飛鼠越冬巢穴材料導熱系數實驗研究

王松慶 于艷紅 滿效強 陳 亮

(1.東北林業大學土木工程學院，哈爾濱，150040;2.東北林業大學野生動物資源學院，哈爾濱，1500

飛鼠在中國的亞種為Pteromys volans volans，分布在新疆阿爾泰山、東三省、內蒙古東部等地的亞高山針葉林。森林生態系統中的樹洞對于某些野生動物的生存至關重要。由于樹洞在一定程度上可以抵御外界不良氣候，所以許多樹棲性動物選擇樹洞作為棲息場所，以達到提高環境適應能力擴大自身地域分布范圍的目的。樹洞對于體表面積與體積比值較大，且冬季低溫下不冬眠的小型哺乳動物飛鼠的生存而言更是關鍵資源。含樹洞的樹木在自然條件下會慢慢被腐蝕成為腐木。樹洞所在樹木枯死后被稱為站干［1］。Walankiewicz對波蘭比亞沃維耶扎森林里樹木所含有樹洞資源的情況進行了詳細研究，研究結果表明高達74.4%的樹洞位于站干上［2］。而分布在中國境內的飛鼠，在選擇樹洞筑巢時主要會選擇啄木鳥啄出的樹洞［3－8］。在中國分布的飛鼠筑巢在樹洞內的主要原因是飛鼠在中國的分布地區由于地理氣候條件等因素，比同緯度其他地區氣候條件更惡劣。在漫長寒冷的冬季，飛鼠選擇樹洞作為巢穴，這些不冬眠且需外出覓食的飛鼠要面臨極端氣候條件和食物供應量減少的雙重挑戰，而飛鼠卻在巢穴中安全越冬而未被凍死。傳統研究方法很難解釋這個現象，隨著研究的深入，國內外已有專家學者開始結合傳熱學等多學科知識從新的角度來研究動物巢穴內部空間微氣候特征。Rockweit等［9］為了研究斑林鸮(Columba hodgsonii)巢穴內的熱工環境及不同結構類型巢的保溫性能。研究結果表明盤狀巢的保溫效果和樹頂洞巢相比較，其保溫性能要差。Maziarz等［10］對波蘭比亞沃維耶扎森林里大山雀(Parus major)巢洞內微氣候以溫度和濕度這兩個物理量為指標進行了研究。結果表明大山雀可采取對樹洞尺寸的合理選擇、調整巢與入口的距離等方式來營造巢內微氣候來滿足自身對巢洞熱環境的需要。McComb等［11］對路易斯安那州立大學賓西農場洼地硬木林里的自然樹洞和為保護動物而放置的人工樹洞進行了熱工性能的比較研究，研究中以光照、溫度、濕度為比較優劣的指標。研究結果證明自然樹洞保溫效果比目前采用的人工樹洞保溫效果要好，樹棲性野生動物冬季越冬時更偏好居住在自然樹洞內。綜上可見，國內外學者已經開始關注和研究動物巢穴空間微氣候特征。飛鼠作為不冬眠且體表面積與體積比值較大的小型哺乳動物(正常體溫38℃)，在主動式產熱調節體溫能力有限的情況下，在冬季低溫環境下，依靠哪些被動式熱環境調節技術來維持生存安全越冬的研究未見報道。對于飛鼠越冬選取的巢穴的保溫性能是典型的微空間熱環境被動調節技術之一，而棲息地巢穴材料導熱系數是影響保溫性能最重要的因素之一，是研究巢穴內部空間微氣候的重要理論前提，可見對巢穴材料導熱系數開展研究具有十分重要的意義。

1 實驗測定原理

巢穴作為飛鼠越冬棲息場，通過對現場巢穴取樣分析后發現，可以將這個巢穴的材料分為兩部分，即樹洞本身為外圍護結構，而飛鼠自行拾取鋪設在樹洞內部的材料為內圍護結構，可稱為巢材，因此本文關于巢穴材料導熱系數的實驗研究主要是指上述兩種材料的導熱系數。本文選取的巢穴材料的類型是北方針葉林，采集時間為2011～2016年。地點位于中國東北地區，大興安嶺北部的金河林業局(E 120°52'57″～122°39'30″，N 51°01'45″～51°45'20″)和阿龍山林業局(E 121°12'16″～ 122°44'03″，N 51°34'03″～52°05'10″)，海拔 800～1100 m，1月平均氣溫為 －30.8℃，是比同緯度地區溫度更低的地區［12］。如果沒有巢穴作為棲息地保護飛鼠，外界的極度嚴寒環境會使飛鼠的存活率大大降低。

