大型环境实验室建设研究

赖煜东

（宜昌测试技术研究所，宜昌 443000）

引言

环境试验是指为提高和验证产品环境适应能力而开展的一系列试验，环境实验室是开展环境试验的主要场所。随着近些年对产品质量和环境模拟技术的日益重视，环境试验行业得到了快速发展，各类环境实验室也越来越多。与普通厂房相比，环境实验室通常具有以下特点：①环境条件要求多样，不同试验项目对环境要求不尽相同，部分条件差别较大；②空间格局要求多样，不同类型试验样品对实验室空间要求存在差别；③试验设备体积大、重量大、固定安装，且部分需要专门建设地基，无法轻易移动；④涉及的冷却塔、风机、液压油源、储气罐等外围辅助设施多。这些特点决定了环境实验室建设比普通厂房相对复杂，充分、合理的分析与设计对实验室建设至关重要。笔者结合自身的经验，对环境实验室建设提出了一些个人的看法。

1 实验室选址

选址即为确定实验室坐落的区域和具体位置。实验室选址是一项高度科学、影响深远的工作，必须综合考虑各种因素，确定最佳方案[1]。若在实验室建设后发现选址错误，则损失难以挽回。应根据企业经营战略，确定实验室建设规模和业务范围，进而确定实验室所需场地面积、房屋类型、人员配置和设备配置等内容，并对选址提出具体要求。实验室建设地点既要利于自身业务开展，又不易受到外界环境的干扰，同时应尽量减小实验室对环境的不利影响。主要考虑以下方面：

1）选址区域

为便于业务开展，实验室应选择建设在交通便捷、基础设施完善、目标客户和配套单位相对集中的区域。大部分实验室通常建设在城市工业园区，既便于与试验客户的交流协作，也可有效支持实验室运行过程中的各项需求。实验室应尽量远离铁路、地铁、机场、高压输变电站等场所，避免对实验室造成不利影响。同时，实验室应尽量远离居民区，避免试验中的振动、噪声对周边居民造成影响。

2）场地要求

许多工业园都是由农田改建而来的，其土质较软易下陷，实验室应选择地质结构稳定、承载力较好、地势较高、远离山体的场地。力学试验设备在工作时会对地基造成振动、冲击等影响，若地质承载力不足将引起地面的坍塌和下陷，进而导致实验室其它设备的变形、断裂等。振动台、离心机、步入式试验箱等设备通常为下沉式安装，若实验室地势过低，一旦遭遇暴雨引起雨水倒灌，则将造成重大损失。

2 建筑设计

建筑设计是实验室建设中最关键的任务之一，一旦实验室建筑设计确定了，设备设施布局、样品运转路线和人员活动区域等也就基本确定了，想在建设完成后再调整将非常困难。良好的建筑设计利于实验室管理和运行，不合理的设计则可能给实验室工作带来各种不便。由于不同环境试验项目对建筑条件要求各不相同，导致实验室建筑设计比普通厂房更加复杂。在建筑设计之前，应充分调研各试验项目对环境条件的需求，将同类型条件进行整合, 并将相互有影响的分开，为实验室建筑设计提供技术输入。

根据所施加应力的类型不同，环境试验大体上可分为气候环境试验、机械环境试验、生物环境试验、化学环境试验、综合环境试验五类，这些类型试验所需的环境条件各不相同，具体见表1。

由表1可以看出，实验室大部分试验项目所需空间应为开阔、高大的厂房，同时也需要一些楼房以满足部分试验项目的独立空间需求。为便于工作开展，实验室整体建议采用厂房加楼房的形式，厂房部分用于建设气候环境试验、机械环境试验、综合环境试验等条件，楼房部分用于建设生物环境试验等有独立空间需求的试验条件，同时也用作办公、接待、休息等场所。

表1 各类试验环境条件一览表

在明确设计输入后，实验室除应满足相关建筑设计规范以外，还应重点关注以下几方面：

1）在建筑设计的同时，实验室应提前对拟建的试验条件进行布置规划，确保建筑与试验设备相互间匹配。实验室大体可分为试验区和非试验区两部分，试验区用于布置各类试验设备、设施，是开展试验业务的主要场所；非试验区包括办公区域、接待区域、休息区域等，支持实验室运行过程中的各项管理、保障工作。试验区和非试验区不应距离过远，便于试验开展和实验室集中管理。

