垂直绿墙对建筑环境的影响研究综述

王薇，程歆玥

(1.安徽建筑大学 建筑与规划学院，安徽 合肥 230022；2.安徽建筑大学 建成环境与健康重点实验室，安徽 合肥 230022)

0 引言

随着我国城市化进程的不断发展，城市建设用地和绿化用地的矛盾不断加大，生态环境问题日益突出。垂直绿墙作为城市建筑创新和品质提升的重要方式之一，也是应对高密度城市开发问题直接有效的方式之一，对解决生态环境问题具有积极的作用。目前，城市立体绿化主要以屋顶绿化为主，但大部分屋顶被蓄水箱、排风口、太阳能板等设备占用，城市绿化面积严重不足。而建筑外立面面积是平面面积的4-10 倍，因此作为新型节能方式的垂直绿墙能显著增加城市绿化面积和城市的绿量。据报道，中国垂直绿墙需求量已达300 亿m2以上。[1]

在城市层面，垂直绿墙不仅可以减少城市热岛效应，降低细颗粒物浓度，改善空气质量，还能保持建筑、人与自然的平衡，提供生物多样性，营造自然动物栖息地，重构城市建筑生态平衡[2-5]。在建筑层面，垂直绿墙可以形成良好的视觉效果，具有保护墙面、延长建筑的使用寿命，隔热保温降噪、提高建筑热湿稳定性，降低建筑能耗等优点，还能增值房地产价值[6-9]，提高可持续发展评级。在室内层面，垂直绿墙具有隔断空间、柔化空间、缓解疲劳的优点，还能有效吸收空气中的甲醛、TVOC 等有害物质，改善室内环境质量。

然而垂直绿墙投资成本高、植物容易死亡、难以维护、使用年限短、性能不稳定且难以量化等仍是需要解决的问题。目前关于垂直绿墙的研究多集中在围护结构外的绿墙对建筑内部热工性能的影响，以及室内绿墙植物种类等方面，而关于垂直绿墙对建筑室内外环境影响的研究不多。

1 垂直绿墙的研究方法和评价标准

1.1 垂直绿墙的概念

垂直绿墙又称墙面垂直绿化，即在建筑围护结构内外进行垂直绿化，以绿植作为装饰材料主体来进行空气治理和美化环境的建筑节能方式，[10]作为一种立体绿化的形式，被广泛地应用于室内空间或室外墙面。

1.2 研究方法

垂直绿墙的研究主要集中在室内外热湿环境和室内细颗粒物浓度这两方面，实验方法有实测、模拟和实测加模拟3 种方式，针对不同的评价标准，实验设备及分析软件也不尽相同。[11-29]根据垂直绿墙与气象要素、热湿环境、空气质量等影响因素的相关性研究，常采用的实验设备主要有英国PPSystems 公司的CIRAS-1 光合测定系统、瑞典Swema 公司的Swema 3000 多功能测量仪、日本天特公司的TR-72U 温湿度自记仪以及美国戴维斯公司的VantagePRO2 气象站等。

1.3 评价标准

国内外对垂直绿墙的评价标准主要有两个方向：一是感性的方向，强调人对垂直绿墙的主观感受，主要采用问卷调查，如人们对于垂直绿墙视觉上美观程度，嗅觉上芳香与臭味，垂直绿墙对人体舒适度的影响等；二是理性的方向，强调仪器设备或模拟软件的科学分析，主要采用声、光、热、风、环境等5 个物理环境因素。多数研究者评价因子采用温湿度[11，14-17，20]，也有采用负离子浓度[18，19]、空气污染物[21-24]、二氧化碳[25]、空气流速[26]、降噪效果[12]等，如表1 所示。

2 垂直绿墙对建筑环境的影响

垂直绿墙的多样属性决定了它与室内外建筑环境均具有相关性。作为建筑围护结构，与热湿环境存在关系；作为建筑环境中的植物，与空气质量存在关系；作为建筑墙体材料，与建筑节能存在关系。

在合适的时间、地点、方位设计垂直绿墙，将合适的建筑墙体、植物、培植基质、支撑结构相互组合，进行养护管理，能够有效改善建筑热湿环境与室内外空气质量。

表1 垂直绿墙的评价标准及研究方法

2.1 垂直绿墙与热湿环境

热湿环境是建筑环境的重要组成部分，由湿度、温度、风速、太阳辐射等因素影响[27]。研究表明[28]垂直绿墙在夏季可以降低室温3-5 ℃，降低建筑周围气温0.5-4 ℃。因此，垂直绿墙不仅吸收了周围环境中热量，还能明显改善建筑及其周围的空间环境，降低室内温度，提高室内湿度[17，28-32]，从而缓解建筑周围热岛效应。

