王薇，程歆玥

(1.安徽建筑大學(xué) 建筑與規(guī)劃學(xué)院，安徽 合肥 230022；2.安徽建筑大學(xué) 建成環(huán)境與健康重點實驗室，安徽 合肥 230022)

0 引言

隨著我國城市化進程的不斷發(fā)展，城市建設(shè)用地和綠化用地的矛盾不斷加大，生態(tài)環(huán)境問題日益突出。垂直綠墻作為城市建筑創(chuàng)新和品質(zhì)提升的重要方式之一，也是應(yīng)對高密度城市開發(fā)問題直接有效的方式之一，對解決生態(tài)環(huán)境問題具有積極的作用。目前，城市立體綠化主要以屋頂綠化為主，但大部分屋頂被蓄水箱、排風(fēng)口、太陽能板等設(shè)備占用，城市綠化面積嚴重不足。而建筑外立面面積是平面面積的4-10 倍，因此作為新型節(jié)能方式的垂直綠墻能顯著增加城市綠化面積和城市的綠量。據(jù)報道，中國垂直綠墻需求量已達300 億m2以上。[1]

在城市層面，垂直綠墻不僅可以減少城市熱島效應(yīng)，降低細顆粒物濃度，改善空氣質(zhì)量，還能保持建筑、人與自然的平衡，提供生物多樣性，營造自然動物棲息地，重構(gòu)城市建筑生態(tài)平衡[2-5]。在建筑層面，垂直綠墻可以形成良好的視覺效果，具有保護墻面、延長建筑的使用壽命，隔熱保溫降噪、提高建筑熱濕穩(wěn)定性，降低建筑能耗等優(yōu)點，還能增值房地產(chǎn)價值[6-9]，提高可持續(xù)發(fā)展評級。在室內(nèi)層面，垂直綠墻具有隔斷空間、柔化空間、緩解疲勞的優(yōu)點，還能有效吸收空氣中的甲醛、TVOC 等有害物質(zhì)，改善室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量。

然而垂直綠墻投資成本高、植物容易死亡、難以維護、使用年限短、性能不穩(wěn)定且難以量化等仍是需要解決的問題。目前關(guān)于垂直綠墻的研究多集中在圍護結(jié)構(gòu)外的綠墻對建筑內(nèi)部熱工性能的影響，以及室內(nèi)綠墻植物種類等方面，而關(guān)于垂直綠墻對建筑室內(nèi)外環(huán)境影響的研究不多。

1 垂直綠墻的研究方法和評價標準

1.1 垂直綠墻的概念

垂直綠墻又稱墻面垂直綠化，即在建筑圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)外進行垂直綠化，以綠植作為裝飾材料主體來進行空氣治理和美化環(huán)境的建筑節(jié)能方式，[10]作為一種立體綠化的形式，被廣泛地應(yīng)用于室內(nèi)空間或室外墻面。

1.2 研究方法

垂直綠墻的研究主要集中在室內(nèi)外熱濕環(huán)境和室內(nèi)細顆粒物濃度這兩方面，實驗方法有實測、模擬和實測加模擬3 種方式，針對不同的評價標準，實驗設(shè)備及分析軟件也不盡相同。[11-29]根據(jù)垂直綠墻與氣象要素、熱濕環(huán)境、空氣質(zhì)量等影響因素的相關(guān)性研究，常采用的實驗設(shè)備主要有英國PPSystems 公司的CIRAS-1 光合測定系統(tǒng)、瑞典Swema 公司的Swema 3000 多功能測量儀、日本天特公司的TR-72U 溫濕度自記儀以及美國戴維斯公司的VantagePRO2 氣象站等。

1.3 評價標準

國內(nèi)外對垂直綠墻的評價標準主要有兩個方向：一是感性的方向，強調(diào)人對垂直綠墻的主觀感受，主要采用問卷調(diào)查，如人們對于垂直綠墻視覺上美觀程度，嗅覺上芳香與臭味，垂直綠墻對人體舒適度的影響等；二是理性的方向，強調(diào)儀器設(shè)備或模擬軟件的科學(xué)分析，主要采用聲、光、熱、風(fēng)、環(huán)境等5 個物理環(huán)境因素。多數(shù)研究者評價因子采用溫濕度[11，14-17，20]，也有采用負離子濃度[18，19]、空氣污染物[21-24]、二氧化碳[25]、空氣流速[26]、降噪效果[12]等，如表1 所示。