1.1 樹洞材料導熱系數測定原理及方法

1.1.1 測定原理

在溫度不平衡條件下，物體內存在溫差，熱能分布不均勻，在物體內部沒有宏觀位移的情況下，熱量從高溫向低溫部分傳遞，不同溫度物體相互接觸時，均會發生熱量傳遞的現象，這種借助于原子等微觀粒子的無序運動進行熱傳遞的現象稱之為熱傳導，又稱為熱擴散。根據傳熱學理論，垂直于無限大平板方向的熱流量，沿厚度d方向與平板兩側的溫度差、平板面積成正比，與平板厚度成反比。熱傳導過程示意圖如圖1所示。熱傳導計算原理公式如公式1、公式2所示。

圖1 熱傳導過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of heat conduction process

式中，Q—垂直于平板方向傳遞的熱流量，W;

t1—平板上表面溫度，℃;

t2—平板下表面溫度，℃;

d—平板厚度，m;

S—平板面積，m2;

λ—導熱系數，W/(m·℃)。

1.1.2 測定方法和步驟

本文實驗選用的測試儀器設備為南京大展機電技術研究所研制的DZDR-P導熱儀，儀器主要參數如表1所示，將待測試樣放入儀器中心槽內。對控制器進行測試溫度的相應設置。本實驗中設定熱板溫度為50℃，冷板溫度為30℃。實驗原理圖如圖2所示。

表1 導熱儀主要技術參數Tab.1 The technical parameters of thermal conductivity meter

圖2 實驗裝置原理圖Fig.2 Schematic diagram of experimental equipment

1.2 巢材導熱系數測定原理及方法

1.2.1 測定原理

本研究中針對巢材這種松散物材料的特點，實驗中對其導熱系數測定的方法采用了熱線法測定。實驗中將待測材料相對于熱線來說看作為無限大物體，待測材料溫度隨時間而發生變化，熱量傳遞的方式為非穩態傳熱過程，并且具有以恒定熱流率放熱的線熱源作為內加熱源。熱線產生的熱流沿徑向傳遞時，可以看作一維傳熱過程，并可以使用一維圓柱坐標系下的導熱微分方程進行求解。導熱基本微分方程如公式3所示，假設熱流主要沿徑向方向傳遞，經過化簡處理后，得到待測材料導熱系數計算公式如公式4所示。

式中:q—熱源單位長度熱流率，W/m;

τ—熱源加熱時間，s;

r—測點距熱源的距離，m;

θrτ—τ時刻距熱源r處溫升，K;

λ—導熱系數，W/(m·℃)。

1.2.2 測定方法和步驟

本文選用的實驗儀器為TC-32導熱系數測試儀。主要技術參數如表2所示。為確保測試精度，測試期間儀器半徑2 m之內關閉如燈具等輻射熱源。測試環境溫度為室溫20℃。測試過程中收納待測巢材試樣的容器為長寬高分別為100 mm×100 mm×50 mm兩個容積盒，容積盒采用的制作材料為有機玻璃，其導熱系數為0.20 W/(m·℃)，壁厚為3 mm。扣除盒子厚度后2個容積盒形成的總效容積為94 mm×94 mm×97 mm。

表2 主要技術參數Tab.2 The technical parameters of thermal conductivity meter

實驗開始時將兩容器上下正對疊放，熱線則從疊放處正中間穿過。測試過程將上部容積盒打開，采用自然降落法往容積盒內填入待測巢材以確保巢材處于自然松散狀態。在放入巢材時，要保證容積盒底部四角都被填滿。當底部容積盒填滿巢材后，用鋼直尺沿著容積盒頂部平面把巢材刮平整。此時再將直徑為0.1 mm的銅康銅熱電偶及熱線放置于容積盒頂部正中，之后把另一容積盒正對底部容積盒上方，再次放入巢材。當頂部容積盒填滿后，用鋼直尺沿著容積盒頂部平面把多余巢材刮平。熱線法原理示意圖如圖3所示。實驗開始時啟動導熱系數測試儀，預熱3～5 min后，待預熱指示燈由紅變為綠色時開啟儀器測試按鈕。為避免人體產生的輻射對實驗產生影響，測試人員開啟測試儀器后遠離儀器2 m以外，以減小干擾實驗結果。實驗儀器會在100～200 s的時間內自動計算顯示記錄該容器盒內巢材的導熱系數。

