CC BY
15УДК 638.147.7:621.3
НЕОБХОДИМОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СПОСОБОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ МИКРОКЛИМАТА ПЧЕЛИНЫХ СЕМЕЙ
ФГБОУ ВО Кубанский государственный аграрный университет
Аннотация. Показана возможность использования скоплений пчел в качестве модели для изучения процессов терморегуляции в открытых биологических системах. Моделирование теплового режима в ульях можно выполнять с применением профессионального программного пакета Атуя Микуркуяга', в среде COMSOL. Анализ тепловых процессов, проведенный различными исследователями, показывает, что необходимо применение локального электрообогрева, возможно, например, проводить двухзонную установку нагревателей - под клубом (для подогрева воздуха) и по краям (для подогрева корма), что особенно важно при появлении первого расплода. Для пчелосемей, расположенных в районах Северного Кавказа следует рекомендовать в качестве основного способа удаление влаги из ульев - вентиляцию.
Ключевые слова: пчелы, электротехнология, теплофизика, зимний клуб, зимовка пчел, моделирование, микроклимат.
Введение. В агропромышленном комплексе России пчеловодство тесно связано со многими отраслями промышленности и медицины. Конечная стоимость продукции, в создании которой принимает участие и пчеловодство, в десятки, а иногда в сотни раз, превышает стоимость всего пчеловодного комплекса. Велика роль пчел и как производителей специфических продуктов - меда, воска, пыльцы, маточного молочка, прополиса и яда. Воск, по сравнению с другими продуктами пчеловодства, пользуется наибольшим спросом в промышленности. Он нашел применение в электрорадиотехнике и авиации, в кожевенном и текстильном производстве, при изготовлении бумаги и в деревообработке, в химическом и стекольном деле, в медицине и парфюмерии. Мед является энергетическим продуктом питания и включает до 300 различных компонентов (ферменты, витамины, соли, бальзамы и т. д.), которые в совокупности с основной частью определяют его диетические и лечебные свойства [1,3].
Результаты и обсуждение. При внешней температуре ниже 713 °С пчёлы в улье начинают собираться в плотное компактное
Оськин С.В., Потапенко Л.В., Блягоз А.А.
им. И. Т. Трубилина
образование, называемое зимним клубом. Цели зимнего клуба очевидны: взаимный обогрев, снижение общих теплопотерь, а значит и уменьшение потребления медовых запасов. Зимний клуб пчёлы всегда формируют напротив летка. Клуб в нормальном состоянии формируется на пустых сотах (это место называется ложем клуба), причём пчёлы занимают как межсотовое пространство, так и пустые ячейки (рисунок 1).
При понижении внешней температуры клуб уплотняется, при повышении - разрыхляется. Над клубом и сзади его (дальше от летка) пчёлы в течение всего лета и осени формируют основные запасы мёда на зиму. В течение зимы клуб перемещается вверх и назад, потребляя запасы мёда. Зимой пчёлы мёд друг другу не передают, а это значит, что каждая должна время от времени самостоятельно добираться до запасов и пополнять содержимое своего зобика. Это одна из причин, по которой пчёлы в зимнем клубе постоянно медленно перемещаются. Как правило, в зимнем клубе различают "кору" и "ядро". Кора состоит из более старых особей, и пчёлы в ней малоподвижны. Толщина коры составляет 2-8 сантиметров и зависит от силы семьи, утепления улья, наружной температуры и других факторов.
ШжШ
Рисунок 1 - Вид клуба пчел в зимний период
Клуб пчел имеет приблизительно форму шара (в зависимости от размера улья), нижняя часть которого чаще всего находится вблизи летка. Клуб пчел в наших условиях при количестве примерно 15 000 пчел (1,5 кг) имеет диаметр примерно 200 мм. При идеальной шаровидной форме клуба, площадь его поверхности составляет 50,3 дм2. Мёд с крайних пластов семья начнёт активно использовать в начале весны, когда клуб уже распадается, а взятка в природе ещё нет. Именно в это время пчёлы наиболее активно летают за водой, необходимой для разбавления густого сотового мёда.
