同济教授的「绿色实验室」发展观
/ 实验室如何绿色转型？/
美国佐治亚大学的一项绿色实验室项目曾显示①，实验室所消耗的能源是普通办公楼的5-10倍，并且会产生数量惊人的塑料垃圾和危险的化学物质。这似乎揭示了科研的过程，即使是致力于可持续发展的研究，其本身也并不一定是可持续的。
随着中国“2060碳中和”目标的提出，国内实验室的绿色转型已刻不容缓。目前，中国累计超过50个实验室注册了 LEED 认证，并有38个实验室已获得正式认证。为了进一步推动国内绿色实验室的高效高质发展，USGBC 近日正式开启了 LEED 实验室顾问（中国）委员会的筹备工作。
借此机会，LEED 洞察局特邀 USGBC 中国区市场转化与拓展主管徐辰波对委员会筹备的总协调人——同济大学机械与能源工程学院刘东教授进行专访，以对话的方式探讨国内绿色实验室的发展。
1、实验室的设计要求：专业且独立
2、化学实验室暖通设计：“就高不就低”
3、实验室节能技术：污染物过滤与热回收
4、实验室管理：LEED认证体系值得借鉴
5、实验室的绿色未来：制定合理的管理体系
— 全文约 6,366 字，需要16分钟阅读时间 —
“实验室的设计牵一发而动全身””
徐辰波 刘东教授您好，很荣幸采访您。通常我们都认为实验室是一个比较专业且特殊的建筑类型，您是实验室领域的专家，所以想请您说说实验室和其他建筑最大的不同在哪里？
刘东 我们一般把建筑分成两大类，一类是民用建筑，一类是工业建筑。民用建筑又可分为住宅和公共建筑，工业建筑则是指服务于工业生产的建筑。而实验室非常有特点，它是介于民用和工业建筑之间的这类建筑。
图源：Bing Picture
从本质上说，实验室应该是工业建筑，它的产品就是数据。无论我们是做科研，还是做常规检测，亦或者是做教育教学，其实都是想通过实验室来获得真实或者相对可靠的数据，所以实验室理应依据工业建筑的标准。但很多实验室坐落在大学校园中，离人们居住生活的区域很近，所以不能只是简单按照工业建筑的排放标准来要求实验室。
其次，实验室里的人员会影响室内环境质量的要求。如果实验室能实现全自动无人化操作，那么主要考虑的是实验环境污染物的浓度满足实验要求，对人员保护的要求可以适当降低。但如果有常驻实验操作人员的话，需要按照“就高不就低”的原则，同时满足人和实验工艺的要求。所以实验室比普通的工业建筑和民用建筑都要来得复杂，尤其是科研类的实验室。
最后，实验室的能耗强度非常高，与公共建筑相比，实验室的能耗强度可以高出一个数量级范围。
所以实验室应该要有一个独立或者是相适应的专门标准。
徐辰波 谢谢刘教授，既然您提到了校园，我想到了一个特别有意思的新闻：北京大学和清华大学附近都有地铁站，北大的地铁站离校园很近，大概就几十米，而清华距其地铁口有500米以上，有报道说原因之一是清华不想让他的实验室仪器受到地铁振动的影响。那您如何看待这个现象？实验室的建造又有哪些专业要求？
刘东 对，这个很有意思。由于清华和北大的学科特点设置得不一样。针对实验室选址这一方面，包括其附近的公共交通、市政道路、地铁等的影响都是需纳入考虑的，而且具体的限制要求会非常明确。比如某种类型的实验室，为了达到相应实验要求，在多少米的范围内不允许有什么装置。对于一般需要满足足够电磁屏蔽的基础条件要求的实验室，其30米范围内不能有大功率的电器，100米内不能有主干道，250米内不能有地铁，500米内不能有磁悬浮。这是已经在执行的国内通用规范，在国际上也是这么要求的。
清华大学众多实验室之一：非人灵长类研究中心
还有一些实验室为了不受外界影响，甚至是在地下建设。比如，在华南有国家大科学装置，它就是建设在地下七八百米深的岩石层，可以避免电磁辐射的干扰，但同时又带来新的挑战：一是实验室通常要求室内温度在21℃~23℃度之间，但是在那个深度的岩石层中，温度有30℃甚至更高，这就需要将这些热量排走。另一个是地下的氡浓度高于地面的卫生标准要求，所以必须从地面把清洁空气引入，去稀释这些有害物质的浓度，以使得它能在一个安全的范围。由此可以看出，实验室有很强的专业性，所以它的设计牵一发而动全身。
