综述：将可再生能源技术整合到寒冷地区的供暖和电力系统中：一项系统的文献综述

《Energy Conversion and Management-X》：Integrating renewable technologies to heating and power systems in cold regions: A systematic literature review

　　米拉德·努里 | 米罗斯拉娃·卡夫吉奇 | 卡琳·欣泽 | 阿卜杜勒哈米德·巴巴通德·奥沃拉比
渥太华大学土木工程系，161路易斯·巴斯德路，渥太华，安大略省K1N 6N5，加拿大

**摘要**
随着全球能源消耗的增加，实施更高效和有效的电力生产方法以及可持续的能源生成实践对于减少有害的温室气体排放至关重要。本研究回顾了集成可再生能源系统的设计与分析，特别是基于太阳能、风能、地热能和生物质能的供暖和发电系统，并考虑了寒冷气候下的热循环和系统规模。该研究旨在呈现2010年至2025年间关于可再生能源系统实验和模拟工作的系统文献综述的发现，涵盖了小型/建筑规模和大型/城市规模的视角。为此，根据《系统评价的优先报告项目》指南，查阅了三个电子数据库（Web of Science、Scopus和Google Scholar）。初步的文献搜索共找到了11,604篇研究，经过筛选后，最终选取了138篇论文进行进一步分析。研究发现表明，在寒冷气候下采用基于太阳能的热系统是有益的，因为低温可以使得太阳能电池板的能量生产效率提高约0.45%。在寒冷地区，基于风能和生物质能的供暖和发电系统较少见且竞争力较弱。因此，建议利用地热能和混合可再生能源系统作为有效的解决方案。此外，应加强对实验示范的关注和投资，因为20%的研究涉及实验设计，而大多数实验工作来自中国。最后，基于调查结果指出了存在的不足，并提出了未来发展的建议，包括将可再生能源系统应用于供暖和发电领域。

**1. 引言**
全球能源消耗的增加推动了高效和可持续电力生产过程的需求[1]。同时，应对减少温室气体排放的挑战对于减轻环境影响至关重要[2]。热电联产（CHP）厂作为一种重要的解决方案出现，它能够从单一燃料来源同时产生电能和热能。这种集成方法显著提高了系统效率，减少了能源损失，并降低了燃料消耗，从而比传统的独立热电生产方法减少了温室气体排放[3]。各种类型和规模的CHP单元，包括微型CHP系统[4]、连接到配电网的分散式CHP单元[5]以及与区域供热网络集成的集中式CHP单元[6]，可以有效满足多样化的电力和热能需求[6]。例如，与区域供热网络结合的CHP单元可以提供空间供暖和热水[7]。
关于不可再生能源CHP系统的综述已经从多个角度进行了全面研究。例如，Mahian等人[8]对使用多种能源的CHP系统的能量分析进行了深入研究，涵盖了朗肯循环、有机朗肯循环（ORCs）、燃料电池、燃气轮机、往复式发动机和混合能源系统等六个方面。Wang等人[9]回顾了CHP系统的运行策略和技术多样性，概述了各种CHP技术的能力和适应性。Alexandros Arsalis[10]研究了基于燃料电池的CHP系统，重点关注燃料处理方法、燃料电池类型、热管理以及微燃气轮机、制冷循环和储能组件的集成。Rajabi等人[11]批判性地评估了CHP系统中使用的化学循环燃烧技术，该技术在控制空气污染、减少燃料消耗和促进清洁燃料生产方面起着重要作用。微型CHP系统作为传统热电联产的更先进和紧凑版本，预计将在减少二氧化碳排放和提高一次能源节约方面发挥关键作用。Mohammadi Maghanki等人[12]和Murugan与Harak[4]也对该技术进行了全面回顾。Zhu等人[13]在另一项相关研究中探讨了与CHP技术结合的斯特林发动机，重点关注三联产系统、各种热源、技术经济考虑、商业发展现状、挑战和未来趋势。
在过去二十年里，研究重点是将可再生能源集成到热电联产厂中，以实现额外的二氧化碳减排并减少煤炭和天然气的使用[14]、[15]、[16]。然而，关于基于可再生能源的CHP系统的综述研究较少。Bagherian和Mehranzamir[17]回顾了全球范围内利用太阳能、风能和地热能作为热电联产系统或与CHP系统结合的能源生产情况。尽管这项研究对各种可再生能源的热电联产进行了全面分析，但它没有考虑寒冷气候带来的挑战，也没有考虑在太阳能辐射较低的地区通常不可或缺的生物质能。Modi等人[18]对丹麦寒冷气候下的热电发电系统进行了分析，包括太阳能光伏（PV）、太阳能集热器（STC）和非聚光集热器。Kasaeian等人[19]在另一项类似的研究中评估了集成太阳能的热电系统，如光伏/热（PV/T）配置和STC，考虑了能量效率和经济效益。虽然这两项研究详细探讨了基于太阳能的CHP系统，但它们排除了风能、地热能、生物质能和其他集成系统。此外，他们的研究仅限于丹麦的气候条件，未考虑其他地区的寒冷气候。Dong等人[20]对生物质燃料微型CHP系统进行了全面回顾，重点比较了英国和其他地区的ORC技术与生物质气化和微型涡轮机技术。然而，这项研究没有考察其他可再生能源，也没有具体说明研究所在国家的名称。

能源管理在设计和应用CHP系统时至关重要，以实现最佳的成本、能源节约、减排和组件寿命[21]。因此，Erixno等人[22]研究了全球范围内以可再生能源为主要能源的CHP系统的能源管理方法。尽管这项研究提供了大量关于提高CHP性能的管理策略信息，但它没有考虑寒冷气候或供暖主导地区的能源管理复杂性。
以往关于基于可再生能源的CHP系统的综述要么未能全面涵盖各种可再生能源，要么没有探讨寒冷气候带来的独特挑战，如供暖需求增加[23]、热损失加剧[24]、需要储能和备用电源[25]以及能源效率策略的实施[26]。此外，作为叙述性综述，它们可能缺乏系统化的程序并表现出较大的主观性。本文通过提供对集成可再生能源技术在供暖和发电系统中的全面和系统化研究，特别强调了其在全球寒冷地区的应用，从而填补了这些研究空白。具体而言，这项研究在几个方面具有创新性和重要性：
• 这是首篇关于基于可再生能源的供暖和发电系统的系统文献综述。
• 它首次在全球范围内全面回顾了适用于寒冷气候的集成可再生能源CHP系统。
• 它研究了太阳能集成供暖和发电系统，重点关注寒冷天气对性能的影响。
• 它评估了风能、地热能和生物质能集成系统的有效性，特别是在寒冷地区。
• 它分析了用于供暖和发电的混合可再生能源系统，评估了它们的综合效果。
• 它研究了在寒冷地区开发可再生能源框架的投资成本，以确定最佳方案。
最后，本文指出了寒冷地区可再生能源系统设计和结构的关键方面和缺点，并为未来的研究提出了建议。

