科研建筑功能分區

科研建筑根據科研活動的性質,通常分為科研通用實驗區、科研專用實驗區、科研辦公區、科研展示區、科研教學實驗區、科研試驗區級野外科學觀測研究站等。其中科研通用實驗區是以實驗臺為主開展科研活動的實驗區,常見的實驗室設備包括通風柜、離心機、加熱板等,科研通用實驗區內按實驗需要也可能設有馬弗爐等大型設備;科研專用實驗區有特定的環境要求,通常設有電子顯微鏡、高精度天平、譜儀等大型、特殊、精密的實驗裝置;科研試驗區是工業產品在研制、生產、維修過程中性能測試的場所,建筑空間高大,大型用電設備較多。其中大型專用科研實驗區,普遍具有研究方向多變,用電負荷大,水、電、氣、風,各種管線、管道種類、數量多的特點。

供配電系統

電源

首先應根據項目具體特點,對城市電網的電能質量提出要求。當不能滿足時,應根據具體條件采取相應的電源改善措施。對于不常使用的大型設備、非線性負荷、大單相負荷,如有條件,宜設置專用變壓器供電,常規實驗室負荷可與其它負荷共用變壓器。

由于實驗設備品類繁多、要求各異,變壓器或備用電源進行負荷計算時,應詳細了解實驗工藝流程,實驗設備最大的同時使用率。對于中斷供電會引起人員危險或重大經濟損失的實驗項目、設備,應采取必要的電源保障措施,重點項目應組織專題研究、論證,確保電源滿足項目需求。

特殊設備的配電要求

科研建筑內部有各種類型的實驗室及儀器設備,供電系統除了維持實驗室特定的環境用電外,還要滿足現有及未來增加的各種儀器的特殊用電要求;嶒炇页R姷膬x器中,馬弗爐、干燥箱、電熱板、電熱蒸餾水器及原子吸收儀的石墨爐、等離子發射光譜設備容量較大,應盡量采用專線供電。

對于離心機、層析冷柜、低溫冰箱等帶壓縮機的儀器設備,啟動電流往往是工作電流的數倍,在啟動的瞬間會帶來該線路的電壓波動;而微電子儀器,如微生物電測試儀、分光光度計等設備對電能質量要求較高,電壓的波動會引起讀數波動、數據丟失甚至損壞元件。設計時需將實驗設備分類,微電子儀器與大功率用電設備分設供電回路。對于需要不間斷供電的精密儀器,應配置UPS電源。

當特別要求供電電壓穩定時,需裝置穩壓器。當一般穩壓穩頻設備仍滿足不了設備要求時,應配置交流不間斷電源系統供電。小容量的直流電源可由蓄電池組、整流器等設備供電。直流用電量大時,要設置直流發電機組或大容量可控硅整流器等設備供電。

電氣設備的選擇

科研通用實驗區、科研專用試驗區,特別是石油、化工類,根據實驗項目需要,會在建筑內使用或臨時貯存易燃易爆氣體。根據爆炸性氣體混合物出現的頻繁程度和持續時間,存在爆炸可能性的爆炸性氣體環境劃分為0區、1區及2區;爆炸性粉塵環境分為20區、21區及22區,并對不同分區中設置的電氣設備保護級別(EPL)作出了規定(如表1所示)。

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燈具的選擇

a.潮濕、有腐蝕性氣體和蒸汽、火災危險和爆炸危險等場所,應選用具有相應防護性能的燈具。

b.由于普通燈具存在產生危險溫度、電弧和火花的環節,故設置于爆炸性危險的場所,應按照GB 3836.1 - 2010《爆炸性環境 第1部分:設備通用要求》、GB 3836.3 - 2010《爆炸性環境 第3部分:由增安型“e”保護的設備》相關要求選擇燈具。

c.磁干擾要求嚴格的實驗室,不應采用氣體放電燈。

旋轉電機的選擇

與對燈具及光源要求類似,對于安裝于爆炸或危險環境中的各種電動機的要求從本質上來看,也是重點關注消除或控制設備線路產生火花、電弧或溫升的措施。以鼠籠電動機為例,除對電動機產品本身的要求(包括外殼防護等級、間隙和材料方面的要求、導條和端環是否壓鑄為一體等),還應注意選擇適當的熱過載保護裝置,防止電動機產生不允許的溫度。如選擇鼠籠轉子電機時應注意以下事項:

