《Smart Agricultural Technology》：Computational fluid dynamics (CFD) simulations of deep winter greenhouses using passive solar heating and an underground heat storage system
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摘要专业翻译
研究人员针对配备被动式太阳能供暖与地下储热系统的深冬温室（Deep Winter Greenhouses, DWGs）开发了计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）模型。研究人员在夏季与冬季条件下对CFD
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研究人员针对配备被动式太阳能供暖与地下储热系统的深冬温室（Deep Winter Greenhouses, DWGs）开发了计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）模型。研究人员在夏季与冬季条件下对CFD模型进行了验证，以支持全年生产。光伏（Photovoltaic, PV）动力通风系统使作物区域夏季温度降低了4.9至5.8 °C。即使在极端寒冷条件下，冬季白天温度仍保持在6.0 °C以上。系统顾问模型（System Advisor Model, SAM）分析表明，光伏系统可满足每年845 kWh的电力需求，投资回收期不足六年。
论文解读文章
一、研究背景与意义
随着全球对新鲜、本地化种植农产品需求的持续增长，温室被视为增强粮食安全、支持地方经济并促进可持续农业实践的重要途径。然而，在美国中北部地区，冬季严寒使得传统温室维持适宜作物生长环境往往需要大量供暖，导致全年作物生产能耗极高。为应对这一挑战，明尼苏达大学设计并开发了深冬温室（Deep Winter Greenhouses, DWGs），将其作为寒冷气候下高能效的替代方案。DWG旨在利用被动式太阳能和地下储热系统减少对传统供暖的依赖。此类结构通常设有陡峭的朝南采光墙，以在冬季短暂日照时间内最大化太阳得热，同时将多余热量储存于地下岩床中。
已有少数研究对DWG的性能进行了测试。Hodge等人评估了明尼苏达州三个DWG场地中12种作物的产量和微气候条件。明尼苏达大学推广部发布了深冬温室2.2版设计，整合了全州多个原型建造的经验教训，以提升能效和结构性能。Worth等人记录了DWG在支持美国北部耐寒叶菜有机生产系统中的作用，强调了其对本地化食物系统的重要性。
尽管DWG已被证明能在冬季有效维持生长条件，但在温暖月份面临挑战——过量的太阳得热会导致过热，影响植物生长。这需要实施通风系统以减少白天的热量积聚。计算流体力学（CFD）模拟已被广泛用于设计温室通风系统。已有研究利用CFD评估了加那利温室中直接蒸发冷却系统（Direct Evaporative Cooling Systems, DECS）的性能，开发了自然通风农业结构中自动化气流与通风分析的CFD模拟器，以及通过CFD与田间数据集成创建动态温室气候模型等。然而，现有文献中尚无研究使用CFD模拟测试DWG的性能。
本研究的新颖性体现在DWG模拟中四个独特方面：（1）以60°角安装的朝南采光墙；（2）北、东、西三面保温墙；（3）埋设于温室下方的储热系统；（4）用于调节温室空气的循环系统。此外，系统中还集成了光伏（PV）动力通风系统。在光伏系统中，光伏板的选择以温室能源需求为指导。已有研究表明，动态光伏系统的投资回收期约为六年，具体取决于作物类型和当地气候条件。
本研究的目的是：（1）开发并验证CFD模型，以模拟位于美国中北部三个州（明尼苏达州、威斯康星州和伊利诺伊州）的DWG内部温度和气流分布；（2）评估光伏动力通风系统在冬季和夏季维持最佳生长温度的效能；（3）应用系统顾问模型（System Advisor Model, SAM）估算实施光伏动力通风系统的经济影响。
二、主要技术方法
研究人员以明尼苏达州莱克城的一个DWG为研究对象，其尺寸为4.8 m（长）× 7.3 m（宽）× 3.5 m（高）。朝南的聚碳酸酯采光墙尺寸为7.3 m（宽）× 3.6 m（长），以60°角安装以最大化太阳能捕获，其余三面墙均做保温处理。温室下方1.2 m处建造了岩床用于储热，岩石直径为2至5 cm。一个温控管道风机将温室上部积聚的热空气抽入管道系统，强制其穿过岩床进行热交换。研究中建立了夏季和冬季分别的温室能量平衡方程，CFD模型考虑了太阳辐射、与土壤和温室墙壁的热交换、通风、渗透损失以及岩床的贡献。模型建立时做了若干合理假设：温室内空气性质均匀、岩床周围土壤温度在各深度均匀、植物蒸腾作用可忽略（按蒸腾速率几乎为零的幼苗处理，以模拟最不利情形）。研究人员使用系统顾问模型（SAM）评估光伏系统的经济性。
三、研究结果
3.1 CFD模型的开发与验证
研究人员开发了DWG的CFD模型，模型涵盖了太阳能辐射、墙体与土壤热交换、通风、渗透损失及岩床储热系统等关键物理过程。模型在夏季和冬季条件下均进行了验证，验证结果表明CFD模型能够可靠地模拟DWG内部的温度和气流分布，为全年生产条件下的性能预测提供了有效工具。
3.2 光伏动力通风系统对夏季降温的效果
通过CFD模拟评估了光伏动力通风系统在夏季的降温性能。模拟结果显示，光伏动力通风系统能够将作物区域的夏季温度降低4.9至5.8 °C，有效缓解了DWG在温暖月份因过量太阳得热导致的过热问题，为作物生长创造了更为适宜的温度条件。
3.3 冬季极端寒冷条件下的保温性能
CFD模拟结果表明，即使在极端寒冷条件下，DWG冬季白天的温度仍能保持在6.0 °C以上。这一结果验证了被动式太阳能供暖与地下岩床储热系统相结合的设计方案在寒冷气候下维持适宜生长温度的有效性，证明了DWG作为寒冷地区全年作物生产解决方案的可行性。
3.4 光伏系统的经济性评估
研究人员应用系统顾问模型（SAM）对光伏动力通风系统的经济性进行了分析。结果表明，光伏系统能够满足温室每年845 kWh的电力需求，投资回收期不足六年。这一经济性分析为DWG中光伏系统的推广应用提供了有力的经济依据。
四、讨论与结论
讨论部分总结：
研究讨论指出，DWG通过被动式太阳能供暖与地下岩床储热系统的结合，有效解决了寒冷气候下温室冬季供暖能耗高的问题，同时通过光伏动力通风系统解决了夏季过热问题。CFD模拟作为一种强大的设计工具，能够准确预测温室内部的热环境和气流分布，为DWG的设计优化和性能评估提供了可靠手段。光伏系统的经济性分析进一步表明，该技术在满足温室能源需求的同时具有良好的投资回报前景。
结论部分翻译：
本研究成功开发并验证了用于深冬温室（DWG）的计算流体力学（CFD）模型，该模型涵盖了被动式太阳能供暖和地下储热系统的独特特征。研究证实，光伏（PV）动力通风系统能够将夏季作物区域温度降低4.9至5.8 °C，有效缓解了DWG在温暖月份的过热问题。在冬季极端寒冷条件下，DWG白天温度仍能保持在6.0 °C以上，验证了被动式太阳能与地下岩床储热系统相结合的设计在寒冷气候下的有效性。系统顾问模型（SAM）分析表明，光伏系统可满足每年845 kWh的电力需求，投资回收期不足六年，具有良好的经济可行性。本研究为DWG在寒冷地区的全年作物生产提供了科学依据和设计参考，填补了CFD模拟在DWG性能评估领域的研究空白。