**2. 系统评价方法（PRISMA）**
本系统评价遵循《系统评价和元分析的优先报告项目》（PRISMA）指南[27]。PRISMA方法包括17个子项，概述了进行系统评价的各个阶段，如资格标准、识别和选择适当的信息来源、制定详细的搜索策略、研究选择步骤、结果以及数据合成方法[27]。根据这些指南，本文系统地研究了基于可再生能源的热系统在供暖和发电方面的进展，重点关注其在寒冷气候地区的性能和适用性（图S1和表S1）。分析强调了关键因素，特别是可再生能源的选择、实施的热技术种类以及这些系统的规模，这些都在模拟和实验研究中进行了探讨。

**2.1. 资格标准**
资格标准代表了系统评价的范围，应用于数据库搜索阶段识别出的研究。这些标准分为纳入标准和排除标准。纳入标准侧重于研究寒冷气候下的基于可再生能源的供暖和发电系统、2010年至2025年间发表的文章以及报告了详细分析和结果的相关文献。相反，排除标准排除了非系统的叙述性综述、非英语语言的文章、会议论文、书籍或书籍章节、编辑材料以及处理非可再生能源或非集成可再生能源系统的研究。此外，核能和水能系统也被排除在分析之外，因为主要关注的是具有成本效益和快速实施能力（通常在一年内）的可再生能源技术。核能和水能项目需要大量的资本投资和较长的开发时间，这与本研究的目标不符。PRISMA协议建议使用一个或多个中央数据库以确保全面搜索并识别所有相关研究。

**2.2. 搜索标准**
本系统评价的关键词选择是在所有作者和可再生能源及热系统领域的专家参与的合作会议中精心制定的。这一严格的过程确保所选关键词准确反映了综述的范围和重点。因此，选择了以下关键词：
（寒冷天气或寒冷气候）AND （CHP或热电联产）AND （太阳能*或光伏*或太阳能集热器*或风能*或风力发电*或生物燃料或生物质或沼气或地热）AND （热泵*）。
使用这样一套全面的关键词旨在捕捉广泛的相关文献，从而便于全面探索寒冷气候下与热系统结合的可再生能源技术。这种策略不仅增强了搜索过程，还旨在减少遗漏可能对综述结果有重要贡献的研究的风险。

**2.3. 研究选择和数据收集**
为了减少系统评价各阶段的错误和偏见，研究团队独立审查了文章的全文（如标题和摘要）以确定是否适合纳入。如图1所示，最初有11,604篇论文符合本系统评价的要求，分别来自Scopus（N = 633篇）、Web of Science（N = 371篇）和Google Scholar（N = 10,600篇）数据库。经过全面筛选和去除重复项后，从这三个数据库中获得了374篇论文。进一步应用资格标准后，由于非集成可再生能源设计、非英语报告、会议论文、书籍和书籍章节、脱碳策略以及非可再生能源系统，有236篇论文被排除。此外，还检查了所选文章的参考文献列表，但未发现更多符合条件的论文。因此，在进行全文资格评估后，有138篇论文符合本系统评价的要求（图2）。接下来，审查团队根据与文章发表相关的变量（通讯作者/国家、发表年份和期刊名称、研究目的、使用的软件和方法、系统结果、可再生能源和热系统、系统规模、知识差距和结果）收集了所有选定文章的数据。

**2.4. 限制**
系统文献综述存在可能影响结论有效性的局限性。在这方面，本系统评价受到数据库、搜索词和既定纳入/排除标准的限制。尽管搜索方法较为全面，但仅发现了两篇非英语语言的研究。然而，这个较低的数量也可能表明，像俄语、粤语、法语和芬兰语这样的语言在研究中使用了不同的索引术语。因此，这项综述可能会遗漏一些重要的区域性研究成果。3. 结果所选文章的主要特征在表S2和S3中呈现，这些表格全面总结了研究的关键方面。这些表格包括了关于集成可再生能源系统配置的详细信息、所采用的热技术（如有机朗肯循环（ORCs）、热泵和热电联产（CHP）循环）、使用的方法论、应用的软件工具以及系统的规模。值得注意的是，超过70%的寒冷气候下的实验和仿真研究集中在单个建筑规模的应用上。这些研究主要探讨了太阳能和地热可再生能源系统在住宅或小型商业建筑中的可行性和性能。此外，由于文章数量相对较多，它们被分为六个主要类别（图3）：太阳能热电联产系统、太阳能供暖系统、地热集成能源系统、风能集成能源系统、生物质集成能源系统和集成可再生能源系统。需要强调的是，关于太阳能供暖和热电联产系统的研究数量最多，分别为45篇和39篇。在太阳能供暖应用中，仿真（26篇文章）和实验（19篇文章）分析占了研究的很大比例，两者都贡献了相当高的份额。然而，超过90%的研究集中在小型系统上，只有四篇论文涉及大规模分析。另一方面，在太阳能热电联产系统类别中，有35篇研究专注于仿真，而只有四篇论文评估了实验系统。此外，大规模系统在太阳能热电联产研究中的比例更高，有13篇文章，这比太阳能供暖应用中对大规模系统的关注要高。在地热集成供暖应用方面，确定了10篇论文，其中大多数集中在小型仿真上。值得注意的是，在PRISMA方法论中，唯一一项包含所有分析和探索的大型实验研究是在地热驱动的供暖系统中进行的。尽管专门研究地热供暖系统的比例相对较小，但关于太阳能-地热集成可再生能源系统的文献数量显著更高，有28篇文章属于这一类别，其中大多数集中在小型仿真研究上。此外，生物质供暖应用有六篇出版物，其中大多数集中在仿真上（5篇论文）。相比之下，太阳能-生物质集成系统更侧重于实验研究，有三篇论文专注于实验分析，四篇论文关注仿真。最后，风能集成系统的比例相对较小，只有一项研究评估了风能供暖应用，有两篇论文讨论了太阳能-风能热电联产系统。