Давно установлено, что тепло из улья уходит всего двумя путями: посредством прямой теплопередачи (через стенки, потолок и днище улья), и через воздухообмен с окружающей средой (входящий в улей уличный воздух имеет более низкую температуру, чем выходящий). Соотношение этих теплопотерь изменяется в
зависимости от температуры воздуха за пределами улья и конструкции улья. Пчелы зимой согреваются, поедая мёд, который состоит из фруктозы (типовой анализ даёт 38%), глюкозы (31%), воды (17%) и прочих (в том числе зольных) веществ. Пчёлы, усваивая мёд, в процессе дыхания поглощают из воздуха кислород и выделяют углекислый газ и воду. Данные соотношения между молярными массами показывают, что при выделении 51,6 г углекислого газа и 21,1 г воды необходимо 35,2 г глюкозы и 37,5 кислорода [5]. Реальный мед содержит около 20% воды, а значит потребление меда составит 44 г и воды 29,9 г. Можно также представить по-другому - при съедании 60-ти граммов мёда (столько съедает сильная семья в морозный зимний день) в воздух выделяется приблизительно 40 литров чистого углекислого газа (при нормальных условиях) и 40 граммов воды. Исследования показали, что в закрытом объёме пчёлы начинают гибнуть при повышении концентрации С02 свыше 9%, или при снижении концентрации кислорода ниже 5% (исходные содержания этих газов в воздухе 0.03% и 21% соответственно). Поскольку потребляется кислорода по объёму столько же, сколько выделяется углекислого газа, то лимитирующим фактором является именно повышение уровня С02. Концентрацию углекислого газа до 4% пчёлы переносят спокойно, более того, по мнению специалистов, такая концентрация способствует улучшенной зимовке. При концентрации С02 в улье выше 4% пчелиная семья начинает возбуждаться и вентилировать гнездо.
Подробный анализ теплового состояния клуба проводит и Корж В. Д10Ж. В центральной части клуба, в зоне повышенной температуры, где плотность «населения» меньше, чем во внешней корке, пчелы находятся в движении. Эта часть клуба всегда захватывает часть рамок с кормом, который прогрет и доступен для потребления пчелами. Холодный же мед за пределами центра клуба пчелы не способны потреблять. Ближе к поверхности температура клуба понижается, и хотя находящиеся там пчелы вынуждены увеличить метаболизм и выделять больше тепла, они становятся менее подвижными и образуют наружный слой клуба, называемый коркой. Однако на поверхности клуба они долго оставаться не могут и поэтому переходят в теплую зону за очередной порцией корма. Хотя вся масса клуба и расчленяется сотами, пчелы в нем размещаются таким образом, чтобы использовать тепло особей, находящихся в соседних улочках. Поэтому они забираются в пустые ячейки, которые с противоположной стороны заняты и обогреваются размещенными в них пчелами. Благодаря этому центры концентрации пчел в соседних улочках практически совпадают. В зимнем клубе до 75% всех пчел размещаются на сотах и в ячейках, свободных от меда. Остальные сидят на запечатанных или
распечатанных ячейках с кормом. Исследования в Кемеровской опытной станции пчеловодства показали, что клуб пчел размещается в верхней части гнезда, но если очень большие площади сотов сверху залиты медом, то клуб формируется глубоко внизу, не отрываясь от пустых сотов. За зиму здоровая пчелиная семья расходует на питание от 5—6 до 10—12 кг меда. В слабых семьях пчелы потребляют меда больше на единицу своей массы, чем в сильных, так как им приходится интенсивнее выделять тепло. Так, например, семья пчел весом 1 кг съедает за сутки до 100 г меда (10 мг на пчелу), а семья весом 3,0 кг — только 50—70 г меда (2 мг на пчелу). По данным НИИ пчеловодства «семья на 12 улочках» выделяет мощность в зимний период от 5 до 25 Вт [3].
