室内环境中绿墙的CO2植物修复效率的实验评估

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Experimental assessment of the CO 2 phytoremediation efficiency of living walls in indoor environments

　　

绿墙（Living Walls, LWs）可能通过减轻室内二氧化碳（CO₂）积累来补充传统通风。本研究通过实验量化了两个被动式LWs的CO₂植物修复性能，这些LWs安装在一个38 m³的全尺寸气候室中，由白鹤芋（Spathiphyllum）、心叶蔓绿绒（Philodendron hederaceum）和绿萝（Epipremnum aureum）组成。研究人员在20 °C和24 °C下，于三种光照条件（LED关闭、50%和100%强度）下进行了衰变试验和脉冲试验。在衰变试验中，光照使测得的衰变常数k从0.00566 min^-1增加到20 °C时的0.00816 min^-1和24 °C时的0.01105 min^-1，将累积CO₂暴露减少了最多44%。在扣除OFF参考贡献后，净LW等效CO₂去除气流率在20 °C时为5.75 m³ h^-1，在24 °C时为12.39 m³ h^-1。研究人员还推导了一个浓度依赖的净摄取关系g_NET(C)，用作生物汇模型。脉冲试验模拟了约三名学龄儿童的CO₂产生。60分钟后，在20 °C、50%和100%LED强度下，最终浓度增量ΔC分别减少了20–27%和35–39%；在24 °C下，分别减少了26–27%和33–37%。在全光照下，等效呼吸负荷从3.3人降至2.1人。总体而言，被动式LWs提供了可测量但有限的CO₂缓解贡献，应被视为补充性生物汇，而非通风的替代品。

**论文解读：室内绿墙对CO₂植物修复效率的实验评估**

**研究背景**
室内空气质量（Indoor Air Quality, IAQ）与学校、办公室等场所中人的身心健康密切相关。由于人们高达90%的时间在室内度过，尤其是在冬季，通风不足可能导致不适、头痛、刺激症状以及与病态建筑综合征相关的健康问题，即使温湿度在可接受范围内。传统上，IAQ通过受控机械通风（Controlled Mechanical Ventilation, CMV）和供暖、通风与空调（Heating, Ventilation and Air-Conditioning, HVAC）系统控制。然而，高室外空气供应率会显著增加供暖和制冷能耗，尤其在气密建筑中；而减少通风虽可节能，但会牺牲IAQ。老旧系统还可能对变化的占用率和污染物负荷响应不佳，带来潜在的健康和经济后果。这些局限性促使研究者探索能支持传统通风并部分降低其能耗的补充性解决方案。

植被系统（如绿墙，Green Walls, GWs）可作为天然过滤装置补充HVAC。绿墙包括绿立面（Green Facades, GFs）和活墙（Living Walls, LWs）。LWs可安装在室内以支持污染物去除和IAQ改善，根据是否有强制气流分为主动式和被动式。主动系统引导污染空气通过基质和根-微生物复合体，被动系统依靠扩散和周围空气运动。尽管主动LWs通常实现更高的去除率，但被动系统无需风扇、噪音更小，可能更适合持续占据的空间。先前研究已将LWs与改善室内湿度、热舒适、IAQ以及降低通风相关能耗联系起来，并报告了CO₂浓度降低和新鲜空气能耗减少，峰值CO₂降低可达50%。在教育环境中，LWs还可能提供亲生物效益，课堂研究观察到适度的CO₂降低、改善的热湿条件、减轻压力以及更好的感知空气质量。

然而，关于被动式室内LWs的证据仍然有限且零散。CO₂去除率因缺乏标准化指标而难以比较，关于长期植物健康、运行稳定性、生命周期影响、经济可行性和系统设计的信息仍然稀缺。此外，许多研究仅报告衰变曲线或测试持续时间，而未推导出可比较的工程指标。因此，需要一个可重复的定量框架来评估LW的CO₂去除性能。

**研究概述**
本研究针对上述空白，通过在全尺寸气候室中进行实验来量化被动式LWs的CO₂植物修复效率。研究人员在意大利安科纳马尔凯理工大学工业工程与数学科学系（DIISM）的环境能源实验室中，使用一个38 m³的气候室，安装了两个被动式LW面板（总投影植被面积6.34 m²），种植了白鹤芋（Spathiphyllum）、心叶蔓绿绒（Philodendron hederaceum）和绿萝（Epipremnum aureum）。在20 °C和24 °C两种温度下，于三种光照条件（LED关闭、50%和100%强度）下进行了衰变测试和脉冲测试。衰变测试评估了CO₂注入后的去除过程，脉冲测试模拟了人员产生的CO₂排放。通过浓度时间序列推导出衰变常数k、半衰期t_1/2、累积暴露M和净LW等效CO₂去除气流率K_plant,eff等指标。此外，还推导了浓度依赖的净摄取关系g_NET(C)作为生物汇模型。

研究发现：光照显著增强了CO₂去除，最佳衰变性能出现在24 °C；脉冲测试中，全光照下等效呼吸负荷从3.3人降至2.1人。被动LWs提供了可测量但有限的CO₂缓解贡献，应视为补充性生物汇而非通风替代品。该论文发表在《BUILDING AND ENVIRONMENT》期刊，为被动LWs的CO₂去除性能提供了可重复的定量评估框架，支持其未来集成到混合通风策略中。

