張蕾 ZHANG Lei 王 薇 WANG Wei

0 引言

近年來，由于土地過度開發(fā)及混凝土結(jié)構(gòu)使用率指數(shù)級增長，城市綠地面積減少，導(dǎo)致城市建設(shè)用地和綠化用地之間的矛盾不斷加大，生態(tài)環(huán)境問題日益突出[1]。受全球氣候變化的影響，城市氣溫持續(xù)上升，能源問題更是加劇了城市的空氣污染。城市人口也趨于高密度，已有超過50%的人口居住在城市，且這一比例還在持續(xù)上升中，預(yù)計(jì)到2030年將達(dá)到70%；同時(shí)，住宅和商業(yè)建筑能耗也將占到全球年總能耗的30%～50%。

隨著可持續(xù)發(fā)展政策的實(shí)施，這一趨勢開始有所緩解[2]。實(shí)踐表明，優(yōu)化建筑性能、提高綠色基礎(chǔ)設(shè)施，是減少全球能源需求、改善空氣質(zhì)量、提升生活環(huán)境的關(guān)鍵；而垂直綠墻作為城市建筑創(chuàng)新和品質(zhì)提升的手段，也是應(yīng)對高密度城市發(fā)展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[3]。據(jù)報(bào)道，中國垂直綠墻需求量已達(dá)300 億m2[4]。在此背景下，垂直綠墻在建筑或地區(qū)的設(shè)計(jì)、建造和恢復(fù)中發(fā)揮作用，有助于城市和郊區(qū)的可持續(xù)性[1]。綠墻作為城市景觀的一種形式，不僅具有審美價(jià)值，還能提供多種環(huán)境、社會和經(jīng)濟(jì)效益[5]。本文將結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)與案例進(jìn)行分析。

1 研究方法

目前，多數(shù)研究主要關(guān)注植物對空氣質(zhì)量的影響，如PM（顆粒物）在植被上的沉積[6]、植被有關(guān)的顆粒擴(kuò)散[7]、綠墻對室內(nèi)污染物的影響[8]等；但以綠墻為主體，綜合研究其對建筑空氣質(zhì)量的影響因素有限，且大部分研究在歐洲地區(qū)開展。本文通過知網(wǎng)和Web of Science（WoS）的高級檢索功能，對“綠墻、垂直綠化、綠色表皮、綠色活墻”與“建筑環(huán)境、空氣質(zhì)量、污染、PM、灰塵、煙塵、微粒、VOC（揮發(fā)性有機(jī)化合物）、CO2”、“green wall、vertical green、living wall、evergreen、green infrastructure”與“air quality、pollution、PM、ultrafine、particulate matter、dust、soot、particle、VOC、CO2”兩組詞匯進(jìn)行交叉檢索；同時(shí)，在谷歌學(xué)術(shù)上使用相同的關(guān)鍵詞進(jìn)行搜索，截至?xí)r間為2022 年7 月。除綠墻外，其他有關(guān)城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施類型的文獻(xiàn)均不納入本文。

2 綠墻系統(tǒng)與影響環(huán)境空氣質(zhì)量的常見因素

2.1 綠墻系統(tǒng)

根據(jù)綠墻系統(tǒng)的施工技術(shù)和主要特點(diǎn)，各國學(xué)者使用的術(shù)語不同。本文中，綠墻系統(tǒng)指任何垂直表面（如立面、外墻、窗墻、隔墻等）上的綠化系統(tǒng)，包括在建筑物表面、上部或墻內(nèi)種植植物等不同方式。結(jié)合文獻(xiàn)[9]，整理歸納綠墻的分類及特征（圖1）。一般而言，綠墻可分為綠色表皮（green fa?ades，簡稱GF）和活墻系統(tǒng)（living walls system，簡稱LWS）兩類。其中，綠色表皮通常指沿墻壁生長的攀緣植物；活墻系統(tǒng)則指運(yùn)用材料和技術(shù)使多種植物在建筑表面共同生長的系統(tǒng)。