Тепловой режим клуба не везде одинаков. В центральной части клуба температура колеблется в пределах от +20 до +36 °С. По направлению от центра клуба к оболочке температура снижается до +12 ....+ 15°С. Можно привести (рисунок 2) результаты натурного эксперимента в виде графика распределения температур в центральной
Рисунок 2 - Распределение температур в центральной улочке (внешняя температура - 20°С, а ночью было до - 31 °С)
Внешняя граница клуба проходит по изотерме 10 °С. Также следует привести распределение температур в улье при различных температурах окружающего воздуха в пределах центральной улочки (рисунок 3). Как видно из изображений характер распределения температур везде совпадает.
В НИИ Пчеловодства была предпринята попытка изучить процесс теплообмена в улье сначала на тепловой модели с последующей проверкой на пчелиной семье с помощью улья-калориметра, который позволяет производить непосредственное измерение тепловых потоков как всего ограждения в целом, так и отдельных его элементов, не прибегая к вычислениям потерь тепла на вентиляцию. Эксперименты показали, что больше оказывается тепловое сопротивление пространства улья, не занятого пчелами. Оно во всех опытах составляло 1,4-1,8, в среднем 1,6 °С/Вт или 60-74% от общего. Не очень сильно повлияло на общее тепловое сопротивление утепление улья подушкой и открытие летков. Расчетные потери тепла различными ограждениями, составленные по результатам опытов, показывают, что тепловое сопротивление ульев действительно влияет на потери тепла, однако это влияние относительно невелико. Так, при -20 °С улей из доски толщиной 25 мм теряет 16,2 Вт тепла, а такой же улей с толщиной стенки 50 мм - 15,3 Вт. Поэтому, видимо, нет необходимости в типовых ульях излишне увеличивать толщину стенки.
При выращивании расплода пчелы поддерживают возле него постоянную температуру от 34 до 35°С. Вне сотов с расплодом, температура ниже — до 30°С, а на крайних сотах до 25°С. Большинство моделей терморегуляции — это математические модели зимнего клуба пчел ^.ОтСо1Э, 1987; J.Watmough S.Camazine, 1995; D.Sumpter, D.Broomhed, 2000; В.А.Тобоев, 2006), причем в них в основном моделируется не вся система терморегуляции, а лишь ее пассивная часть, охватывающая только стационарные режимы. Несмотря на очевидные их преимущества, нельзя недооценивать и теплофизические модели. Обладая реальной массой, теплоемкостью и температурой, находясь в реальных условиях теплообмена, они более наглядны и понятны большинству биологов, не владеющих специальными математическими знаниями. В работе [4] предлагается теплофизическая модель зимнего клуба пчел с системой регулирования центральной и периферической температуры. Это обобщенная натурная модель процессов теплопродукции и теплоотдачи, происходящих в скоплении пчел при изменении внешней температуры. Типичная картина распределения температур в скоплении пчел показана на рисунке 4. Термограммы снимались с интервалом 60 с.
На основе исследования динамических особенностей тепловой картины на поверхности скопления пчел в предлагаемую модель заложена гипотеза регуляции температуры в центре клуба и на периферии по ее выходу из определенной зоны.
Рисунок 3- Термограммы изменения тепловых полей в зимнем клубе пчел (температура окружающей среды -2°С)
Поддержание температурного гомеостаза осуществляется двумя сходными регуляторами, настроенными на разные интервалы температур, значения которых можно задавать в зависимости от реализуемой модели. Комфортными для пчел взяты значения температур в центральной части гнезда 24...32°С (при отсутствии расплода). С его появлением этот диапазон изменится до 33,5...35,5°С .
В работе Суходольца Л.Г. [5] также проанализирована возможность передачи тепла конвекцией (теплопередача тепла при помощи газа вследствие его движения). Установлено, что в воздушных зазорах конвективного движения воздуха не происходит, поскольку теплый, более легкий воздух уже находится наверху. Таким образом, теплопроводность воздушного промежутка при движении потока тепла сверху вниз намного меньше, чем в других направлениях.
Моделированием тепловых процессов занимался и Бортник Е. В результате были получены характеристики распределения трехмерного температурного поля в объеме, картина по днищу и рамкам, в разных сечениях (рисунок 5).
