Пчеловодство выходного дня

Суходолец Л.Г.

Сокращённый вариант.

Введение.

При написании книги ставились следующие задачи:

1. Осуществить популярное, простое изложение основных физических законов, определяющих успешность зимовки пчёл.

2. Использовать имеющийся обширный технический опыт по обеспечению комфортности нашего собственного жилища для увеличения уровня «коммунальных услуг» пчёлам.

3. Проанализировать наиболее частые физические ошибки при организации зимовки.

4. Предоставить пчеловодам возможность самостоятельного проведения простейших расчётов, связанных с обеспечением успешной зимовки.

5. Обосновать наиболее рациональные практические решения, найденные опытным путём.

6. Дать, в самой общей форме, рекомендации по изготовлению ульев, приспособленных к местным условиям и выбранной технологии.

Эти задачи могут быть решены путём использования имеющейся обширной литературы по теплотехнике и строительству, применительно к потребностям пчеловодства.

Проблема обеспечения успешной зимовки пчёл требует учёта следующих физических факторов:

1. Уровня внешней температуры (не среднемесячного, а минимального).

2. Величины тепловой мощности пчелосемьи, интенсивности производства ею тепла (зависящей от её численности).

3. Уровня интенсивности вентиляции улья (количества и параметров проходящего через улей воздуха).

4. Качества теплоизоляции улья (формы и качества материалов стен).

5. Способов и интенсивности удаления из улья продуктов жизнедеятельности пчёл (паров воды, углекислого газа).

В книге сделана попытка учесть все эти факторы – там, где можно – количественная, там, где нельзя – качественная.

Имеющиеся в учебниках по пчеловодству общие рекомендации по этим вопросам бывают расплывчаты, технически неконкретны и физически неопределённы. Точно выполнить их невозможно не по вине тех или иных авторов, а по причине отсутствия законченной системы расчётов теплового режима улья с пчёлами. Кроме того, в настоящее время отсутствуют, или не применяются, необходимые средства технического обеспечения и контроля режимов зимовки.

Создание таких средств – дело будущего. Но пока их нет, можно попытаться, хотя бы качественно, учесть и принять во внимание те сведения, которые уже получены применительно к нашему собственному жилищу. Используя современный уровень знаний, изложенный в учебниках по теплотехнике и строительству, можно избежать многих распространённых ошибок при обеспечении зимовки пчёл. При всех оценках далее предполагается, что пчёлы обеспечены достаточным количеством мёда.

2. Энергетика живых существ.

2.1. Немного биофизики.

Все живые существа для своей жизнедеятельности должны получать энергию извне и тратить её на осуществление своих целей. Они – преобразователи энергии. Любой преобразователь энергии (безразлично, “живой” или “технический”) характеризуется параметрами: уровнем преобразовываемой мощности, допустимым диапазоном её изменения, коэффициентом полезного действия и т.д. В частности, если использовать понятную всем аналогию живого организма с мотором, то его частными параметрами являются минимальная и максимальная мощности. Минимальная мощность – это такой минимальный уровень обмена энергией с окружающей средой, при которой организм остаётся ещё живой. Для человека минимальная тепловая мощность Р_мин - около 100 Вт. Это когда человек сидит, спит, не двигается. Его “мотор” работает “на холостом ходу”. Мощность “холостого хода” взрослого человека не может быть менее 100 Вт. Выделяющееся тепло мы обязательно должны “сбросить”, выделить в окружающее пространство. Если окружающее пространство нам этой возможности не даёт (его температура выше 36⁰С), то мы принимаем меры – сначала раздеваемся, а затем начинаем потеть, с тем, чтобы расходовать “лишнее” тепло на испарение воды с поверхности тела. Максимальная мощность – это такой максимальный уровень обмена энергией живого организма с окружающей средой, который ни при каких условиях не может быть превзойдён. Уровень максимальной тепловой мощности Р_макс для обычного человека – около 1000 Вт, спортсмена – 1500 Вт. Таким образом, любой мотор, в том числе и мы сами, ограничены по мощности. Мы регулируем его мощность в зависимости от потребностей – от уровня выполняемой физической работы и от необходимости поддержания своей температуры на уровне 36,5⁰С. Но во всех случаях мы ограничены допустимым диапазоном изменения мощности – от Р­_мин = 100 Вт до Р_макс = 1000 Вт. Обеспечить постоянство своей температуры в условиях изменения физических нагрузок и внешней температуры нам помогает одежда – термоизоляция переменной величины. Её использование позволяет нам поддерживать нашу мощность на комфортном, оптимальном уровне Р_опт = 300-500 Вт. Но необходимо чётко отметить известный факт – никакая пища не в состоянии обеспечить нам выживание на морозе при плохой одежде. Конечно, голодный быстрее замёрзнет, чем сытый. Голодный не сможет развить мощность 1000 Вт. Но никакой уровень питания не позволит увеличить тепловую мощность человека, например, до 3000 Вт, если он на морозе плохо одет.

