植物活墻凈化空氣效果實(shí)測(cè)與評(píng)估

陳秋瑜，王立巖，劉拾塵（通訊作者）/CHEN Qiuyu,WANG Liyan,LIU Shichen (Corresponding Author)

0 引言

室內(nèi)空氣中的污染物種類繁多。甲醛、苯、甲苯等揮發(fā)性有機(jī)化合物（Volatile Organic Compounds，縮寫VOCs）來(lái)源廣泛且持續(xù)釋放。研究發(fā)現(xiàn)在有大量室外空氣污染物的石化廠周邊，社區(qū)室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)到的VOCs 濃度是室外的10 倍之多[1]，人在室內(nèi)受到VOCs 危害的程度尤為嚴(yán)重?，F(xiàn)代社會(huì)中空調(diào)系統(tǒng)的廣泛使用、建筑密閉性的加強(qiáng)，室內(nèi)換氣率不達(dá)標(biāo)等，均增加了人們長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣污染物中的可能性[2-4]。

植物活墻（Living wall system）也叫做綠墻、垂直綠化等，是一種垂直排列植株以增大種植密度的新型綠化技術(shù)（圖1）。大量研究已證明植物可以凈化空氣。沃爾弗頓（Wolverton）[5]、伍德（Wood）[6]、艾多安（Aydogan）[7]、霍曼（H?rmann）[8]等人的研究表明，盆栽植物在靜態(tài)條件下具有從室內(nèi)空氣中去除VOCs 的能力，在生長(zhǎng)基質(zhì)中發(fā)現(xiàn)的根際微生物是去除VOCs 的重要因素，植物的莖葉部分與根際區(qū)域都可以去除甲醛，但根際區(qū)域的去除效率更高、效果更好。

1 本研究所用植物活墻

隨著種植技術(shù)的進(jìn)步，植物活墻在空氣凈化方面的應(yīng)用逐步開發(fā)，目前主要形式有兩種：被動(dòng)式活墻，依靠空氣自由擴(kuò)散到根際部分發(fā)生凈化作用；主動(dòng)式活墻，用風(fēng)壓差迫使更多的氣流通過(guò)活墻根際區(qū)域，或使用流動(dòng)水沖刷基質(zhì)板以去除污染物[9-10]。蘇英明（Su Y-M）[11]、張伊凡（Cheung Ivan）[12]、維澤伯爾（Velzeboer）[13]等人的研究證明被動(dòng)式植物活墻對(duì)室內(nèi)VOCs 具有較好的凈化效果，活墻可在較短時(shí)間內(nèi)降低室內(nèi)VOCs 濃度50%以上；達(dá)靈頓（Darlington）[14]、托皮（Torpy）[15]、阿卜杜（Abdo）[16]、王志強(qiáng)[17]等人發(fā)現(xiàn)，主動(dòng)式活墻比被動(dòng)式活墻的去除能力更強(qiáng)。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于植物活墻凈化空氣的實(shí)驗(yàn)研究通常使用小型密封箱，并將初始污染物濃度設(shè)置過(guò)高而偏離實(shí)際情況；未針對(duì)主動(dòng)式活墻的基質(zhì)類型進(jìn)行細(xì)分研究，較少探究通風(fēng)方式的適用性。不同基質(zhì)類型的活墻是否可用同樣的方式來(lái)提高凈化能力值得探索。

本文研究不同類型（基質(zhì)材料和通風(fēng)構(gòu)造）的植物活墻對(duì)室內(nèi)空氣的凈化作用。通過(guò)在封閉實(shí)驗(yàn)房進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)和建筑空間實(shí)地測(cè)量?jī)煞N方法，測(cè)試和驗(yàn)證植物活墻對(duì)室內(nèi)空氣的凈化作用，并總結(jié)活墻構(gòu)造類型與基質(zhì)材料的合理搭配方法，以達(dá)到最佳凈化效果。

1 活墻構(gòu)造設(shè)計(jì)

