人工巢箱不同形式制作原料导热系数实验研究★

张冬冬 王玉珏 何锦锦 王松庆 * 张宇杰 赵伟杰

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

·绿色环保·建筑节能·

人工巢箱不同形式制作原料导热系数实验研究★

张冬冬 王玉珏 何锦锦 王松庆 * 张宇杰 赵伟杰

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

通过纵向和横向试验，比较了不同形式木材原料的导热系数大小，并研究了原料种类相同但形式不同的人工巢箱的保温性能，为减少人工巢箱的制作成本并保证其保温性能，提出应使用木材的边脚废料作为其制作原料，对于不够宽的部分应进行严密胶粘。

人工巢箱，木材，导热系数，保温性能

0 引言

人工巢箱作为一种简单易行、收效迅速的研究工具和保护手段，可以有效提高目标物种的群落丰富度[1]。为降低人工巢箱的原料成本，国内有学者建议使用木材的边脚废料作为人工巢箱的制作原料[2]。为探究该做法的可行性及木材的拼凑对人工巢箱保温性能的影响，本文拟对不同形式木材原料的导热系数数值大小进行比较，综合评判使用不同形式木材原料制作的人工巢箱保温性能。为日后对人工巢箱的木材原料形式的选择提供理论依据。

1 导热系数测量方法

作为导热系数稳态法测量的主要方式，防护热板法具有测量精确度高、测试数据重现性好等特点[3]，是保温材料导热系数测量的首选方案[4]。防护热板法导热系数测量装置以傅里叶定律为基本测量原理[5]。图1是单试样防护热板法导热仪的装置构造示意图。当背护热板、外护热板、内护热板与计量热板的温度完全相同时，计量热板加热器所产生的热量会在一维稳态导热的条件下，垂直通过样品的中心区域流向冷板[6]。

傅里叶定律的数学描述如下：

(1)

则在一维稳态导热条件下，导热系数可按下式计算:

(2)

在一定厚度具有平行表面的均匀板状试件中，建立以两个平行均温平板为界的理想状态下无限大平板一维恒定热流导热模型，通过测定计量热板加热器达到稳态后所产生的热量Q，按照一维稳态导热条件下的导热系数计算式(2)，即可求得试件的导热系数λ。

2 实验研究

2.1 测量样本相关参数

本实验所使用的木材均为制作人工巢箱常用的松木，其具有价格低廉，不易变形、翘裂的特点。为保证本次对比测试实验测试结果准确，试样可以覆盖中心量热器和内保护装置的整个表面，所有受测试样均被加工成长×宽为300mm×300mm，厚度为30mm的统一大小。

2.2 测试样本分组及测试结果分析

1)第一组纵向对比测试实验。本实验首先对同一块样本(记为板1)做第一组纵向对比实验。定义未进行分割的板1完整形式为工况1，板1锯开后再直接拼接的形式为工况2，锯开后使用环氧树脂胶水严密胶粘的形式为工况3。工况1～3下板1的导热系数实验测定数据见表1～表3。

表1 工况1下板1导热系数的测定数据

表2 工况2下板1导热系数的测定数据

表3 工况3下板1导热系数的测定数据

通过上述对比分析，得到三种工况下板1导热系数大小比较的折线图(如图2所示)。

由图2可知，板1在工况1下导热系数最小，这是因为实验过程中热量主要以热传导形式从高温侧经过木板传向低温侧，实验测得的是木板本身的导热系数。

板1在工况2下导热系数最大，这是由于将板1锯开再直接拼接时会不可避免地出现接缝处不严密，接缝处会留存有大量空气。实验过程中热量不仅会以热传导形式传递，还会通过接缝以接缝中空气的对流传热形式传递。

板1在工况3下导热系数比工况1的大但比工况2的小。这是由于使用环氧树脂胶水将两块木板拼接处进行了严密胶粘，大大减少了接缝处存留的空气，阻断了通过接缝进行的对流传热过程，导致工况3下导热系数比工况2的小。而又由于凝固胶水的导热系数比木板的大，所以导致工况3下导热系数比工况1的大。