Столь подробный анализ на очевидном примере человека сделан для иллюстрации общих для всех теплокровных существ закономерностей, касающихся и такого “теплокровного” существа, как семья зимующих пчёл.

Таким образом, энергетические свойства любого живого существа характеризуются тремя уровнями мощности Р_макс, Р_мин и Р_опт. Для пчелосемьи с массой около 2 кг величины Р_мин и Р_опт ориентировочно составляют Р_мин = 2,8-5,2 Вт, а Р_опт = 8-12 Вт. Для сравнения приведём величины Р_опт для сходных по весу с зимующей семьёй (масса около 2 кг) теплокровных млекопитающих: кошка (масса 3 кг) – Р_опт = 7,4 Вт; кролик (масса 2,6 кг) – Р_опт = 5,6 Вт.

2.2. Максимальная мощность пчелосемьи.

В имеющихся литературных источниках совсем другое положение с известностью параметра Р_макс при оценке зимовки пчёл. Ни само понятие, ни сам термин не общеприняты. Тем более не известна его величина. При анализе выживаемости пчёл во время зимовки за единственную основу оценок принимается только количество и достаточность мёда в зависимости от температуры окружающей среды. При этом за основу расчётов принимаются среднемесячные температуры. Какие конкретные доказательства факта существования у пчёл критерия Р_макс можно привести?

1. Известно, что если семья пчёл имеет величину менее 4 улочек, то она не выдержит зимовку. Почему? Потому, что у неё слишком мала величина Р_макс, а для выживания теплокровных животных в условиях их охлаждения теплопродукция на 1 кг массы должна расти по мере уменьшения их массы. Пчёлы просто замерзают.

2. По той же причине эффективны спаренная и “коллективная” зимовка многих семей, т.к. при этом величина Р_макс растёт, а теплорассеяние почти не увеличивается.

Вероятно, каждому пчеловоду приходилось анализировать весной причину гибели своих пчёл после зимовки в условиях, когда мёд остался, а пчёлы погибли. Влияние укоренившегося стереотипа “пчёлы холода не боятся, если в избытке есть мёд”, заставляет иногда искать привычную, но не истинную причину – “ранний расплод”, “клуб пошёл не туда” и пр. Не отрицая влияния этих известных причин, сделаем простейшее, но не очевидное предположение – пчёлы просто замёрзли! Замёрзли за два морозных дня в январе, когда температура –28-30⁰С. Замёрзли из-за того, что необходимая мощность превысила величину Р_макс у данной семьи пчёл в данном улье. И никакая средняя температура января (-10⁰С) не может изменить этого положения. Внешнюю температуру, при которой мощность теплорассеяния пчелиной семьи превышает Р_макс, назовём критической. Какова реальная величина параметра Р_макс у пчелиной семьи со средней массой 2 кг?

В результате экспериментальных работ, проведённых в НИИ пчеловодства, появилась возможность более точного определения максимальной мощности для семьи на 12 улочках. Р_мин > 5 Вт, Р_опт =15 Вт, а Р_макс > 25 Вт. Таким образом, появилось дополнительное обоснование того, что введение параметра “максимальная мощность” является обоснованным.

3. Теплопроводность.

3.1. Коэффициент теплопроводности.

Теплопроводность – вид переноса тепла внутри твёрдого тела от одной его, более нагретой части, к его менее нагретой части, приводящий к уменьшению разницы температуры между ними. Любое твёрдое вещество характеризуется коэффициентом теплопроводности, численно определяющим этот процесс. Он равен той тепловой мощности, которая передаётся через единичное сечение вещества, при его единичной длине, и при единичной разности температур на этой длине. Чем меньше его величина, тем ниже теплопроводность, тем лучше теплоизолирующие свойства материала.

