一种新型可切换遮阳装置的发展与性能 埃蒂安·马格里（Etienne Magri）、 文森特·布哈吉亚（Vincent Buhagiar）和 毛罗·奥弗伦德（Mauro Overend）

《Buildings》：The Development and Performance of a Novel Switchable Shading Device Etienne Magri, Vincent Buhagiar and Mauro Overend

　　摘要：在亚热带地中海气候条件下，具有高玻璃比率的现有建筑在室内环境的热控制和视觉控制方面面临诸多挑战。同一作者之前的研究已经认识到，在高日照强度下，将太阳能-PDLC（聚合物分散液晶）和SPD（悬浮颗粒装置）可调薄膜融入建筑立面中，可以提供广泛的视觉透明度动态范围。本文提出了一种新的应用方式，即将这些可调薄膜应用于动态外部遮阳装置中，从而可以根据需要为现有窗户投射阴影。本研究比较了传统不透明悬挑结构与配备两种可调薄膜的玻璃遮阳悬挑结构在封闭空间内产生的眩光程度。通过实地测试中的比例模型，研究了在不同可调薄膜状态下的室内照度和眩光情况，并将其与相同条件下传统静态玻璃及普通外部悬挑结构的效果进行了比较。结果表明，可调悬挑结构在透明/褪色状态下可以让日光进入室内而不产生过多眩光；而在半透明/着色状态下，可调遮阳装置提供的眩光防护效果与传统不透明悬挑结构相当。

1. 引言
1.1 背景
即使在以制冷为主的地中海气候条件下，办公楼的设计趋势仍然偏向于使用高玻璃比率的立面。虽然这种设计使建筑物看起来“现代且透明”，从而提升了房地产价值，但也导致了显著的供暖和制冷需求。尽管相关研究不断改进建筑材料以降低能耗，但大多数研究仍集中在如何提高居住者的舒适度上，尤其是室内视觉环境质量。一个舒适、无眩光的室内视觉环境的重要性不容低估。内部遮阳装置（如百叶窗）常被用作快速且经济的解决方案，可以在一定程度上调节日光质量。然而，这些装置虽然有助于控制眩光，但往往会遮挡视线并增加对人工照明的依赖，同时往往无法有效解决过热问题。外部遮阳装置（如悬挑结构）在减少不必要的太阳热量吸收方面表现更好，但完全静态的设计缺乏建筑使用者所需的季节性和昼夜适应性。因此，开发一种可适应的外部遮阳装置将有助于解决这些问题。

1.2 外部遮阳与自适应玻璃
眩光是一种“负面感觉”，由“亮度远超眼睛适应水平的明亮区域引起，导致不适、视觉性能下降或可见度受损”。这一标准强调了使用遮阳装置保护建筑使用者免受眩光的重要性。窗户上的被动外部遮阳悬挑早已得到广泛应用，尤其在能效和居住者舒适度方面具有显著优势。不透明悬挑结构能够阻挡直接阳光和天空辐射，从而防止过多热量进入室内空间，并降低玻璃表面的温度，这在温暖气候中尤为有效。通过减少太阳热量吸收，悬挑结构减少了空调需求，从而降低了能耗和制冷成本。它们还有助于维持更恒定的室内温度，全天候提高室内舒适度。悬挑结构还能阻挡直接阳光的视线，减少眩光，提供更加宜人的室内环境；同时还能在不过度影响视觉舒适度的同时平衡进入室内的自然光量。设计得当的悬挑结构可以让散射光进入室内，提升自然光的质量而不产生强烈刺眼感。然而，固定式外部遮阳装置的缺点在于缺乏适应性和使用者控制能力。其有效性通常取决于其与太阳季节性位置的关系——水平悬挑结构在南向立面上效果较好，而垂直悬挑结构在东向和西向立面上更有效。

1.3 新型可调遮阳装置的概念
根据定义，PDLC（聚合物分散液晶）薄膜可以作为自粘塑料薄膜贴在现有玻璃上，或层压在玻璃制品上（如“智能窗户”）。这项技术提供了隐私、安全性以及能源效率。该技术可以通过电子方式切换状态（透明或半透明），部分制造商还提供了中间透明状态。另一方面，SPD（悬浮颗粒装置）薄膜可以让玻璃从完全褪色（开启状态）变为完全着色（关闭状态），甚至可以调节到任意中间状态。SPD技术对于高性能玻璃而言，可以阻挡高达99%的可见光，旨在替代传统的遮阳百叶窗或复杂的机械式室内百叶窗。太阳能-PDLC和SPD可调技术具有独特的特性：它们既能提供隐私保护，又能分散入射的太阳辐射，并能控制日光强度，从而有可能实现无眩光的室内环境。先前的研究已经证实，在高日照强度下，这两种薄膜可在建筑立面中提供广泛的视觉透明度动态范围。此外，这两种技术还有一个共同特点，即它们在关闭状态（SPD为半透明，PDLC为着色）时可以投射阴影。这一特性为这些薄膜开辟了新的应用前景，例如将其嵌入玻璃层压板中，作为固定的外部悬挑结构使用时，即可形成自适应的遮阳装置。图1展示了这一概念的示意图。

