植物活墙净化空气效果实测与评估

陈秋瑜，王立岩，刘拾尘（通讯作者）/CHEN Qiuyu,WANG Liyan,LIU Shichen (Corresponding Author)

0 引言

室内空气中的污染物种类繁多。甲醛、苯、甲苯等挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds，缩写VOCs）来源广泛且持续释放。研究发现在有大量室外空气污染物的石化厂周边，社区室内环境检测到的VOCs 浓度是室外的10 倍之多[1]，人在室内受到VOCs 危害的程度尤为严重。现代社会中空调系统的广泛使用、建筑密闭性的加强，室内换气率不达标等，均增加了人们长时间暴露在空气污染物中的可能性[2-4]。

植物活墙（Living wall system）也叫做绿墙、垂直绿化等，是一种垂直排列植株以增大种植密度的新型绿化技术（图1）。大量研究已证明植物可以净化空气。沃尔弗顿（Wolverton）[5]、伍德（Wood）[6]、艾多安（Aydogan）[7]、霍曼（Hörmann）[8]等人的研究表明，盆栽植物在静态条件下具有从室内空气中去除VOCs 的能力，在生长基质中发现的根际微生物是去除VOCs 的重要因素，植物的茎叶部分与根际区域都可以去除甲醛，但根际区域的去除效率更高、效果更好。

1 本研究所用植物活墙

随着种植技术的进步，植物活墙在空气净化方面的应用逐步开发，目前主要形式有两种：被动式活墙，依靠空气自由扩散到根际部分发生净化作用；主动式活墙，用风压差迫使更多的气流通过活墙根际区域，或使用流动水冲刷基质板以去除污染物[9-10]。苏英明（Su Y-M）[11]、张伊凡（Cheung Ivan）[12]、维泽伯尔（Velzeboer）[13]等人的研究证明被动式植物活墙对室内VOCs 具有较好的净化效果，活墙可在较短时间内降低室内VOCs 浓度50%以上；达灵顿（Darlington）[14]、托皮（Torpy）[15]、阿卜杜（Abdo）[16]、王志强[17]等人发现，主动式活墙比被动式活墙的去除能力更强。目前国内外关于植物活墙净化空气的实验研究通常使用小型密封箱，并将初始污染物浓度设置过高而偏离实际情况；未针对主动式活墙的基质类型进行细分研究，较少探究通风方式的适用性。不同基质类型的活墙是否可用同样的方式来提高净化能力值得探索。

本文研究不同类型（基质材料和通风构造）的植物活墙对室内空气的净化作用。通过在封闭实验房进行物理实验和建筑空间实地测量两种方法，测试和验证植物活墙对室内空气的净化作用，并总结活墙构造类型与基质材料的合理搭配方法，以达到最佳净化效果。

1 活墙构造设计

对市面上常见的活墙装置进行了构造优化，以满足可更换基质、可调节风量、可改变风向的研究需求。活墙由6 个植物模块组成，每块面积0.25m2。模块单元包括植物、生长基质、种植盘、不锈钢加压室、风扇，以及龙骨（图2），并在工厂预制生产。

2 本实验植物活墙构造（1.2摄影：王立岩）

种植盘结构为双面不锈钢板夹固态基盘（红衫木屑压制而成，起固定作用），正面开16 个孔洞用于支撑植物与其生长基质，方便更换。选用3 种市场常见基质材料：生物棉基质（图3，聚氨酯与营养物质混合）、椰壳和泥炭土1:1 混合物（图4，后文简称“椰泥混合基质”），以及田园土基质（图5）。

3 生物棉基质

4 椰泥混合基质

5 田园土基质

在种植盘背后加设厚度为20cm 的不锈钢空腔，侧壁开设3 个洞口并安装辅助机械风扇，可为空腔内部提供不同速率和方向的气流。植物种植盘（图6）与不锈钢加压室（图7）进行拼接并密封，构成组合模块（图8）。每6 个相同基质材料的组合模块形成一面活墙，一共3 面活墙进行后续实验，都种植相同类型且等量的植物（袖珍椰子、杏叶藤、合果芋、吊兰、肾蕨、万年青）。