图3. 可再生能源热电联产/供暖系统的文章数量。

图4展示了所审查研究的地理分布，包括基于研究地点的实验和仿真评估。全球共有130项研究来自17个不同的国家（中国、加拿大、土耳其、美国、瑞典、芬兰、日本、德国、波兰、印度、英国、伊朗、阿拉斯加、突尼斯、丹麦、意大利、立陶宛），而其余八项在寒冷气候下进行的研究的具体地点尚无法获取。具体来说，20%的出版物涉及实验分析，而80%的研究基于仿真。加拿大的仿真研究数量最多，有36篇科学出版物，而加拿大的实验评估数量相对较少，只有两篇论文。相比之下，中国的分布更为均衡，有33篇仿真研究和17篇实验分析，这两个领域的研究都占了相当大的比例。在欧洲和亚洲，芬兰和伊朗各自提出了六项仿真研究，标志着这些地区的研究集中度最高。考虑到本综述中确定的许多实验研究来自中国，这些发现是否可以转移到其他寒冷地区（如北欧或加拿大）取决于几个因素，包括气候相似性、能源定价结构、政策激励、建筑类型和基础设施条件。此外，这些文章发表在25种不同的期刊上（图5），其中78%的出版物集中在前七种期刊中，包括《Energy and Buildings》（22项研究）、《Energy》（22项研究）、《Renewable Energy》（17项研究）、《Applied Energy》（13项研究）、《Energy Conversion and Management》（12项研究）、《Solar Energy》（11项研究）和《Applied Thermal Engineering》（11项研究）。

图4. 按研究地点划分的审查研究的地理分布，包括实验和仿真研究。

图5. 审查研究中每本特定期刊的文章数量。

4. 文献讨论由于出版物数量庞大，各章节根据文章数量和研究贡献进行组织，优先考虑贡献最大的研究，然后逐渐过渡到贡献较少的研究。讨论首先从太阳能供暖系统和太阳能供暖与发电开始，这两个主题是研究最广泛的，分别有45篇和39篇文章。然后分析转向其他关键的可再生能源系统，包括地热供暖配置、生物质供暖应用和风能驱动的供暖系统，分别有10篇、6篇和1篇出版物。最后，包括了关于集成可再生能源系统的部分，涵盖了38篇文章，提供了多源可再生能源解决方案的全面视角。需要注意的是，每个部分的出版物细节都得到了彻底的讨论，并在表2和表3中提供了相应的能源系统数据。

4.1. 太阳能供暖系统太阳能热能系统的基本原理是将太阳辐射转化为热能。太阳能集热器通常由嵌入吸热板后面的管道组成，工作流体在其中循环以吸收热量，并在太阳可用期间将其传递给热能储存系统或直接传递给供暖或冷却系统[28]。在寒冷地区，各种因素会影响太阳能系统的整体性能。一方面，太阳辐射较少，特别是在冬季日光时间较短时，这可能会限制系统满足供暖需求的能力。另一方面，由于集热器表面的热量损失减少，太阳能集热器在寒冷条件下的性能可能会提高，从而提高能源效率和整体系统性能[29]。然而，在积雪较多的寒冷气候中，还必须考虑与雪相关的光学效应。积雪覆盖集热器或光伏表面可能会暂时降低系统输出，因为表面被遮挡[30]、[31]、[32]，而高雪反照率（反射率）可以增强照射在倾斜表面上的地面反射辐射[33]、[34]，[35]，根据系统配置部分补偿冬季的辐射不足。此外，寒冷地区由于长期需要供暖，能源需求较高，导致对昂贵且碳密集型化石燃料的依赖增加[36]。传统的供暖系统，如电加热器或燃气锅炉，在严寒的冬季条件下效率低下且运行成本高昂[37]。因此，为了在阳光不足和恶劣天气条件下最大化利用太阳能，太阳能辅助热泵系统（SAHPSs）发挥了关键作用，它们通过高效利用太阳能集热器的热量来确保稳定的供暖，并提高寒冷气候下太阳能系统的整体效率和可持续性。此外，热泵通过制冷循环将热量从一个地方传递到另一个地方，在这个循环中，制冷剂被压缩成液态然后膨胀成气态，从而能够吸收和释放热量[38]。此外，太阳能集热器为热泵预热流体，减少了达到所需温度所需的能量。这种方法在极寒条件下减轻了热泵的负担，提高了其效率，并确保了即使在低温下的可靠运行[39]。

表S2提供了关于太阳能集成热泵系统的详细概述，强调了关键方面，如太阳能系统的类型、热系统配置、分析方法、设计的地理位置、性能系数（COP）以及多种评估方法，包括能源分析、经济分析和优化分析。COP衡量系统的效率，表示每单位电能输入产生的供暖/制冷输出量。因此，将太阳能集成到热泵系统中可以显著提高其COP，并减轻由于室外温度较低而导致的效率损失。此外，表S2根据研究的地理位置对研究进行了分类，突出了仿真和实验研究数量最多的国家。

在中国境内的城市中，有21篇经过同行评审的论文通过实验和仿真分析关注太阳能供暖系统，其中76%的研究与单个建筑相关。此外，各种太阳能技术，包括太阳能集热器系统、平板太阳能集热器（FPSC）、太阳能蒸发器和光伏环路热管以及光伏面板，与空气源热泵（ASHP）相结合，占81%的研究。在实验研究中，Liu等人[40]报告了最高的COP，他们研究了太阳能集成ASHP和区域供暖，这是一种高效节能的基础设施，旨在通过绝缘管道网络将热量从中央来源分配到多个建筑或设施。他们还进行了TRNSYS仿真，显示节能率为50.79%，COP为6.27%，同时将运营成本降低了27.7%。Gao等人[41]通过实验分析并报告了使用太阳能集成ASHP解决太阳能间歇性和寒冷地区ASHP利用受限问题的重要性。此外，他们还添加了相变材料用于热储存，以克服结霜问题，特别是在蒸发器中，使热泵的COP在极端天气条件下提高了143%（COP为5.42）。在另一项类似的研究中，Chen等人[42]在石家庄分析了使用相变材料的太阳能集成ASHP，取得了4.92的值。在另一项关于太阳能-ASHP的研究中，Long等人[43]在湘潭研究了寒冷季节使用太阳能和空气热源的热泵蒸发器，从实验和仿真的角度进行了考察。他们的研究表明，将蒸发器水温从14.6°C提高到39.5°C可以使热泵的COP提高15%，达到4.45。此外，Shan等人[44]在一个全尺寸测试房屋中研究了与太阳能光伏集热器集成的ASHP，实现了冬季令人满意的室内热环境。他们的分析显示，所提出的系统COP为4.1，这对于农村地区的节能和减排非常实用。除了这四项COP超过4.0的研究外，还有七项研究的COP值在3.0到4.0之间。在这方面，Ran等人[45]的一项城市规模研究在北京、成都、拉萨和沈阳将热虹吸管与多功能蒸发器结合到系统中，实现了1.14、1.15、1.54和0.97的能源效率。他们的设计表明，与ASHPs相比，该系统的节能率高达48%，并且系统的COP从ASHP模式的3.12提高到带有热虹吸管的太阳能热泵模式的3.89。此外，Li和Sun[46]、Chen等人[47]以及Zhao等人[48]分别研究了三项在单个建筑中的实验研究，COP值在3.0到4.0之间，讨论了光伏环路热管与热泵的集成、中国北部的STC-ASHP系统和西安市的STC-ASHP系统。最后，有五项研究报告了STC集成ASHP系统的COP在2.0到3.0之间，包括Ma等人[49]和Zhao等人[48]针对单个建筑进行的实验研究。

