Пчелиный бункер

 

Введение

В ходе осмысления значимости теплоемкости жилища пчел для сглаживания температурных колебаний возник естественный вопрос: а почему не использовать землю с ее практически неограниченной теплоемкостью? Тем более, что это традиционный известный способ защититься от внешней непогоды не только у диких животных (норы, берлоги), но и у человека (пещеры, землянки, подвалы). Да и для пчел человек давно использует траншеи, ямы, омшаники на зиму. Сами дикие пчелы также наравне с другими насекомыми используют почву для строительства жилища. Помню, было мне лет 10, на сенокосе коса воткнулась в кочку, а оттуда вылетели пчелы и предложили мне "косить отсюда".

Так почему пчеловодам не держать пчел в земле? Погуглил, оказывается есть такая практика.

В журнале Пчеловодство №5 2010 есть статья пчеловода А.А. Феохари "Земляной улей".

Живу на юге Украины. Пчеловодством занимаюсь уже 26 лет. Степь и пчелы стали сущностью моей жизни.
Меня всегда интересовала жизнь пчел в естественных условиях. В процессе эволюции они научились успешно побеждать болезни и природные катаклизмы, и немаловажную роль в этой борьбе играет выбор пчелами места для жилища.
В природе существует сложный механизм равновесия, и человек разрушил его, поселив пчел в улье. В нем они почти постоянно находятся в экстремальных условиях, подвергаются большим и резким перепадам температуры и влажности. Газообмен в улье также нарушен. Пчелы все время в стрессовом состоянии.
В таких условиях в гнезде не могут сформироваться здоровые микроклимат и микрофлора, как это происходит в природе. В результате получаем слабых и больных пчел. Теряем в количестве и качестве продуктов пчеловодства.
Пытаясь исправить ситуацию, пчеловоды изобретают всевозможные приспособления: от простого электронагревательного прибора до аэротермостата.
Считаю, что, создавая улей, нужно максимально приблизиться к существующим условиям в первичном жилище пчел. Бережно отнестись и сохранить то лучшее, что помогает им жить и успешно работать в природе.
В информационном пространстве почему-то утвердилось понятие, что идеальным жилищем для пчел является дупло. Но ведь они также успешно жили и живут в скальных расщелинах и земляных пустотах, особенно в степной зоне, где мало древесной растительности.
Земля — большой живой организм с протекающими в нем сложными жизненными процессами, поэтому пчелы неслучайно избрали ее полости под жилище. Земля является идеальным стабилизатором при резких и больших перепадах температуры и влажности. Кроме того, в ней происходит воздухообмен.
Так у меня родилась идея сделать в земле полость, в которой пчелы могли бы хорошо развиваться и работать. Создать условия, максимально приближенные к естественным, и чтобы при этом было удобно трудиться пчеловоду.
Летом 2005 г. выкопал в степи полутораметровую яму, верхнюю часть которой закрепил кирпичным поясом. Оснастил ее приточно-вытяжной вентиляцией и накрыл сверху легкой крышей для защиты от осадков.
Затем опустил в яму кассеты с сотовыми рамками и посадил на них рой пчел. Получился земляной улей, подобный борти, только оснащенный всеми элементами современного пчеловодства.
Пять лет наблюдений и усовершенствований привели меня к выводу, что такой улей тоже имеет право на жизнь. В нем пчелы хорошо развиваются, не болеют и энергично работают, даже в неблагоприятные годы. Сложилось впечатление, как будто работаешь с другим видом пчел.
В глубине земли знойным летом прохладно, а зимой тепло.
Почва легко и быстро абсорбирует избыточную влагу и насыщает ею воздух, если он излишне сухой. В таких условиях пчелам легко выкармливать много здорового расплода даже в летнюю засуху.
Ежегодно в августе—сентябре без побудительных подкормок, когда почва нагревается максимально и глубоко, они выращивают много полновесных особей с длительным сроком жизни и крепким иммунитетом. Семья интенсивно развивается и энергично работает на протяжении всего активного периода. Передо мной открылась новая, неизученная грань жизни пчел, отличающаяся от жизни в обычном улье.
В данный момент совершенствуюсь и работаю над улучшением конструкции этого пчелиного жилья. Есть большое желание максимально раскрыть большой потенциал этих прекрасных насекомых, заложенный в них природой.

Автор, имея большой опыт в пчеловодстве, выкопал яму яму 1.5 м, укрепил стенки, сделал большую нестандартную кассету, сделал приточно-вытяжную вентиляцию (на правой фотографии видна жестяная труба) - в общем довольно много потратил времени, труда, материалов. И остался весьма доволен результатом. Понятно, что повторить такое не всем будет под силу.

