Городское шумовое загрязнение является распространенным экологическим стрессором, связанным с нарушением сна, сердечно-сосудистым напряжением и снижением когнитивных функций. По мере того, как города уплотняются и объемы трафика растут, традиционные шумовые барьеры, такие как бетонные стены и земные бермы, предлагают ограниченную визуальную привлекательность и часто не интегрируются с устойчивым городским дизайном. Растительные вертикальные поверхности, известные как зеленые стены или живые стены, представляют собой многофункциональную альтернативу, которая не только ослабляет звук, но и улучшает качество воздуха, снижает температуру зданий и вводит биоразнообразие в построенную среду. В этой статье рассматриваются акустические принципы, лежащие в основе зеленых стен, их измеренная производительность, реальные приложения и факторы, которые практикующие должны учитывать при развертывании их для снижения шума.

Что такое зеленые стены?

Зеленые стены представляют собой автономные вертикальные системы посадки, прикрепленные к внешним или внутренним поверхностям здания. Они отличаются от зеленых фасадов, которые полагаются на скалолазающие растения, укорененные в земле, которые растут вверх вдоль решетки. Настоящая зеленая стена объединяет поддерживающую структуру, растущую среду (часто синтетическую войлку, модульную панельную систему или слоистую подложку) и систему капельного орошения, которая поставляет воду и питательные вещества непосредственно в корневую зону. Три основных типа системы используются в приложениях снижения шума:

  • Модульные панельные системы — предварительно посаженные лотки из стали, пластика или пены, которые блокируются для покрытия больших площадей. Панели обычно содержат легкий субстрат глубиной 5—15 см и предназначены для легкой замены растений.
  • Системы из фольги или ткани — водонепроницаемая мембрана, покрытая геотекстильным одеялом, в которое растения вставляются через щели. Эти системы тоньше и легче, но все же могут обеспечить эффективное поглощение звука, когда слой одеяла достаточно плотный.
  • Непрерывные контейнерные системы — структурная структура, поддерживающая непрерывный лоток или корыт растущей среды, часто используемые для более глубоко укоренившихся видов. Они, как правило, тяжелее, но обеспечивают лучшую производительность звукосохранения из-за большей массы и пористости субстрата.

Независимо от конфигурации, все эффективные шумоподавляющие зеленые стены имеют общую черту: они сочетают грубую пористую поверхность, которая улавливает акустическую энергию с гибкой, влажной структурой, которая сопротивляется передаче вибрации.

Как зеленые стены уменьшают шум

Звуковое затухание зеленых стен происходит с помощью трех взаимодополняющих физических механизмов.

Поглощение акустической энергии

Когда звуковые волны сталкиваются с зеленой стеной, часть их энергии рассеивается в виде тепла через вязкое трение в пористой подложке и в микроструктуре листьев, стеблей и корней. Коэффициент звукопоглощения (α) зеленой стены сильно зависит от толщины и пористости растущей среды, индекса площади листьев (LAI) и шероховатости поверхности листвы. Лабораторные измерения на типичных модульных живых стенах сообщают о коэффициентах поглощения между 0,30 и 0,85 для частот выше 500 Гц, причем пиковое поглощение часто происходит в диапазоне 1000-2000 Гц - те же частоты, где человеческий слух наиболее чувствителен к шуму трафика. Отражения от жестких фасадов зданий уменьшаются, снижая время реверберации на близлежащих улицах.

Дифракция и барьерные эффекты

Физическое присутствие вертикальной растительной панели нарушает траекторию прямой видимости между источником шума (например, дорогой) и приемником (например, пешеходом или окном). Даже относительно тонкая зеленая стена создает теневую зону позади нее, где уровни звука снижаются на 5-10 дБ для источников, расположенных на уровне земли. Этот барьерный эффект наиболее эффективен, когда зеленая стена непрерывна, высока и расположена как можно ближе к источнику шума. В отличие от жестких барьеров, однако, зеленые стены не полностью отражающие; комбинация поглощения и дифракции дает более равномерное снижение шума в диапазоне углов инцидента.

Вибрационное демпфирование

Низкочастотный звук (ниже 250 Гц), как известно, трудно поглощать с помощью традиционных пористых поглотителей, потому что его длинные длины волн проходят через тонкие материалы. Зеленые стены помогают смягчить низкочастотный шум через структурное демпфирование: масса и гибкость растущей среды в сочетании с водой в ирригационной системе добавляют значительное демпфирование к оболочке здания. Это уменьшает передачу структурного шума - например, от железнодорожных линий или тяжелых грузовиков - в смежные внутренние помещения. Полевые измерения показали, что хорошо спроектированная зеленая стена может снизить взвешенные уровни звука на дополнительные 3-5 дБ в октавных диапазонах 63-250 Гц по сравнению с эквивалентной массой бетона.

