绿色实验室建设技术研究

刘心悦 宫兆合 郭建军

摘  要：贯彻绿色发展理念，建设绿色实验室是新发展阶段的必然要求。结合绿色发展理念和未来绿色可持续实验室特点，提出绿色实验室具有安全、高质、高效、环保、节能、和谐、共享、可持续的基本特征。通过总结我国实验室建设经验，论述全寿命论证技术、功能模块化技术、模拟与仿真技术、新工艺材料技术、数字化信息化技术等绿色实验室建设关键技术，最后提出推动绿色实验室发展的举措。

关键词：实验室  绿色  基本特征  建设技术

中图分类号：G312                             文献标识码：A                  文章编号：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

实验室是科技创新供给源头，是实施创新驱动发展战略的物质基础，是生产力的重要组成部分，在国民经济发展和国家安全中发挥重要作用。“十四五”规划明确坚持创新在我国现代化建设全局中的核心地位，提出以国家战略性需求为导向推进创新体系优化组合，加快构建以国家实验室为引领的战略科技力量。在新發展阶段，实验室的发展不仅是规模数量的增加，更应该是质量效益的提升，贯彻绿色发展理念，建设绿色实验室成为未来实验室的重要发展方向。

1  绿色实验室的基本特征

绿色发展观是绿色实验室建设的基石，落实绿色发展观是实验室建设的时代课题，必须深刻领悟绿色的深刻含义。绿色是永恒发展的必要条件和人民美好生活追求的重要前提，绿色发展就是坚持节约资源，坚持保护环境，坚持高质高效，坚持可持续发展，坚持形成人与自然和谐发展。参考国际可持续发展实验室协会提出的未来绿色可持续实验室“建成成本低、工期快、节能减排、维护简便、容易升级改造、满足多元化需求”的特点[1]，本文认为绿色实验室应具备“安全、高质、高效、环保、节能、和谐、共享、可持续”等基本特征。

安全即确保实验室人员安全健康，试验环境满足实验方法要求，试验设备正常运行，安全是实验室必须具备的基本特征，是实验室建设和运行的重要前提，不能确保实验室安全，科研工作、实验教学等便无从谈起。

高质即确保实验室科研成果、检测报告、人才培养等产出的高质，多出创新性、前端性成果，高质是实验室建设和运行的必要条件，是质量强国的客观需求，也是实验室价值的体现。

高效即实验室具有高产出比，确保实验室能够低投入高产出的高效率运行，使实验室多出成果、快出成果，管理流畅、运行高效的实验室对降低科研人员事务性工作也具有重要作用。

环保是人类生存的客观要求，伴随实验室中危险化学品、危险设备的广泛使用，废弃物排放处置、噪音污染等环境问题突出，实验室建设必须研判环境影响，必须达到法律法规中对相关环境保护的要求。

节能既是响应国家节能减排号召，构建清洁低碳、安全高效能源体系的举措，又是降低实验室运行成本、提升效益，降低实验室能源资源消耗是实验室高质、高效的重要体现。

和谐是以人为本的具体体现，建立适于人员工作的硬件环境和身心愉悦的软件环境，是激发实验室工作人员积极性和创造力的重要保障。

共享是提升实验室使用效益和效率的重要措施，建设以实验功能为导向的开放型实验室，推进科技资源共享，可以充分挖掘实验室能力，实现能力互补和以强促强。

可持续是实验室发展能力持续提升，适应社会发展需求，不断创新的基本要求，也是做到高质、高效、环保、节能、和谐、共享的重要前提，实验室建设必须满足后续升级改造的需要。

2  绿色实验室建设关键技术

不同学科、不同领域的实验室在新材料研发、新技术探索、新方法应用、高端装备技术支撑等诸多方面发挥巨大作用，但随着实验室的快速发展，实验室建设不平衡不充分的问题凸显，实验室建设后劲略显不足，存在着能源浪费、重复建设、资源搁置、建设技术落后等一系列问题。存在上述问题的原因是多方面的，既有体制机制不适合，也有思想观念不适应，绿色实验室技术模糊不清也是一个重要原因，通过笔者的研究，总结出以下几项绿色实验室建设技术。

