綠墻對建筑環境效益的影響及應用

張蕾 ZHANG Lei 王 薇 WANG Wei

0 引言

近年來，由于土地過度開發及混凝土結構使用率指數級增長，城市綠地面積減少，導致城市建設用地和綠化用地之間的矛盾不斷加大，生態環境問題日益突出[1]。受全球氣候變化的影響，城市氣溫持續上升，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上升中，預計到2030年將達到70%；同時，住宅和商業建筑能耗也將占到全球年總能耗的30%～50%。

隨著可持續發展政策的實施，這一趨勢開始有所緩解[2]。實踐表明，優化建筑性能、提高綠色基礎設施，是減少全球能源需求、改善空氣質量、提升生活環境的關鍵；而垂直綠墻作為城市建筑創新和品質提升的手段，也是應對高密度城市發展問題直接有效的方式之一，對解決生態環境問題具有積極的作用[3]。據報道，中國垂直綠墻需求量已達300 億m2[4]。在此背景下，垂直綠墻在建筑或地區的設計、建造和恢復中發揮作用，有助于城市和郊區的可持續性[1]。綠墻作為城市景觀的一種形式，不僅具有審美價值，還能提供多種環境、社會和經濟效益[5]。本文將結合相關文獻與案例進行分析。

1 研究方法

目前，多數研究主要關注植物對空氣質量的影響，如PM（顆粒物）在植被上的沉積[6]、植被有關的顆粒擴散[7]、綠墻對室內污染物的影響[8]等；但以綠墻為主體，綜合研究其對建筑空氣質量的影響因素有限，且大部分研究在歐洲地區開展。本文通過知網和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“建筑環境、空氣質量、污染、PM、灰塵、煙塵、微粒、VOC（揮發性有機化合物）、CO2”、“green wall、vertical green、living wall、evergreen、green infrastructure”與“air quality、pollution、PM、ultrafine、particulate matter、dust、soot、particle、VOC、CO2”兩組詞匯進行交叉檢索；同時，在谷歌學術上使用相同的關鍵詞進行搜索，截至時間為2022 年7 月。除綠墻外，其他有關城市綠色基礎設施類型的文獻均不納入本文。

2 綠墻系統與影響環境空氣質量的常見因素

2.1 綠墻系統

根據綠墻系統的施工技術和主要特點，各國學者使用的術語不同。本文中，綠墻系統指任何垂直表面（如立面、外墻、窗墻、隔墻等）上的綠化系統，包括在建筑物表面、上部或墻內種植植物等不同方式。結合文獻[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（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；活墻系統則指運用材料和技術使多種植物在建筑表面共同生長的系統。

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層疊地被植物經過培育覆蓋特殊設計的支撐結構，而歐洲和北美對剛性面板和電纜系統的技術創新，使藤蔓和侵略性植物的生長得以實現。它們能夠改變并美化不適宜的建筑立面，使植物遠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

活墻系統包括植物和附著在建筑墻壁上的支撐結構，由預先種植的面板、垂直模塊或種植毯組成，以屏風、托盤、容器、種植磚或柔性袋為單位，垂直固定在結構墻或框架上[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，活墻系統的安裝和維護成本更高，需要更高頻率地灌溉施肥、維護和更換基質。

圖2 綠色表皮與活墻系統及其生根系統[9]

2.2 影響環境空氣質量的常見因素

利用美國農業部林業局開發的城市森林效應干沉降模型，學者們對綠色系統中影響環境空氣質量的常見因素進行了研究，量化NO2、SO2、CO2、PM10和O3的濃度及每小時減少率。結果顯示：室外環境中，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，對于室內環境，綠墻可以通過植物葉表面的作用，滯留、附著和粘附細顆粒物，以有效降低室內PM2.5與PM10的濃度，對甲醛、PM2.5、PM10、苯、甲苯、TVOC（總揮發性有機化合物）的去除率分別達到90%、80%、92%、82%、85%、83%[8]；還可通過遮陽和隔熱的作用節約供暖及空調能源，間接減少發電廠排放的污染物。相關資料顯示，通過綠墻降低空調能耗，洛杉磯的燃煤發電廠可減少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，從而減少光化學反應形成的污染物；并通過蒸騰作用冷卻植被，降低周圍的空氣溫度[2]。

3 綠墻對不同建筑環境因素的影響

3.1 綠墻與PM 沉積

PM 是全球城市環境中的主要空氣污染物之一，包括有機化學物質、酸、金屬、土壤和灰塵顆粒。PM 會對健康產生不良影響，長期接觸甚至可導致肺癌和過早死亡；此外，還會對生態系統產生影響，造成嚴重的經濟損失，而不斷增加的空氣污染也會進一步對健康造成嚴重影響[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。由于植物形態復雜、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，但細小的顆粒不易從植物葉片上去除[15]。部分學者指出，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[16]。