Акустические факторы производительности

Эффективность шумоподавления зеленой стены не является единым числом; она варьируется в зависимости от выбора конструкции и условий окружающей среды.

  • Подложка глубина и состав — Более глубокие подложки (10-20 см) более эффективно поглощают более низкие частоты. Смеси куаров, перлитов и торфа обеспечивают высокую пористость, в то время как добавление мелких частиц улучшает поглощение звука средней частоты. Содержание воды также имеет значение: насыщенный субстрат может отражать, а не поглощать звук, поэтому скорость дренажа и сушки должна быть сбалансирована.
  • Виды растений и плотность — широколиственные вечнозеленые виды с плотными навесами (например, ] Веревочная спираль , Трахелоспермальные жасминоиды ) рассеиваются и поглощают больше звука, чем редкие, иглообразные растения. Минимальный индекс площади листьев 3-5 рекомендуется для значимой акустической пользы. Сезонные изменения должны учитываться в умеренном климате — лиственные стены теряют листву зимой, что может уменьшить поглощение на 30-50%.
  • Толщина стенки и воздушный зазор — Зеленая стена, установленная с небольшим воздушным зазором (5—15 см) за панелями, позволяет акустической системе вести себя как резонатор Гельмгольца, усиливая поглощение на низких частотах.Общая толщина всей сборки (подложка + воздушный зазор + структурная рама) должна составлять не менее 15—25 см для достижения коэффициента шумоподавления (NRC) выше 0,50.
  • Расстояние от источника шума — Чем ближе зеленая стена к источнику звука, тем больше геометрическое затухание. Размещение живой стены непосредственно вдоль обочины дороги или на лице здания возле автобусной остановки приводит к более высоким потерям при вставке, чем один, установленный на несколько метров.
  • Высота и непрерывность — Чтобы быть эффективной против шума движения, зеленая стена должна простираться как минимум на 3-4 метра над землей и непрерывно проходить вдоль открытого фасада. Пробелы между панелями более нескольких сантиметров позволяют звуку распространяться через неуменьшенный.

На практике, полевые исследования сообщают, что растительные вертикальные системы обеспечивают взвешенную потерю вставки 5-15 дБ, что сопоставимо с обычным барьером высотой 1,5 метра, но с гораздо большими эстетическими и экологическими преимуществами.

Преимущества сверх снижения шума

Неотъемлемой причиной для инвестирования в зеленые стены для снижения уровня шума является то, что они предоставляют несколько экосистемных услуг одновременно, что делает их экономически эффективными в течение их жизненного цикла. Снижение уровня шума снижает стресс и улучшает разборчивость речи в классах, офисах и резиденциях. В то же время зеленые стены фильтруют твердые частицы (PM2.5 и PM10) и поглощают газообразные загрязнители, такие как NO2 и SO2. Эвапотранспирация от растений охлаждает окружающий воздух, смягчая эффект городского теплового острова. Зимой дополнительная изоляция зеленой стены может уменьшить потери тепла через фасады, а летом она отражает солнечное излучение. Исследования также связывают видимую зелень с улучшением психического благополучия, более коротким пребыванием в больнице и увеличением стоимости имущества - преимущества, которые редко достигаются голым бетонным барьером.

Тематические исследования и примеры

В оригинальной статье упоминаются города, где для контроля шума были применены зеленые стены; здесь мы расширяем эти примеры с конкретным контекстом и измеренными результатами.

Олимпийский парк королевы Елизаветы, Лондон, Великобритания

В 2015 году вдоль границы парка Уотерден-роуд, непосредственно прилегающей к артериальной дороге A12, ежедневно перевозящей 70 000 автомобилей, была установлена живая стена длиной 200 метров, в которой используются модульные лотки из нержавеющей стали с подложкой на основе коры глубиной 12 см и поддерживает более 60 видов, включая папоротники, осадки и вечнозеленые кустарники. Мониторинг после установки лондонским агентством по устойчивому развитию показал снижение пикового шума на уровне 6-8 дБ в 15 метрах от дороги, причем стена также захватывает около 1,3 тонны углерода и 500 килограммов PM10 в год.

Паркрояль на Пикеринге, Сингапур

Этот отель в центре Сингапура славится своими обширными садами неба, но его уровень подиума включает в себя несколько отдельно стоящих зеленых стен, которые выходят на оживленную дорогу Гейланг. Стены, построенные с модульной системой лотка и плотной смесью тропических видов (включая ] Геликония и Монстера ), достигают измеренного снижения звука до 10 дБ между дорогой и открытой колодой бассейна отеля. Сингапурский институт дизайна зданий цитирует этот проект как модель для интеграции обширной вертикальной зелени в коммерческие зоны высокой плотности.

