清華新聞網(wǎng)2月27日電 在全球氣候危機(jī)日益嚴(yán)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(dāng)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(gè)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(gè)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(gè)體需求之間的優(yōu)先級(jí)存在偏差,，導(dǎo)致個(gè)人減碳潛力被嚴(yán)重低估,。為突破這一瓶頸，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院張璇團(tuán)隊(duì)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(guò)集成可穿戴設(shè)備,、電路與信息網(wǎng)絡(luò),，實(shí)現(xiàn)高效能源協(xié)同與個(gè)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(guò)柔性光伏,、智能儲(chǔ)能及可調(diào)控負(fù)載等裝置，實(shí)現(xiàn)了個(gè)體級(jí)能量的自適應(yīng)調(diào)配,。團(tuán)隊(duì)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(dòng)態(tài)需求優(yōu)化設(shè)備協(xié)同,，大幅提高能效與舒適性,。戶(hù)外實(shí)驗(yàn)表明，“人體電網(wǎng)”不僅有效延長(zhǎng)了設(shè)備續(xù)航時(shí)間,，還能根據(jù)個(gè)性化需求及可再生能源供應(yīng)靈活調(diào)整運(yùn)行策略,。
圖2.“人體電網(wǎng)”原型系統(tǒng)和戶(hù)外EMS測(cè)試
在探索“人體電網(wǎng)”與室內(nèi)設(shè)備協(xié)同工作的機(jī)制方面，張璇團(tuán)隊(duì)也取得了顯著成果,。以室內(nèi)供暖為例,，通過(guò)縮小溫控區(qū)域，“人體電網(wǎng)”在確保穿戴者舒適體驗(yàn)的同時(shí)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(yùn)行,，適應(yīng)多變環(huán)境，保障人體安全,。當(dāng)室溫較低時(shí),，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(shí)現(xiàn)了能源分配的最優(yōu)化,。
圖3.單人房間協(xié)作機(jī)制測(cè)試和模擬結(jié)果
團(tuán)隊(duì)還進(jìn)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(jìn)行了建筑級(jí)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(fèi)支出,。這一發(fā)現(xiàn)充分說(shuō)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(fù)荷辦公環(huán)境（如人數(shù)不飽和的樓宇中）。
圖4.建筑級(jí)別能耗和電費(fèi)支出模擬結(jié)果
基于全球建筑能耗模型的實(shí)驗(yàn),，張璇團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn),，“人體電網(wǎng)”在各類(lèi)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(duì)全球能源危機(jī)與碳減排提供了全新路徑。若進(jìn)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(chǎng)的應(yīng)用前景時(shí)，張璇團(tuán)隊(duì)提出了個(gè)體能源交易,、峰谷電價(jià)響應(yīng)及碳補(bǔ)償?shù)燃?lì)機(jī)制,，旨在鼓勵(lì)用戶(hù)積極參與低碳行動(dòng)，同時(shí)為電網(wǎng)提供更多靈活負(fù)荷,。這一創(chuàng)新成果不僅為個(gè)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(jìn)步和應(yīng)用的不斷拓展,，“人體電網(wǎng)”有望成為未來(lái)能源系統(tǒng)的重要組成部分,。
圖6.“人體電網(wǎng)”在能源市場(chǎng)的應(yīng)用前景
相關(guān)研究成果以“基于人體電網(wǎng)實(shí)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(xué)深圳國(guó)際研究生院2020級(jí)博士生許嘉禾,、張璇副教授與加州大學(xué)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(xué)/太原理工大學(xué)孫宏斌教授為論文通訊作者,。論文合作者包括清華大學(xué)電機(jī)系郭慶來(lái)教授,、清華大學(xué)深圳國(guó)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(xué)建筑學(xué)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(guó)家自然科學(xué)基金,、美團(tuán)學(xué)者項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s44172-025-00366-w
供稿：深圳國(guó)際研究生院
編輯：李華山
審核：郭玲