2 垂直綠墻對建筑環(huán)境的影響

垂直綠墻的多樣屬性決定了它與室內(nèi)外建筑環(huán)境均具有相關(guān)性。作為建筑圍護結(jié)構(gòu)，與熱濕環(huán)境存在關(guān)系；作為建筑環(huán)境中的植物，與空氣質(zhì)量存在關(guān)系；作為建筑墻體材料，與建筑節(jié)能存在關(guān)系。

在合適的時間、地點、方位設(shè)計垂直綠墻，將合適的建筑墻體、植物、培植基質(zhì)、支撐結(jié)構(gòu)相互組合，進行養(yǎng)護管理，能夠有效改善建筑熱濕環(huán)境與室內(nèi)外空氣質(zhì)量。

表1 垂直綠墻的評價標準及研究方法

2.1 垂直綠墻與熱濕環(huán)境

熱濕環(huán)境是建筑環(huán)境的重要組成部分，由濕度、溫度、風(fēng)速、太陽輻射等因素影響[27]。研究表明[28]垂直綠墻在夏季可以降低室溫3-5 ℃，降低建筑周圍氣溫0.5-4 ℃。因此，垂直綠墻不僅吸收了周圍環(huán)境中熱量，還能明顯改善建筑及其周圍的空間環(huán)境，降低室內(nèi)溫度，提高室內(nèi)濕度[17，28-32]，從而緩解建筑周圍熱島效應(yīng)。

2.1.1 構(gòu)成因素

垂直綠墻對熱濕環(huán)境的影響與植物相關(guān)。植物葉面積指數(shù)越大，葉片層總體厚度越大，葉片密度越大，葉片面積覆蓋率越大，葉片陽光透過率越小，改善溫度和相對濕度的效果越顯著。[33，34]垂直綠墻降溫效果除了受植物對太陽輻射的吸收和反射，植物的葉密度、顏色、水分含量、葉毛和葉厚的影響外[35]，還受到植物蒸騰作用，空氣間層遮光效應(yīng)等影響[36]。

垂直綠墻對熱濕環(huán)境的影響與培植基質(zhì)相關(guān)。隨基質(zhì)內(nèi)濕度的變化，綠墻的保溫隔熱作用會發(fā)生較大變化，室內(nèi)綠墻的降溫作用是通過培植水體的蒸發(fā)和植物的蒸騰作用實現(xiàn)的[26，37]。

垂直綠墻對熱濕環(huán)境的影響與圍護結(jié)構(gòu)相關(guān)。綠墻的隔熱性能隨植物密度和空腔內(nèi)空氣變化率[38]、空氣空腔尺寸以及綠墻和主體結(jié)構(gòu)之間的距離[39]而變化?？涨粌?nèi)的空氣流速在通過對流傳熱進行冷卻中起著關(guān)鍵作用[40]，然而對于植物層內(nèi)和植物層后面的空氣運動如何影響冷卻[39]卻知之甚少。

2.1.2 時間因素

多數(shù)學(xué)者認為垂直綠墻對熱濕環(huán)境的影響與時間有關(guān)。劉艷峰等[41]發(fā)現(xiàn)采用綠墻后，外墻白天降溫效果更好，內(nèi)墻夜間保溫效果更好，綠墻對室溫起到“削峰填谷”的作用。Galagoda 等[42]發(fā)現(xiàn)秋冬季11：00-15：00 綠墻外墻面降溫顯著，與裸墻相比，綠墻前0.1 m 相對濕度增量降低了1.6%-1.81%。Olivieri[43]研究發(fā)現(xiàn)冬春季白天，有綠墻的房間室溫比無綠墻的低20%。Feitosa 等[44]研究發(fā)現(xiàn)冬季綠墻濕球溫度最大差值發(fā)生在下午，而最小差值是晚上和清晨。周賽華等[45]研究發(fā)現(xiàn)對夏季全天而言，有綠墻的室溫和無綠墻相比，其差值基本保持不變。