6 植物种植盘

7 不锈钢加压室

8 组合模块（3-8摄影：王立岩）

通过加压室风扇的关闭和开启调节活墙的通风模式：

（1）主动式通风：风扇开启，提高内外风压以增加气流与植物根际区域的接触（图9a）。

（2）被动式通风：风扇关闭，空气自由扩散至植物根际区域（图9b）。

9 活墙主动式（a），被动式通风示意（b）

2 实验研究

实验房平面尺寸为2.3m×2.3m，高2.5m（图10、11），内有稳定人工照明与双制空调一台。实验使用高精度VOCs 气体检测仪（PGM-7340，量程1ppb～10,000ppm，精度1ppb 或0.001mg/m3）、HOBO-MX1102 记录仪（温度：0～50℃，误差：±0.21℃；相对湿度：1%～90%，误差±2%）、微量移液器（100～1000μL），以及福尔马林溶液（甲醛含量37%～40%）。

10 实验房平面与剖面（9.10绘制：王立岩）

11 实验房外部（摄影：王立岩）

2.1 空室实验

在没有植物活墙的情况下，将已知量的污染物注入实验房，并记录其浓度随着时间发生衰减变化。污染物选取甲醛，室内挥发性有机化合物的典型代表。国家标准1）规定室内甲醛浓度不高于0.10mg/m3为安全范围，而相关文献显示，装修完成6 个月内的房间甲醛浓度范围为0.01～0.55mg/m3[18-20]，其最高值为国家标准的5 倍。因此，本研究选择0.50mg/m3作为实验初始浓度，以模拟装修半年内建筑室内空气质量。

将定量的福尔马林溶液使用恒温加热装置加热，促使甲醛气体稳定生成。由于福尔马林的持续挥发，甲醛浓度在前期快速上升；待挥发完全（约10h 后），甲醛浓度可基本保持平稳（图12），说明实验房密封性较好，未发生气体泄漏。经过多次重复实验，确定0.30ml 福尔马林溶液挥发完全后可为实验房提供0.55±5%mg/m3的甲醛浓度。将5次测试的平均值做为后续实验的对照曲线。

12 实验房内甲醛浓度随时间变化曲线

2.2 风量实验

对3 种基质的植物活墙分别进行无风量、低风量、中风量和高风量4 次实验。风量大小通过风扇开启数量多少决定，实测3 种风速为46m3/h、92m3/h 和138m3/h（图13）。为保证实验过程的密封性，实验开始前将活墙和污染物均放入室内，实验开始后甲醛的挥发与活墙的净化是同时进行的。活墙在无、低、中、高4 种风量模式下发挥其净化作用，室内甲醛浓度由快速上升（污染物持续释放）到保持较稳定（污染物释放完成后）的状态所需时间不同。比如生物棉活墙在无风量时，甲醛浓度8h后才停止上升并保持平稳；而在高风量时，甲醛浓度1h 后即停止上升且开始下降。为保证对比的科学性，3 组活墙实验均选取4 种情况下甲醛浓度达到稳定状态后的数据进行讨论。

13 从左至右：低风量、中风量、高风量通风模式

（1）生物棉基质活墙

生物棉活墙在4 种通风模式下的甲醛浓度均低于空室情况；无风量模式8h 后甲醛浓度较为稳定，略低于0.40mg/m3。低风量模式7h 后将甲醛浓度控制在0.30～0.36mg/m3范围，低于无风量模式，但16h 后净化作用明显下降，甲醛浓度大幅提升至0.40mg/m3以上，高于无风量模式直到实验结束。中风量模式4h 后控制甲醛浓度在0.15mg/m3左右，但19h 后大幅上升。高风量模式在1h 后已使甲醛浓度变化趋势由上升改为下降，在9h 后降至0.078mg/m3（低于国标安全浓度），并持续下降直至实验结束（图14）。

14 生物棉基质活墙风量实验结果

可见放入生物棉活墙后，室内甲醛浓度明显低于空室情况。在净化效果稳定后，4 种通风模式下室内甲醛浓度也有明显的高低对比：无风量>低风量>中风量>高风量。说明增加辅助气流的方式提高了生物棉活墙的净化能力；低、中风量虽在短时间内提高了净化效率，但长时间观测发现后期会发生不可预测的较大波动，且和无风量活墙一样无法将浓度降至国标安全范围；只有高风量（138m3/h）才能满足净化国家标准要求并维持长时间的净化效果。

（2）椰泥混合基质活墙

椰泥活墙在4 种通风模式下的甲醛浓度均低于空室情况；其中，无风量模式下甲醛浓度5h 后停止快速上升，变为在0.340～0.400mg/m3范围内平缓波动，13h 后发生大幅上升现象。低风量模式下甲醛浓度6h 后开始下降，在0.200～0.310mg/m3范围内平缓波动。中风量模式在3.5h 后将甲醛浓度控制在0.180～0.260mg/m3范围内。高风量模式在1.5h 后减缓了甲醛浓度的上升速度，最高仅达0.130mg/m3，并在13h 降至国标安全浓度0.100mg/m3以下，并持续至实验结束（图15）。

