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美国加拿大建筑节能与节能建材的启示


周清浩 lin 2006-12-01

    应美国波特兰水泥协会(PCA)、美国混凝土协会(ACI)、美国建筑试验与材料学会(ASTM)、美国绿色建筑委员会建筑环保设计认证机构(USGBC)、格雷斯公司(GRACE)、加拿大自然资源部能源中心(CETC)、加拿大抵押贷款与住房公司(CMHC)的邀请,以中国建筑材料工业协会副会长徐永模为团长,由建设部、中国建材集团公司西安墙体材料设计研究院、中国水泥网、中国水泥制品工业协会、建筑材料工业质量认证管理中心及协会有关部门11人组成的建筑节能与节能建筑材料考察团,于2006年9月29日至10月12日对上述单位进行了访问、考察。
    在美、加期间,考察团参观了波特兰水泥协会的混凝土性能实验室、结构实验室、化学分析实验室,美国混凝土协会实验室、美国建筑试验与材料学会实验室、格雷斯公司的制作样板间,加拿大自然资源部能源中心节能示范楼、温哥华不列颠哥伦比亚大学的节能建筑。并与美国、加拿大的技术专家进行技术交流、座谈,徐永模团长介绍了中国建筑材料工业协会的职责、业务范围以及近年来开展的一些工作和建材行业标准化工作等有关情况。建设部科技司韩爱兴副司长介绍了我国目前建筑节能与节能建材使用的有关情况以及今后的工作思路。此次考察的主要目的是了解美国、加拿大的水泥、混凝土工业发展情况;房屋建筑节能体系及标准、相关产业政策和措施;新型墙体材料和混凝土制品、节能保温建筑材料和产品标准;学习美国、加拿大的建筑节能及产品标准编制程序、论证体系和机制;与有关企业及研发、认证机构交流信息。通过考察,以达到认识、了解美国、加拿大政府、协会和企业在建筑节能方面的政策制定和具体实施的标准;学习如何对节能材料的评估、检测和认证以及绿色建筑标准的实施和认证等。
    一、美国、加拿大建筑节能与节能建材概貌
    美国在高性能混凝土的研究上处于领先,高性能混凝土在建筑、桥梁的应用较为广泛。美国规定桥梁的使用寿命在75年以上,目前,美国的高强混凝土一般在60~70MPa,在特殊部位也常常使用100 MPa的高强混凝土,设计131 MPa的高强混凝土已用于高层建筑中。在美国25%~30%为预制混凝土,70%~75%为现浇混凝土(其中,40%为自流平混凝土)。混凝土工业的可持续发展与绿色建筑密切相关,绿色建筑这项工作在美国已开展10多年,5年前已有飞跃性的发展,美国绿色建筑委员会制定了《绿色建筑评估体系——能源和环境设计先导》(简称“LEED”,相当于我国的标准规范)。


               美国绿色建筑发展情况
                       2001年             2006年
    公司成员(家)      1137               5500
    地区性组织 (个)    0                  63
    绿色标准建筑(座)   5                  349

    2002年在美国由2%的新建筑按绿色标准建造,到2010年,将由5%~10%的新建筑按绿色标准建造。水泥工业生产30年来,通过技术进步,已减少30%的能耗,到2010年,要在此基础上再减少10%的能耗,并且75%的工业废弃物得到再利用。
    波特兰水泥协会为了帮助水泥企业开拓市场,提高工程的耐久性,减少维修,充分利用其它工业的废弃物,专门为建筑商、房地产商出台了19项绿色建筑的制造方法、38个案例、8个绿色建筑的标准。并对木质建筑与混凝土建筑进行了大量的对比与研究,得出的结论是:房屋建成后的前7年,木质建筑的能耗低于混凝土建筑,7年以后,木质建筑的能耗将高于混凝土建筑,为提高混凝土建筑的比例,从而达到增加水泥的用量,扩大水泥市场的消费。波特兰水泥协会还对钢结构建筑与混凝土建筑进行了对比,得出混凝土建筑优于钢结构建筑的结论。另外,通过减化设计规范、各地巡回展览、讲座、技术支持、编制设计软件、印刷宣传材料免费送给开发商和建筑师等方式,推广混凝土的应用。如高达345m、92层的CONDO HOTEL全部采用55~57MPa的高性能混凝土达11000 立方米。
    在民用建筑方面,波特兰水泥协会根据水泥或水泥基材料的特点,总结出混凝土在民用建筑的优点:持久、能耗效率高、节约维修费用、有利于环保、舒适性好、建筑投资低等。由于种种原因,在美国大部份民用建筑还是使用木材,但通过他们的努力,及与政府联合开展混凝土的推广工作,取得了明显的成效。