В номере 5 за 2012 год пчеловод П.И. Степнов из Ульяновской области описал свой Улей в земляном гнезде, на который получил патент. 

 Размер ямы тут поменьше - около полуметра и сам корпус ближе к дадановскому - на 11 рам 435×360 мм. Он устанавливается в эту яму, а леток делается в потолке, который дополнительно закрывается цилиндрической крышей (аркой) с козырьками. Во время медосбора автор дополнительно устанавливает магазинные надставки на рамку 435×160 мм. На зиму он заносит ульи в зимовник, но делает это позже обычных ульев, а выставляет раньше.

В 2014 году пчеловод Г.И. Ульянов в №9 опубликовал заметку "О земляном улье". Оказалось, что он живет недалеко от Степнова П.И., познакомился с ним, перенял опыт:

По итогам встречи решил изготовить улей по методу П.И.Степнова и испытать.
Приведу данные моих небольших наблюдений за семьями. Зимовка семьи №6 проходила в земляной яме под снегом, а семьи №2 – в помещении.
Весенний осмотр показал, что обе перезимовали удовлетворительно. Хотя семья №6 совершила облет на 8 дней раньше, так как у нее надо было только открыть леток. Остальные ульи выставил на пасеку гораздо позднее.
За лето 2013 г. от пчелиной семьи №6 получил 36 кг товарного меда, а от семьи №2 – 38 кг, но зато и затрат на обслуживание земляного улья было меньше.
Делать какие-либо выводы можно только после большего числа опытов. Но мои наблюдения – это тема для размышления, ведь ничто так не убеждает человека, как полученные результаты.
По результатам своих наблюдений решил, что за земляным способом содержания пчел по методу П.И.Степнова большое будущее.
⇒ Он позволяет оставлять семьи в зиму на улице, а температурный режим в земле в зимний период не подвержен резким изменениям. Кроме того, находясь под снегом, улей не подвержен воздействию ветра, дождя, мороза и так далее.
⇒ Не нужно заносить ульи в зимовник.
⇒ Летом температура воздуха в земляном улье на 5...6°С ниже, чем на поверхности земли, и пчелы могут работать, даже если она превышает 30°С.
⇒ Расположение земляного улья с востока на запад позволяет пчелам раньше вылетать из гнезда, увеличивая рабочий день на 1,5–2 ч.
⇒ При осмотре и обслуживании земляного улья все работы идут быстрее, так как отсутствуют утеплитель, холстик, подкрышник. Масса корпуса составляет 12 кг.
⇒ Внутри улья отсутствуют сырость и плесень.

Как видим из этого описания, улей в зимовник не заносился, а отлично перезимовал на улице. Поскольку Ульянов Г.И. называл себя начинающим пчеловодом, то, вероятно, он согласовал это со Степновым П.И., и тот тоже уже перестал заносить свои ульи в зимовник, убедившись в отсутствие необходимости.

Известный блогер Адвокат Егоров тоже проводил успешные опыты с ульями в земле.

Конструкция

В предыдущей заметке Улей для пчел была предложена конструкция улья. 

Его с небольшими изменениями можно просто закопать в яму на глубину до 600 мм - внешнее ограждение из ПИР-плит 510×510 мм отлично справится с функцией укрепления стенок ямы, оставив за собой и функцию утепления.
Поскольку теплоемкость будет обеспечивать земля, то от бутылок с водой можно отказаться - их вклад в общую теплоемкость ямы был бы незначительным.
Сам улей конечно же желательно делать "умным", т. е. с датчиками температуры, влажности и концентрации углекислого газа, а также, как уже было отмечено, с цифровыми весами. Его описание будет в отдельной заметке.
В яме пола нет, точнее, он - земляной. Прямо в центр ставим гнездовой шестигранный корпус. Его ставим на невысокую подставку - шестигранный цоколь высотой 30 мм, повторяющий контуры корпуса; в эту высоту разместится цифровой тензодатчик (цифровые весы) с продухами для воздухообмена.
Потолок - ПИР-плита с круглым отверстием, диаметром, например, 5 см в середине над гнездовым корпусом для прохода пчел наверх в магазинные надставки. Потолок неразрывно связан (склеен) со стенками первого магазина также из ПИР с деревянной обвязкой верхнего торца стенок. В этом первом магазине отгорожен отсек для основного электронного блока "умного" улья с аккумулятором и контроллерами. Под потолком (дном первого магазина) приклеена подставка - цоколь по форме ограждения для выравнивания с приподнятым на 30 мм гнездовым корпусом; в ней также установлен тензодатчик для контроля веса магазинной надставки. В одной из стенок первого магазина делается леток, но от магазина он отгорожен перегородкой, а выход делается в потолке вниз - пчелы попадают в пространство между гнездовым корпусом и ограждением, а уже оттуда в леток гнездового корпуса. Такой лабиринт защитит от напада и создаст плавный переход температуры от улицы до входа в гнездовой корпус.
В сезон сверху могут быть добавлены дополнительные магазины в случае необходимости, как у Степнова П.И.
На магазин сверху устанавливается пирамидальная крыша, описанная в предыдущей заметке.

