引言近年来，随着社会经济的发展，人们对生活品质的要求越来越高，更加关注对人体舒适度的改善。据统计，1％的GDP增长将使供暖行业的能源消耗增加2.24％，中国的能源需求正在快速增长[1]。供暖季节比非供暖季节的PM2.5排放浓度更高，煤炭消耗是供暖季PM2.5浓度增加的主要因素[2-3]，供暖排放的污染物也是影响人们健康的主要原因，开发可再生的清洁能源迫在眉睫[4-5]。我国供暖行业的实际节能效果仅为理论节能的60.04％[6]。在中国的农村地区，大多数用户采用分散的燃煤炉和生物质炉方式供暖，对于大规模的建筑供暖则应用了地源热泵，并且在过去的10年中使用地源热泵供暖的建筑面积大幅度增加，国家发展计划也对地源热泵等可再生能源的使用进行支持和补贴[7]。区域供暖采用热泵系统可以在满足生活热水需求的同时增加经济效益，热泵可以有效利用间歇性风力发电和其他可再生能源，避免电网不稳定运行，降低能耗[8-9]。1风能的利用风能是所有可再生能源中最突出的能源[10]。中国的风力资源丰富，尤其是“三北”地区（包括中国东北、华北和西北地区），寒冷季节表现出高水平的风力资源，暖季则有所下降，并且白天的风资源明显大于夜间。寒冷季节“三北”地区的风电产量是暖季的1.4倍，这与冬季的供暖需求相匹配[11]。风力制热清洁无污染，用于供暖可以减少煤炭消耗带来的污染[12-13]。Caglayan I[14]等对科贾埃利大学校园的风能潜力进行了研究分析，通过实测点以及MERRA软件和Windographer软件对风力机所选工作高度处的风速进行建模，在考虑各项损失之后计算出风力机的输出功率，结果表明风力机的发电功率可达195 kW，能量约为1704 95 9 kWh/a，风能可用率非常高。Bahrami A[15]等首次对乌兹别克斯坦的风能潜力进行了评估，利用统计威布尔分布函数，对各地点的功率和年能量密度进行技术可行性评价，经过研究分析得出风能发电是可行的。中国拥有世界上最高的风能产能，但由于风力发电与较弱的电网基础设施的整合日益缩减，风电与现有电网的整合可能会影响电网的电能质量和可靠性，“弃风限电”现象日益严重[16]。2010年是我国风电产业的重要转折点，风电产能的大规模快速发展与输变电之间的不协调成为我国风电发展的主要矛盾[17]。截至2016年底，中国风电装机容量已达168 732 MW，超过美国成为该领域的全球领先投资者。然而，由于市场规模小、交叉输电能力不足，风力发电引起的能源浪费和“弃风限电”现象逐渐出现[18-19]。风力发电的过度浪费可能影响国家目标的实现和经济效益，鉴于目前国家可持续发展的目标和环境保护的压力，用风电供暖具有一定的现实意义[20]，也便于通过对能源系统的综合分级管理和控制，实现能源、经济和环境的最佳保护[21]。2风电驱动热泵风电驱动热泵系统是通过风力发电机输出的电能驱动压缩机做功。由于电热锅炉供暖的经济性较差，所以热泵比电锅炉、天然气锅炉更加节能[22]。Vorushylo I[23]等对热泵和直接电加热两种供热方式以爱尔兰全岛为例进行了模拟对比，结果表明使用热泵供暖比使用电锅炉供暖的经济型更好，并且储能系统与热泵相结合，在减少排放、有效的市场运行和减轻可再生能源对基荷发电的影响方面可以带来潜在的重大效益。武利利[24]等提出了基于风电的复合热源两级压缩高温热泵循环，对相同工况下的单一土壤源、单一空气源以及复合热源等不同热源的热泵系统性能系数对比分析，并综合环境分析得出COP土壤＞COP复合＞COP空气。Zheng J[25]等提出综合热电调度模型，并通过基于热源的最佳温度和流量以及预测的室内温度来调节热源和风力的集成运行。贾慧[26]通过对风电与热泵的结合方法及供暖经济性的研究，设计了3种组合方案，并通过改进得到最优的风电热泵系统，分析了系统的热负荷、经济性、环保性及匹配性，结果表明风电与压缩式热泵系统结合在满足用户热负荷要求的同时，可以有效减少市供电需求及温室气体和污染物的排放量，具有良好的节能减排效果。Wu D[27]等通过供冷、供热和电力系统的结合，实现了能源的多重利用，建立了典型的供冷、供热和电力系统组合模型；并根据系统与建筑物之间的距离以及建筑容积率，分析了建筑特征对冷热电联产系统成本的影响，供冷、供热和电力系统的组合可以为更大的区域提供更好的经济性。风电驱动热泵运用未被并网的电能代替煤炭供暖，不仅减少了环境污染，在缓解“弃风限电”问题上起了十分重要的作用。然而，风电驱动热泵是先发电再以电能驱动热泵系统，不符合“温度对口、梯级利用”的科学用能原则，因此提出了风能直驱热泵制热。3风能直驱热泵风能直驱热泵系统是将风力机传出的机械能直接带动压缩机做功，减少了中间的发电过程。陈忠维[28]等以车床代替风力机作为动力源直接驱动压缩机热泵系统，并进行了简单的实验和分析，实验结果符合空气源热泵制热的一般情况，风能直驱热泵制热技术是可行的。赵斌[29]等对垂直轴风力机驱动的热泵系统进行了风轮气动特性数值分析，并以张家口张北地区的15 m2节能建筑物为实例进行供暖负荷计算，进一步说明了风力机直接驱动压缩机供热是可行的。