Энергосбережение в жилищах пчел

Уже при переходе от бортничества к пчеловождению в рамочных ульях исследователи неизменно отмечали повышенную жизненную энергию и продуктивность пчел, живущих в дуплах. Больше всего бросалось в глаза, особенно в зоне таёжного пчеловодства, что пчёлы превосходно зимовали в своих естественных жилищах, в то время как зимовка в ульях всегда сопровождалась значительным отходом и ослаблением семей.



Ни зимнее содержание пчел в зимовальных сооружениях, ни многочисленные попытки создания ульев, максимально приспособленных для успешной зимовки и жизни пчел, ни селекционная работа так и не смогли коренным образом переломить существующую ситуацию с непредсказуемостью результатов зимовки, особенно в северных зонах пчеловодства.

И основная причина многих неудач в содержании пчел – это недостаток каких-то звеньев в понимании важнейших сторон жизни пчел, все еще не изученных, который прямо препятствует прогрессу в пчеловодстве. Даже на такой, на первый взгляд, простой вопрос о том, какие свойства дупла определяют повышенную жизненность и продуктивность пчел, живущих в нем, так и не было получено ответа за почти двухсотлетнюю историю рационального пчеловодства. И это несмотря на, казалось бы, крайнюю простоту устройства самого типичного среднестатистического дупла дерева.

Целый ряд парадоксальных, на первый взгляд, фактов из жизни пчел так и не получил сколько-нибудь вразумительного теоретического объяснения.

Попытки создания «улья XXI века» без заполнения существующего теоретического пробела в наших знаниях о жизни пчёл, который мог бы пролить свет на многие реально существующие противоречия и логично объяснить их на основе какой-либо одной теоретической базы, вряд ли могут быть результативными.

Цель настоящей статьи – дать информацию о комплексе взаимосвязанных процессов в жилище пчел, который во многом определяет энергозатраты пчелиной семьи. Более подробно некоторые из них описаны в книге автора «Тайны пчелиного дупла. Шаг к разгадке», Киров, 2007 г.

Поскольку теплообмен жилища пчел (в основном ульев) с окружающей средой, за счет теплопередачи и излучения, в целом описаны в пчеловодной литературе, доступны для понимания и учитываются в практической работе, то основное внимание уделено тем процессам, которые остаются неизвестными пчеловодам.

Достаточно схематично процессы, влияющие на энергосбережение, можно подразделить на три группы:

I. Процессы, повышающие давление газов в объеме жилища.
II. Процессы, понижающие давление газов в объеме жилища.
III. Процессы в полости жилища, сопровождающиеся выделением тепла.

К процессам, повышающим давление газов, относятся:

1. Окисление меда.
2. Окисление перги.
3. Окисление резервных питательных веществ в организме пчелы.
4. Замерзание конденсата.
5.Тепловое расширение газов, поступающих в жилище пчел из окружающей среды.

Несмотря на то, что при окислительно-восстановительных реакциях расходуется кислород воздуха, общий объем выделенных при этом газов, главным образом H2O и CO2, намного превышает объем потребленного кислорода. Так, при потреблении 1 кг меда расходуется 0,602 м³ кислорода и выделяется 1,446 м³ газов (0,846 м³ H2O и 0,600 м³ CO2).

Превышение объема выходящих из жилища пчел газов над входящими уже нет необходимости рассматривать как «точку зрения» [7] или как «рабочую гипотезу» [4]. Это объективная реальность, существование которой не зависит от того, знают ли о ней пчеловоды или нет. Курьезность всей ситуации состоит в том, что этот чрезвычайно важный для пчеловодства факт, похоже, оставался неизвестным (или незамеченным) на протяжении всей истории рационального пчеловодства (по крайней мере в России и соседних странах).