2）振动台、冲击台等力学试验设备工作时会对地面和整个厂房造成振动等有害影响，严重时可能引起建筑共振，甚至导致坍塌。因此实验室厂房地基必须比普通厂房更牢靠，除了增加地桩外，还需要建设隔振带，防止振动传递到整个房屋。为减少厂房中的大型设备运行时对楼房的影响，实验室厂房部分与楼房部分在结构上建议不直接相连，可采用连廊将两部分联系起来，形成实验室整体。

3）实验室应根据试验项目类型的不同，将试验区分为温湿度试验区、振动试验区、综合试验区、霉菌试验区、盐雾试验区等若干部分，不同区域按标准做好地面标识，便于分区管理。试验区内应规划调试区、转运区，便于试验中的样品调试与转运。试验区应设置现场办公室和休息室，以便试验人员现场办公与休息。各区域规划应科学、合理，人员动线与物流路线不应有过多交叉，确保试验产品流转便捷、人员活动顺畅。

4）实验室部分辅助设施如冷却水塔、冷却风机、储气罐要求放置于室外，在建筑设计时应在实验室外围预留放置辅助设施的相应空间。

5）考虑到环境试验周期长，试验过程需要值班的特点，实验室应建设值班人员休息场所，并配备基础生活设施，有条件的还可建设相应运动、休闲场所。

3 基础设施建设

3.1 电力系统设计

实验室电力系统设计的最基本要求是要符合GB 50052-2009《供配电系统设计规范》，在保证电力系统的供电质量、供电效率以及人身安全、设备安全的情况下，根据实验室当前及未来发展的用电需求，合理进行电力系统设计。[2]实验室设备设施用电多为AC220/380V，50 Hz，三相四线制配电。由市政引入的10 kV高压电源经园区变配电所降压为380 V，再引入实验室配电室。实验室试验设备多为大功率设备，单台设备最大功率可达数百kVA，部分超大型步入式试验箱甚至可达上千KVA。为确保实验室运行稳定、可靠，电力系统设计尤为重要。

3.1.1 电力容量计算

实验室电力容量应保证所有设备正常运行时电力供应充足。实验室应根据规划建设的各试验设备、辅助设施、办公设施以及试验样品的用电功率计算总电力容量，同时还应预留一定余量。由于设备处于不同工况时用电功率不同，且大部分情况下实验室试验设备不会全部同时运行，因此实验室电力容量往往无法精确计算。一种常用的做法是将所有设备设施的最大用电功率相加，再乘以系数0.4～0.5，得到实验室所需的总电力容量。

以笔者所在实验室为例，实验室主要设备设施用电功率情况如表2所示，由表中可得实验室最大用电功率约为2 470 kVA，乘以系数0.5为1235 kVA。实验室现有电力由一台1 250 kVA的变压器提供，在实际运行过程中电力供应稳定，未出现容量不足情况。

表2 实验室主要设备设施用电功率一览表

3.1.2 电力系统建设

实验室电力系统建设除满足供配电系统设计规范的要求外，还应特别关注以下几个方面。

1）配电室

实验室应建设独立的配电室，用于控制整个实验室的电力。配电室应尽量接近园区变配电所和实验室负荷中心，便于配电室进出线；同时应远离高温、剧烈振动、粉尘、积水场所，必要时还可在配电室内安装空调控制环境温度。配电室的尺寸应与用电负荷大小相适应，便于配电柜的操作、巡视和检修，并考虑未来电力增容的需要。

2）电缆

电缆的选择是电力系统建设的关键步骤，应依据各用电设备的负荷大小、电压等级确定电缆的额定电流与耐压等级，同时还要考虑电缆敷设方式、供电距离引起的压降以及现场温度等因素，确定电缆的导体材料、芯数、绝缘材料、截面积等参数。[3]电缆选定后必须对进行校验，若不满足要求则须重新选择。为便于工作开展，实验室电缆通常采用桥架与线槽方式敷设。对于固定安装设备通常选择塑套电缆，对于移动设备则通常选择橡套电缆。

