《Applied Thermal Engineering》：Thermal and ventilation performance of the innovative Asymmetrical Flexible Wall greenhouse for annual usage
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本研究提出一种新型不对称柔性墙温室（AFWG），通过实地测试和计算流体动力学（CFD）方法，建立了冬夏季多场耦合模型。实验表明，AFWG的土壤储热有效深度达30cm，日储热效率48.1%，且通过动态调节北墙通风口（0.6-1.8m）和作物高度（0.5-1.2m），可使通风效率提升至2.09-5.06。该设计解决了传统温室北墙厚重占用土地的问题，兼具冬季保温储热和夏季通风降温性能，为全年使用温室提供了理论依据和设计参考。
孙洪宇|齐志豪|张倩|徐宗梅|郑伟|魏敏|刘贵源|王少杰
山东农业大学园艺科学与工程学院，中国泰安271018
摘要
本文提出了一种新型的不对称柔性墙体温室（AFWG），该温室具有较高的土地利用率和年使用效率。通过现场测试方法和计算流体动力学，建立了AFWG在冬季和夏季的多场耦合模型。验证了AFWG的热性能和通风性能；揭示了浅层土壤对温度波动和热交换的影响，结果表明浅层土壤是主要的蓄热区域。在白天和夜晚，土壤的有效蓄热深度和有效释热深度分别约为30厘米和25厘米，土壤的日有效热转换率为48.1%。研究了作物高度和通风开口度对温室通风与降温性能的影响。当北墙通风口从0.6米增加到1.8米时，通风效率逐渐提高；当作物高度为0.5米时，作物区域的通风效率从1.40提高到2.09；当作物高度为1.2米时，作物区域的通风效率从3.10提高到5.06。本文为AFWG的年使用提供了案例和依据。
引言
传统的太阳能温室具有材料易获取、保温和蓄热性能等优点，但通常北墙较厚，占用较多土地，存在土地利用率低等问题[1]、[2]、[3]。夏季时北墙难以开启和使用，进一步降低了传统太阳能温室的利用率，如图1(a)所示。为此，本文提出了一种创新的不对称柔性墙体温室（AFWG），其北墙结构可调节，具有较高的土地利用率和快速建造的特点，如图1(b)所示。该温室保留了传统太阳能温室的优点，南坡的跨度大于北坡，从而增加了南坡的采光面积。在寒冷的冬季，仅使用南坡进行采光，北墙可以覆盖保温材料等多层覆盖物。夏季时，与传统的太阳能温室相比，AFWG的北墙覆盖的柔性保温材料可以卷起，从而形成新的通风方式，使北墙能够开启，进而提高通风效率，确保作物正常生长。
对于AFWG而言，其外壳结构不具备蓄热能力，土壤是唯一的蓄热和释热来源。因此，分析土壤温度分布、变化规律以及土壤的蓄热和释热特性成为研究温室热环境的关键[4]、[5]、[6]。以往的研究探讨了浅层土壤层的热性能和温度变化，提出太阳能可以在土壤中储存和积累，并将热传递视为沿深度的线性过程。建立了土壤蓄热的数学模型，并对其准确性和有效性进行了评估[7]、[8]。计算流体动力学（CFD）方法被用于将测试环境数据应用于初始条件，以研究温室墙体蓄热和释热特性对室内热环境的影响[9]、[10]、[11]、[12]。这些研究揭示了不同类型土壤中的温度变化基本规律以及温室内部的热环境。与传统太阳能温室相比，AFWG缺乏具有蓄热和保温功能的北墙。在冬季，土壤在其种植区域内的蓄热和释热特性至关重要。然而，关于创新型AFWG中土壤温度变化规律、蓄热和释热特性的研究较少。
太阳能温室的自然通风方式主要包括温室前部的屋顶通风和屋顶脊部通风[13]、[14]、[15]。由于其操作简单、成本低廉且应用广泛，自然通风已成为温室中最常用的空气交换方法。研究表明，温室内的通风对作物生长有显著影响，尤其是在作物冠层[16]。由于太阳能温室的自然通风和半封闭特性，温室的几何形状以及通风口的大小和位置对温室的通风效率有很大影响[17]、[18]、[19]。目前，关于风速、通风开口度和作物高度对温室内部风速和温度分布影响的研究主要集中在主要用于夏季的拱形温室和多跨温室[20]、[21]。本文研究的创新型AFWG具有北墙通风口，因此研究不同通风方式对温室内部热环境的影响对于制定有效的通风控制策略和确保其年使用具有重要意义。
本文采用现场测试和CFD分析的方法，研究了AFWG在冬季的保温和蓄热性能以及夏季的通风与降温性能。通过探讨土壤温度变化规律和土壤的蓄热及放热特性，阐明了温室内部热环境的变化情况。以通风开口度和作物高度为变量，对比分析了温室的通风与降温性能。这为创新型AFWG的设计和年使用能力的提升提供了参考。
测试温室
测试温室（北纬36°10′39″，东经117°10′49″）位于中国山东省泰安市泰山区，如图2所示。AFWG朝南，温室的纵向长度从西到东为70米，跨度为13米（南侧投影为10米，北侧为3米），脊部高度为6.3米。温室内部没有立柱结构。温室的南坡覆盖有PO薄膜和可卷起的保温被。
测量数据分析
2023年2月13日的测量点温度数据显示，当天最低室外温度为-5.6°C，最高温度为16.8°C。温室内的最低温度为5.6°C，最高温度可达33.4°C。当室外温度降至0°C以下时，温室内的温度仍能保持在5.0°C，表明AFWG具有良好的保温性能。
结论
本文通过现场测试和CFD模拟相结合的方法，研究了AFWG的保温和蓄热性能以及通风与降温性能。主要结论如下：
(1)AFWG在冬季具有良好的保温和蓄热性能，在夏季具有良好的通风与降温性能，满足年使用的需求。高温时开启北墙通风口
作者贡献声明
孙洪宇：撰写——初稿、软件开发、方法论设计、数据分析。齐志豪：数据验证、资源获取、调查、数据分析。张倩：方法论设计、数据分析。徐宗梅：资源获取、调查、数据分析。郑伟：项目监督、调查、数据分析。魏敏：数据可视化、项目监督、资金筹集。刘贵源：撰写——审稿与编辑、数据验证、软件开发。王少杰：撰写——审稿与编辑、数据可视化、项目协调。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本文得到了国家自然科学基金（编号32272008）、山东省重点支持区域急需人才引进项目（2025年）以及宁夏回族自治区重点研发项目（编号2023BCF01042）的支持。