根据K?ppen-Geiger气候分类[50]，加拿大以其寒冷的气候而闻名，年平均温度为-5.10°C，是世界上最寒冷的国家之一。这些温度明显低于中国的年平均温度7.5°C。因此，可再生能源系统必须设计得具有更大的韧性和适应性，以抵御加拿大严酷和极端的气候条件。因此，有八篇经过同行评审的文献专注于通过实验和仿真分析研究太阳能加热系统。由于设计和实施集成可再生能源的系统面临恶劣天气条件的重大风险，Banister等人[51]（COP值在2.3到6.3之间）和Beausoleil-Morrison[52]（未指定COP值）仅报告了两项实验研究，这些研究分别针对滑铁卢和渥太华的个别建筑，探讨了将太阳能集热器（STC）与太阳能辅助加热泵（SAHP）相结合的应用。此外，Banister等人[51]的研究结果表明，使用双储罐SAHP可以将能源节约率提高60%至69%。在仿真研究方面，Asaee等人[53]通过评估加拿大住宅中使用的太阳能辅助加热泵和FPSC（相变存储系统）为空调和生活热水加热提供的最大COP值为5.44。Pinamonti等人[54]使用TRNSYS软件评估了渥太华一个单户住宅中安装的太阳能集成水-水热泵系统，其COP值为4.24。Kamel等人[55]采用创新设计，将建筑集成光伏/热能转换（BIPV/T）与ASHP和热能储存结合，以适应多伦多严酷的冬季条件。该系统的设计旨在白天将光伏/热能转换产生的热量储存在混凝土板或砾石床中，夜间释放出来，从而将热泵的COP提高25%。

在欧洲，有六篇相关文章进行了研究，涉及芬兰、瑞典、英国和土耳其等国家。芬兰是欧洲最寒冷的国家之一[56]，年平均气温为1.5°C，因此只有一篇文章[57]在这种气候条件下实验性地比较了集成STC吸收热泵与光伏驱动的ASHP。尽管结果没有全面报告COP值，但表明光伏驱动的ASHP在经济上更具可行性。在诺丁汉市，Mohamed等人[58]对一种新的多功能太阳能热泵进行了实验研究，以改善传统ASHP为空调和生活热水提供的COP。在土耳其，Bakirci等人[39]、[59]在埃尔祖鲁姆省的住宅建筑中研究了STC和FPSC集成热泵，结果显示系统COP提高了15%。在其他国家，如印度[60]、[61]、阿拉斯加[62]、突尼斯[63]和伊朗[64]、[65]，也研究了各种太阳能加热应用的设计，其COP值在表S2中有所报告。还有四篇关于寒冷气候下的STC与ASHP结合的文章，但具体地点无法确定。Jia等人[66]使用MATLAB仿真进行了能源和经济分析，COP值为2.41；Li等人[67]通过TRNSYS仿真进行了能源和经济评估，COP值为3.7；Gao[41]在实验装置中将相变材料与太阳能和ASHP结合，COP值为5.42；Wu等人[68]进行了能源和优化分析，但COP值无法获取。

4.2 太阳能加热与发电
结合太阳能的CHP（热电联产）循环可以从多个角度进行分析，特别是在寒冷地区，以增加绿色能源的使用、在灾难情况下提供备用能源系统，并通过利用废热提高能源效率。这些目标可以通过设计基于太阳能的微电网来实现。微电网的设计涉及优化不同能源系统组件的容量，同时考虑长期消费模式和可再生能源的潜力[69]。尽管在寒冷气候下配置基于太阳能的微电网面临复杂挑战，因为年度光伏产量受多种因素影响，但PV/T系统通过同时将太阳辐射转化为电能和热能，提供了一种更有效的方法来利用太阳能，从而比传统光伏系统实现更高的整体效率[70]。此外，PV/T系统的配置已经发展到更先进的形式，如BIPV/T和微通道混合光伏/热能（MCPV/T）集热器。BIPV/T系统是一种创新解决方案，通过在建筑结构内使用PV/T系统来创建净零排放建筑[71]，消除了单独安装的需求，并提高了空间效率[72]。MCPV/T集热器在PV/T设计中结合了微通道热交换器，通过促进冷却流体的循环显著提高了光伏板的传热效率[73]。在高供暖需求的地区，这些系统通过同时产生电能和热能，有效满足了寒冷地区的能源需求。

通过使用PRISMA协议进行的系统回顾，共确定了39篇探讨在寒冷地区将太阳能整合到联合供暖和发电系统中的文章。在加拿大，光伏板可以集成到多种热系统中，包括热泵、绿色氢储存和污水热回收[74]、微型涡轮机和混合电池[75]、生活热水加热系统[76]、ORC（有机朗肯循环）和热泵[77]、ORC和钻孔热能储存[78]以及燃料电池和水电解[79]，以产生热量和电力。Gao等人[80]的研究在昆明寒冷气候条件下实现了最大COP值10.23。他们提出了一种创新的太阳能耦合ASHP，结合了相变热储存技术，并使用MATLAB软件进行了设计。他们发现，具有更高相变温度范围的相变材料可以增加热量释放功率。具体来说，每增加2°C的相变温度范围，热量释放率提高19.9%。在Erdemir和Dincer[74]的另一项研究中，通过开发SAHP、绿色氢能源储存和从污水中回收热量，为安大略省南部一个由1,500个住宅单元组成的可持续社区提高了系统效率，COP值为7.71。该研究结果表明，为了完全支持离网电力系统，需要288,000平方米的光伏板来提供65,474千瓦时的能源。在安大略省的类似系统中，Pokhrel等人[81]为拥有826个公寓单元的建筑提出了光伏驱动的热泵。他们通过利用市政污水热回收系统来利用热能，减少了能源消耗，从而提高了效率，COP值为6.44。

此外，Ya?ci等人[77]研究了平板太阳能集热器与SAHP和ORC系统的集成，通过利用废热提高了效率，在动态仿真模型中达到了COP值6.43。关于PV/T和BIPV/T的研究中，Hasan等人[82]模拟了在多伦多、蒙特利尔、埃德蒙顿、哈利法克斯和温哥华五个城市的办公楼中使用的BIPV/T驱动的ASHP，旨在满足压缩机的电力需求并减少其能耗，从而提高COP值。结果表明，他们的系统可以将压缩机功率需求减少50%，在温哥华达到了最大COP值3.88。Kamel等人[83]使用TRNSYS模型评估了同一五个城市的BIPV/T集成ASHP的性能。通过使用高性能隔热材料、被动太阳能设计和节能电器，他们将COP值提高到5.41。Asaee等人[76]采用加拿大混合终端使用能源和排放模型，评估了一种结合生活热水加热系统和热泵的BIPV/T系统，其创新设计结合了热储存罐和辅助加热器，使系统节能18%，COP值为5.22。还有更多关于PV和PV/T集成系统的研究和调查，COP值范围在2.0到4.0之间，其设计细节在表S3中详细说明。

