地中海地区隧道温室能源性能优化：朝向、可调开口与遮阳策略的协同作用

针对地中海气候下聚乙烯隧道温室能耗高、微气候调控难的问题，研究人员开展了朝向、可调开口与遮阳策略协同优化的研究。通过计算流体动力学（CFD）与能源模拟，发现东西朝向（90°）可有效降低夏季制冷能耗，中央屋顶遮阳结合微百叶技术可减少6%的制冷需求，而侧向遮阳热效应有限。最终，通过季节性动态调控策略，实现了年能耗降低18.8%，同时维持作物适宜生长条件，为可持续农业温室设计提供了重要理论与实践依据。

　　

在地中海气候区，农业温室面临着独特的能源与环境挑战：夏季高温与强烈日照导致室内过热，需大量能源进行制冷；冬季虽相对温和，但仍需适当加热以维持作物生长。尤其随着全球能源成本上升与农业可持续发展需求增加，如何通过被动式设计策略降低温室运行能耗，已成为农业工程与能源管理领域的重要议题。

以往研究多侧重于单一技术参数的静态分析，如固定朝向、恒定通风或遮阳方案，缺乏对多因素协同作用及季节性动态调控机制的深入探索。此外，传统方法往往依赖稳态假设或短期模拟，难以真实反映全年气候波动对温室热工性能与能耗的复杂影响。因此，亟需一套整合结构设计、自然通风与遮阳技术的动态管理策略，以实现温室能源效率的全面提升。

在这一背景下，研究人员展开了一项针对聚乙烯隧道式温室的综合能源性能优化研究，旨在通过计算流体动力学（CFD）与建筑能耗模拟相结合的方法，系统评估不同朝向、开口配置与遮阳策略对温室热环境与能耗的协同影响。该研究近日发表于《Results in Engineering》，为农业温室的节能设计与智能运行提供了重要理论与实践依据。

为开展本项研究，团队采用了多种关键技术方法：首先，基于DesignBuilder软件构建了温室几何与能量模型，集成EnergyPlus进行动态能耗模拟，时间步长为6次/小时，使用2024年拉腊什地区实际气象数据；其次，运用计算流体动力学（CFD）方法，采用标准k-ε湍流模型模拟室内气流与温度分布，耦合热平衡方程与植物蒸腾模型；第三，引入微百叶遮阳系统（microlouver），基于Slatted Blinds光学模型量化其遮阳与透光特性；最后，通过参数化分析比较不同朝向（0°、45°、90°）、侧窗与天窗开合组合及遮阳布置的能耗与热舒适性能，并采用季节性调度策略进行优化。

研究结果主要包括以下几个方面：

温室朝向优化分析表明，东西朝向（90°）在夏季可显著减少太阳辐射得热，降低制冷需求，峰值制冷能耗为19.10 kWh/m2，较其他朝向更为节能。尽管冬季加热需求略有上升，但全年总能耗仍最低，说明该朝向更适合地中海气候下的季节性调控。

侧向开口配置对能耗影响显著。研究表明，在冬季应尽量保持开口关闭以减少热损失，如20%开度时1月 heating 需求为16.78 kWh/m2，而100%开度时升至28.51 kWh/m2。夏季则应采用最大开度（如100% BN–100% TS）结合交叉通风，配合天窗增强热压通风效应，可有效降低室内温度与制冷负荷。

屋顶开口类型与开度直接影响通风效率。中央天窗（CRO）在夏季表现优于双侧天窗（DLRO），因其更利于热空气的垂直排出。当采用100% CRO开度时，7月制冷能耗为16.48 kWh/m2，较65% DLRO配置降低约0.2–0.3 kWh/m2，显示其更符合热压通风的物理机制。

CFD模拟进一步揭示了不同通风配置下的流场与温度分布特性。当采用底北侧进风、顶南侧排风结合65% DLRO时，室内气流组织最为均匀，温度分布较其他组合低2–3°C，空气流速在0.3–0.4 m/s之间，符合作物生长的气象要求。反之，若进风与排风位置设置不当，易导致热空气滞留与温度分层，增加制冷负荷。

遮阳策略的有效性亦得到系统评估。结果显示，屋顶中央遮阳可显著减少夏季太阳得热，降低制冷需求约6%，而侧向遮阳因受太阳高度角与温室结构限制，效果相对有限。所有遮阳配置均能满足番茄生长所需的最低光照强度（2.34 kWh/m2/天），说明该策略在节能的同时未牺牲作物光合需求。

最终，通过整合朝向优化、动态开口调控与屋顶遮阳，研究提出了季节性协同管理策略。该方案使温室年总能耗降至105.28 kWh/m2，较全年封闭温室下降18.8%，同时保障了地中海气候下番茄栽培的热环境与光照需求。

本研究的意义不仅在于提出了一套可操作的温室节能运行策略，更在于方法学上的集成与创新：通过耦合CFD与建筑能耗模拟，实现了从宏观能源管理到微观气候分布的多尺度分析；通过引入季节性动态调度，增强了温室对环境变化的适应能力。此外，所采用的遮阳与通风策略均属被动式技术，无需依赖高能耗设备，易于在现有温室中改造推广，具备较强的经济性与实用性。

该研究为地中海地区及其他类似气候区的农业温室提供了重要的设计与管理依据，未来可进一步结合可再生能源技术、作物生理响应模型以及低成本自动化系统，构建更加智能化、可持续的设施农业体系。