受《巴黎协定》推动的全球向可再生能源转型为应对气候变化提供了关键策略[1]。然而，可再生能源的间歇性给传统电力系统带来了不稳定性的挑战，影响了电网的韧性、可靠性和稳定性[2]、[3]、[4]。智能电网创新通过优化供需平衡和提高运行效率提供了有希望的解决方案[5]、[6]、[7]。其中，需求响应（DR）通过激励消费者（特别是高能耗用户）根据动态价格调整消费模式发挥了重要作用[8]、[9]、[10]。这种方法不仅支持电网稳定，还为公用事业公司和终端用户创造了双赢的局面[11]、[12]、[13]。
目前建筑行业占全球能源消耗的四分之一以上，未来几年这一比例将超过三分之一[14]、[15]。供暖、通风和空调（HVAC）系统在建筑能源使用中占据主导地位，对需求响应措施至关重要[16]、[17]、[18]。作为需求响应策略的关键资源，HVAC系统可以与多种储能解决方案战略性地结合使用，包括电池系统、建筑结构中的热质量和相变材料[19]、[20]。其中，建筑围护结构与HVAC系统结合使用时具有有效的热储存能力[21]、[22]。一种有效的方法是实施全球温度调节（GTA）策略[23]、[24]。GTA策略通常分为两个阶段：（1）预冷阶段，在非高峰时段有意降低室内温度，将冷却能量储存在建筑围护结构的热质量中；（2）需求响应事件期间的温度调节阶段，暂时提高室内温度设定值，以减少冷却负荷并将电力需求从高峰时段转移出去。这样可以在保持适当舒适度的同时显著降低HVAC系统的能耗。
在过去二十年里，应用GTA策略进行建筑需求响应方面取得了重大突破。劳伦斯伯克利国家实验室的研究团队率先系统地研究了利用建筑围护结构的被动热储存与GTA策略，为这一领域奠定了理论基础[25]、[26]、[27]。Xu等人在美国办公楼进行的实证研究表明，清晨预冷结合室内温度调节可以在需求响应期间将冷水机组功率降低80%。此外，Xu等人[27]首次揭示了建筑围护结构热特性的关键影响，并证明高热质量墙体具有更好的削峰潜力。香港理工大学团队通过冷水机组运行控制创新了快速需求响应方法，利用了建筑围护结构的储能特性[28]、[29]。在快速需求响应方法[30]中，当直接减少运行中的冷水机组数量时，储存在建筑围护结构中的冷却能量会被动释放，以维持可接受的室内热舒适度。总之，这些里程碑式的研究共同表明，建筑围护结构的热力学特性是需求响应效果的关键因素。
最近的研究探索了多种主动方法来增强建筑围护结构中的热传递，例如通风节能墙体[31]和基于空气的冷却光伏屋顶[32]。这些主动结构（如空气通道）在光伏和空气加热应用中展示了提升热性能的潜力。Jia等人[33]回顾了太阳能空气加热器中挡板的使用，证实结构修改可以增加湍流并减少热边界层厚度，从而提高热传递效率。这些研究表明主动结构在光伏和空气加热应用中具有提升热性能的潜力。
此外，最近的研究表明，在建筑围护结构中加入相变材料（PCMs）可以显著提高热能储存能力，与GTA策略结合使用时，相比传统墙体，在需求响应（DR）事件中可以减少更多的HVAC能耗。Zhu等人[34]发现，与传统墙体相比，使用GTA方法的PCM增强型建筑围护结构可以减少20%的峰值负荷。Kishore等人[35]研究了在住宅轻型墙体中添加PCM的性能，发现在炎热夏季，与无PCM的墙体相比，峰值负荷可减少46%。Berardi等人[36]研究了带有PCM的辐射天花板面板，证明与传统天花板相比，冷却功率需求减少了34%，并且大部分时间都能保持良好的热舒适度。Zhou的创新方法[37]将PCM墙体与建筑集成光伏（BIPVs）结合使用，通过GTA方法使经济成本降低了6.1%。这些研究共同强调了PCM在建筑能源管理中的变革潜力，特别是在与GTA策略和可再生能源系统结合时，可以实现最佳的需求响应性能。
现有研究表明，集成PCM的墙体可以提高建筑的热容量，从而在需求响应（DR）期间减少峰值负荷。然而，它们的预冷性能受到被动传热的限制，导致相变过程缓慢和HVAC能耗较高。最近的研究表明，管嵌入式PCM（PE-PCM）可以提高传热效率。例如，Xu等人[38]发现，与相同材料和结构的普通墙体相比，将PE-PCM与夜间冷却结合使用可以减少16.1%的冷却能耗。这证实了PE-PCM墙体在建筑围护结构应用中的强大潜力。此外，我们[39]提出了PCM-based管嵌入式墙体（PCM-based PE-wall）在建筑需求响应中的新应用。它结合了两种传热机制——主动和被动，从而加速了能量储存速率。与传统PCM墙体相比，PCM-based PE-wall在DR操作中提供了15.78%的峰值负荷减少和10.18%的额外节能效果。这些研究表明，带有嵌入式管道的PCM墙体可以加速冷能量的储存过程。当与主动和被动预冷方法结合使用时，它可以增强墙体的冷能量储存能力。
在建筑需求响应应用中，传统的PCM墙体受到被动传热的限制，缺乏对预冷的主动控制。虽然管嵌入式PCM墙体提高了传热效率，但关于其在建筑需求响应方面的研究相对较少。此外，之前的工作[39]仅初步评估了PCM-based PE-wall在结合被动和主动预冷方法时提高需求响应性能的有效性，与传统的PCM墙体相比。然而，两个参数（室内预冷温度和预冷持续时间）的变化对预冷性能和需求响应性能的影响机制仍不清楚。这是因为之前的研究仅在两个固定预冷参数条件下考察了传统PCM墙体和PCM-based PE-wall对系统性能的影响。因此，迫切需要进一步研究，以确定优化的预冷参数设置是否可以最大化需求响应性能或实现最大经济效益。
基于上述研究空白，本研究进一步分析了所提出的PCM-based PE-wall预冷性能的影响参数和参数优化问题。主要贡献如下：
(1)本研究揭示了双重预冷参数（室内预冷温度和预冷持续时间）对商业建筑热性能、需求响应性能和经济效益的共同影响机制。
(2)本研究确认了存在最优的双重预冷参数组合，可以降低HVAC系统的净成本。
(3)本研究提供了关于如何设置预冷参数以实现PCM-based PE-wall最佳需求响应效果的理论指导。
本文的其余部分组织如下：第2节概述了方法论（建筑/HVAC建模和实验设置）。第3节展示了双重预冷参数对热性能、需求响应性能、能源性能和经济性能的影响结果与分析。第4节得出了结论。