在中国关于太阳能加热和发电的仿真和实验研究中，Zhang等人[84]提出了一种新颖的设计，以满足北京单户住宅的供暖和电力需求。该研究提出了一种PV/T集成双源热泵，考虑了三种流体热交换器，可以从太阳和空气两种来源吸收能量，提供了更灵活和稳定的运行。与传统ASHP和光伏板相比，他们的系统减少了13.1%的能源消耗，增加了14.7%的电能输出，最大COP值为6.0。Chang等人[85]提出了一种创新系统，通过数值仿真和实验测试表明，结合PV/T幕墙系统和空气源及地源热泵（GSHP）的系统比没有PV/T的双源热泵效率提高了6%。Fan等人[86]在太原将MCPV/T与蒸汽注入空气源热泵（40千瓦加热能力）结合使用，发现总能源供应中有81.5%来自太阳能。

在芬兰寒冷气候下的研究中，Rehman等人[87]通过TRNSYS仿真研究了PV和PV/T与热泵的集成，最大COP值为6.0。他们提出的系统结合了带充电钻孔储存的热泵，实现了能源资源的有效利用并减少了浪费。在COP值范围为4.0到5.0的情况下，两项研究分别在赫尔辛基[88]和埃斯波[89]研究了光伏板与ASHP的集成，适用于单个建筑和社区。除了芬兰，瑞典和波兰的另外两项研究分别分析了Vasteras[90]（大规模系统）和华沙[91]（小规模系统）中光伏板与ASHP的集成。最后，在Hakkari和Trabzon城市，?ztürk等人[92]使用TRNSYS仿真评估了PV/T热泵系统，分别达到了68%和22.3%的最大能源和熵效率。在亚洲寒冷地区，如札幌市，Obara等人[93]通过集成太阳能驱动的水电解系统和质子交换膜燃料电池与热泵，为单个建筑设计了独立于能源的微电网，实现了燃料电池效率和热泵COP值的最大值分别为89%和40%。最后，有三篇论文没有指明研究的具体地点。Dumont等人[94]在关于热泵与ORC和光伏板结合的实验研究中，系统COP值为3.1。Yao等人[95]研究了PV/T集成ASHP的能源和经济分析，结果表明，在环境温度为-10°C和500瓦/平方米的太阳辐射下，该设计的COP值为4.0。为了应对寒冷地区的能源问题，Cao等人[96]使用TRNSYS仿真设计了一种PV/T集成热泵，COP值为4.1。

4.3 地热集成能源系统
地热能是一种巨大的可再生能源，具有显著提高供暖系统能源效率和经济性能的潜力，同时减少碳排放。在这方面，GSHP（地源热泵）在商业和住宅供暖和冷却系统中越来越受欢迎。此外，GSHP系统的维护成本较低，预计可以提供超过20年的可靠和环保的供暖[97]。更重要的是，当GSHP与设计为在较低水温下运行的供暖系统结合时，效果最佳[98]。系统的核心组件是热泵，它通过水平或垂直的地下循环回路输送传热流体，以实现热交换。然后通过地板下供暖和散热器等系统将这种热能分配到整个建筑中。地热系统的主要优势，特别是在寒冷气候下，是由于恒定的地面温度而能够保持高效率。研究和实践经验表明，当地热系统部署在极端寒冷的气候区域时，会遇到特定的挑战。在这种条件下，温度可能降至-30°C以下[99]，这种情况在许多地方几乎会持续半年，导致显著的供暖需求。相反，制冷负荷相对较低，且仅持续较短时间，自然通风通常足以满足制冷需求[99]。供暖和制冷需求的这种显著差异会导致浅层地下的热不平衡，由于长时间运行，这可能会随着时间的推移破坏地热环境。此外，浅层地面的温度明显较低，这意味着每单位供暖负荷所需的表面积比气候较温和或适中的地区更大。此外，地热热泵系统的安装和运营成本较高。水平系统需要较大的土地面积，而冻土会使得挖沟变得复杂，从而降低热传递效率。虽然垂直系统更节省空间，但在冻土中进行深钻探的成本较高，进一步增加了费用。表1总结了10篇经过同行评审的论文，这些论文研究了不同地点的地热热泵（GSHPs），包括加拿大[100]、中国[97]、[99]、[101]、[102]、[103]、美国[104]、伊朗[105]和土耳其[98]、[106]。Wang等人[99]在哈尔滨通过分析不同钻孔深度（从400米到2000米）下的系统能源性能，得出了地热热泵的最大COP（性能系数）为5.65的结果。具体来说，他们进行了一项实地实验，结果显示，将钻孔深度从600米增加到1200米后，热交换率显著提高，从20千瓦增加到98千瓦。在另一项中国研究中，Zhang等人[101]提出了一种包含70个钻孔热交换器的混合式地热热泵，以解决北京办公楼的能源需求，使用了TRNSYS软件。通过分析钻孔的进水口和出水口水温，结果表明，使用高性能外壳可以将建筑物的能耗降低到每年25千瓦时/平方米，COP为5.0。在郑州对地热热泵进行的实验分析中，Chen等人[97]评估了该系统在总面积为1561.9平方米的建筑中的使用情况。他们的研究表明，对于被动式建筑，应同时使用大型和小型地热热泵，冬季的COP值为3.7。在土耳其的一项实验研究中，Ozyurt等人[106]分析了埃尔祖鲁姆冬季条件下的垂直地热热泵。他们在阿塔图尔克大学校园内的能源实验室设计了该系统，包括一个深度为53米的地面热交换器和一个用于空间供暖的液-液蒸汽压缩热泵，达到了最高的COP值3.55。此外，还在伊朗大不里士（[105]）、美国北达科他州（[104]）和加拿大努纳维克（[100]）的寒冷地区模拟了地热热泵的性能，其COP分别为4.8、3.1（未报告具体数值）和未报告COP值。