3）配电箱

由配电室引出的电力通过电缆连接至各配电箱，配电箱布置应尽量靠近用电设备，便于使用控制。配电箱内空开配置应根据用电设备实际需求确定，既要满足试验设备，也要考虑辅助设施、试验样品、测试桌等用电需求。对于大功率用电设备，应为其配备独立的配电箱。

3.2 冷却系统设计

实验室大多数试验设备工作时都需要散热降温，目前常用的冷却方式主要是强迫风冷和水冷两种方式。强迫风冷方式设计简单、使用方便，但由于空气比热容小，冷却能力较差，一般适用于发热量少的小型设备。水冷方式冷却效果好，中大型设备多采用水冷方式散热，需建设配套冷却系统。冷却系统主要包括冷却塔、循环水泵、循环管路三部分。

3.2.1 冷却塔

根据结构不同，冷却塔大体可分为闭式和开式两类。闭式冷却塔具有内、外两个相互独立的循环水回路，其中内循环回路用于试验设备冷却，该回路中的水不直接与空气接触；外循环回路用于冷却内循环水，通过空气流动和喷淋水实现与内循环水的热交换。开式冷却塔仅具有一个循环水回路，回路中的水与空气直接接触，通过水蒸发散热。与开式冷却塔相比，闭式冷却塔具有以下优点：

1）设备冷却水处于封闭的内循环回路中，水质不易受污染，长期使用管壁不易结垢，散热效率高，使用寿命长；

2）外循环回路结构简单，安装方便，便于冷却塔后期维护及清洗；

3）无需建设配套蓄水池，仅需采用模块化水箱储水，整体占地面积小；

4）多数具有自动控制模式，可根据内循环水温自动控制散热风机启停，节能效果好；

5）开式冷却塔需建设配套蓄水池，闭式冷却塔整体成本相对较低。

综合以上特点，目前大多数实验室冷却系统均采用闭式冷却塔方式。闭式冷却塔为成熟货架产品，实验室可根据实际需求选购满足要求的产品，应主要考虑以下三个因素：

1）流量

冷却塔通常需要满足多台试验设备同时运行的冷却需求，因此冷却塔流量应大于各设备冷却水流量需求之和。此外，应预留一定余量以满足后续其它建设可能的冷却需求，通常在设备需求总流量基础上乘以余量系数1.2[4]。

2）冷却温差

多数试验设备正常工作冷却水温要求为5～30 ℃，经设备散热器热交换后的水温通常≤35 ℃，因此一般选择冷却温差为5 ℃的冷却塔即可满足要求。对于地处高温地区的实验室或发热量特别大的设备，则可将此项指标提高至10 ℃、15 ℃等。

3）冬季防冻

我国华北、东北等地区冬季气温通常低于0 ℃，地处低温地区的实验室还应考虑冷却塔冬季防冻问题。可用防冻液代替内循环回路中的水，并在外循环回路中安装程控加热电阻丝，以确保冷却塔在冬季气温低于0 ℃时正常运行[4]。

3.2.2 循环水泵

循环水泵用于将内循环水箱中的水输送至循环水管路中，为冷却水循环提供动力。由于环境试验通常连续开展、周期较长，故应选用可长时间连续运行的水泵，且至少应配备两台实现交替使用。两台水泵可选择同型号产品，通过变频器实现流量、压力控制；也可选择一大一小两种型号产品，根据具体流量需求启用不同水泵。

循环水泵的选用主要应考虑扬程和流量两个指标。试验设备冷却水压力通常要求为0.2～0.4 Mpa，最大压力一般不超过0.7 Mpa。实验室可选用扬程为70 m的冷却水泵，理想情况下水泵出水口压力约为0.7 Mpa，考虑管路压力损失等因素，主水管实际压力将小于理想值，可满足设备使用要求。水泵的流量应能够满足实验室各设备冷却水流量需求，并与水塔流量匹配，通常以水塔流量的一半为基准确定水泵流量。

