趙明橋，鮑圣霖，胡穎，林鑫，韓俊勇

(中南大學 建筑與藝術(shù)學院，湖南 長沙 410075)

近年來，我國受霧霾影響的范圍不斷擴大，危害程度不斷加深[1]。在大氣遭受污染的大環(huán)境下，人們紛紛減少戶外活動時間，在室內(nèi)也緊閉門窗，希望以此來降低霧霾對身體的危害。但室內(nèi)空氣污染狀況也不容樂觀。根據(jù)環(huán)境學者的調(diào)查，隨著現(xiàn)代建筑物密閉化程度的增加，世界上超過30%的建筑物室內(nèi)空氣有害于健康[2]。研究顯示：我國居民平均室內(nèi)時間為1 200 min/d，居民一天中室內(nèi)活動時間最長[3]。人們長期生活、工作在污染物聚集、通風不暢和空調(diào)系統(tǒng)不當使用的環(huán)境中會出現(xiàn)疲勞、頭昏、胸悶、精神不佳等各種癥狀，世界衛(wèi)生組織統(tǒng)稱其為“病態(tài)建筑綜合癥”(Sick Building Syndrome，SBS)[4]。在外部環(huán)境污染加劇和室內(nèi)污染不斷的雙重夾擊之下，室內(nèi)空氣質(zhì)量已對人們的身體健康構(gòu)成了巨大威脅，為了應對這一現(xiàn)實威脅，人們采取多種方法和技術(shù)手段來改善室內(nèi)空氣質(zhì)量，較為常用的有源頭控制法、空氣流通法、活性炭吸附法和空氣凈化設備等。建筑門窗是室內(nèi)外空氣流通的主要通道，利用植物去除空氣污染物較少有二次污染，且環(huán)境擾動小，有利于環(huán)境的改善，具有較好的應用前景[5]。

1 已有被動式空氣凈化研究

因空氣污染主動的治理方法通常需要耗能，并且需要精心維護、經(jīng)常更換配件，一些學者提出空氣污染生態(tài)防治方法。Wolverton等[6?7]在 20世紀90年代開展了植物清除室內(nèi)空氣污染的研究。黃愛葵[8]對4種植物凈化苯及甲醛能力進行了研究，結(jié)果表明凈化能力愛玉合果芋＞黃金葛＞金邊虎尾蘭＞吊蘭。此后，郭秀珠等[9?10]對各地常見的觀賞植物凈化室內(nèi)空氣的效率進行了相關(guān)研究，結(jié)果表明被試植物均可吸收空氣中的甲醛、二甲苯，且具有較強的凈化空氣作用。植物與建筑結(jié)合的方式主要有墻體綠化、屋頂綠化和室內(nèi)綠化等，下面列舉國外將植物與室內(nèi)空間環(huán)境結(jié)合的2個例子。

1.1 植物屏風

印度學者卡邁勒·米艾濤(Kamal Meattle)發(fā)現(xiàn)，可以不用開窗僅通過在室內(nèi)放置足夠數(shù)量的散尾葵、虎尾蘭、綠蘿，利用它們在室內(nèi)制造新鮮空氣，就能達到室內(nèi)空氣質(zhì)量標準。人們在這樣的室內(nèi)待上10 h，人體的血氧含量提升一個百分點的概率達42%，眼部過敏情形減少52%，呼吸系統(tǒng)問題減少34%，頭疼癥狀減少24%，肺功能障礙降低12%，哮喘減少9%，建筑物的能源需求也大幅下降15%。利用植物的這一功能制作成植物屏風，既能有效節(jié)約室內(nèi)的空間，也能提供足夠的新鮮空氣。

1.2 窗臺農(nóng)場(Window farm)

美國 Britta Riley利用窗臺這一室內(nèi)日照充足的空間，設計的垂直水培平臺，通過底部的水泵運轉(zhuǎn)定期將營養(yǎng)液運輸?shù)巾敳?，一點一滴流經(jīng)植物根系，以滿足植物最優(yōu)的營養(yǎng)吸收。將空氣馬達、逆止閥以及T型三通管串接在輸水管與排水管之間，以保證整個系統(tǒng)可以自動進行營養(yǎng)液的供給。

