基于物联网驱动的PEMFC-PEMEC闭环智能能源管理：伦敦柔性建筑脱碳的可持续路径

为解决建筑领域高能耗与碳排放问题，研究人员创新性地将质子交换膜燃料电池(PEMFC)与电解槽(PEMEC)闭环系统集成于智能能源管理框架，结合需求侧管理(DSM)和机器学习算法。通过TRNSYS仿真验证，该系统在70–75°C电解温度下实现84%效率，降低峰值用电13%，减少CO2排放20%，为城市建筑能源韧性提升与碳中和目标实现提供了关键技术路径。

　　

建筑行业贡献了全球37%的能源相关碳排放，其中供暖与电力消耗是主要痛点。随着伦敦等大城市人口增长，传统能源系统面临电网依赖性强、峰谷电价差显著、可再生能源间歇性等挑战。尤其在英国动态电价市场下，建筑如何平衡热舒适性与碳中和目标成为关键科学问题。

英国研究团队在《Smart Energy》发表论文，提出了一种物联网(IoT)驱动的创新解决方案：通过闭环质子交换膜燃料电池(PEMFC)与电解槽(PEMEC)系统，结合双热泵(HP)架构和智能控制算法，构建了面向柔性建筑的能源管理框架。研究采用TRNSYS动态仿真平台，集成伦敦气象数据与建筑热力学模型，通过机器学习预测需求，最终实现氢能的高效存储与调度，为城市建筑脱碳提供了可推广的技术范式。

关键技术方法包括：1) 基于TRNSYS v18的多物理场耦合仿真，整合Type 56建筑模型与Type 941热泵模块；2) 闭环PEMEC-PEMFC系统设计(Type 160/170组件)，实现水-氢-电循环；3) 机器学习驱动的需求侧管理(DSM)算法，实时响应英国电力现货市场价格；4) 氢能存储系统(Type 164)与70–75°C电解温度优化策略。

【研究结果】

1. 系统性能验证
   仿真显示闭环系统在电解温度70–75°C、环境温度>20°C时达到84%效率，氢产率提升23%。通过动态调整PEMFC输出功率(式27)，维持建筑室温17–21°C，地暖与生活热水稳定在45–55°C。

2. 能源经济性分析
   相比传统模式，智能DSM策略降低峰值用电13%，周节电477kWh。Sankey图揭示氢能存储使电网依赖度减少25%，CO₂排放下降110kg/周(图19-20)。

3. 热力学优化
   敏感性分析(图15-16)表明电解效率与温度呈非线性关系，70°C时活化过电压(式23)最小，Ohmic损耗(式19)降低42%。

【结论与意义】
该研究首次将PEMEC-PEMFC闭环系统与建筑级DSM深度整合，突破了三重技术壁垒：1) 通过氢能缓冲解决可再生能源间歇性问题；2) 利用机器学习实现电价信号与热需求的实时匹配；3) 验证70°C电解温度对系统效率的临界影响。实际应用中，该方案无需电网改造即可接入现有基础设施，单套系统可支持4小时离网运行，为智慧城市建设和英国2050净零目标提供了可扩展的技术路径。未来研究可探索与相变材料(PCM)的协同优化，进一步提升系统响应速度与经济性。