基于EHS理念的化学实验室建设规范的探索和实践

李育佳, 张剑荣, 李 翔, 唐廒庚

(南京大学 化学化工学院, 江苏 南京 210093)

随着我国对教育和科技经费投入的加大,大批新校区、实验室建设和改造项目上马,由于缺乏适应学科特点的行业标准和规范,各单位仅凭着经验或仿照国外的实验室进行规划和建设,往往启用以后存在较多的不足和遗憾；同时,对于现有的高校化学实验室,在安全检查中普遍存在安全设施配备与管理不到位、实验室空间拥挤、环境杂乱安全隐患较多、环保设施缺乏的问题[1],因此,如何建设适用、先进、健康、安全的绿色化学实验室,成为高校目前普遍关注的问题。

环境、安全与健康体系( environment,health & safety,简称为 EHS) 是 20 世纪 70 年代发展起来的关于环境、健康和安全的管理方法,是衡量环保、健康和安全发展指标的管理体系。国外高校利用在企业中广泛应用的EHS管理体系,对实验室进行管理,取得良好的效果[2]。其中硬件条件的建设是EHS的基础和前提[3-4]。南京大学仙林校区化学楼,建筑面积5.6万m2,是主要用于科研的实验大楼。该楼于2015年9月正式启用。笔者根据仙林化学楼建设的经验,对ESH化学实验室的规划和建设进行了探讨。

1 化学实验室建设规划的基本原则

规划和设计是整个建设工作的首要阶段，也是基础阶段,应当充分进行调研、收集各方面的需求信息,进行合理的布局、科学的规划,一旦开工以后无法进行修改。“科学实验建筑设计必须贯彻执行国家现行的有关方针政策和法规,做到技术先进、安全可靠、经济合理、确保质量、节省能源和符合环境保护的要求”[5]。

1.1 合规性

仙林化学楼依据的设计规范多达30多项,涉及结构、给排水、用电、暖通、消防等各个方面。其中的国家标准是强制性标准,在规划设计和建设中必须严格执行,但这些通用性的规范和标准大多是针对民用建筑,化学实验室的特殊要求必须与设计方、建设方充分沟通,加以考虑。

1.2 科学性

(1) 适用性。化学是一门实验科学,实验室作为教学实践和科学研究的主要场所,实验室的内部布局和设置是为实验的需要而配备,首先要考虑其适用性和实用性,应当具有良好的使用功能,便于科研和教学工作的开展。

(2) 可变性。随着高校学科建设和科学研究的发展,科研方向、课题、实验内容都会进行调整,实验室的格局和设备配置等都有可能发生变化,所以要方便将来的改造和变化。

(3) 便于维修。化学实验室配有通风、空调等公共系统,水电配备也较为复杂,在后期会面临较多的维修和保养,应当充分考虑便于将来的维修。

(4) 人性化。实验楼虽然是工作的场所,但应充分体现人性化的设计,多提供可以进行学术交流的场所,例如讨论室、会议室、报告厅；多提供公共服务的空间,如小型的休闲吧、咖啡沙龙,供师生可以在轻松的氛围里进行交流和讨论；多利用玻璃隔断,形成相互可见又相对独立的空间分隔,使人不感到局促压抑。

1.3 绿色环保

(1) 保证安全、利于健康。由于化学实验室储存和使用大量有可能危害健康的化学品,工作环境必须采取必要的保障措施。通风防护是保障安全的首要措施,现代化学实验室大多依靠机械通风设备保证实验室的良好环境。同时,还须配备其他必要的安全防护和应急设施,确保使用者的安全和健康。舒适的环境温度也是良好环境的必要条件。因此既可保持良好通风又能发挥空调作用、同时降低能耗,是暖通设计的最终目标。

(2) 环保节能。由于化学实验室产生污染环境的废水、废气和废渣,必须按照环保法的要求进行处理、排放；化学实验楼须通过环保验收方可启用。此外低能耗也应列入设计要求。

(3) 消防安全。由于化学品的易燃易爆特性,并且在化学实验过程中存在可能的火源,有发生火灾等安全事故的危险,因此化学实验楼的消防安全要求较高,建筑用材包括二次装修的材料,必须使用阻燃或不燃材料。实验室内布局应当符合消防逃生的规范,消防设施必须达到规范要求,满足消防验收的条件。

