Пчеловодство выходного дня

 5. Лучеиспускание.

5.1. Теплопередача лучеиспусканием.

Теплопередача при помощи теплопроводности и конвекции осуществляется при помощи материальных теплоносителей – твёрдого тела, жидкости или газа. Теплопередача лучеиспусканием осуществляется путём излучения электромагнитной энергии – лучей видимого или инфракрасного диапазона непосредственно через пространство.

Величина мощности, излучаемой телом 1 в направлении тела 2, определяется как его температурой, так и свойствами поверхности этого тела (коэффициентом его черноты Е), а также наличием и излучением других тел.

Влияние других тел определяется также их температурой, формой, расположением и степенью черноты поверхности. Коэффициент черноты поверхности – это коэффициент, характеризующий её относительную способность отражать и поглощать излучение. Величина Е может меняться от 0 (абсолютно белая или зеркальная поверхность) до 1 (абсолютно чёрная поверхность). При Е = 0 поверхность всё отражает и не излучает. При Е = 1 поверхность ничего не отражает и обладает максимальной излучающей способностью.

При лучеиспускании теплопередача от тела 1 к телу 2 определяется не расстоянием между ними, как в случае теплопроводности и конвекции, а их взаимными угловыми размерами, в которых сосредоточено их взаимное излучение. Окружающая тела 1 и 2 атмосфера практически не влияет на теплопередачу лучеиспусканием, которая зависит от формы и свойств их поверхностей, но не от расстояния между ними.

5.2. Оценка теплопередачи в улье.

Предположим, что пчёлы густо сидят на рамках в самом низу гнезда и излучают тепло лучеиспусканием на холодное дно улья, расположенное в 2 см от них (стандартный улей, начало зимовки большой семьи.).

Какую тепловую мощность излучает клуб пчёл вниз, на пол в этом случае? Р = 4,4Вт. Это – заметная величина, если принять во внимание, что общее производство тепла пчелосемьёй в зимних условиях находится в пределах от 10 до 20 Вт. Аналогичные оценки для дупла диаметром 35 см дают величину излучаемой вниз мощности 2,1Вт.

Неблагоприятная ситуация в начале зимовки, представленная на рис. 5.2, когда пчёлы излучают тепло непосредственно на холодное дно, значительно улучшается по мере движения клуба вверх – рис. 5.3.

В этом случае преобладающая часть теплового излучения пчёл, спрятавшихся в улочках, будет направлена не на холодное дно, а на пустые соты, обладающие малой теплопроводностью и теплоёмкостью. Соты нагреваются этим излучением почти до той же температуры, что и поверхность клуба, и защитят гнездо снизу. Ведь конвекция воздуха в пространстве, заполненном пустыми сотами, отсутствует потому, что эти соты её предотвращают. Теплопроводность же самих пустых сотов (вниз и в бок) очень мала, особенно, если принять во внимание большие расстояния для потока тепла в этих направлениях. Оценки по реальным геометрическим размерам улочек, клуба и подрамочного пространства высотой 230 мм дают Р < 0,2 Вт.

В этом случае с потерями тепла на излучение вниз практически можно не считаться. Ясно, что чем выше сидят пчёлы, и чем больше “языки” пустых сотов внизу, тем лучше. Узковысокое гнездо имеет явные преимущества перед низкошироким в части излучения тепла вниз. Размещение под гнездом пустого корпуса с сушью или мхом принесёт только пользу.

Таким образом, теплопотери гнезда пчёл на излучение вниз резко уменьшаются при наличии там пустых сотов. В дупле эти соты (освободившиеся или недостроенные) всегда есть, а в улье пчеловоды их систематически удаляют “за ненадобностью”. А зря! Пустые соты внизу гнезда, имеющие, как известно, низкую теплопроводность, выполняют не только функцию отражения тепла, но и функцию предотвращения конвекции в подрамочном пространстве. Поэтому увеличение подрамочного пространства, заполненного пустыми сотами, не только не увеличивает теплорассеяние клуба пчёл, но и служит дополнительной термоизоляцией. При большом подрамочном пространстве, существующем всегда в дупле, вероятность возвращения клещей, упавших на глубокое холодное дно, очень мала. Дупло лечит от клеща. И улей может тоже.