1.4 比例模型测试
本研究旨在探讨可调薄膜在更传统的建筑元素（即遮阳悬挑结构）中的应用潜力，这种结构同样适用于现有立面的改造。需要对这类创新元素的视觉和热性能进行全面评估，包括进行全尺寸实地研究、现场监测实验以及收集用户的反馈。为此，研究人员使用了一个1:10比例的办公空间模型，初步评估了两种可调玻璃技术的视觉效果，与具有太阳控制涂层的工业级静态玻璃和传统不透明遮阳悬挑结构进行了对比。这些实地测试的主要目标如下：
- 测量装有三种不同可见光透射率玻璃样本的模型内的室内照度，以及有无悬挑结构时的情况。
- 评估在南向立面上安装两种不同可调玻璃悬挑结构的潜力，最终在全尺寸设施中实现，使建筑使用者能够随时决定是否启用遮阳效果。

其他研究中也采用了类似的实地测试模型来分析可调玻璃的视觉和热性能，例如Ghosh和Norton对带有SPD的玻璃样品的研究[6,7,8]。他们的研究报道了实验中收集的各种指标的实际结果，包括日光因子（DF）、日光眩光指数（DGI）和有用日光照度（UDI）。Bodart与Cauwerts[9]以及Yngvesson与Adolfsson[10]得出结论，如果比例模型在建造过程中遵循材料特性，并且全尺寸模型与比例模型的环境条件相同，那么模型内的光线质量和数量与实际环境一致。具体来说，Yngvesson与Adolfsson认为1:10比例模型最能真实反映实际房间条件，因为1:20和1:50比例模型无法充分展示房间的形状和细节。

1.5 眩光测量指标
本研究关注在窗户上安装可调遮阳装置后室内空间的眩光程度。为此，进行了一系列实地测试实验，以物理方式评估智能玻璃的“可调遮阳性能”及其对室内视觉环境的影响，同时不阻碍外部视线。室内日光照环境的质量可以通过多种指标来衡量。日光因子（DF）是指室内某点的照度与阴天条件下的室外照度之比（通常以百分比表示），而照度均匀性则衡量光线在空间内的分布情况，通过最小照度除以最大照度计算得出。由于眩光通常是导致不适的主要原因（尤其是在高玻璃比率办公室中），因此适当测量这一参数对于评估这些可调遮阳装置的性能至关重要。其他因素如照度均匀性和照度水平也影响室内空间的舒适度和功能性。多年来，人们开发出了多种眩光指标。1972年，Hopkinson首次尝试通过建立“日光眩光指数”（DGI）来量化日光引起的眩光，该指数综合考虑了影响眩光的多个因素。然而，Iwata和Waters[12,13,14]指出，在窗户占据观察者视野大部分或太阳位于观察者视野内的情况下，DGI的眩光预测能力较低。Velds[15]简化了日光眩光的计算方法，建议用观察者眼中的垂直照度代替背景照度来估算眩光。目前最可靠的眩光测量指标是日光眩光概率（DGP）。这一指标被广泛使用，因为它同时考虑了空间中日光的强度和空间分布，基于人类视觉感知提供了对眩光的全面评估。2006年，Wienold和Christoffersen [16]引入了这一新的眩光计算指标，用来表示“受到日光眩光影响的比例”。与传统的指标如DGI或UGR相比，DGP方法通过将垂直照度纳入眩光计算中，在日光环境下提供了更高的准确性。这一指标特别适合用于评估本研究中分析的比较性现场测试方法，使当前的工作符合国际既定标准和最近关于以人为中心的建筑性能研究的进展[17]。

2. 材料与方法

2.1. 方法论
本研究采用比较实验研究设计，来评估可切换玻璃集成到外部遮阳装置中的眩光减少潜力。该方法论框架基于定量实证分析，使用物理比例模型（1:10）来模拟复杂的日光现象。这种方法允许对亮度分布和视觉舒适度进行验证评估，这些评估是通过Wienold日光眩光概率（DGP）指标来测量的。通过将原始的物理亮度数据转化为具有统计意义的顾客视觉舒适度指标，因此研究结果符合当前室内环境质量（IEQ）的国际标准。

研究围绕一个控制变量分析展开，其中调查的可切换遮阳装置的性能与两个不同的对照组进行基准比较：
- 基线组（无遮阳）：一个开放孔口的场景，用于确定最大的眩光风险；
- 静态对照组：一个不透明的哑光白色悬挑，代表一个与可切换玻璃悬挑在几何形状上完全相同的传统建筑遮阳装置。

通过保持测试组和对照组之间的几何形状相同，并使用时间控制窗口（60分钟）以确保天空条件稳定，该设计将“切换状态”作为主要的独立变量。这确保了观察到的DGP变化可以直接归因于遮阳材料的光学特性，而不是环境或几何通量。

本研究中的视觉不适评估使用日光眩光概率（DGP）指标进行，该指标量化了一个人受到日光眩光干扰的概率。DGP是通过将垂直照度与眩光源在观察者视野内的亮度、立体角和位置结合起来计算的，如公式(1)所示：
$$ DGP = 5.87 \cdot 10^{-5} \cdot E_{v} + 9.18 \cdot 10^{-2} \cdot L_{s} \cdot \Omega_{i} + 0.16 $$
其中 $ L_{s,i } $ 是光源亮度（cd/m2），$ \Omega_{i } $ 是立体角，$ E_{v } $ 是垂直照度（lux），$ \Omega_{i} $ 是视野的Guth位置指数。DGP主要受第一项（$ E_{v} $）的影响，第二项与明显对比度有关。这种眩光评估方法现在是EN 17037:2018 [4]的一部分，并被广泛认为是计算眩光的标准方法。Pierson等人描述了一种通过高动态范围摄影生成亮度图并使用半专业设备来计算瞬时眩光的方法，并进一步描述了使用Evalglare软件进行眩光模拟的分析方法[18,19]。