3.2 綠墻的固碳能力

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

Getter等[18]提出，增加基質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，這使得綠化能夠將附近地區的CO2濃度降低近2%。

作為綠墻設計的初衷，植物的固碳效應也是其光合作用和活性狀態的具體體現[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、改善環境和維持氧氣平衡方面，喬木、灌木和灌叢比草更有優勢[2]。對于室內綠墻而言，部分植物能很好地適應光照條件變化，在特定時期，會呈現出弱光條件下生長發育較好、存活率較高的情況[20]；但過弱的光照度會嚴重制約植物的生長態勢，對于光照度極弱的室內環境，應適當補充有效光源，保證植物的健康生長。

3.3 綠墻對VOC 的生物修復

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

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

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

4 案例應用

4.1 項目概況

目前，多數垂直綠化項目是在項目建設完成后進行綠墻獨立設計的，生態微環境的營造脫離建筑主體，缺乏設計整體性，同時也限制了新興技術的應用。在重拾自然的理念下，為解決城市舊區的居住環境問題，華南理工大學、都靈理工大學師生共同完成了長屋計劃（LONG-PLAN）。這是2018 年中國國際太陽能十項全能競賽冠軍作品，它的新一代年輕家庭的生活需求為目標，將以廣州竹筒屋等為代表的狹長形傳統住宅系統化地改造為低層、高密度、近零能耗的生態住宅（圖3）。

圖3 長屋計劃外部建成效果[26]

項目以綠墻系統為中心構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之間以關系。在一體化綠色墻體設計下，通過建筑內部空間設計，創造出適合綠墻培育的環境條件，不僅減少了栽培次數和人工成本，達到節能目標，同時，統一的設計理念也使室內外風格更加穩定和諧。

4.2 綠墻環境效益

項目將室外環境中的陽光、空氣、雨水、土壤、生物充分融入原本狹窄的室內空間，以打造功能可變、視野多樣的自由場所。綠墻系統作為該項目的重要設計要素，在項目建造前，首先要對靠近室內廚房的小天井和中庭進行墻面規劃，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與傳統的建筑形式有機結合。采用模塊式安裝，將水波狀圖案設計的綠植安裝在纖維布植物綠墻上，起到調節室內溫濕度和改善空氣質量的作用（圖4）[28]。同時，長屋充分利用了獨立房間與中庭的視線交疊，在有限體積內擴展空間開敞度，為居住者提供輕松減壓的健康環境。

圖4 長屋內不同空間視角下的綠墻

4.3 垂直綠墻技術應用

雖然綠墻的種植培育及后期養護在住宅項目中的推廣仍面臨較多困難[29]，但在長屋計劃中,其頂面采光、通風和空間條件能夠最大化促進室內植物的生長。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點，同時也為其正對的次臥及次衛提供室內景觀。拋開功能和空間視角，從結構層面看，長屋的垂直綠化系統在建筑和設施層面已與建筑融為一體。以景觀為核心的系統取代了原來同厚度的墻體結構，通過管道連接到房屋原有的基礎管道，使綠墻成為回收材料和能源的中轉站[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系統末端，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系統供水（圖5）：從魚缸內抽水至植物墻頂部，經初步過濾后進入蔬菜綠墻，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循環。這種自給自足的生活模式為后疫情時代未來住宅的設計提供了實踐指導。

圖5 長屋計劃以垂直綠墻為核心的水循環系統[28]

4.3.2 雨水中庭綠墻

垂直綠墻的中庭設計以“泗水歸堂”為設計理念，融入傳統文化中“天人合一”的理學思想，在有限的條件下，將室外庭院引入室內，以常綠植物為基本元素，構成寬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，提前在其中預培植物，于施工現場固定安裝。將雨水回收儲存在定時灌溉的自動灌溉裝置中，充分利用室內良好的通風與自然采光條件，實現植物正常生長。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備，以穩定均勻運行設定的灌溉和補光程序。長屋中的垂直綠化不僅具有觀賞價值，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 結論與展望

綜上所述，在住宅綠墻設計中，針對不同目標污染物選擇合適的植物，對于空氣質量的修復至關重要；同時，應用時需充分考慮所處環境的制約條件（如溫度、濕度、光照等），選擇合適的綠墻結構，營建可持續性低碳綠墻。值得注意的是，植物對污染物的作用機理存在差異，住宅環境中，可能同時存在數百種污染物，而多種污染物同時生物降解會導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行模擬，以研究不同種植方法對污染物的影響。在真實的住宅環境中，可以測試植物生物修復系統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；拓展可調節氣流的實驗空間，將微生物種群暴露在持續的污染物變化中，使植物空氣凈化研究更具現實意義。在實際項目中，應積極推動綠墻一體化設計及國內外新技術的應用，以進一步提高居民生活品質。