    美国混凝土民用建筑占全部民用建筑的比例
             1993年            2005年
              3%                10%

    另外,白水泥固有的修饰作用及与环境协调一致、低消耗、耐腐蚀等特点,在美国作装饰混凝土呈上升趋势,预计2007年将消耗2400万立方米,主要用在人行道、广场、车道、公共建筑物的装饰等。

    美国波特兰水泥协会
    美国波特兰水泥协会(PCA)有45家会员单位,分布在美国和加拿大,会员单位的水泥熟料生产能力分别占美国、加拿大的97%、100%,该协会共有工作人员94人,2006年预算开支2500万美元(其中,1800万美元来自于会费,700万美元来自于出版物和举办会议的注册资金),会员单位缴纳会费的额度根据美国波特兰水泥协会每年的预算,按每吨产量缴纳,2005年为0.17元/吨、2006年为0.07元/吨、2007年预计为0.15元/吨。波特兰水泥协会主要包括:加拿大水泥协会(波特兰水泥协会在加拿大的分支机构)、建筑技术实验室(CTL,波特兰水泥协会的研究机构,现已独立)、教育基金委员会(对开设硅酸盐专业的高等院校开展课题研究提供资金支持,每年支持的项目有7~8个)、美国混凝土及地面材料协会(由施工单位组成,主要在公路建设方面)。
    波特兰水泥协会的主要工作:技术研究、市场调查、人才培训(对高等院校水泥专业的资金支持)三部分工作组成。
    波特兰水泥协会的董事会来源于各会员单位,董事会名额根据企业生产产量的多少确定,小的公司一般为2~3人,大的公司为7~8人。
    建筑技术实验室(CTL)因为每年营利很高,根据美国的有关法律,波特兰水泥协会是非营利机构,所以,由于CTL的大量营利而影响到波特兰水泥协会的非营利性质,因此,CTL只能独立(波特兰水泥协会持有少量股份,且CTL全部租用了波特兰水泥协会的办公用房,每年向波特兰水泥协会上缴房租)。另外,美国混凝土协会(ACI)属于技术机构(相当于我国的学会),作为对波特兰水泥协会的技术支撑。

    美国混凝土协会
    美国混凝土协会(ACI)有工作人员88人,15000家会员单位,会员主要为商品混凝土商、工程承包商、房地产开发商、水泥厂、大型商场(如沃尔玛),分布在150多个国家,其中,个人会员有14000人,其余为团体会员,在全球范围内有3000多名专家自愿为其服务,2005年预算1365万美元(其中:会费300万、培训费收入300~400万、职能鉴定费300万、广告收入50万、刊物销售300万),除出版《混凝土》杂志外、还出版《材料》和《工程》两本刊物。
    美国混凝土协会不开展研发工作,但它有116个技术委员会,会员可以参加技术委员会,协会下设10个部门:工程部、认证部、教育培训部、分会部、编辑部、会议部、市场部、财务部、会员工作部、网络信息部。
    美国混凝土协会的专家详细地介绍了高性能混凝土在城市建设方面的应用,所谓高性能混凝土,美国混凝土协会给出的定义是:与普通混凝土相比,能达到的一些特殊质量要求,如搅拌、浇注、养护等方面的指标,包括早期强度、机械力学性能、密实度、高水化性、韧性、体积稳定性、长期寿命等达到要求。“高性能混凝土”从2005年开始,才由“高强度混凝土”的名称演变而来。
    强度(抗压强度、抗折强度)、变形性、耐久性(抗渗、抗冻等)、工作性、平整性、碱集料反应、早期开裂、界面性能等性能指标体现了混凝土的优劣。
    高性能混凝土由于施工快速、寿命长,在桥梁和路面体系、预制和预应力混凝土、整体浇注、桩和基础等工程得到应用,目前,除四个州外,在全美其它州得到了应用。虽然高性能混凝土的性能很好,但施工中如不注意浇注、振动等工序,也会产生一些问题,如脱落等。
    另外,通过混凝土的自流平性能、砂浆和混凝土的变异性能及不会离析、对粗骨料的限制、超塑化剂的应用和低水灰比等达到自密实。粗石料依靠自身重量充满模板、容易通过钢筋、离析的抵抗能力使混凝土的各组分均匀分布,传统混凝土需要振动,劳动强度大,存在质量不均匀等缺陷,而利用自流平混凝土对模板的充实性、离析的抵抗力强等特点,可以快速施工,冻融性能较传统混凝土提高2倍,但成本上升10倍。在美国大口径的输水管一般用混凝土制品,而小口径的输水管一般用PVC,这种状况与我国类似。

