在現代農業發展進程中，溫室大棚作為保障農產品穩定供應的重要設施，面臨著冬季低溫環境下供暖效率低、溫度分布不均等諸多挑戰。2025年，國家出台多項政策鼓勵溫室大棚節能技術創新與應用，明確提出要提升設施農業的能源利用效率和智能化水平，這為溫室大棚供暖技術的研究與發展指明了方向。在此背景下，針對冬季溫室大棚內空氣與土壤溫度較低、單一供暖方式弊端明顯、複合供暖研究不足等問題，一種新型複合供暖系統的研究應運而生，其通過數值模擬探究進風參數對溫室大棚環境的影響，為解決現有問題提供了新的思路與方法。

  一、溫室大棚複合供暖系統模型構建

  (一)物理模型設定

  研究選取位於河北省廊坊市的塑料薄膜溫室大棚作為對象，該溫室大棚東西走向長 20m，南北跨度 8m，牆高 4m，東、西與後磚牆厚 1m，朝南覆蓋聚氯乙烯(PVC)膜，有助於農作物在白天獲取太陽能。採用 PVC 管作為地埋換熱管道，熱空氣從東側地埋管口進入，西側末端為地上出風口，設在溫室大棚西側地上 0.5m 處。同時，根據相關研究及負荷條件等，確定換熱管徑為 110mm，地埋管間距為 100 倍管徑，埋深為 50 倍管徑，構建起土壤部分的換熱模型。

  (二)數學模型建立

  溫室大棚複合供暖系統涉及多種複雜的熱傳遞過程，通過建立數學模型來深入研究其溫度分布特性。連續性方程基於熱空氣定常流動且密度不隨時間變化的假設，結合 Boussinesq 假設處理氣體密度變化;動量守恆方程考慮了壓力、應力、重力等多種因素;能量方程針對固體介質和氣體分別設定相應公式，並補充氣體狀態方程使控制方程組封閉。此外，採用離散坐標法計算三維輻射傳熱，完善了數學模型體系。

  (三)系統評價指標確定

  為全面評估溫室大棚複合供暖系統的性能，確定了三個關鍵評價指標。溫度標準差用于衡量作物生長區域(Z=-0.2 ~ 1m)內空氣和土壤溫度的均勻性，數值越小表明溫度均勻性越好;熱能利用率反映供暖系統的熱能利用水平，數值越大表示達到相同平均溫度時輸入熱量越少，系統越節能;熱干風區範圍用於界定過高送風溫度與風速對作物生長不利的區域，通過設定溫度≥30°C 或風速≥3m/s 作為判定標準。

  二、溫室大棚供暖過程數值模擬實施

  (一)參數設置與網格處理

  利用 FLUENT 軟體對供暖過程進行數值模擬，選擇基於壓力求解法，設定重力加速度、太陽輻射換熱等相關參數，採用離散坐標模型計算輻射傳熱，SIMPLE 方法進行壓力 / 速度耦合，RNG k - E 湍流模型模擬近壁區流動。將 PVC 膜和溫室圍護結構進行相應處理，通過用戶自定義函數建立地空耦合流動路徑。同時，對溫室大棚內空間及其地面 1m 以下區域建立三維模型並進行非結構化網格劃分，對熱量交換強烈區域加密網格，並通過網格無關性驗證，最終確定採用 2301731 個網格進行模擬計算。此外，利用已有試驗數據對模型進行可靠性驗證，結果表明模擬結果與測量值基本一致，誤差分別為 5.8% 和 6.7%，證明模型可靠。

  (二)模擬結果與分析

  模擬初始條件設定為 11 月 15 日供暖前溫室內環境，空氣與土壤溫度均為 10℃。在 40℃熱空氣以 3m/s 速度進入系統的工況下，模擬結果顯示，溫室氣溫迅速上升，室內平均氣溫穩定在 17℃左右，Z=0.5m 處截面上平均氣溫穩定在 20℃左右，Z=1m 處與 Z=0.5m 處截面平均溫差最終穩定在 2℃左右，表明該新型複合供暖系統能有效調節室內溫度，消除熱浮力導致的上熱下冷現象，降低供暖熱負荷。

  進一步對進風溫度和速度進行單因素試驗分析。在進風速度影響方面，當進風溫度保持 40℃不變，進風速度分別設為 2.0、2.5、3.0、3.5、4.0m/s 進行模擬。結果表明，進風速度較低時，高溫區集中在溫室西部與上部;隨著速度提高，高溫區向東部下部移動，東西部溫差減小，作物生長區域湍流增強，氣流運動速度提高，且流速基本在 1m/s 以下利於作物生長。同時，風速增加使溫室內、土壤及作物生長區域溫度升高，XY 水平方向和 Z 方向溫度標準差降低，但熱能利用率從 83.08% 降低至 72.39%。在進風溫度影響方面，當進風速度維持 3m/s 不變，進風溫度分別設為 30、35、40、45、50℃模擬發現，進風溫度較低時，高溫區集中在溫室西部與上部，下部及東部溫度變化不明顯;溫度提高後，高溫區向下部和東部移動。但隨著溫度升高，熱浮升力增強，作物生長區域湍流強度幾乎不變，熱干風區範圍擴大，且溫室內、土壤及作物生長區域溫度升高，XY 水平方向和 Z 方向溫度標準差增加，熱能利用率變化率小於 5%，說明單一提高溫度對熱能利用率提升不明顯。

  最後，以溫度標準差、熱能利用率及熱干風區範圍為評價指標，進風溫度和速度為正交試驗參數進行多因素多水平分析。《2025-2030年中國溫室大棚產業運行態勢及投資規劃深度研究報告》指出，結果顯示，低溫高流速和高溫低流速參數組合均可達到供暖溫度標準，其中低溫高流速組合能有效降低溫度標準差，綜合考慮各因素，進風溫度為 40℃、進風速度為 3m/s 時為最佳參數組合，此時作物生長範圍溫度標準差為 1.99×10⁻³，熱能利用率為 77.65%，與最不利參數組合相比，溫度標準差減小了 15.8%，熱能利用率提高了 10.93%，熱干風區範圍控制在 5% 以內。

  三、研究成果總結與展望

  通過對溫室大棚複合供暖系統的研究與數值模擬可知，該系統能夠有效改善溫室大棚內的溫度分布，消除熱浮力導致的上熱下冷現象，使室內溫度變化保持在合理範圍。進風參數對系統性能影響顯著，單一改變進風溫度或速度難以有效提升供暖系統整體性能，而低溫高流速的進風參數組合可顯著提高系統性能，進風溫度 40℃、進風速度 3m/s 為最佳組合。這一研究成果表明，該複合供暖系統在我國北方冬季寒冷地區的溫室應用具有可行性，為空氣供暖技術在農業溫室的應用提供了重要的技術參考，有助於提高溫度均勻性、熱能利用率，降低供暖熱負荷，促進作物生長。

  在未來的研究中，將圍繞作物生長範圍，進一步深入分析土壤性質、管道與風口布置、管道直徑及材料等參數對系統供暖性能的影響，持續優化溫室大棚複合供暖系統，使其更好地滿足現代農業發展的需求，推動溫室大棚產業朝著高效、節能、智能的方向邁進。