在现代农业发展进程中，温室大棚作为保障农产品稳定供应的重要设施，面临着冬季低温环境下供暖效率低、温度分布不均等诸多挑战。2025年，国家出台多项政策鼓励温室大棚节能技术创新与应用，明确提出要提升设施农业的能源利用效率和智能化水平，这为温室大棚供暖技术的研究与发展指明了方向。在此背景下，针对冬季温室大棚内空气与土壤温度较低、单一供暖方式弊端明显、复合供暖研究不足等问题，一种新型复合供暖系统的研究应运而生，其通过数值模拟探究进风参数对温室大棚环境的影响，为解决现有问题提供了新的思路与方法。

  一、温室大棚复合供暖系统模型构建

  (一)物理模型设定

  研究选取位于河北省廊坊市的塑料薄膜温室大棚作为对象，该温室大棚东西走向长 20m，南北跨度 8m，墙高 4m，东、西与后砖墙厚 1m，朝南覆盖聚氯乙烯(PVC)膜，有助于农作物在白天获取太阳能。采用 PVC 管作为地埋换热管道，热空气从东侧地埋管口进入，西侧末端为地上出风口，设在温室大棚西侧地上 0.5m 处。同时，根据相关研究及负荷条件等，确定换热管径为 110mm，地埋管间距为 100 倍管径，埋深为 50 倍管径，构建起土壤部分的换热模型。

  (二)数学模型建立

  温室大棚复合供暖系统涉及多种复杂的热传递过程，通过建立数学模型来深入研究其温度分布特性。连续性方程基于热空气定常流动且密度不随时间变化的假设，结合 Boussinesq 假设处理气体密度变化;动量守恒方程考虑了压力、应力、重力等多种因素;能量方程针对固体介质和气体分别设定相应公式，并补充气体状态方程使控制方程组封闭。此外，采用离散坐标法计算三维辐射传热，完善了数学模型体系。

  (三)系统评价指标确定

  为全面评估温室大棚复合供暖系统的性能，确定了三个关键评价指标。温度标准差用于衡量作物生长区域(Z=-0.2 ~ 1m)内空气和土壤温度的均匀性，数值越小表明温度均匀性越好;热能利用率反映供暖系统的热能利用水平，数值越大表示达到相同平均温度时输入热量越少，系统越节能;热干风区范围用于界定过高送风温度与风速对作物生长不利的区域，通过设定温度≥30°C 或风速≥3m/s 作为判定标准。

  二、温室大棚供暖过程数值模拟实施

  (一)参数设置与网格处理

  利用 FLUENT 软件对供暖过程进行数值模拟，选择基于压力求解法，设定重力加速度、太阳辐射换热等相关参数，采用离散坐标模型计算辐射传热，SIMPLE 方法进行压力 / 速度耦合，RNG k - E 湍流模型模拟近壁区流动。将 PVC 膜和温室围护结构进行相应处理，通过用户自定义函数建立地空耦合流动路径。同时，对温室大棚内空间及其地面 1m 以下区域建立三维模型并进行非结构化网格划分，对热量交换强烈区域加密网格，并通过网格无关性验证，最终确定采用 2301731 个网格进行模拟计算。此外，利用已有试验数据对模型进行可靠性验证，结果表明模拟结果与测量值基本一致，误差分别为 5.8% 和 6.7%，证明模型可靠。

  (二)模拟结果与分析

  模拟初始条件设定为 11 月 15 日供暖前温室内环境，空气与土壤温度均为 10℃。在 40℃热空气以 3m/s 速度进入系统的工况下，模拟结果显示，温室气温迅速上升，室内平均气温稳定在 17℃左右，Z=0.5m 处截面上平均气温稳定在 20℃左右，Z=1m 处与 Z=0.5m 处截面平均温差最终稳定在 2℃左右，表明该新型复合供暖系统能有效调节室内温度，消除热浮力导致的上热下冷现象，降低供暖热负荷。

  进一步对进风温度和速度进行单因素试验分析。在进风速度影响方面，当进风温度保持 40℃不变，进风速度分别设为 2.0、2.5、3.0、3.5、4.0m/s 进行模拟。结果表明，进风速度较低时，高温区集中在温室西部与上部;随着速度提高，高温区向东部下部移动，东西部温差减小，作物生长区域湍流增强，气流运动速度提高，且流速基本在 1m/s 以下利于作物生长。同时，风速增加使温室内、土壤及作物生长区域温度升高，XY 水平方向和 Z 方向温度标准差降低，但热能利用率从 83.08% 降低至 72.39%。在进风温度影响方面，当进风速度维持 3m/s 不变，进风温度分别设为 30、35、40、45、50℃模拟发现，进风温度较低时，高温区集中在温室西部与上部，下部及东部温度变化不明显;温度提高后，高温区向下部和东部移动。但随着温度升高，热浮升力增强，作物生长区域湍流强度几乎不变，热干风区范围扩大，且温室内、土壤及作物生长区域温度升高，XY 水平方向和 Z 方向温度标准差增加，热能利用率变化率小于 5%，说明单一提高温度对热能利用率提升不明显。

  最后，以温度标准差、热能利用率及热干风区范围为评价指标，进风温度和速度为正交试验参数进行多因素多水平分析。《2025-2030年中国温室大棚产业运行态势及投资规划深度研究报告》指出，结果显示，低温高流速和高温低流速参数组合均可达到供暖温度标准，其中低温高流速组合能有效降低温度标准差，综合考虑各因素，进风温度为 40℃、进风速度为 3m/s 时为最佳参数组合，此时作物生长范围温度标准差为 1.99×10⁻³，热能利用率为 77.65%，与最不利参数组合相比，温度标准差减小了 15.8%，热能利用率提高了 10.93%，热干风区范围控制在 5% 以内。

  三、研究成果总结与展望

  通过对温室大棚复合供暖系统的研究与数值模拟可知，该系统能够有效改善温室大棚内的温度分布，消除热浮力导致的上热下冷现象，使室内温度变化保持在合理范围。进风参数对系统性能影响显著，单一改变进风温度或速度难以有效提升供暖系统整体性能，而低温高流速的进风参数组合可显著提高系统性能，进风温度 40℃、进风速度 3m/s 为最佳组合。这一研究成果表明，该复合供暖系统在我国北方冬季寒冷地区的温室应用具有可行性，为空气供暖技术在农业温室的应用提供了重要的技术参考，有助于提高温度均匀性、热能利用率，降低供暖热负荷，促进作物生长。

  在未来的研究中，将围绕作物生长范围，进一步深入分析土壤性质、管道与风口布置、管道直径及材料等参数对系统供暖性能的影响，持续优化温室大棚复合供暖系统，使其更好地满足现代农业发展的需求，推动温室大棚产业朝着高效、节能、智能的方向迈进。