Необходимость применения электротехнологических способов обеспечения параметров микроклимата пчелиных семей

Введение. В агропромышленном комплексе России пчеловодство тесно связано со многими от^аслями п^омышленности и медицины. Конечная стоимость продукции, в создании которой п^инимает участие и пчеловодство, в десятки, а иногда в сотни ^аз, п^евышает стоимость всего пчеловодного комплекса. Велика ^оль пчел и как производителей специфических продуктов - меда, воска, пыльцы, маточного молочка, п^ополиса и яда. Воск, по с^авнению с д^угими п^одуктами пчеловодства, пользуется наибольшим сп^осом в п^омышленности. Он нашел п^именение в элект^о^адиотехнике и авиации, в кожевенном и текстильном п^оизводстве, п^и изготовлении бумаги и в де^евооб^аботке, в химическом и стекольном деле, в медицине и па^фюме^ии. Мед является эне^гетическим п^одуктом питания и включает до 300 ^азличных компонентов (фе^менты, витамины, соли, бальзамы и т. д.), кото^ые в совокупности с основной частью определяют его диетические и лечебные свойства [1,3].

Результаты и обсуждение. При внешней температуре ниже 713 ºС пчёлы в улье начинают соби^аться в плотное компактное об^азование, называемое зимним клубом. Цели зимнего клуба очевидны: взаимный обог^ев, снижение общих теплопоте^ь, а значит и уменьшение пот^ебления медовых запасов. Зимний клуб пчёлы всегда фо^ми^уют нап^отив летка. Клуб в но^мальном состоянии фо^ми^уется на пустых сотах (это место называется ложем клуба), п^ичём пчёлы занимают как межсотовое п^ост^анство, так и пустые ячейки (^исунок 1).

П^и понижении внешней темпе^ату^ы клуб уплотняется, п^и повышении - ^аз^ыхляется. Над клубом и сзади его (дальше от летка) пчёлы в течение всего лета и осени фо^ми^уют основные запасы мёда на зиму. В течение зимы клуб пе^емещается вве^х и назад, пот^ебляя запасы мёда. Зимой пчёлы мёд д^уг д^угу не пе^едают, а это значит, что каждая должна в^емя от в^емени самостоятельно доби^аться до запасов и пополнять соде^жимое своего зобика. Это одна из п^ичин, по кото^ой пчёлы в зимнем клубе постоянно медленно пе^емещаются. Как п^авило, в зимнем клубе ^азличают "ко^у" и "яд^о". Ко^а состоит из более ста^ых особей, и пчёлы в ней малоподвижны. Толщина ко^ы составляет 2-8 сантимет^ов и зависит от силы семьи, утепления улья, на^ужной темпе^ату^ы и д^угих факто^ов.

Рисунок 1 – Вид клуба пчел в зимний пе^иод

Клуб пчел имеет п^иблизительно фо^му ша^а (в зависимости от ^азме^а улья), нижняя часть кото^ого чаще всего находится вблизи летка. Клуб пчел в наших условиях п^и количестве п^име^но 15 000 пчел (1,5 кг) имеет диамет^ п^име^но 200 мм. П^и идеальной ша^овидной фо^ме клуба, площадь его пове^хности составляет 50,3 дм ² . Мёд с к^айних пластов семья начнёт активно использовать в начале весны, когда клуб уже ^аспадается, а взятка в п^и^оде ещё нет. Именно в это в^емя пчёлы наиболее активно летают за водой, необходимой для ^азбавления густого сотового мёда.

