飛鼠越冬巢穴材料導(dǎo)熱系數(shù)實驗研究

王松慶 于艷紅 滿效強 陳 亮

(1.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，哈爾濱，150040;2.東北林業(yè)大學(xué)野生動物資源學(xué)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(nèi)蒙古東部等地的亞高山針葉林。森林生態(tài)系統(tǒng)中的樹洞對于某些野生動物的生存至關(guān)重要。由于樹洞在一定程度上可以抵御外界不良?xì)夂?，所以許多樹棲性動物選擇樹洞作為棲息場所，以達(dá)到提高環(huán)境適應(yīng)能力擴(kuò)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(guān)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(jìn)行了詳細(xì)研究，研究結(jié)果表明高達(dá)74.4%的樹洞位于站干上［2］。而分布在中國境內(nèi)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(nèi)的主要原因是飛鼠在中國的分布地區(qū)由于地理氣候條件等因素，比同緯度其他地區(qū)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(yīng)量減少的雙重挑戰(zhàn)，而飛鼠卻在巢穴中安全越冬而未被凍死。傳統(tǒng)研究方法很難解釋這個現(xiàn)象，隨著研究的深入，國內(nèi)外已有專家學(xué)者開始結(jié)合傳熱學(xué)等多學(xué)科知識從新的角度來研究動物巢穴內(nèi)部空間微氣候特征。Rockweit等［9］為了研究斑林鸮(Columba hodgsonii)巢穴內(nèi)的熱工環(huán)境及不同結(jié)構(gòu)類型巢的保溫性能。研究結(jié)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(nèi)微氣候以溫度和濕度這兩個物理量為指標(biāo)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明大山雀可采取對樹洞尺寸的合理選擇、調(diào)整巢與入口的距離等方式來營造巢內(nèi)微氣候來滿足自身對巢洞熱環(huán)境的需要。McComb等［11］對路易斯安那州立大學(xué)賓西農(nóng)場洼地硬木林里的自然樹洞和為保護(hù)動物而放置的人工樹洞進(jìn)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(yōu)劣的指標(biāo)。研究結(jié)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(nèi)。綜上可見，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開始關(guān)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(chǎn)熱調(diào)節(jié)體溫能力有限的情況下，在冬季低溫環(huán)境下，依靠哪些被動式熱環(huán)境調(diào)節(jié)技術(shù)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(huán)境被動調(diào)節(jié)技術(shù)之一，而棲息地巢穴材料導(dǎo)熱系數(shù)是影響保溫性能最重要的因素之一，是研究巢穴內(nèi)部空間微氣候的重要理論前提，可見對巢穴材料導(dǎo)熱系數(shù)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(xiàn)場巢穴取樣分析后發(fā)現(xiàn)，可以將這個巢穴的材料分為兩部分，即樹洞本身為外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，而飛鼠自行拾取鋪設(shè)在樹洞內(nèi)部的材料為內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)，可稱為巢材，因此本文關(guān)于巢穴材料導(dǎo)熱系數(shù)的實驗研究主要是指上述兩種材料的導(dǎo)熱系數(shù)。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(qū)，大興安嶺北部的金河林業(yè)局(E 120°52'57″～122°39'30″，N 51°01'45″～51°45'20″)和阿龍山林業(yè)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(qū)溫度更低的地區(qū)［12］。如果沒有巢穴作為棲息地保護(hù)飛鼠，外界的極度嚴(yán)寒環(huán)境會使飛鼠的存活率大大降低。

1.1 樹洞材料導(dǎo)熱系數(shù)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(nèi)存在溫差，熱能分布不均勻，在物體內(nèi)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(fā)生熱量傳遞的現(xiàn)象，這種借助于原子等微觀粒子的無序運動進(jìn)行熱傳遞的現(xiàn)象稱之為熱傳導(dǎo)，又稱為熱擴(kuò)散。根據(jù)傳熱學(xué)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(cè)的溫度差、平板面積成正比，與平板厚度成反比。熱傳導(dǎo)過程示意圖如圖1所示。熱傳導(dǎo)計算原理公式如公式1、公式2所示。

圖1 熱傳導(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)。

1.1.2 測定方法和步驟

本文實驗選用的測試儀器設(shè)備為南京大展機(jī)電技術(shù)研究所研制的DZDR-P導(dǎo)熱儀，儀器主要參數(shù)如表1所示，將待測試樣放入儀器中心槽內(nèi)。對控制器進(jìn)行測試溫度的相應(yīng)設(shè)置。本實驗中設(shè)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(dǎo)熱儀主要技術(shù)參數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)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(fā)生變化，熱量傳遞的方式為非穩(wěn)態(tài)傳熱過程，并且具有以恒定熱流率放熱的線熱源作為內(nèi)加熱源。熱線產(chǎn)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(biāo)系下的導(dǎo)熱微分方程進(jìn)行求解。導(dǎo)熱基本微分方程如公式3所示，假設(shè)熱流主要沿徑向方向傳遞，經(jīng)過化簡處理后，得到待測材料導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)，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(dǎo)熱系數(shù)測試儀。主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。為確保測試精度，測試期間儀器半徑2 m之內(nèi)關(guān)閉如燈具等輻射熱源。測試環(huán)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(jī)玻璃，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.20 W/(m·℃)，壁厚為3 mm?？鄢凶雍穸群?個容積盒形成的總效容積為94 mm×94 mm×97 mm。

