《Agriculture》：Natural Ventilation Strategies to Improve Crop-Zone Thermal Performance and Reduce Cooling Demand in Multi-Span Plastic Greenhouses Under Hot, High-Solar-Radiation, Arid Conditions
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在炎热干旱的沙漠地区，夏季高温、强烈太阳辐射以及受限的通风条件常导致温室内热量积聚和温度分布空间不均，制约了可持续保护农业的发展。本研究以中国新疆某多跨塑料温室为对象，采用经现场验证的三维计算流体动力学（CFD）模型展开调查。在晴天和阴天条件下，
论文摘要翻译
在炎热干旱的沙漠地区，夏季高温、强烈太阳辐射以及受限的通风条件常导致温室内热量积聚和温度分布空间不均，制约了可持续保护农业的发展。本研究以中国新疆某多跨塑料温室为对象，采用经现场验证的三维计算流体动力学（CFD）模型展开调查。在晴天和阴天条件下，评估了九种侧窗与顶窗开口的组合方式，以比较作物区的温度和气流特性。结果表明，侧窗开口主要控制室外空气流入、气流穿透深度和作物区降温效果，而顶窗开口主要影响上层热量排出和气流连续性。因此，两者的性能取决于协同开口比例。在晴天条件下，靠近屋顶和拱肩区域形成了超过45 °C的高温区。增大侧窗开口并适当匹配顶窗开口可有效减少热量积聚。在综合作物区评估中，S3T3方案实现了最低的平均作物区温度37.32 °C，比S1T1方案低7.35%。其温度标准差σ = 0.012，冷却需求指数Yc = 0.406，比S1T1方案降低了约74.5%。因此，优化侧窗和顶窗组合可以在不依赖高能耗机械冷却的情况下改善温室热环境，为极端气候下的节能运行和可持续保护作物生产提供了基础。
论文主体解读
研究背景与目的
在干旱荒漠地区，尽管拥有丰富的光热资源和广阔土地，但夏季高温、强辐射和有限降水严重制约了设施农业的可持续发展。多跨塑料温室在此类极端环境下运行时，极易因通风不畅导致内部热量过度积聚，形成上部空间高温和作物区温度分布不均的现象，进而影响作物的光合作用、蒸腾作用及最终产量和品质。相比机械通风和湿帘风机等主动冷却系统，自然通风具有低能耗、低运行成本和强环境适应性的优势，是调节干旱地区温室热湿环境和促进气体交换的重要手段。然而，现有研究多集中于日光温室、传统塑料大棚和Venlo型温室，针对干旱荒漠地区多层、多腔、多跨塑料温室的系统性研究相对匮乏。特别是，不同侧窗与顶窗开口组合对作物区降温效果、温度均匀性、气流组织以及辅助冷却需求的综合定量影响尚未被充分揭示。因此，本研究旨在通过建立并验证三维CFD模型，系统评估多种通风口组合下的温室热环境，以期为极端气候下低能耗通风设计和可持续蔬菜生产提供科学依据。
关键技术方法
研究人员采用计算流体动力学（CFD） 数值模拟作为核心研究方法。首先，利用SolidWorks建立了位于新疆和田（79.87° E, 37.04° N）的六连跨塑料温室的简化三维几何模型。其次，在ANSYS Fluent 2022 R2平台上，设定了包含能量方程、剪切应力输运SST k-ω湍流模型以及耦合了太阳射线追踪的离散坐标（DO）辐射模型的控制方程组。为模拟防虫网阻力，采用了多孔介质处理方法。模型边界条件由实地监测数据定义，包括室外气温、风速风向、太阳辐射等。最后，通过对100对实测与模拟温度数据的点对点比较（MAE=1.82 °C, RMSE=2.17 °C, MAPE=7.93%）完成了模型验证，确保了模拟结果的可靠性。
研究结果
3.1 晴天条件下的温度场分布
