飞鼠越冬巢穴材料导热系数实验研究

王松庆 于艳红 满效强 陈 亮

(1.东北林业大学土木工程学院，哈尔滨，150040;2.东北林业大学野生动物资源学院，哈尔滨，1500

飞鼠在中国的亚种为Pteromys volans volans，分布在新疆阿尔泰山、东三省、内蒙古东部等地的亚高山针叶林。森林生态系统中的树洞对于某些野生动物的生存至关重要。由于树洞在一定程度上可以抵御外界不良气候，所以许多树栖性动物选择树洞作为栖息场所，以达到提高环境适应能力扩大自身地域分布范围的目的。树洞对于体表面积与体积比值较大，且冬季低温下不冬眠的小型哺乳动物飞鼠的生存而言更是关键资源。含树洞的树木在自然条件下会慢慢被腐蚀成为腐木。树洞所在树木枯死后被称为站干［1］。Walankiewicz对波兰比亚沃维耶扎森林里树木所含有树洞资源的情况进行了详细研究，研究结果表明高达74.4%的树洞位于站干上［2］。而分布在中国境内的飞鼠，在选择树洞筑巢时主要会选择啄木鸟啄出的树洞［3－8］。在中国分布的飞鼠筑巢在树洞内的主要原因是飞鼠在中国的分布地区由于地理气候条件等因素，比同纬度其他地区气候条件更恶劣。在漫长寒冷的冬季，飞鼠选择树洞作为巢穴，这些不冬眠且需外出觅食的飞鼠要面临极端气候条件和食物供应量减少的双重挑战，而飞鼠却在巢穴中安全越冬而未被冻死。传统研究方法很难解释这个现象，随着研究的深入，国内外已有专家学者开始结合传热学等多学科知识从新的角度来研究动物巢穴内部空间微气候特征。Rockweit等［9］为了研究斑林鸮(Columba hodgsonii)巢穴内的热工环境及不同结构类型巢的保温性能。研究结果表明盘状巢的保温效果和树顶洞巢相比较，其保温性能要差。Maziarz等［10］对波兰比亚沃维耶扎森林里大山雀(Parus major)巢洞内微气候以温度和湿度这两个物理量为指标进行了研究。结果表明大山雀可采取对树洞尺寸的合理选择、调整巢与入口的距离等方式来营造巢内微气候来满足自身对巢洞热环境的需要。McComb等［11］对路易斯安那州立大学宾西农场洼地硬木林里的自然树洞和为保护动物而放置的人工树洞进行了热工性能的比较研究，研究中以光照、温度、湿度为比较优劣的指标。研究结果证明自然树洞保温效果比目前采用的人工树洞保温效果要好，树栖性野生动物冬季越冬时更偏好居住在自然树洞内。综上可见，国内外学者已经开始关注和研究动物巢穴空间微气候特征。飞鼠作为不冬眠且体表面积与体积比值较大的小型哺乳动物(正常体温38℃)，在主动式产热调节体温能力有限的情况下，在冬季低温环境下，依靠哪些被动式热环境调节技术来维持生存安全越冬的研究未见报道。对于飞鼠越冬选取的巢穴的保温性能是典型的微空间热环境被动调节技术之一，而栖息地巢穴材料导热系数是影响保温性能最重要的因素之一，是研究巢穴内部空间微气候的重要理论前提，可见对巢穴材料导热系数开展研究具有十分重要的意义。

1 实验测定原理

巢穴作为飞鼠越冬栖息场，通过对现场巢穴取样分析后发现，可以将这个巢穴的材料分为两部分，即树洞本身为外围护结构，而飞鼠自行拾取铺设在树洞内部的材料为内围护结构，可称为巢材，因此本文关于巢穴材料导热系数的实验研究主要是指上述两种材料的导热系数。本文选取的巢穴材料的类型是北方针叶林，采集时间为2011～2016年。地点位于中国东北地区，大兴安岭北部的金河林业局(E 120°52'57″～122°39'30″，N 51°01'45″～51°45'20″)和阿龙山林业局(E 121°12'16″～ 122°44'03″，N 51°34'03″～52°05'10″)，海拔 800～1100 m，1月平均气温为 －30.8℃，是比同纬度地区温度更低的地区［12］。如果没有巢穴作为栖息地保护飞鼠，外界的极度严寒环境会使飞鼠的存活率大大降低。

