对现代食品检测实验室设计的一些思考

刘友华

（福建省产品质量检验研究院,福建 福州 350002）

随着社会经济的发展和科学技术的进步，人们对实验室的环境和节能越来越重视，技术机构开始追求一个低碳、安全、健康、前瞻的现代专业实验室。实验室的专业设计和施工在欧美等发达国家作为一个学科已经有100多年的历史，但我国在这方面起步较晚，20世纪90年代中期才开始[1]，作为一门学科目前还很不完善。目前国内实验室建设还普遍存在土建设计先于工艺设计的现象，有些甚至是盖好大楼后才考虑实验室的布局和功能设计，由于土建设计人员不了解实验室的特殊工艺要求而按普通建筑进行设计，这样往往造成工程建设的返工，并遗留诸多问题，许多方面无法达到现代实验室的要求。因此，做好实验室的工艺设计，对实验室的建设具有十分重要的意义。

1 现代实验室建设存在的问题

实验室建设涉及强弱电、上下水、供气、通风、空调、净化、消防、环保、洁净、恒温恒湿、智能化等系统，因此，是一个复杂的系统工程。目前，我国实验室建设缺乏一套系统的实验室工艺设计规范，而临时从实验室抽调的建设人员既不熟悉建筑专业也缺乏专业实验室的系统建设经验。由于未事先请专业的实验室设计咨询单位进行工艺设计，而质检机构的建设人员对实验室的功能设计和工程建设的知识又匮乏，导致实验室建设过程中存在较多的问题。

1.1 实验室布局不合理

未事先对实验室进行整体的平面规划，功能区分过于简单，实验用房与办公等其他功能用房交叉，检验流程不合理而影响工作效率，对员工的人文关怀方面考虑不足。

1.2 土建设计不合理

实验室建筑层高不够，楼层荷载无法满足要求，墙壁承受斜向拉力不够；未设计管道井和风井，难以布置上下水管道和风道，上下水管道外露难看；未考虑须进行防爆设计的气瓶室，造成工程施工的返工，有的只好将装有危险气体的气瓶直接放入实验室中；未考虑发展的空间，等等。

1.3 强弱电系统不合理

供电线路没有分开强电、弱电和仪器用电，未对网络、电话、监控、消防、门禁进行综合考虑[2]；实验室的强弱电容量和点位图未充分考虑清楚，无法满足实验室的需求，只好重新布线或增加接线板，影响了实验室的安全和美观。

1.4 装修设计不合理

采用中央空调，造成不同实验室之间的空气交换和串味；洁净实验室、生物安全实验室等有特定要求的实验室地面材料不能满足整体无缝隙的要求；实验室净高度太高浪费能源；实验室外窗采用有色玻璃，造成检测时色觉判断误差。

1.5 通风系统不合理

现在有很多的实验室在设计通风系统的时候只考虑了排风，而没有合理的设计实验室的补风系统，造成了实验室过度负压的状态（负压值一般控制在-5pa～-15pa较为合理[3]），不仅影响室内环境的舒适性，而且影响换气次数，有毒有害气体不能完全排出室外；有些实验室的排风系统有问题，进到实验室就能闻到化学物质的气味，影响检测人员的身体健康和工作效率。

2 实验室工艺设计理念与原则

实验室工艺设计应根据服务范围、客户需求、区域经济、产业发展等情况，在满足基本功能的同时，体现标准化、智能化、人性化、灵活性的特点，并考虑未来发展的前瞻性。工艺设计决定了实验室的先进性，是现代实验室建设的重要环节。土建设计是按照工艺规划和工艺要求进行设计的，因此，工艺设计应先于土建设计。

实验室的工艺设计是否科学、合理，对实验室的工作效率、检验质量、环境质量及交叉污染等有重大的影响。在参考国内外先进实验室设计理念的基础上，根据国家质检中心的建设经验，对现代实验室工艺设计的原则归纳如下：

2.1 科学合理原则

实验室要按照“科学规划，合理布局”的原则举行设计，做到技术先进、安全可靠、经济合理、确保质量的要求。实验室的选址应合理，平面布置要科学，各类用房宜集中布置，做到功能分区明确、布局合理、联系方便、互不干扰。实验室设计还要全面考虑实验工作空间、通风系统、供气系统、消防系统、上下水、强弱电、仪器设备接地、劳动保护以及相应的空调暖通等基础设施的合理设计与配置。