化学实验室暖通设计：“就高不就低”
徐辰波 您提到实验室有不同的类型，那当我们启动 LEED 实验室顾问（中国）委员会筹备工作的时候，您觉得我们首要的对象应该是哪类实验室？
刘东 实验室从立项、设计、建造再到运维管理的生命周期中，会涉及到很多部门。目前，这些部门都是按照自己的想法去理解相关要求，所以相对是割裂的。而国外的大学一般都设有 EHS 部门负责实验室管理。相信在不久的将来，我国大学也会设立 EHS 的体系，学习国外的经验和方法。所以，目前我们可能先去从量大面广的化学实验室开始，并且从涉密角度来看，通常化学实验室比生物实验室的要求更低一些。
图源：Google Picture
从业务类型来看，我们应先从检测类实验室开展工作，而将科研类实验室留待未来再去探索。科研类实验室的目的是去探索未知，并尽可能去探索科研边界的活动，因此，它和检测类实验室比起来具有更大的不确定性。如果管理不善的话，科研类实验室可能具有更大的危险性。所以，在通过对检测类实验室梳理并完善全生命周期管理体系后，我们再去探索科研类实验室的管理，这是一个比较合理的研究规划。
徐辰波 那您能说说化学实验室的暖通系统设计的特点吗？它与普通建筑相比有哪些不同？
刘东 一般的暖通设计都是舒适性空调。舒适性主要考虑到温度和湿度，并且同时考虑二氧化碳浓度，民用建筑不超过1000ppm，那就必须要有新风。而室内污染物会考虑 PM2.5和甲醛等，一般现有技术也能控制妥当。所以对舒适性空调来说，我们更多考虑是热湿负荷以及耦合的问题，再以“就高不就低”这个原则进行设计。
而化学实验室的暖通设计，除了考虑冷负荷、热负荷，或者湿负荷以外，还要再加一个概念叫污染负荷。污染负荷我认为包括两部分：一部分我们称之为气体污染物，另一部分是颗粒污染物。然后将这四个因素耦合在一起，可以按照“就高不就低”的原则进行设计。所以，实验室的暖通系统由于考虑的因素更多，其控制系统会更复杂，能耗也会更大。
污染物过滤与热回收
徐辰波 您刚刚提到化学实验室所面临的污染负荷，能否具体讲讲哪些技术可以应对呢？
刘东 一般，我们做实验，都会在一个有通风柜或者排风的区域里进行。假设有一个实验操作柜台，在柜子前面1.5米，旁边各1米，高度是2米的空间，我们称之为工作区。在工作区里的空气流速不能超过0.15m/s。对比家用空调，要求是热天不超过0.3m/s，冷天不超过0.2m/s或者0.25m/s。而有些工作区的空气流速甚至要求不能超过0.1m/s。所以针对实验室的暖通设计，我们不但要考虑冷热怎么送进去，还要考虑气流组织，以确保实验操作人员不会吸入被污染的空气。
针对生物实验室而言，吸入被污染的空气意味着你有可能已经吸入病毒/细菌了。这也正是我刚才提到的，委员会的工作应先从相对简单的化学实验室来考虑，后面再扩展到生物实验室这一块。
图源：Google Picture
徐辰波 那实验室内的污染物通常都有哪些？我们应该采取怎样的措施进行监控？
刘东 事实上，实验室内的污染物是比较复杂的，我以土木类实验室举例。通常，都认为这类实验室内一般只有些粉尘。但对于涉及防火研究的实验，需要燃烧防火材料、保温材料和一些建筑材料，所以会产生相当多的气体污染物。在管理完善的实验室里，实验使用的排风柜有三轮检测，第一轮是 as manufactured：会将产品放到特定的实验室以测试产品性能；第二轮是 as installed：以测试安装质量；最后一轮是 as used：类似年度例行检查。这样才能确保排风柜的性能表现是符合标准要求的。
徐辰波 那么在满足实验室特殊需求的前提下，您觉得现在有哪些技术可以降低实验室的能耗？