3.2.3 循环管路

实验室水管通常可选用镀锌钢管、PPR管、PE管等几种。PPR管与PE管通常具有重量轻、连接方便、不易结垢、抗腐蚀性强、使用寿命长等优点，但强度、耐压性相对镀锌钢管较差，容易损坏。镀锌钢管强度大、耐压性好，但长期使用可能引起管道内壁生锈，污染水质。实验室应根据自身需要选择合适的管材。考虑到实验室环境复杂，人员、物品流转频繁，为防止试验过程中的磕碰造成水管破裂，通常选用镀锌钢管，镀锌钢管生锈问题可以通过增加过滤器、净水器、软水器来解决。

循环管路从循环水泵引出，流经实验室各设备，最后回到冷却塔。循环管路布局应与各用水设备安装位置匹配，在规划设备安装场地时也需要提前考虑水管布置是否方便。为减小管道压力损失，水管应尽量平直，避免过多弯头。主水管通常选用DN100镀锌钢管，分水管规格与所连接试验设备相匹配，通常为DN40或DN50。分水管上相应位置安装阀门控制水流通断，安装过滤器滤除管路中的颗粒杂质，安装压力表和温度表监控水的压力和温度。管道上应按GB 7231-2003《工业管道的基本识别色、识别符号和安全标识》的要求做好管道颜色、介质名称、流向等标识。

3.3 环境控制

3.3.1 温湿度控制

认可准则、试验标准对实验室环境温度、湿度、气压等有明确要求，实验室应采取有效的措施对环境条件进行控制。考虑到我国除少部分高原地区外气压差别不大，实验室应重点做好试验区温度、湿度控制。

对于大空间厂房，不同区域对温湿度的要求也不尽相同，一般采用中央空调系统实现对厂房温湿度的分区控制，中央空调可与试验设备共用冷却水塔。对于独立空间的试验区，则可单独安装空调柜机实现温湿度控制。如果实验室涉及内燃机、汽车等有尾气排放的试验样品，则还应考虑安装新风系统。有条件的实验室还可建设温湿度智能测控系统，通过分布式的传感器采集环境温湿度数据并传输到计算机终端，从而在计算机上实现实验室各区域环境温湿度的显示、存储及控制[5]。

3.3.2 照明

实验室厂房通常为层高超过10 m的单层建筑，内部空间较大，照明设计既要满足厂房的实际需求，又要考虑节能环保。应依据GB 50034-2019《建筑照明设计标准》，结合实验室不同区域的照明需求进行分区，确定实验室内各区域照度、功率密度、灯具类型、灯具布局等。LED灯具有能耗低、使用寿命长、反应时间短、环境污染小等优点，广泛用于实验室照明。对于实验室内灯具布局，则可采用DIALux灯光照明设计软件进行模拟。应在实验室配电房中为照明系统配置独立配电箱或开关，并与设备动力电分开，避免因设备空开跳闸影响照明。各照明区域也应设置独立的开关，可单独完成相应区域的照明控制。有条件的实验室还可考虑建设智能照明系统，利用照度传感器、红外传感器、智能开关等设备，实现照明分区、分时、分度自动控制[6]。

对于应急照明系统的设计，则应依据GB 50016-2006《建筑设计防火规范》相关要求，结合实验室房屋结构、平面布置等因素确定。

3.3.3 减振降噪

噪声是环境实验室最主要的职业危害因素。实验室噪声主要来源于各类机电设备的旋转、振动、摩擦等，具有声源多、声强大、频段宽、穿透性强、传播距离远等特点。人长期处于75 dB以上的环境中将会头晕恶心、注意力不集中、记忆力下降，大幅降低工作效率，甚至引发工伤事故。实验室各类设备设施及房屋受振动影响也可能出现疲劳、裂纹、断裂等损伤。因此，减振降噪是环境实验室建设中必须关注的问题，主要可从声源、声传播途径及人员防护三方面考虑。

1）实验室建筑地基周围应建设隔振带，减少振动效应传播。实验室应将产生强噪声的设备远离办公区域及周边居民区，有必要时在实验室四周建设隔音墙。在实验室主体结构建设完成后，应对厂房顶部和墙面进行隔音、吸音处理，如安装隔音棉、隔音板、隔音门窗等。一种比较有效措施是安装穿孔吸音石膏板，吸音降噪效果好、安装简易、成本较低。

