温室栽培是我国北方寒冷干旱地区主要的农业生产形式,是提高土地利用率、降低生产成本和提升农产品品质的重要手段。日光温室作为封闭或半封闭的热力系统,室内温湿度等环境因子的分布与作物生长密切相关。日光温室室内土壤、作物和环境间存在着复杂的质热交换作用,形成了水热耦合系统。根据前期研究发现,当室内作物形成冠层结构时,水热环境因子将呈现不同的分布规律及特征,耦合作用下的水热系统各组分将发生变化。因此研究温室水热系统变化机理对提高室内作物产量、品质,提升温室管理效率等具有重要意义。双层膜日光温室是针对北方寒冷气候研发的新型日光温室,目前已经得到了广泛的应用。但针对双层膜结构集热、储能等传热规律的模拟分析和室内水热系统耦合研究还属空白。本研究以栽有芹菜作物的新型双层膜日光温室为研究对象,分别在2018～2019年度和2019～2020年度对作物冠层和温室水热系统环境因子进行了测试分析,构建了基于多孔介质特性的芹菜作物冠层模型,验证了该模型应用于温室水热系统模拟的可行性,并基于CFD技术构建了双层膜日光温室土壤-作物-环境水热系统数值模型,对其进行了模拟分析研究。深入开展了双层膜日光温室水热系统环境因子分布规律及各组分间的耦合机理的研究,具体研究和结论如下:（1）对芹菜作物不同生长期室内外环境因子的测试分析发现,在室外环境条件相似情况下,室内环境温湿度、土壤温度和CO2浓度受作物冠层影响显著,而土壤含水率变化不明显。随着芹菜生长,冠层增高,冠层内部孔隙率、渗透率降低,冠层内外温湿度差和CO2浓度差增大。（2）对室内土壤、作物和环境间的水热交换过程进行了分析,构建了封闭条件下温室能量平衡方程。利用湍流模型、辐射模型、组分运输模型和多孔介质模型等构建了双层膜日光温室二维和三维CFD模型,提出了作物多孔介质模型参数计算和选用方法。（3）结合冠层区域试验,以温室中间截面为研究对象对室内水热环境进行二维CFD模拟,模拟结果与试验数据吻合度高,模拟方法可行,通过模拟发现多孔介质模型在温室水热系统模拟中可以准确表征作物特性。对比0.8m和1.0m冠层内外温湿度分布规律及特征,发现作物冠层多孔介质特性是影响其水热环境因子分布的主要因素。0.8m和1.0m冠层顶部与底部最大温差可达到10.3℃和13.2℃,相对湿度差达到32%和39%。随着冠层的增高,冠层内部温度和湿度差增大。（4）基于R485通讯协议,构建了包含LG207和G780模块的温室室内环境因子监测系统。对二维CFD模型进行优化,提高了模型计算速度及精度,其中温度、湿度值的模拟相对误差小于7%和5%,均方根误差小于0.6℃和3%,该模型模拟值可在监测系统中代替实测值进行运算。结合Fluent中UDF模块的监测反馈测点设定功能,构建了可应用于温室自动化控制的CFD模拟预测模块。（5）根据芹菜冠层物理特性,构建了分层多孔介质模型,优化了温室土壤-作物-环境水热系统CFD模型,并对其进行数值模拟,模拟结果与试验数据吻合度高,模型正确。分析研究了双层膜日光温室未通风时水热动态平衡状态下气流速度、湍流动能和温湿度分布特征,发现冠层内部形成了不同于室内环境的水热系统。双层膜区域通过内膜开口与室内环境进行水热交换,室内环境和土壤间直接水热耦合作用减弱,而与作物冠层的水热耦合作用增强。室内形成了中部和两侧不同的温湿度分布区间,其中温室中间温度较两侧高3℃～4℃,湿度低8%～12%。（6）通过研究发现,相比传统日光温室,双层膜日光温室集热、储能效果更好,组合通风方式可保证室内作物处于适宜的生长环境,外膜顶部自然通风口可以有效调节温室内部温湿度。在创建的CFD模型上对双层膜日光温室结构进行仿真模拟分析,提出了温室结构优化方案。论文通过对寒旱区典型双层膜日光温室水热系统进行试验和模拟研究,探明了水热动态平衡状态下温室内部各组分的耦合机理,为北方寒冷干旱地区日光温室结构优化和室内环境因子控制提供了理论依据。