基于EHS理念的化學實驗室建設規范的探索和實踐

李育佳, 張劍榮, 李 翔, 唐廒庚

(南京大學 化學化工學院, 江蘇 南京 210093)

隨著我國對教育和科技經費投入的加大,大批新校區、實驗室建設和改造項目上馬,由于缺乏適應學科特點的行業標準和規范,各單位僅憑著經驗或仿照國外的實驗室進行規劃和建設,往往啟用以后存在較多的不足和遺憾；同時,對于現有的高校化學實驗室,在安全檢查中普遍存在安全設施配備與管理不到位、實驗室空間擁擠、環境雜亂安全隱患較多、環保設施缺乏的問題[1],因此,如何建設適用、先進、健康、安全的綠色化學實驗室,成為高校目前普遍關注的問題。

環境、安全與健康體系( environment,health & safety,簡稱為 EHS) 是 20 世紀 70 年代發展起來的關于環境、健康和安全的管理方法,是衡量環保、健康和安全發展指標的管理體系。國外高校利用在企業中廣泛應用的EHS管理體系,對實驗室進行管理,取得良好的效果[2]。其中硬件條件的建設是EHS的基礎和前提[3-4]。南京大學仙林校區化學樓,建筑面積5.6萬m2,是主要用于科研的實驗大樓。該樓于2015年9月正式啟用。筆者根據仙林化學樓建設的經驗,對ESH化學實驗室的規劃和建設進行了探討。

1 化學實驗室建設規劃的基本原則

規劃和設計是整個建設工作的首要階段，也是基礎階段,應當充分進行調研、收集各方面的需求信息,進行合理的布局、科學的規劃,一旦開工以后無法進行修改。“科學實驗建筑設計必須貫徹執行國家現行的有關方針政策和法規,做到技術先進、安全可靠、經濟合理、確保質量、節省能源和符合環境保護的要求”[5]。

1.1 合規性

仙林化學樓依據的設計規范多達30多項,涉及結構、給排水、用電、暖通、消防等各個方面。其中的國家標準是強制性標準,在規劃設計和建設中必須嚴格執行,但這些通用性的規范和標準大多是針對民用建筑,化學實驗室的特殊要求必須與設計方、建設方充分溝通,加以考慮。

1.2 科學性

(1) 適用性。化學是一門實驗科學,實驗室作為教學實踐和科學研究的主要場所,實驗室的內部布局和設置是為實驗的需要而配備,首先要考慮其適用性和實用性,應當具有良好的使用功能,便于科研和教學工作的開展。

(2) 可變性。隨著高校學科建設和科學研究的發展,科研方向、課題、實驗內容都會進行調整,實驗室的格局和設備配置等都有可能發生變化,所以要方便將來的改造和變化。

(3) 便于維修。化學實驗室配有通風、空調等公共系統,水電配備也較為復雜,在后期會面臨較多的維修和保養,應當充分考慮便于將來的維修。

(4) 人性化。實驗樓雖然是工作的場所,但應充分體現人性化的設計,多提供可以進行學術交流的場所,例如討論室、會議室、報告廳；多提供公共服務的空間,如小型的休閑吧、咖啡沙龍,供師生可以在輕松的氛圍里進行交流和討論；多利用玻璃隔斷,形成相互可見又相對獨立的空間分隔,使人不感到局促壓抑。

1.3 綠色環保

(1) 保證安全、利于健康。由于化學實驗室儲存和使用大量有可能危害健康的化學品,工作環境必須采取必要的保障措施。通風防護是保障安全的首要措施,現代化學實驗室大多依靠機械通風設備保證實驗室的良好環境。同時,還須配備其他必要的安全防護和應急設施,確保使用者的安全和健康。舒適的環境溫度也是良好環境的必要條件。因此既可保持良好通風又能發揮空調作用、同時降低能耗,是暖通設計的最終目標。

(2) 環保節能。由于化學實驗室產生污染環境的廢水、廢氣和廢渣,必須按照環保法的要求進行處理、排放；化學實驗樓須通過環保驗收方可啟用。此外低能耗也應列入設計要求。

(3) 消防安全。由于化學品的易燃易爆特性,并且在化學實驗過程中存在可能的火源,有發生火災等安全事故的危險,因此化學實驗樓的消防安全要求較高,建筑用材包括二次裝修的材料,必須使用阻燃或不燃材料。實驗室內布局應當符合消防逃生的規范,消防設施必須達到規范要求,滿足消防驗收的條件。