При этом были установлены необходимые мощности и конфигурации обогревателей. Моделирование теплового режима выполнено на ЭВМ с применением профессионального программного пакета Ашув МиНурЬувюв и физических экспериментов. При построении математической модели использованы граничные условия второго и третьего рода. На рисунках показано расположение обогревателя в фальшь-днище и наличие теплового потока во внутрь гнезда. Дополнительные исследования были проведены для различных видов излучателей тепла и разнообразных пассивных утеплителей при разных погодных условиях.
Рисунок 4 -Изображение результатов математического моделирования тепловых процессов в ульях
По картинкам видно, что для семьи на трёх улочках холод подступает непосредственно к гнезду прямо сквозь крайние гнездовые рамки. Так же очевидно, что площадь обогреваемого участка вне гнезда несколько расширяется вследствие наличия тепла, поднимающегося от обогревателя в фальшь-днище.
В своих последних публикациях Тобоев В. А. стал анализировать конвективные теплообмены с использованием современных программных продуктов [7-9]. В этих работах предложена математическая модель конвективного теплопереноса в скоплении пчел, насыщенной дыхательно-газовой смесью, при наличии внутреннего тепловыделения. Установлены влияния теплофизических параметров, факторов неоднородности скопления по плотности пчел и численности на режимы теплопереноса. Предлагается моделирование конвективного теплообмена в скоплениях пчел проводить в среде COMSOL 3.5. Принципиальным отличием предлагаемого подхода от ранее предложенных моделей является предположение о том, что скопление пчел представляет собой пористую среду, структура и параметры которой, а также физические свойства дыхательно-газовой смеси (теплоносителя) определяют процессы конвективного теплообмена. Обосновывается уже причина вертикальной асимметрии распределения температурных
полей в скоплении - конвективный теплоперенос, обусловленный удалением продуктов метаболизма и поступлением свежего воздуха (рисунок 6).
В)-
а) - карта температур в центральной части скопления; модуль вектора скорости потока
Рисунок 5 - Результаты моделирования при внешней температуре Т=-2°С
В последних работах Тобоева В. А. и его соавторов также и есть недостатки моделирования: не уделяется внимание конкретному периоду года (начало зимы, конец зимы, весна) и наличию расплода; отсутствуют характеристики, связанные с соответствующими кормовыми запасами; не приводятся динамические характеристики моделей, а это не дает возможности спроектировать адекватную систему электроподогрева.
Очень подробные расчеты по тепловым потерям в ульях были сделаны Овсянниковым ДА. и Оськиным C.B. [11]. Они учитывали потери на вентиляцию и расход корма на выращивание расплода. Также достоинствами этого исследования являются: привязка данных к региону, дополнительные расчеты по применению электрообогрева, анализ потерь проводился по каждому часу в сутках. Исследователи доказали, что применение электрообогрева приведет к экономии меда в зимний период
Заключение. Таким образом установлено, что пчелы зимой в клубе постоянно мигрируют и особи, которые возвращаются из «коры» клуба являются своеобразными датчиками температуры. Следовательно, необходимо контролировать температуру не только за ульем, но и на границе клуба. Резкие колебания наружного воздуха отрицательно действуют на пчел - они начинают волноваться, потреблять мед, что может привести к преждевременному переполнению кишечника. На основании применения электрообогрева необходимо максимально сократить колебания температуры за пределами клуба, особенно в весенний период. Для пчелосемей, расположенных в районах Северного Кавказа следует рекомендовать в качестве основного способа удаление влаги из ульев - вентиляцию. В литературе не учитывается затраты энергии пчелами на вентиляцию и
передвижение в клубе. Существующие модели тепловых процессов в улье не могут применяться в том виде для разных регионов нашей страны и эти модели не учитывают суточные колебания температуры, что характерно для отдельных климатических зон. Анализ тепловых процессов, проведенный различными исследователями, показывает, что необходимо применение локального электрообогрева, например, проводить двухзонную установку нагревателей - под клубом (для подогрева воздуха) и по краям (для подогрева корма), что особенно важно при появлении первого расплода. Анализ метеоданных СевероКавказского региона показал, что поздней зимой температура воздуха в течение суток колеблется от -15°С до +5 °С, а ранней весной от -10 °С до +18 °С. В качестве нагревательных элементов наиболее приемлемыми являются пленочного типа и их установку рекомендуют в нижней части улья, напротив летка. Предлагаемые системы обогрева не предусматривают многозонное тепловое излучение с различными режимами.
