免日常维护绿窗系统实验研究

赵明桥，鲍圣霖，胡颖，林鑫，韩俊勇

(中南大学 建筑与艺术学院，湖南 长沙 410075)

近年来，我国受雾霾影响的范围不断扩大，危害程度不断加深[1]。在大气遭受污染的大环境下，人们纷纷减少户外活动时间，在室内也紧闭门窗，希望以此来降低雾霾对身体的危害。但室内空气污染状况也不容乐观。根据环境学者的调查，随着现代建筑物密闭化程度的增加，世界上超过30%的建筑物室内空气有害于健康[2]。研究显示：我国居民平均室内时间为1 200 min/d，居民一天中室内活动时间最长[3]。人们长期生活、工作在污染物聚集、通风不畅和空调系统不当使用的环境中会出现疲劳、头昏、胸闷、精神不佳等各种症状，世界卫生组织统称其为“病态建筑综合症”(Sick Building Syndrome，SBS)[4]。在外部环境污染加剧和室内污染不断的双重夹击之下，室内空气质量已对人们的身体健康构成了巨大威胁，为了应对这一现实威胁，人们采取多种方法和技术手段来改善室内空气质量，较为常用的有源头控制法、空气流通法、活性炭吸附法和空气净化设备等。建筑门窗是室内外空气流通的主要通道，利用植物去除空气污染物较少有二次污染，且环境扰动小，有利于环境的改善，具有较好的应用前景[5]。

1 已有被动式空气净化研究

因空气污染主动的治理方法通常需要耗能，并且需要精心维护、经常更换配件，一些学者提出空气污染生态防治方法。Wolverton等[6−7]在 20世纪90年代开展了植物清除室内空气污染的研究。黄爱葵[8]对4种植物净化苯及甲醛能力进行了研究，结果表明净化能力爱玉合果芋＞黄金葛＞金边虎尾兰＞吊兰。此后，郭秀珠等[9−10]对各地常见的观赏植物净化室内空气的效率进行了相关研究，结果表明被试植物均可吸收空气中的甲醛、二甲苯，且具有较强的净化空气作用。植物与建筑结合的方式主要有墙体绿化、屋顶绿化和室内绿化等，下面列举国外将植物与室内空间环境结合的2个例子。

1.1 植物屏风

印度学者卡迈勒·米艾涛(Kamal Meattle)发现，可以不用开窗仅通过在室内放置足够数量的散尾葵、虎尾兰、绿萝，利用它们在室内制造新鲜空气，就能达到室内空气质量标准。人们在这样的室内待上10 h，人体的血氧含量提升一个百分点的概率达42%，眼部过敏情形减少52%，呼吸系统问题减少34%，头疼症状减少24%，肺功能障碍降低12%，哮喘减少9%，建筑物的能源需求也大幅下降15%。利用植物的这一功能制作成植物屏风，既能有效节约室内的空间，也能提供足够的新鲜空气。

1.2 窗台农场(Window farm)

美国 Britta Riley利用窗台这一室内日照充足的空间，设计的垂直水培平台，通过底部的水泵运转定期将营养液运输到顶部，一点一滴流经植物根系，以满足植物最优的营养吸收。将空气马达、逆止阀以及T型三通管串接在输水管与排水管之间，以保证整个系统可以自动进行营养液的供给。

2 免日常维护绿窗系统设计思路及系统构成

2.1 免日常维护垂直绿窗系统的设计思路

2.2.1 “绿窗”系统的整体设计

基于将植物−建筑−人的共生关系作为有机整体考虑，最大限度发挥其生态作用；将室内栽培植物与建筑通风结合考虑，利用植物光合作用过程中吸收CO2产生O2的特点以及特定植物吸附污染物和杀菌功能，形成一套相对独立的小型生态系统，平时可以弱化消除“病态建筑综合症”，当雾霾来袭时使人们免遭雾霾毒害。利用建筑的窗洞作为绿窗系统的主体空间以减少对室内空间的占用，同时通过在窗洞内设置多层植物将窗洞打造成一个室内外空气流道净化的密闭通道，使空气在流动过程中经过层层绿植的吸附将空气中的有害物质进行过滤。

绿窗的通风系统主要由2个进风口和1个出风口构成，进风口包括室内进风口和室外进风口。通风系统如图1所示，通过鼓风机自下而上将室内或室外空气导入绿窗系统中，空气以“S”型穿过整个绿窗系统，最终通过顶端出风口将净化后的空气送入室内，从而使室内外空气能够不断流通循环，实现净化空气的目的。