2.2 效率效益原则

功能区及仪器设备布局力求符合检验工作流程，优化实验室的工作流程，缩短人员往返距离，提高运作效率。采用节能设备，优化管路布局，以节约建设成本和降低运行成本。除了优化平面布局设计外，可运用先进的实验室管理软件来优化实验过程，提高工作效率。

2.3 安全低碳原则

绿色实验室是21世纪实验室的主流，安全、健康、环保、节能是绿色实验室的要素。实验室设计要简约、通透、大方，遵循“少改动少修饰”的原则，并考虑暖通空调的节能、太阳能风能利用、外墙保温、照明节能等高效节能新技术的应用，同时要设计安全防护系统和废水废气处理系统，减少有毒有害物质，改善室内外环境，保障人员健康。

2.4 人性智能原则

人性化设计就是利用实验室的建筑空间，提供工作人员沟通交流的场所，包括会议室、中庭空间、楼梯空间、茶水休闲室、公共服务空间等；追求空间视觉美，整洁的外观和色彩，安全舒适的室内环境，满足工作人员的交流和舒适的需求。智能化就是将实验室的各种仪器设备连接在一起实现实验室网络化，使工作人员能通过信息管理系统掌握实验室的各种信息；智能化应根据实验室的规模、功能需求等实际情况满足先进性、可靠性、标准性、集成性、实用性、经济性、简便性等要求。

2.5 前瞻灵活原则

对市场需求变化大的实验室，设计时可考虑采用能调整结构的模块化布局，有足够的空间来放置仪器设备，供给系统（包括电路、水路、气路以及通信等）能满足未来发展的要求，能够在墙和天花上进行方便的连接或断开。如有需要，实验室的工作台可选择活动的，服务柱也可调节移动，并设计可移动的隔断墙，进行灵活隔断。

3 实验室工艺设计内容及要求

工艺设计要综合考虑实验室的总体规划、整体定位、平面布局、实验室需求，以及通风（包括废气处理）系统、给排水系统、废水处理系统、供气系统、空调暖通系统、洁净系统、纯水系统、安全措施等方面。现代实验室的工艺设计包括实验室工艺设计任务书、工艺设计文件及图纸两个方面，其主要内容及要求简述如下：

3.1 设计任务书制定

现代实验室设计任务书的内容包括项目概况、建设规模、设计范围、经济技术指标、总体设计要求、功能要求及相关要求等，要明确实验楼里每个办公室、每个房间、每个实验室的功能、面积、空间（层高）、仪器设备、强弱电、供气、给排水、空调暖通、环境、建筑结构和装修等要求。

3.2 平面布局设计

整体布局设计时要对工艺流程、特殊功能间位置选择、建筑结构特点及空调外机放置等进行统筹考虑，应满足流程的优化及日常管理的要求。实验室内部布局应考虑减少人流与物流的交叉、通风井和管道井的设置、仪器设备的布置及其水、电、气接口的设计等。

3.3 流程优化设计

实验室工作流程优化与实验室布局和仪器设备的摆放相关，一般按“样品处理——检测——数据处理”最短距离的原则来优化布局，仪器设备摆放应考虑供水、供气、供电、废液废气排放及方便使用等问题，同时可考虑采用先进的实验室管理软件来优化实验过程，以提高工作效率和工作质量。

3.4 给排水设计

实验室的给排水系统设计应根据实验台所需给排水的需求来定，实验室给排水系统设计应在土建设计之前完成。给排水管道要尽量沿着墙（角）、柱（角）、天花、走廊等布置，并应避免穿越仪器间、电器设备间和卫生要求高的房间。化学实验室和纯水室等应设地漏，漏水时应能及时排放。含有毒有害物质的污水应设置独立的排水管道。实验室一般给排水管道宜采用耐酸碱和有机溶剂的PP-R管。纯水系统设计要考虑每个实验室的纯水需求，详细分析各个实验室对不同水质（一级、二级、三级）的用水量及压力要求。