2 化学实验楼的整体布局规划

2.1 功能区划分

实验建筑的规划应做到布局合理、功能分区明确、安全健康,既联系方便又互不干扰。

2.1.1 实验区与非实验区分离

实验楼里除了实验用房,还有功能性用房、辅助用房、行政用房等。在条件允许的情况下,应当将实验区与非实验区分开,使实验区域中可能产生的有毒有害物质控制在比较小的范围内。

2.1.2 实验区域的垂直布局

实验区域规划时,垂直布局应遵循便于废气的处理排放与稀释,有利于工程管网设置,以及各类功能区相对独立集中布置的原则进行[5-6],具体来说,为了达到良好的通风效果,可将有机实验室、合成实验室放置在通风效果好的顶层,对于通风要求相对较低的分析实验室则可以放在较低楼层。

2.1.3 各种特殊要求的实验室合理排布

(1) 大型仪器设备对于环境的特殊要求,需要进行屏蔽、抗静电、防震、接地等特殊的设计,从承重、防震动干扰等因素考虑,大型仪器应放置在首层(或地下层)；

(2) 特别危险的实验室如加氢实验室、高压实验室,应设置在底层靠外墙部位或楼外独立的平房内,并设立泄爆口。

(3) 对于室内有超高设备(如化工实验室)或有巨大噪声的设备,需要独立的、相对隔离的区域,必要时进行隔音处理。

(4) 化学实验进行中会需要一些小型设备比如红外、紫外、电化学测定仪等,这些小型设备如果放在实验室很容易被腐蚀性气体侵蚀,因此在靠近实验区域的附近还需要规划一些小型的仪器室。

2.2 实验室的内部格局

作为科研实验楼,研究生是实验室工作的主力军,他们工作时间较长、科研压力较大,为学生营造安全、舒适的工作环境尤为重要。仙林化学楼将实验室内部用玻璃隔断分为学生工作区域和实验区域,学生在工作区可以处理数据、查阅文献、撰写论文,同时,可以通过玻璃隔断随时追踪实验进行状况,观察实验区域的各种情况。玻璃隔断阻隔了实验区域有害因素对学生的危害,创造一个相对干净、健康、安全的工作环境。

2.3 实验室空间标准

(1) 开间和进深。若开间、进深太大,使用效率降低、建筑成本升高；太小,则通道过于狭小,操作空间拥挤,实验环境的安全性无法保证。实验室的开间一般不小于6.6 m；仙林化学楼的总进深为11 m,其中实验室区域为7 m。

(2) 建筑层高。由于化学实验需要排布较多的管线,占用大量的顶部空间,因此建筑层高为4.5 m。净高为2.7～2.4 m。走廊净高不低于2.2 m。实验室可以不设置吊顶,不设吊顶时,管材的选择和施工要求都比较高。仙林化学楼考虑到美观、空调节能等因素设置了吊顶,在后期的使用维修中存在一定的问题。

(3) 门。宽度为1.2 m的子母门(便于设备的进出),门上必须留有观察窗,便于安全巡视观察。化学实验室的门一般为外开式,与逃生疏散方向一致。同时,由于通风设备使室内呈负压,外开式门利于门的闭合。

2.4 实验室家具

由于化学实验室内的实验家具常需固定安装并接通水电,因此实验家具需在前期整体考虑。由于与水电、化学物质、仪器等接触,实验家具对结构、材质方面有更高的要求。常分为木质、钢木结构以及钢制家具等,其中以钢木结构性价比最高。仙林化学楼实验室内配备了宽度为1.8 m全钢制通风柜若干,台面为一体成型的陶瓷；钢木结构的中央台,台面为环氧树脂板。此外还配有:

(1) 抽气式钢制药品柜:顶部具有抽气管连在主排风管上,24 h不间断通风,可以有效防止药品柜里气味的扩散,优化实验室内环境。

(2) 防爆药品柜:易燃易爆、易制爆化学品应放置在防爆的药品柜。极少数使用剧毒品的实验室还必须配备保险柜用于存放剧毒品。

(3) 气瓶柜:钢瓶在实验室必须固定放置、使用,因此配备了气瓶柜或气瓶架用于放置钢瓶。

3 化学实验楼的各系统

3.1 通风系统

实验室通风是减少人员暴露在危险空气下,提供安全和舒适的工作环境,保障身体健康的重要手段。许多老旧的化学实验室,由于当时技术水平的限制以及人们安全意识的淡漠,通风效果大多差强人意,成为实验室改造的重点。对于新建化学楼,人们的希望则是所有合成实验都可以在通风柜中进行,因此对于通风柜的需求量较大。如何保证数量众多的通风柜有效地排出有害气体,既不倒灌、又不串味还降低能耗,成为设计的重点。

通风系统一般由通风柜、通风管道、风机、风阀、控制系统等组成。

(1) 通风柜。通风柜是实验操作的场所,柜中的气流是通过排风机将柜体内的有害气体吸入通风管,从而防止有毒有害气体逃逸到实验室内。

(2) 通风管道。由于化学实验室的防火等级较高,常采用不燃的无机玻璃钢作为风管材料,但此材料的手工制作工艺导致产品质量极不稳定,且法兰接头处不易密合,容易出现漏风现象。在消防允许的情况下建议使用具有阻燃性的pp材料或硬聚酯乙烯材料。

(3) 风机。风机是通风系统的动力中心,由于化学实验室的空气中含有腐蚀性的气体,因此需采用耐腐蚀的玻璃钢材质,风机型号根据风量和风压来选择。玻璃钢离心风机放置在屋顶,通过风管井进行抽风、屋顶排放废气。变频风机可以随着通风柜使用的数量多少自动调整风机转速从而降低能耗。

(4) 控制系统。由于化学楼的通风柜数量较多(900多个)为了使通风柜满足变风量、面风速恒定的要求,并达到节能的目的,采用了变频、变风量通风控制系统(VAV控制系统,variable air volume)。其工作原理为:多个通风柜共用一台风机,减少了风管的数量；采用变频控制技术,根据通风柜的使用量、通风主管道压力产生变化自动调节风机的转速,从而达到节能的目的。为了确保通风柜有害气体全部排出、防止溢散,通风柜的面风速需恒定,通过用风速传感器和红外探测器测得的面风速与设定值比较,调节风管上的变风量控制阀,从而调整排风量、保证移门处的入口面风速恒定。 VAV系统适用于通风柜数量多的大系统,具有高效、节能、延长风机寿命、提高风机运行质量的优点[7-8]。

3.2 新风系统和空调系统

(1) 新风系统。对于通风柜较多的实验室,应合理补新风以避免出现室内负压过大、门窗开启困难的问题。可以利用新风机组进行机械补新风,但一次性投入较大、后期运行成本较高。我们采用的是无动力补新风的方式,利用风机抽力在室内产生的负压,通过设置好的进风口进行补风,补充的空气用滤网进行简单的净化,当室内外温差较大时,补入的空气通过盘管进行冷热交换,这样既可以达到增加舒适度、减低能耗的目的,也可以减少前期投入。

(2) 空调系统。由于实验室面积较大、且通风设备较多,为提高热效率, 空调系统采取的是螺杆水机组的空调,学生休息区和教师办公室采用VRV空调系统(变制冷剂流量多联式空调系统)。

3.3 给排水系统(纯水系统)

(1) 大楼的供水系统用于供实验室用水、生活用水以及消防用水。另设置大型的去离子水装置,集中供应去离子水到每间实验室。

(2) 排水系统将实验室污水与生活污水、雨水分开,实验室污水进入污水处理池,其他污水排入管网。

(3) 化学楼的排水管道需特殊处理,由于排水中含有酸碱以及有机物,化学实验室的下水管道很易腐蚀、堵塞,选材时应充分考虑防腐及耐有机溶剂的侵蚀,我们采用无缝钢管内衬环氧树脂的方式,接头处也做了相应的处理。