Впервые в российской периодике о явлении превышения объема выдыхаемого пчелами отработанного воздуха над потребленным сообщил в 2000 году Н. Решетников [7], приведя конкретные объемы газов в литрах. С этой работой раньше мы не были знакомы и при своих расчетах ставили другую задачу: сравнить исходные и получаемые объемы только газов, непосредственно связанных с окислительно-восстановительными реакциями [2]. Методика расчетов была также отлична от той, которой пользовался Н. Решетников, также как и единицы измерения. Однако вычисление процентного превышения объема отработанного воздуха над потребленным на основе данных этого автора и на основе наших данных дает расхождение лишь в десятых долях процента (соответственно, 29,7% и 29,4%), что можно считать достаточно объективной взаимопроверкой результатов.

По нашим данным, объем выделенных при окислении меда газов на 140,2% или в 2,4 раза превышает объем потребленного при этом кислорода. Аналогичные процессы происходят и при потреблении пчелами перги и при расходовании резервных питательных веществ в теле пчелы.

Замерзание конденсата приводит к увеличению его объема на 8-12%, соответственно к уменьшению объема полости жилища и увеличению объема газов, выделяемых в окружающую среду. Тепловое расширение газов при нагревании происходит в соответствии с известными физическими законами.

В течение круглого года любое заселенное пчелами естественное и искусственное жилище является постоянным генератором газов.

Из изложенного достаточно очевиден тот факт, что в условиях зимовки в качестве основного лимитирующего фактора выступает дефицит кислорода, возникающий в результате естественных химических и физических процессов, а отнюдь не проблема удаления углекислого газа и избыточной влажности, столь наглядно и пагубно влияющей на результаты зимовки.

В условиях избытка выходящих газов конвекционный газообмен (когда объем вышедшего воздуха равен объему вошедшего) невозможен, поэтому основными процессами обеспечения зимующего клуба кислородом становятся диффузия газов и механическая аэрация, с той или иной периодичностью осуществляемая пчелами.

Скорость диффузии возрастает с повышением температуры, а саму возможность диффузионного обмена наружного и внутреннего воздуха при безветрии определяет достаточный размер летка, просвет которого не должен полностью перекрываться потоком выходящего из жилища воздуха. Как заметил еще Н.М. Витвицкий, размеры летка в дупле перед зимовкой дают возможность безошибочно судить о силе семьи. Большой леток всегда оставляют сильные семьи.

К процессам, понижающим давление газов в объеме жилища, относятся:

1. Конденсация паров воды.
2. Растворение газов в конденсате.
3. Убыль кормовых запасов.
4. Таяние льда.
5. Уменьшение объема газов при понижении их температуры.
6. Поглощение конденсата с растворенными газами и самих газов древесиной живого дерева.

При 100% конденсации паров воды, образующейся в результате окислительно-восстановительных реакций, объем образующегося при этом углекислого газа сравняется с объемом потребленного кислорода. То есть жилище перестает быть генератором потока газов, препятствующего газообмену.

Из газов наибольшей растворимостью в воде обладает диоксид углерода. Один миллилитр конденсирующейся влаги может удалить при 0°C (по крайней мере теоретически, так как конкретных данных по жилищам пчел еще нет) до 1,7 мл CO2.

Убыль меда в процессе его потребления приводит к тому, что расход меда в 1г освобождает объем примерно 0,71 мл.

Таяние льда уменьшает объем на 8-12%.

Уменьшение объема газов в полости дупла, вызванное их охлаждением, связано с тем, что в теплое время года температура живого дерева обычно ниже температуры окружающей среды. Так при летней максимальной температуре 37°С, температура внутренней поверхности дупла сосны не превышала 22°С.

Процессы поглощения конденсата и газов в дупле, заселенном пчелами, древесиной живого дерева, к сожалению не изучены.

Об удалении водяных паров и углекислого газа через боковые стенки дупла сообщает Г.Ф. Таранов [8]. О наличии в дупле механизма поглощения влаги проводящей системой дерева сообщает и В.Н.Корж [4]. Несколько наших опытов по поглощению деревом налитой в его дупло воды свидетельствуют о довольно высокой скорости ее убыли (до 5,5 л за трое суток). Однако объективная интерпретация этих опытов невозможна, так как топография гниющей древесины в стволе дуплистого дерева оставалась неизвестной, а пилить дерево было нельзя.