圖3 熱線法原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of hot-wire method

2 實驗結果及分析

2.1 樹洞木材導熱系數測定結果及分析

實驗測試從開始到達到穩態的時間需要4 h以上，測試儀的數據自動采集系統實時顯示數據。當傳熱達到穩態時，取達到穩態時的3個數據平均值作為一次實驗測定結果，每個樣本進行3次測定實驗，共對8個實驗樣本進行測定，實驗結果如表3所示。

飛鼠冬季越冬所選巢穴的樹木為興安落葉松，未被腐蝕的興安落葉松在干狀態下的導熱系數約為0.140 W/(m·℃)［13］。由表3可知通過實驗測定的巢洞木材導熱系數值在0.145～0.174 W/(m·℃)范圍內，均比文獻［13］給出的未被腐蝕的興安落葉松的導熱系數0.140 W/(m·℃)大。木材作為一種典型的多孔介質，可以從多孔介質傳熱的特點來解釋產生上述測試結果原因:完好的木材內部充滿了許多小孔隙，而且這些孔隙之間相互封閉，即孔隙內的空氣相互之間沒有流通。熱量在孔隙中傳遞的方式以空氣的導熱為主，對流換熱為輔。當木材受到微生物的分解作用后，孔隙開始逐漸變大，有一部分相互封閉的孔隙變成連通。當木材進一步受到腐蝕后，木材的孔隙率不斷提高，孔隙越來越大，原來封閉的孔隙變成連通的大孔隙。當孔隙達到這一程度以后，孔隙中的空氣可以自由流動時，傳熱方式則變成以空氣的對流換熱為主，導熱為輔。腐蝕到某種程度的木材導熱系數便會比完好木材的導熱系數大。本實驗研究的巢穴的木材導熱系數值大于未被腐蝕時木材導熱系數的理論值，可以從多孔介質傳熱方面來解釋產生上述情況的原因，說明飛鼠越冬時選取的實際巢穴材料產生了某種程度的腐蝕，單獨依靠樹洞材料所能起到的保溫效果有限。

表3 樹洞導熱系數實驗測試結果Tab.3 Test results of thermal conductivity for the tree hole material

2.2 巢材導熱系數測定結果及分析

實驗測得巢材樣本導熱系數如表4所示。由表4可知實驗測得的巢材導熱系數范圍在區間(0.033，0.061)W/(m·℃)內，并計算出導熱系數平均值及標準差為(0.0446±0.007)W/(m·℃)。假設巢材的導熱系數服從正態分布。求出巢材導熱系數均值置信水平為95%的雙側置信區間為(0.0407，0.0485)。因此樣本導熱系數介于區間(0.0407，0.0485)W/(m·℃)的概率為95%。

通常建筑中的保溫隔熱材料是指用于減少圍護結構與大氣環境熱交換的一種功能材料，本文將常用保溫材料導熱系數［14］列于表5。通過對比可以發現，與表5中的部分建筑常用保溫材料的保溫性能相比，飛鼠越冬時選取巢洞內的巢材的保溫性能和膨脹珍珠巖相當，其保溫性能甚至超過了一些常用的保溫材料，例如水泥珍珠巖、礦渣棉等。結合之前樹洞材料的導熱系數的相關研究結果，可以發現雖然實際樹洞所能起到的保溫效果有限，但綜合考慮飛鼠自行鋪設的巢材后，二者的有效結合可以使冬季巢穴內保溫隔熱效 果顯著，在幫助飛鼠越冬中發揮著重要的作用。

表4 巢材導熱系數實驗測試結果Tab.4 Test results of thermal conductivity for nest material

表5 常用保溫材料導熱系數Tab.5 The thermal conductivity of common insulating materials

3 結論

本文將飛鼠越冬巢穴材料分為兩部分，即樹洞本身和巢材，通過實驗研究對上述兩種材料的導熱系數進行研究。研究結果表明飛鼠越冬選取巢穴的樹洞材料的導熱系數在0.145～0.174 W/(m·℃)范圍內，比未被腐蝕木材的保溫性能要差，單獨依靠樹洞所能起到的保溫效果有限。而巢材的平均導熱系數為0.0446 W/(m·℃)，其保溫性能超過一些常用的保溫材料。二者有效結合可以使冬季巢穴內保溫隔熱效果顯著，在幫助飛鼠越冬中發揮著重要的作用。

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