2)两组间横向测试实验。考虑到人工巢穴在实际制作过程中，可能遇到需要多块木板拼凑的情况，本文进一步设计探究试样的分割块数对导热系数的影响。第二组实验采用的试样(记为板2)进行如第一组类似的测试实验，但在工况2下将板2分割为三块板测试。板2在三种工况下导热系数的测定数据分别见表4～表6。

表4 工况1下板2导热系数的测定数据

表5 工况2下板2导热系数的测定数据

表6 工况3下板2导热系数的测定数据

对两组实验进行整理对比(如表7所示)，并得到两组实验导热系数平均值大小比较的折线图(如图3所示)。

表7 实验数据整理后结果

通过图3可知，工况1下两组木板导热系数有些许差异，这是由于木材本身的材质不同以及实验测量误差所致。工况2下表明锯成的块数越多，木块间的接缝就越多，实验过程中以对流传热形式传递的热量所占的比重就越大，所以导热系数值更大。工况3下两组木板的接缝处都用胶水严密胶粘。由于凝固胶水的导热系数与木板接近，而且接缝所占面积很小，所以两组木板的导热系数基本相同。

3 结语

1)从第一组纵向对比实验，得到板1三种不同工况下的导热系数大小比较:分割后直接拼接的木板>分割后进行严密胶粘的木板>未进行分割的完整木板。因此得出结论，在制作相同人工巢箱时，如果仅从保温效果考虑，应尽量采用完整的木材作为制作原料。但如果还需考虑到其制作成本，则可以使用木材的边脚废料作为人工巢箱制作原料，但对于不够长的部分，应推荐使用胶水将木板拼接处严密胶粘，以提高其保温性能。

2)从第二组横向对比实验，得出结论：当不同块数木板进行直接拼接时，其导热系数值会随着所拼接木板的块数增加而显著增加。但在统一胶粘后，其导热系数值均会大大降低且接近相同。这进一步说明了利用胶粘代替木板间的直接拼接可以有效提高其保温性能，而与需要拼凑的边脚废料的块数关系不大。

3)综合上述结论，在制作人工巢箱时应推荐使用木材的边脚废料作为制作原料，对于边脚废料不够宽的部分应利用胶水将木板拼接处进行严密胶粘。这不仅可以大大减少人工巢箱的制作成本，促进其广泛推广，而且可以保证人工巢箱的保温性能。

[1] 魏颐凊.人工鸟巢设计方法初探[D].北京：北京林业大学,2014.

[2] 宋 杰.人工巢箱的制作和使用[J].生物学通报,1994(4):25-27，49.

[3] 高鹤明,郝建新,高现文.智能型高精度防护板法导热仪的设计[J].自动化仪表,2008(6):56-58.

[4] 张 涛,朱春玲,蔡玉飞,等.防护热板法测量中绝热层厚度分析[J].低温建筑技术,2015(3):11-13.

[5] 杨惠林,徐骏华.高准确度防护热板法导热仪[J].同济大学学报(自然科学版),1994(2):259-262.

[6] 刘运传,孟祥艳,王 康，等.一种防护热板法导热系数测量装置研制[J].中国测试,2016(3):64-66，72.

Experimental study of thermal conductivity of artificial nest boxes who’s materials in different forms★

Zhang Dongdong Wang Yujue He Jinjin Wang Songqing* Zhang Yujie Zhao Weijie

(SchoolofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

This paper explored the insulation performances of artificial nest boxes who’s materials in same types but different forms by longitudinal and lateral contrast tests of the thermal conductivity of wood materials in different forms. This paper proposes that to reduce the cost of making artificial nest boxes and ensure its insulation performance, leftover wood should be used as raw materials, the part not wide enough should be tight glued.

artificial nest box， wood， thermal conductivity, thermal insulation properties

1009-6825(2017)05-0200-03

2016-12-07★：国家级大学生创新创业训练计划项目(201610225063)

张冬冬(1994- )，男，在读本科生

王松庆(1982- )，男，博士，讲师

TU502.4

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