眩光的分类以前基于Wienold [16,20]描述的四点量表，并被类似的研究（如Reinhard和Wienold [21]的研究）采用，其中将眩光不适分为四个等级：不可察觉的眩光（DGP < 35%）；可感知的眩光（35% ≤ DGP < 40%）；令人不安的眩光（40% ≤ DGP < 45%）；无法忍受的眩光（DGP ≥ 45%）。图2显示了这个四点量表的图形表示。由于这项开创性的研究，这种分类现在也成为EN 17037:2018规范标准的一个组成部分。

在考虑使用比例模型进行现场测试以及从亮度计生成的亮度图计算DGP的潜在影响时，特别进行了充分的关注。DGP公式依赖于四个变量，所有这些变量在理论上都是与比例无关的。垂直照度（$ E_{v} $）是光通量的密度。如果光源（这里指的是太阳）保持不变，那么模型中一个点被照到的光线量与现实世界中的相同，无论房间的大小如何。亮度（$ L_{s,i } $）是单位面积的“亮度”，本质上是与比例无关的。例如，500 lux下的白色墙无论宽10米还是1米，其亮度（cd/m2）都是相同的。立体角（$ \Omega_{i} $）是视野中眩光源的“大小”。立体角是恒定的，因为它是由光源的面积与其到观察者距离的平方的比率定义的（$ \Omega = \frac{A}{r^2} $）。当设置按比例缩小，例如缩小10倍时，距离按该比例减小，但光源的表面积按该比例的平方减小。因为分子（面积）和分母（距离的平方）以完全相同的比例缩小，它们彼此抵消。这保证了无论是在看全尺寸的房间还是1:10的模型时，几何“视图”保持不变。

对于1:10模型的使用也仔细考虑了实际问题。选择放置亮度计的位置以确保模型内部不会产生自我遮蔽。此外，为了避免与仪器放置精度相关的错误，在更换立面玻璃样本和不同类型的遮阳悬挑时，非常小心地确保亮度计和比例模型本身在测试过程中位于完全相同的位置。考虑到模型材料的表面反射率和纹理可能比全尺寸材料更具镜面效应，这项实验试图使用相同的未改变的比例模型，在不同的切换状态下相对比较不同遮阳悬挑提供的DGP值。

在本研究的范围内，每个样本的平行光透射率读数是由经过校准的WTM-1200色调计测得的，其分辨率为0.1，准确度≤2%。现场测试的主要目的是生成一系列在相同气候条件下拍摄的亮度图像数据集，以便随后分析人眼所感知的眩光。为此，使用TechnoTeam? LMK Mobile-R（TechnoTeam Bildverarbeitung GmbH，Ilmenau，德国）图像解析型亮度相机在不同的曝光时间拍摄了一系列高分辨率图像，该相机配备了SIGMA 4.5 mm 1:2.8圆形鱼眼镜头。在为每个场景生成高动态范围[HDR]照片后，使用TechnoTeam?专有的LMK LabSoft 14.3.6?套件创建了亮度图。除了识别观察者视野中的所有光源外，还通过软件计算了Wienold和Christoffersen [15]描述的日光眩光概率（DGP），该指标可靠地指示了从坐姿位置面对窗户时可能的不适程度。本研究中使用的亮度相机是专门为这种研究设计的，因此已经由制造商进行了校准，其中包含了响应曲线、渐晕和点源误差的详细数据集和校正，这些直接嵌入在Labsoft 14.3.6?软件中。这使得软件能够处理将所有照片合并为单个HDR、创建亮度图以及计算DGP的整个过程。

在1月28日和2月26日分别进行了两次预测试，一次在晴朗的天空下进行，一次在部分多云的天空下进行，以评估用于本研究的测试装置的适用性。在这些初步测试中，比例模型的所有内表面都保持白色。考虑到白色地板可能不能代表典型的室内空间，在3月1日实验之前，模型地板选择了浅棕色，该实验的结果已包含在本文中。此外，3月1日一致的晴朗天空条件提供了更均匀的外部日光条件。所有照片都是朝南拍摄的，时间在上午11:30到12:30之间，此时太阳位于天空中的最高位置，以尽量减少可能影响结果的短暂天气和天空条件的影响。3月1日朝南时，马耳他的正午太阳仰角约为47°54′5″ N 14°28′79″ E，形成了一个大约占房间面积28%的太阳斑块（图3）。选择这种朝向和测试时间窗口是为了捕捉视野中心区域太阳斑块的最坏情况。因此，由太阳斑块照亮的区域可能会让观察者感到眩光。当遮阳悬挑从立面伸出2.4米时，没有形成太阳斑块，从而允许这项实验研究可切换悬挑对眩光感知的影响。