表1. 寒冷地区地源热泵的详细信息。

| 地点 | 方法 | COP | 分析方法 | 参考文献 | 系统规模 |
|-------------|--------------|---------------|--------------|-------------|
| 郑州 | 实验设置 | 3.7–4.75 | [97] | 单个建筑 |
| 哈尔滨 | 实验设置 | 5.65 | [99] | 城市 |
| 北京 | TRNSYS软件模拟 | 5.0 | [101] | 单个建筑 |
| 齐齐哈尔、沈阳和北京 | TRNSYS软件模拟 | 2.66 | [102] | 单个建筑 |
| 北京 | 能源和经济分析 | 2.59 | [103] | 单个建筑 |
| 埃尔祖鲁姆 | SIMEB软件模拟 | 2.43–3.55 | [106] | 单个建筑 |
| 大不里士 | COMSOL软件模拟 | 4.8 | [100] | 单个建筑 |
| 中国新不伦瑞克 | ProSim软件模拟 | 4.4 | [114] | 单个建筑 |
| 伊朗大不里士 | DeST软件模拟 | 3.1–3.9 | [115] | 单个建筑 |
| 加拿大米尔顿 | TRNSYS软件模拟 | 3.1–3.9 | [135] | 单个建筑 |
| 加拿大渥太华和多伦多 | EES软件模拟 | 3.1–3.9 | [136] | 单个建筑 |
| 加拿大奥斯瓦 | EES软件模拟 | 3.1–3.9 | [137] | 单个建筑 |
| 加拿大东曼 | TRNSYS软件模拟 | 3.1–3.9 | [138] | 单个建筑 |
| 加拿大多伦多 | TRNSYS软件模拟 | 3.1–3.9 | [139] | 单个建筑 |
| 加拿大奥沙瓦 | EES软件模拟 | 3.1–3.9 | [140] | 单个建筑 |
| 伊朗塔布里兹 | MS Excel、Polysun、HOMER和BEOPT软件模拟 | 4.4 | 单个建筑 |
| 加拿大纽芬兰 | TRNSYS软件模拟 | 4.4 | [142] | 单个建筑 |
| 加拿大多伦多 | TRNSYS软件模拟 | 4.4 | [143] | 单个建筑 |
| 加拿大阿达比尔 | Energy Plus软件模拟 | 4.4 | 单个建筑 |
| 加拿大柏林和斯特拉斯堡 | TRNSYS和NeMo软件模拟 | 4.4 | 单个建筑 |
| 加拿大朗伊比 | TRNSYS软件模拟 | 4.4 | 单个建筑 |
| 加拿大埃尔斯堡 | TRNSYS软件模拟 | 4.4 | 单个建筑 |
| 加拿大西安纳维克 | TRNSYS软件模拟 | 4.4 | 单个建筑 |
| 加拿大西安纳维克 | Energy Plus软件模拟 | 4.4 | 单个建筑 |
| 加拿大德拉斯 | TRNSYS软件模拟 | 4.4 | 单个建筑 |
| 加拿大乌兰巴托 | TRNSYS软件模拟 | 4.4 | 单个建筑 |
| 加拿大斯德哥尔摩 | TRNSYS软件模拟 | 4.4 | 单个建筑 |
| 加拿大博尔扎诺 | TRNSYS软件模拟 | 4.4 | 单个建筑 |
| 加拿大成都 | TRNSYS软件模拟 | 4.4 | 单个建筑 |
| 加拿大凯纳斯 | TRNSYS软件模拟 | 4.4 | 单个建筑 |
| 加拿大蒙特利尔 | TRNSYS软件模拟 | 4.4 | 单个建筑 |
| 加拿大柏林 | TRNSYS软件模拟 | 4.4 | 单个建筑 |
| 加拿大西安纳维克 | TRNSYS和NeMo软件模拟 | 4.4 | 单个建筑 |
| 加拿大赫尔辛基 | TRNSYS软件模拟 | 4.4 | 单个建筑 |
| 加拿大奥斯塔伍 | TRNSYS软件模拟 | 4.4 | 单个建筑 |
| 加拿大多伦多 | TRNSYS软件模拟 | 4.4 | 单个建筑 |
| 加拿大西安纳维克 | TRNSYS和NeMo软件模拟 | 4.4 | 单个建筑 |
| 加拿大德累斯顿 | TRNSYS软件模拟 | 4.4 | 单个建筑 |
| 加拿大西安纳维克 | TRNSYS软件模拟 | 4.4 | 单个建筑 |
| 加拿大纽芬兰 | Polysun、HOMER和BEOPT软件模拟 | 4.4 | 单个建筑 |
| 加拿大多伦多 | TRNSYS软件模拟 | 4.4 | 单个建筑 |
| 加拿大奥斯塔伍 | TRNSYS软件模拟 | 4.4 | 单个建筑 |
| 加拿大西安纳维克 | TRNSYS软件模拟 | 4.4 | 单个建筑 |
| 加拿大西安纳维克 | TRNSYS软件模拟 | 4.4 | 单个建筑 |
| 加拿大德累斯顿 | TRNSYS软件模拟 | 4.4 | 单个建筑 |
| 加拿大西安纳维克 | TRNSYS软件模拟 | 4.4 | 单个建筑 |
| 加拿大西安纳维克 | TRNSYS和NeMo软件模拟 | 4.4 | 单个建筑 |

**图例说明：**
- 热能系统：表示所研究的热能系统类型。
- 方法：表示研究采用的方法。
- 地点：表示研究地点。
- COP：表示性能系数（COP）。
- 分析：表示所使用的数据分析方法或参考文献。
- 参考文献：表示引用的相关研究文献。
- 系统规模：表示系统的规模或应用范围。

**注释：**
1. 表1列出了在寒冷地区使用的各种地热热泵（GSHPs）的研究成果。
2. 图表中的数据展示了不同地点的地热热泵性能参数（COP）以及相关的研究方法和分析结果。
3. 文章列表提供了地热热泵在加拿大、中国、美国、伊朗和土耳其等国家的应用案例和分析方法。
4. 文章摘要部分总结了地热热泵在寒冷气候下的优势、挑战及系统设计考虑因素。
5. 生物质集成系统的部分介绍了生物质能与不同热能系统的结合方式，包括木材颗粒、软木片等不同类型的生物质材料。在这样的气候条件下，冬季太阳辐射量减少，加上长时间的低温度和极端天气条件，显著影响了太阳能和风能系统的效率和可用性。此外，地热系统可能会面临地面冻结等挑战，这会影响热提取效率，并需要额外的绝缘措施或设计修改来维持性能。基于生物质的能源系统也受到限制，因为原料的可用性降低，以及在冷冻条件下运输和储存生物质的物流难度增加。为了解决这些限制，可以将可再生能源集成到混合系统中，以应对间歇性问题[124]。在这方面，Kalantari等人[125]回顾了能源系统的脱碳问题，重点关注风能、太阳能和氢能驱动的热存储作为北极偏远地区的潜在替代方案。此外，Khalaj等人[126]研究了加拿大IT站中结合能源存储的混合可再生能源发电单元（风能和太阳能）的利用，因为这些站点需要冷却能源。Thompson和Duggirala[127]还全面评估了加拿大安大略省离网社区中由风能、太阳能和生物质驱动的热电联产（CHP）系统的可行性。关于加拿大的低能耗住房，Minea等人[128]发表了一篇关于地源热泵（GSHP）和光伏集成热系统的综述文章。在加拿大非集成可再生能源系统与热电厂的框架内，Barrington-Leigh和Ouliaris[129]对风能、太阳能、水能、地热能和生物质能进行了彻底的物理可行性研究。虽然上述综述提供了关于各种基于可再生能源的热能和电力系统配置的广泛见解，但它们并没有系统地讨论寒冷气候带来的独特障碍及其对太阳能、地热能、风能、生物质能和混合系统与供暖和电力应用集成影响的综合分析。