15 椰泥活墙风量实验结果

可见，相比于空室情况，椰泥活墙对甲醛有显著的净化作用。对比4 种通风模式发现，增加风量加强了椰泥活墙对甲醛的净化效果，气流越大净化速度越快，且效果更平稳。和生物棉活墙类似，只有高风量模式才能满足国家标准对甲醛浓度的要求。

（3）田园土基质活墙

田园土活墙在4 种通风模式下的甲醛浓度均低于空室情况；其中无风量模式在1h 后直至实验结束均保持室内甲醛浓度在0.100mg/m3以下；低风量模式在1h 后也将甲醛浓度控制在0.100mg/m3以下，但略高于无风量模式；中风量和高风量模式下甲醛浓度均在1.5h 后趋于稳定，中风量在0.300mg/m3上下浮动，高风量在0.200mg/m3上下浮动（图16）。

16 田园土基质活墙风量实验结果

与生物棉和椰泥活墙显著不同的是，增加风量没有提高净化能力：田园土活墙在无风量模式下即能保持甲醛浓度满足国家安全标准，低风量模式的净化效率和无风量模式基本持平，中风量和高风量反而降低了净化效率。因此不能用增加通风的方式改善田园土活墙的净化效果。

2.3 风向实验

通过改变风扇的安装方向，使气流从不同方向经过活墙种植盘，探究不锈钢加压室在正压与负压作用下对活墙净化能力的影响。统一设置为高风量（138m3/h）。

正压作用（图17）：通过风扇将污染空气从侧壁抽入腔室，腔室气压始终高于大气压，迫使污染空气流经种植盘，被根际区域和叶片净化后，洁净空气从活墙正面返回室内。

17 正压作用原理图

负压作用（图18）：污染空气从活墙正面进入，流经叶片再通过根际区域净化后到达腔室，通过风扇将腔室内空气送回室内，腔室内气压始终低于大气压。

18 负压作用原理

实验结果见图19-21，可见：

19 风向实验——高风量生物棉

20 风向实验——高风量椰泥

21 风向实验——高风量田园土（12-21绘制：王立岩）

（1）生物棉活墙在正压与负压模式下的甲醛浓度曲线变化趋势相近，净化效果相当。

（2）椰泥活墙的净化作用随时间发生了改变。前12h 正压的净化效果优于负压；12h 后负压净化能力逐步提高，并在15h 时优于正压模式直至实验结束。但正压模式甲醛浓度曲线下面积较小，相对于整个实验阶段表现更好。

（3）田园土活墙在正压模式下始终将甲醛浓度保持在0.083～0.185mg/m3的范围，负压模式下的甲醛浓度最高为0.221mg/m3，且始终高于正压活墙。因此，田园土基质正压活墙的净化效果略优于负压活墙。

综上，通风方向仅对田园土活墙的净化效果产生积极影响，对其他两种活墙没有明显改变。

3 结论

活墙可有效去除建筑空间的空气污染物。通过活墙构造类型的创新设计，探究活墙净化能力与基质材料、通风方式之间的关系，为活墙与建筑空间的整合设计提供了科学的支持。

生物棉、椰泥混合、田园土3 种基质的活墙在被动式通风模式下（无风量）均可有效降低实验房内空气的甲醛浓度，但只有田园土活墙将室内甲醛浓度降低至国标安全范围。主动通风会降低田园土活墙的净化能力，改变风向（正压通风）可使之提高。对于生物棉与椰泥活墙，主动通风可增强其净化能力，风向的改变则无明显影响。因此，为提高净化能力，被动式通风构造适合田园土活墙，主动式通风构造适合生物棉与椰泥活墙。在活墙的实际应用中需针对不同基质材料做出相应的构造设计。后续研究会继续探索活墙净化能力的影响因素，如污染物的持续释放、基质材料配比、人的行为活动，以及植物的净化饱和效应等。□

注释

1）《室内空气质量标准》（GB/T18883－2002）规定二类建筑1h均值甲醛浓度不高于0.10mg/m³。

2）TVOC：挥发性有机化合物的总和，因室内VOCs种类繁多，因此以TVOC作为其检测指标。

3）《室内空气质量标准》（GB/T18883－2002）规定TVOC浓度不高于0.60mg/m³（8h均值）。