Эпиграф: Улей - изобретенное человеком жилище пчел, удобное для пчеловода.
Введение
В эпоху бортничества человек изготавливал жилища для пчел, копируя естественное дупло в дереве, но добавив должею - съемную дверцу для доступа к меду (back door). В борти, как и в дупле, был один леток обычно ближе к нижней части полости, и пчелы привычно организовывали и поддерживали комфортный микроклимат, т.к. толстые стенки - ствол живого дерева - были не только надежным теплоизолятором, но и термо- и влагостабилизатором. Термостабилизация обеспечивалась большой теплоемкостью и довольно малой теплопроводностью живой древесины, отсутствием сквозняков, а влагостабилизация - ее гигроскопической способностью. Бортничество до сих пор занимает свою нишу в отрасли пчеловодства, но в силу специфики и трудоемкости - совсем небольшую. Однако, то, что оно не исчезло, означает, что пчеловодство на земле не сумело его полностью заменить.
Человек для того, чтобы не лазать по деревьям и не ходить за медом далеко в леса, вырезал часть ствола дерева вместе с бортью и поставил (или положил) рядом с домом. Назвал колодой, соответственно, вертикальной или горизонтальной, иногда, наклонной. Причем, колоды, конечно же, он изготавливал не на деревьях, а тут же - рядом с домом, а потом приманивал или осаживал туда рой. В колоде пчеле было почти так же комфортно, как и в борти, т.к. стенки оставались толстыми, а пчеловод не беспокоил семью, работающую аки пчела, и только раз в год открывал должею и брал, как он определил - излишки. Мед стал доставаться легче.
Колода - сухое дерево. Его теплопроводность поперек волокон изменяется слабо, оставаясь в диапазоне 0.09-0.15 Вт/(К·м), а теплоемкость снижается почти вдвое (1.5-1.7 против 2.5-2.8 кДж/(кг·°С)), кроме того плотность сухого дерева меньше. Поэтому тепловая инерционность (способность к термостабилизации) у колоды примерно вдвое ниже по сравнению с живым деревом. Влагостабилизация никуда не делась - сухая древесина впитывает влагу не хуже.
Но колода - тяжелая, изготавливать ее трудозатратно, и человек продолжил "оптимизировать" жилище пчел под себя. Придумал сапетки, мазанки, колоды стал делать из досок, с меньшей толщиной стен. В результате мед стало получать еще легче. Но в технологии и истории пчеловодства появилась позорная полоса пчеломорства: из сапеток и мазанок мед забирали, предварительно усыпив пчел. В лучшем случае пчел "выстукивали" из гнезда, и семья разбредалась по другим ульям пасеки. Остатки технологии пчеломорства изредка встречаются до сих пор - когда весной покупают пчелопакеты, а осенью если и не усыпляют, то просто выбрасывают пчел на произвол судьбы.
Тонкостенные колоды из досок уже не обеспечивали комфортных условий для пчел, они легко промерзали и были неспособны стабилизировать температуру и влажность. Пчелы стали вынуждены тратить много сил, времени и энергии для поддержания в гнезде хотя бы просто приемлемых условий; стали болеть, а пчеловод - их "лечить".
Прогресс не остановить, и человек изобрел рамочный улей.
С одной стороны это решило проблему пчеломорства - урожай меда легко отделялся от семьи без непосредственного физического вреда для пчел. Кроме того, пчеловод получил возможность увидеть любой сот с любой стороны, заглянуть в любой уголок гнезда и своевременно обнаружить болезнь, коих становилось все больше. Легче стало изучать жизнь пчел.
С другой стороны рамочный улей еще ухудшил условия жизни пчел. Они потеряли возможность строить гнездо так, как они посчитали бы для себя наилучшим. "Пчелиное пространство" лишило их возможности прикреплять соты к стенкам и потолку, изгибать и соединять соты. Стенки улья стали еще тоньше, гнездо разрывалось на этажи рамок (корпуса), а для уменьшения влажности стали применять дополнительные (верхние) летки - в холодном улье влага легко конденсировалась из воздуха, вызывая сырость, плесень и болезни, поэтому нужна усиленная вентиляция.