Перечисленные шесть процессов прямо противодействуют процессам, повышающим давление газов в жилище пчел. Из них поглощение воды, водяных паров и других газов проводящей системой дерева может происходить только в дупле.

Вклад каждого процесса в общее снижение избыточного давления очень различен, но при оптимальных условиях их протекания возможно снижение его до нулевого уровня. В таких условиях энергозатратный диффузионный газообмен заменяется наиболее экономичным и эффективным конвекционным. Соответственно, изматывающий пчел постоянный дефицит кислорода полностью ликвидируется. У зимующих пчел исчезает необходимость периодичного выхода из состояния покоя для того, чтобы, резко подняв температуру, запускать механическую аэрацию крыльями в качестве последнего и единственно оставшегося у них средства.

Исчезает и необходимость поддержания энергозатратной, экстремально высокой температуры в клубе и объеме жилища, чтобы хоть таким способом усилить диффузию. Теперь у пчел нет и необходимости обязательно допускать значительную утечку тепла для обогрева объема жилища. Их энергетические затраты будут обусловлены нуждами обогрева самого клуба и относительно небольшим расходом тепла на поддержание разницы в температуре внутреннего и наружного воздуха на уровне леткового отверстия (без этой разницы конвекционный газообмен невозможен).

К процессам в полости жилища, сопровождающимся выделением тепла, относятся:

1. Конденсация водяных паров в объеме жилища.
2. Замерзание конденсата.
3. Растворение газов в конденсате и жидких средах живой древесины (последнее относится к дуплу, заселенному пчелами).

Естественно, что первичным источником вообще всей тепловой энергии является окисление пищи в организмах пчел, который в обозначенном аспекте энергосбережения рассматривать не имеет смысла. Конденсация паров воды является самым значимым из трех перечисленных источников тепловой энергии. При конденсации выделяется теплота парообразования, значения которой колеблются от 2430 кДж/кг (30°С) до 2501 кДж/кг (0°С).

Замерзание конденсата приводит к выделению теплоты плавления, которая составляет 330 кДж/кг.

Количественная сторона экономии энергии пчел за счет указанного выше растворения газов не изучена и требует соответствующих исследований. Сам факт выделения тепла при растворении газов в воде в научном отношении бесспорен, но общее количество этой теплоты (выделяющейся при растворении углекислого газа, азота и кислорода), по-видимому, незначительно.

Потенциальные возможности экономии энергии пчел за счет только одной конденсации водяных паров очень велики. Предварительные расчеты показывают, что допустив, чисто гипотетически, что вся вода после пребывания в виде паров в объеме жилища преобразовывается в конденсат, то в течение года положительный баланс тепла может составить в пересчете на мед, как топливо, 50,5-55,3 кг.

То есть, в идеальных условиях, при 100% конденсации водяных паров, потребности пчелиной семьи в меде снижаются, как минимум, с 90-100 кг до 39,5-44,7 кг. Иными словами, при полном отсутствии товарного взятка пчеловод гарантированно мог бы получить от пчелиной семьи свыше 50 кг меда.

Конечно, осуществить процесс конденсации по отношению ко всей воде, поступающей в жилище, практически вряд ли возможно, но его осуществление даже на 1% дает, как минимум, 0,5 кг меда. Так что борьба за каждый дополнительный процент конденсации водяных паров достаточно высокооплачиваемая работа. Также важно то, что чем интенсивнее конденсация, тем легче осуществляются газообменные процессы.

Выведение содержащейся в нектаре воды не в виде пара, а в виде конденсата приводит к тому, что нектар любой концентрации, принесенный пчелами, будет способствовать увеличению запасов меда. (Расчеты Трифонова А.Д. [9] показывают, что при концентрации сахара в нектаре менее 14,1%, на испарение содержащейся в нем воды придется затратить часть корма, уже имеющегося в жилище. Т.е. при приносе пчелами такого нектара контрольные весы будут показывать убыль. Надо заметить, что пчелы начинают собирать нектар при концентрации сахаров выше 4,25% [1]).