3.5 强弱电设计

强弱电系统设计包括电力系统设计、配电系统设计、照明设计、智能化系统设计、安保系统设计、通讯系统设计等。实验室的配电系统应根据房间的功能要求、仪器设备的用电需求，综合多方面因素进行设计。电源采用三相五线制220/380V，接地（PE）或接零（N）支线必须单独与接地（PE）或接零（N）干线相连接，不得串联连接。空调系统、实验室排风和补风系统采用集中配电，设置专门的配电间。实验室仪器设备对电路的要求比较复杂，贵重精密仪器设备应考虑防静电、抗干扰、独立接地和UPS电源等。对供配电系统以及综合布线、计算机网络、安全防范等智能化系统的设计，要考虑预留有一定的发展空间。

3.6 通风控制设计

实验室通风系统设计应满足最低换气次数和负压要求，具有洁净度、温湿度等要求的不同功能类别的实验室，应采用独立新风、回风与排风、通风系统，以保证实验室的安全。实验室送风和排风应根据工艺、安全、卫生和环保要求来定空气过滤器和处理措施，送风口一般要远离通风柜的一侧，通风柜的排风系统不得借用消防风道，实验用房应预留潜藏的侧送侧排风口。实验室的空调系统有其特殊性，不宜采用可造成不同实验室之间空气交换的中央空调系统，普通实验室一般采用独立VRV变频多联空调系统，以防止实验室气流的交叉污染。洁净室宜采用专业公司设计的洁净空调机，恒温恒湿实验室采用独立冷源的恒温恒湿空调机。

3.7 集中供气设计

现代实验室供气系统主要由气源切换系统、调压系统、管道系统、用气点、报警系统及易燃易爆气体回火阻火器等组成。气瓶间采用实体墙，安装防爆门、泄爆窗，室内采用防爆电器，室内不宜安装天花吊顶。气源区气体采用自动切换装置，供气系统设计低压报警系统，实现工作人员方便、有效地管理气瓶间。气体管路应采用高质量的完全退火、无缝不锈钢SS-316L,气体管路的连接采用无缝焊接技术，管路安装在吊顶上方，中央仪器台气体管路的引入通过功能柱来实现，管线布置在维修通道实验台背面。乙炔、氢气等易燃气体应与其它气体分开，单独引入。

3.8 消防系统设计

实验室不同于普通办公楼的办公室，其对消防的要求比一般的办公室要高得多。洁净室、恒温恒湿室、冷库和精密仪器室等不得采用自动水喷淋系统，应采用气体灭火系统。

3.9 装饰装修设计

实验室装修设计应符合实验室环境要求，美观大方，富有现代科技感，展现出行业特点、工作理念和独特风格。在选材、色调搭配和施工方法等方面，应充分考虑安全性和舒适性，注意防水、防尘、防滑、防静电等。装修所涉及的材料应尽量采用防火阻燃材料，符合环保要求。墙面所用水溶性乳胶漆必须是无污染、无毒、无火灾隐患，有机挥发物的释放量及有机挥发物总量要严格控制在标准范围内。洗涤间墙面等带水操作台墙面，需做弹性乳液防水涂料。所有地面、墙面、天花的管道、线槽穿洞必须严格密封。装修最终效果要现代时尚、美观大方。

4 食品实验室工艺设计案例

现对国家食品质检中心（福州）的工艺设计作简要介绍。首先，组织相关部门制订设计任务书。其次，明确招标文件的工艺设计内容，即完成工艺设计及配套的水、电、送排风、气体等辅助设施的方案设计等。其三，根据项目相关要求和国家相关规范要求，进行合理规划设计，并进行了工艺设计及下列配套与辅助设施的方案设计，具体内容如下：

4.1 工艺设计项目内容：实验室装备工程设计施工图

实验室的平面工艺布局设计经过多次酝酿和反复磋商，满足了各科室科研和检测项目需求，符合实验操作流程和国家相关规范要求。设计中整体考虑了办公区、实验区、辅助功能区之间，控制区与公共区之间，污染区与清洁区之间，样品通道、污物通道与人员通道之间的划分和控制，实现了空间利用最大化、使用功能最优化、实验流程一体化。