6. Вентиляция.

6.1. Вентиляционный кризис.

Известно, что пчёлы съедают за зиму 10-12 кг мёда, и при этом выделяют примерно ведро воды. Сырость в улье нетерпима, она – источник многих неприятностей. С этим согласны все. Как её удалять? Вот тут начинаются разногласия. Одни считают главным средством удаления влаги вентиляцию, другие влагоёмкость улья и дупла, третьи надеются на диффузию паров воды на дно улья. Как ввести этот спор в рамки обоснованных аргументов вместо эмоций? Для решения этого вопроса можно использовать те сведения, которые были получены применительно к нашему собственному жилищу для обеспечения его комфортности и нашли своё отражение в справочной литературе.

Начнём с вентиляции. Всегда ли вентиляция, хотя бы в принципе, может обеспечивать удаление всей образующейся влаги? Ведь чем больше вентилируется улей, чем больше тратится энергии (тепла) на нагрев проходящего воздуха, тем больше пчёлы потребляют мёда. Следовательно, они производят больше и влаги! Так какой же процесс при этом преобладает – производство воды, или её удаление?

Для ответа на этот вопрос проведём расчёт энергетики 1 куб.м воздуха. Первоначальную оценку проведём для крайних, трудных условий зимовки, представляющих наибольший интерес для понимания физических взаимосвязей.

Предположим, что температура и относительная влажность для входящего воздуха составляют –40⁰С и 50% соответственно. Получается, что для нагревания 1 куб.м поступившего воздуха нужно 49 кДж энергии, а извлечь из этого воздуха и мёда мы сможем только 44 кДж энергии! Расход энергии на вентиляцию больше прихода, причём абсолютно без учёта “основного” расхода тепла через стенки улья! Всё тепло уходит только на вентиляцию и даже на это его не хватает!

Назовём этот эффект вентиляционным кризисом. В этом режиме влажность в улье растёт при увеличении уровня вентиляции. Коэффициент вентиляционных потерь К = 49 кДж/ 44 кДж = 1,1, даже если мощность потерь через стенки равна 0. Физический смысл коэффициента вентиляционных потерь не зависит ни от улья, ни от пчёл, а определяется свойствами только воздуха и мёда. Достаточно “суровые” начальные условия (t = -40⁰С) были взяты для более яркой иллюстрации явления. Но ничего хорошего, однако, не приходится ожидать и при совершенно реальных морозах –20⁰С и –30⁰С. При этих температурах К = 0,5-0,7 и, следовательно, более половины тепла уходит на вентиляцию. С учётом “основного” расхода тепла через стены улья, его может не хватить, и пчёлы могут замёрзнуть, если внешняя температура ниже “критической”. Ведь возможности производства тепла пчелосемьёй, как и любым живым существом, ограниченные.

Таким образом, при больших морозах вентиляция не только не спасает положение, но и может его усугубить.

При температурах выше –10⁰С, К < 0,3, и потери тепла на вентиляцию относительно невелики. Это значит, что поступающий воздух действительно может удалить всю образующуюся влагу ценой малых затрат тепла, при правильном, однако, подборе абсолютного уровня вентиляции. В этом случае традиционные представления о вентиляции, как основном средстве удаления сырости из улья качественно оказываются правильными. Но, тем не менее, “сквозняк” в улье не может быть произвольным ни при каких условиях. В любом режиме увеличение уровня вентиляции сверх необходимого уровня ведёт к излишним затратам тепла. Напрашивается решение – резко ограничить вентиляцию при больших морозах. Но хватит ли при этом пчёлам воздуха для дыхания? Расчёты показывают, что расход воздуха на дыхание более чем в 10 раз меньше расхода на вентиляцию.