表2 主要技術(shù)參數(shù)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(nèi)填入待測巢材以確保巢材處于自然松散狀態(tài)。在放入巢材時，要保證容積盒底部四角都被填滿。當(dāng)?shù)撞咳莘e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(dāng)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(dǎo)熱系數(shù)測試儀，預(yù)熱3～5 min后，待預(yù)熱指示燈由紅變?yōu)榫G色時開啟儀器測試按鈕。為避免人體產(chǎn)生的輻射對實驗產(chǎn)生影響，測試人員開啟測試儀器后遠(yuǎn)離儀器2 m以外，以減小干擾實驗結(jié)果。實驗儀器會在100～200 s的時間內(nèi)自動計算顯示記錄該容器盒內(nèi)巢材的導(dǎo)熱系數(shù)。

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

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 樹洞木材導(dǎo)熱系數(shù)測定結(jié)果及分析

實驗測試從開始到達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時間需要4 h以上，測試儀的數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)實時顯示數(shù)據(jù)。當(dāng)傳熱達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，取達(dá)到穩(wěn)態(tài)時的3個數(shù)據(jù)平均值作為一次實驗測定結(jié)果，每個樣本進(jìn)行3次測定實驗，共對8個實驗樣本進(jìn)行測定，實驗結(jié)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(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)約為0.140 W/(m·℃)［13］。由表3可知通過實驗測定的巢洞木材導(dǎo)熱系數(shù)值在0.145～0.174 W/(m·℃)范圍內(nèi)，均比文獻(xiàn)［13］給出的未被腐蝕的興安落葉松的導(dǎo)熱系數(shù)0.140 W/(m·℃)大。木材作為一種典型的多孔介質(zhì)，可以從多孔介質(zhì)傳熱的特點來解釋產(chǎn)生上述測試結(jié)果原因:完好的木材內(nèi)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(nèi)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(dǎo)熱為主，對流換熱為輔。當(dāng)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(dāng)木材進(jìn)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(dāng)孔隙達(dá)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(dǎo)熱為輔。腐蝕到某種程度的木材導(dǎo)熱系數(shù)便會比完好木材的導(dǎo)熱系數(shù)大。本實驗研究的巢穴的木材導(dǎo)熱系數(shù)值大于未被腐蝕時木材導(dǎo)熱系數(shù)的理論值，可以從多孔介質(zhì)傳熱方面來解釋產(chǎn)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(chǎn)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(dǎo)熱系數(shù)實驗測試結(jié)果Tab.3 Test results of thermal conductivity for the tree hole material

2.2 巢材導(dǎo)熱系數(shù)測定結(jié)果及分析

實驗測得巢材樣本導(dǎo)熱系數(shù)如表4所示。由表4可知實驗測得的巢材導(dǎo)熱系數(shù)范圍在區(qū)間(0.033，0.061)W/(m·℃)內(nèi)，并計算出導(dǎo)熱系數(shù)平均值及標(biāo)準(zhǔn)差為(0.0446±0.007)W/(m·℃)。假設(shè)巢材的導(dǎo)熱系數(shù)服從正態(tài)分布。求出巢材導(dǎo)熱系數(shù)均值置信水平為95%的雙側(cè)置信區(qū)間為(0.0407，0.0485)。因此樣本導(dǎo)熱系數(shù)介于區(qū)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(hù)結(jié)構(gòu)與大氣環(huán)境熱交換的一種功能材料，本文將常用保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)［14］列于表5。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，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(nèi)的巢材的保溫性能和膨脹珍珠巖相當(dāng)，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(jié)合之前樹洞材料的導(dǎo)熱系數(shù)的相關(guān)研究結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)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(shè)的巢材后，二者的有效結(jié)合可以使冬季巢穴內(nèi)保溫隔熱效 果顯著，在幫助飛鼠越冬中發(fā)揮著重要的作用。

表4 巢材導(dǎo)熱系數(shù)實驗測試結(jié)果Tab.4 Test results of thermal conductivity for nest material

表5 常用保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)Tab.5 The thermal conductivity of common insulating materials

3 結(jié)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(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明飛鼠越冬選取巢穴的樹洞材料的導(dǎo)熱系數(shù)在0.145～0.174 W/(m·℃)范圍內(nèi)，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(dǎo)熱系數(shù)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(jié)合可以使冬季巢穴內(nèi)保溫隔熱效果顯著，在幫助飛鼠越冬中發(fā)揮著重要的作用。

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