Процессы конденсации с наибольшей интенсивностью происходят в зимний период. При идеальных условиях конденсация и замерзание влаги приводят к экономии свыше 3 кг меда (в условиях Кировской области), что физиологически эквивалентно сокращению длительности зимовки, как минимум, на 35 дней (или на 16,6%).

Но только экономией корма, как уже указывалось ранее, конденсация влаги далеко не исчерпывается. При максимально высоком уровне ее протекания диффузионный газообмен заменяется наиболее экономичным конвекционным.

Следует рассмотреть еще один важный аспект процесса конденсации водяных паров в объеме жилища. Водяные пары обладают более высокими диффузионными способностями по сравнению с другими газами. Вследствие этого происходит более быстрое выравнивание их концентрации по всему объему жилища. Снижение из-за таких диффузионных процессов относительной влажности воздуха в зоне непосредственного расположения клуба имеет и в физиологическом отношении для пчел чрезвычайно положительное значение. Установлено, что если при относительной влажности воздуха 25,5% пчелы живут 35 дней, то при 73,5% - 25 дней, а при влажности 93,1% продолжительность их жизни сокращается до 8 дней [3].

Процесс снижения влажности достаточно наглядно иллюстрирует всем известное явление высыхания неупакованных продуктов в холодильнике при одновременном нарастании изморози на морозильной камере. Снижение избыточного давления газов в полости жилища за счет процессов II-й группы (главным из которых является конденсация) до нуля, позволяет снизить теплопотери и за счет уменьшения теплоемкости газов, покидающих жилище пчел в процессе газообмена. Необходимо отметить, что наибольшие потери тепла здесь связаны опять таки с водяными парами, поскольку именно вода среди многих веществ обладает аномально высокой удельной теплоемкостью (4,19 кДж/кг °K).

В обычных ульях разница в температуре выходящих газов и наружного воздуха самая низкая в холодное время года и составляет 2-5°С [6]. Полная конденсация водяных паров ликвидирует и этот канал утечки энергии, и может сэкономить минимум 110-275 кДж.

Снижает теплопотери и уменьшение теплоемкости всех других газов, покидающих жилище пчел. Но это возможно только в режиме конвекционного газообмена жилища пчел с окружающей средой, позволяющем снизить температуру выходящих из летка газов до минимально возможного в конкретных условиях уровня.

Таким образом физиологическое время зимовки в идеальных условиях может уменьшиться буквально в разы по сравнению с календарным.

Такая экономия складывается из: сокращения затрат пчел на переработку меда как топлива (минимум на 35 дней), уменьшения теплоемкости всех выходящих газов, увеличения продолжительности жизни пчел, устранения причин, вызывающих аномально раннюю яйцекладку маток в искусственных жилищах и не свойственную пчелам, живущим в дуплах. Такая яйцекладка часто окончательно добивает и без того измотанную семью, зимующую в улье. Как известно, выращивание расплода укорачивает жизнь пчелы больше, чем любая другая деятельность, а уж в условиях зимовки – тем более.

Дикие пчелы имеют возможность сохранить свои силы и активно приступают к выращиванию потомства гораздо позднее, в более благоприятных температурных условиях, когда это требует куда меньших энергетических и физиологических затрат. По свидетельству Петрова Е.М. [5]: «Часто в нормально зимующих бортях червление начинается только после весеннего облета пчел».

Понятно, что реальное дупло дерева не обладает на 100% идеальными условиями, но оно в гораздо большей степени приближается к ним (чего нельзя сказать об искусственных жилищах). Какая-то часть полученной обозначенными выше способами энергии тратится на теплопередачу и излучение, какая-то часть тратится на таяние образовавшегося льда, также не все водяные пары оседают в виде конденсата и вылетают через леток наружу, унося тепло в окружающую среду. Но в любом случае сальдо от этих процессов остается положительным, отчего пчелы, живущие в дупле, всегда в выигрыше.

Какие же основные свойства дупла в живом дереве определяют его превосходство над искусственными жилищами?