2.2. 实验装置

2.2.1. 比例模型组装
使用可切换薄膜制造商提供的尺寸为290 × 200毫米的静态和可切换玻璃样本，并考虑到使用比例模型收集初步数据的适当性，组装了一个按1:10比例缩放的房间物理模型，如图4和图5所示，其内部尺寸为宽400毫米；深500毫米；高260毫米。比例模型的尺寸提供了56%的玻璃比例，同时考虑了在测试箱内放置亮度计的可行性。图4是在铺设浅棕色地板之前的比例模型外部和内部视图。图5是模拟的真实办公室的三维图形和平面图，显示了假定的办公人员坐姿位置和朝向方向。在材料选择和组装方法上都给予了关注，以防止任何杂散光或反射光穿透缩放的室内空间，除了通过玻璃开口进入的光线之外。同样，也充分考虑了确保缩放模型的尺寸足够大，以便能够清晰聚焦地捕捉到图像。因此，生成的亮度图将与在全尺寸设置中通常捕获的亮度图具有相似的几何外观。对于本次实验的目的，亮度计被放置在一个观察点，直接面对开口，模拟一个坐着的人面对窗户的情况。尽管这个位置可能不能完全代表房间中典型的座位排列，但这个观察点被认为是合适的，因为它代表了最糟糕的情况，即投射在地板上的太阳能斑块直接位于使用者的视野范围内。尽管如此，比较不同可切换玻璃配置的DGP读数与静态玻璃样品仍然可以有效地指示哪种可切换悬臂结构的设置可能表现最好。虽然在使用缩放模型时，比例因子可能会影响绝对结果，但假设在这些实验中，光线进入空间的方式不受测试室大小的影响。由于光波长的极小（380-790纳米），光在全长室及其缩放模型中的物理行为保持不变[24]。由于所有测量都是在相同的条件下进行的，以便进行相对比较，这些因素不应影响结果。

2.2.2. 玻璃样品的选择
与马耳他的一个知名建筑玻璃供应商合作进行了市场研究，以确定最常用于幕墙的玻璃产品。本研究的目标是在现场测试条件下选择并测试两种类型的可切换遮阳板的表现，当它们作为悬臂安装在这三种代表性的静态玻璃样品上时。选择了三种可见光透射率在20%到48%之间的静态玻璃样品，其特性在表1中概述，并在图6中展示。每种样品的平行光透射率是使用校准的WTM-1200调光仪（广州朗德泰克仪器有限公司，中国广东省广州市）测量的，分辨率为0.1%，准确度≤2%。

表1. 具有太阳能控制涂层的静态玻璃样品的技术特性。
图6. 具有太阳能控制涂层的静态玻璃样品的照片（上）以及它们垂直放置于太阳圆盘时的外观（下）。

确定了两种不同的可切换遮阳板配置，用于测试太阳能-PDLC（聚合物分散液晶）层压板和SPD（悬浮颗粒装置）层压板。这些层压板的组成如下：
- 可切换太阳能-PDLC薄膜层压板 [4毫米透明玻璃 + EVA中间层 + PDLC薄膜 + EVA中间层 + 4毫米透明玻璃]
- 可调节SPD薄膜层压板 [4毫米透明玻璃 + EVA中间层 + SPD薄膜 + EVA中间层 + 4毫米透明玻璃]

这些可切换遮阳板的技术特性在表2中列出，而通过每种遮阳板在不同切换状态下的太阳圆盘的外观在图7中显示。

2.2.3. 测试设置
测试设置主要需要确定一个朝南且无阴影和障碍物的位置，以便从测试箱内部捕捉一组高分辨率图像。为此，选择了建筑区的一座建筑的屋顶作为测试地点，提供了通过模型窗户观察天空上三分之一区域的远距离视图。测试箱安装在一个稳固的支架上，以便根据需要更换玻璃样品和悬臂，而不会对整个设置造成移动。作为模型窗户的静态玻璃样品安装在模型上，以防止任何杂散光通过玻璃本身进入测试箱。可切换玻璃悬臂安装在一个从测试箱本身悬垂出来的金属子框架上，该支架支撑了玻璃的重量，同时允许必要的接线连接到电子控制器。支架和接线都不会在测试箱内投下影响捕获图像的阴影。在一次测试中，测试箱内部保持完全白色；而在另外两次测试中，在底部放置了一张浅棕色的纸板，以模拟真实世界设置中的较暗地板（图8）。

图8. 测试设置的选定照片。
(a) 测试箱安装在一个稳固的基座上。
(b) 测试箱内的亮度计。
(c) 静态不透明遮阳板。
(d) 未遮阳配置。
(e) 太阳能-PDLC遮阳悬臂（关闭状态）。
(f) SPD遮阳悬臂（关闭状态）。

为了模拟不透明遮阳悬臂，使用了一张白色的泡沫板，它对光线完全不透明；然而，为了防止杂散光线从后端进入模型，安装了一块不透明的遮光布料，并在拍摄图像时注意保持布料的位置牢固。在设置好测试装置后，对这种“可切换遮阳板”概念进行了初步的视觉评估。一个不透明的纸板胶带分配管直接放置在太阳能-PDLC可切换遮阳板上方。在遮阳板的开启和关闭状态下，分别拍摄了模型的两幅内部照片，如图9c和d所示。通过切换遮阳板的开启和关闭状态，可以“切换”太阳能斑块，从而影响模型内部的照明环境。还可以观察到，遮阳板在其开启位置提供的太阳能斑块在视觉对比度上似乎低于没有任何遮阳装置的未遮阳情况，这一特性被认为有可能提供更加舒适的室内照明环境。