Модель температуры

Описанные во введении примеры земляных ульев показывают явный положительный эффект ямы, но не позволяют оценить количественные показатели, как сейчас говорят, метрики, в частности, например, энергетические затраты пчелосемьи во время зимовки. Для этого нужна математическая модель изменения температуры грунта на разной глубине в течение года для данной местности. Для определенности возьмем месторасположение улья на севере Ростовской области (с. Греково-Степановка).
Земля в силу тепловой инерционности практически не реагирует на суточные колебания температуры - не успевает, а меняется вместе со среднесуточной температурой.
Распространение тепла в почве описывается дифференциальным уравнением теплопроводности Фурье. Для полубесконечного массива при гармонических колебаниях температуры на поверхности (\(T_{surf}\)) решение для температуры на глубине (z) в момент времени (t) имеет вид:

 $$ T(z,t)=T_{cp}+T_{0}\cdot e^{-z/d}\cdot \cos \left(\omega t-\frac{z}{d}\right) $$ где:

• \(T_{cp}\) — среднегодовая температура воздуха (в Греково-Степановке +8.5°C).
• \(T_{0}\) — амплитуда сезонных колебаний на поверхности (~ 22°C, от -13.5°C в январе до +30.5°C в июле).
• \(\omega\) — угловая частота годовых колебаний (\(\frac{2\pi}{365 \cdot 24 \cdot 3600} \approx 2 \cdot 10^{-7} \text{ рад/с}\)).
• \(d =\sqrt{\frac{2a}{\omega}}\)— глубина проникновения температурной волны, a — коэффициент теплопроводности грунта.

Определение параметров грунта по СНиП
Для Ростовской области нормативная глубина промерзания голого суглинка составляет Hпр = 0.9 м. Примем климатические константы:

• \(T_{cp}\) = +8.5°C— среднегодовая температура региона.
• \(T_{min\_surf}\) = -13.5°C - средняя температура поверхности в самый холодный период (ширина годового диапазона средних температур \(T_0\) = 8.5 - (-13.5) = 22°C).

Зная, что на глубине \(H_{пр}=0.9~м\) температура падает ровно до 0°C, найдем физический параметр d (глубину затухания температурной волны) из уравнения Фурье:

$$ 0=T_{ср}-T_0\cdot e^{-H_{пр}/d}\implies e^{-0.9/d}=\frac{8.5}{22}\approx 0.386 $$

$$ -0.9/d=\ln (0.386)\approx -0.95\implies \mathbf{d\approx 1.06~м} $$

Расчет для «дна бункера» (глубина 600 мм)
Теперь, зная реальное значение d = 1.06 м для местного голого грунта, определим параметры среды на глубине ямы z = 0.6 м:
Температурный минимум:
\(T_{min}(0.6)=8.5-22\cdot e^{-0.6/1.06}=8.5-22\cdot e^{-0.57}=8.5-22\cdot 0.57\approx -4.0°C\)
Вывод: На глубине 600 мм без снега грунт замерзает, но не ниже -4°C.
Сдвиг фазы по времени:
\(\Delta t=\frac{z}{d}\cdot \frac{365}{2\pi }=\frac{0.6}{1.06}\cdot 58\approx \mathbf{33}\text{ дня}\)
Вывод: Пик зимней стужи доберется до дна ямы с опозданием более, чем на месяц (во второй половине февраля), когда световой день уже прибавляется.

На рисунке показано наглядное представление годового изменения среднесуточной температуры на поверхности грунта и на глубине 0.6 м. Видно, что амплитуда изменения температуры в глубине значительно меньше (почти вдвое), а сами изменения запаздывают более, чем на месяц. Получается, что с середины сентября по середину марта в яме теплее, чем на поверхности, а в остальное время - наоборот, холоднее. То, что летом холоднее - это даже неплохо, не будет перегрева. А вот холод весной - это, возможно, скорее, недостаток, чем преимущество углубления. Но может - и нет: помним, что, например, темная лесная позже идет на облет.