2）在设备选型时应满足相应噪声指标要求，通常要求在距设备1 m处噪声声压级≤85 dB。设备应采取相应减振降噪措施，如试验箱低温管路采用减振工艺管，制冷机组采用减振弹簧和减振垫，机械室内壁敷设隔音棉；振动台地基周围挖掘隔振沟，机电部件采用减振平台、减振架等。对于空压机、风机、振动台等主要噪声源可为其安装专用隔音罩，隔音罩应根据各噪声源的外形尺寸、通风散热要求以及现场空间大小确定，以确保较好的隔音效果。

3）相关数据表明，适宜的耳罩或耳塞能够降低20～40 dB的噪音[7]。实验室应为工作人员配备隔音耳罩、耳塞等劳保用品，减小噪声对人员的伤害。同时应定期组织员工进行听力检查，发现听力损伤时应调离相应岗位。

4 信息管理系统建设

随着实验室管理要求的提高以及工业数字化的推进，传统的人工管理模式已经越来越无法适应当前环境实验室的发展需求，信息管理系统已成为实验室的标配。实验室信息管理系统（LIMS，Laboratory Information Management System）是一套能够实现试验任务管理、过程控制、数据采集和处理以及体系管理等功能的计算机系统。它采用信息化的管理手段对实验室的人、机、料、法、环等要素进行全面管理，可有效提高实验室运行效率和管理水平。在实验室建设中，信息管理系统应与建筑同规划、同设计、同建设、同运行，以实现信息管理系统与实验室的有效融合。

不同专业的实验室采用的信息管理系统各有差别，环境实验室信息管理系统应具备以下主要功能：

1）任务管理：能够实现试验任务的创建、下发、接收、分解、监控及归档，并可对试验任务进行总览，便于有效掌握实验室业务开展整体情况。

2）试验过程管理：可对试验策划、准备、实施、结束等全流程进行管理，并将各阶段产生的数据按照要求存储，实现试验过程的信息化管理。

3）设备监控：能够与实验室各类试验设备连接，实现设备的实时监控、集中控制和数据的实时采集，必要时还可通过手机APP等方式实现设备远程监控。

4）资源管理：可建立人员、设备、场地等资源的台账，实现资源统一管理。如对人员的日常考勤、工作量、培训学习、业绩考核等管理，对仪器设备的维护、校准、维修、期间核查等管理。

5）数据管理：能够将实验室运行中采集到的数据进行显示、分析、处理及存储，为实验室的运行与改进提供数据支撑。

6）文档管理：可提供实验室运行所需的各类标准规范、技术资料、设备手册、试验程序及实验室体系文件等文档，可在系统中集中管理、随时查阅。

7）设备故障管理：为积累故障现象，进而提炼故障模式，帮助试验人员更快地排除故障，系统能够实现试验过程中的故障信息、故障解决方案管理，形成故障决策库。

8）体系管理：可根据管理体系各要素的要求设置相应的功能模块，模块中具体工作可与相关人员关联，并具备定时提醒功能，确保各项体系工作按时开展。

9）系统管理：系统具有统一的访问入口，并可为不同部门、角色设置不同的权限，实现功能自定义。如果实验室有其它软件系统，还应考虑与其它系统的软件接口适配问题。

除此之外，由于实验室的组织架构、管理体系以及业务流程并非一成不变的，实验室信息管理系统还应考虑软件功能的更新与扩展问题。[8]目前，市场上已有多个成熟的实验室信息管理系统，功能基本覆盖环境实验室的各项要求，各实验室可根据自身需求选用满足要求的产品。

5 结语

大型环境实验室的建设是一项系统工程，涉及多个专业的协作与配合，设计与建造难度较大。[9]我国大型环境实验室建设起步相对较晚，其中还有许多实验室是由普通厂房改建而来，并不能很好满足环境实验室的各方面要求，我国的环境实验室的设计与建设技术还有较大提升空间。本文对大型环境实验室建设的各个步骤进行了简要说明，对需要重点关注的地方进行了详细介绍，以期对实验室设计与建设有所帮助。