圖1 綠色墻體的分類

2.1.1 綠色表皮

綠色表皮是地面土壤培育出的植物綠墻，通過木本或草本攀爬植物，直接依附建筑墻面或依靠支撐系統(tǒng)生長，可分為直接綠色表皮和間接綠色表皮（圖2a）。其中，間接綠色表皮指攀緣植物或?qū)盈B地被植物經(jīng)過培育覆蓋特殊設(shè)計(jì)的支撐結(jié)構(gòu)，而歐洲和北美對剛性面板和電纜系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新，使藤蔓和侵略性植物的生長得以實(shí)現(xiàn)。它們能夠改變并美化不適宜的建筑立面，使植物遠(yuǎn)離墻壁和其他建筑表面，通常需要3～5 年才能完全覆蓋[2]。

2.1.2 活墻系統(tǒng)

活墻系統(tǒng)包括植物和附著在建筑墻壁上的支撐結(jié)構(gòu)，由預(yù)先種植的面板、垂直模塊或種植毯組成，以屏風(fēng)、托盤、容器、種植磚或柔性袋為單位，垂直固定在結(jié)構(gòu)墻或框架上[10]（圖2b）。其中，面板可由塑料、膨脹聚苯乙烯、合成纖維、黏土、金屬和混凝土制成，能夠滿足植物物種的高密度和多樣性[2]；非地面培育的栽培模式大大增加了應(yīng)用的可行性，使其能夠快速、均勻地覆蓋建筑表面。相比綠色表皮，活墻系統(tǒng)的安裝和維護(hù)成本更高，需要更高頻率地灌溉施肥、維護(hù)和更換基質(zhì)。

圖2 綠色表皮與活墻系統(tǒng)及其生根系統(tǒng)[9]

2.2 影響環(huán)境空氣質(zhì)量的常見因素

利用美國農(nóng)業(yè)部林業(yè)局開發(fā)的城市森林效應(yīng)干沉降模型，學(xué)者們對綠色系統(tǒng)中影響環(huán)境空氣質(zhì)量的常見因素進(jìn)行了研究，量化NO2、SO2、CO2、PM10和O3的濃度及每小時(shí)減少率。結(jié)果顯示：室外環(huán)境中，O3吸收量最大（52%），其次分別是NO2（27%）、PM10（14%）和SO2（7%）[11]（表1）。由于植物的生長活性和葉面作用是減少空氣中顆粒物、O3、氮氧化物和S 含量的主要原因，因此具有全年葉面作用的常綠針葉樹比落葉植物提供的環(huán)境效益更大。

表1 芝加哥不同植被類型每冠層大氣污染物的年去除率[11]

研究顯示，對于室內(nèi)環(huán)境，綠墻可以通過植物葉表面的作用，滯留、附著和粘附細(xì)顆粒物，以有效降低室內(nèi)PM2.5與PM10的濃度，對甲醛、PM2.5、PM10、苯、甲苯、TVOC（總揮發(fā)性有機(jī)化合物）的去除率分別達(dá)到90%、80%、92%、82%、85%、83%[8]；還可通過遮陽和隔熱的作用節(jié)約供暖及空調(diào)能源，間接減少發(fā)電廠排放的污染物。相關(guān)資料顯示，通過綠墻降低空調(diào)能耗，洛杉磯的燃煤發(fā)電廠可減少350 t/d 氮氧化物排放[12]。除此之外，綠墻能夠改變城市表面的反射率，從而減少光化學(xué)反應(yīng)形成的污染物；并通過蒸騰作用冷卻植被，降低周圍的空氣溫度[2]。

3 綠墻對不同建筑環(huán)境因素的影響

3.1 綠墻與PM 沉積

PM 是全球城市環(huán)境中的主要空氣污染物之一，包括有機(jī)化學(xué)物質(zhì)、酸、金屬、土壤和灰塵顆粒。PM 會對健康產(chǎn)生不良影響，長期接觸甚至可導(dǎo)致肺癌和過早死亡；此外，還會對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，而不斷增加的空氣污染也會進(jìn)一步對健康造成嚴(yán)重影響[13]。