图9. 太阳能-PDLC和SPD可切换遮阳板效果的初步视觉评估。
(a) 可切换PDLC遮阳板开启（透明）状态。
(b) 可切换PDLC遮阳板关闭（半透明）状态。
(c) 开启状态下可切换遮阳板时的室内效果。模型地板上可见太阳能斑块。
(d) 关闭状态下可切换遮阳板时的室内效果。模型地板上看不到太阳能斑块。
(e) 可切换SPD遮阳板开启（着色）状态。
(f) 可切换SPD遮阳板关闭（着色）状态。
* 这张照片是在安装棕色地板之前的1月份试点研究期间拍摄的。

3. 结果
本节提供了所有亮度图及每个实验中光强度范围（单位：cd/m2）的图形表示。结果显示了计算出的日光眩光概率[DGP]以及基于所选亮度阈值被亮度计检测到的光源数量，详见相应的表格。2025年3月1日进行的测试结果连同相应的亮度图一起展示，从中计算出了DGP值。这些值已经制成了表格，并用直方图表示，同时记录了观察结果。这三种静态玻璃样品在各种配置下进行了测试，以计算在缩放模型中获得的DGP值，即未遮阳、用不透明悬臂遮阳、用可切换PDLC悬臂遮阳（开启和关闭状态）以及用SPD悬臂遮阳（着色和褪色状态）。

3.1. Guardian Solar Bronze 20
Guardian Solar Bronze 20静态玻璃样品的结果如表3、图10和图11所示。六种遮阳配置的DGP值均显示在DGP四点等级的可忽略范围内，证实了非常低的可见光透射率对眩光测量的影响很小。遮阳配置S1（未遮阳）的DGP值（34.17%）远低于其他静态玻璃样品，而在遮阳配置S2（用不透明悬臂遮阳）中，测得的DGP值（21.48%）并不比其他样品低很多。将这些基准读数与随后四种遮阳配置（S3-S6）的结果进行比较，可以观察到PDLC悬臂在透明状态下的眩光值降低了29.01%，低于未遮阳配置的眩光值。然而，在其关闭（半透明）状态下，DGP值降至25.88%，仍然高于全不透明遮阳悬臂的眩光值。SPD在褪色状态下的眩光值显著降低至22.8%，而在其关闭（着色）状态下，DGP值（20.8%）略低于不透明遮阳悬臂的眩光值。后一个结果可能是由于不透明悬臂的白色导致更多的光线反射进入室内空间。

表3. Guardian Solar Bronze 20静态玻璃样品的表格结果。
图10. Guardian Solar Bronze 20静态玻璃样品的结果图形表示。
图11. 不同遮阳配置下Guardian Solar Bronze 20的亮度图。

3.2. Guardian SunGuard HP Bronze 40/27 IGU
Guardian SunGuard HP Bronze 40/27 IGU静态玻璃样品的结果如表4、图12和图13所示。六种遮阳配置的DGP值似乎与所测试样品的可见光透射率相关，总体上略低于Saint Gobain KN148（VLT为48%）。遮阳配置S1（未遮阳）的DGP值最高，为50.48%（难以忍受），而使用不透明悬臂遮阳后，眩光值降至27.65%。将这些基准读数与随后四种遮阳配置（S3-S6）的结果进行比较，可以观察到PDLC悬臂在透明状态下可以将眩光值降低到29.01%，低于未遮阳配置的眩光值。然而，在其关闭（半透明）状态下，DGP值降至25.88%，仍然高于全不透明遮阳悬臂的眩光值。SPD在褪色状态下的眩光值显著降低至22.8%，而在其关闭（着色）状态下，DGP值（26.28%）略低于不透明遮阳悬臂的眩光值。这可能是由于不透明悬臂的白色导致更多的光线反射进入室内空间。