Интересно также посмотреть, как меняется температура по глубине. Возьмем, например, на самый холодный день 15 января:

При температуре на поверхности почвы -13.5°С, на дне ямы она -2.0°С, а на глубине промерзания еще пока положительная - около +2°С, до нуля она там дойдет только 17 февраля, когда на глубине 0.6 м будет -4°С, а на поверхности - примерно -10°С.
Надо сказать, что для улья на поверхности больше будут сказываться и суточные колебания температуры, и, конечно же ветер, но эти факторы пока не учитываем.

Энергетические затраты во время зимовки на воле

Если предположить, что средняя температура в гнезде поддерживается с ноября по февраль на уровне 15°С, а в марте после начала яйцекладки - на уровне 34°С, а из 1 кг меда пчелы генерируют 3.5 кВт·час тепловой энергии, то затраты меда по месяцам зимовки будут выглядеть следующим образом:

Видно, что суммарный расход за пять месяцев в яме составил около 8.2 кг, а на поверхности - около 10.6 кг, т.е. примерно на 28% больше.

Влажность

На данном этапе у нас еще нет модели температуры и влажности в улье при наличии там пчел. Поэтому для грубой скорее качественной, чем количественной оценки возможности выпадения конденсата предположим, что в гнездовом корпусе средняя температура, поддерживаемая пчелами на определенной высоте растет линейно от пола к потолку:

T_nest_profile = 12.0 + 10.0 × (height/0.6)

На дне она составляет 12°С, а под потолком 22°С.
Абсолютную влажность также зададим линейно растущей от высоты, причем в гнезде она, очевидно, больше, чем между ограждениями:

f_abs_gap = 6.0 + 6.0 * (height / 0.6)  
f_abs_nest = 8.0 + 7.0 * (height / 0.6)

Рассчитаем температуры внутренней стенки гнездового корпуса и ограждения для профиля температуры грунта на 15 января:

Синяя линия - профиль температуры грунта - взята с предыдущего графика. Исходя из рассчитанных тепловых сопротивлений стенок и воздуха, определены температуры внутренней стенки ограждения (линия оливкового цвета) и внутренней стенки гнездового корпуса (зеленая линия). Как видим, в гнезде не возникает конденсата; зона конденсации вынесена на внутреннюю стенку ограждения - она "плачет" от самого верха почти до пола.
Для сравнения посмотрим, что было бы в обычном конденсатном улье на поверхности:

Видно, что в мороз на стенке образуется конденсат практически по всей высоте. Если температуру задать -5°С, то конденсат не образуется:

Если улей с ограждением не помещать в яму, то там тоже можно избежать конденсации в гнездовом корпусе:

Конденсации в гнезде не будет даже при -25°С:

Но при таком морозе внутренняя стенка ограждения имеет температуру ниже нуля, поэтому на ней будет образовываться не конденсат, а лед. Для сравнения: в яме температура внутренней стенки ограждения всегда положительна.

Выводы

1. Строительство жилища для пчел с заглублением в грунт позволяет лучше стабилизировать микроклимат пчелиного гнезда, экономить корм и энергию во время зимовки. Считаю такой вариант очень интересным для любительского пчеловодства (особенно в южных регионах), и на сегодняшний день недооцененным.
2. Применение дополнительного (второго) ограждения обеспечивает вывод точки росы за пределы гнездового корпуса, и может быть рекомендовано для использования не только в заглубленных ульях, но и для ульев на поверхности.

Дисклеймер: выводы справедливы для принятых предположений и требуют экспериментальной проверки.

 

🐝 Python-скрипт

  import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

# =============================================================================
# ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И ГЕОМЕТРИЯ СИСТЕМЫ
# =============================================================================
# Высота шахты от 0 (земляной пол) до 600 мм (поверхность земли)
height = np.linspace(0, 0.6, 100)  # в метрах
h_cm = height * 100  # перевод в сантиметры для графика

# Координата глубины ямы (сверху вниз от поверхности земли)
depth = 0.6 - height

# =============================================================================
# СВЯЗАННАЯ МОДЕЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ ГРУНТА (Решение Фурье на середину зимы)
# =============================================================================
T_mean = 8.5  # Среднегодовая температура грунта, °C
T_amp = 22.0  # Годовая амплитуда колебаний на поверхности, °C
d_zel = 1.06  # Физическая глубина затухания температурной волны, м
# 1. Моделирование профиля температуры грунта вдоль стенки ямы
T_soil_profile = T_mean - T_amp * np.exp(-depth / d_zel) * np.cos(depth / d_zel)
# 2. Температура воздуха внутри гнезда у стенки (модель микроклимата клуба)
T_nest_profile = 12.0 + 10.0 * (height / 0.6)  # от +12°C внизу до +22°C вверху

