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整体实验室规划设计

实验室的建设,无论是新建、扩建、或是改建项目,它不单 纯是选购合理的仪器设备,还要综 合考虑实验室的总体规划、合理布局和平面设计,以及供电、供水、供气、通风、空气净化、安全措施、环境保 护等基础设施和基本条件。因此实 验室的建设是一项复杂的系统工程,在现代实验室里,先进的 科学仪器和优越完善的实验室是提升现代化科技水平,促进科 研成果增长的必备条件。“以人为本,人与环境”己成为 人们高度关注的课题。本着“安全、环保、实用、耐久、美观、经济、卓越、领先”,的规划设计理念。规划设 计主要分为几个方面:平面设计系统、单台结 构功能设计系统、供排水设计系统、电控系统、有害气 体输出系统等方面。下面就 按上述六方面依次讲解。

一、 平面设计系统

平面设 计我们主要考虑以下几个方面的因素:

1、疏散、撤离、逃生、顺畅、无阻,安全通道;一般实 验室门主要向里开,但如设 置有爆炸危险的房间,房门应朝外开,房门材 质最好选择压力玻璃。

2、人体学(前后左右工作空间),完美的 设备与科技工作者操作空间范围的协调搭配体现了科学化、人性化的规划设计。

在做平面设计的时候,首先要 考虑的因素是就是“安全”,实验室 是最易发生爆炸、火灾、毒气泄露等的场所。我们在 做平面设计的时候,应尽量 地要保持实验室的通风流畅、逃生通道畅通。

根据国 际人体工程学的标准。我们做 如下的划分以供参照: 实验台 与实验台通道划分标准(通道间隔用L表示) L>500mm时,一边可站人操作; L>800mm时,一边可坐人操作;

L>1200mm时,一边可坐人,一边可站人,中间不可过人; L>1500mm时,两边可坐人,中间可过人; L>1800mm时,两边可坐人,中间可过人可过仪器;通常实验室开间选取3.6米-4.0米 ,天平台、仪器台不宜离墙太近,离墙400mm为宜。为了在 工作发生危险时易于疏散,实验台 间的过道应全部通向走廊。另:实验室建筑层高宜为3.7米-4.0米为宜,净高宜为2.7米-2.8米,有洁净度、压力梯度、恒温恒 湿等特殊要求的实验室净高宜为2.5米-2.6米(不包括吊顶);实验室走廊净宽宜为1.65米-2.00米.普通实验室双门宽以1.1米-1.5米(不对称对开门)为宜,单门宽以0.8米-0.9米为宜。

3、专业学科功能。实验室通常按物理学,无机化学,有机合成化学,生物学来分类。根据实验室内容、用途和 规模的不同又各有自己的特点,比如基础教学实验室,按学科专业分,多为较 简单的教学实验对水电气风等要求较低,而科研 机构对实验室通风、供排水、电控及 洁净都要求较高,但实验 室设计的基本原则都是具有共同性的,以有机化学为例,主要由 化学基本实验室、仪器分析实验室、洁净实验室、电子计算机室、研究室、辅助实验室、服务供应室等组成。 化学基本实验室,主要是进行容量分析、离子测定、氧化还原等实验,一般设计的装备有:实验台与洗涤台;通风柜及管道修检井;带试剂 架的实验台及辅助工作台,需考虑 设在实验室内的研究空间或电脑台,药品柜、器皿柜、落地安置的仪器设备、急救器等。

仪器分析实验室,主要设 置各种大型精密分析仪器,同时也 包括普通小型分析仪等,一般设计的装备有:仪器台、实验台、通风柜、天平台、电脑台、气瓶柜、洗涤台、器皿柜、药品柜、急救器、万向排气罩、原子吸收罩等。以下列 出各类仪器分析实验室的要求,以供参考。

