撑工业发展及推动社会进步的科学手段。理化实验室不同于一般科学实验室，他不仅有电子显微镜、高精密天平、等离子质谱仪、色谱仪、热重分析仪、红外光谱仪等高精尖设备，还有较多的易燃易爆物及有害物品，需要特殊的环境条件及实验设施支撑。然而对于当前已建成的一些理化实验室，由于前期规划布局和设计不尽合理，造成后期使用很不方便，而且具有很大的安全隐患。因此，如何建设好一个安全、实用、智慧、绿色、人文的理化实验室，已成为当前亟待解决的重要问题。

　　1、理化实验室组成和功能布局

　　1.1 理化实验室组成

　　理化实验室是提供针对某种产品或物质在研制、生产、使用过程中采用物理方法和化学方法进行测试分析的场所，由一系列专用实验室组成。根据用房类别不同，通常可分为实验用房、辅助用房和公共设施用房，实验室的设置、建设规模应结合理化实验室具体承担的工作任务性质和实验内容以及任务量的大小确定。常用理化实验室用房构成宜按照表1设置。

　　1.2 理化实验室规划布局及要求

　　鉴于理化实验室组成比较复杂，在整体规划布局时，应按照不同工艺特点要求，功能分工明确，分布合理，并预留一定的发展空间，总体宜遵循组合布局原则、底层布局原则、顶层布局原则、北侧布局原则安排。实验室人流、物流、污染流应分开布置，非受控区域和受控区域中间设立门禁，以保证实验人员安全及样品无交叉污染。

　　化学分析室单独设计房间，布置在实验楼顶层北侧，前处理室靠近化学分析室，无机前处理室和有机前处理室分别设置。谱仪室和气体分析室布置在远离振动源的建筑物底层，条件具备时，可设置过渡间。天平室应布置在远离振动源和电磁干扰源的化学分析室附近，对于存放测量精度0.001mg高精度天平的天平室应设置前室。

　　电子显微镜分析室、电子探针分析室、光学金相显微镜分析室应远离振动源、电磁干扰源和辐射干扰源，宜布置在建筑物底层，并设置前室。力学性能实验室应充分考虑设备净高，远离对环境要求严格的其他实验室，设置在没有地下室的一层。

　　无损检测实验室宜布置在距离楼梯口较近的区域，以方便设备搬运。X射线光电子能谱、X射线荧光光谱仪室、X射线衍射分析室应布置在人员活动较少区域，统一规划，靠近布置。

　　洗涤间、纯水制备室、气瓶间均设置独立房间，气瓶间应将可燃气体和非可燃气体分间单独布置，且靠近谱仪室。样品接收、存储以及数据处理室等辅助用房宜设置在门厅入口处。制冷等各类公用设施用房宜布置在用能负荷中心，并远离对振动要求较高的精密仪器室。

　　2、理化实验室设计

　　实验室建设是一项复杂的综合系统工程，涉及建筑、装饰、结构、通风空调、给水排水、废水、废液、供配电、气体管道以及室内实验设施设备安装等多个专业。应按照要求，全面考虑，整体设计，最终确定方案。

　　2.1 建筑、装饰和结构

　　为满足未来实验室具有较高程度的调整灵活性，理化实验室实验用房在结构选型和室内建筑布局时优先采用标准单元组合设计，每个标准单元开间、进深和层高应按实验仪器设备尺寸、安装及维护检修的要求确定，并与通风柜、实验台及管道空间布置紧密结合。通常情况下，开间模式分为3.0m、3.3m、3.6m三种，进深一般在6m~9m之间，层高设计应考虑空调、消防等管道安装位置和设备的运输以及安装空间，不设吊顶时室内净高不应低于2.8m，设置吊顶时不应低于2.6m。单面走廊净宽可采用1.5m，中间走廊净宽宜为2.0m，大型理化实验室可考虑设置设备专用走廊，走廊净宽采用2.8m，门窗设计根据各实验用房具体情况确定。

　　不同实验用房的室内装修选择不同，使用强酸、强碱的实验室，内装修应耐酸碱、耐腐蚀。实验室墙面除具有放射性等特殊要求的实验用房外，其他可采用金属壁板结构，无净化要求的实验室可不设置吊顶或采用格栅吊顶，地面材料根据不同用房要求可选择防静电架空地板、耐磨地坪或PVC卷材。实验台架的布置应考虑安全性和方便性，可采用岛型、半岛型、L型、U型或一字型。

　　结构设计形式宜采用钢筋混凝土框架、钢框架或排架结构，楼面活荷载一般为400kg/m²~500kg/m²。对于周围环境振动反应敏感或受环境振动影响而不能正常使用的天平、电镜、谱仪等精密仪器，应采取被动隔振措施，空调机组等自身产生振动的动力设备应采取主动隔振措施。

　　2.2 通风空调系统

　　按标准单元组合设计的实验用房，其通风空调系统也应该按标准单元组合设计。在设计排风系统时，排风装置、风管、阀门、附件和风机等设施设备的材质应依系统所排除的有害物的种类确定。

　　谱仪室、洗涤台上部应配置万向排气罩，光谱分析室除设万向排气罩外，还宜增设排风量较大的吸收罩。化学分析室及前处理室宜根据需要设置桌上型通风柜和台式通风柜，无机前处理通风柜应耐强酸腐蚀，实验台局部上方设有万向排气罩。有辐射防护要求的实验室通风应采取防射线外溢措施；暗室的风管等处应采取防漏光措施，换气次数不宜小于5次/h。持久-蠕变性能实验室排风位置应设在房间的最高点，补风位置应距离设备顶部1m以上。试剂室、样品接收与暂存室采用带排风的试剂柜，保持24h不间断排风。所有实验用房要有一定的换气次数，以保证室内挥发性有害物质及时排出室外，换气次数与通风柜数量及每个通风柜换气量有关，通常实验室无人时换气次数为5次/h~6次/h。

