深圳国际研究生院张璇团队合作在基于人体电网实现能效提升与碳减排研究中取得进展
发布时间: 2025-02-28 11:06:10
清华新闻网2月27日电 在全球气候危机日益严峻的背景下，传统能源系统正面临前所未有的变革挑战。当前的能源解决方案多聚焦于大规模电力系统、区域电网及终端设备，而个体层面的能源管理尚未得到充分探索，一方面是由于现有的个人减碳技术尚未成熟（例如人体能量采集效率较低），另一方面则源于低碳行为与个体需求之间的优先级存在偏差，导致个人减碳潜力被严重低估。为突破这一瓶颈，清华大学深圳国际研究生院张璇团队提出了“人体电网”（Body Grid）概念，并研发出首套“人体电网”原型系统，构建了能量流与信息流融合的能源管理框架，旨在通过集成可穿戴设备、电路与信息网络，实现高效能源协同与个体舒适度的双重提升。
图1.“人体电网”框架
该系统以智能服饰为载体，通过柔性光伏、智能储能及可调控负载等装置，实现了个体级能量的自适应调配。团队还创新性地采用了需求导向型能量管理策略（Need-oriented,EMS），能够根据穿戴者的动态需求优化设备协同，大幅提高能效与舒适性。户外实验表明，“人体电网”不仅有效延长了设备续航时间，还能根据个性化需求及可再生能源供应灵活调整运行策略。
图2.“人体电网”原型系统和户外EMS测试
在探索“人体电网”与室内设备协同工作的机制方面，张璇团队也取得了显著成果。以室内供暖为例，通过缩小温控区域，“人体电网”在确保穿戴者舒适体验的同时显著降低了能源消耗，并能与建筑供暖设备联合优化运行，适应多变环境，保障人体安全。当室温较低时，供暖系统提供基础制热，而“人体电网”则提供局部加热，从而实现了能源分配的最优化。
图3.单人房间协作机制测试和模拟结果
团队还进一步研究了“人体电网”在多人房间（如办公环境）中的应用，并进行了建筑级别的能耗模拟。研究显示，相比仅使用空调供暖，“人体电网”的协同策略可减少61.0%的能耗，降低57.5%的电费支出。这一发现充分说明了“人体电网”在楼宇中具有显著的节能潜力，尤其是在非全负荷办公环境（如人数不饱和的楼宇中）。
图4.建筑级别能耗和电费支出模拟结果
基于全球建筑能耗模型的实验，张璇团队还发现，“人体电网”在各类气候条件下均能有效降低制冷与供暖需求，每年可节省约6611TWh电力，约占全球建筑暖通电力消耗的50%。这一发现为应对全球能源危机与碳减排提供了全新路径。若进一步提升“人体电网”的供暖或制冷设备性能（降低或升高服务阈值），其节能效果将更为突出。
图5.全球空间供暖制冷需求缩减模拟结果
在探讨“人体电网”在能源市场的应用前景时，张璇团队提出了个体能源交易、峰谷电价响应及碳补偿等激励机制，旨在鼓励用户积极参与低碳行动，同时为电网提供更多灵活负荷。这一创新成果不仅为个体能源管理提供了新的思路，也为全球能效提升与碳减排事业注入了新的活力。随着技术的不断进步和应用的不断拓展，“人体电网”有望成为未来能源系统的重要组成部分。
图6.“人体电网”在能源市场的应用前景
相关研究成果以“基于人体电网实现能效提升与碳减排”（Energy efficiency and carbon savings via a body grid）为题，于2月18日发表于《自然》（Nature）杂志旗下《通信工程》（Communications Engineering）上。
清华大学深圳国际研究生院2020级博士生许嘉禾、张璇副教授与加州大学伯克利分校丹尼尔·科曼（Daniel Kammen）教授为论文共同第一作者，清华大学/太原理工大学孙宏斌教授为论文通讯作者。论文合作者包括清华大学电机系郭庆来教授、清华大学深圳国际研究生院博士生李代猛、孙崇博、程铭、陶晟宇，以及清华大学建筑学院硕士生王嘉豪等。研究得到山西省能源互联网研究院、国家自然科学基金、美团学者项目的支持。
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