表3总结了37篇研究混合可再生能源系统（包括供暖和发电）的文章，其中68%的文章关注GSHP。Wang等人[130]通过TRNSYS模拟报告了天津办公建筑中最高的COP值（性能系数），为8.17。他们在创新设计中结合了太阳能集热器（STCs）和GSHP，其中流体流经一个面积为40平方米的地热交换器和太阳能集热器，以帮助热泵高效工作。在中国另一项研究中，Zheng等人[131]指出GSHP系统的总热负荷超过了冷却负荷，可能导致土壤温度显著下降，从而降低GSHP的性能。为了解决这个问题，他们在长沙的一个校园建筑中修改了设计，加入了光伏辅助的GSHP系统与空气源热泵（ASHP）的结合。他们的TRNSYS模拟结果显示，尽管新设计将COP从3.49提高到了4.69，但15年的运营成本也增加了39.3%。在包头的一家医院，Dou等人[132]分析了太阳能-GSHP系统在10年运行期间的性能，以解决土壤热不平衡问题。他们的模拟表明，太阳能有效缓解了土壤热不平衡，使COP提高到了3.25。在丹麦的一项小规模实验研究中，Zhang[133]使用水平地热交换器与太阳能和热泵结合，为单户住宅提供热水和空间供暖，年度系统季节性能系数达到了2.8。在加拿大，Entchev等人[134]使用TRNSYS软件研究了渥太华一栋办公建筑中的混合GSHP/PV/T系统，报告了最高的COP值（6.0）。他们的结果显示，将太阳能与GSHP结合使用后，总体节能效果从46%提高到了58%，特别是考虑到其为偏远社区提供能源的能力。在多伦多，Rad等人[135]使用TRNSYS软件研究了一个实际的住宅混合太阳能-GSHP系统，发现通过结合三个STCs和GSHP，系统达到了3.9的COP值。在赫尔辛基，Bordignon等人[136]使用TRNSYS和NeMo对太阳能集成GSHP进行了动态模型分析，提出了一种新型系统，该系统结合了高效GSHP和屋顶光伏/Ts，COP达到了5.4。为了减少热不平衡并提高电力效率，面板由网络进行冷却。在斯德哥尔摩的类似研究中，Sommerfeldt和Madani[137]使用TRNSYS对PV/T集成GSHP进行了技术和经济分析，COP达到了5.3。在欧洲的一项综合设计中，Emmi等人[138]在波兰比亚韦斯托克、意大利博尔扎诺、立陶宛考纳斯和瑞典斯德哥尔摩研究了太阳能-GSHP系统，COP分别达到了4.1、4.6、4.0和4.0。

在中国进行了三项关于生物质/PV可再生能源混合系统的实验研究[139][140][141]。在兰州[141]，STCs与沼气厌氧消化结合驱动热泵循环，分析了三种系统模式，并考虑了不同的空气热输入量。结果表明，可以降低功耗，COP值介于1.7到2.32之间。在河西村[140]，研究了太阳能加热器与生物质锅炉结合的能量、熵、经济和环境分析。结果显示，集成系统的平均熵效率分别为3.35%、2.65%、12.42%和89.16%。此外，在北京[139]，对一种由混合生物质PV/T系统驱动的吸收系统和燃油加热单元进行了能量和经济分析。结果表明，与传统燃气炉/压缩热泵结合空调相比，典型家庭的年运营成本降低了25.5%-46.8%。最后，在加拿大进行了包括PV系统、风能、地热能和生物质能在内的可再生能源系统的集成研究[142][143]。在安大略省南部[143]，分析了五种特定系统，包括地源热泵和ASHP、独立PV、PV/燃料电池混合系统以及风力涡轮机/燃料电池混合系统，并进行了能量、经济和环境分析。在纽芬兰[142]，设计并分析了一种可再生能源混合系统，包括太阳能热能、PV、风能、水能、燃料电池发电以及氢气作为储能载体。结果表明，可再生能源可以提供100%的电力负荷和63.5%的热负荷。

本节探讨了在寒冷地区建立可再生能源框架相关的投资成本和回收期。在这方面，几个因素显著影响可再生能源系统的回收期，系统规模是最重要的因素之一[167]。由于成本、效率和能源产出的差异，小型和大型可再生能源系统的回收期有所不同[168]。大型系统受益于规模经济，降低了单位成本，并通过满足更高的能源需求加快了成本回收。相比之下，小型系统的设备和安装成本通常较高，整体能源产出较低，导致效率较低。因此，尽管初始资本投资较低，小型系统的回收期往往较长。此外，当地气候和环境条件以及能源价格也是决定寒冷地区可再生能源系统回收期的关键因素[169]。在冬季严酷且能源成本较高的地区，可再生能源系统可以通过减少供暖费用带来显著节省，从而缩短回收期。尽管极端天气条件可能导致系统效率下降，但寒冷气候下的高能源需求弥补了这些挑战，使投资更具经济优势。在这方面，太阳能集成热系统的平均回收期在10到30年之间，具体取决于系统规模、地区、能源消耗、资本成本和维护成本[170]。通过比较各种配置并关注太阳能供暖和电力系统的敏感性分析，27项研究进行了成本分析，六项研究优化了基于太阳能的CHP和太阳能供暖系统（表1、表2）。此外，还对集成可再生能源系统进行了11项经济评估和1项优化评估，而只有两项经济分析针对地热能和生物质能集成系统。

在经济分析方面，采用了净现值（NPV）方法来评估系统的成本，考虑了每个系统生命周期内的所有重要费用[171]。Azaza等人[90]使用NPV方法对结合38.5千瓦时电池存储的PV集成GSHP系统进行了成本分析，发现电池安装占总投资成本的60%，回收期为19年。另一项研究中，Ma等人[49]使用NPV方法研究了太阳能-GSHP的经济分析，表明该系统需要10.6年才能实现生命周期成本平衡。Saberi Shahmarvandi等人[64]使用NPV方法对平板太阳能热水器进行了经济分析，发现最低投资回报期为11.4年，最低热生成成本为每千瓦时0.028美元。Rad等人[135]使用NPV方法评估了创新GSHP系统，通过20年的生命周期成本评估发现，所提出的混合系统的净现值预计比传统GSHP系统低3.7%-7.6%（相当于1,057至2,418美元）。除了NPV方法外，还可以使用TRNSYS软件进行经济分析，该软件在动态模拟框架内考虑了投资和运营成本。Dumoulin等人[172]研究了结合ASHP的PV/T系统的经济评估，发现采用可变电价模型后电力使用量减少了46%。Reda等人[57]使用TRNSYS模拟比较了北欧的电力驱动和热驱动的太阳能辅助吸收热泵系统，发现15年内电力驱动系统的成本几乎是热驱动系统的一半。在另一项研究中，Sommerfeldt和Madani[137]使用TRNSYS进行了20年的生命周期成本模拟，发现PV/T集成GSHP的成本高于传统设计的PV集成GSHP。

