清華新聞網(wǎng)2月27日電 在全球氣候危機日益嚴峻的背景下，傳統(tǒng)能源系統(tǒng)正面臨前所未有的變革挑戰(zhàn)。當前的能源解決方案多聚焦于大規(guī)模電力系統(tǒng)、區(qū)域電網(wǎng)及終端設(shè)備，而個體層面的能源管理尚未得到充分探索，一方面是由于現(xiàn)有的個人減碳技術(shù)尚未成熟（例如人體能量采集效率較低），另一方面則源于低碳行為與個體需求之間的優(yōu)先級存在偏差，導(dǎo)致個人減碳潛力被嚴重低估。為突破這一瓶頸，清華大學深圳國際研究生院張璇團隊提出了“人體電網(wǎng)”（Body Grid）概念，并研發(fā)出首套“人體電網(wǎng)”原型系統(tǒng)，構(gòu)建了能量流與信息流融合的能源管理框架，旨在通過集成可穿戴設(shè)備、電路與信息網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)高效能源協(xié)同與個體舒適度的雙重提升。
圖1.“人體電網(wǎng)”框架
該系統(tǒng)以智能服飾為載體，通過柔性光伏、智能儲能及可調(diào)控負載等裝置，實現(xiàn)了個體級能量的自適應(yīng)調(diào)配。團隊還創(chuàng)新性地采用了需求導(dǎo)向型能量管理策略（Need-oriented,EMS），能夠根據(jù)穿戴者的動態(tài)需求優(yōu)化設(shè)備協(xié)同，大幅提高能效與舒適性。戶外實驗表明，“人體電網(wǎng)”不僅有效延長了設(shè)備續(xù)航時間，還能根據(jù)個性化需求及可再生能源供應(yīng)靈活調(diào)整運行策略。
圖2.“人體電網(wǎng)”原型系統(tǒng)和戶外EMS測試
在探索“人體電網(wǎng)”與室內(nèi)設(shè)備協(xié)同工作的機制方面，張璇團隊也取得了顯著成果。以室內(nèi)供暖為例，通過縮小溫控區(qū)域，“人體電網(wǎng)”在確保穿戴者舒適體驗的同時顯著降低了能源消耗，并能與建筑供暖設(shè)備聯(lián)合優(yōu)化運行，適應(yīng)多變環(huán)境，保障人體安全。當室溫較低時，供暖系統(tǒng)提供基礎(chǔ)制熱，而“人體電網(wǎng)”則提供局部加熱，從而實現(xiàn)了能源分配的最優(yōu)化。
圖3.單人房間協(xié)作機制測試和模擬結(jié)果
團隊還進一步研究了“人體電網(wǎng)”在多人房間（如辦公環(huán)境）中的應(yīng)用，并進行了建筑級別的能耗模擬。研究顯示，相比僅使用空調(diào)供暖，“人體電網(wǎng)”的協(xié)同策略可減少61.0%的能耗，降低57.5%的電費支出。這一發(fā)現(xiàn)充分說明了“人體電網(wǎng)”在樓宇中具有顯著的節(jié)能潛力，尤其是在非全負荷辦公環(huán)境（如人數(shù)不飽和的樓宇中）。
圖4.建筑級別能耗和電費支出模擬結(jié)果
基于全球建筑能耗模型的實驗，張璇團隊還發(fā)現(xiàn)，“人體電網(wǎng)”在各類氣候條件下均能有效降低制冷與供暖需求，每年可節(jié)省約6611TWh電力，約占全球建筑暖通電力消耗的50%。這一發(fā)現(xiàn)為應(yīng)對全球能源危機與碳減排提供了全新路徑。若進一步提升“人體電網(wǎng)”的供暖或制冷設(shè)備性能（降低或升高服務(wù)閾值），其節(jié)能效果將更為突出。
圖5.全球空間供暖制冷需求縮減模擬結(jié)果
在探討“人體電網(wǎng)”在能源市場的應(yīng)用前景時，張璇團隊提出了個體能源交易、峰谷電價響應(yīng)及碳補償?shù)燃顧C制，旨在鼓勵用戶積極參與低碳行動，同時為電網(wǎng)提供更多靈活負荷。這一創(chuàng)新成果不僅為個體能源管理提供了新的思路，也為全球能效提升與碳減排事業(yè)注入了新的活力。隨著技術(shù)的不斷進步和應(yīng)用的不斷拓展，“人體電網(wǎng)”有望成為未來能源系統(tǒng)的重要組成部分。
圖6.“人體電網(wǎng)”在能源市場的應(yīng)用前景
相關(guān)研究成果以“基于人體電網(wǎng)實現(xiàn)能效提升與碳減排”（Energy efficiency and carbon savings via a body grid）為題，于2月18日發(fā)表于《自然》（Nature）雜志旗下《通信工程》（Communications Engineering）上。
清華大學深圳國際研究生院2020級博士生許嘉禾、張璇副教授與加州大學伯克利分校丹尼爾·科曼（Daniel Kammen）教授為論文共同第一作者，清華大學/太原理工大學孫宏斌教授為論文通訊作者。論文合作者包括清華大學電機系郭慶來教授、清華大學深圳國際研究生院博士生李代猛、孫崇博、程銘、陶晟宇，以及清華大學建筑學院碩士生王嘉豪等。研究得到山西省能源互聯(lián)網(wǎng)研究院、國家自然科學基金、美團學者項目的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s44172-025-00366-w
供稿：深圳國際研究生院
編輯：李華山
審核：郭玲