2 免日常維護綠窗系統(tǒng)設計思路及系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 免日常維護垂直綠窗系統(tǒng)的設計思路

2.2.1 “綠窗”系統(tǒng)的整體設計

基于將植物?建筑?人的共生關(guān)系作為有機整體考慮，最大限度發(fā)揮其生態(tài)作用；將室內(nèi)栽培植物與建筑通風結(jié)合考慮，利用植物光合作用過程中吸收CO2產(chǎn)生O2的特點以及特定植物吸附污染物和殺菌功能，形成一套相對獨立的小型生態(tài)系統(tǒng)，平時可以弱化消除“病態(tài)建筑綜合癥”，當霧霾來襲時使人們免遭霧霾毒害。利用建筑的窗洞作為綠窗系統(tǒng)的主體空間以減少對室內(nèi)空間的占用，同時通過在窗洞內(nèi)設置多層植物將窗洞打造成一個室內(nèi)外空氣流道凈化的密閉通道，使空氣在流動過程中經(jīng)過層層綠植的吸附將空氣中的有害物質(zhì)進行過濾。

綠窗的通風系統(tǒng)主要由2個進風口和1個出風口構(gòu)成，進風口包括室內(nèi)進風口和室外進風口。通風系統(tǒng)如圖1所示，通過鼓風機自下而上將室內(nèi)或室外空氣導入綠窗系統(tǒng)中，空氣以“S”型穿過整個綠窗系統(tǒng)，最終通過頂端出風口將凈化后的空氣送入室內(nèi)，從而使室內(nèi)外空氣能夠不斷流通循環(huán)，實現(xiàn)凈化空氣的目的。

2.1.2 種植單元的構(gòu)造方式

種植容器采用模塊化的塑料方盒，具有質(zhì)輕耐久的特點，造價也較為低廉，可以起到防水防潮的作用，不需要另外再設防潮層。此外，采用塑料盒做容器方便運輸，能提高安裝效率。作者自制的綠窗系統(tǒng)考慮到窗洞大小和對室內(nèi)太陽輻射的影響，選擇了對室內(nèi)光線遮擋較小的塑料方盒(長 360 mm，寬240 mm，高100 mm)，4個種植單元組成1層種植層，統(tǒng)一在其下方設置水槽，便于統(tǒng)一供水。

2.2 免日常維護垂直綠窗系統(tǒng)的技術(shù)

2.2.1 植物栽種方式采用土培法

植物正常生長需要適宜的光照、水份、土壤(培養(yǎng)基)和空氣條件，植物對土壤有著天然的適應性，以土壤為栽培基質(zhì)能順應植物的生長習性，相對于水培法或無土栽培更容易滿足植物品種多樣化和管理維護低技化的要求。

圖1 免日常維護綠窗系統(tǒng)框架示意圖Fig. 1 Daily maintenance-free planting window system frame diagram

2.2.2 無壓痕灌的供水方式

為了減少綠窗系統(tǒng)內(nèi)植物的日常維護，對植物采取痕灌供水方式?！昂酃唷笔且环N比滴灌節(jié)水效率更高的灌溉技術(shù)，它以導水纖維束和土壤的毛細作用為基礎力，以極微小速率將水份輸送到植物根系附近，能實現(xiàn)穩(wěn)定適量、按需供應的灌溉目的[11?12]。采用無壓痕灌模式具有自適應性，能按植物所需進行供水，植物能在較穩(wěn)定地環(huán)境中生長，水資源的利用效率也會得到提升。將無壓痕灌應用到有土栽培中，利用毛細作用運用到植物水分和營養(yǎng)液的補給中，使植物自動控制吸收，低耗能，生態(tài)環(huán)保。實驗選擇有土栽培大大擴大了植物的選擇范圍。

在水槽設計時考慮到減少系統(tǒng)的復雜性，通過水泵將水引至最頂層水槽，當頂層水槽中的水位到達一定高度時通過出水口經(jīng)不銹鋼軟管流入下一層水槽，以此類推，在底層水槽設置全自動水泵控制器與水閥相連，當?shù)讓铀贿_到設計最高水位時水閥自動關(guān)閉，當水位下降到最低水位時水閥打開，從而實現(xiàn)供水自動化。