Возможность изучать жизнь пчел тоже сыграла с ними злую шутку: пчеловоды (в том числе ученые) стали рассматривать условия жизни пчел в улье, как вполне естественные, часто беспокоили пчел - потерянные ключи искали под фонарем, т.к. там виднее. Пчеловодство превратилось в бизнес, в отрасль сельского хозяйства, и пчелу, как корову, просто доили и "лечили". Проблемы стали нарастать как снежный ком. Особенно это видно на примере паразита Varroa Destructor. С ним борются уже больше полувека, но проблема только обостряется. Клеща травят - достается, естественно, и пчелам. Кроме того, пестицидами борются с "вредителями полей", заодно травя пчел и еще десятки или сотни (было сотни, осталось, видимо, десятки) видов других насекомых. Но не будем отвлекаться от наших баранов.
Тем временем в природе (без вмешательства человека) пчела успешно справляется [3] - это та же пчела, улетевшая роями с наших пасек. Так может дело в улье? А что если предложить улей удобный и комфортный для пчел, а не пчеловода. Как человек создает себе жилище? Основные требования: защита от ветра и осадков, стабильная комфортная температура, чистый воздух, умеренная влажность, хорошая освещенность (последнее пчелам не нужно). В теплом доме и иммунитету легче - не простынешь, и калорий (еды) на поддержание температуры тела нужно меньше. Для пчел - аналогично: жилище должно снижать стресс и нагрузку на организм.
1. Варианты обеспечения пчел нормальным жильем круглый год
Например, можно заносить пчел на зиму в специальный зимовник - первый вариант. Это радикальное и очень эффективное решение, но оно трудозатратное, и не у всех есть такая возможность. Кроме того, это неестественно для пчел, они попадают в зависимость от пчеловода.
Второй вариант - применять утепленный улей. Тем более, что прогресс здесь тоже не стоит на месте - появились новые эффективные строительные материалы и ульи из этих материалов - BeeBox, Lyson, Нижегородец, Медведь и др. Да и не удивительно - по теплопроводности 30 мм стенка из ППС, ПУ или ПИР эквивалентна толщине деревянной стенки 120-150 мм. Многие пчеловоды стали изготавливать ульи из "пены" самостоятельно. Не знаю ни одного из перешедших на них пчеловодов, которые бы вернулись обратно к деревянным: все замечают, что в новых ульях пчелам лучше и зимой и летом, притом, что и пчеловоду тоже - ульи стали легче, не гниют, нет коробления и щелей.
Третий вариант - утеплять ульи на зиму. Это самый доступный и распространённый способ помочь пчелам в существующих деревянных ульях. Суть проста: создать вокруг гнезда дополнительную оболочку с высоким термическим сопротивлением. Вот, например, как это делает Тереза Дж. Мартин - автор книги «Dead Bees Don’t Make Honey: 10 Tips for Healthy Productive Bees» (Мертвые пчелы не производят мед: 10 советов для здоровых и продуктивных пчел):
Она контролирует температуру в улье современным "умным" датчиком и при 20-25 ульях за 7 лет имеет выживаемость семей на уровне 99% и урожайность выше средней в данной местности.
Четвертый вариант - применять дополнительный подогрев солнцем или электричеством. Здесь мы пока не будем его рассматривать.
Пятый вариант - вернуться к колодам или их модификациям. Конечно - это не промышленное пчеловодство, но многие энтузиасты делают колоды, а также пользуются японскими ульями или ульями Шапкина, а это по сути - разрезные колоды. Колоды продолжают изобретать, см., например, Вертикальная составная колода А.П. Рохликова или Утепленная колода башкирского государственного аграрного университета. Примечательно, что в обоих примерах колода дополнительно утеплена.
Шестой вариант - держать пчел в павильонах. За счет внешнего дополнительного ограждения и большой плотности пчелосемей создается отдельный микроклимат внутри павильона. Однако большая скученность имеет известные недостатки, на них здесь останавливаться не будем.
Наконец, седьмой вариант - продолжить поиск конструкции улья для пчел. Многие изобретали улья, в том числе для пчел. Можно назвать улей Витвицкого Н., Варрэ, Роже-Делона, утепленные лежаки Левицкого К. и Лазутина Ф.