Список использованных источников:
1. Оськин C.B. Инновационные способы повышения экологической безопасности сельскохозяйственной продукции./С.В. Оськин//Землеустройство, кадастр и мониторинг земель.2013, №8.-с.75-80.
2. Оськин C.B.Инновационные установки для повышения экологической безопасности./С.В. Оськин//Чрезвычайные ситуации: промышленная и экологическая безопасность. 2013, №3-4.- с. 174-183.
З.Овсянников Д.А.Озонирование как метод стимуляции весеннего развития пчелиных семей: монография/Д.А. Овсянников; КубГАУ - Краснодар, 2007.-108 с.
4. В.А.Тобоев, ж-л «Пчеловодство» №10, 2006.-С.44-46.
5. Суходолец Л.Г. Теплофизика зимовки пчел/Л.Г. Суходолец.-М.: Колос.-2006.-138 с.
6. Трифонов А.Д Тепло- массоперенос в жизни пчел/А.Д. Трифонов.-М.: Истра, 1997.
7.Тобоев В.А., Толстов М.С. Моделирование тепловых процессов в скоплениях зимующих пчел./В.А. Тобоев, М.С. Толстов//Физические процессы в биологических системах.-июнь, 2014.- с.97-102.
8. Еськов Е.К, Тобоев В.А.Математическое моделирование распределения температурных полей в холодовых агрегациях насекомых/ Е.К. Еськов, В. А. Тобоев//Биофизика.-2009, Т.54, Вып.1, с. 114-119.
9. Тобоев В.А., Толстов М.С.Моделирование конвективного теплопереноса в скоплениях медоносных пчел/В.А. Тобоев, М.С.
Толстов// Межотраслевой институт «Наука и образование» Ежемесячный научный журнал. . г. Екатеринбург, № 3, 2014.-е. 116119.
10. Корж В.Н. Основы пчеловодства/ВН. Корж/Ростов-на-Дону, «Феникс». -2008. - 192 с.
11. Оськин С.В., Овсянников Д.А. Электротехнологические способы и оборудование для повышения производительности труда в медотоварном пчеловодстве Северного Кавказа: монография. / С.В.Оськин, Д. А. Овсянников - Краснодар: Изд-во ООО «Крон», 2015.- 198 с.
Оськин Сергей Владимирович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электрические машины и электропривод», Людмила Владимировна Потапенко, аспирант, Алина Аликовна Блягоз, mail kgauem @ yandex. ru Россия, Краснодарский край, Кубанский государственный аграрный университет
им. И.Т. Трубилина.
THE NECESSITY OF APPLICATION OF ELECTRICAL TECHNOLOGIES TO ENSURE MICROCLIMATE PARAMETERS OF
BEE COLONIES Oskin S.V., Potapenko L.V., Blyagoz A.A.
Abstract. The possibility of use of bee's cloud as a study model for studying of thermal regulation of the opened biological systems is demonstrated. The simulation of the thermal in-hive conditions could be carried out with the help of professional software Ansys Multyphysics, in the environment COMSOL. The analysis of thermal processes carried out by different research teams shows that the local electrical heating process is needed. For example, it is reasonable to install double-ozone heaters: under accumulation of bees (to warm up air) and at the sides (to warm up the feed), which is extremely important at the season of spring brood. For honey-bee colonies located in regions of the North Caucasus it is recommended to ventilate the in-hive environment in order to eliminate the moisture out of the hives.
Key words: Bees, electrical technologies, thermal physics, winter cloud, bees' wintering, simulation, microclimate
Oskin S.V. Doctor of Technical Science, Professor, Head of the Chair "Electrical Machines and Electric Drive", Potapenko L V., Blyagoz A.A., mail kgauem@yandex. ru student, Russia, Krasnodar region, Kuban State Agrarian University named after I.T. Trubilin.