對(duì)市面上常見的活墻裝置進(jìn)行了構(gòu)造優(yōu)化，以滿足可更換基質(zhì)、可調(diào)節(jié)風(fēng)量、可改變風(fēng)向的研究需求?；顗τ? 個(gè)植物模塊組成，每塊面積0.25m2。模塊單元包括植物、生長(zhǎng)基質(zhì)、種植盤、不銹鋼加壓室、風(fēng)扇，以及龍骨（圖2），并在工廠預(yù)制生產(chǎn)。

2 本實(shí)驗(yàn)植物活墻構(gòu)造（1.2攝影：王立巖）

種植盤結(jié)構(gòu)為雙面不銹鋼板夾固態(tài)基盤（紅衫木屑?jí)褐贫?，起固定作用），正面開16 個(gè)孔洞用于支撐植物與其生長(zhǎng)基質(zhì)，方便更換。選用3 種市場(chǎng)常見基質(zhì)材料：生物棉基質(zhì)（圖3，聚氨酯與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)混合）、椰殼和泥炭土1:1 混合物（圖4，后文簡(jiǎn)稱“椰泥混合基質(zhì)”），以及田園土基質(zhì)（圖5）。

3 生物棉基質(zhì)

4 椰泥混合基質(zhì)

5 田園土基質(zhì)

在種植盤背后加設(shè)厚度為20cm 的不銹鋼空腔，側(cè)壁開設(shè)3 個(gè)洞口并安裝輔助機(jī)械風(fēng)扇，可為空腔內(nèi)部提供不同速率和方向的氣流。植物種植盤（圖6）與不銹鋼加壓室（圖7）進(jìn)行拼接并密封，構(gòu)成組合模塊（圖8）。每6 個(gè)相同基質(zhì)材料的組合模塊形成一面活墻，一共3 面活墻進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)，都種植相同類型且等量的植物（袖珍椰子、杏葉藤、合果芋、吊蘭、腎蕨、萬(wàn)年青）。

6 植物種植盤

7 不銹鋼加壓室

8 組合模塊（3-8攝影：王立巖）

通過(guò)加壓室風(fēng)扇的關(guān)閉和開啟調(diào)節(jié)活墻的通風(fēng)模式：

（1）主動(dòng)式通風(fēng)：風(fēng)扇開啟，提高內(nèi)外風(fēng)壓以增加氣流與植物根際區(qū)域的接觸（圖9a）。

（2）被動(dòng)式通風(fēng)：風(fēng)扇關(guān)閉，空氣自由擴(kuò)散至植物根際區(qū)域（圖9b）。

9 活墻主動(dòng)式（a），被動(dòng)式通風(fēng)示意（b）

2 實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)房平面尺寸為2.3m×2.3m，高2.5m（圖10、11），內(nèi)有穩(wěn)定人工照明與雙制空調(diào)一臺(tái)。實(shí)驗(yàn)使用高精度VOCs 氣體檢測(cè)儀（PGM-7340，量程1ppb～10,000ppm，精度1ppb 或0.001mg/m3）、HOBO-MX1102 記錄儀（溫度：0～50℃，誤差：±0.21℃；相對(duì)濕度：1%～90%，誤差±2%）、微量移液器（100～1000μL），以及福爾馬林溶液（甲醛含量37%～40%）。

10 實(shí)驗(yàn)房平面與剖面（9.10繪制：王立巖）

11 實(shí)驗(yàn)房外部（攝影：王立巖）

2.1 空室實(shí)驗(yàn)

在沒(méi)有植物活墻的情況下，將已知量的污染物注入實(shí)驗(yàn)房，并記錄其濃度隨著時(shí)間發(fā)生衰減變化。污染物選取甲醛，室內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)化合物的典型代表。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)1）規(guī)定室內(nèi)甲醛濃度不高于0.10mg/m3為安全范圍，而相關(guān)文獻(xiàn)顯示，裝修完成6 個(gè)月內(nèi)的房間甲醛濃度范圍為0.01～0.55mg/m3[18-20]，其最高值為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的5 倍。因此，本研究選擇0.50mg/m3作為實(shí)驗(yàn)初始濃度，以模擬裝修半年內(nèi)建筑室內(nèi)空氣質(zhì)量。