2.1 全寿命论证技术

全寿命论证技术是确保实验室“安全、高质、高效、环保、节能、和谐、共享、可持续”的重要手段，是实验室建设全过程必要、可行的重要保障。全寿命论证是保证立项、初步方案设计、详细方案设计、实验室建设实施、实验室试运行等全过程科学、合理、可行的重要过程，论证是充分发挥专家知识、经验、智慧及各类技术手段的系统工程。通过论证，保证实验室建设具有必要性和前瞻性，即能力需求合理、技术工艺先进、仪器设备合适;通过论证降低建设成本和运行成本，确保实验室适于升级改造。实验室建设全寿命论证方法有类比论证法、头脑风暴法、技术经济法、建模仿真法、SWOT法（态势分析法）、综合评分法等。

2.2 功能模块化技术

模块化技术是提高实验室运行效益、效率，確保实验室可持续发展的重要技术，主要包括实验能力模块化技术和实验室保障功能模块化技术。实验室能力模块化技术，即以实验室能力单元为导向，将实验室科学分解为最基本能力单元，这些能力单元模块使用设备雷同，方法相通，基础保障要求类似，如在力学性能实验室中将功能分为拉伸试验能力模块、冲击试验能力模块。保障功能模块化技术就是将实验室能力的基础保障功能模块化，如建立公共实验室管廊，将通风管道、各类电缆、上下水管等集中在伴随走廊的管廊内，管廊采用框架结构，便于后续进一步改造和升级，降低改造成本和维护成本。

2.3 模拟与仿真技术

模拟与仿真技术是实验室环保、节能的重要技术手段，是消除实验室危险源、保障人员设施安全的有效方法。通过全数字仿真、半实物仿真、实装模拟等[2]手段实现实验环境、化工生产过程、危险试验操作等的模拟，如特种设备运行的高压、高温、高空环境，以及模拟复杂电磁环境等。建模仿真技术通常是基于数学理论建立起来的数学模型，利用数学表达式来解析某个过程，并在计算机上进行模拟[3，4]，可进行动力学分析、材料微观结构分析、热分析、加工仿真等。模拟与仿真仿真实验室具有成本节约、避免污染、建设周期短、易扩展的特点，可进行危险实验的远程控制，打破时间和空间的局限，实现各分实验室异地联合和资源共享。

2.4 新工艺材料技术

新工艺材料技术是建设绿色实验室的核心手段，工艺是主干，材料是枝叶，选择合适的试验工艺和试验材料是实验室做到安全、高质、环保、节能的重要前提。应选用符合实验室实际的先进工艺，切勿盲目追求高、精、尖，通过设计实验工艺改善试验条件，提高实验质量;既要注重减少高温高压环境，也要避免恒温恒湿的苛刻条件，注重能源保存和资源节约;使用新型节能环保材料，减少实验过程中危险化学品、有毒有害气体和危险设备设施的使用，减少危险源，保障实验安全。如设计微型实验和微型化实验设备，降低高低温试验环境能源消耗，减少化学试剂的使用，从源头上防止和控制污染的产生[5，6];采用有效危废处理技术，减少后续处理难度和费用，使实验室废液、固体废弃物更好地满足处置系统的要求，便于输送的同时降低对处置系统的不利影响[7，8]。