Многие пчеловоды при конструировании ульев используют пустые воздушные промежутки и утверждают, что они “заполнены самым лучшим теплоизолятором – воздухом”. Это неверный вывод. Табличное значение теплопроводности воздуха относится к предположительным условиям его абсолютной неподвижности. В реальных зазорах он движется из-за нагревания. При этом происходит дополнительный перенос тепла при помощи конвекции. Для того чтобы приблизить теплопроводность воздуха к малому, статическому его значению, необходимо заполнять воздушные промежутки таким веществом, которое имеет малую плотность (“состоят” из воздуха), но предотвращают конвекцию (торф, пенопласт). В этом – смысл нашей одежды. Заметим ещё, что теплопроводность железа в 322 раза больше теплопроводности дерева. Поэтому любой гвоздь, пробивающий насквозь стенку улья, сильно ухудшает его теплоизоляцию. Обратная величина теплопроводности носит название теплового сопротивления. Чем больше тепловое сопротивление, тем меньшая требуется мощность для обеспечения разности температур в конструкции.

3.2. Тепловое сопротивление ульев.

При определении сравнительной величины теплового сопротивления ульев различной конструкции была использована следующая система исходных предпосылок:

Ø В улье размещён один этаж рамок размером 435×300 мм.

Ø На рамках размещено достаточно толстое верхнее утепление, так что теплопроводностью вверх можно пренебречь.

Ø Под рамками находится достаточно большое пустое пространство. Теплопроводностью неподвижного воздуха, находящегося под рамками, можно пренебречь.

Ø Тепловым сопротивлением улья является сопротивление только его боковых стен. При этом не учитывалось сопротивление воздушных промежутков, окружающих гнездо. Вследствие этого тепловое сопротивление реальных систем выше.

Ø Предполагается, что тепловым сопротивлением боковой диафрагмы можно пренебречь потому, что за ней зимой помещено дополнительное утепление.

Ø Предполагается, что удельное тепловое сопротивление самих стен ульев много больше, чем сопротивление поверхностного перехода от стен улья к атмосфере.

Ø

Использование этой системы исходных предпосылок позволяет получить лишь сравнительные оценки.

Чем больше величина теплового сопротивления, тем “теплее” улей. Надо отметить, что распространённые ульи имеют близкие параметры. Им, а также колоде, сильно проигрывает дупло в живом дереве (стены толстые, но сырые, теплопроводные).

Определение критической температуры по данным таблицы 3.2. было бы некорректным как по причине неточности определения величины теплового сопротивления, так и потому, что при этом не были учтены затраты тепла на вентиляцию. Однако, приблизительно оценить влияние внутреннего содержания улья на его теплоизоляцию было бы желательно даже для отдельного случая. Ниже сделана такая попытка. Как и всегда в таких случаях, расчётные трудности обходятся путём использования “разумных упрощающих предположений”. При этом точность выводов снижается, но решение задачи удаётся довести до логического конца. В нашем случае, такими дополнительными упрощающими предположениями являются:

Ø Предположение о том, что гнездо окружено воздушным зазором шириной 10 мм, обеспечивающим дополнительное удельное тепловое сопротивление.

Ø Предположение о том, что гнездо окружено старыми пустыми сотами в один слой, обеспечивающими дополнительное удельное тепловое сопротивление. Обращает на себя внимание большое относительное влияние теплоизоляции пустых сотов (если они есть). Надо ли удалять их из гнезда? Ведь они неплохо “греют”, лучше, чем основные стены!

Определим критическую температуру для этого случая: она составит –43⁰С. Этот результат следует оценивать только как чисто качественный, иллюстративный, по той причине, что не был учтён расход тепла на вентиляцию, нагревание проходящего через улей воздуха.

Выводы:

1. Теплоизоляция зимующих пчёл от окружающей среды стенками улья и элементами самого гнезда является главным фактором их выживания при низких температурах.

2. Замерзание пчёл от холода может иметь место и при обеспеченности их мёдом, если тепловое сопротивление стен улья и гнезда недостаточное, требующее от пчёл тепловую мощность больше предела их возможностей.

3. Узковысокие гнёзда теплее низкошироких.

4. На основании известных физических предпосылок, древесина живого дерева не имеет преимуществ по теплоизоляции ни перед ульями, ни перед колодами из “мёртвой”, сухой древесины.

4.Конвекция.

4.1. Тепловое сопротивление плоского воздушного промежутка.

Конвекция – способ теплопередачи от тёплого тела к холодному при помощи размещённого между ними газа (или жидкости) вследствие движения при его (её) неравномерном нагреве. При конвекции в воздухе главным фактором теплопередачи является его теплоёмкость и движение, но не теплопроводность.