a.應確定tE時間和啟動電流比IA / IN,并在電動機銘牌上標明,以便選擇適當的熱過載保護裝置,防止電動機產生不允許的溫度。

tE —— 交流繞組在最高環境溫度下達到額定運行穩定溫度后,從開始通過最初啟動電流IA時計起直至上升到極限溫度所需的時間。

IA —— 交流電動機在靜止狀態或交流電磁鐵銜鐵處于最大空氣間隙位置狀態,從供電線路輸入額定電壓和額定頻率時的最大電流有效值。

IN —— 額定電流。

b.tE時間應不小于當轉子堵轉時熱過載保護裝置能夠切斷電動機電源所需的時間。

c.tE時間不允許小于5 s,啟動電流比IA / IN不允許大于10。

d.為確保繞組不超過極限溫度,須加裝反時限延時過載保護裝置(例如,帶有熱過載繼電器的電動機開關),此裝置不僅能夠監視電動機電流,而且能當電動機堵轉時在tE時間內斷開電動機的電源。保護裝置應給出表示繼電器過載延時與啟動電流關系的電流 — 時間特性曲線。特性曲線應表示出從環境溫度為20 ℃ 時的冷態開始測量的和啟動電流比至少為3 ~ 8范圍內的延時時間。保護裝置的脫扣時間誤差范圍應不大于±20 %。

e.一般情況下,連續運行工作狀態的電動機,包括容易啟動和不頻繁啟動不會出現明顯的附加溫升,允許采用反時限延時過載保護裝置。對于啟動困難或啟動頻繁的電動機,則必須采用合適的保護裝置,以保證不超過允許的最高溫度。

實驗室的設備布置與管線敷設

a.由于各種管線管路繁多,設計時需與其他專業做好協調工作,最好于設計前期制定敷設原則,盡量避免管線交叉。由于實驗方向的多變,電氣干線橋架路由中如設置吊頂,建議選用方便拆卸的吊頂形式,盡量慎用石膏板,減少大范圍拆改。

某工程實驗室綜合管線排布如圖1所示。

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b.在同一實驗室內設有兩種及以上不同電壓或頻率的電源供電時,宜分別設置配電保護裝置并有明顯區分或標識。當同一配電保護裝置供電時,應有良好的隔離措施。不同電壓或頻率的線路應分別單獨敷設。同一設備或實驗流水線設備的電力線路和無干擾要求的控制回路允許同管敷設。

c.化學試驗室因有腐蝕性氣體,由于銅的耐腐蝕性高于鋁,配電導體宜采用銅芯。

d.科研通用實(試)驗區內的凈高要求如表2所示。

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e.根據使用方提供的具體用電需求,自配電箱引出管線至末端用電設備,或根據需要,在實驗臺上預留配電箱,配電箱至末端面板段管線結合實驗臺敷設?蒲型ㄓ脤嶒瀰^不宜設吊頂。自配電箱引出的管線,無論是直接引至末端設備,還是引至配電箱,包括弱電管線,均自天花或頂板沿功能柱(濕柱)引下,如圖2所示。

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f.實驗臺及濕柱上常見的供電插座面板包括:10 A / 250 V、16 A / 250 V、32 A / 250 V、16 A / 380 V插座。除此之外根據實驗室具體需求,配置數據插座及工藝氣體等面板,面板可分別設置,也可采用成品集成面板(如圖3所示)。

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g.如實驗室內設有大型落地設備,則可采取吊頂式功能柱的形式配電,配電箱固定于吊頂式功能柱上(如圖4所示)。

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防雷與接地

防雷

排放爆炸危險氣體、蒸汽或粉塵的放散管、呼吸閥、排風管等的管口外的下列空間應處于接閃器的保護范圍內:

a.當有管帽時應按表3的規定確定。

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b.當無管帽時,應為管口上方半徑5 m的半球體。

c.接閃器與雷閃的接觸點應設在本款第1項或第2項所規定的空間之外。

d.排放爆炸危險氣體、蒸汽或粉塵的放散管、呼吸閥、排風管等,當其排放物達不到爆炸濃度、長期點火燃燒、一排放就點火燃燒,以及發生事故時排放物才達到爆炸濃度的通風管、安全閥,接閃器的保護范圍應保護到管帽,無管帽時應保護到管口。