1.1 树洞材料导热系数测定原理及方法

1.1.1 测定原理

在温度不平衡条件下，物体内存在温差，热能分布不均匀，在物体内部没有宏观位移的情况下，热量从高温向低温部分传递，不同温度物体相互接触时，均会发生热量传递的现象，这种借助于原子等微观粒子的无序运动进行热传递的现象称之为热传导，又称为热扩散。根据传热学理论，垂直于无限大平板方向的热流量，沿厚度d方向与平板两侧的温度差、平板面积成正比，与平板厚度成反比。热传导过程示意图如图1所示。热传导计算原理公式如公式1、公式2所示。

图1 热传导过程示意图Fig.1 Schematic diagram of heat conduction process

式中，Q—垂直于平板方向传递的热流量，W;

t1—平板上表面温度，℃;

t2—平板下表面温度，℃;

d—平板厚度，m;

S—平板面积，m2;

λ—导热系数，W/(m·℃)。

1.1.2 测定方法和步骤

本文实验选用的测试仪器设备为南京大展机电技术研究所研制的DZDR-P导热仪，仪器主要参数如表1所示，将待测试样放入仪器中心槽内。对控制器进行测试温度的相应设置。本实验中设定热板温度为50℃，冷板温度为30℃。实验原理图如图2所示。

表1 导热仪主要技术参数Tab.1 The technical parameters of thermal conductivity meter

图2 实验装置原理图Fig.2 Schematic diagram of experimental equipment

1.2 巢材导热系数测定原理及方法

1.2.1 测定原理

本研究中针对巢材这种松散物材料的特点，实验中对其导热系数测定的方法采用了热线法测定。实验中将待测材料相对于热线来说看作为无限大物体，待测材料温度随时间而发生变化，热量传递的方式为非稳态传热过程，并且具有以恒定热流率放热的线热源作为内加热源。热线产生的热流沿径向传递时，可以看作一维传热过程，并可以使用一维圆柱坐标系下的导热微分方程进行求解。导热基本微分方程如公式3所示，假设热流主要沿径向方向传递，经过化简处理后，得到待测材料导热系数计算公式如公式4所示。

式中:q—热源单位长度热流率，W/m;

τ—热源加热时间，s;

r—测点距热源的距离，m;

θrτ—τ时刻距热源r处温升，K;

λ—导热系数，W/(m·℃)。

1.2.2 测定方法和步骤

本文选用的实验仪器为TC-32导热系数测试仪。主要技术参数如表2所示。为确保测试精度，测试期间仪器半径2 m之内关闭如灯具等辐射热源。测试环境温度为室温20℃。测试过程中收纳待测巢材试样的容器为长宽高分别为100 mm×100 mm×50 mm两个容积盒，容积盒采用的制作材料为有机玻璃，其导热系数为0.20 W/(m·℃)，壁厚为3 mm。扣除盒子厚度后2个容积盒形成的总效容积为94 mm×94 mm×97 mm。

表2 主要技术参数Tab.2 The technical parameters of thermal conductivity meter

实验开始时将两容器上下正对叠放，热线则从叠放处正中间穿过。测试过程将上部容积盒打开，采用自然降落法往容积盒内填入待测巢材以确保巢材处于自然松散状态。在放入巢材时，要保证容积盒底部四角都被填满。当底部容积盒填满巢材后，用钢直尺沿着容积盒顶部平面把巢材刮平整。此时再将直径为0.1 mm的铜康铜热电偶及热线放置于容积盒顶部正中，之后把另一容积盒正对底部容积盒上方，再次放入巢材。当顶部容积盒填满后，用钢直尺沿着容积盒顶部平面把多余巢材刮平。热线法原理示意图如图3所示。实验开始时启动导热系数测试仪，预热3～5 min后，待预热指示灯由红变为绿色时开启仪器测试按钮。为避免人体产生的辐射对实验产生影响，测试人员开启测试仪器后远离仪器2 m以外，以减小干扰实验结果。实验仪器会在100～200 s的时间内自动计算显示记录该容器盒内巢材的导热系数。