二、实验室 名称所属各室的要求

1、气相色谱分析室

主要是 对容易转化为气态而不分解的液态有机化合物及气态样品的分析。仪器设 备主要有气相色谱仪,具有计 算机控制系统及数据处理系统,自动化程度很高,对有机 化合物具有高效的分离能力,所用载气主要有:H2、N2、Ar、He、CO2等。但对高沸点化合物,难挥发 的及热不稳定的化合物、离子化合物、高聚物 的分离却无能为力。要求局 部排风及避免阳光直射在仪器上,避免影 响电路系统正常工作的电场及磁场存在,一般设计:仪器台(应离墙以便仪器维修)、万向排气罩、电脑台(一般在仪器台旁配置)、边台、洗涤台、试剂柜等

2、液相色谱分析室

主要体 现在高效率分离,对复杂 的有机化合物分离制取纯净化合物,定量分析和定性分析,仪器设备主要有:高效液相色谱仪,适宜于高沸点化合物、难挥发化合物、热不稳定化合物、离子化合物、高聚物等,弥补气 相色谱仪的不足。环境和 实验室基础装备设计要求与气相色谙室相近。

3、质谱分析室

主要是 对纯有机物的定性分析,实现对 有机化合物的分子量、分子式、分子结构的测定,分析样品可以是气体、液体、固体,主要设备有质谱仪、气-质联用仪。质谱仪 是利用电磁学的原理,使物质 的离子按照基特征的质荷比(即质量m与电荷e之比—m/e)来进行 分离并进行质谱分析的仪器,缺点是 对复杂有机混合物的分离无能为力。气相色谱分离效率高,定量分析简便的特点,结合质谱仪灵敏度高,定性分 析能力强的特点,两种仪器联用为气-质联用仪。可以取长补短,提高分析质量和效率。质谱仪 可能有汞蒸汽逸出,要考虑局部排风。 光谱分析室 主要是 根据物质对光具有吸收、散射的 物理特征及发射光的物理特性,在分析 化学领域建立化学分析。主要的 仪器是原子发射光谱仪、原子吸收光谱仪,分光光度计、原子荧光光谱仪、荧光分光光度计、X射线荧光仪、红外光光谱仪、电感耦合等离子体(LCP)光谱仪、拉曼光谱仪等。实验室 应尽量远离化学实验室、以防止酸、碱、腐蚀性 气体等对仪器的损害,远离辐射源;室内应有防尘、防震、防潮等措施。仪器台与窗、墙之间要有一定距离,便于对 仪器的调试和检修。应设计局部排风。使用原 子吸收罩排风较为适宜。

以上实验室,根据实 际需要可设置样品处理室,一般有洗涤台、实验台、通风柜等设备,同化学实验室类似。

4、洁净实验室

主要是 通过人为的手段,应用洁 净技术实现控制室内空气中尘埃、含菌浓度、温湿度与压力、以达到 所要求的洁净度、温湿度 和气流速度等环境参数。空气洁 净度是指洁净空气环境中空气含尘量程度,空气洁 净度的级别以含尘浓度划分。洁净度 是指每升空气中所含粒径≥0.5um的尘粒的总颗粒。我国空 气洁净等级标准分为:100级、1000级、10000级、100000级。国际标准则划分为:1级、2级、3级、4级、5级。洁净室 一般实施两级隔离,一级隔 离通过生物安全柜、负压隔离器、正压防护服、手套、眼罩等实现;二级隔 离通过实验室的建筑、空调净 化和电气控制系统来实现。但由于 净化空调需要风量小为了安全起见,风量都按大的估算,一般都 要超过规范规定,物别是百级以上,冷热负 荷在要求不是很严格的情况可能估算,现在专 门有净化空调机组,可以直接利用。二级~四级生 物安全实验室应实施两级隔离。

5、电子计 算机室和研究室

电子计 算机与我们的生活最为密切,主要考虑空调散热、电源电压等问题。配置的 装备主要是带键盘仪器台。研究所 主要是供研究人员办公的地方,对我们 实验室装备要求较低,在此不多作讲解。