3.4 供电系统

(1) 用电量的配置方面需要有前瞻性,必须预留足够大的富余量以备将来的发展所需。

(2) 实验室需设三相交流电和单相交流电,并设置足够数量的插座,且需要加装漏电保护装置,大功率设备需单独线路。

(3) 对于需要不间断供电的大型仪器、机房,需配备稳压的UPS不间断电源,对于需要持续不间断供电的设备和场所,可以配备柴油机组发电。

(4) 为便于改造和维修,实验室的水电管线排布走向应清楚(或者进行明排即不埋设在墙体或地面内)；水电总管尽量少穿楼板,同层的问题在当层就能解决。也可以通过功能柱和桥架进行走线和供电。

3.5 环保系统

(1) 废气的净化。一般采用酸雾净化塔将废气中的酸性物质用碱液中和,用吸附装置中的多孔材料如活性炭等将废气中的有机物质吸附,吸附剂在使用中要定期更换,且吸附剂会增加气流的阻力,须增大风机功率。还有通过光催化的方式降解有害物质,但其有效性和稳定性有待进一步验定。科研实验室排放的废气组成复杂、但含量极低,目前常见的净化方式并不能有效地去除所有的有害物质,国外科研实验室有采取加压高空排放的方式,通过高空排放、进一步稀释有害物质,使其浓度降到对人体无害的程度。但国内的环保规定并不允许采用这种方式[9-10]。

(2) 废水的处理。由于严禁向下水道倾倒化学品,因此废水主要指洗涤盛装化学物质器皿时的洗涤水。一般通过静置沉降去除悬浮物,通过酸碱中和调节pH值,加入絮凝剂沉淀部分金属离子和胶体物质,生物法去除其中的有机物质使COD(化学需氧量,chemical oxygen demand)指标达标。实际使用证明,由于不得向下水道倾倒实验废液和化学品,同时采用循环冷凝系统减少了冷凝水的排放,污水处理池的实际处理量远比设计量小,可以将有排污的实验楼合并使用污水处理池,以降低建设和使用成本。

(3) 实验室废液和固体废弃物。根据环保要求,实验室产生的固体废弃物(实验垃圾)不得与生活垃圾混合,因此实验室应配有专门的实验垃圾箱。同时,应当要有化学废物的暂存场所,定期交由专业公司处理。由于危险物存放建筑在消防、安全方面的要求比较高,我校目前采用暂存柜的方式用于临时存放化学废弃物。

3.6 供气系统

(1) 全楼集中供氮气和压缩空气减少了气瓶的使用。在通风柜边上设有可接气瓶的管线,需要时可为通风柜的反应系统提供所需气体。

(2) 实验室内的气瓶应用气瓶架或铁链条固定。

(3) 实验室内有氢气等危险气瓶,应装有气体报警装置。

4 安全防护与应急措施

4.1 消防系统和消防配备

(1) 化学实验室应配有烟感火警探头,与火警系统相连,配有声光报警,遇有火情可及时发现施救。化学实验室、仪器室内一般不设自动水喷淋的装置[11]。

(2) 应当配备灭火器、灭火毯、沙箱等可处理小火情的应急设施[12]。

4.2 应急设施配备

(1) 洗眼器和紧急冲淋。近实验室的公共走道处或其他明显的位置应设置紧急喷淋设备,实验人员一旦被药品污染或遇其他突发状况时,能及时进行喷淋救护。仙林化学楼在实验室设置了应急洗眼器,在卫生间附近设置应急喷淋器。

(2) 急救箱。配备常用的烫伤药膏、创可贴、碘酊、酒精、棉签、纱布等。

4.3 地漏

对于用水较多的化学实验室来说,跑水的事故常有发生,因此地漏的设计不可忽视,同时为了防止下水管中异味的溢出,应采用具有S弯的地漏(防臭地漏)。

4.4 安全警示

化学实验室必须张贴安全警示,比如:毒物和腐蚀的警告,以及“必须佩带防护眼镜、不得进食”等提示。具有放射性物质和设备的场所,必须有放射性警告标识。二级以上生物安全防护实验室必须有生物危险标志。同时,在实验室张贴有紧急逃生图。

5 结语

EHS管理体系的目的就是保护环境,改进工作场所的健康性和安全性,改善劳动条件。建设健康、安全、舒适、环保的EHS化学实验室,是营造良好的实验室环境、保证师生的身心安全和健康的基础和前提,也是教学科研工作顺利开展的有力保障。