Выводы:

1. При зимовке на воле и при низких температурах возможен вентиляционный кризис – замерзание пчёл из-за поступления холодного воздуха с малой влагоёмкостью. В этом режиме сырость в улье растёт при увеличении уровня вентиляции. Наступление вентиляционного кризиса не зависит от пчёл, а определяется свойствами только воздуха и мёда. Вентиляционный кризис сопровождается тепловым кризисом – система идёт в “разнос”, необходимая для обогрева мощность устремляется в бесконечность.

2. Тепловой баланс резко улучшается при сокращении вентиляции и использовании внутренней влагоёмкости. Сухая древесина улья, моховые подушки в значительной мере спасают положение.

3. Так как расход воздуха на дыхание примерно в 10 раз меньше его расхода на удаление влаги, при больших морозах можно сильно сократить вентиляцию без опасения, что пчёлы “задохнутся”.

4. Для надёжного обеспечения зимовки необходимо научиться измерять расход, температуру и влажность проходящего через улей воздуха. Средства контроля этих величин сейчас отсутствуют. Их предстоит найти. Пчеловоды подбирают необходимый минимум уровня вентиляции методом проб и ошибок.

6.2. Температурное ограничение и вентиляция.

Рассмотренное в разделе ограничение по максимальной тепловой мощности ведёт к тому, что неизбежно должен существовать предел по минимальной температуре t _кр, которую пчёлы могут перенести. Величина этого предела зависит от параметров пчёл, улья, атмосферы. Но он обязательно существует, коль скоро живое существо, пчелосемья, ограничено по величине Р_макс и существует при реальном тепловом сопротивлении улья.

Таким образом, “пчёлы холода бояться”, и никакие “миллионы лет эволюции” из учебников по пчеловодству не в состоянии изменить этот физический вывод. Необходимость обеспечения пчёл мёдом во время зимовки является необходимым, но недостаточным условием их выживания.

Одной из первых работ по анализу расхода тепла на вентиляцию и удаление влаги из улья была работа: “Воздухообмен в улье при зимовке на воле” Башкирцев М.М. (Пчеловодство, 1987, №8).

Полученные результаты можно изложить следующим образом:

1. Система зимовки с большим пространством под рамками (150 и 230 мм) имеет явные преимущества перед случаем, когда это пространство – 20 мм.

2. Система вентиляции, при которой все летки находятся только в этом пространстве, предпочтительнее сквозной традиционной, при которой через верхнее утепление пропускается вентиляционные трубки (одна или две) сечением 5 кв.см, а нижние летки открываются. То же самое можно сказать и о традиционной сквозной вентиляции при отогнутых холстиках верхнего утепления. Некоторые семьи с традиционной вентиляцией погибли, а оставшиеся были ослабленными.

3. Если вентилируется только большое подрамочное пространство, то в нём возможна конденсация влаги, что, однако, не вредит пчёлам. Их гнездо остаётся сухим.

4. Ориентировочные расчёты по диффузионному перемешиванию выделяемых пчёлами паров воды с воздухом подрамочного пространства показали, что уже только за счёт такого обмена происходит достаточный отток паров воды из зоны размещения пчелиного клуба. Основным препятствием может быть только недостаточно открытый нижний леток.

5. Автор, ориентируясь на известный расход мёда, правильно определил мощность пчелосемьи при зимовке в пределах 8-15 Вт.

6. Измерения температуры в разных частях макета с использованием предлагаемой схемы вентиляции показали, что создаются достаточно устойчивые комфортные условия для пчелиного клуба: температура в верхней зоне улья 22-20⁰С, а под рамками – от 5⁰С до –1⁰С, и всё это при внешней температуре от –11⁰С до –20⁰С.

В предыдущем разделе было показано, что учёт тепла, энергии, расходуемой на вентиляцию, нагрева проходящего через улей воздуха, является обязательным условием всех физических оценок условий зимовки. Для этого учёта необходимо знать количество и параметры как атмосферного, так и выходящего из улья воздуха. Параметры атмосферного воздуха хорошо известны. Относительно параметров выходящего из улья воздуха не известно практически ничего. Экспериментальное исследование этих параметров ещё не начато. Поэтому все авторы (и я в том числе) вынуждены использовать предполагаемые “разумные” их значения. И совсем плохо обстоит дело с определением количества проходящего через улей воздуха.