На данном этапе изученности этого вопроса можно указать следующие:

1. Защищенность от внешних электромагнитных полей, как естественных, так и многократно возросших за последнее столетие полей антропогенного происхождения.
2. Удаление воды, водяных паров и других газов проводящей системой живого дерева.
3. Гораздо более высокая интенсивность протекания конденсационных процессов в полости дупла.

Это связано с тем, что по сравнению с ульями, дупла более холодные жилища, как в летний, так и в зимний период года. Кроме того, тепловые характеристики естественных жилищ в указанные периоды года различны, в то время как у искусственных жилищ они практически одинаковы.

Конечно, более детальные инструментальные исследования, с участием специалистов разного профиля, дадут куда более точную информацию обо всех указанных (а, возможно, и о новых) энергосберегающих процессах, что позволит в максимальной степени облегчить зимовку пчел и создать столь нужный (особенно для России, самой холодной стране в мире), «улей ХХI века» с максимально комфортными для жизни пчел условиями, приближенными к условиям дупла живого дерева.

Необходимость создания такого улья диктуется и процессами массового исчезновения пчел, отмеченными уже во многих странах на разных континентах. В числе важнейших факторов ухудшающегося состояния медоносной пчелы как вида следует назвать аномальный отбор, начавшийся с момента переселения пчел в искусственные жилища. Продолжающееся вырождение пчел можно остановить только создав улей, основные свойства которого приближаются к свойствам естественных жилищ пчел – дупел.

Автором предпринята попытка создания совершенно новой конструкции улья с учетом выявленного в процессе исследований механизма энергосбережения (Голуб О.Н. Улей. Патент Российской Федерации на изобретение № 2311762). Испытываются дополнительные изобретения к улью.

Испытания и доводка двух основных модификаций улья продолжаются, но уже и на данном этапе можно отметить, что его конструктивные особенности позволяют резко обойти технологические возможности подавляющего большинства широко используемых в мире ульев.

На сегодняшний день новый улей является, пожалуй, наиболее пригодным для технологии так называемого «бесконтактного пчеловодства» [10], при котором прямые контакты пчеловода с пчелами сведены до минимума.

Возможности нового подхода к конструированию столь нужного миру «улья ХХI века», основанные на точном знании энергосберегающих процессов, далеко не исчерпаны и обязательно принесут нужные для практики результаты.

Примечание:

Доклад отмечен дипломом Всероссийской научно-практической конференции «Высокие апитехнологии и апикультура» г. Ижевск, 1-5 февраля 2012 г. и дипломом Минской международной выставки-конференции пчеловодов-новаторов «Белорусская пасека-2013».

Литература

1. Буренин Н.Л., Котова Г.Н. Справочник по пчеловодству. – 2-е изд. М.: Колос, 1984г.
2. Голуб О.Н. Тайны пчелиного дупла. Шаг к разгадке. – Киров, 2007г.
3. Кисличко А. Генетический мусор жужжит впустую. Ж. Пчеловодство, №4, 2005г.
4. Корж В.Н. Основы пчеловодства. – Изд.3-е. Ростов на Дону. Феникс, 2010 г.
5. Петров Е.М. Башкирская бортевая пчела. – Уфа, 1984 г.
6. Пчеловодство. Маленькая энциклопедия. М. Советская энциклопедия, 1991г.
7. Решетников Н. Расчет воздухообмена клуба пчел зимой. Ж. Пчеловодство, №7, 2000 г.
8. Таранов Г.Ф. О вентиляции в ульях и зимовниках. Ж. Пчеловодство, №7, 1982 г.
9. Трифонов А.Д. Испарение воды из нектара в улье. Ж. Пчеловодство, № 3, 1995 г.
10. Шапкин В.Ф. Бесконтактное пчеловодство. М., ООО «Экогарант», 2005г.

О.Н. Голуб, заместитель председателя Секции инноваторов при Некоммерческом партнерстве «Кировский центр науки, технологий, инноваций – региональный информационно-инновационный центр» (НП «Кировский ЦНТИ – РИИЦ»)