2.1.1 构成因素

垂直绿墙对热湿环境的影响与植物相关。植物叶面积指数越大，叶片层总体厚度越大，叶片密度越大，叶片面积覆盖率越大，叶片阳光透过率越小，改善温度和相对湿度的效果越显著。[33，34]垂直绿墙降温效果除了受植物对太阳辐射的吸收和反射，植物的叶密度、颜色、水分含量、叶毛和叶厚的影响外[35]，还受到植物蒸腾作用，空气间层遮光效应等影响[36]。

垂直绿墙对热湿环境的影响与培植基质相关。随基质内湿度的变化，绿墙的保温隔热作用会发生较大变化，室内绿墙的降温作用是通过培植水体的蒸发和植物的蒸腾作用实现的[26，37]。

垂直绿墙对热湿环境的影响与围护结构相关。绿墙的隔热性能随植物密度和空腔内空气变化率[38]、空气空腔尺寸以及绿墙和主体结构之间的距离[39]而变化。空腔内的空气流速在通过对流传热进行冷却中起着关键作用[40]，然而对于植物层内和植物层后面的空气运动如何影响冷却[39]却知之甚少。

2.1.2 时间因素

多数学者认为垂直绿墙对热湿环境的影响与时间有关。刘艳峰等[41]发现采用绿墙后，外墙白天降温效果更好，内墙夜间保温效果更好，绿墙对室温起到“削峰填谷”的作用。Galagoda 等[42]发现秋冬季11：00-15：00 绿墙外墙面降温显著，与裸墙相比，绿墙前0.1 m 相对湿度增量降低了1.6%-1.81%。Olivieri[43]研究发现冬春季白天，有绿墙的房间室温比无绿墙的低20%。Feitosa 等[44]研究发现冬季绿墙湿球温度最大差值发生在下午，而最小差值是晚上和清晨。周赛华等[45]研究发现对夏季全天而言，有绿墙的室温和无绿墙相比，其差值基本保持不变。

垂直绿墙对热湿环境的影响与季节有关，垂直绿墙夏季隔热，某些情况下冬季保温，且大量实验倾向于强调夏季的效益[46]。武汉绿墙在夏季降温保湿效果更好，在冬季保温除湿效果更好[47]；深圳绿墙降温增湿效果夏季＞春季＞秋季＞冬季[48]。同一季节不同温度下，垂直绿墙的保温性能也存在差异。上海秋冬季节室外气温在15-20 ℃时，绿墙保温性能达到最大值[49]，可能的原因是冬季绿墙植物落叶后既不影响建筑得热，其植物茎条还形成一层保温层，有效调节白天室内气温[50]。

2.1.3 地区因素

垂直绿墙对热湿环境的影响与不同地区的气候条件有关。对于此研究是分别在温带、大陆性和干燥气候地区进行的，大量调查是在受控的实验室或温室环境中进行的，对于不同的地区，垂直绿墙预计节能35%-90%之间。[51]日本东京地处亚热带海洋性季风气候，研究发现[52]东京某绿墙外墙温度降低了18%，内墙温度降低了7%。新加坡地处赤道多雨气候，研究指出[53]新加坡有无绿墙最高日温差达3.3 ℃。意大利巴里属于亚热带地中海气候，与裸墙相比，垂直绿墙在夏季降温最高达9.0 ℃，在冬季降温最高达3.5 ℃[54]。澳大利亚阿德莱德属于地中海气候，当地绿墙可降低建筑表面温度8-11 ℃[55]。

2.1.4 方位因素

垂直绿墙对热湿环境的影响与不同方位有关。多数研究表明优先在建筑西立面使用绿墙可达到最大的利益价值，建筑北立面绿墙价值不大。植物为五叶地锦的绿墙，在正午顶部、东部、南部、西部和北部绿化分别降温5.77%、4.21%、4.45%、3.36%和1.6%[56]，其不适合用作北面绿墙绿化[57]。绿墙西面绿墙能较大影响降温速率[58]，降温效果东南西面优于北面[45]，节能效果西面＞东面＞南面＞北面[59]。