图3 热线法原理示意图Fig.3 Schematic diagram of hot-wire method

2 实验结果及分析

2.1 树洞木材导热系数测定结果及分析

实验测试从开始到达到稳态的时间需要4 h以上，测试仪的数据自动采集系统实时显示数据。当传热达到稳态时，取达到稳态时的3个数据平均值作为一次实验测定结果，每个样本进行3次测定实验，共对8个实验样本进行测定，实验结果如表3所示。

飞鼠冬季越冬所选巢穴的树木为兴安落叶松，未被腐蚀的兴安落叶松在干状态下的导热系数约为0.140 W/(m·℃)［13］。由表3可知通过实验测定的巢洞木材导热系数值在0.145～0.174 W/(m·℃)范围内，均比文献［13］给出的未被腐蚀的兴安落叶松的导热系数0.140 W/(m·℃)大。木材作为一种典型的多孔介质，可以从多孔介质传热的特点来解释产生上述测试结果原因:完好的木材内部充满了许多小孔隙，而且这些孔隙之间相互封闭，即孔隙内的空气相互之间没有流通。热量在孔隙中传递的方式以空气的导热为主，对流换热为辅。当木材受到微生物的分解作用后，孔隙开始逐渐变大，有一部分相互封闭的孔隙变成连通。当木材进一步受到腐蚀后，木材的孔隙率不断提高，孔隙越来越大，原来封闭的孔隙变成连通的大孔隙。当孔隙达到这一程度以后，孔隙中的空气可以自由流动时，传热方式则变成以空气的对流换热为主，导热为辅。腐蚀到某种程度的木材导热系数便会比完好木材的导热系数大。本实验研究的巢穴的木材导热系数值大于未被腐蚀时木材导热系数的理论值，可以从多孔介质传热方面来解释产生上述情况的原因，说明飞鼠越冬时选取的实际巢穴材料产生了某种程度的腐蚀，单独依靠树洞材料所能起到的保温效果有限。

表3 树洞导热系数实验测试结果Tab.3 Test results of thermal conductivity for the tree hole material

2.2 巢材导热系数测定结果及分析

实验测得巢材样本导热系数如表4所示。由表4可知实验测得的巢材导热系数范围在区间(0.033，0.061)W/(m·℃)内，并计算出导热系数平均值及标准差为(0.0446±0.007)W/(m·℃)。假设巢材的导热系数服从正态分布。求出巢材导热系数均值置信水平为95%的双侧置信区间为(0.0407，0.0485)。因此样本导热系数介于区间(0.0407，0.0485)W/(m·℃)的概率为95%。

通常建筑中的保温隔热材料是指用于减少围护结构与大气环境热交换的一种功能材料，本文将常用保温材料导热系数［14］列于表5。通过对比可以发现，与表5中的部分建筑常用保温材料的保温性能相比，飞鼠越冬时选取巢洞内的巢材的保温性能和膨胀珍珠岩相当，其保温性能甚至超过了一些常用的保温材料，例如水泥珍珠岩、矿渣棉等。结合之前树洞材料的导热系数的相关研究结果，可以发现虽然实际树洞所能起到的保温效果有限，但综合考虑飞鼠自行铺设的巢材后，二者的有效结合可以使冬季巢穴内保温隔热效 果显著，在帮助飞鼠越冬中发挥着重要的作用。

表4 巢材导热系数实验测试结果Tab.4 Test results of thermal conductivity for nest material

表5 常用保温材料导热系数Tab.5 The thermal conductivity of common insulating materials

3 结论

本文将飞鼠越冬巢穴材料分为两部分，即树洞本身和巢材，通过实验研究对上述两种材料的导热系数进行研究。研究结果表明飞鼠越冬选取巢穴的树洞材料的导热系数在0.145～0.174 W/(m·℃)范围内，比未被腐蚀木材的保温性能要差，单独依靠树洞所能起到的保温效果有限。而巢材的平均导热系数为0.0446 W/(m·℃)，其保温性能超过一些常用的保温材料。二者有效结合可以使冬季巢穴内保温隔热效果显著，在帮助飞鼠越冬中发挥着重要的作用。

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