清华大学刘晓华教授课题组提出“能源使用人因工程学”新框架 Engineering。论文标题：Ergonomics in Energy Use: Bridging Energy System-Oriented Flexibility and Human-Oriented Service Quality
期刊：Engineering
DOI：https://doi.org/10.1016/j.eng.2025.12.002
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面向双碳目标，构建以可再生能源为主体的新型能源体系是关键举措。由于风能、太阳能发电具有波动性，能源电力系统的安全高效运行面临严峻挑战。大量研究和实践指出，仅依靠能源供给侧单方面努力难以满足能源低碳转型的发展要求，因此对建筑、交通、工业等能源需求侧的柔性提出了全新要求。
能源需求侧的柔性资源（如电动汽车、暖通空调系统、算力集群等），指具备管理自身用电或发电能力的终端设备系统，能够助力能源系统安全高效运行。柔性资源的概念是面向能源系统提出，同时与人紧密相关。此类设备系统为人提供服务，人在感知处理信息后做出反应，并参与调节。能源电力等工程领域的学者在研究柔性资源时，通常采用服务质量不变或不影响用户等假定条件，据此定义柔性。实际上，忽视了柔性调节后不可避免地对人的舒适、生产效率、便利、健康等造成影响。换言之，柔性资源参与调节具有代价，而此代价尚未得到清晰刻画。由此造成柔性资源的能力定量评价、多柔性资源共同参与调节时的策略选择等问题难以回答，极大程度影响了柔性资源潜力的充分发挥。
图1：能源使用人因工程学是连接能源系统和人之间的纽带
为此，清华大学建筑学院刘晓华教授课题组创新性地将人因工程相关理论与方法引入能源系统需求侧柔性资源的研究，提出了能源使用人因工程学框架。从以能源系统为中心视角转向人-能源系统双向互动视角，该框架旨在建立能源系统调节需求与终端用户服务质量之间的量化关系，将柔性从工程学概念拓展到工程社会学概念，为构建以人为本的新型能源体系提供新思路。
首先，本研究构建了用能柔性和服务质量之间的关联。该框架通过各种需求侧柔性资源将能源系统和人建立联系，每种柔性资源均采用机器物理模型（TPi= fi (Pi, …)）、目标参数（TPi）、服务评价模型（SQi= gi (TPi, …)）表征，进而采用人员偏好系数加权来体现其对于整体服务质量的影响。所提框架能够兼容能源需求侧多个领域已有的实验研究及模型成果，如暖通空调与热舒适、照明系统与光环境、电动汽车与充电行为、数据机房与算力需求等。
图2：能源使用人因工程学框架：连接面向能源系统的柔性与面向人的服务质量
基于所提框架，本研究提出了基于服务质量的需求侧柔性定义新方法：在某种程度的服务质量影响下，能源使用的最大变化量。如某种人员不满意率水平下暖通空调系统的最大节能量、某种人员生产效率水平下办公室照明系统的功率最大调节量、某种电动汽车出行保障率下充电功率的削减量等。在此基础上，能够对不同柔性资源进行定量比较。对单位服务质量影响增量，何种柔性资源能够提供的能源使用最大调节量（可定义为边际柔性）更大，应优先参与能源系统的调节。由此，本研究建立了能源系统中多柔性资源的有序利用控制方法。
图3：基于服务质量的需求侧柔性定义新方法
(a) 刻画某个柔性资源；(b) 多个柔性资源对比
本研究选取了一幢建筑面积3000m²的办公楼为例演示了所提框架与方法的实际效果。该建筑包含了三种典型的需求侧柔性资源，即空调系统、照明系统、电动汽车充电桩。选取预测不满意百分比（PPD）作为评价服务质量的定量指标，空调系统目标参数选取室内温度，照明系统的目标参数选取室内照度，电动汽车充电桩的目标参数选取车载电池荷电状态（SOC）。在多种电力需求响应情景下，应用所提框架分析该建筑在实现最小PPD情况下的优化运行策略。结果显示，所提框架成功指导了三类柔性资源在多种电力需求响应情景下实现最优运行策略，包括不同开始时间、不同功率削减量、不同持续时间的实时负荷削减要求，以及不同运行成本削减率的日前负荷调度要求。
图片图4：用办公楼案例演示基于服务质量的需求侧柔性定义新方法
(a) 从9:00开始持续120min的实时负荷削减；(b) 从15:00开始持续120min的实时负荷削减；(c) 从18:00开始持续120min的实时负荷削减；(d) 日前负荷调度
本研究进而展望了能源使用人因工程学这一新研究领域未来的发展方向，包括面向激励机制设计的需求侧柔性量化、复杂柔性设备/系统的精确表征方法与先进控制方法、影响服务质量的多目标参数耦合机制、目标参数与多种类服务质量的关联、权衡多种柔性资源对于服务质量整体评价的影响。由此，呼吁相关领域学者紧密合作开展交叉学科研究，以应对更为复杂、更贴近真实场景的应用需求，推动能源需求侧充分发挥柔性用能潜力，助力能源系统低碳转型。
图5：能源使用人因工程学研究展望
该研究于2025年12月10日以能源使用人因工程学：连接面向能源系统的柔性与面向人的服务质量（Ergonomics in Energy Use: Bridging Energy System-Oriented Flexibility and Human-Oriented Service Quality）为题发表在《Engineering》。清华大学建筑学院助理教授刘效辰为论文第一作者，刘晓华教授为通讯作者，论文共同作者包括江亿院士、张涛副研究员和博士研究生罗紫怡。本研究得到了国家自然科学基金、中国科协青年人才托举工程的资助。
开放获取：
https://doi.org/10.1016/j.eng.2025.12.002
引用信息：
Liu XC, Luo ZY, Zhang T, Liu XH, Jiang Y. Ergonomics in Energy Use: Bridging Energy System-Oriented Flexibility and Human-Oriented Service Quality. Engineering, 2025. DOI: 10.1016/j.eng.2025.12.002.
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来源：Engineering