接地

接地分為保護性接地與功能性接地。保護性接地包括防電擊接地、防雷接地、防靜電接地、防電蝕接地。功能性接地包括工作接地、邏輯接地、屏蔽接地、信號接地,其中邏輯接地與信號接地是為了電子設備提供參考電位、保證信號具有穩定的基準電位而設置的接地。實驗設備對工作接地無特殊工藝要求,各種接地宜共用一組接地裝置,即利用建筑物基礎底板鋼筋作為接地體,綜合接地電阻需滿足實驗室接地電阻的阻值要求。接地干線應在爆炸危險區域不同方向不少于兩處與接地體連接。當實驗室工藝要求需要設置獨立接地裝置時,除接地電阻滿足使用所要求的阻值要求外,還需注意以下一些問題:

a.室外單獨接地體的選址應結合場地條件,綜合考慮場地內小市政管線排布、建筑與用地紅線間的間距、功能性接地系統的接地體與防雷接地系統接地體間的間距等多方因素。

b.建設場址所在區域的土壤條件,當土壤電阻率高時,可采取局部換土措施;當建設場地處于腐蝕、鹽霧環境時,在選擇接地導體的材料與規格時應考慮環境的影響。

c.工藝要求單獨接地的設備組數多、阻值要求低,且上述場地條件不利時,應與建設方及時溝通應對措施,并在投資中予以重視。

等電位聯結

a.實驗室保護接地應采用等電位聯結措施,并應根據需要采用防靜電措施。

b.實驗室內工作接地與接地裝置,當實驗設備頻率為30 kHz以下模擬線路時,宜采用單點式(S形)接地連接;當實驗設備頻率為MHz級數字線路時,宜采用多點式(M形)接地。

c.有防靜電要求的管道,法蘭連接處采用導體跨接,其跨接電阻不大于0.03 Ω。

通風空調控制系統

由于實驗室在科研建筑中的占比大,對管理操作人員的素質要求更專業,實驗室通風空調系統通常結合實驗室可燃氣體及惰性氣體偵測報警系統、實驗室環境系統監測系統設置單獨的控制管理系統,并具備接入建筑物建筑設備管理系統的接口。實驗室通風控制系統分為定風量系統(CAV)與變風量系統(VAV)。其中實驗室變風量系統從系統構成、控制原理、控制模式均有別于常規民用建筑。

實驗室變風量控制系統的組成

實驗室變風量系統由末端變風量閥執行器、門高傳感器、通風柜操作面板、傳輸線路、集成器、網關、管理主機組成。監控的主要內容包括監測通過變風量閥的風量、通風柜柜門的高度、通風柜的面風速等,控制實驗室的送排風量。

實驗室變風量系統的控制

a.控制原理:每個變風量閥自帶控制器,送風閥上的控制器實時計算房間內所有變風量排風柜及排氣罩等變排風設施的排風量總和,調節房間補入新風量,使排風量與補入新風量的差值恒定,各閥門的參數通過路由器接至上位機。當通風柜柜門位置發生改變時,與通風柜配套的排風閥會同時動作調節通風柜排風量以保證通風柜面風速恒定。實驗室內的送風閥與排風閥按余風量控制模式同步動作,始終保持實驗室呈穩定的正 / 負壓狀態。

b.緊急變風量控制模式:當按下實驗室內的緊急排風按鈕,或有氣體偵測系統發出事故報警時,管理站可以遠程將變風量閥置于最大排風量狀態,并打開室內的事故排風閥以滿足事故排風要求。

c.變風量控制系統要求支持BACnet / IP通信協議,通過網關將數據上傳至管理站進行統一檢測管理;每個變風量閥的自帶控制器均具備檢測風量功能。

變風量系統控制原理如圖5所示。

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火災自動報警系統

在化工類科研建筑中,根據實驗需要會使用、貯存易燃易爆氣體(氫氣、乙炔),助燃氣體(氧氣)。為了杜絕火災隱患,選擇火災報警探測器時應注意與所進行的實驗、試驗環境相適應(如表4所示)。實驗過程中產生的粉塵、水霧、有機物質都可能成為探測的干擾項,如單一型火災探測器不能有效探測火災,可采用多種火災探測器進行復合探測。使用產生易燃易爆物質的房間,應根據可燃氣體的類型,設置相應的可燃氣體探測器。

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由于化工類科研建筑的特殊性,其電氣設計,無論從電源保障、設備選擇、線纜敷設、防雷接地、控制系統等均有別于常規民用建筑。設計過程需要與使用方緊密配合,了解實驗需求及流程,科學合理地開展工作。實驗室的實驗方向往往是多變不定的,供配電系統應預留適當的備用容量與擴展條件,通用實驗區的實驗室盡量做到模塊化,以適應不同實驗發展方向的可能。