Для получения хотя бы качественной оценки происходящих процессов, проведена следующая последовательность операций:

1. Выполнен анализ зависимости коэффициента вентиляционных потерь, относительной доли потерь тепла на вентиляцию, от параметров воздуха и внешней температуры. Поскольку результаты этого анализа зависят от неизвестных пока точно параметров воздуха, расчёты были проделаны для нескольких вариантов (табл. 6.1-6.4).

2. Введён в рассмотрение “коэффициент влагоёмкости” m, показывающий, во сколько раз можно сократить расходы воздуха и мощности на вентиляцию за счёт поглощения воды элементами внутри улья. На рис.6.1 – графики полученных зависимостей коэффициента К от величины внешней температуры для различных вариантов атмосферных начальных условий и различных m.

3. Определена необходимая общая суммарная мощность.

Большое количество вариантов для К и m позволяет хоть как-то компенсировать неопределённость начальных условий и сделать обобщающие выводы.

Выводы из анализа рис. 6.1:

1. Коэффициент вентиляционных потерь К очень сильно зависит от исходных параметров воздуха, выходящего из улья. Без его экспериментального измерения невозможно осуществить достоверные расчёты режимов зимовки.

2. Из всех “пробных” трёх вариантов – третий, является как самым рискованным, так и маловероятным. Его недостаток – малая влажность выходящего из улья воздуха, неэффективное удаление влаги.

3. Даже в самых благоприятных вариантах 1 и 2, при больших морозах (ниже –20⁰С), более половины общего тепла (К > 0,5) уходит на вентиляцию, если ставить целью удаление всей образующейся воды.

4. Наличие всегда присутствующей в улье влагоёмкости (m = 2; 3), резко меняет тепловой режим в лучшую сторону.

Выводы из анализа рис. 6.2:

1. Принятие параметра “максимальная мощность” пчелосемьи ведёт к обязательному принятию параметра “критическая температура” – минимальная температура выживания. Связь между этими параметрами в разных условиях разная, но она всегда однозначна и обязательно существует. Этот вывод качественно не зависит от несовершенства использованной системы расчётов. Количественно он зависит от задания начальных условий. Надёжные сведения о параметрах выходящего из улья воздуха, необходимые для расчёта критических температур, пока отсутствуют.

2. Дополнительный расход тепла на вентиляцию, нагревание проходящего через улей воздуха с целью удаления влаги, может быть как меньше, так и значительно больше расхода тепла через стенки улья. При температурах в окрестности 0⁰С затраты тепла на вентиляцию относительно невелики (К < 0,2). При больших морозах, потери тепла на вентиляцию очень резко растут. Это иллюстрирует известный факт рискованности зимовки пчёл на воле в северных районах страны.

3. По графикам рис.6.2 можно оценить влияние различных факторов на зимовку пчёл по изменению величины t _кр. Чем ниже допустимая величина t _кр, (больше разница между реальной и допустимой величинами “мороза”, отрицательной температуры), тем надёжнее зимовка. Влияние различных факторов на величину t _кр можно качественно характеризовать следующим образом:

Ø Утепление улья даёт только положительный эффект.

Ø Снижение уровня вентиляции при использовании влагоёмкости также даёт положительный эффект, особенно при больших морозах.

4. При низких температурах расход тепла на вентиляцию может быть больше, чем на “основной” нагрев.

5. При внешних температурах выше –10⁰С резко снижается критичность к выбору режима по утеплению и вентиляции.

6. Применение дополнительного нагрева величиной 20 Вт (пунктирная линия) меняет критические температуры в самых неблагополучных случаях -–графики 2,3,5, незначительно меняя их в нужную сторону (графики очень “крутые”). “Благополучные” случаи – графики 4,6,7 – в “дополнительном отоплении” не нуждаются.