將定量的福爾馬林溶液使用恒溫加熱裝置加熱，促使甲醛氣體穩(wěn)定生成。由于福爾馬林的持續(xù)揮發(fā)，甲醛濃度在前期快速上升；待揮發(fā)完全（約10h 后），甲醛濃度可基本保持平穩(wěn)（圖12），說(shuō)明實(shí)驗(yàn)房密封性較好，未發(fā)生氣體泄漏。經(jīng)過(guò)多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，確定0.30ml 福爾馬林溶液揮發(fā)完全后可為實(shí)驗(yàn)房提供0.55±5%mg/m3的甲醛濃度。將5次測(cè)試的平均值做為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的對(duì)照曲線。

12 實(shí)驗(yàn)房?jī)?nèi)甲醛濃度隨時(shí)間變化曲線

2.2 風(fēng)量實(shí)驗(yàn)

對(duì)3 種基質(zhì)的植物活墻分別進(jìn)行無(wú)風(fēng)量、低風(fēng)量、中風(fēng)量和高風(fēng)量4 次實(shí)驗(yàn)。風(fēng)量大小通過(guò)風(fēng)扇開啟數(shù)量多少?zèng)Q定，實(shí)測(cè)3 種風(fēng)速為46m3/h、92m3/h 和138m3/h（圖13）。為保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程的密封性，實(shí)驗(yàn)開始前將活墻和污染物均放入室內(nèi)，實(shí)驗(yàn)開始后甲醛的揮發(fā)與活墻的凈化是同時(shí)進(jìn)行的?；顗υ跓o(wú)、低、中、高4 種風(fēng)量模式下發(fā)揮其凈化作用，室內(nèi)甲醛濃度由快速上升（污染物持續(xù)釋放）到保持較穩(wěn)定（污染物釋放完成后）的狀態(tài)所需時(shí)間不同。比如生物棉活墻在無(wú)風(fēng)量時(shí)，甲醛濃度8h后才停止上升并保持平穩(wěn)；而在高風(fēng)量時(shí)，甲醛濃度1h 后即停止上升且開始下降。為保證對(duì)比的科學(xué)性，3 組活墻實(shí)驗(yàn)均選取4 種情況下甲醛濃度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行討論。

13 從左至右：低風(fēng)量、中風(fēng)量、高風(fēng)量通風(fēng)模式

（1）生物棉基質(zhì)活墻

生物棉活墻在4 種通風(fēng)模式下的甲醛濃度均低于空室情況；無(wú)風(fēng)量模式8h 后甲醛濃度較為穩(wěn)定，略低于0.40mg/m3。低風(fēng)量模式7h 后將甲醛濃度控制在0.30～0.36mg/m3范圍，低于無(wú)風(fēng)量模式，但16h 后凈化作用明顯下降，甲醛濃度大幅提升至0.40mg/m3以上，高于無(wú)風(fēng)量模式直到實(shí)驗(yàn)結(jié)束。中風(fēng)量模式4h 后控制甲醛濃度在0.15mg/m3左右，但19h 后大幅上升。高風(fēng)量模式在1h 后已使甲醛濃度變化趨勢(shì)由上升改為下降，在9h 后降至0.078mg/m3（低于國(guó)標(biāo)安全濃度），并持續(xù)下降直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束（圖14）。

