《Computers and Electronics in Agriculture》：CFD numerical setting combinations for greenhouse natural ventilation across diurnal time points using multi-criteria analysis
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温室自然通风的CFD数值设置优化研究。通过对比SST k-ω湍流模型、幂律风剖面公式及压力-速度耦合方案组合，结合多准则决策方法验证不同时段（08:00, 12:00, 17:00）的空气温度（CVRMSE=1.55%）和相对湿度模拟精度，发现最佳设置随时间变化且湿度误差受作物蒸腾影响显著。
白敏智|崔世恩|金汉东|张贤胜|金智敏|洪泰勋|洪珠元
韩国首尔国立科学技术大学建筑学院建筑工程项目，首尔01811
摘要
自然通风对于调节温室内的微气候至关重要，而计算流体动力学（CFD）常被用来评估温室的通风性能。在基于CFD的温室模拟中，选择和组合CFD数值设置（如湍流模型、进气口风速分布公式以及压力-速度耦合方案）是关键的设计考虑因素。因此，本研究旨在确定一种适用于基于CFD的温室自然通风模型的最佳数值设置组合。通过使用不同的设置组合进行了场景模拟，并将CFD结果与三个时间点（08:00、12:00和17:00）收集的现场监测数据进行了验证。模拟得到的空气温度和相对湿度与实测值进行了比较，并采用多标准决策方法来评估每个场景的准确性。结果表明，变化的环境条件及其与数值设置的相互作用显著影响了预测的准确性。对于空气温度，SST k-ω湍流模型、幂律分布和耦合方案的组合在所有时间点上都显示出了最高的准确性（平均CVRMSE = 1.55%）。相比之下，相对湿度的误差较大，这主要是由于作物蒸腾作用的影响。此外，最佳数值设置组合会随时间点而变化。这些发现为选择CFD数值设置提供了实用指导，这些设置可以应用于温室自然通风系统的设计和运营策略制定。
引言
为了在气候变化和极端天气事件频繁发生的背景下稳定作物产量和质量，许多组织越来越多地采用温室生产方式。这是因为快速变化的气候条件会显著降低户外农业生产力，并威胁食品安全，从而影响受控环境农业的发展（Locatelli等人，2023年；Moshari等人，2023年）。然而，由于温室运营可能耗能较高，最近的研究重点在于寻找既能保持良好作物生长又能降低运营成本和排放的节能策略（张敏等人，2022年）。通风是温室生产中的另一个关键因素。由于通风控制着与外部环境的显热和潜热交换，因此它是决定内部空气温度和相对湿度的首要因素。与机械通风相比，自然通风利用风力和浮力驱动，具有较低的能耗和较低的维护要求（Chand Singh等人，2018年）。尽管如此，如果设计合理且运行得当，自然通风能够调节对作物生长和生产力有重大影响的关键微气候变量（Benni等人，2016年）。因此，可靠地预测自然通风性能对于温室的设计和运营至关重要。
早期关于温室自然通风的研究依赖于现场实验和半经验方法来表征通风率和室内气候对通风口几何形状及外部条件的响应（Boulard等人，1997年；Ganguly和Ghosh，2009年；Teitel和Tanny，1999年）。随着计算能力的提高，计算流体动力学（CFD）已成为核心方法，因为它能够解析实际边界条件下的空间非均匀气流以及热湿传输过程。最近的温室研究特别应用CFD来研究不同通风设计和风况下的气流结构和微气候分布（Abedrabboh等人，2024年；Hong等人，2017年；Lu等人，2025年；Mao和Su，2024年；Mao和Li，2024年；Meng等人，2025年）。这些研究表明，温室自然通风效率相关的微气候受到多种环境因素复杂相互作用的影响，包括外部风速和方向、太阳辐射强度、室内外温差以及作物蒸腾作用。值得注意的是，由于这些环境条件在昼夜周期内不断变化，温室微气候表现出明显的时间依赖性特征（Ma等人，2019年）。