На "не идеальность" применяемых человеком промышленных стандартных ульев обратил внимание Митчелл Д. и на математической модели показал, что содержание в них пчел зимой на воле можно приравнивать к жестокому обращению с животными. Он прямо призывает: To save honey bees we need to design them new hives (Чтобы спасти медоносных пчел, нам нужно спроектировать для них новые ульи).
Для обоснованного выбора или изменения конструкции улья и чтобы сравнивать условия обитания пчел в различных ульях можно, как Митчелл Д., проводить имитационное моделирование методами вычислительной гидродинамики (CFD) и сравнивать результаты вычислительных экспериментов. Но это довольно сложно; как говорит сам Дерек Митчелл: "Просто смоделируйте улей с 6 миллионами точек, решите 5 уравнений для каждой и повторите 18000 раз". Для практического использования пчеловодами это вряд ли подойдет - нужны интегральные скалярные числовые показатели и простые методики их расчета.
2. Показатели для оценки тепловых свойств ульев
Не существует единого общепринятого стандартизованного показателя для сравнения ульев хотя бы по тепловым характеристикам. Дело не только в том, что ульи имеют разную форму, материал, летки, а, и прежде всего, в том, что на его тепловые характеристики влияют сами пчелы, меняя свое расположение, производство тепла, вентиляцию в зависимости от сезона (фазы зимовки), внешних и внутренних условий.
Поэтому на практике используют множество частных показателей, характеризующих улей с пчелами и без них. Тепловые потери можно разделить на контактные (теплопроводность и конвекция), потери на вентиляцию и потери излучением. Для каждого вида потерь применяются свои показатели и методики подсчета.
2.1 Потери из-за теплопроводности материалов ограждения
1. Часто используется термическое сопротивление материалов ограждения R-value. В системе СИ измеряется в м²·K/Вт. Рассчитывается, как отношение толщины стенки к теплопроводности материала стенки. В англоязычных статьях и маркетинге встречается без указания размерности, при этом единица соответствует 1 ft²·°F·h/BTU (квадратный фут × градус Фаренгейта × час / британская тепловая единица). Коэффициент пересчета: 1 (м²·K/Вт) ≈ 5.678 (ft²·°F·h/BTU) или R (СИ) = R (IP) × 0.1761. Например, утепленный улей с заявленным "R - 6.93" (Apimaye) - это американские единицы. В системе СИ это соответствует: 6.93×0.1761≈1.22 м²·K/Вт. Для сравнения: деревянная стенка улья толщиной 25 мм из сосны (0.13 Вт/(м·K)) имеет R ≈0.19 м²·K/Вт или R-value ≈1.1 в американских единицах. Таким образом, стенка современного улья 40 мм по теплопроводности эквивалентна деревянной стенке 157.5 мм.
2. Величина обратная R: U=1/R - коэффициент теплопередачи, равен плотности теплового потока сквозь ограждение при разности температур внутренней и внешней поверхности стенок в 1 градус. Размерность - Вт/(м²·K). При известной разности температур \(\Delta T\) плотность теплового потока вычисляется, как \(q=U \cdot \Delta T\) , Вт/м².
3. Общий тепловой поток через ограждение: зная плотность теплового потока q и площадь ограждения A, можно определить общий тепловой поток \(Q=q \cdot A\) , Вт. Однако обычно тепловые сопротивления стен, пола и потолка разные, поэтому общий тепловой поток считают, как сумму потоков через отдельные грани ограждения: $$Q= \Delta T \cdot \Sigma \frac{A_i}{R_i}$$
Сумму в этой формуле можно трактовать, как эквивалентный коэффициент теплопотерь улья с размерностью Вт/К. Очевидно его нужно уменьшать, а, значит, снижать по возможности площадь ограждающих гнездо граней. Величину обратную - как эквивалентное тепловое сопротивление улья (К/Вт): $$ R_{total} = \frac{1}{\Sigma \frac{A_i}{R_i}}$$
Нужно иметь в виду, что \(\Delta T\) - это некоторое среднее значение разности температур внутренней и наружной поверхности ограждения, т.к. температура в разных точках ограждения может быть существенно разной.