金韦辰[30]提出风力机直接制热可以有效地缓解当前的能源危机及环境污染等问题。因此，风能直驱热泵制热是可行的。冯毅[31]等提出了一种风力机直接驱动制冷压缩机的制冷系统，通过将风力机功率、扭矩特性与压缩机功率、扭矩特性进行对比分析，得出不同风速下风力机与压缩机的匹配特性，选择适当的增速比，使得用于风力发电的风力机完全可以驱动相同功率的压缩机做功。Toujani R[32]等通过对风能驱动的吸收/压缩式混合热泵系统进行能量优化和系统仿真模拟，结果表明风能系统与热泵系统的集成最终降低了电的间歇性影响，从而提高热泵效率。彭国勋[33]等提出了一种利用风能输出机械能直接驱动热泵的供暖系统，还提出了利用高压压缩空气进行储能的新型压缩机并进行了分析，结果表明该压缩机比普通压缩机效率更高。钟晓晖[34]等介绍了风力机直接驱动复叠式热泵机组的工艺流程，并对风力机与压缩机的最佳转速进行计算分析。曹春蕾[35]等介绍了新型风力机直驱蒸汽压缩式热泵系统，并通过对该系统进行了理论分析和实验研究得出风力机与开启式压缩机的传动比为1∶5.37 时二者可达最佳匹配效果。韩帅[36]提出一种新型风能热泵直接制热系统，将开启式压缩机置于风机塔架上并采用金属软管连接的方法首次与地面换热器连接，实现了风力机的偏航运行。并且该系统在设计风速工况下的能效系数COP可到3.5以上，系统总㶲效率可达60%以上。风能直驱热泵系统通过对该系统的研究分析，得到适合各种特定条件下的复合多种可再生能源的最佳匹配性能及热效率。系统在能量转化过程中不存在任何中间形式，与“温度对口、梯级利用”的科学用能原则完美结合。由于风能具有间歇性，为了避免能量浪费，提出蓄能技术。4风能热泵的蓄能风能热泵系统的蓄能将未被利用的风能转化成热能或冷量储存起来[37]，运用最多的是蓄热水箱、压缩空气、电转气等技术。Romanchenko D[38]等将热水箱和建筑物的热惯性作为蓄热进行比较，并将模型应用于瑞典哥德堡的区域供热系统。结果表明热水箱储存的热量是建筑物的热惯性的两倍多，且只有热水箱能储存超过48 h的热量。范艳妮[39]等将蓄热技术和风能热泵技术相结合，在保证供热量的前提下，既减少了对一次能源的消耗，又解决了风能在使用过程中的时间、空间上的不匹配问题。由此可知，风能热泵技术与蓄能技术的耦合是可行的。Mazzeo D[40]等通过对光伏、风能、电池存储和热泵等系统的耦合形成一种有效的可再生混合三联产系统，并对该系统进行了建模仿真分析，结果表明系统可以满足对建筑物提供供暖、冷却以及电能的需求。Li H[41-42]等对风力发电机直接驱动的热泵系统的动态性能进行了研究分析，并模拟了独立式单户住宅的热需求，结果表明由于风能的间歇性特征，风力发电机在采暖季节期间不能完全满足热泵的电力需求，需要增加电池来对多余发电量进行储存。增加风力发电机的容量并不一定能够减少负荷概率，增加电池的大小却可以始终减少负载概率的损失。Mohammadi A[43]等将风力发电机组、CAES（压缩空气储能）系统和CCHP（冷热电联供）系统集成在一起，利用可再生能源同时进行制冷、供热和发电，并根据热力学第一定律和第二定律，对系统进行了能量分析和㶲分析。彭国勋[44]等通过对风能利用技术、压缩空气储能技术和热泵供暖技术进行集成创新，提出了一种完全基于风能的供暖系统，并提出了一种新型液体活塞式压缩/膨胀机。该系统通过储气罐将过剩的风能通过高压气体的形式储存起来，以供风能不足时使用，提高了系统效率。西禹霏[45]以传统热电供应模式为基础，结合电转气技术以及储热装置构建了3种功能模式，使得未并网的电量不被浪费，实现能量的多形态利用，其中以含电热泵和储热装置的热电联合调度模式所需的供能系统运行成本最低。风能热泵系统与储能技术的结合不仅解决了风能热泵在运行过程中因间歇性和季节性造成的产热不均问题，还减少了一次能源的消耗量。5结语风能热泵系统的应用主要是风电热泵及风能直驱热泵，从能量分析的角度看， 电能是高品位的能源， 用电能供热效率低，且不符合能量梯级利用原则，将电能按1∶1的比例完全转化为热量是不可取的[46]；并且风能直接制热比风能发电再制热的转换效率高，中小型风电系统效率为15%~20%，风热系统效率最低为30%[47]。储能技术的应用在风能热泵系统中至关重要，不仅可以解决“弃风限电”问题，还可以实现能量的储存。风能和热泵系统在解决能源枯竭和环境污染等问题起着十分重要的作用；然而目前对风能热泵系统的研究还不够成熟，从风能电驱动热泵到风能直接驱动热泵的过渡问题，风力机与压缩机的匹配问题，不同热源的间歇性问题，以及蓄能技术的应用问题等都还没有完全解决。因此，未来需要对上述问题进行深入剖析，发展研究集风能、太阳能、地热能、水能等多种清洁的可再生能源于一体的复合热泵系统，同时再辅以储能技术进行调节。多种可再生能源复合热泵系统以及储能技术的耦合将会是今后的热点课题。