2 化學實驗樓的整體布局規劃

2.1 功能區劃分

實驗建筑的規劃應做到布局合理、功能分區明確、安全健康,既聯系方便又互不干擾。

2.1.1 實驗區與非實驗區分離

實驗樓里除了實驗用房,還有功能性用房、輔助用房、行政用房等。在條件允許的情況下,應當將實驗區與非實驗區分開,使實驗區域中可能產生的有毒有害物質控制在比較小的范圍內。

2.1.2 實驗區域的垂直布局

實驗區域規劃時,垂直布局應遵循便于廢氣的處理排放與稀釋,有利于工程管網設置,以及各類功能區相對獨立集中布置的原則進行[5-6],具體來說,為了達到良好的通風效果,可將有機實驗室、合成實驗室放置在通風效果好的頂層,對于通風要求相對較低的分析實驗室則可以放在較低樓層。

2.1.3 各種特殊要求的實驗室合理排布

(1) 大型儀器設備對于環境的特殊要求,需要進行屏蔽、抗靜電、防震、接地等特殊的設計,從承重、防震動干擾等因素考慮,大型儀器應放置在首層(或地下層)；

(2) 特別危險的實驗室如加氫實驗室、高壓實驗室,應設置在底層靠外墻部位或樓外獨立的平房內,并設立泄爆口。

(3) 對于室內有超高設備(如化工實驗室)或有巨大噪聲的設備,需要獨立的、相對隔離的區域,必要時進行隔音處理。

(4) 化學實驗進行中會需要一些小型設備比如紅外、紫外、電化學測定儀等,這些小型設備如果放在實驗室很容易被腐蝕性氣體侵蝕,因此在靠近實驗區域的附近還需要規劃一些小型的儀器室。

2.2 實驗室的內部格局

作為科研實驗樓,研究生是實驗室工作的主力軍,他們工作時間較長、科研壓力較大,為學生營造安全、舒適的工作環境尤為重要。仙林化學樓將實驗室內部用玻璃隔斷分為學生工作區域和實驗區域,學生在工作區可以處理數據、查閱文獻、撰寫論文,同時,可以通過玻璃隔斷隨時追蹤實驗進行狀況,觀察實驗區域的各種情況。玻璃隔斷阻隔了實驗區域有害因素對學生的危害,創造一個相對干凈、健康、安全的工作環境。

2.3 實驗室空間標準

(1) 開間和進深。若開間、進深太大,使用效率降低、建筑成本升高；太小,則通道過于狹小,操作空間擁擠,實驗環境的安全性無法保證。實驗室的開間一般不小于6.6 m；仙林化學樓的總進深為11 m,其中實驗室區域為7 m。

(2) 建筑層高。由于化學實驗需要排布較多的管線,占用大量的頂部空間,因此建筑層高為4.5 m。凈高為2.7～2.4 m。走廊凈高不低于2.2 m。實驗室可以不設置吊頂,不設吊頂時,管材的選擇和施工要求都比較高。仙林化學樓考慮到美觀、空調節能等因素設置了吊頂,在后期的使用維修中存在一定的問題。

(3) 門。寬度為1.2 m的子母門(便于設備的進出),門上必須留有觀察窗,便于安全巡視觀察。化學實驗室的門一般為外開式,與逃生疏散方向一致。同時,由于通風設備使室內呈負壓,外開式門利于門的閉合。

2.4 實驗室家具

由于化學實驗室內的實驗家具常需固定安裝并接通水電,因此實驗家具需在前期整體考慮。由于與水電、化學物質、儀器等接觸,實驗家具對結構、材質方面有更高的要求。常分為木質、鋼木結構以及鋼制家具等,其中以鋼木結構性價比最高。仙林化學樓實驗室內配備了寬度為1.8 m全鋼制通風柜若干,臺面為一體成型的陶瓷；鋼木結構的中央臺,臺面為環氧樹脂板。此外還配有:

(1) 抽氣式鋼制藥品柜:頂部具有抽氣管連在主排風管上,24 h不間斷通風,可以有效防止藥品柜里氣味的擴散,優化實驗室內環境。

(2) 防爆藥品柜:易燃易爆、易制爆化學品應放置在防爆的藥品柜。極少數使用劇毒品的實驗室還必須配備保險柜用于存放劇毒品。

(3) 氣瓶柜:鋼瓶在實驗室必須固定放置、使用,因此配備了氣瓶柜或氣瓶架用于放置鋼瓶。

3 化學實驗樓的各系統

3.1 通風系統

實驗室通風是減少人員暴露在危險空氣下,提供安全和舒適的工作環境,保障身體健康的重要手段。許多老舊的化學實驗室,由于當時技術水平的限制以及人們安全意識的淡漠,通風效果大多差強人意,成為實驗室改造的重點。對于新建化學樓,人們的希望則是所有合成實驗都可以在通風柜中進行,因此對于通風柜的需求量較大。如何保證數量眾多的通風柜有效地排出有害氣體,既不倒灌、又不串味還降低能耗,成為設計的重點。

通風系統一般由通風柜、通風管道、風機、風閥、控制系統等組成。

(1) 通風柜。通風柜是實驗操作的場所,柜中的氣流是通過排風機將柜體內的有害氣體吸入通風管,從而防止有毒有害氣體逃逸到實驗室內。

(2) 通風管道。由于化學實驗室的防火等級較高,常采用不燃的無機玻璃鋼作為風管材料,但此材料的手工制作工藝導致產品質量極不穩定,且法蘭接頭處不易密合,容易出現漏風現象。在消防允許的情況下建議使用具有阻燃性的pp材料或硬聚酯乙烯材料。

(3) 風機。風機是通風系統的動力中心,由于化學實驗室的空氣中含有腐蝕性的氣體,因此需采用耐腐蝕的玻璃鋼材質,風機型號根據風量和風壓來選擇。玻璃鋼離心風機放置在屋頂,通過風管井進行抽風、屋頂排放廢氣。變頻風機可以隨著通風柜使用的數量多少自動調整風機轉速從而降低能耗。

(4) 控制系統。由于化學樓的通風柜數量較多(900多個)為了使通風柜滿足變風量、面風速恒定的要求,并達到節能的目的,采用了變頻、變風量通風控制系統(VAV控制系統,variable air volume)。其工作原理為:多個通風柜共用一臺風機,減少了風管的數量；采用變頻控制技術,根據通風柜的使用量、通風主管道壓力產生變化自動調節風機的轉速,從而達到節能的目的。為了確保通風柜有害氣體全部排出、防止溢散,通風柜的面風速需恒定,通過用風速傳感器和紅外探測器測得的面風速與設定值比較,調節風管上的變風量控制閥,從而調整排風量、保證移門處的入口面風速恒定。 VAV系統適用于通風柜數量多的大系統,具有高效、節能、延長風機壽命、提高風機運行質量的優點[7-8]。

3.2 新風系統和空調系統

(1) 新風系統。對于通風柜較多的實驗室,應合理補新風以避免出現室內負壓過大、門窗開啟困難的問題。可以利用新風機組進行機械補新風,但一次性投入較大、后期運行成本較高。我們采用的是無動力補新風的方式,利用風機抽力在室內產生的負壓,通過設置好的進風口進行補風,補充的空氣用濾網進行簡單的凈化,當室內外溫差較大時,補入的空氣通過盤管進行冷熱交換,這樣既可以達到增加舒適度、減低能耗的目的,也可以減少前期投入。

(2) 空調系統。由于實驗室面積較大、且通風設備較多,為提高熱效率, 空調系統采取的是螺桿水機組的空調,學生休息區和教師辦公室采用VRV空調系統(變制冷劑流量多聯式空調系統)。

3.3 給排水系統(純水系統)

(1) 大樓的供水系統用于供實驗室用水、生活用水以及消防用水。另設置大型的去離子水裝置,集中供應去離子水到每間實驗室。

(2) 排水系統將實驗室污水與生活污水、雨水分開,實驗室污水進入污水處理池,其他污水排入管網。

(3) 化學樓的排水管道需特殊處理,由于排水中含有酸堿以及有機物,化學實驗室的下水管道很易腐蝕、堵塞,選材時應充分考慮防腐及耐有機溶劑的侵蝕,我們采用無縫鋼管內襯環氧樹脂的方式,接頭處也做了相應的處理。