4.2 给排水点位图预留项目内容：实验室装备工程设计给排水点位图

该项目给排水点位图的设计特点：一是实验用水全部采用隐藏式布置，点位精确定位于实验家具的检测通道之内，避免了上水外露或穿柜体的现象；二是实验室水槽、下水管道采用耐酸、碱及有机溶剂的PPR管，并采取防堵塞、防渗漏措施，为了防止水槽溢满淹没贵重仪器，所有带水槽的房间设有地漏；三是微生物实验室洗手水嘴使用非触摸式的感应水龙头，存在生物危险因素的微生物实验室等不得设置地漏；四是理化实验区内易受化学物质灼伤处设置洗眼器及紧急冲淋装置；五是实验废水采用独立的管网系统，分类收集，分类处理。

4.3 通风系统及VAV系统图项目内容：实验室通风系统及VAV系统图工程设计图

为避免实验室内产生的有毒有害气体交叉污染，该项目实验室气流方向从低危险区域向高危险区域流动，气流设计从办公区域，廊道，以及其他辅助区域流入实验室，保持实验室内的适当负压，确保实验室内的气流不外泄到走廊。主要设计特点：一是通风柜采用VAV控制系统，面风速维持在0.5m/s，保证最优的排风效果；二是通过机械补新风，维持室内的微负压动态平衡，保证室内的舒适性；三是采用VRV变频多联空调系统，避免了各室之间气流的交叉污染；四是排风与补风采用静压传感变频系统，最大限度地实现节能和降噪的目的；五是废气经处理后高空排风，减少实验废气对周围环境的影响。

4.4 净化系统项目内容：实验室净化系统工程设计图

该项目净化系统设计特点：一是工艺布局合理，根据需要设置了更衣、风淋和缓冲间，做到人流、物流、污物流三流清晰，避免交叉感染；二是装饰材料为玻镁彩钢板，易于清洁消毒、耐腐蚀、不起尘、不开裂、光滑防水，相交位置做圆弧处理，无缝对接；三是空调净化系统的划分有利于实验室的消毒灭菌、自动控制系统的设置和节能运行；四是采用洁净空调系统，设粗、中、高三级空气过滤器和消毒灭菌装置，排风与送风连锁；五是气流有序，由清洁区向半污染区和污染区流动。

4.5 供气系统项目内容：实验室供气系统工程设计图

该项目供气系统设计特点：一是设有独立的气瓶间，可燃与不可燃气体分开放置，气瓶间采用实体墙，设有防爆门和泄爆窗，室内采用防爆电气；二是气路系统设有泄漏报警、紧急切断和强排风等装置；三是为保证气体纯度和气压的稳定性，采用多级减压供气方式，设置了气路吹扫、排空等设施；四是采用双气源自动切换模式供气，设有欠压换气报警装置，使用方便。

4.6 纯水系统项目内容：实验室纯水系统工程设计图

该项目纯水系统设计特点：一是采用集中供水，原水经过多级工艺处理，出水水质稳定，可同时满足不同实验的用水水质要求；二是纯水系统为闭路循环系统，管网采用单循环无死角恒压供水方式，管道为符合GLP要求的洁净级超纯CleanPVC管材；三是系统设备全自动运行，完全实现人机对话，而无需专人看管；四是设备和输水管路具有在线化学清洗和消毒功能，具有高温除藻功能；五是系统具备升级功能，具有高的可靠性和稳定性。

4.7 环保系统项目内容：实验室环保系统工程设计图

该项目环保系统主要包括废水和废气的处理。实验室废水经独立的管网系统收集进入废水调节池，再经废水处理机处理后达标排放。实验室废气通过通风柜、原子吸收罩或万向排气罩等设备收集后，由排风井引至大楼屋面，经处理达标后高空排放。有机废气和无机废气划分为不同的系统，有机废气采用活性炭吸附装置处理，无机废气采用喷淋塔处理。

[1] 扬子晚报网.我国急需实验室建设专才[Z] .（2007-03-15)[2012-06-19]http://www.yangtse.com/jypd/jyck/200703/t20070315_267993.htm）

[2] 黄家声主编.实验室设计与建设指南[M]. 北京：中国水利水电出版社，2011. 186-190.

[3] 赵翔.关于化学实验室VAV 控制的设计和实践. 智能建筑与城市信息[J]，2011（3）：74-76.