綠墻能夠通過加壓和阻力增大顆粒在葉片表面的沉積，從而影響PM濃度，起到動量下沉的作用。由于植物形態(tài)復(fù)雜、體表面積大，易造成高空空氣湍流，因此植被比其他地表形態(tài)更能從空氣中有效捕獲污染物[14]。沉積的顆粒可以通過降水沖刷，也可以通過樹葉或樹枝落到地面，但細(xì)小的顆粒不易從植物葉片上去除[15]。部分學(xué)者指出，PM0.1像氣體污染物一樣，可以通過氣孔被吸附到葉子中，但是否會吸收以及吸收的程度還沒有被證實(shí)[16]。

3.2 綠墻的固碳能力

CO2是室內(nèi)空氣質(zhì)量的最大影響因子，其濃度的升高與“病態(tài)建筑綜合癥”密切相關(guān)，且會導(dǎo)致工作場所生產(chǎn)力的降低及學(xué)生出勤率的下降，當(dāng)CO2濃度從1.098 mg/L增加到1.830 mg/L 和4.574 mg/L 時(shí)，工作效率將顯著降低[17]。房間的CO2濃度通常作為建筑通風(fēng)充分性的替代指標(biāo)，可用來反映建筑通風(fēng)系統(tǒng)凈化其他室內(nèi)空氣污染物的能力。

Getter等[18]提出，增加基質(zhì)的深度不僅可以提供更大的碳儲存空間，還可以選擇更多的植物，包括多年生植物和樹木；綠墻效能取決于環(huán)境氣流條件、綠化位置和植物狀況等因素。植物在白天吸收CO2的速率比晚上排放CO2的速率要高得多，這使得綠化能夠?qū)⒏浇貐^(qū)的CO2濃度降低近2%。

作為綠墻設(shè)計(jì)的初衷，植物的固碳效應(yīng)也是其光合作用和活性狀態(tài)的具體體現(xiàn)[19]。綠墻的固碳釋氧能力取決于所選擇的植物，在控制CO2濃度、改善環(huán)境和維持氧氣平衡方面，喬木、灌木和灌叢比草更有優(yōu)勢[2]。對于室內(nèi)綠墻而言，部分植物能很好地適應(yīng)光照條件變化，在特定時(shí)期，會呈現(xiàn)出弱光條件下生長發(fā)育較好、存活率較高的情況[20]；但過弱的光照度會嚴(yán)重制約植物的生長態(tài)勢，對于光照度極弱的室內(nèi)環(huán)境，應(yīng)適當(dāng)補(bǔ)充有效光源，保證植物的健康生長。

3.3 綠墻對VOC 的生物修復(fù)

建筑室內(nèi)環(huán)境含有大量VOC，包括各種氣態(tài)化合物，主要來源于油漆、建筑材料、清潔植物系統(tǒng)用品、電子設(shè)備和人類活動等。VOC 的空間和時(shí)間濃度范圍很廣，并可能作為污染物積聚在室內(nèi)空間。研究表明，中國7 個城市的多層百貨大樓中，室內(nèi)CO2、甲醛和TVOC 濃度均高于室外濃度[21]。

室內(nèi)環(huán)境中的VOC 對健康影響很大，一些常見的VOC，如乙醛被確定為內(nèi)分泌干擾因子，苯和甲醛是已證實(shí)的致癌物質(zhì)[22]。長期或短期處在低濃度VOC 環(huán)境中，都會對健康產(chǎn)生不同程度的影響。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，因此在室內(nèi)空氣小環(huán)境、輕污染的條件下，綠墻的凈化作用更好[23]。