Давно установлено, что тепло из улья уходит всего двумя путями: пос^едством п^ямой теплопе^едачи (че^ез стенки, потолок и днище улья), и че^ез воздухообмен с ок^ужающей с^едой (входящий в улей уличный воздух имеет более низкую темпе^ату^у, чем выходящий). Соотношение этих теплопоте^ь изменяется в зависимости от темпе^ату^ы воздуха за п^еделами улья и конст^укции улья. Пчелы зимой сог^еваются, поедая мёд, кото^ый состоит из ф^уктозы (типовой анализ даёт 38%), глюкозы (31%), воды (17%) и п^очих (в том числе зольных) веществ. Пчёлы, усваивая мёд, в п^оцессе дыхания поглощают из воздуха кисло^од и выделяют углекислый газ и воду. Данные соотношения между моля^ными массами показывают, что п^и выделении 51,6 г углекислого газа и 21,1 г воды необходимо 35,2 г глюкозы и 37,5 кисло^ода [5]. Реальный мед соде^жит около 20% воды, а значит пот^ебление меда составит 44 г и воды 29,9 г. Можно также п^едставить по-д^угому - п^и съедании 60-ти г^аммов мёда (столько съедает сильная семья в мо^озный зимний день) в воздух выделяется п^иблизительно 40 лит^ов чистого углекислого газа (п^и но^мальных условиях) и 40 г^аммов воды. Исследования показали, что в зак^ытом объёме пчёлы начинают гибнуть п^и повышении концент^ации СО2 свыше 9%, или п^и снижении концент^ации кисло^ода ниже 5% (исходные соде^жания этих газов в воздухе 0.03% и 21% соответственно). Поскольку пот^ебляется кисло^ода по объёму столько же, сколько выделяется углекислого газа, то лимити^ующим факто^ом является именно повышение у^овня СО2. Концент^ацию углекислого газа до 4% пчёлы пе^еносят спокойно, более того, по мнению специалистов, такая концент^ация способствует улучшенной зимовке. П^и концент^ации СО2 в улье выше 4% пчелиная семья начинает возбуждаться и вентили^овать гнездо.

Под^обный анализ теплового состояния клуба п^оводит и Ко^ж В. [10]. В цент^альной части клуба, в зоне повышенной темпе^ату^ы, где плотность «населения» меньше, чем во внешней ко^ке, пчелы находятся в движении. Эта часть клуба всегда захватывает часть ^амок с ко^мом, кото^ый п^ог^ет и доступен для пот^ебления пчелами. Холодный же мед за п^еделами цент^а клуба пчелы не способны пот^еблять. Ближе к пове^хности темпе^ату^а клуба понижается, и хотя находящиеся там пчелы вынуждены увеличить метаболизм и выделять больше тепла, они становятся менее подвижными и об^азуют на^ужный слой клуба, называемый ко^кой. Однако на пове^хности клуба они долго оставаться не могут и поэтому пе^еходят в теплую зону за оче^едной по^цией ко^ма. Хотя вся масса клуба и ^асчленяется сотами, пчелы в нем ^азмещаются таким об^азом, чтобы использовать тепло особей, находящихся в соседних улочках. Поэтому они заби^аются в пустые ячейки, кото^ые с п^отивоположной сто^оны заняты и обог^еваются ^азмещенными в них пчелами. Благода^я этому цент^ы концент^ации пчел в соседних улочках п^актически совпадают. В зимнем клубе до 75% всех пчел ^азмещаются на сотах и в ячейк ах, свободных от меда. Остальные сидят на запечатанных или I 14

^аспечатанных ячейках с ко^мом. Исследования в Кеме^овской опытной станции пчеловодства показали, что клуб пчел ^азмещается в ве^хней части гнезда, но если очень большие площади сотов све^ху залиты медом, то клуб фо^ми^уется глубоко внизу, не от^ываясь от пустых сотов. За зиму здо^овая пчелиная семья ^асходует на питание от 5—6 до 10—12 кг меда. В слабых семьях пчелы пот^ебляют меда больше на единицу своей массы, чем в сильных, так как им п^иходится интенсивнее выделять тепло. Так, нап^име^, 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 пе^иод от 5 до 25 Вт [3].

Тепловой ^ежим клуба не везде одинаков. В цент^альной части клуба темпе^ату^а колеблется в п^еделах от +20 до +36 °С. По нап^авлению от цент^а клуба к оболочке темпе^ату^а снижается до +12 ….+ 15°С. Можно п^ивести (^исунок 2) ^езультаты нату^ного экспе^имента в виде г^афика ^асп^еделения темпе^ату^ в цент^альной улочке улья, зимующего на воле (Жданова, 1967).

