風能熱利用是一種可以替代燃煤鍋爐供暖并提高風能消納能力的變革性潔凈能源技術。在總結和分析國內外風能熱利用系統研究現狀的基礎上，以中國科學院院士徐建中為首的國家能源風電葉片研發（實驗）中心基于風能利用與熱力學交叉理論提出了“風熱機組”的創新理念，該機組以風能作為驅動力，不經過發電環節而直接將風能轉化為熱能，由于減少了風能與電能的能量轉換損失，使系統造價降低的同時系統效率大幅度提升，經濟指標遠優于當前主流的清潔能源供熱/供冷技術。風熱機組機艙結構如圖1所示。圍繞“風熱機組”創新概念，主要取得了如下幾方面進展：
基于風力機模擬系統搭建了風熱機組半物理仿真實驗平臺和計算仿真平臺，如圖2所示。利用風力機模擬系統控制伺服電機，可以模擬不同工況風力機的功率輸出,進而以伺服電機為驅動動力,以調節熱泵輸入功率變化，利用高溫恒溫水槽和低溫恒溫水槽模擬高低溫熱源，可以測量不同工況條件下風熱機組制熱性能系數COP（制熱量/機械能）變化規律。另一方面，搭建了風熱機組仿真計算模型，圖3為熱泵機組COP實測與模擬值對比結果。由此可見，實驗平臺驗證了風熱機組仿真模型的可靠性。
以美國可再生能源實驗室（NREL）開發的Aerodyn/FAST風力機仿真平臺為基礎，結合BEM理論和開啟式壓縮機模型，構建了1.5MW風熱機組仿真模型。基于該模型，獲得不同風速時的性能曲線和典型工況下的運行規律。圖4為風熱機組風能利用系數Cp（機械能/風能）及一次能源利用率Cp×COP（制熱量/風能），可以得出，風熱機組Cp先降低后增加，風速7.74 m/s時Cp達到峰值0.4627，之后逐漸降低；風熱機組一次能源利用率Cp×COP和Cp呈類似變化規律，但其峰值向高風速后移，風速8.54 m/s時達到峰值1.9363。圖5為1.5MW風熱機組應用于張家口涿鹿地區黃帝城小鎮的冬季典型工況機械能和制熱量變化，該機組制熱量逐時變化值最高可達5.34MW，平均制熱功率約3.0MW，可滿足5萬平方米建筑物供暖需求。
為更好地推動風能熱利用向產業化邁進，在中科院Ａ類戰略性先導科技專項支持下，經過一年多的關鍵技術攻關與整機優化，團隊于2019年12月完成了百千瓦級風熱機組樣機研制，并計劃于2020年在河北省涿鹿縣黃帝城小鎮完成工程示范應用，為某酒店5000平方米建筑提供冷熱源，風熱機組以土壤源為低溫熱源，制熱工況下將產生50~60℃的熱水，制熱COP可達3.5以上（詳見圖6），該示范工程將為后續風熱機組產業化推廣打下堅實的基礎。
圖1 風熱機組機艙結構圖
圖2 風熱機組性能測試實驗平臺照片
圖3 熱泵機組COP實測與模擬值
圖4 風熱機組風能利用系數及一次能源利用率
圖5 冬季典型工況機械能和制熱量變化
圖6 黃帝城小鎮100kW風熱機組供熱供冷系統流程圖