6、辅助实验室:主要有天平室、高温室、纯水室、贮藏室、溶液配制室、暗室等。

①、天平室,分析天 平是化学实验室必备的常用仪器,高精度 天平对环境有一定要求,主要是 气流和风速的影响,天平室 应靠近化学实验室,以方便使用,但不宜 与高温室和有较强电磁干扰的房间相邻。高精度 微量天平宜设在底层。天平室 内不得设置洗涤台或任何管道穿过窒内,以免管 道渗漏影响天平的维护和使用。

②、高温室,高温炉 和恒温箱是常备设备,一般放 置在高温工作台上,但特大 型的恒温箱须落地安置为宜,高温炉 秘恒温箱须分开放置。

③、纯水室,主要是 设计的实验装备有;边台和洗涤台。现代实 验室多使用去离子水、水量大且能保证水质,地面需设地漏。

⑤、溶液配制室,用于配 制各种标准溶液和不同浓度的溶液。在允许的条件下,可由两个房间组成,其一设有天平台。另一间 作配制试剂和存放试剂之用,一般应配置:通风柜、实验台、试剂柜。

⑥、服务供应部分,为基本 实验室和辅助实验室服务的场所,如高压 锅室和水电气辅助室等。我们只需稍作了解。

7、工作程序、流程专业设计;

第一部分为平面设计,甲方(使用方)先拿出 最根本的功能要求、分布方案,乙方(设计院)、丙方(实验室 规划与设计专业公司)与甲方 参与实验室建设设计小组,共同讨论,三方共 同确认后方进入第二程序。因为传 统实验室建筑设计按国家建筑标准,仅是以 外型和室内结构为主,并非以 实验室功能为主,建筑设 计与功能设计脱节。比如广东医学院,合同签 了两年因为现场不符合安装条件,还没有安装;

第二部分为单台功能,单台结构设计,应逐项、逐件、逐层,从整栋大楼、分层、分房间、分单件设计确定,全面细分确认;

第三部分,全部确认后,邀请用 户高层领导参与实验室建设演示会,当场表态决策;由甲方请乙方、丙方的 项目监理严格监督安装、建筑过 程中标准执行情况跟踪实验室建设项目的顺利完工;建设实 验室规划与设计和产品招标分为两部分;招标:A、设计为第一部分;B、产品标准为第二部分;建筑装修、净化、基础装 备分三个专业进行,不可混同、总包,不同专业,分别招标,然后中 标三方紧密配合,装修和净化工程先行,交工验 收后实验室基础配套将进入责任明确阶段,承担责任,全部完 工时集中三家同时验收,基础装 备部分为产品测试标准,测试与 前两项工程不同,有很大 区别不可等同对待。

8、地面、墙壁通风流畅,防止死角,室内四角尽量空闲,易打理,简洁。

三、 单台结 构功能设计系统

不同专 业采用不同实验室专用基础配套装备,系列产 品共分五大部分:A、实验台部分;B、仪器台部分;C、功能柜部分;D、仪器设备部分;E、输出系统部分;

A、实验台部分

1、实验台的分类:

①实验台 按实验室的功能划分为:物理实验台(主要用于电子、电工、物理实验);化学实验台(主要用于有机、无机化学实验);生物实验台(主要用 于净化无菌实验,如简易解剖台、不锈钢操作台等);

②按结构划款式分为:MM(由钢制支撑架、基箱、台面、试剂架、连接件、辅件组成)MR(基箱、台面、试剂架、连接件、辅件组成)。

③按用途可分为:中央实验台、边台实验台、洗涤实验台、试剂架、基箱、实验凳。

2、基箱的分类:

基箱按材质可分为:钢木制基箱、铝木制基箱、全木制基箱。

按制作工艺分为:钢制欧式基箱(即门面板与侧板连接)、钢制美式基箱(即门面 板装嵌在基箱内)

按款式可分为:活动式基箱、落地式基箱、悬挂式基箱。其中活动式基箱、悬挂式基箱用于MM款。落地式基箱用于MR款。钢木制 基箱是我们公司新开发的产品,侧板、门面板为钢制材质,其它如层板、顶板、抽屉底板、维修板均为木制材质,具有安全防火、性价比高、玻璃器 皿放置时不易破碎等优点。全木制 不适于制作悬挂式基箱和洗涤台。