    美国试验与材料学会国际组织
    美国试验与材料学会国际组织(ASTM)是专注标准方法的建立,不做认证方面的业务。它于1898年在费城成立,是一个独立的私人组织,不接受政府资助,为非营利性单位。年支出3000万美元,75%的收入来自于标准方法与学术资料的销售(其中的40%来自于美国以外国家和地区的购买资料的费用),25%来自于培训费。ASTM由12000个标准,含实验方法、指南、规范等,尤其以标准试验方法而著名,标准制定过程有非常严谨的程序。
    ASTM有140个标准化委员会,32000个会员分布在世界各地,有3200个ASTM标准被67个国家和地区采用后,建立各自的国家和地区标准。ASTM执行项目的基本原则,也是WTO针对国际组织所要求的,如透明度、开放度、全票通过、有效性(每5年确认一次,到8年没有修订,则该标准自动撤除)、紧密性(如有其它国际标准,则ASTM不会重复该项工作)等。
    ASTM已与47个国家签定备忘录协定(包括我国),目的是与各国标准组织建立良好的合作关系,并将所有ASTM标准送给47个国家,这些国家自动成为ASTM会员国,无需任何费用,但使用国应提供本国使用ASTM标准的年度报告,如使用情况(等效、等同、部分采纳等)报ASTM,工业化发达国家需要付费。在140个技术委员会中有100个技术委员会由我国的专家参与,ASTM希望在制修订标准中,有更多的声音来自中国。中国采用ASTM标准大约500项,建立我们自己的国家标准。任何对ASTM有兴趣的个人和团体都可以提出自己的建议,各技术委员会都有一个专业经理人,负责会议期间及会议之间的协调工作。水泥委员会有400个会员,水泥混凝土有1000个会员。它与ACI的区别是:ACI是负责设计与施工标准,只要涉及到实验方法,都会参考ASTM标准;ASTM专门负责标准规范的实施,它们两者之间有专门的协议。ASTM建立标准的步骤;是否需要(是否已有标准),如没有类似的标准,那么ASTM会员就可以起草,这是由下而上的程序,ASTM提供的是一个严谨的程序。起草标准之前,需要在网上公示,告知全球ASTM正在开展该项工作。
    ASTM也针对经济社会的评估。ASTM董事会主席实行轮值制,轮值期一年。