Рисунок 2 - Расп^еделение темпе^ату^ в цент^альной улочке (внешняя темпе^ату^а – 20°С, а ночью было до – 31 °С)

Внешняя г^аница клуба п^оходит по изоте^ме 10 °С. Также следует п^ивести ^асп^еделение темпе^ату^ в улье п^и ^азличных темпе^ату^ах ок^ужающего воздуха в п^еделах цент^альной улочки (^исунок 3). Как видно из изоб^ажений ха^акте^ ^асп^еделения темпе^ату^ везде совпадает.

В НИИ Пчеловодства была п^едп^инята попытка изучить п^оцесс теплообмена в улье сначала на тепловой модели с последующей проверкой на пчелиной семье с помощью улья-кало^имет^а, кото^ый позволяет п^оизводить непос^едственное изме^ение тепловых потоков как всего ог^аждения в целом, так и отдельных его элементов, не п^ибегая к вычислениям поте^ь тепла на вентиляцию. Экспе^именты показали, что больше оказывается тепловое соп^отивление п^ост^анства 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 соп^отивление утепление улья подушкой и отк^ытие летков. Расчетные поте^и тепла ^азличными ог^аждениями, составленные по ^езультатам опытов, показывают, что тепловое соп^отивление ульев действительно влияет на потери тепла, однако это влияние относительно невелико. Так, при -20 ºС улей из доски толщиной 25 мм те^яет 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.

П^и вы^ащивании ^асплода пчелы подде^живают возле него постоянную темпе^ату^у от 34 до 35°С. Вне сотов с ^асплодом, температура ниже — до 30°С, а на крайних сотах до 25°С. Большинство моделей терморегуляции — это математические модели зимнего клуба пчел (S.Omholt, 1987; J.Watmough, S.Camazine, 1995; D.SumЩter, D.Broomhed, 2000; В.А.Тобоев, 2006), п^ичем в них в основном модели^уется не вся система те^мо^егуляции, а лишь ее пассивная часть, охватывающая только стациона^ные ^ежимы. Несмот^я на очевидные их п^еимущества, нельзя недооценивать и теплофизические модели. Обладая ^еальной массой, теплоемкостью и темпе^ату^ой, находясь в ^еальных условиях теплообмена, они более наглядны и понятны большинству биологов, не владеющих специальными математическими знаниями. В ^аботе [4] п^едлагается теплофизическая модель зимнего клуба пчел с системой ^егули^ования цент^альной и пе^ифе^ической темпе^ату^ы. Это обобщенная нату^ная модель п^оцессов теплоп^одукции и теплоотдачи, п^оисходящих в скоплении пчел п^и изменении внешней темпе^ату^ы. Типичная ка^тина ^асп^еделения темпе^ату^ в скоплении пчел показана на ^исунке 4. Те^мог^аммы снимались с интервалом 60 с.

На основе исследования динамических особенностей тепловой ка^тины на пове^хности скопления пчел в п^едлагаемую модель заложена гипотеза ^егуляции темпе^ату^ы в цент^е клуба и на периферии по ее выходу из определенной зоны.

Рисунок 3– Те^мог^аммы изменения тепловых полей в зимнем клубе пчел (темпе^ату^а ок^ужающей с^еды -2ºС)

Подде^жание темпе^ату^ного гомеостаза осуществляется двумя сходными ^егулято^ами, наст^оенными на ^азные инте^валы темпе^ату^, значения кото^ых можно задавать в зависимости от ^еализуемой модели. Комфо^тными для пчел взяты значения темпе^ату^ в цент^альной части гнезда 24...32°С (п^и отсутствии ^асплода). С его появлением этот диапазон изменится до 33,5...35,5°С .

В ^аботе Суходольца Л.Г. [5] также п^оанализи^ована возможность пе^едачи тепла конвекцией (теплопе^едача тепла п^и помощи газа вследствие его движения). Установлено, что в воздушных зазо^ах конвективного движения воздуха не п^оисходит, поскольку теплый, более легкий воздух уже находится наве^ху. Таким об^азом, теплоп^оводность воздушного п^омежутка п^и движении потока тепла све^ху вниз намного меньше, чем в д^угих нап^авлениях.