垂直綠墻對熱濕環(huán)境的影響與季節(jié)有關(guān)，垂直綠墻夏季隔熱，某些情況下冬季保溫，且大量實驗傾向于強調(diào)夏季的效益[46]。武漢綠墻在夏季降溫保濕效果更好，在冬季保溫除濕效果更好[47]；深圳綠墻降溫增濕效果夏季＞春季＞秋季＞冬季[48]。同一季節(jié)不同溫度下，垂直綠墻的保溫性能也存在差異。上海秋冬季節(jié)室外氣溫在15-20 ℃時，綠墻保溫性能達到最大值[49]，可能的原因是冬季綠墻植物落葉后既不影響建筑得熱，其植物莖條還形成一層保溫層，有效調(diào)節(jié)白天室內(nèi)氣溫[50]。

2.1.3 地區(qū)因素

垂直綠墻對熱濕環(huán)境的影響與不同地區(qū)的氣候條件有關(guān)。對于此研究是分別在溫帶、大陸性和干燥氣候地區(qū)進行的，大量調(diào)查是在受控的實驗室或溫室環(huán)境中進行的，對于不同的地區(qū)，垂直綠墻預(yù)計節(jié)能35%-90%之間。[51]日本東京地處亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，研究發(fā)現(xiàn)[52]東京某綠墻外墻溫度降低了18%，內(nèi)墻溫度降低了7%。新加坡地處赤道多雨氣候，研究指出[53]新加坡有無綠墻最高日溫差達3.3 ℃。意大利巴里屬于亞熱帶地中海氣候，與裸墻相比，垂直綠墻在夏季降溫最高達9.0 ℃，在冬季降溫最高達3.5 ℃[54]。澳大利亞阿德萊德屬于地中海氣候，當(dāng)?shù)鼐G墻可降低建筑表面溫度8-11 ℃[55]。

2.1.4 方位因素

垂直綠墻對熱濕環(huán)境的影響與不同方位有關(guān)。多數(shù)研究表明優(yōu)先在建筑西立面使用綠墻可達到最大的利益價值，建筑北立面綠墻價值不大。植物為五葉地錦的綠墻，在正午頂部、東部、南部、西部和北部綠化分別降溫5.77%、4.21%、4.45%、3.36%和1.6%[56]，其不適合用作北面綠墻綠化[57]。綠墻西面綠墻能較大影響降溫速率[58]，降溫效果東南西面優(yōu)于北面[45]，節(jié)能效果西面＞東面＞南面＞北面[59]。

2.1.5 其他因素

Nori 等[60]研究表明，在晴天對比墻面和綠墻的溫度差最大可達24.6 ℃，而在多云天氣下溫差僅為3.1 ℃。目前，有關(guān)雨天、雪天、霧天、霧霾天等多種天氣因素下的研究較少。Hopkins GK 等[61]對強風(fēng)環(huán)境下的綠墻研究表明，強風(fēng)可能會造成植物葉片以及根系水分的迅速流失。佩里尼[62]以荷蘭一座兩層磚混建筑為研究對象，測試其西北立面上覆蓋的20 cm 厚常春藤層中心的空氣流速，研究顯示植物覆蓋的墻體附近空氣流速，相比無遮蔽墻體附近要低84%。

2.1.6 垂直綠墻對熱濕環(huán)境的影響

垂直綠墻的植物狀態(tài)、培植基質(zhì)的含水率及蒸發(fā)量、圍護結(jié)構(gòu)與墻體距離都對熱濕環(huán)境存在影響。垂直綠墻在全天時間段，對環(huán)境溫度起到“削峰填谷”的作用。建議在夏季晴天，風(fēng)速適中情況下，對建筑西立面進行垂直綠化，這能更有效地降低建筑室內(nèi)外環(huán)境的溫度，增加相對濕度。對于不同地區(qū)的垂直綠墻，因地制宜地選用綠植能達到較好的節(jié)能效果。

2.2 垂直綠墻與空氣質(zhì)量

垂直綠墻可以通過植物滯留、附著和粘貼細顆粒物，以及其高密度的排列方式，有效降低室內(nèi)外PM2.5、PM10的濃度，對甲醛、PM2.5、PM10、苯、甲苯、TVOC 的去除率分別達到90%、80%、92%、82%、85%、83%。[17]每平方米的垂直綠墻可以吸收1.375% 的CO2，減少11% 的碳排放。[63]通過測量垂直綠墻植物內(nèi)外污染物濃度或室內(nèi)外空氣中指標數(shù)值，可以判斷垂直綠墻對室內(nèi)外空氣質(zhì)量的改善作用。