**主要关键技术方法**
研究人员采用以下关键技术方法：
1. **全尺寸气候室实验**：在38 m³气候室中安装两个被动式LW面板（总面积6.34 m²，叶面积指数LAI=1.3），通过PID控制器和专用LabVIEW程序控制温度（20 °C和24 °C）和光照（LED灯，PAR测量范围为40–107 μmol m^-2 s^-1）。
2. **CO₂浓度测量与监测**：使用LI-COR LI-7815痕量气体分析仪（1 Hz采样，不确定性0.1 ppm）测量CO₂浓度，并通过七个HOBO MX CO2 Logger验证空间均匀性。
3. **衰变试验方法**：向密闭室内注入CO₂至3000 ppm，监测其浓度衰减，基于有效一阶衰变模型计算衰变常数k、半衰期和累积暴露，并推导净LW等效去除气流率K_plant,eff。
4. **脉冲试验方法**：模拟三名学龄儿童（6–11岁，轻度活动1.3 met）的CO₂产生率（0.585 L min^-1），通过定时阀门控制CO₂注入，测量60分钟内的浓度变化，计算归一化浓度C^*和等效占用人数。
5. **净摄取关系建模**：通过移动窗口线性回归估计浓度变化率，转换为每单位叶面积的质量通量，并采用Sigmoid函数拟合浓度依赖的净摄取通量g_NET(C)。

**研究结果**

**4.1 衰变测试**
通过衰变测试，研究人员比较了LED关闭和全光照（100% LED）条件下20 °C和24 °C的CO₂去除性能。结果显示，光照明显加速了CO₂衰减：60分钟后，关闭条件下平均浓度为2202.5 ppm，而20 °C和24 °C光照下分别为1878.4 ppm和1819.6 ppm。衰变常数k从关闭时的0.00566 min^-1增加到20 °C时的0.00816 min^-1和24 °C时的0.01105 min^-1，累积CO₂暴露M分别减少了约39.6%和44.4%。扣除OFF参考贡献后，净LW等效CO₂去除气流率在20 °C为5.75 m³ h^-1，24 °C为12.39 m³ h^-1。与EN 16798-1:2019标准的设计气流需求比较，所有配置下净LW贡献均低于标准要求，表明LWs应作为补充生物汇而非通风替代品。此外，研究人员推导了浓度依赖的净摄取关系g_NET(C)，采用Sigmoid模型拟合，发现24 °C时g_max更高（9.63×10^-7 kg m^-2 s^-1）且特征浓度Ci更低（1352 ppm），表明温度升高增强了净摄取能力。

**4.2 脉冲测试**
脉冲测试在20 °C和24 °C下，于LED关闭、50%和100%强度三种条件下进行，模拟三名学龄儿童持续产生CO₂。结果显示，所有光照条件下ON曲线均低于OFF参考，且分离随时间增加。在20 °C、50%LED强度下，60分钟后最终浓度增量ΔC减少20–27%；100%LED强度下减少35–39%。在24 °C下，50%LED强度时减少26–27%，100%LED强度时减少33–37%。全光照下，等效呼吸负荷从OFF时的3.3人降至2.1人，相当于抵消了约一名儿童的CO₂贡献。LED强度对性能影响最显著，而温度在低光照时有一定影响，在全光照时影响可忽略。集成脉冲面积M和效率η进一步证实了这些趋势，表明光照LWs能有效限制重复脉冲下的CO₂积累。

**讨论与结论**
讨论部分指出，本研究在固定温度设定点（20 °C和24 °C）下进行，代表冬春季节的教室条件；但实际建筑中温湿度、照明、占用率和通风波动，因此性能需在动态现场条件下验证。被动LWs的净贡献有限但不可忽略，低于EN 16798-1设计气流需求，应视为补充生物汇而非通风替代品。更大或优化的系统可能提供更大缓解，但性能不能假设随植被面积线性增加，需具体实验验证。未来工作应包括真实建筑中的长期测试，将g_NET(C)作为生物汇项纳入动态IAQ和建筑能耗模拟，并通过专门的热经济与净能量效益分析评估LED用电、灌溉需求和光照相关冷负荷的潜在通风能耗降低。

**研究结论**
本研究通过在全尺寸气候室中进行的衰变测试和脉冲测试，量化了被动式活墙（LWs）缓解室内CO₂浓度的能力。光照增加了衰变常数，缩短了半衰期，并减少了累积CO₂暴露。最佳衰变性能出现在24 °C，与拟合的g_NET(C)关系预测的更高净摄取一致。在扣除OFF参考贡献（考虑了残余空气交换和其他背景效应）后，净LW等效CO₂去除气流率在20 °C时为5.75 m³ h^-1，24 °C时为12.39 m³ h^-1。脉冲测试证实，光照LWs在模拟约三名学龄儿童重复排放的条件下限制了CO₂积累。60分钟后，在20 °C、50%和100%LED强度下，平均浓度增量分别减少了20–27%和35–39%；在24 °C下，分别减少了26–27%和33–37%。在全光照下，等效呼吸负荷从3.3人降至2.1人。LED强度对性能影响最显著，而温度在低光照时影响适中，在全光照时可忽略。被动LWs的净贡献有限但不可忽略，低于EN 16798-1设计气流需求，因此应视为补充性生物汇，而非通风替代品。