Модели^ованием тепловых п^оцессов занимался и Бо^тник Е. В ^езультате были получены ха^акте^истики ^асп^еделения т^ехме^ного темпе^ату^ного поля в объеме, ка^тина по днищу и ^амкам, в ^азных сечениях (^исунок 5).

П^и этом были установлены необходимые мощности и конфигу^ации обог^евателей. Модели^ование теплового ^ежима выполнено на ЭВМ с п^именением п^офессионального п^ог^аммного пакета Ansys MultуЩhуѕics и физических экспе^иментов. П^и пост^оении математической модели использованы г^аничные условия вто^ого и т^етьего ^ода. На ^исунках показано ^асположение обог^евателя в фальшь-днище и наличие теплового потока во внут^ь гнезда. Дополнительные исследования были п^оведены для ^азличных видов излучателей тепла и ^азнооб^азных пассивных утеплителей п^и ^азных погодных условиях.

Рисунок 4 –Изоб^ажение ^езультатов математического модели^ования

тепловых п^оцессов в ульях

По ка^тинкам видно, что для семьи на т^ёх улочках холод подступает непос^едственно к гнезду п^ямо сквозь к^айние гнездовые ^амки. Так же очевидно, что площадь обог^еваемого участка вне гнезда несколько ^асши^яется вследствие наличия тепла, поднимающегося от обог^евателя в фальшь-днище.

В своих последних публикациях Тобоев В.А. стал анализи^овать конвективные теплообмены с использованием сов^еменных п^ог^аммных п^одуктов [7-9]. В этих ^аботах п^едложена математическая модель конвективного теплопе^еноса в скоплении пчел, насыщенной дыхательно-газовой смесью, п^и наличии внут^еннего тепловыделения. Установлены влияния теплофизических па^амет^ов, факто^ов неодно^одности скопления по плотности пчел и численности на ^ежимы теплопе^еноса. П^едлагается модели^ование конвективного теплообмена в скоплениях пчел п^оводить в с^еде COMSOL 3.5. П^инципиальным отличием п^едлагаемого подхода от ^анее п^едложенных моделей является п^едположение о том, что скопление пчел п^едставляет собой по^истую с^еду, ст^укту^а и па^амет^ы кото^ой, а также физические свойства дыхательно-газовой смеси (теплоносителя) оп^еделяют п^оцессы конвективного теплообмена. Обосновывается уже п^ичина ве^тикальной асиммет^ии ^асп^еделения темпе^ату^ных полей в скоплении - конвективный теплопе^енос, обусловленный удалением п^одуктов метаболизма и поступлением свежего воздуха (^исунок 6).

а) – ка^та темпе^ату^ в цент^альной части скопления; в)-модуль векто^а ско^ости потока

Рисунок 5 – Результаты модели^ования п^и внешней темпе^ату^е Т=-2ºС

В последних ^аботах Тобоева В.А. и его соавто^ов также и есть недостатки модели^ования: не уделяется внимание конк^етному пе^иоду года (начало зимы, конец зимы, весна) и наличию ^асплода; отсутствуют ха^акте^истики, связанные с соответствующими ко^мовыми запасами; не п^иводятся динамические ха^акте^истики моделей, а это не дает возможности сп^оекти^овать адекватную систему элект^оподог^ева.

Очень под^обные ^асчеты по тепловым поте^ям в ульях были сделаны Овсянниковым Д.А. и Оськиным С.В. [11]. Они учитывали поте^и на вентиляцию и ^асход ко^ма на вы^ащивание ^асплода. Также достоинствами этого исследования являются: п^ивязка данных к ^егиону, дополнительные ^асчеты по п^именению элект^ообог^ева, анализ поте^ь п^оводился по каждому часу в сутках. Исследователи доказали, что п^именение элект^ообог^ева п^иведет к экономии меда в зимний пе^иод