Из рисунков следует, что в зазорах происходит движение воздуха при его нагреве у теплоотдающей поверхности и охлаждении у тепловоспринимающей. В случае, представленном на рис. 4.3, конвективного движения воздуха не происходит, поскольку тёплый, более лёгкий воздух уже находится наверху. Вследствие этого теплопроводность воздушного промежутка при движении потока тепла сверху вниз намного меньше, чем при других направлениях. Измерения температуры в системе с одним открытым нижним летком показали, что её изменения вдоль высоты рамки составляет более 25⁰С, а температура внизу (где леток), зимой отличалась от внешней всего на 3⁰С.

Из изложенного напрашивается парадоксальный вывод: чем больше подрамочное пространство, тем лучше термоизоляция гнезда снизу. Ведь теплопроводность неподвижного воздуха вдвое меньше, чем у войлока. Такой вывод всё же нужно делать осторожно, т.к. незначительное движение воздуха в большом подрамочном пространстве, вероятно, всё же имеется (из-за одностороннего нагрева или охлаждения улья (дупла) солнцем или ветром и т.д.). Тем не менее, становятся понятными факты успешной зимовки на воле с широко открытым нижним летком, или вообще “без дна”, но и без открытого верхнего летка и вентиляции через потолок. Все дупла, конструкции которых опубликованы, имеют огромное подрамочное пространство и не имеют вентиляции через потолок или верхний леток.

Из сопоставления рисунков 4.1, 4.2, 4.3 и данных таблиц 4.2 и 3.1 можно сделать следующие выводы:

1. По мере увеличения толщины воздушной прослойки её теплоизолирующие свойства уменьшаются.

2. При малых воздушных прослойках (10-30 мм) их теплоизолирующие свойства примерно соответствуют древесине сухой ели или сосны.

3. Замкнутые воздушные прослойки вокруг улья являются дополнительным утеплением, и не препятствуют транспорту влаги через стены улья (см. раздел 7.2).

4. Многослойная система из последовательно чередующихся воздушных прослоек (3-4 по 5-10 мм) по теплоизоляции соответствует деревянной стенке улья толщиной 30-40 мм. Именно так устроено осиное гнездо.

5. Улочки между пустыми сотами шириной 12 мм обладают достаточно хорошими теплоизолирующими свойствами, сходными со свойствами сухого дерева. Пустые соты также являются хорошим теплоизолятором. Их высокие теплоизолирующие свойства определяют с тем, что они состоят из малых объёмов (ячеек), в которых исключена конвекция.

6. Если под гнездом пчёл находится воздушное пространство (как в дупле!), то его термоизолирующие свойства очень высоки. Это помогает понять вызывающий недоумение феномен успешной “финской зимовки”. В Финляндии, не отличающейся мягким климатом, пчеловоды оставляют зимовать своих пчёл на воле с полностью открытым дном, закрытым лишь сеткой. При этом все летки закрыты. Под гнездом пчёл получается замкнутый воздушный промежуток, соответствующий условиям рис. 4.3 (источник тепла вверху). Сетка у дна предотвращает конвекцию, которую могло бы вызвать движение воздуха вне улья. Все опубликованные конструкции дупел, имеют один леток, размещённый ниже зимующего клуба пчёл, т.е. имеют огромное “подрамочное пространство”, не приводящее к охлаждению гнезда. Вызывающий удивление случай успешной зимовки пчёл в дупле, открытом снизу, имеет то же объяснение (рис.4.3).

4.2. Осиное гнездо.

Пчеловодам часто поневоле приходится иметь дело с осами и их гнёздами. Но мы не обращаем должного внимания на мудрость природы, создавшей шедевр теплотехнического совершенства – их гнездо. Семейство ос, создающих невесомые ажурные гнёзда из волокон растений получило название “бумажные осы”. Слои тонкой бумаги, не обладающие, сами по себе, хорошими теплоизоляционными свойствами, предотвращают конвекцию воздуха в многослойной конструкции (п.3 выводов в разделе 4.1) и обеспечивают хорошую теплоизоляцию гнезда.

Стены осиного гнезда, очень лёгкие и “тёплые”. К этому следует добавить, что вход в гнездо – отверстие в самом его низу – не охлаждает гнездо снизу. Кроме того, у осиного гнезда имеются и другие преимущества по газообмену с окружающей средой, рассматриваемые в разделе 7.