此外，綠墻對空氣質(zhì)量的改善取決于許多因素，如風(fēng)環(huán)境、亮度、基質(zhì)水分含量、界面面積和生物性質(zhì)（疏水性）等[24]。Wang等[25]在不同風(fēng)環(huán)境和亮度條件下對VOC 濃度進(jìn)行測試，得出以下結(jié)果：無風(fēng)狀態(tài)下，VOC 濃度每小時(shí)約減少5.0%；當(dāng) 風(fēng)量為28.8 m3/h 時(shí)，VOC 濃 度每小時(shí)約減少15.2 %；當(dāng)風(fēng)量為82.8 m3/h 時(shí)，VOC 濃度每小時(shí)約減少21.7%；另外，在開燈狀態(tài)下，綠墻對甲醛的吸附速度比關(guān)燈條件下快5 倍，但吸附量不隨光照增強(qiáng)變化，可見甲醛的去除速度不僅與植物的大小有關(guān)，還與空氣動力學(xué)密切相關(guān)。

4 案例應(yīng)用

4.1 項(xiàng)目概況

目前，多數(shù)垂直綠化項(xiàng)目是在項(xiàng)目建設(shè)完成后進(jìn)行綠墻獨(dú)立設(shè)計(jì)的，生態(tài)微環(huán)境的營造脫離建筑主體，缺乏設(shè)計(jì)整體性，同時(shí)也限制了新興技術(shù)的應(yīng)用。在重拾自然的理念下，為解決城市舊區(qū)的居住環(huán)境問題，華南理工大學(xué)、都靈理工大學(xué)師生共同完成了長屋計(jì)劃（LONG-PLAN）。這是2018 年中國國際太陽能十項(xiàng)全能競賽冠軍作品，它的新一代年輕家庭的生活需求為目標(biāo)，將以廣州竹筒屋等為代表的狹長形傳統(tǒng)住宅系統(tǒng)化地改造為低層、高密度、近零能耗的生態(tài)住宅（圖3）。

圖3 長屋計(jì)劃外部建成效果[26]

項(xiàng)目以綠墻系統(tǒng)為中心構(gòu)建綠色和諧的居住場所，以平衡高密度城市生活與自然生態(tài)之間以關(guān)系。在一體化綠色墻體設(shè)計(jì)下，通過建筑內(nèi)部空間設(shè)計(jì)，創(chuàng)造出適合綠墻培育的環(huán)境條件，不僅減少了栽培次數(shù)和人工成本，達(dá)到節(jié)能目標(biāo)，同時(shí)，統(tǒng)一的設(shè)計(jì)理念也使室內(nèi)外風(fēng)格更加穩(wěn)定和諧。

4.2 綠墻環(huán)境效益

項(xiàng)目將室外環(huán)境中的陽光、空氣、雨水、土壤、生物充分融入原本狹窄的室內(nèi)空間，以打造功能可變、視野多樣的自由場所。綠墻系統(tǒng)作為該項(xiàng)目的重要設(shè)計(jì)要素，在項(xiàng)目建造前，首先要對靠近室內(nèi)廚房的小天井和中庭進(jìn)行墻面規(guī)劃，可劃分為雨水中庭綠墻和魚菜共生綠墻兩類[27]，使最新的垂直綠化技術(shù)與傳統(tǒng)的建筑形式有機(jī)結(jié)合。采用模塊式安裝，將水波狀圖案設(shè)計(jì)的綠植安裝在纖維布植物綠墻上，起到調(diào)節(jié)室內(nèi)溫濕度和改善空氣質(zhì)量的作用（圖4）[28]。同時(shí)，長屋充分利用了獨(dú)立房間與中庭的視線交疊，在有限體積內(nèi)擴(kuò)展空間開敞度，為居住者提供輕松減壓的健康環(huán)境。

圖4 長屋內(nèi)不同空間視角下的綠墻

4.3 垂直綠墻技術(shù)應(yīng)用

雖然綠墻的種植培育及后期養(yǎng)護(hù)在住宅項(xiàng)目中的推廣仍面臨較多困難[29]，但在長屋計(jì)劃中,其頂面采光、通風(fēng)和空間條件能夠最大化促進(jìn)室內(nèi)植物的生長。從景觀營造上，二樓樓梯頂部的綠墻不僅可作為垂直交通的景觀節(jié)點(diǎn)，同時(shí)也為其正對的次臥及次衛(wèi)提供室內(nèi)景觀。拋開功能和空間視角，從結(jié)構(gòu)層面看，長屋的垂直綠化系統(tǒng)在建筑和設(shè)施層面已與建筑融為一體。以景觀為核心的系統(tǒng)取代了原來同厚度的墻體結(jié)構(gòu)，通過管道連接到房屋原有的基礎(chǔ)管道，使綠墻成為回收材料和能源的中轉(zhuǎn)站[30]。