刘东 这还是有不少的。比如，我们如果能对实验室的工艺流程有所了解和熟悉，那么对于一些化学品使用强度不大的实验室，刚才提到的排风柜的排风就不必排到室外了。用可靠的技术手段将粉尘，尤其是有害气体进行吸附过滤之后，可以直接排在室内再进行循环，这就是一项非常好的技术。但它的前提条件是有非常可靠的传感器以及有效的过滤手段。
由于我也是中国《无风管自净型排风柜标准》的主编，知道我们对过滤器更换是按照卫生标准要求的。首先，将污染物分普通毒性和较强毒性，如果过滤器中的普通毒性污染物达到卫生标准浓度的50%，就必须进行更换；而如果较强毒性污染物达到卫生标准浓度的1%，也必须更换过滤器。
另一个就是如何有效利用实验室排出空气的能量。实验室的换气次数普遍在6~12次换气/小时，在一些排风柜密集的实验室能达到几十次甚至上百次，这也是其能耗高的原因之一。在夏天，这些经过处理后排出的空气温度为25℃~26℃，而在上海的室外大气温度要达到34℃，如果利用得当，这是一种有效的热回收措施。我们可以将这些排出的空气先用于空调的再热，然后再去预冷新风，这样它就是一个很好的应用。
图源：Google Picture
获得 LEED 认证的某著名制药类外企研发中心在这方面就运用得很不错。根据他们提供的资料显示，这项技术虽花费百万，但预计三、四年时间可回收成本。这既能产生显著的节能效果，又可以起到很好的平衡作用。
LEED × 实验室管理
徐辰波 您刚提的技术我认为对运营的要求很高，通常在商业地产，我们都认为设计团队能力会比较强，而运营团队能力相较一般。那目前实验室运营的人员能力能够匹配这么精细的设计吗？
刘东 这其实很有意思。实验室这块的情况和公共建筑不太一样，因为实验室都是有工艺要求的，而绝大部分的民用设计院并不掌握这些。比如 BA 系统（楼宇设备自控系统），设计院通常会给专业的自控集成公司来做，手术室净化间也是这样。大部分的工作由集成单位完成，有些甚至是设备商提供技术，提供图纸，因此设计院在这方面的能力建设需要加强。
与此同时，还有我们在制定一些标准。我正在主编《实验室通风系统设计与安装》国家标准图集，在这个图集的制定过程，就要邀请一些设计院、系统集成公司，还有比较优秀的设备制造企业都参与其中。我们希望能够规范化起来，包括标准实验的流程、具体的参数、具体控制项等。然后以国家标准图集的形式表现出来，这个对设计院来说会是一个很好的辅助设计用的工具。
图源：Pexels
徐辰波 这的确跟公共建筑很不一样。那么由于前期设计能力的缺失，导致方案都采取的是承包商甚至是设备商的建议。而当实验室交付给使用者的时候，他可能很了解如何做实验但并不了解实验室的设计及工艺，最后是否存在交付质量无人监督的现象？
刘东 这是有可能发生的。在这一块，公共建筑目前的设备验收普遍应用国家标准，包括能效测评去做保障。而对实验室来说，目前这块存在着非常大的提升空间。因为不少人的态度是对付过去就行，或者只是参照普通的舒适性暖通系统做检测，甚至不做检测。其实这里面会非常复杂，排风柜只是局部通风，但整个房间还要做全面通风检测，因为需要将所有的室内污染物都控制好，所以这也是我希望能将 LEED 与实验室管理结合起来的主要原因。
比如 LEED 认证就很重视调试，而实验室更应该加以重视。实验室的核心概括起来就是安全、舒适、节能。首先是安全，没有安全一切都免谈；第二是舒适，指实验室内的实验动物或植物，或者是实验人员能够高效率进行工作；最后在满足安全和舒适的前提下，使用合理的能耗。我接触 LEED 认证已经有十多年，总的来说，LEED 认证是非常客观的，这是一个重视流程、重视文件、且重视过程的客观标准体系。所以我希望能够借鉴这些方法论，为行业做点事情。
实验室的绿色未来
徐辰波 目前大家都在讨论2060碳中和，而建筑业产生的碳排占到全社会总量的40%左右，建筑业应该如何应对这样一个挑战？