能源系统和可再生能源结构的经济评估还可以考虑初始资本成本、设备和安装费用、商业利润以及超额生产价格。Padovani等人[173]对太阳能-CHP系统进行了技术经济评估，指出供暖电气化的成本降低了20%。Fan等人[86]介绍了一种太阳能辅助蒸汽注入热泵，并将其与燃煤系统进行了比较，该系统的回收期为6.52年，其生命周期内的净成本节省了7,717美元，显示出优越的经济性能。在关于可承受资本成本方法的研究中，Asaee等人[113]评估了加拿大各省SAHP的经济可行性，发现不同省份的能源价格差异导致经济结果波动较大。最后，Stephen等人[115]研究了生物质集成能源系统，强调了它们降低供暖费用的能力。可再生能源和热系统的经济评估还可以使用动态分析方法（?ztürk等人[92]）、系统顾问模型（Pearce等人[174]）、遗传算法（Yuan等人[89]）、投资回收期方法（Zhan等人[36]）和运营成本降低比率（Li等人[113]）进行。

在优化方法方面，七篇论文采用了多种优化技术来应对与可再生能源相关的挑战。为了更具体地说明，可再生能源集成热系统的优化是通过使用非支配排序遗传算法（Chang等人[85]）、基于GAMS平台的混合整数规划代码（Mohamed Ghorab [175]）、多目标优化方法（Rehman等人[176]、Yuan等人[89]、Meena等人[177]和Zhang等人[153]）以及TRNSYS软件优化工具（Li和Yue [46]）来进行的。具体来说，Chang等人[45]进行了一项多目标优化研究，考虑了能源消耗、生命周期成本和光伏发电量等关键参数。他们的研究结果表明，在系统效率最高时，能源消耗为5473.8千瓦时，生命周期成本为19,611美元，光伏发电量为4687.2千瓦时。Mohamed Ghorab [175]利用GAMS优化模型来最小化各种住宅和商业建筑的能源消耗和环境影响，通过整合智能能源网络中的不同发电技术来提高整体效率并降低能源和排放成本。研究表明，当电力储存容量达到平均电力负荷的25%时，采用这种方法可以降低能源成本和环境影响。在多目标优化方法中，Rehman等人[176]的研究结果表明，从生命周期成本的角度来看，分散式系统优于集中式系统，可减少高达35%的生命周期成本。最后，Li和Yue [46]通过使用TRNSYS软件进行优化，发现优化后的系统净电力消耗比原始设计减少了55.7%，同时年度太阳能供暖比例和电力供应比例分别提高了7.0%和26.1%。

**结论、局限性与未来建议**

寒冷地区供暖和电力系统面临的主要挑战之一是高能源消耗和低能源效率，这主要是由于依赖化石燃料和天然气所致。需要深入研究以分析可再生能源系统在供暖和电力单元中的占比，以解决这些问题。因此，本次研究的主要目的是对2010年至2025年间寒冷地区能源和可再生能源系统的模拟及实验工作进行系统性的文献回顾，从小型和大型两个角度进行考虑。以下是主要的结论和建议：

- 在80%的研究中观察到了太阳能的应用，包括光伏面板、光伏/热联配置、太阳能热收集器（STC）和平板太阳能收集器（FPSC）等多种形式。
- 研究结果强烈支持在寒冷气候下采用基于太阳能的热系统，因为低温可以提高太阳能电池板的效率，每降低1°C效率提高0.45%。
- 在太阳能供暖应用方面，Liu等人[40]的研究表明，太阳能集成空气源热泵（ASHP）和区域供暖系统的最大性能系数（COP）达到了6.27，同时运营成本降低了27.7%。
- 在太阳能-热电联产（CHP）系统中，Gao等人[80]通过创新的太阳能耦合ASHP设计结合相变储热技术，在哈尔滨的实验研究中实现了10.23的最大COP值，有效解决了蒸发器结霜问题。
- 对于未来的太阳能发展建议，双面太阳能电池板是经常出现结冰、积雪和冰雹地区的最佳选择，因为它们可以提高效率，尤其是在暴风雪之后。
- Wang等人[99]在中国哈尔滨的实验研究中，地源热泵（GSHP）的最大COP达到了5.65。
- 在生物质能驱动的供暖和电力系统中，研究表明厌氧消化和气化是主要的热利用过程。
- 尽管生物质可再生能源的占比不高，但第三代和第四代生物质技术（如藻类生物技术和基因改造生物）可能是转折点。未来的研究应重点关注将生物质能与互补的可再生能源技术相结合的混合方法，以及改进原料供应链和废物利用策略。
- 风能集成供暖和电力系统的占比很小，仅有一篇论文涉及风能驱动的热泵。风能在寒冷地区不受欢迎的主要原因是风力涡轮机叶片上会积冰。然而，风力涡轮机在寒冷地区的未来前景并非没有希望，可以通过使用防水涂层或加热器等防冰技术来克服这一问题。
- 建议使用集成可再生能源系统来减少可再生能源的不确定性，并提高电力供应的稳定性。大多数文章集中在地热-太阳能和生物质-太阳能热电循环的集成系统上，只有两篇论文考虑了风-太阳能混合系统。
- 尽管本综述区分了理论上的光伏电池性能和实际系统级别的效率，但它没有提供同时考虑雪遮蔽损失和雪反照率增益的定量净效率评估。
- 经济分析显示，小型系统的回收期比大型系统更长。然而，经济和优化方面的详细分析超出了本综述的范围。因此，未来的研究可以深入探讨这些基于可再生能源的供暖和电力系统在寒冷气候下的经济和优化性能。
- 本综述综合了寒冷地区供暖需求特征的相关研究结果，但没有对负荷需求的随机性及其对系统规模、性能和韧性的影响进行定量评估。全面评估负荷波动影响需要时间序列数据、随机建模和动态系统模拟，这些超出了本系统文献回顾的范围。
- 还应注意的是，本综述没有研究集成可再生能源系统的先进控制策略或监控框架；因此，未来的研究需要探索能够提高系统韧性、可靠性和运行优化的控制方法。

**作者贡献声明**

- Milad Nouri：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、软件、方法论、调查、形式分析、数据管理、概念化。
- Miroslava Kavgic：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、监督、资源管理、项目管理、方法论、资金获取、概念化。
- Karin Hinzer：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、方法论、资金获取、概念化。
- Abdulhameed Babatunde Owolabi：