3 綠窗系統(tǒng)實驗研究

為驗證上述構(gòu)想及免日常維護綠窗系統(tǒng)的可行性，構(gòu)建了綠窗系統(tǒng)實驗裝置(見圖2)并開展以下實驗。

3.1 實驗植物的選擇

在植物選擇上，主要考慮以下幾個方面。

1) 基于綠窗系統(tǒng)的植物種植在窗體內(nèi)，且綠窗系統(tǒng)由多層種植槽組成，故植物的高度不宜過高，高度小于50 cm(預留一定的空氣流通空間)；

2) 植物的葉片面積相對較大，葉冠郁閉度較高，能夠吸附一定的塵埃和顆粒；

3) 植物宜選擇多年生的草本和藤本植物，便于日后的管理與養(yǎng)護；

4) 植物能對空氣中的污染物、粉塵、顆粒物進行凈化吸收；

基于對于以上幾點特征的考慮，選擇幾種適宜在湖南地區(qū)生長的植物進行試驗，經(jīng)過一系列試驗的對比，以及相關(guān)資料的搜集整理，可以看出綠蘿在綜合成本、滯塵能力、甲醛凈化率和產(chǎn)氧量上優(yōu)于佛甲草、吊籃和一葉蘭。

表1 實驗植物綜合比較Table 1 Comprehensive comparison of experiment plants

3.2 對室內(nèi)空氣影響實驗

3.2.1 實驗儀器

本文所使用到的儀器主要有：博朗通便攜式手持檢測儀、溫濕度記錄儀和風速儀。

3.2.2 實驗方法

首先檢查室內(nèi)的密閉性：做空白試驗，即在實驗的房間，將房間內(nèi)的門窗全部關(guān)閉，每過 6 h 取一次樣，每次取樣分別在實驗室內(nèi)的3個位置采樣(與實驗取樣位置相同，各測點位置見圖3)，總共取4次樣進行檢測，PM2.5和PM10的濃度基本沒有變化，只有極少量的降低(<1%)，可忽略不計。

在確保室內(nèi)密閉性達到試驗標準的前提下，每隔6 h分別對表2，表3所列9種不同工況的室內(nèi)PM2.5和PM10濃度變化進行檢測。實驗初始時間為上午6時，實驗選取同一棟樓相鄰的2個等大的房間，房間一為普通房間，房間二安裝綠窗系統(tǒng)的改造房間。

圖2 綠窗系統(tǒng)實驗裝置Fig. 2 Green window system experiment device

圖3 室內(nèi)采樣點空間位置示意圖Fig. 3 Indoor sampling points in space

3.2.3 實驗目的及說明

1) 工況1和2，檢驗空氣穩(wěn)定流動是否有利于降低顆粒物的濃度；

2) 工況1和3，檢測室內(nèi)植物是否對PM2.5和PM10有吸附作用；

3) 工況3和4，檢驗穩(wěn)定氣流是否有利于植物對PM2.5和PM10的吸收；

4) 工況4和5，對安裝綠窗系統(tǒng)與同等條件下的室內(nèi)進行檢測，檢驗綠窗系統(tǒng)的可行性；

5) 工況6和7，檢驗室外霧霾對室內(nèi)空氣的影響程度；

6) 工況7和8，對比室內(nèi)植物能否減少室外霧霾對室內(nèi)的污染；

7) 工況8和9，對比室外霧霾對安裝綠窗系統(tǒng)的室內(nèi)與同樣條件下室內(nèi)擺放等量綠植的室內(nèi)差異。

表2 室內(nèi)無補風實驗工況表Table 2 No outdoor ventilation experiment condition table

表3 有室外補風實驗工況表Table 3 Outdoor ventilation experiment condition table

3.2.4 實驗結(jié)果與分析

在密閉的室內(nèi)環(huán)境中，工況1，2和3的數(shù)據(jù)表明，在無植物的情況下有組織的通風對室內(nèi)顆粒物幾乎沒有影響，也說明綠植對室內(nèi)顆粒物有一定的吸附凈化作用。通過對比工況3和4表說明在密閉環(huán)境下流動的空氣對室內(nèi)綠植吸收顆粒物有一定的促進作用。分析工況4和5，經(jīng)過綠窗系統(tǒng)室內(nèi)空氣中的PM2.5和PM10與同等條件下有等量綠植的室內(nèi)濃度相比分別多降低了2.57%和1.28%。其原因是不斷流動的空氣增加了空氣與葉片直接接觸的面積和頻率，空氣中的顆粒物被葉片吸附的概率增大。綠窗系統(tǒng)提供了一個完整密閉的有組織的風道，將室內(nèi)空氣與綠植葉片充分接觸，提高綠植的凈化效率。