刘东 我们都说要减少二氧化碳排放，但其实现在有种技术是将二氧化碳作为生产原料并制造出有高附加值的碳纤维等产品，所以有时候我们需要改变下角度去看问题。
碳中和对于建筑业其实会是一个非常好的机会，通常建筑都被认为是能源需求方，但如果技术措施得当的话，建筑可以成为能源的生产者。例如光伏技术的不断发展，发电效率可以从原先的12%提升到22%，并且成本也在快速下降。所以建筑光伏一体化既能响应分布式能源发展的需求，也可以让建筑自给自足降低对外网的依赖风险。同时我个人对风热一体化以及中深层地热能的技术应用都很有信心，一些项目已经应用起来，以后有可能率先实现零能耗。
校园有很大的潜力，因为校园的建筑密度不是很大，且用能强度也比公共建筑要低。如果能合理地应用可再生能源，例如建筑屋面及立面光伏等，就能满足能源供给的需求了。
图源：Unsplash
徐辰波 您提到了要多应用光伏，但光伏在晚上是不产生电的，那目前的储能技术能否解决这一问题呢？
刘东 你提到的这个问题的确是客观存在的。储能技术事实上对于新能源的应用是非常重要的，我们国家目前的弃风弃光比例和总量还是挺高的，如果储能技术能够发展得好，就能提升可再生能源的利用率。目前我们和国外大学就在合作研究新的储能技术的应用，采用了相变材料，材料相变温度在-30℃~800℃。而且它是盐基材料，这样安全性就能得到保障。并且通过验证，其充放次数可以达到48000次，如果使用得当，预计有超过十年的使用寿命。
徐辰波 我关注到从2007年您就开始参与国内实验室的研究，那么在经过十多年后，您觉得国内的实验室行业的总体发展现状是什么样的？
刘东 首先，国内实验室管理者的专业程度距离世界先进水平存在相当差距，尤其是在关心实验室中操作人员安全这方面，需要学习国外领先实验室去积极地创造安全舒适的环境。
其次，设计院的能力急需提升，由于实验室的设计是比较有技术难度的，除了一些实力很强的国有设计单位，比如说中元国际等就承担了相当多的国家任务，很多设计院尤其是民用设计院在这方面的能力仍有很大提升空间。
最后，要说说设备制造企业。企业的任务是创造利润，而当用户和设计院没有相应认知能力的时候，企业就会去追求超额利润，并且可能忽视后续的设备运营管理。如果说实验室设计建造能力距先进水平差15年的话，对实验室运营维护的理念可能要落后20~30年。
2020年8月5号，中国应急管理学会成立了安全生产工作委员会，由于这个学会的依托单位是国家行政学院。安全生产工作会的115个成员绝大部分来自各应急厅委的官员，其余来自大学。按照大家的各自分工，我们主要的任务是负责构建中国实验室安全体系，所以我接下来的一部分重点工作是想把实验室安全的事情先解决。
实验室监控画面
徐辰波 那这样我们是否能得出这么一个结论，如果重视前期，哪怕当时多花了钱，但是从长远的生命周期来看，是有利于整个实验室和整个行业发展的？
刘东 可以这么理解，我们肯定是要从建筑全生命周期或者全过程去考虑问题。在前期，尤其在设计阶段花的精力或者说投入得越多，其实是为后面的安全性、舒适性和高能效打基础的，也就是我们说的磨刀不误砍柴工。
目前，国内实验室发展非常快，在2019年的全国科研投资达到了2.22万亿左右，预计去年达到2.44万亿。而科研的投入大部分是用来建造实验室，这样的话实验室的建设会持续增长，因此制定合适的管理体系是十分有必要的。
徐辰波 感谢刘教授从百忙之中抽空接受我们的采访，也希望 LEED 实验室顾问（中国）委员会能尽早成立，助力中国实验室可持续发展。
徐辰波专访刘东教授
参考来源：
① Science has a sustainability problem
https://fivethirtyeight.com/features/when-trying-to-save-the-world-also-trashes-it/
本文转载编辑：Mr White