　　制冷方式的选择和场所设置应根据热源、电源、水源以及空气调节所需制冷量、冷水温度和工艺需求与特点等情况，经技术经济比较后确定。空气调节宜采取集中与分散相结合的方式进行设置。实验室室内清洁气流宜呈稳定恒向层流状态，先流经人体，再流经污染源，最后排出实验室。

　　2.3 给排水及废水、废液处理系统

　　给水系统选择，应根据科研、生产、生活、消防各项用水对水质、水温、水压和水量的要求，并结合室外给水系统等因素，经技术经济比较后确定。排水系统选择，应根据污水的性质、流量、排放规律并结合室外排水条件确定。排出有毒和有害物质的污水，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，宜在技术经济比较后回收利用。凡含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。

　　理化实验室宜设纯水制备系统。规模较大，用水较多的食品检测理化室宜设立中央纯水系统。进行强酸、强碱实验的前处理室和化学分析室等实验室以及有飞溅爆炸可能的实验室，应就近设置应急喷淋设施。当应急眼睛冲洗器水头>1m时，应采取减压措施。进入射线探伤机机房的给水管宜埋地敷设，架空敷设时应采取防护措施。放射性同位素的操作间、去污室的水龙头，应采用脚踏开关、肘式开关或光电开关。大型理化实验室宜安装蓄水装置。

　　污水及废水的最大小时流量和设计秒流量，应按工艺要求确定。前处理室、化学分析室等具有产生腐蚀性污水的实验室应设置防倒流密闭地漏，排水下水道应采用耐酸碱腐蚀的材料。洗涤应设置专门清洗玻璃器皿区域，有机分析用的器皿与无机分析用的器皿应分开，用于检测有毒物品的器皿要专用。放射性同位素实验室的排水系统设计，应将长寿命和短寿命的核素废水分流。废水流向，应从清洁区至污染区。

　　对产生废液的洗涤室等实验室，应设废液桶分类收集，回收处理。一般实验室的废水可直接排入污水处理站进行处理，对高浓度的酸碱废水应先中和再排入污水处理站。凡含有放射性核素的废水，应根据核素的半衰期长短，分为长寿命和短寿命两种放射性核素废水，并应分别进行处理。较大理化实验室宜建设配套的污水处理站。

　　2.4 供配电系统

　　配电箱宜按照标准单元进行配置，设有设备走廊的实验室，可将配电箱放置在设备走廊，每个配电箱应设置具有远程功能的计量表。

　　城市电网电源质量不能满足用电要求时，应根据具体条件采用滤波、屏蔽等相应的电源质量改善措施。

　　有电磁屏蔽要求的实验室，应根据仪器、设备对电磁屏蔽的要求，对电源进行采取滤波措施。实验室用电一般分为动力用电与实验用电，二者线路应分开配置。要求24h运转的设备和持久-蠕变试验机等供电可靠性要求高的用电负荷，应采用双路电源末端配电装置互投的方式供电。谱仪实验和金相实验等电压稳定要求高的仪器、设备，应采用交流稳压电源供电。烘箱、高温炉等电热设备应有专用插座、开关及熔断器。实验室内宜统一配备220V、380V两种规格电压，用电负荷计算宜采用需要系数法，实验设备需要系数取值范围应为0.2~0.6。在同一实验室内设有两种及以上不同电压或频率的电源供电时，宜分别设置配电装置；不同电压或频率的电源由同一配电装置供电，配电装置应有良好的隔离。不同电压或频率的电源应有明显区分或标志。

　　2.5 气体管道系统

　　按标准单元组合设计的实验室，各种气体管道也应按标准单元组合设计。瓶装气体供气宜集中设置气瓶间，采用管道供应。气瓶间宜单独设置。日用气量小于1瓶、用气点少的气体供应，可采用单瓶供气方式，但气瓶应放在起防护作用的气瓶柜内。

　　氢气、氧气和煤气管道以及引入实验室的各种气体管道支管宜明敷。当管道井、管道技术层内敷设有氢气、氧气和煤气管道时，应有换气次数为1次/h——3次/h的通风措施。氢气、氧气管道的末端和最高点宜设放空管。放空管应高出层顶2m以上，并应设在防雷保护区内。氢气管道上还应设取样口和吹扫口。放空管、取样口和吹扫口的位置应能满足管道内气体吹扫置换的要求。氢气、氧气管道应有导除静电的接地装置。

　　色谱分析室宜提供氮气、氢气、氦气、氩气、空气等气体。光谱分析室宜提供空气、乙炔、氩气、氮气等气体。化学分析室应预留1路氮气。进入色谱、光谱分析室的气体主管道上设有总阀，应安装在房间内明显的墙面上，各路支管沿实验台功能柱铺设，就近设置二级减压阀和压力表。气体管道宜采用不锈钢管、铜管或无缝钢管。气体纯度大于或等于99.99%的气体管道应采用EP级不锈钢管。

　　3、结语

　　本文在对不同行业理化实验室设计和建设经验总结的基础上，对理化实验室必备的功能区域进行了科学系统的分类，在设计上引进了先进的实验室设计思想，分别从建筑、结构、装饰装修、通风空调、给水排水、废水、废液、供配电、气体管道等几个方面详细介绍了理化实验室设计方法，为理化实验室设计建设提供了实用、前沿、科学的信息和依据。