Для примера посчитаем потери однокорпусного дадана из дерева 25 мм и полистирола 40 мм. Площадь пола и потолка - примерно 0.5 м², стен -0.6 м², в сумме 1.1 м². R для дерева и пластика, соответственно, 0.19 и 1.2 м²·K/Вт. При разности температур 10°С потери составят 58 и 9 Вт - у теплого улья в 6 раз меньше.
Вывод, я думаю, очевиден: для уменьшения потерь тепла нужно использовать теплоизоляционные материалы для изготовления или утеплять ограждение на зиму или увеличивать толщину стен из дерева в 6 раз (до 240 мм), уменьшать площадь ограждения при сохранении объема гнезда.
2.2 Потери тепла на вентиляцию
В улей через леток поступает наружный воздух с соответствующей температурой, а выходит - теплый, унося с собой определенное количество тепловой энергии: $$ Q_{vent}=V'·\rho_{air} \cdot c_p \cdot \Delta T,$$
где \(V'-\) объемный расход воздуха, м³/с; \(\rho_{air}\approx 1.2~ кг/м³-\) плотность воздуха; \(c_p \approx 1005~ Дж/(кг\cdot K)-\) удельная теплоемкость воздуха; \(\Delta T -\) разность температур входящего и выходящего воздуха.
Объемный расход воздуха зависит от расположения и размера летков. Поскольку это в руках пчеловода, постольку на двух пчеловодов приходится как минимум три варианта их расположения. Доминирующее мнение: "пчелы боятся не холода, а сырости, поэтому вентиляции много не бывает". Кроме того, от сырости страдают элементы деревянных конструкций - рамки, корпуса, образуется плесень. В результате летков, как правило, два - нижний и верхний. Между ними - перепад высот обычно около 25 см, создающий тягу, как в печной трубе. От вентиляции требуют, чтобы она выносила всю воду, возникающую в процессе метаболизма в виде пара. Типичная величина потерь в январе для Подмосковья в этом случае - 26.5% от общего количества тепловых потерь [Трифонов А.Д. Пчеловодство №6 1991, с.15-17, Вентиляция гнезда пчел].
А как же в дупле? Ведь там один, как правило, нижний леток и глухой потолок. А в улье Climatstable Роже-Делона, японском улье? Там тоже только один нижний леток. Значит хватает вентиляции с одним летком? Проблема в том, что при уменьшении вентиляции возникает конденсация паров воды в улье. Для деревянных конструкций - это крайне нежелательно. И если на пчел сверху будет капать вода - тоже ничего хорошего. О.Н. Голуб предложил вынести точку росы подальше от гнезда и разработал собственную конструкцию улья с установкой стеклянной перегородки в тамбуре. При этом он обратил внимание, что при выпадении конденсата возвращается энергия парообразования - 2260 кДж/кг. Таким образом, при калорийности меда 13400 кДж/кг и выделении 0.66-0.68 кг воды на каждый килограмм съеденного меда происходит возврат ~11% затраченной на обогрев энергии, если вся влага метаболизма будет сконденсирована. Если эта вода застынет - превратится в лед, то дополнительно выделится энергия и этого фазового перехода - 334 Дж/кг.
Конденсатный улей (Condensing colony) в последние годы набирает популярность. Для предотвращение конденсации на потолке, чтобы не было "дождя" для пчел, потолок делают очень утепленным, а стены - чуть менее теплыми. В результате естественной конвекции теплый влажный воздух поднимается к потолку и расходится к стенкам, которые чуть холодней. На них и выпадает конденсат. Если улей из пены, то ему этот конденсат не страшен - он не впитывает влагу и не гниет. У пчел появляется источник воды, как в дупле - конденсированная влага. И да, возвращается тепло парообразования. Конечно, не вся влага конденсируется, часть уходит с выходящим воздухом даже если леток один. Влага может вообще не конденсироваться, если в улье достаточно тепло (например, летом). Условия образования конденсата называют точкой росы, они показаны на рисунке синей линией (относительная влажность 100%):
Как видно из рисунка, при температуре воздуха 10°С в воздухе может находиться до 9 грамм воды на один метр кубический в виде пара, а при 20°С - до 17, при 30°С - до 33: чем теплее воздух, тем больше в нем может "висеть" воды без конденсации. Считается, что пчелы в гнезде во время зимовки (до выращивания расплода) поддерживают влажность в пределах 75-85%. Если в данный момент температура в улье равна 20°С, то влаги в воздухе будет от 13 до 15 г/м³. Конденсат образуется на внутренней стенке, если ее температура будет ниже 14°С при влажности 75% или ниже 16°С при влажности 85%.