3.4 供電系統

(1) 用電量的配置方面需要有前瞻性,必須預留足夠大的富余量以備將來的發展所需。

(2) 實驗室需設三相交流電和單相交流電,并設置足夠數量的插座,且需要加裝漏電保護裝置,大功率設備需單獨線路。

(3) 對于需要不間斷供電的大型儀器、機房,需配備穩壓的UPS不間斷電源,對于需要持續不間斷供電的設備和場所,可以配備柴油機組發電。

(4) 為便于改造和維修,實驗室的水電管線排布走向應清楚(或者進行明排即不埋設在墻體或地面內)；水電總管盡量少穿樓板,同層的問題在當層就能解決。也可以通過功能柱和橋架進行走線和供電。

3.5 環保系統

(1) 廢氣的凈化。一般采用酸霧凈化塔將廢氣中的酸性物質用堿液中和,用吸附裝置中的多孔材料如活性炭等將廢氣中的有機物質吸附,吸附劑在使用中要定期更換,且吸附劑會增加氣流的阻力,須增大風機功率。還有通過光催化的方式降解有害物質,但其有效性和穩定性有待進一步驗定。科研實驗室排放的廢氣組成復雜、但含量極低,目前常見的凈化方式并不能有效地去除所有的有害物質,國外科研實驗室有采取加壓高空排放的方式,通過高空排放、進一步稀釋有害物質,使其濃度降到對人體無害的程度。但國內的環保規定并不允許采用這種方式[9-10]。

(2) 廢水的處理。由于嚴禁向下水道傾倒化學品,因此廢水主要指洗滌盛裝化學物質器皿時的洗滌水。一般通過靜置沉降去除懸浮物,通過酸堿中和調節pH值,加入絮凝劑沉淀部分金屬離子和膠體物質,生物法去除其中的有機物質使COD(化學需氧量,chemical oxygen demand)指標達標。實際使用證明,由于不得向下水道傾倒實驗廢液和化學品,同時采用循環冷凝系統減少了冷凝水的排放,污水處理池的實際處理量遠比設計量小,可以將有排污的實驗樓合并使用污水處理池,以降低建設和使用成本。

(3) 實驗室廢液和固體廢棄物。根據環保要求,實驗室產生的固體廢棄物(實驗垃圾)不得與生活垃圾混合,因此實驗室應配有專門的實驗垃圾箱。同時,應當要有化學廢物的暫存場所,定期交由專業公司處理。由于危險物存放建筑在消防、安全方面的要求比較高,我校目前采用暫存柜的方式用于臨時存放化學廢棄物。

3.6 供氣系統

(1) 全樓集中供氮氣和壓縮空氣減少了氣瓶的使用。在通風柜邊上設有可接氣瓶的管線,需要時可為通風柜的反應系統提供所需氣體。

(2) 實驗室內的氣瓶應用氣瓶架或鐵鏈條固定。

(3) 實驗室內有氫氣等危險氣瓶,應裝有氣體報警裝置。

4 安全防護與應急措施

4.1 消防系統和消防配備

(1) 化學實驗室應配有煙感火警探頭,與火警系統相連,配有聲光報警,遇有火情可及時發現施救。化學實驗室、儀器室內一般不設自動水噴淋的裝置[11]。

(2) 應當配備滅火器、滅火毯、沙箱等可處理小火情的應急設施[12]。

4.2 應急設施配備

(1) 洗眼器和緊急沖淋。近實驗室的公共走道處或其他明顯的位置應設置緊急噴淋設備,實驗人員一旦被藥品污染或遇其他突發狀況時,能及時進行噴淋救護。仙林化學樓在實驗室設置了應急洗眼器,在衛生間附近設置應急噴淋器。

(2) 急救箱。配備常用的燙傷藥膏、創可貼、碘酊、酒精、棉簽、紗布等。

4.3 地漏

對于用水較多的化學實驗室來說,跑水的事故常有發生,因此地漏的設計不可忽視,同時為了防止下水管中異味的溢出,應采用具有S彎的地漏(防臭地漏)。

4.4 安全警示

化學實驗室必須張貼安全警示,比如:毒物和腐蝕的警告,以及“必須佩帶防護眼鏡、不得進食”等提示。具有放射性物質和設備的場所,必須有放射性警告標識。二級以上生物安全防護實驗室必須有生物危險標志。同時,在實驗室張貼有緊急逃生圖。

5 結語

EHS管理體系的目的就是保護環境,改進工作場所的健康性和安全性,改善勞動條件。建設健康、安全、舒適、環保的EHS化學實驗室,是營造良好的實驗室環境、保證師生的身心安全和健康的基礎和前提,也是教學科研工作順利開展的有力保障。