研究表明，所有通风配置下均呈现出明显的纵向温度梯度和垂直热分层。太阳辐射主要加热温室覆盖层和上部空气，导致屋顶和拱肩区域形成局部高温区（>45 °C）。侧窗开口主导了室外空气的流入和下部空间的降温，而顶窗开口主要影响上部热空气的排放。两者存在协同效应：侧窗开口不足时，仅增大顶窗无法有效降低整体温度；而充足的侧窗进风配合适当的顶窗开口（如S3T3方案）能建立更连续的进排气路径，实现最低的整体温度和最佳的空间均匀性。
3.2 晴天条件下的气流与风速分布
气流场呈现显著的空间异质性。室外空气从侧窗进入后，在浮升力和弧形屋顶引导下向上偏转，最终从顶窗排出，并在各跨间形成强度不一的回流结构。侧窗开口决定了进气的动量和穿透距离，而顶窗开口影响了上部排热和内部回流结构。S3T3方案展现了最连续的多跨气流通道，这与它更低、更均匀的温度分布相一致。
3.3 阴天条件下的温度场分布
阴天条件下，温室整体温度显著低于晴天，屋顶高温区和垂直热分层减弱。由于太阳辐射减弱，通风配置的影响主要体现在气流组织和换气均匀性上。研究发现，当侧窗开口受限时（S1），顶窗的增大可能改变内部回流结构，将热量重新分配至中部区域。而当侧窗开口较大时（S3），过大的顶窗开口反而可能导致气流过早在上部空间排出，不利于作物区的均匀通风。S2T2、S2T3和S3T2方案表现较好。
3.4 阴天条件下的气流与风速分布
阴天条件下，风压驱动通风的作用更为显著，而热浮力贡献减小。侧窗开口仍主导进气动量，顶窗开口则影响排气位置和内部回流结构。S3T2方案建立了较为连续的多跨气流路径，与其较低的温度观测结果一致。这表明在阴天，进风口与出风口之间同样需要协调匹配。
3.5 作物区热与通风性能的综合评估
研究人员通过平均温度、归一化温度标准差、平均风速和风速标准差四个指标对作物区环境进行了量化评估。结果显示，平均风速并非衡量通风降温效果的充分指标。例如，S2T3方案的平均风速最高，但其平均温度、温度均匀性和气流均匀性均劣于S3T3方案。S3T3方案同时实现了最低的平均温度（37.32 °C）、最小的归一化温度标准差（0.012）以及较高且分布更均匀的风速，综合表现最优。
3.6 夏季冷却需求与最优通风配置选择
研究人员定义了一个基于通风面积归一化的冷却需求指数Yc，用以比较各配置降低辅助冷却需求的能力。该指数越低，表明单位通风面积下超出辣椒适宜生长温度（28 °C）的程度越小。S3T3方案的Yc值最低（0.406），相比S1T1方案降低了约74.5%，再次证明了其在降低夏季冷却需求方面的优越性。
总结与结论
本研究通过CFD模拟系统揭示了在干旱荒漠地区，多跨塑料温室的侧窗和顶窗开口对内部热环境和气流组织的协同影响机制。研究明确指出，单纯增大某一类通风口并不能持续改善降温效果，关键在于进风口与出风口的合理匹配。综合作物区温度、均匀性、气流组织和冷却需求指标，S3T3（最大侧窗开口配合最大顶窗开口）被确定为该特定温室和气候条件下的最优自然通风配置方案。研究结论如下：
(1) 温室热环境在不同天气条件下差异显著。晴天时出现明显纵向温度梯度和屋顶热量积聚；阴天时整体温度降低，通风配置对气流组织的影响更加凸显。
(2) 侧窗开口主要控制作物区的进气和降温，顶窗开口主要影响上层热空气排放和气流连续性。两者存在明确的协同关系，单一增大任一开口均不能保证持续改善降温效果，过大的顶窗开口可能导致气流过早排出，削弱冠层内的有效空气交换。
(3) 中等至大开度的通风配置通常能提供更好的热调节性能。较高的风速并不必然带来更好的作物区降温效果，S3T3方案在降低冠层温度、提高温度均匀性和维持连续空气交换方面取得了更均衡的表现。
(4) 以辣椒生长适宜温度为基准，S3T3方案在作物区温度、空间均匀性、气流组织和冷却需求方面表现出最佳的综合性能，被确定为所研究条件下的首选自然通风配置。这些发现为干旱荒漠地区多跨塑料温室用于辣椒生产的通风结构设计、低能耗运行和夏季热环境调控提供了科学依据。