3.3. Guardian Saint Gobain KN148 静态玻璃样品
Saint Gobain KN148静态玻璃样品的结果如表5、图14和图15所示。六种遮阳配置的DGP值似乎与所测试样品的可见光透射率相关。正如预期的那样，遮阳配置S1（未遮阳）的DGP值最高，为56.24%（难以忍受），而使用不透明悬臂遮阳后，眩光值降至29.62%。将这些基准读数与随后四种遮阳配置（S3-S6）的结果进行比较，可以观察到PDLC悬臂在透明状态下可以将眩光值降低到45.46%，略微高于DGP四点等级的可感知限制。在其关闭（半透明）状态下，DGP值降至可感知范围的低端，但仍高于不透明遮阳悬臂的眩光值。SPD悬臂在褪色状态下的眩光值进一步降低至32.27%（几乎不可察觉）。在其关闭（着色）状态下，DGP 产率为 28.23%，这比使用不透明遮阳悬挑时的数值要低。表 5 显示了 Saint Gobain KN148 静态玻璃样本的测试结果。图 14 以图表形式展示了该样本的测试结果。图 15 则展示了在不同遮阳配置下 Saint Gobain KN148 的亮度分布图。4. 讨论本研究旨在初步评估这种可切换玻璃产品的性能。虽然实际的全尺寸测试是建筑集成应用的最终标准，但此类研究往往会引入环境“干扰因素”，从而掩盖动态玻璃与视觉舒适度之间的直接光学关系。通过使用可控的 1:10 比例模型，本研究隔离了由透射率驱动的可切换遮阳系统的性能表现。这些发现作为关键的概念验证，提供了进行全尺寸建筑测试所需的实证依据，同时也为未来的计算建模提供了可靠的数据集。4.1 VLT-DGP 相关性对未遮阳的静态玻璃样本进行的回归分析显示，可见光透射率（VLT）与日眩概率（DGP）之间存在强烈的线性关系（R2 ≈ 0.999）。这表明，在本研究的参数范围内，VLT 是预测眩光感知度的非常有效的指标（见图 16）。尽管样本数量仅限于三种玻璃类型（N = 3），但所得结果的显著性 F 值为 0.019，符合 95% 的置信区间（p < 0.05）。在小样本统计背景下，只有当效应显著且数据点分布精确时，才能得出如此低的 p 值。高 R2 值可能反映了物理一致性的存在，因为 DGP 实际上是垂直照度和亮度的函数，而这两者都会受到玻璃透射率的直接影响。因此，两者之间的关系呈现出可预测的线性变化趋势。然而，必须承认以下限制：由于自由度仅为 1（df = N ? 2 = 1），该模型对测量误差非常敏感，任何一个异常值都可能显著改变相关性。此外，这些结果仅适用于所测试的 VLT 范围内。这些结果应被视为相关性的有力指标，而非绝对规则。还进行了另外两项类似的回归分析，以评估不同切换状态下的 VLT-DGP 关系。比较未遮阳状态与 PDLC-ON（透明）和 SPD-ON（褪色）状态下的可切换遮阳装置时，观察到三种线性关系（见图 17）。这些图表表明，未遮阳状态、PDLC-ON（透明）状态和 SPD-ON（褪色）状态的 DGP 结果均与代表玻璃立面的静态玻璃样本的 VLT 相关，相关系数分别为 0.9993、0.9975 和 0.9981。此外，这三种线性关系也与可切换遮阳装置本身的 VLT 相关（未遮阳状态 = 100% VLT；PDLC-ON = 72% VLT；SPD-ON = 45% VLT）。未遮阳状态下的线性关系最为显著，梯度最高（m = 0.7935）；PDLC 遮阳装置在开启状态（VLT = 72%）下的线性关系次之（m = 0.5803）；SPD 遮阳装置在开启状态（VLT = 45%）下的线性关系最低（m = 0.3382）。这些结果进一步证明了：可切换遮阳装置的 VLT 恒定减少（100% ? 72% = 28%；72% ? 45% = 27%）会导致每种线性关系的梯度相应减少（0.7935 ? 0.5803 = 0.2132；0.5803 ? 0.3382 = 0.2421）。由此可见，在开启状态下，这两种可切换遮阳装置通常都能降低眩光感知度，且与 DGP 评分的关联程度明显受窗户的可见光透射率影响。从视觉角度来看，开启状态下的可切换遮阳装置具有“过滤”过多入射日光的潜力。然而，它仍允许形成不会对正对窗户的用户造成强烈视觉不适的日光斑块，从而降低眩光感知度。类似的分析还比较了关闭状态下的可切换遮阳装置与不透明遮阳装置的效果（见图 18）。结果显示，DGP 与代表玻璃立面的玻璃样本的 VLT 之间也存在相似的相关性，相关系数分别为 0.9978（不透明遮阳装置）、0.9986（PDLC 关闭状态）和 0.9994（SPD 关闭状态）。在这些状态下，SPD-PDLC 遮阳装置在关闭状态下提供了最高的 DGP 值。这可以通过光在关闭状态下的扩散效应以及光线从可切换遮阳装置镜面表面的反射来解释。不透明遮阳装置和 SPD 遮阳装置在关闭状态下，由于 VLT 均为 0，因此表现出相似的线性关系，梯度分别为 0.2941 和 0.267，均属于“几乎不可察觉”类别。