14 生物棉基質(zhì)活墻風(fēng)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

可見放入生物棉活墻后，室內(nèi)甲醛濃度明顯低于空室情況。在凈化效果穩(wěn)定后，4 種通風(fēng)模式下室內(nèi)甲醛濃度也有明顯的高低對(duì)比：無(wú)風(fēng)量>低風(fēng)量>中風(fēng)量>高風(fēng)量。說(shuō)明增加輔助氣流的方式提高了生物棉活墻的凈化能力；低、中風(fēng)量雖在短時(shí)間內(nèi)提高了凈化效率，但長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)發(fā)現(xiàn)后期會(huì)發(fā)生不可預(yù)測(cè)的較大波動(dòng)，且和無(wú)風(fēng)量活墻一樣無(wú)法將濃度降至國(guó)標(biāo)安全范圍；只有高風(fēng)量（138m3/h）才能滿足凈化國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求并維持長(zhǎng)時(shí)間的凈化效果。

（2）椰泥混合基質(zhì)活墻

椰泥活墻在4 種通風(fēng)模式下的甲醛濃度均低于空室情況；其中，無(wú)風(fēng)量模式下甲醛濃度5h 后停止快速上升，變?yōu)樵?.340～0.400mg/m3范圍內(nèi)平緩波動(dòng)，13h 后發(fā)生大幅上升現(xiàn)象。低風(fēng)量模式下甲醛濃度6h 后開始下降，在0.200～0.310mg/m3范圍內(nèi)平緩波動(dòng)。中風(fēng)量模式在3.5h 后將甲醛濃度控制在0.180～0.260mg/m3范圍內(nèi)。高風(fēng)量模式在1.5h 后減緩了甲醛濃度的上升速度，最高僅達(dá)0.130mg/m3，并在13h 降至國(guó)標(biāo)安全濃度0.100mg/m3以下，并持續(xù)至實(shí)驗(yàn)結(jié)束（圖15）。

15 椰泥活墻風(fēng)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

可見，相比于空室情況，椰泥活墻對(duì)甲醛有顯著的凈化作用。對(duì)比4 種通風(fēng)模式發(fā)現(xiàn)，增加風(fēng)量加強(qiáng)了椰泥活墻對(duì)甲醛的凈化效果，氣流越大凈化速度越快，且效果更平穩(wěn)。和生物棉活墻類似，只有高風(fēng)量模式才能滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)甲醛濃度的要求。

（3）田園土基質(zhì)活墻

田園土活墻在4 種通風(fēng)模式下的甲醛濃度均低于空室情況；其中無(wú)風(fēng)量模式在1h 后直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束均保持室內(nèi)甲醛濃度在0.100mg/m3以下；低風(fēng)量模式在1h 后也將甲醛濃度控制在0.100mg/m3以下，但略高于無(wú)風(fēng)量模式；中風(fēng)量和高風(fēng)量模式下甲醛濃度均在1.5h 后趨于穩(wěn)定，中風(fēng)量在0.300mg/m3上下浮動(dòng)，高風(fēng)量在0.200mg/m3上下浮動(dòng)（圖16）。

16 田園土基質(zhì)活墻風(fēng)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

與生物棉和椰泥活墻顯著不同的是，增加風(fēng)量沒(méi)有提高凈化能力：田園土活墻在無(wú)風(fēng)量模式下即能保持甲醛濃度滿足國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)，低風(fēng)量模式的凈化效率和無(wú)風(fēng)量模式基本持平，中風(fēng)量和高風(fēng)量反而降低了凈化效率。因此不能用增加通風(fēng)的方式改善田園土活墻的凈化效果。

2.3 風(fēng)向?qū)嶒?yàn)

通過(guò)改變風(fēng)扇的安裝方向，使氣流從不同方向經(jīng)過(guò)活墻種植盤，探究不銹鋼加壓室在正壓與負(fù)壓作用下對(duì)活墻凈化能力的影響。統(tǒng)一設(shè)置為高風(fēng)量（138m3/h）。

正壓作用（圖17）：通過(guò)風(fēng)扇將污染空氣從側(cè)壁抽入腔室，腔室氣壓始終高于大氣壓，迫使污染空氣流經(jīng)種植盤，被根際區(qū)域和葉片凈化后，潔凈空氣從活墻正面返回室內(nèi)。