2.1.5 其他因素

Nori 等[60]研究表明，在晴天对比墙面和绿墙的温度差最大可达24.6 ℃，而在多云天气下温差仅为3.1 ℃。目前，有关雨天、雪天、雾天、雾霾天等多种天气因素下的研究较少。Hopkins GK 等[61]对强风环境下的绿墙研究表明，强风可能会造成植物叶片以及根系水分的迅速流失。佩里尼[62]以荷兰一座两层砖混建筑为研究对象，测试其西北立面上覆盖的20 cm 厚常春藤层中心的空气流速，研究显示植物覆盖的墙体附近空气流速，相比无遮蔽墙体附近要低84%。

2.1.6 垂直绿墙对热湿环境的影响

垂直绿墙的植物状态、培植基质的含水率及蒸发量、围护结构与墙体距离都对热湿环境存在影响。垂直绿墙在全天时间段，对环境温度起到“削峰填谷”的作用。建议在夏季晴天，风速适中情况下，对建筑西立面进行垂直绿化，这能更有效地降低建筑室内外环境的温度，增加相对湿度。对于不同地区的垂直绿墙，因地制宜地选用绿植能达到较好的节能效果。

2.2 垂直绿墙与空气质量

垂直绿墙可以通过植物滞留、附着和粘贴细颗粒物，以及其高密度的排列方式，有效降低室内外PM2.5、PM10的浓度，对甲醛、PM2.5、PM10、苯、甲苯、TVOC 的去除率分别达到90%、80%、92%、82%、85%、83%。[17]每平方米的垂直绿墙可以吸收1.375% 的CO2，减少11% 的碳排放。[63]通过测量垂直绿墙植物内外污染物浓度或室内外空气中指标数值，可以判断垂直绿墙对室内外空气质量的改善作用。

2.2.1 植物种类因素

垂直绿墙植物与空气负离子浓度有关。空气负离子被誉为“空气维生素和生长素”，具有杀菌降尘、清洁空气的功效。[64]王薇等[18]根据植物释放的负离子浓度高低提出建议，阴天优先选择绿萝，晴天优先选择金边虎尾兰；白天选择芦荟和白掌，夜晚选择金边吊兰和金边虎尾兰。吴仁烨等[19]对36种植物研究发现琴叶榕产生的负离子浓度最高，在自然状态下，绝大多数植物产生的负离子浓度都是白天高于夜晚。

垂直绿墙植物与室内污染物有关。在19 世纪80 年代初，美国航天局(NASA)[22]研究已发现对甲醛、苯、CO2等去除效果最好的10 种植物，而我国对垂直绿墙植物吸收室内空气污染物的研究起步较晚，且多数集中在植物清除甲醛能力这一方面。研究发现绿萝和吊兰对室内甲醛吸收效果好[65]，富贵竹对于甲醛、TVOC、苯的去除效果较好，但持续性较差；绿萝对于甲醛的去除效果稳定性且持续性较好[66]。

根据以上研究，植物种类因素对垂直绿墙与空气质量的关系确实存在显著关系，但植物对污染物的作用机理却存在差异，其与叶片[53、67]和根际有关[22]，可能靠叶片微生物作用[68]，也可能靠培植基质水体流动和环境通风[69]，还可能通过植物细胞代谢、使用吸附能力较强的基质等方面实现[70、71]。

2.2.2 场地环境因素

垂直绿墙与室外空气质量有关。建筑密集区域空气不易流通，从而形成空气死区，造成高浓度空气污染物的集聚[72]。对于狭窄街道，垂直绿墙底部细颗粒物浓度会因“爬墙效应”而更高[23，24，73]。在没有树木的街道近似于没有垂直绿墙的场地，其每升空气中含有10 000-20 000 个尘埃微粒，但有垂直绿墙的场地尘埃微粒是前者的1/3-1/7，每升空气中仅含有3 000 个尘埃微粒。[74]

垂直绿墙与室内空气质量有关。研究表明，人们平均每天在室内度过的时间为总时间的88%，只有5%的时间是在室外度过的。因此，室内空气质量对健康的影响比室外更大。[64]绝大多数垂直绿墙的空气净化能力有限，室外空气重污染和滞尘都会影响植物光合作用，而室内空气小环境、轻污染对垂直绿墙的净化作用影响较小[75]。