4.3.1 魚菜共生綠墻

靠近廚房的魚菜共生綠墻作為循環(huán)系統(tǒng)末端，使用種植杯的模塊工藝，以水培方式種植藥草及觀賞性植株，為居家飲食提供健康食材。這種水培形式通過水循環(huán)系統(tǒng)供水（圖5）：從魚缸內(nèi)抽水至植物墻頂部，經(jīng)初步過濾后進(jìn)入蔬菜綠墻，待每層植物根系充分吸收后，再從綠墻底部流入魚缸，完成了一次高效的物質(zhì)循環(huán)。這種自給自足的生活模式為后疫情時(shí)代未來住宅的設(shè)計(jì)提供了實(shí)踐指導(dǎo)。

圖5 長屋計(jì)劃以垂直綠墻為核心的水循環(huán)系統(tǒng)[28]

4.3.2 雨水中庭綠墻

垂直綠墻的中庭設(shè)計(jì)以“泗水歸堂”為設(shè)計(jì)理念，融入傳統(tǒng)文化中“天人合一”的理學(xué)思想，在有限的條件下，將室外庭院引入室內(nèi)，以常綠植物為基本元素，構(gòu)成寬5.6 m、高5.0 m，總面積28 m2的垂直綠墻（圖6）。使用活性袋模塊種植技術(shù)，提前在其中預(yù)培植物，于施工現(xiàn)場固定安裝。將雨水回收儲存在定時(shí)灌溉的自動灌溉裝置中，充分利用室內(nèi)良好的通風(fēng)與自然采光條件，實(shí)現(xiàn)植物正常生長。中庭垂直綠墻處具有供水水源，通過交流電控制器控制灌溉設(shè)備，以穩(wěn)定均勻運(yùn)行設(shè)定的灌溉和補(bǔ)光程序。長屋中的垂直綠化不僅具有觀賞價(jià)值，而且是居住生活的核心，被客廳、臥室等主要生活空間包圍，成為長屋最具地方特色的空間。

圖6 長屋的雨水中庭綠墻[27]

5 結(jié)論與展望

綜上所述，在住宅綠墻設(shè)計(jì)中，針對不同目標(biāo)污染物選擇合適的植物，對于空氣質(zhì)量的修復(fù)至關(guān)重要；同時(shí)，應(yīng)用時(shí)需充分考慮所處環(huán)境的制約條件（如溫度、濕度、光照等），選擇合適的綠墻結(jié)構(gòu)，營建可持續(xù)性低碳綠墻。值得注意的是，植物對污染物的作用機(jī)理存在差異，住宅環(huán)境中，可能同時(shí)存在數(shù)百種污染物，而多種污染物同時(shí)生物降解會導(dǎo)致底物相互作用的效率降低。

為提升活性綠墻與功能性綠墻的過濾效率，以及其在不同情況下滯塵能力的量化，可通過建模對不同類型的綠墻進(jìn)行模擬，以研究不同種植方法對污染物的影響。在真實(shí)的住宅環(huán)境中，可以測試植物生物修復(fù)系統(tǒng)的多重污染物去除性能，并使用高靈敏度儀器來量化污染物的變化；拓展可調(diào)節(jié)氣流的實(shí)驗(yàn)空間，將微生物種群暴露在持續(xù)的污染物變化中，使植物空氣凈化研究更具現(xiàn)實(shí)意義。在實(shí)際項(xiàng)目中，應(yīng)積極推動綠墻一體化設(shè)計(jì)及國內(nèi)外新技術(shù)的應(yīng)用，以進(jìn)一步提高居民生活品質(zhì)。