17 正壓作用原理圖

負(fù)壓作用（圖18）：污染空氣從活墻正面進(jìn)入，流經(jīng)葉片再通過(guò)根際區(qū)域凈化后到達(dá)腔室，通過(guò)風(fēng)扇將腔室內(nèi)空氣送回室內(nèi)，腔室內(nèi)氣壓始終低于大氣壓。

18 負(fù)壓作用原理

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖19-21，可見：

19 風(fēng)向?qū)嶒?yàn)——高風(fēng)量生物棉

20 風(fēng)向?qū)嶒?yàn)——高風(fēng)量椰泥

21 風(fēng)向?qū)嶒?yàn)——高風(fēng)量田園土（12-21繪制：王立巖）

（1）生物棉活墻在正壓與負(fù)壓模式下的甲醛濃度曲線變化趨勢(shì)相近，凈化效果相當(dāng)。

（2）椰泥活墻的凈化作用隨時(shí)間發(fā)生了改變。前12h 正壓的凈化效果優(yōu)于負(fù)壓；12h 后負(fù)壓凈化能力逐步提高，并在15h 時(shí)優(yōu)于正壓模式直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。但正壓模式甲醛濃度曲線下面積較小，相對(duì)于整個(gè)實(shí)驗(yàn)階段表現(xiàn)更好。

（3）田園土活墻在正壓模式下始終將甲醛濃度保持在0.083～0.185mg/m3的范圍，負(fù)壓模式下的甲醛濃度最高為0.221mg/m3，且始終高于正壓活墻。因此，田園土基質(zhì)正壓活墻的凈化效果略優(yōu)于負(fù)壓活墻。

綜上，通風(fēng)方向僅對(duì)田園土活墻的凈化效果產(chǎn)生積極影響，對(duì)其他兩種活墻沒(méi)有明顯改變。

3 結(jié)論

活墻可有效去除建筑空間的空氣污染物。通過(guò)活墻構(gòu)造類型的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，探究活墻凈化能力與基質(zhì)材料、通風(fēng)方式之間的關(guān)系，為活墻與建筑空間的整合設(shè)計(jì)提供了科學(xué)的支持。

生物棉、椰泥混合、田園土3 種基質(zhì)的活墻在被動(dòng)式通風(fēng)模式下（無(wú)風(fēng)量）均可有效降低實(shí)驗(yàn)房?jī)?nèi)空氣的甲醛濃度，但只有田園土活墻將室內(nèi)甲醛濃度降低至國(guó)標(biāo)安全范圍。主動(dòng)通風(fēng)會(huì)降低田園土活墻的凈化能力，改變風(fēng)向（正壓通風(fēng)）可使之提高。對(duì)于生物棉與椰泥活墻，主動(dòng)通風(fēng)可增強(qiáng)其凈化能力，風(fēng)向的改變則無(wú)明顯影響。因此，為提高凈化能力，被動(dòng)式通風(fēng)構(gòu)造適合田園土活墻，主動(dòng)式通風(fēng)構(gòu)造適合生物棉與椰泥活墻。在活墻的實(shí)際應(yīng)用中需針對(duì)不同基質(zhì)材料做出相應(yīng)的構(gòu)造設(shè)計(jì)。后續(xù)研究會(huì)繼續(xù)探索活墻凈化能力的影響因素，如污染物的持續(xù)釋放、基質(zhì)材料配比、人的行為活動(dòng)，以及植物的凈化飽和效應(yīng)等?！?/p>

注釋

1）《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T18883－2002）規(guī)定二類建筑1h均值甲醛濃度不高于0.10mg/m3。

2）TVOC：揮發(fā)性有機(jī)化合物的總和，因室內(nèi)VOCs種類繁多，因此以TVOC作為其檢測(cè)指標(biāo)。

3）《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T18883－2002）規(guī)定TVOC濃度不高于0.60mg/m3（8h均值）。