    美国绿色建筑学会
    美国绿色建筑学会成立于1993年,属非营利、非私人、非政府组织。有6500名会员,大部分为建筑师、设计师、绿色建筑生产商等,学会现有工作人员大约80人,在全国各地设立了70个分部,年度支出2500万美元,经费的主要来源为会费、培训费、会议收入三部分。该学会制定的绿色建筑评估体系——能源和环境设计先导(LEED)对全美国建筑都是适用的,从本质上说,LEED是评价指标体系,推广绿色建筑的原因是经济效益(易被购买与出租),评价绿色建筑是通过第三方评定,推广绿色建筑主要是税收优惠(如房产税),建筑工程申报时,如符合LEED的要求可以得到政府有关部门的快速批准(30~40天),否则将需要几个月的时间,LEED不是强制标准,但各州政府以LEED为参考,在许多方面予以支持或财税优惠。在LEED出台前,社会上各方都说自己是绿色建筑,LEED出台后由建筑学会负责认证工作。地方政府在推广LEED之后,因为在单位面积的土地上可以建更多的房屋,所以在资金上予以支持。有的地方政府通过强制性的手段来推广私有建筑执行LEED,但建筑学会认为这样做不合适,因为这仅仅是推荐性标准,但对政府的建筑来说,强制推广LEED是可行的,同样是因为LEED是鼓励性标准。美国绿色建筑学会正在努力制定建筑的强制性行业标准,一旦该标准出台,那么它的指标将低于LEED。在认证工作方面,学会本身不开展该项工作,它通过有其审定通过的社会化的认证公司为其服务(认证公司由学会认定),申请认证企业与学会签定合同,学会交给认证公司开展认证工作,认证公司按照申报企业得分情况给予相应的等级。通过认证的分为四等;LEED认证、LEED银质认证、LEED金质认证、LEED铂金认证。

    格雷斯公司
    格雷斯公司(GRACE)成立于1854年,2005年度销售额达到26亿美元,6400名员工分布在40多个国家,1953年在纽约证券上市,与建材相关的产品有:水泥助磨剂、混凝土外加剂、密封材料、保温隔热材料、包装材料等。格雷斯公司在17个国家建立了自己的实验室,研究人员200多人,其中一半在国外试验室工作,研发经费2005年达到1730万美元,占销售额1.6%;2006年度研发经费达2280万美元,占销售额的1.8%;预计到2009年研发经费将达到4760万美元,占当年销售额的2.4%。格雷斯公司开发新产品的三条原则是:市场认可、顾客需要、技术可行。新产品的开发过程:计划——中试——产品。格雷斯公司在国外投产的第一家生产企业就在我国的上海,在北京也有生产基地。该公司开发的水泥助磨剂与混凝土外加剂历史较长,1931年就在麻省公路上使用,水泥助磨剂主要用于减少能耗和改进质量,水泥助磨剂的机理是让熟料表面的铁离子被溶解,使颗粒内部继续水化,达到提高强度的目的。另外,欧洲标准要求水泥中的Cr6+要低于2PPm,波特兰水泥一般在5~15PPm,因为在熟料烧成中Cr3+→Cr6+,加入助磨剂后起到氧化还原反应,由Cr6+→Cr3+从而降低了Cr6+的浓度。格雷斯公司的产品从1931年开始在水泥与混凝土中同时使用,研究开发的各类产品都考虑到外加剂的加入是否有利于混凝土性能的提高。当前,对水泥的要求从强度、耐久性等方面越来越严格,但矿山品位、原材料的质量越来越低,为了提高水泥的质量,最终提高混凝土的质量,那么外加剂的使用就显得格外的重要。

    加拿大自然资源部能源技术中心
    加拿大自然资源部能源技术中心成立于1998年,37家公司参与了中心工程楼的建设,为了加速技术研发和市场化需求,做到面向国内外开展的一项示范性工作,该中心从房屋的门窗、墙体的隔热保温、LOW—E玻璃的使用,房屋的气密性等整体考虑,取暖效率达到91%。具体步骤为:建造2栋房屋,一栋为标准的房屋,另一栋为测试房屋,各种新技术新产品在测试房屋上集成,测试房屋与标准房屋相比较,1:1的模拟建筑居住时的测试每天达63~200次、模拟家庭人口(2+2)、检测实际消耗的能量(水、电、气等)、模拟控制室有6000米的线路集中汇集在楼下的车库,这套体系实际检测了6年,研制的加热装置(生产热水)比一般设备节能10%,加拿大政府综合了这套设备的优点,在加热、净化空气中使用,实验房屋淋浴后的热水的热量进行回收,使得7~10℃冷水变成20℃的温水,同时将房间中呼出的热空气通过特制的膜,加热室外进入房屋的冷空气;反之,夏天也是一样,由膜冷却室外进入室内的热空气。电机由直流代替交流,节电达2/3,夏天节电达33%。在夏天同时使用遮阳设施,减少用电负荷。用以上技术建造了10000幢房屋,成本增长2%~3%,维修成本与标准房屋相差无几,这些技术已被社会认可,并逐渐被建筑商采纳,另外,针对现有房屋可以通过标定、检测,再进行改造。

