The static nature of current envelope design and operation is diametric to the mutable and transient forces and energies acting on our building stocks. Responsive building envelopes (or RBEs) have shown substantial energy saving potential for buildings by adaptively providing passive cooling/heating. In this research, an easy-to-implement yet flexible ‘demand-based’ control rule is proposed based on demand analysis to optimally control RBEs that integrate active insulation systems (AISs) and a sensible thermal energy storage (TES) layer. The controller developed herein calculates the desired thermal resistance for AIS layers and provides on-demand control of the heat flow into and out of the thermal mass to reduce AC load. It provides several benefits over the simple temperature-based controllers while does not require the complex formulation as needed for model predictive control. To quantify the thermal behavior and energy performance, a thermal network model is developed for RBEs to perform wholebuilding energy simulations of a residential thermal zone in six representative cities in the US. The results show apparent benefits of demand-based control strategy over traditional temperature-based control by offering higher energy savings and LPD reduction, especially in mild climate zones and during transitional seasons. Some design and implementation considerations for REBs with integrated AISs and TES are also discussed.

当前外壳设计和操作的静态性质与作用在我们建筑材料上的可变和瞬态力和能量截然相反。通过自适应地提供被动冷却/加热，响应式建筑围护结构（或 RBE）已显示出巨大的建筑节能潜力。在这项研究中，基于需求分析提出了一种易于实施但灵活的“基于需求”的控制规则，以优化控制集成主动绝缘系统 (AIS) 和显热储能 (TES) 层的 RBE。本文开发的控制器计算 AIS 层所需的热阻，并按需控制流入和流出热质量的热流，以减少交流负载。与简单的基于温度的控制器相比，它提供了几个好处，同时不需要模型预测控制所需的复杂公式。为了量化热行为和能源性能，为 RBE 开发了一个热网络模型，以对美国六个代表性城市的住宅热区进行整体建筑能源模拟。结果表明，通过提供更高的节能和 LPD 降低，基于需求的控制策略比传统的基于温度的控制具有明显的优势，尤其是在气候温和的地区和过渡季节。还讨论了具有集成 AIS 和 TES 的 REB 的一些设计和实施注意事项。为 RBE 开发了热网络模型，以对美国六个代表性城市的住宅热区进行整体建筑能源模拟。结果表明，通过提供更高的节能和 LPD 降低，基于需求的控制策略比传统的基于温度的控制具有明显的优势，尤其是在气候温和的地区和过渡季节。还讨论了具有集成 AIS 和 TES 的 REB 的一些设计和实施注意事项。为 RBE 开发了热网络模型，以对美国六个代表性城市的住宅热区进行整体建筑能源模拟。结果表明，通过提供更高的节能和 LPD 降低，基于需求的控制策略比传统的基于温度的控制具有明显的优势，尤其是在气候温和的地区和过渡季节。还讨论了具有集成 AIS 和 TES 的 REB 的一些设计和实施注意事项。