Hunts Point, Нью-Йорк, США

Жители жилого комплекса с низким доходом в районе Хантс-Пойнт, рядом с скоростной автомагистралью Брукнера и маршрутами тяжелых грузовиков, испытывали хронические уровни шума выше 75 дБ (А). В 2017 году Департамент охраны окружающей среды Нью-Йорка профинансировал пилотную зеленую стену, покрывающую весь кирпичный фасад одного крыла здания. Инженерная система использует двухслойный войлок с воздушным зазором 10 см и родными многолетниками, такими как Echinacea purpurea и Solidago . Измерения шума в помещении упали на 7 дБ (А) на стороне, обращенной к скоростной автомагистрали, а стена также снизила летний пик температуры в помещении на 3 ° C.

Manchester Urban Greenwall Study, Великобритания

Исследователи из Манчестерского университета установили четыре испытательные панели (модульные, войлочные, непрерывные и голый контроль) на здании университета рядом с оживленной круговой развязкой. Модульная панель с глубиной 15 см, установленная с Stipa tenuissima и Bergenia cordifolia , показала самую высокую среднюю потерю вставки 9,2 дБ на всех частотах. Исследование также отметило, что, хотя войлочная система была легче и дешевле, ее поглощение было значительно ниже (4,1 дБ в среднем), демонстрируя, что глубина системы и плотность подложки имеют решающее значение для применения шума.

Проблемы и соображения

Несмотря на свои преимущества, зеленые стены для снижения шума представляют собой несколько практических препятствий, которые требуют тщательного планирования.

  • Начальная стоимость и оценка конструкции — Полностью спроектированная живая стеновая система может стоить $500-1500 за квадратный метр, плюс стоимость укрепления фасада здания, если стена превышает 100 кг/м2 при насыщении.
  • Ирригация и дренаж — Зеленые стены должны быть орошаемы непрерывно; автоматизированные системы капельного орошения с датчиками, впрыском питательных веществ и восстановлением дренажа могут добавить 50–100 долларов США в месяц эксплуатационных расходов.
  • Техобслуживание и замена растений — В суровых городских микроклиматах (высокий ветер, отраженная жара, зимняя тьма между высокими зданиями) некоторые виды растений могут погибнуть в течение года.Технический контракт, охватывающий удобрение, обрезку и пересадку, обычно добавляет 10-15% стоимости установки ежегодно.
  • Правила пожарной безопасности — В некоторых юрисдикциях, растительность на высотных зданиях требует покрытия спринклером, огнестойкой поддержки или использования сертифицированных негорючих растущих сред для соответствия строительным нормам.
  • Сезонные изменения в акустической производительности — Лиственные растения теряют листья зимой, уменьшая звукопоглощение. Для круглогодичного снижения шума рекомендуется смесь вечнозеленых видов или гибридная система, которая добавляет пористую панель за растительностью.

Будущие направления

Исследования и инновации в области проектирования продолжают снижать барьеры для широкого внедрения. Для снижения структурной нагрузки разрабатываются легкие гидропонные панели с использованием биополимеров и кокосового волокна. Интеграция с системами управления зданиями с помощью датчиков влажности почвы, прогнозов погоды и автоматизированного фертигирования может сократить интервалы обслуживания. Все большее число городов, включая Париж, Мельбурн и Портленд, теперь предлагают налоговые льготы или ускоренные разрешения на разработки, которые включают вертикальную зелень. На акустическом фронте новые гибридные системы сочетают обычный пористый поглотитель (например, минеральную вуаль или переработанные текстильные панели) с живым растительным слоем снаружи, достигая значений NRC выше 0,75 при сохранении эстетических и экологических преимуществ зеленой стены.

В частности, для снижения уровня шума все чаще указываются зеленые стены вдоль звуковых барьеров на шоссе и железнодорожных набережных. Проект Европейской комиссии «Горизонт 2020» Urban GreenUP протестировал живую стену длиной 150 метров в Вальядолиде, Испания, наряду с дорогой с 20 000 транспортных средств в день. Стена достигла снижения на 6 дБ на 50 метров, а также было обнаружено, что она снижает концентрацию NO2 на 12%. По мере накопления таких данных зеленые стены готовы стать стандартным компонентом устойчивого управления городским шумом, а не нишевой эстетической особенностью.

Для дальнейшего чтения, проконсультируйтесь с ресурсом Агентства по охране окружающей среды США по шумовому загрязнению и контролю , техническим руководством акустического общества Америки по растительным барьерам и Инструментарий городского лесного хозяйства от Комиссии по лесному хозяйству Великобритании.