2.5 数字化信息化技术

数字化信息化是实验室高效、共享、可持续的重要前提，是提高实验室管理效能，响应国家科技资源共享，实现实验室能力持续提升和实验室文化传承的有效手段。完整的实验室信息网格包括宏观数据和微观数据两部分。宏观数据即实验室间的数字信息化，统计各实验室能力、先进技术、实验设备设施、实验人员、科研项目信息等，形成实验室宏观大数据，建立联系实验室间的桥梁;微观数据即实验室内部的数字信息化，试验过程中重要参数、关键检测信息、检测报告等进行数字化存储，设定专用语句，便于分类检索和调用，做好实验室管理信息统计工作，实现管理数据信息化，运用概率知识分析危险易发点、管理关键点。如实验室信息管理系统（LIMS）是目前应用成熟的实验室管理软件，是实现《检测和校准实验室能力认可准则》等管理思想的技术手段[9]，基本涵盖实验室运行所需的人、机、料、法、环、测等全部要素。

2.6 自动化智能化技术

自动化智能化技术是保障实验室安全、高质、高效运行，实现实验室和谐、共享的有效技术手段。以数字化信息化为基础，提高设备设施自动化智能化水平，可实现自动采样与取样、自动识别、自动检测、数据自动采集与智能分析、智能故障诊断与应急停车，广泛应用人工智能技术，可提高实验速度，缩短实验时间，保证实验质量，提高实验准确性[10];减少实验人员同机械设备的接触，将对人员的伤害降至最低。以我国压力容器设计制造与维护为例，当前已经实现了压力容器加工过程中的数字化下料切割与成形、自动焊接与热处理、无损检测数字化，正在运用自动化智能化技术，积极推进不同企业间协同设计制造，与用户构建交互平台，开展远程运维、故障诊断等服务[11]。

3  推動绿色实验室技术举措

3.1 加强宣传倡导

当前实验室绿色发展理念还未完全普及，各部门、各行业对绿色内涵的理解也不尽相同，因此必须加强宣传倡导，建立绿色实验室管理平台，增强技术宣传，共享建设经验，使实验室绿色、可持续发展观念深入到每一位科技从业者的心中。

3.2 加强组织领导

设立专门机构负责绿色实验室建设工作，并赋予相应职责，国家管理部门负责绿色实验室建设的顶层设计、统筹规划、制度建设、宣传培训、技术支撑、沟通交流等，各部门管理机构负责制订符合本部门发展规律的绿色实验室建设计划，找出各项技术应用的突破点，各单位管理机构具体负责本单位绿色实验室建设的相关工作。

3.3 加强统筹规划

打破以往实验室重复建设、盲目建设的现象，加强实验室建设的统筹规划，充分运用绿色实验室建设技术，将已有实验室改造与实验室新建相结合，不同行业、不同地区分层次推进;放缓实验室建设步伐，注重现有实验室资源整合，加强实验室间的信息沟通，增强资源共享。

3.4 建立制度标准

建立绿色实验室建设制度，规范人员职责、建设程序、评价原则、考核机制等内容，使绿色实验室建设有章可依;推进绿色实验室标准化建设，明确人员、设施、环境、程序等相关要求，规范技术运用，明确绿色、可持续评价指标，使绿色实验室建设有法可寻。

3.5 完善奖惩机制

行之有效的奖惩机制是推动绿色实验室技术的有效手段，设置绿色实验室建设专项经费，对应用绿色建设技术的实验室进行经费补贴;将绿色实验室建设与国家财政支持、科技项目申报、科研成果奖励等挂钩，将绿色可持续水平作为一项重要考核指标;设立技术应用专项奖励金，对绿色实验室技术应用较好的集体和个人进行奖励。

4  结语

实验室是国家科技力量的核心，是建立科技创新体系的主体，实验室的建设质量决定了我国科技发展高度，建设绿色高质量实验室意义重大。应不断完善绿色实验室建设技术，加强绿色实验室选宣传引导，完善标准制度和管理措施，提升实验室建设进程中各系统、各环节的统一协作水平，使实验室真正实现安全、高质、高效、环保、节能、和谐、共享、可持续运行，为国家创造更多的绿色科技财富。

参考文献

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