    加拿大房屋抵押与房产公司
    加拿大房屋抵押与房产公司是加拿大政府的一个办事机构,主要工作是为建造优质房屋给予技术支持,该公司提出了零能耗建筑的概念,公司由学者、施工单位、建材制造商等组成。零能耗建筑主要是为建筑师、开发商提出要求,节能、健康、低成本、建筑使用能耗尽量降低,零能耗建筑是技术集成,是社区整体的、持续发展计划,降低环境负荷包括水、地、空气的消耗。该公司在2005年7月宣布:在2007年建成6~12幢样板房,2010年有社区规模的房屋1500幢,2030年全部新建住房实现零能耗,它是加拿大今后清洁能源的有效组成部分。加拿大是温室气体排放第四大国,房屋产生的温室气体占全国气体排放的16%,每人每年排放二氧化碳5.6吨,其中一半来自房屋加热和空调制冷、采光照明等。
    加拿大单套房屋面积太大,为了减少房屋使用能源消耗,在保证房屋质量、健康、减少温室气体排放的同时,实现零能耗。具体办法:采用太阳能取暖、制冷;门、窗材料的选择和朝向的设计;高效维护结构体系的开发;风力、水力、热泵的统合利用;再生水、雨水的使用等。目前,加拿大房屋抵押与房产公司已从申报的20家建筑商中择优选择6~12家施工单位,并设计了IDP软件开展该项工作。预计每幢房屋售价在5~10万加元。

    二、启示
    (1)美国、加拿大都非常重视节能、环保工作。尽管他们的单位GDP能耗较低,环境质量、空气质量也很好,但从我们所到之处听到的或看到的,他们都非常重视节能、环保工作。尤其是建筑节能、环保工作,从原材料的选择到建筑施工、从墙体保温隔热到门窗的设计、甚至窗户的朝向都加以精心考虑,从太阳能的充分使用、到雨水收集、中水循环使用,都做了实实在在的工作,并成立了相应的机构。在环保方面,非常注重温室气体的排放,重视人、自然、环境的和谐与统一。
    (2)国外行业组织非常重视标准的制修订工作,在标准的制修工作中,重视吸收国内外专家学者的作用,善用外脑,并听取不同的意见,尤其是反对意见。在制修订标准之前,特别注重标准制修定订程序的确定,在公正、公开、公平的游戏规则下,调动方方面面的积极性。
    (3)国外行业协会为企业服务已经将重点转移到为企业积极开拓市场上来,如美国波特兰水泥协会,经过深入的调查研究,对比了混凝土建筑与木质建筑、混凝土建筑与钢结构建筑的优缺点,在投资成本、维修及舒适性方面做了大量细致的工作,提出了混凝土建筑的优异性能,并与政府有关部门积极配合,在工业与民用建筑上推广混凝土的使用,进而达到提高水泥的使用量,直接或间接地帮助企业扩大市场销售。
    (4)改革开放以来,我国的经济建设取得了很大成绩,并得到各界的认可,这引起了国外建材行业的重点关注,我国是世界上最大的市场,吸引着世界各国的制造商、供应商,我国的节能、环保工作也引起各方面的广泛关注,我们应该加强与国外有关行业组织的联系,交流信息,特别是在建筑节能与节能建材的研究发展方面加强合作。同时,我们的协会工作也要在为会员单位服务方面找出不足,进一步转变观念,努力在引导行业健康发展和帮助会员企业拓展市场方面作出贡献。

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