Вывод: тезис о необходимости "тотальной вентиляции" для недопустимости конденсата опровергается практикой конденсатного улья, позволяющего значительно снизить потери энергии (меда) на поддержание микроклимата.
2.3 Потери излучением внешних стенок и конвекцией
Часто потерями на излучения пренебрегают, объясняя тем, что стенки непрозрачны, а излучение через леток пренебрежимо мало, т.к. площадь летка небольшая. Однако стоит посмотреть на тепловые изображения зимующих ульев в сети, и становится понятно, что потерями на излучение пренебрегать не нужно, т.к. установившаяся температура внешней поверхности ограждения существенно выше окружающей. Температура на наружной поверхности стенки улья \(T_{out}\) устанавливается из условия равенства притока и оттока тепла: $$ \frac {T_{in}-T_{out}}{R}=h(T_{out}-T_a)+ \epsilon \sigma(T_{out}^4 -T_a^4)$$ В левой части уравнения - плотность потока тепла сквозь стенку ограждения, в правой - два слагаемых потерь: первое - конвекцией, второе - излучением (здесь важно помнить, что температуру нужно брать в градусах Кельвина). Коэффициент конвекции (теплоотдачи конвекцией) h можно принять равным 8 Вт/(м²·K), коэффициент излучения \(\epsilon=0.85\).
Для примера положим температуру наружного воздуха -15°С, а температуру внутренней стенки 0°С. Тогда для той же деревянной стенки 25 мм (R=0.19 м²·K/Вт) получим температуру снаружи -10.26°С, потери конвекцией 41.67 Вт, излучением - 17.76 Вт, суммарные - 59.43 Вт. Доля потерь излучением составила 29.9%. Для теплого улья, соответственно, температура стенки снаружи -13.97°С, конвекция - 9.04 Вт, излучение - 3.77 Вт, суммарные - 12.81 Вт. Доля потерь излучением - 29.4%. Из сравнения видно, что внешняя стенка деревянного улья на 4.74°С выше окружающей, тогда как у теплого - лишь на 1.03°С, поэтому и общие потери в 4.6 раза больше у деревянного улья.
А что если снизить коэффициент излучения, например, обклеить корпус алюминиевой фольгой (\(\epsilon=0.1\))? В этом случае для деревянного улья: температура -9.22°С, конвекция - 50.83 Вт, излучение - 2.56 Вт, суммарно - 53.40 Вт; для теплого: -13.65°С, 11.92 Вт, 0.59 Вт, 12.51 Вт. Как видим, в результате температура стенки несколько повысится, но суммарные потери уменьшатся за счет сильного снижения потерь излучением.
Вывод: пренебрегать потерями на излучение не стоит, меры по их уменьшению оправданы.
Из проведенного краткого обзора-экскурса можно видеть, что частные интегральные показатели некоторых качеств улья есть, довольно широко используются, и даже позволяют оценивать, например, потери тепла в установившемся (стационарном) состоянии.
А что в динамике? Как оценивать способность улья к термо- и влагостабилизации? Томас Сили в своей книге "Жизнь пчел" [3] приводит графики (с.270) изменения температуры в течение нескольких дней апреля - снаружи они меняются в течение суток более, чем на 35°С от -5° до +30°С или от -2°С до 35°С. В тонкостенной пустой деревянной коробке - практически так же, а вот в пустой борти температура меняется всего на несколько (2-3) градусов - ствол живого дерева стабилизирует температуру. Мысленно поместите в эту коробку и в борть пчелиную семью, или последовательно представьте себя на их месте и сравните впечатления...
Комментарии
Отправить комментарий