虽然这三者都与各自遮阳装置的 VLT 相关，但 SPD 遮阳装置在关闭状态下仍能提供与传统不透明遮阳装置相当的眩光抑制效果。由于样本量有限（每种策略仅一个样本），无法进行正式的 t 检验来确定统计显著性，但这些结果可以基于已知的测量方法精度进行评估。所用仪器的 DGP 计算精度为 0.01%，并且在高 DGP 值（大于 0.70）情况下的变异系数（CV）为 0.0066，在低 DGP 值（小于 0.27）情况下的 CV 为 0.0033。这表明测量结果具有较高的重复性。任何两种遮阳策略之间的最小测量差异（Guardian Solar Bronze 20 对比不透明遮阳装置）为 0.68%，超过了低 DGP 值情况下测量系统误差基线 0.33%。这表明即使这种微小差异也是遮阳效果的结果，而非仪器误差所致。然而，如“局限性与未来工作”部分所述，需要更大的样本量来确认统计显著性。4.2 对比分析为了更好地评估不同遮阳配置的性能，对 3 月测试结果进行了对比分析，并将结果绘制在直方图中（见图 19、图 20 和图 21）。考虑了三种对比分析方法：图 19 显示了未遮阳状态和遮阳状态之间的 DGP 范围；图 20 显示了未遮阳状态和遮阳状态之间的实际 DGP 差异；图 21 显示了未遮阳状态和遮阳状态之间的百分比 DGP 差异。图 19 显示了三种静态玻璃样本在未遮阳状态和遮阳状态下的计算 DGP 值差异。结果表明，测量值与样本的可见光透射率密切相关，其中 Saint Gobain KN148 的 DGP 值最高。完全未遮阳状态与遮阳状态（不透明遮阳装置）之间的 DGP 差异最大，主要是由于不透明遮阳装置能够完全阻挡可见光。可切换式太阳能-PDLC 遮阳装置的 DGP 差异分别比 Saint Gobain KN148、Guardian SunGuard HP Bronze 40/27 和 Guardian Solar Bronze 20 样本的 [未遮阳 <> 遮阳] 差异小约 67%、70% 和 75%。这表明，在开启状态下（透明），太阳能-PDLC 遮阳装置仍能部分阻挡入射的太阳辐射，这归因于玻璃层本身的厚度（9.62 毫米）和 PDLC 薄膜的材质特性（开启状态下的平行光透射率 = 72%）。当太阳光线以 47° 角度照射到玻璃悬挑的水平表面时，光线经过玻璃的折射以及 PDLC 薄膜的部分散射使得模型地面上的阳光斑块不那么明显。在关闭状态下（半透明），遮阳装置有效阻挡了入射的太阳辐射，模型地面上完全没有阳光斑块。测得的 DGP 值略高于遮阳（不透明）状态下的值，可能是因为玻璃悬挑表面的镜面反射导致光线略微穿透。可切换式 SPD 遮阳装置的 DGP 差异分别比 Saint Gobain KN148、Guardian SunGuard HP Bronze 40/27 和 Guardian Solar Bronze 20 样本的 [未遮阳 <> 遮阳] 差异小约 84%、87% 和 84%。这表明，在开启状态下（褪色），SPD 遮阳装置仍能部分阻挡入射的太阳辐射，这归因于玻璃本身的厚度（9.5 毫米）和 SPD 薄膜的材质特性（开启状态下的平行光透射率 = 45%）。在关闭状态下（着色），SPD 遮阳装置与完全不透明的遮阳装置一样有效阻挡太阳辐射，这可能与 SPD 薄膜的深蓝色有关。在图 20 和图 21 中，比较了未遮阳状态和遮阳（不透明）悬挑以及各种可切换遮阳装置状态之间的计算 DGP 值差异（及相对百分比差异）。差异越小，表示相应遮阳装置的性能越接近基准值。结果再次表明，这些差异与样本的可见光透射率相关。对于太阳能-PDLC 可切换遮阳装置，未遮阳基准状态与其开启状态（透明）之间的 DGP 差异分别在三种静态玻璃样品中降低了 19.17%、20.74% 和 15.1%。这些结果表明，即使在透明状态下，这种遮阳装置仍能提供一定程度的太阳防护。结果还显示，这种差异随着安装在立面上的静态玻璃的可见光透射率降低而减小。对于 SPD 可切换遮阳装置，在开启状态下（褪色），计算出的 DGP 值差异更大，分别与未遮阳基准状态相比增加了 42.44%、42.04% 和 33.37%。这些结果与静态玻璃样品的可见光透射率（分别为 48%、40% 和 20%）相符，证实了这种遮阳装置在朝南方向的水平配置中能够有效降低室内眩光水平，同时仍允许部分阳光穿透室内空间。此外，在三种静态样本中可见光透射率最低的情况下，与遮阳不透明基准相比，DGP的差异仍然大于太阳能-PDLC遮阳的差异。对于太阳能PDLC遮阳的关闭（半透明）状态，与遮阳（不透明）基准配置相比，所有三种静态玻璃样本的DGP值都更高。这些指标表明，在这种情况下，遮阳装置无法像不透明遮阳那样显著降低室内眩光等级，分别相差23.73%、20.11%和20.48%。尽管可切换遮阳装置的玻璃镜面反射可能是原因之一，但PDLC薄膜本身的光散射特性及其关闭状态下的72%可见光透射率（VLT）可能是导致这些结果的原因。