3、台面的分类

在整个 实验室基础装备销售中,台面占总报价1/3的份额,台面的作用可见一斑。 ①按实验 台的功能作用可分为:

化学实验台面:防强酸、强碱、耐高温;耐98%的浓硫酸;表面材 质为酚醛树脂板 物理实验台面:防静电、耐温、抗滑、稳定强;耐28%的硫酸,表面材质为防火板

生物实验台面:防水、防止细菌密度强;表面材质为不锈钢板。 ②按照台 面材质可分为贴面板和实芯板。

B、仪器台部分:承重性、稳定性、抗外干扰、电控要求很高,气体配送严格、安全、可靠、方便、易管理;承重:500Kg以上。主要用 于仪器分析实验室,如光谱、色谱、原子分析实验室等。产品主要有:标准仪器台、光谱仪器台、色谱仪器台、显微镜台、连体仪器台、天平台、电脑台、高温仪器台、教学台

C、功能柜部分:功能柜 部分是前两部分服务、储存,重要功 能部分涉及安全、环保问题;有全木和钢木之分;试剂、药剂、挥发性药品、辐射性药品、剧毒品、易燃培 养等储存功能基本分十三种:

1、一般性能药品柜; 2、挥发性药品储存柜;3、染剂专用柜; 4、防辐射药品柜; 5、易燃品储存柜(防火柜); 6、文件柜(资料柜); 7、更衣柜(刹菌更衣柜); 8、培养柜; 9、标本柜; 10、仪器柜; 11、纯碱柜; 12、硫酸柜; 13、无菌柜。

D、仪器设备部分:

1、通风柜; 2、生物安全柜; 3、超净工作台; 4、器皿清洗机(全自动) 5、剧毒品安全储存柜; 6、智能密集柜; 7、解剖台; 8、取材台; 9、感应功能柜。 10、挥发性药品柜

E、有害气体输出部分。在后面 章节将会详细说明,这里就作不重复。

四、供排水设计系统

供排水 设计系统主要是为前期实验室建筑设计服务。为建筑 设计院提供实验台上下水水点。水嘴分 为急流水嘴和缓流水嘴,单联水嘴(MBs-016)为急流水嘴。一般搭配PP水槽(MBc-032)。双联水嘴(MBs-02)为缓流水嘴,一般搭配PP水槽(MBc-029)规格为。在默认 情况下我们一般给客户配置双联水嘴。三联水嘴(MBc-01)为一急两缓水嘴。一般搭配PP水槽(MBc-029)。大水槽(MBc-031)、通风柜的杯槽(MBc-028)。

五、电控系统

实验室 用电主要包括照明电和动力电两大部分。动力电 主要用于各类仪器设备用电、电梯、空调等的电力供应。实验室 供电系统也是实验室最基本的条件之一。电源插座有:10A、13A、16A、20A;漏电保护开关、过载保护开关等。电源插 座应远离水盆和煤气、氢气等喷嘴口,并不影 响实验台仪器的放置和操作位置。线槽主 要多功能钢线槽(主要用于试剂架上)和PVC线槽配西班插座(主要用 于边台和中央台台面上).

六、特殊气体配送系统

实验室 用气主要有不燃气体(氮气、二氧化碳)、惰性气体(氩气、氦气等)、易燃气体(氢气、一氧化碳);剧毒气体(氟气、氯气);助燃气体(氧气)组成。一般气相室配置氦气(He)、氮气(N2)。气质联 用室配置了氮气、氢气、氧气。氢气管 线上的连接管件都要连接后焊接,严禁有泄漏的可能。所有的 管线在安装完毕后一定要做气密性实验,并在使用前要先除油。由于管道细小,管间距小,安装过 程中可依据现场情况进行调整,保证间距不小于45mm,气瓶装瓶时,易燃易 爆与惰性气体同柜,杜绝两 种易燃气体同瓶装一柜。