2.1.2 种植单元的构造方式

种植容器采用模块化的塑料方盒，具有质轻耐久的特点，造价也较为低廉，可以起到防水防潮的作用，不需要另外再设防潮层。此外，采用塑料盒做容器方便运输，能提高安装效率。作者自制的绿窗系统考虑到窗洞大小和对室内太阳辐射的影响，选择了对室内光线遮挡较小的塑料方盒(长 360 mm，宽240 mm，高100 mm)，4个种植单元组成1层种植层，统一在其下方设置水槽，便于统一供水。

2.2 免日常维护垂直绿窗系统的技术

2.2.1 植物栽种方式采用土培法

植物正常生长需要适宜的光照、水份、土壤(培养基)和空气条件，植物对土壤有着天然的适应性，以土壤为栽培基质能顺应植物的生长习性，相对于水培法或无土栽培更容易满足植物品种多样化和管理维护低技化的要求。

图1 免日常维护绿窗系统框架示意图Fig. 1 Daily maintenance-free planting window system frame diagram

2.2.2 无压痕灌的供水方式

为了减少绿窗系统内植物的日常维护，对植物采取痕灌供水方式。“痕灌”是一种比滴灌节水效率更高的灌溉技术，它以导水纤维束和土壤的毛细作用为基础力，以极微小速率将水份输送到植物根系附近，能实现稳定适量、按需供应的灌溉目的[11−12]。采用无压痕灌模式具有自适应性，能按植物所需进行供水，植物能在较稳定地环境中生长，水资源的利用效率也会得到提升。将无压痕灌应用到有土栽培中，利用毛细作用运用到植物水分和营养液的补给中，使植物自动控制吸收，低耗能，生态环保。实验选择有土栽培大大扩大了植物的选择范围。

在水槽设计时考虑到减少系统的复杂性，通过水泵将水引至最顶层水槽，当顶层水槽中的水位到达一定高度时通过出水口经不锈钢软管流入下一层水槽，以此类推，在底层水槽设置全自动水泵控制器与水阀相连，当底层水位达到设计最高水位时水阀自动关闭，当水位下降到最低水位时水阀打开，从而实现供水自动化。

3 绿窗系统实验研究

为验证上述构想及免日常维护绿窗系统的可行性，构建了绿窗系统实验装置(见图2)并开展以下实验。

3.1 实验植物的选择

在植物选择上，主要考虑以下几个方面。

1) 基于绿窗系统的植物种植在窗体内，且绿窗系统由多层种植槽组成，故植物的高度不宜过高，高度小于50 cm(预留一定的空气流通空间)；

2) 植物的叶片面积相对较大，叶冠郁闭度较高，能够吸附一定的尘埃和颗粒；

3) 植物宜选择多年生的草本和藤本植物，便于日后的管理与养护；

4) 植物能对空气中的污染物、粉尘、颗粒物进行净化吸收；

基于对于以上几点特征的考虑，选择几种适宜在湖南地区生长的植物进行试验，经过一系列试验的对比，以及相关资料的搜集整理，可以看出绿萝在综合成本、滞尘能力、甲醛净化率和产氧量上优于佛甲草、吊篮和一叶兰。

表1 实验植物综合比较Table 1 Comprehensive comparison of experiment plants

3.2 对室内空气影响实验

3.2.1 实验仪器

本文所使用到的仪器主要有：博朗通便携式手持检测仪、温湿度记录仪和风速仪。

3.2.2 实验方法

首先检查室内的密闭性：做空白试验，即在实验的房间，将房间内的门窗全部关闭，每过 6 h 取一次样，每次取样分别在实验室内的3个位置采样(与实验取样位置相同，各测点位置见图3)，总共取4次样进行检测，PM2.5和PM10的浓度基本没有变化，只有极少量的降低(<1%)，可忽略不计。

在确保室内密闭性达到试验标准的前提下，每隔6 h分别对表2，表3所列9种不同工况的室内PM2.5和PM10浓度变化进行检测。实验初始时间为上午6时，实验选取同一栋楼相邻的2个等大的房间，房间一为普通房间，房间二安装绿窗系统的改造房间。