# =============================================================================
# ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ МНОГОСЛОЙНОЙ СИСТЕМЫ
# =============================================================================
R_inside_air = 1 / 6.0  # Сопротивление перехода "воздух гнезда -> стенка колоды"
R_material_nest = 0.9  # Термическое сопротивление стенки колоды (PIR-плита 30 мм)
R_gap_air = 0.15  # Эквивалентное сопротивление воздушного зазора
R_material_shaft = 0.9  # Термическое сопротивление ограждения ямы

# Полное термическое сопротивление всей ограждающей конструкции
R_total = R_inside_air + R_material_nest + R_gap_air + R_material_shaft

# Локальный тепловой поток по высоте (Вт/м2)
q_flux_profile = (T_nest_profile - T_soil_profile) / R_total

# Расчет истинных температур поверхностей и слоев
T_wall_nest = T_nest_profile - q_flux_profile * R_inside_air  # Внутренняя грань колоды
T_wall_nest_outer = T_wall_nest - q_flux_profile * R_material_nest  # Наружная грань колоды
T_wall_shaft = T_wall_nest_outer - q_flux_profile * R_gap_air  # Внутренняя грань ограждения

# Средняя температура воздуха в зазоре
T_air_gap = 0.5 * (T_wall_nest_outer + T_wall_shaft)

# =============================================================================
# РАСЧЕТ ДИНАМИЧЕСКИХ ТОЧЕК РОСЫ (Формула Магнуса)
# =============================================================================
# Профили абсолютной влажности (г/м3) заданы с учетом метаболизма и вентиляции
f_abs_nest = 8.0 + 7.0 * (height / 0.6)  # Внутри гнезда (источник пара — пчелы)
f_abs_gap = 6.0 + 6.0 * (height / 0.6)  # В зазоре (пар частично эвакуируется в леток)


def p_sat(T):
    """Давление насыщенного водяного пара (Па)"""
    return 610.78 * np.exp((17.27 * T) / (T + 237.3))


def get_dew_point_profile(T_air, f_abs):
    """Расчет профиля точки росы без искусственного ограничения влажности в 100%"""
    T_k = T_air + 273.15
    p_partial = f_abs * 1e-3 * 461.5 * T_k

    a, b = 17.27, 237.7
    alpha_val = np.log(p_partial / 610.78)
    return (b * alpha_val) / (a - alpha_val)


# Вычисление профилей точек росы для обеих зон
T_dew_nest = np.array([get_dew_point_profile(T_nest_profile[i], f_abs_nest[i]) for i in range(100)])
T_dew_gap = np.array([get_dew_point_profile(T_air_gap[i], f_abs_gap[i]) for i in range(100)])

# =============================================================================
# ПОСТРОЕНИЕ И ОФОРМЛЕНИЕ ГРАФИКА
# =============================================================================
plt.figure(figsize=(11, 8.5))

# Построение основных кривых температур и точек росы
plt.plot(T_wall_nest, h_cm, color='darkgreen', lw=2.5, label='Температура внутренней стенки гнезда')
plt.plot(T_wall_shaft, h_cm, color='olive', lw=2.5, label='Температура внутренней стенки ограждения')
plt.plot(T_soil_profile, h_cm, color='blue', lw=2.5, label='Температура грунта')
plt.plot(T_dew_gap, h_cm, color='crimson', lw=2, ls='--', label='Точка росы в зазоре')
plt.plot(T_dew_nest, h_cm, color='purple', lw=2, ls='-.', label='Точка росы в гнезде')

# Математический поиск точки начала конденсации на ограждении шахты
idx_gap = np.argwhere(np.diff(np.sign(T_wall_shaft - T_dew_gap))).flatten()

if len(idx_gap) > 0:
    start_idx = idx_gap[0]  # Извлекаем корректный скалярный индекс для среза
    h_cond = h_cm[start_idx]

    # Подсветка зоны гарантированного выпадения конденсата/инея на ППС-плите
    plt.fill_betweenx(h_cm[start_idx:], T_wall_shaft[start_idx:], T_dew_gap[start_idx:],
                      color='red', alpha=0.08, label='Зона конденсации')
plt.title('Конденсация влаги для улья с ограждением в яме', fontsize=12, fontweight='bold', pad=15)
plt.ylabel('Высота от земляного пола ямы, см', fontsize=11)
plt.xlabel('Температура, °C', fontsize=11)
plt.grid(True, linestyle=':', alpha=0.5)

plt.legend(loc='upper left', frameon=True, facecolor='white', edgecolor='lightgray')
plt.xlim(-15, 20)
plt.ylim(0, 60)
plt.show()