工況6，7和8的數(shù)據(jù)表明：實驗之初，室內(nèi)空氣質(zhì)量明顯優(yōu)于室外，當室外PM2.5和PM10濃度較高時，在室內(nèi)外通風的情況下，室內(nèi)PM2.5和PM10的濃度會隨著氣流交換逐漸與室外濃度持平，由于室內(nèi)有植物的吸收凈化作用，工況8較工況7的濃度略低。在室內(nèi)空氣流速較低的情況下(如18時 PM10的濃度)還會出現(xiàn)室內(nèi)顆粒物濃度略高于室外的情況。對比工況8和9的數(shù)據(jù)可知，經(jīng)過綠窗系統(tǒng)引進室內(nèi)空氣中的PM2.5和PM10比室內(nèi)外自然通風條件下的濃度變化率分別低 40.76%和84.17%。

表4 不同工況室內(nèi)PM2.5和PM10濃度變化表Table 4 PM2.5, PM10 concentration variation indoor in different condition table

圖4 工況1~5各測點PM2.5平均濃度變化圖Fig. 4 No.1~5 condition of each sampling point average PM2.5 concentration variation

顯而易見，在室外污染較為嚴重的情況下，采用傳統(tǒng)的通風方式會大大降低室內(nèi)空氣質(zhì)量，而通過綠窗系統(tǒng)引入的室外空氣盡管在一定程度上較初始的濃度有所增加，但增加幅度明顯低于自然通風條件下的濃度變化，導致以上結(jié)果的原因有以下幾點：

1) 基于對比工況1~5得出的結(jié)論，動態(tài)的氣流較靜態(tài)的空氣而言更有利于植物對于空氣中顆粒物的吸收，綠窗系統(tǒng)提供了一個相對集中的空間使污染空氣與植物充分接觸，大大提高了植物吸附效率。

2) 與傳統(tǒng)的自然通風相比，室內(nèi)外不是直接對流，綠窗系統(tǒng)相當于在室內(nèi)外換氣過程中增加了一個過渡空間，在這個空間中，植物通過沉淀、吸收將空氣中的顆粒物納入植物的新陳代謝過程中，綠窗起到一定的阻隔作用，也是綠窗系統(tǒng)明顯低于普通通風的一個重要原因。

3) 由于綠窗系統(tǒng)內(nèi)的植物處于一個相對密閉的空間，植物的增濕效應優(yōu)于傳統(tǒng)的室內(nèi)盆栽，綠窗系統(tǒng)內(nèi)較高的濕度也有利于顆粒物凝結(jié)。

圖5 工況1~5各測點PM10平均濃度變化圖Fig. 5 No. 1~5 condition of each sampling point average PM10 concentration variation

圖6 工況6~9各測點PM2.5平均濃度變化圖Fig. 6 No. 6~9 condition of each sampling point average PM2.5 concentration variation

圖7 工況6~9各測點PM10平均濃度變化圖Fig. 7 No. 6~9 condition of each sampling point average PM10 concentration variation

4 結(jié)論

1) 在有綠植的空間內(nèi)進行有組織的通風能夠增加空氣與葉片直接接觸的面積和頻率，空氣中的顆粒物被葉片吸附的概率增大，植物滯塵效果更佳。

2) 綠窗系統(tǒng)能夠作為“保護層”減少室外霧霾對室內(nèi)的污染，通過建筑生態(tài)體系的一體化建設，減少大氣污染物對室內(nèi)環(huán)境的影響，與通風系統(tǒng)配合共同凈化室內(nèi)空氣，營建健康舒適的室內(nèi)環(huán)境。

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