图2 绿窗系统实验装置Fig. 2 Green window system experiment device

图3 室内采样点空间位置示意图Fig. 3 Indoor sampling points in space

3.2.3 实验目的及说明

1) 工况1和2，检验空气稳定流动是否有利于降低颗粒物的浓度；

2) 工况1和3，检测室内植物是否对PM2.5和PM10有吸附作用；

3) 工况3和4，检验稳定气流是否有利于植物对PM2.5和PM10的吸收；

4) 工况4和5，对安装绿窗系统与同等条件下的室内进行检测，检验绿窗系统的可行性；

5) 工况6和7，检验室外雾霾对室内空气的影响程度；

6) 工况7和8，对比室内植物能否减少室外雾霾对室内的污染；

7) 工况8和9，对比室外雾霾对安装绿窗系统的室内与同样条件下室内摆放等量绿植的室内差异。

表2 室内无补风实验工况表Table 2 No outdoor ventilation experiment condition table

表3 有室外补风实验工况表Table 3 Outdoor ventilation experiment condition table

3.2.4 实验结果与分析

在密闭的室内环境中，工况1，2和3的数据表明，在无植物的情况下有组织的通风对室内颗粒物几乎没有影响，也说明绿植对室内颗粒物有一定的吸附净化作用。通过对比工况3和4表说明在密闭环境下流动的空气对室内绿植吸收颗粒物有一定的促进作用。分析工况4和5，经过绿窗系统室内空气中的PM2.5和PM10与同等条件下有等量绿植的室内浓度相比分别多降低了2.57%和1.28%。其原因是不断流动的空气增加了空气与叶片直接接触的面积和频率，空气中的颗粒物被叶片吸附的概率增大。绿窗系统提供了一个完整密闭的有组织的风道，将室内空气与绿植叶片充分接触，提高绿植的净化效率。

工况6，7和8的数据表明：实验之初，室内空气质量明显优于室外，当室外PM2.5和PM10浓度较高时，在室内外通风的情况下，室内PM2.5和PM10的浓度会随着气流交换逐渐与室外浓度持平，由于室内有植物的吸收净化作用，工况8较工况7的浓度略低。在室内空气流速较低的情况下(如18时 PM10的浓度)还会出现室内颗粒物浓度略高于室外的情况。对比工况8和9的数据可知，经过绿窗系统引进室内空气中的PM2.5和PM10比室内外自然通风条件下的浓度变化率分别低 40.76%和84.17%。

表4 不同工况室内PM2.5和PM10浓度变化表Table 4 PM2.5, PM10 concentration variation indoor in different condition table

图4 工况1~5各测点PM2.5平均浓度变化图Fig. 4 No.1~5 condition of each sampling point average PM2.5 concentration variation

显而易见，在室外污染较为严重的情况下，采用传统的通风方式会大大降低室内空气质量，而通过绿窗系统引入的室外空气尽管在一定程度上较初始的浓度有所增加，但增加幅度明显低于自然通风条件下的浓度变化，导致以上结果的原因有以下几点：

1) 基于对比工况1~5得出的结论，动态的气流较静态的空气而言更有利于植物对于空气中颗粒物的吸收，绿窗系统提供了一个相对集中的空间使污染空气与植物充分接触，大大提高了植物吸附效率。

2) 与传统的自然通风相比，室内外不是直接对流，绿窗系统相当于在室内外换气过程中增加了一个过渡空间，在这个空间中，植物通过沉淀、吸收将空气中的颗粒物纳入植物的新陈代谢过程中，绿窗起到一定的阻隔作用，也是绿窗系统明显低于普通通风的一个重要原因。

3) 由于绿窗系统内的植物处于一个相对密闭的空间，植物的增湿效应优于传统的室内盆栽，绿窗系统内较高的湿度也有利于颗粒物凝结。

图5 工况1~5各测点PM10平均浓度变化图Fig. 5 No. 1~5 condition of each sampling point average PM10 concentration variation

图6 工况6~9各测点PM2.5平均浓度变化图Fig. 6 No. 6~9 condition of each sampling point average PM2.5 concentration variation

图7 工况6~9各测点PM10平均浓度变化图Fig. 7 No. 6~9 condition of each sampling point average PM10 concentration variation

4 结论

1) 在有绿植的空间内进行有组织的通风能够增加空气与叶片直接接触的面积和频率，空气中的颗粒物被叶片吸附的概率增大，植物滞尘效果更佳。

2) 绿窗系统能够作为“保护层”减少室外雾霾对室内的污染，通过建筑生态体系的一体化建设，减少大气污染物对室内环境的影响，与通风系统配合共同净化室内空气，营建健康舒适的室内环境。

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