2.3 垂直绿墙与建筑墙体材料

太阳直接辐射到建筑会引起建筑墙体材料提前老化和开裂，而垂直绿墙则可以缓解这一缺陷。垂直绿墙不仅为墙体遮挡雨水，同时受到垂直绿墙保护的建筑墙体材料的维护成本也会降低，从而节省建筑墙体寿命周期成本，延长建筑生命周期[76]。

2.3.1 建筑墙体材料种类因素

建筑墙体材料的类别对垂直绿墙的选择有一定影响，垂直绿墙除植物外，主要的建筑墙面材料有混凝土、铝板、玻璃幕墙、金属网、钢材等。住宅建筑灰砂砖表面设置垂直绿墙的节能效果优于混凝土墙[59]；以铝型材为建筑墙面材料，能更环保地改善室内空气质量[77]。墙面越粗糙越有利于植物的攀爬，而活墙能有效避免建筑材料的限制[47]。目前垂直绿墙已不局限于植物和建筑墙体材料的简单组合，还出现了可进行光合作用的人工绿叶墙体，地衣附着于无毒水基树脂上的苔藓墙砖[78]，微藻生物墙[79]等。

2.3.2 建筑墙体材料透明度因素

建筑材料的透明度与建筑节能效果呈现显著关系，不同的外墙透明度会影响垂直绿化墙的节能效果。在其他条件相同的情况下，垂直绿墙冷负荷减少量，100% 不透明＞60% 不透明＞40% 不透明[59、80]。一定条件下，建筑材料的透明度与建筑节能效应呈现显著的负相关关系，但在设计垂直绿墙时要注意建筑外墙材料透明度和植物遮阴性的矛盾[78]。

2.3.3 垂直绿墙对建筑墙体材料的影响

垂直绿墙目前墙体材料革新较快，除去绿植墙体组合式垂直绿墙，还有绿植墙体合成式垂直绿墙出现。垂直绿墙依附的建筑墙体表面越粗糙、透明度越低，保温节能效果越好。推荐附壁式垂直绿墙使用粗糙不透明墙体。

3 总结与展望

3.1 总结

3.1.1 垂直绿墙对热湿环境的影响

垂直绿墙对环境温度起到“削峰填谷”的作用。在夏季晴天、建筑西立面进行垂直绿化，能更有效地改善建筑室内外热湿环境；而在冬季、建筑北立面进行垂直绿化效果不显著，关于阴雨天等其他不同气候下的垂直绿墙对热湿环境的影响研究尚不健全。目前研究已知垂直绿墙对热湿环境的影响与自身植物相关，而植物如何影响温湿度还有待研究。

3.1.2 垂直绿墙对空气质量的影响

垂直绿墙植物与室内负离子浓度有显著正相关关系，与细颗粒物浓度和其他空气污染物有显著负相关关系，但植物对污染物的作用机理存在差异。垂直绿墙植物能提高室内负离子浓度，降低细颗粒物浓度，对甲醛的去除效果稳定性也较好。但当前植物种类有限，垂直绿墙在不同场地环境下的研究也较少。

3.1.3 垂直绿墙对墙体材料的影响

垂直绿墙依附的建筑墙体表面越粗糙、透明度越低，保温节能效果越好。推荐附壁式垂直绿墙使用粗糙不透明墙体。目前墙体材料更新频繁，与植物组合方式多样，品类的多样化造成较难选择最合适的垂直绿墙。

3.2 展望

垂直绿墙的研究涉及建筑学、风景园林、环境工程、植物学等相关学科，但目前建筑设计过程中并未统筹考虑，因而需要加强学科间的交叉融合，统筹设计过程，不断拓展垂直绿墙的应用空间。

3.2.1 拓展室内外垂直绿墙植物种类

垂直绿墙对于城市热岛效应改善和建筑节能的效果具有重要的实践意义和社会价值，不同气候区域应选择适宜的垂直绿墙植物，使其更适合本土环境，强化地域特色。同时可以进一步探索绿墙与立体农场或立体草药种植结合，发挥其农业、药学价值。

3.2.2 开发外墙保温装饰一体化的绿墙系统

杨经文曾说过：“我们需要开始采用柔软的、自然的材质建设我们的城市，而不是坚硬的非自然的材料。”在人居环境日益严峻的当下，用“绿墙森林”代替“钢筋混凝土森林”，将绿植和建筑墙面材料结合设计，开发新型建筑外墙材料和室内墙面材料都有待进一步的开发研究。