正如温室微气候对各种环境条件敏感一样，CFD模拟的预测准确性也高度依赖于数值设置的选择（Chen，2009年；Zhang和Kacira，2022年）。针对湍流建模和压力-速度耦合方案方法的CFD数值设置敏感性分析已在建筑和房间尺度上广泛进行。例如，Gilani等人（2016年）在一个有多个房间、热源和两个通风口的配置中，对网格分辨率、湍流模型、离散化方案和收敛标准进行了敏感性分析。Ramponi和Blocken（2012年）则对单区建筑中的交叉通风进行了CFD模拟，并对进气口湍流动能、网格分辨率、离散化方案和数值扩散效应进行了敏感性分析，并通过粒子图像测速法进行了验证。此外，其他关于进气口风速分布的相关比较研究还考虑了风能评估、城市气流和污染物扩散（Akylas等人，2017年；Emeis，2018年；Schalau等人，2021年）。然而，温室CFD研究仍然经常依赖过去的案例研究来选择配置设置，缺乏基于验证的CFD数值组合研究。
总之，以往的研究发现了以下研究空白：首先，基于CFD的温室通风研究主要关注环境因素（如风速/方向和太阳辐射）如何影响室内微气候，而数值设置对验证误差的敏感性尚未通过现场验证进行系统量化。在本文中，“敏感性”指的是误差指标（如MBE、CVRMSE）对CFD数值设置（如湍流模型、进气口风速分布公式和压力-速度耦合方案）的敏感性，而不是对气候输入时间变化的敏感性。其次，在分析配置效应时，大多数研究一次只使用一个设置，而固定其他设置，这可能会忽略相互作用效应，从而导致在不同进气口风速分布、压力-速度耦合方案设置或温室类型之间的推荐结果不够稳健。第三，温室自然通风本质上具有时间依赖性：太阳辐射、室外风速以及室内外温差和湿度梯度在昼夜周期内会发生变化，从而改变主导的流动模式和混合模式。因此，在一个时间段内表现出高准确性的配置可能在另一个时间段产生不同的偏差或变异性；然而，很少有研究以支持实际选择的形式报告时间周期依赖的配置设置误差敏感性。
因此，本研究旨在使用多标准决策框架确定不同时间点的最佳CFD数值设置组合。通过相似性排序技术（TOPSIS）根据多个性能标准对候选方案进行排序，并使用基于熵的权重来减少在组合误差指标时的主观性。最终，本文提出了：（i）一个经过现场验证的多因素框架，该框架能够捕捉湍流模型、进气口风速分布公式和压力-速度耦合方案组合之间的相互作用效应；（ii）定量证据表明配置设置的重要性如何随时间变化；以及（iii）实用的、特定于时间的指南，用于选择CFD数值设置，以支持更可靠的温室设计和运营分析。整个工作流程如图1所示。
研究区域描述和实验温室特性
实验温室位于韩国京畿道（北纬37°50′12.8″，东经127°11′10.1″）。根据K?ppen–Geiger气候分类系统，该研究区域属于湿润大陆性气候（Dwa），冬季寒冷干燥，夏季炎热，温度和降水量有明显的季节性变化。根据2011年至2020年收集的气象数据，该地区的年平均气温为11.2°C。
在不同环境条件下的CFD模拟验证结果
每个场景中的空气温度和相对湿度的CFD模拟结果均通过传感器监测数据进行了验证。误差是通过平均各个传感器位置的测量值计算得出的。为了模型验证，计算了性能指标CVRMSE和MBE（详见附录A中的表A1和A2）。每个环境因素的验证结果因每个时间点的环境条件而异。
结论
本研究建议使用计算流体动力学（CFD）模拟来分析温室自然通风，并通过组合CFD数值设置来提高不同时间点空气温度和相对湿度的模拟准确性。为此，在CFD模拟中实现了多变量配置方案，并应用了多标准决策（MCDM）方法。本研究的主要发现总结如下：
(i)模拟
CRediT作者贡献声明
白敏智：撰写初稿、验证、软件开发、方法论研究、概念构思。崔世恩：撰写与编辑、验证、方法论研究、概念构思。金汉东：可视化处理、软件开发、数据分析。张贤胜：监督工作、资源协调、项目管理。金智敏：撰写与编辑、可视化处理、方法论研究、概念构思。洪泰勋：监督工作、资源协调、概念构思。洪珠元：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了韩国政府（科学技术信息通信部）资助的韩国国家研究基金会（NRF）（编号：NRF-RS-2024-00348085）的支持。