七、有害气体输出系统

实验室 内往往存在许多不利于人体健康的化学物质污染源,特别是有害气体,将其排除非常重要。但与此同时,能源往 往会被大量的消耗,因而实 验室的通风控制系统的要求渐高,从早期CV(定风量),2-State(双稳态式),VAV(变风量)系统,到最新 的适应性控制系统——既安全,又要符 合节约能源的需要。总之,实验室 常用排风设备主要有:通风柜、原子吸收罩、万向排气罩、吸顶式排气罩、台上式排气罩等。其中通风柜最为常见。 通风柜 是安全处理有害、有毒气 体或蒸汽的通风设备,作用是用来捕捉、密封和 转移污染物以及有害化学气体,防止逃逸到实验室内,这样通 过吸入工作区域的污染物,使其远离操作者,来达到 吸入接触的最小化。

通风柜 内的气流是通过排风机将实验室内的空气吸进通风柜,将通风 柜内污染的气体稀释并通过排风系统排到户外后,可以达到低浓度扩散;原子吸 收罩主要适用于各类大型精密仪器,要求定位安装,有设定 的通风性能参数,也是整 体实验室规划中必须考虑的因素之一;排气罩 主要适用于化学实验室,在解决 这类实验室的整体通风要求中,它是必 不可少的装备之一。 目前我 们公司主要采用的风机主要有轴流风机(斜流风机、管道风机)、离心风机。

轴流风 机适用于风压小、适用于 管路短的通风系统(一般10米以内,否则易造成抽不动);离心风 机适用于管路长的通风系统(一般10m以外,否则易造成噪音大)。风机的材质:一般分为玻璃钢、PP、PVC、铁皮等,其中玻璃钢较多。风机的型号的选择,是根据 风量和风压来选择的。

1、 风量的计算方法:

根据面 风速来确定排风量(面风速的一般取值为:0.3~0.5 m3/h) 计算公式:G=S•V•h•μ =L•H•3600•μ

其中 G:排风量 S:操作窗开启面积 V:面风速

h: 时间(1小时) L: 通风柜长度 H: 操作窗开启高度 μ: 安全系数(1.1~1.2)

例:1200L的通风 柜其排风量计算如下: G:1.2*0.75/2*0.8*3600*1.2=1555 m3/h 经验值:1200L通风柜排风量一般为1500 m3/h 1500L的通风 柜排风量一般为1800 m3/h 1800L的通风 柜排风量一般为2000 m3/h

注:中央台 上用排风罩排风量的计算方法同通风柜排风量的计算方法 原子吸 收罩排风量的计算方法:

根据罩 口风速来确定排风量(罩口风速的一般取值:1~2 m3/h) 计算公式:G=πR2•V•3600•μ 其中 G:排风量 R:罩口半径 V:罩口风速 μ:安全系数(1.1~1.2)

经验值:一般情 况下原子吸收罩的排风量在500~600 m3/h 整体通 风的排风量计算方法 计算公式:G=V•n•h=L•W•H•n•h 其中 G:排风量 V:房间体积

n:换气次数 (一般取8~12次) h:时间(1小时) 换气次数参考值

实验室 化学 有机合成 有毒实验 P级实验 生物 医药 物理 次 /小时 6-20 15-18 20-30 15-30 5-30 5-10 3-8 2、风压的计算

管线沿程阻力约5Pa/米,弯头阻力为10~30 Pa/个,三通阻力为30~50 Pa/个。 注:所有阻 力之和乘以安全系数(1.1~1.2)即为风压值。

2、 通风管线风量的计算

注:一般情 况下国家标准的风管风速取值范围为V=6~8m/s (公司计 算标准的风管风速取值范围为V=8~12m/s)

计算公式:G=S•V•3600=πR2•V•3600→R=[G/(π•V•3600)]½ 其中 G:排风量(根据上述计算得出) R:风管半径 V:风管风速

注:矩形风 管的尺寸有如下几种固定尺寸:120、150、200、250、300、400、500、630、800、 1000、1200、1400、1600、1800 (如需由 圆形管变为矩形管,设计原则是面积相等)

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