2.2.1 植物種類因素

垂直綠墻植物與空氣負離子濃度有關(guān)?？諝庳撾x子被譽為“空氣維生素和生長素”，具有殺菌降塵、清潔空氣的功效。[64]王薇等[18]根據(jù)植物釋放的負離子濃度高低提出建議，陰天優(yōu)先選擇綠蘿，晴天優(yōu)先選擇金邊虎尾蘭；白天選擇蘆薈和白掌，夜晚選擇金邊吊蘭和金邊虎尾蘭。吳仁燁等[19]對36種植物研究發(fā)現(xiàn)琴葉榕產(chǎn)生的負離子濃度最高，在自然狀態(tài)下，絕大多數(shù)植物產(chǎn)生的負離子濃度都是白天高于夜晚。

垂直綠墻植物與室內(nèi)污染物有關(guān)。在19 世紀80 年代初，美國航天局(NASA)[22]研究已發(fā)現(xiàn)對甲醛、苯、CO2等去除效果最好的10 種植物，而我國對垂直綠墻植物吸收室內(nèi)空氣污染物的研究起步較晚，且多數(shù)集中在植物清除甲醛能力這一方面。研究發(fā)現(xiàn)綠蘿和吊蘭對室內(nèi)甲醛吸收效果好[65]，富貴竹對于甲醛、TVOC、苯的去除效果較好，但持續(xù)性較差；綠蘿對于甲醛的去除效果穩(wěn)定性且持續(xù)性較好[66]。

根據(jù)以上研究，植物種類因素對垂直綠墻與空氣質(zhì)量的關(guān)系確實存在顯著關(guān)系，但植物對污染物的作用機理卻存在差異，其與葉片[53、67]和根際有關(guān)[22]，可能靠葉片微生物作用[68]，也可能靠培植基質(zhì)水體流動和環(huán)境通風(fēng)[69]，還可能通過植物細胞代謝、使用吸附能力較強的基質(zhì)等方面實現(xiàn)[70、71]。

2.2.2 場地環(huán)境因素

垂直綠墻與室外空氣質(zhì)量有關(guān)。建筑密集區(qū)域空氣不易流通，從而形成空氣死區(qū)，造成高濃度空氣污染物的集聚[72]。對于狹窄街道，垂直綠墻底部細顆粒物濃度會因“爬墻效應(yīng)”而更高[23，24，73]。在沒有樹木的街道近似于沒有垂直綠墻的場地，其每升空氣中含有10 000-20 000 個塵埃微粒，但有垂直綠墻的場地塵埃微粒是前者的1/3-1/7，每升空氣中僅含有3 000 個塵埃微粒。[74]

垂直綠墻與室內(nèi)空氣質(zhì)量有關(guān)。研究表明，人們平均每天在室內(nèi)度過的時間為總時間的88%，只有5%的時間是在室外度過的。因此，室內(nèi)空氣質(zhì)量對健康的影響比室外更大。[64]絕大多數(shù)垂直綠墻的空氣凈化能力有限，室外空氣重污染和滯塵都會影響植物光合作用，而室內(nèi)空氣小環(huán)境、輕污染對垂直綠墻的凈化作用影響較小[75]。

2.3 垂直綠墻與建筑墻體材料

太陽直接輻射到建筑會引起建筑墻體材料提前老化和開裂，而垂直綠墻則可以緩解這一缺陷。垂直綠墻不僅為墻體遮擋雨水，同時受到垂直綠墻保護的建筑墻體材料的維護成本也會降低，從而節(jié)省建筑墻體壽命周期成本，延長建筑生命周期[76]。

2.3.1 建筑墻體材料種類因素

建筑墻體材料的類別對垂直綠墻的選擇有一定影響，垂直綠墻除植物外，主要的建筑墻面材料有混凝土、鋁板、玻璃幕墻、金屬網(wǎng)、鋼材等。住宅建筑灰砂磚表面設(shè)置垂直綠墻的節(jié)能效果優(yōu)于混凝土墻[59]；以鋁型材為建筑墻面材料，能更環(huán)保地改善室內(nèi)空氣質(zhì)量[77]。墻面越粗糙越有利于植物的攀爬，而活墻能有效避免建筑材料的限制[47]。目前垂直綠墻已不局限于植物和建筑墻體材料的簡單組合，還出現(xiàn)了可進行光合作用的人工綠葉墻體，地衣附著于無毒水基樹脂上的苔蘚墻磚[78]，微藻生物墻[79]等。