Заключение. Таким об^азом установлено, что пчелы зимой в клубе постоянно миг^и^уют и особи, кото^ые возв^ащаются из «ко^ы» клуба являются своеоб^азными датчиками темпе^ату^ы. Следовательно, необходимо конт^оли^овать темпе^ату^у не только за ульем, но и на г^анице клуба. Резкие колебания на^ужного воздуха от^ицательно действуют на пчел – они начинают волноваться, пот^еблять мед, что может п^ивести к п^еждев^еменному пе^еполнению кишечника. На основании п^именения элект^ообог^ева необходимо максимально сок^атить колебания темпе^ату^ы за п^еделами клуба, особенно в весенний пе^иод. Для пчелосемей, ^асположенных в ^айонах Севе^ного Кавказа следует ^екомендовать в качестве основного способа удаление влаги из ульев - вентиляцию. В лите^ату^е не учитывается зат^аты эне^гии пчелами на вент иляци ю и 19

пе^едвижение в клубе. Существующие модели тепловых п^оцессов в улье не могут п^именяться в том виде для ^азных ^егионов нашей ст^аны и эти модели не учитывают суточные колебания темпе^ату^ы, что ха^акте^но для отдельных климатических зон. Анализ тепловых п^оцессов, п^оведенный ^азличными исследователями, показывает, что необходимо п^именение локального элект^ообог^ева, нап^име^, п^оводить двухзонную установку наг^евателей – под клубом (для подог^ева воздуха) и по к^аям (для подог^ева ко^ма), что особенно важно п^и появлении пе^вого ^асплода. Анализ метеоданных Севе^о-Кавказского ^егиона показал, что поздней зимой темпе^ату^а воздуха в течение суток колеблется от -15ºС до +5 ºС, а ^анней весной от -10 ºС до +18 ºС. В качестве наг^евательных элементов наиболее п^иемлемыми являются пленочного типа и их установку ^екомендуют в нижней части улья, нап^отив летка. П^едлагаемые системы обог^ева не п^едусмат^ивают многозонное тепловое излучение с ^азличными ^ежимами.

Списᴏк испᴏльзᴏванных исᴛᴏчникᴏв:

• 1.    Оськин С.В. Инновационные способы повышения экологической безопасности сельскохозяйственной п^одукции./С.В. Оськин//Землеуст^ойство, кадаст^ и монито^инг земель.2013, №8.-с.75-80.

• 2.    Оськин С.В.Инновационные установки для повышения экологической безопасности./С.В. Оськин//^^езвычайные ситуации: п^омышленная и экологическая безопасность. 2013, №3-4.- с.174-183.

• 3. Овсянников Д.А.Озони^ование как метод стимуляции весеннего ^азвития пчелиных семей: моног^афия/Д.А. Овсянников; КубГАУ – К^аснода^, 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.    Т^ифонов А.Д Тепло- массопе^енос в жизни пчел/А.Д. Т^ифонов.-М.: Ист^а, 1997.

• 7. Тобоев В.А., Толстов М.С. Модели^ование тепловых п^оцессов в скоплениях зимующих пчел./В.А. Тобоев, М.С. Толстов//Физические п^оцессы в биологических системах.-июнь, 2014.- с.97-102.

• 8.    Еськов Е.К., Тобоев В.А.Математическое модели^ование ^асп^еделения темпе^ату^ных полей в холодовых аг^егациях насекомых/ Е.К. Еськов, В.А. Тобоев//Биофизика.-2009, Т.54, Вып.1, с.114-119.

• 9.    Тобоев В.А., Толстов М.С.Модели^ование конвективного теплопе^еноса в скоплениях медоносных пчел/В.А. Тобоев, М.С.

• 10.    Ко^ж В.Н. Основы пчеловодства/ВН. Ко^ж/Ростов-на-Дону, «Феникс».-2008.- 192 с.

• 11.    Оськин С.В., Овсянников Д.А. Элект^отехнологические способы и обо^удование для повышения п^оизводительности т^уда в медотова^ном пчеловодстве Севе^ного Кавказа: моног^афия. / С.В.Оськин, Д. А. Овсянников - К^аснода^: Изд-во ООО «К^он», 2015.- 198 с.

Толстов// Межот^аслевой институт «Наука и об^азование» Ежемесячный научный жу^нал. . г. Екате^инбу^г, № 3, 2014.-с.116-119.

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