在关闭（着色）状态下，SPD遮阳装置产生的结果与遮阳（不透明）基准配置给出的DGP值非常接近。这些指标表明，在这种情况下，遮阳装置能够将室内眩光等级降低到几乎与不透明遮阳相同的程度，分别仅相差4.69%、4.95%和3.17%。将这些结果与太阳能-PDLC遮阳关闭（半透明）状态下的计算结果进行比较，可以推断出可切换遮阳装置的玻璃镜面反射效应可能被SPD薄膜本身的材料特性所抵消，特别是其较低的反照率。

**结论**
本文研究了一种新型的应用方法，将两种市售的可切换玻璃中间层——太阳能-聚合物分散液晶（PDLC）和悬浮颗粒（SPD）可切换薄膜应用于建筑、汽车和航空领域的玻璃系统中。这种新型应用是一种可切换遮阳装置，可以安装在外部水平悬挑结构上（例如朝南的立面），直接覆盖在带有传统静态玻璃的立面上。这种应用既适合新建建筑，也适合现有建筑的改造。在朝东和朝西的立面上，将其作为垂直方向的遮阳装置使用时，预计也能达到类似的效果。研究考虑了两种原型：太阳能-PDLC遮阳和SPD遮阳。通过使用代表办公环境的高玻璃比例的缩比模型，并进行了现场测试，以评估和比较这些遮阳装置与传统不透明静态悬挑结构所实现的室内日光条件。测试于三月进行，使用研究级亮度计捕捉了一系列高动态范围（HDR）图像，从而生成了亮度图。通过计算每个场景的日光眩光概率（DGP）作为比较指标，来评估坐在一定距离处以窗户为参照的建筑物内人员的眩光水平。现场测试结果显示，即使使用缩比模型，在不同的天空条件和太阳高度下，同一场景的DGP值也存在显著差异。太阳能斑块的大小、亮度和穿透室内空间的深度都会影响眩光的感知。此外，室内饰面的反照率和纹理以及对静态窗玻璃的可见光透射率（VLT）也对眩光水平有重要影响。

结果显示，在三种静态样本未遮阳状态下，可见光透射率与计算出的日光眩光概率之间存在强相关性，这证实了VLT是预测眩光感知的非常有效的指标。无论处于开启（透明/漂白）状态还是关闭（半透明/着色）状态，可切换遮阳装置所达到的DGP值也与静态玻璃样本的VLT相关。此外，结果还表明，可切换遮阳装置本身的VLT差异与其开启（透明/漂白）状态下VLT-DGP关系曲线的斜率降低有关。未遮阳配置与传统水平悬挑遮阳装置相比，DGP读数之间的差异最大，因此可以视为这些实验所得值的上限和下限。两种原型——太阳能-PDLC遮阳和SPD遮阳在动态控制室内空间中的太阳能斑块形成方面均表现出色。当建筑物使用者希望允许阳光进入室内时，太阳能-PDLC可切换遮阳装置在实现视觉透明度方面表现更优。薄膜的颜色调性和材料特性在既能允许阳光进入又能阻挡过多日光方面表现更好。SPD薄膜在关闭（着色）状态下也能提供良好的遮阳效果，允许较柔和的太阳能斑块，这在某些情况下对使用者来说也是可取的。

在关闭（半透明/着色）状态下，太阳能-PDLC和SPD可切换遮阳装置在阻挡入射的太阳辐射方面表现出色，提供了有效的遮阳效果。太阳能-PDLC层压板允许更高的DGP值，这意味着来自遮阳装置玻璃表面的镜面反射以及薄膜的光散射特性共同导致了DGP的轻微增加，但仍保持在静态窗玻璃的40%或更低的可接受范围内。另一方面，SPD薄膜在关闭（着色）状态下表现更好，其DGP值接近传统不透明悬挑遮阳的效果。除了对所研究可切换遮阳装置DGP性能的初步分析外，本文还指出了将这些技术作为遮阳装置部署的潜在心理优势。尽管DGP指标在未遮阳和遮阳状态之间的值范围较窄，但允许建筑物使用者控制遮阳装置的透明度以调节日光水平而不需要使用室内百叶窗是一个值得进一步考虑的优势。研究表明，这种新型应用能够在不影响视野的情况下控制眩光，同时提供可调节的外部遮阳效果，且没有任何机械和移动部件。此外，两种可切换遮阳装置即使在透明状态下也能提供一定的太阳保护，这一点值得进一步研究，因为它们可以在冬季允许适当的太阳能进入建筑物。这种技术在现有立面上进行改造应用的前景也很值得关注。通过在这类视觉舒适度较差的立面上安装这种动态遮阳装置，可以使静态立面转变为充满活力的可调节建筑围护结构。

**局限性与未来工作**
本文的研究结果表明，这种新型可切换遮阳装置的性能很有前景，值得进一步详细研究。虽然研究设计通过严格的时间和几何控制确保了内部有效性，但仍存在一些局限性。数据代表了特定天空条件下的性能“快照”，未考虑季节性太阳变化。虽然60分钟的观察窗口确保了天空亮度的稳定性，但未涵盖季节性太阳变化的影响。此外，尽管1:10的缩比模型是日光研究的有效模拟方法，但由于亮度的尺度无关性，全尺寸组件中的某些细微建筑细节被简化了，以专注于玻璃的核心光学性能。使用相同的缩比模型在不同太阳仰角、一天中的不同时间以及从不同观测点进行的额外现场测试，可以为进一步验证这一概念提供更多性能数据。改进原型的一种方法是使用哑光玻璃制作可切换遮阳装置，以减少进入室内空间的镜面反射。还需要进行全尺寸现场测试，以验证缩比模型的结果并进行更详细的测量。为此，已在马耳他大学校园（北纬35°54′5″，东经14°28′79″）安装了两个全尺寸办公环境模型，以进行进一步的实验和研究。此类可切换遮阳装置的全尺寸现场测试将为视觉、热性能和能源性能评估提供更多实际数据。此外，对人类参与者的满意度测试对于此类研究至关重要，特别是为了评估在办公环境中安装可切换遮阳装置后的满意度。在得出最终结论之前，有必要了解人类参与者在直接控制“按需遮阳”功能时的反应。进一步的研究还应探讨这些玻璃遮阳装置的组装、安装和细节设计的实际和技术方面。