2.3.2 建筑墻體材料透明度因素

建筑材料的透明度與建筑節(jié)能效果呈現(xiàn)顯著關(guān)系，不同的外墻透明度會影響垂直綠化墻的節(jié)能效果。在其他條件相同的情況下，垂直綠墻冷負荷減少量，100% 不透明＞60% 不透明＞40% 不透明[59、80]。一定條件下，建筑材料的透明度與建筑節(jié)能效應(yīng)呈現(xiàn)顯著的負相關(guān)關(guān)系，但在設(shè)計垂直綠墻時要注意建筑外墻材料透明度和植物遮陰性的矛盾[78]。

2.3.3 垂直綠墻對建筑墻體材料的影響

垂直綠墻目前墻體材料革新較快，除去綠植墻體組合式垂直綠墻，還有綠植墻體合成式垂直綠墻出現(xiàn)。垂直綠墻依附的建筑墻體表面越粗糙、透明度越低，保溫節(jié)能效果越好。推薦附壁式垂直綠墻使用粗糙不透明墻體。

3 總結(jié)與展望

3.1 總結(jié)

3.1.1 垂直綠墻對熱濕環(huán)境的影響

垂直綠墻對環(huán)境溫度起到“削峰填谷”的作用。在夏季晴天、建筑西立面進行垂直綠化，能更有效地改善建筑室內(nèi)外熱濕環(huán)境；而在冬季、建筑北立面進行垂直綠化效果不顯著，關(guān)于陰雨天等其他不同氣候下的垂直綠墻對熱濕環(huán)境的影響研究尚不健全。目前研究已知垂直綠墻對熱濕環(huán)境的影響與自身植物相關(guān)，而植物如何影響溫濕度還有待研究。

3.1.2 垂直綠墻對空氣質(zhì)量的影響

垂直綠墻植物與室內(nèi)負離子濃度有顯著正相關(guān)關(guān)系，與細顆粒物濃度和其他空氣污染物有顯著負相關(guān)關(guān)系，但植物對污染物的作用機理存在差異。垂直綠墻植物能提高室內(nèi)負離子濃度，降低細顆粒物濃度，對甲醛的去除效果穩(wěn)定性也較好。但當(dāng)前植物種類有限，垂直綠墻在不同場地環(huán)境下的研究也較少。

3.1.3 垂直綠墻對墻體材料的影響

垂直綠墻依附的建筑墻體表面越粗糙、透明度越低，保溫節(jié)能效果越好。推薦附壁式垂直綠墻使用粗糙不透明墻體。目前墻體材料更新頻繁，與植物組合方式多樣，品類的多樣化造成較難選擇最合適的垂直綠墻。

3.2 展望

垂直綠墻的研究涉及建筑學(xué)、風(fēng)景園林、環(huán)境工程、植物學(xué)等相關(guān)學(xué)科，但目前建筑設(shè)計過程中并未統(tǒng)籌考慮，因而需要加強學(xué)科間的交叉融合，統(tǒng)籌設(shè)計過程，不斷拓展垂直綠墻的應(yīng)用空間。

3.2.1 拓展室內(nèi)外垂直綠墻植物種類

垂直綠墻對于城市熱島效應(yīng)改善和建筑節(jié)能的效果具有重要的實踐意義和社會價值，不同氣候區(qū)域應(yīng)選擇適宜的垂直綠墻植物，使其更適合本土環(huán)境，強化地域特色。同時可以進一步探索綠墻與立體農(nóng)場或立體草藥種植結(jié)合，發(fā)揮其農(nóng)業(yè)、藥學(xué)價值。

3.2.2 開發(fā)外墻保溫裝飾一體化的綠墻系統(tǒng)

楊經(jīng)文曾說過：“我們需要開始采用柔軟的、自然的材質(zhì)建設(shè)我們的城市，而不是堅硬的非自然的材料?！痹谌司迎h(huán)境日益嚴峻的當(dāng)下，用“綠墻森林”代替“鋼筋混凝土森林”，將綠植和建筑墻面材料結(jié)合設(shè)計，開發(fā)新型建筑外墻材料和室內(nèi)墻面材料都有待進一步的開發(fā)研究。