Динамика температуры в полости дерева, деревянном ящике и ульях Лангстрота с изоляцией и без неё.

Название этой статьи — Thinking Outside the Box — может переводиться также как «Мыслить не стандартно» или «Мышление за пределами коробки». Тут есть определенная игра слов если коробка понимается в значении улей. Мыслить вне рамок — тоже удачно укладывается в нужный смысл! 🙂

Робин В. Рэдклифф и Томас Д. Сили
Оригинал на английском языке (pdf)

Когда в 1850-х годах Лоренцо Л. Лангстрот разработал свой улей с рамками, кажется, что он не уделял должного внимания теплоизоляции и тепловой массе стенок, пола и крышек своих ульев. В наши дни улей Лангстрота изменился очень мало: он по-прежнему состоит из штабеля довольно тонкостенных деревянных ящиков, которые стоят на деревянном дне и закрыты деревянной крышкой. Это означает, что управляемые колонии обычно занимают дома, которые плохо изолированы и имеют низкую тепловую массу. (ПРИМЕЧАНИЕ: «Плохая теплоизоляция» означает, что дом слабо сопротивляется потере тепла; «низкая тепловая масса» означает, что дом обладает малой теплоаккумулирующей способностью. Оба эти свойства замедляют скорость поступления и выхода тепла из дома [Hampton 2010]).

Это прискорбно. Мы все знаем, что теплоизоляция здания очень важна для стабилизации внутренней температуры, независимо от времени года. Вероятно, мы также знаем, что тепловая масса здания также помогает стабилизировать температуру внутри него. Таким образом, и уровень изоляции, и тепловая масса улья влияют на то, насколько тепловую защиту улей обеспечивает семье, живущей внутри него. Этот уровень тепловой защиты, в свою очередь, влияет на то, сколько энергии колония должна затратить на поддержание надлежащей температуры в гнезде с расплодом летом и в клубе без расплода зимой.

Чтобы понять, как различается задача контроля температуры у семей в дуплах деревьев и семей в ульях пчеловодов, мы сравнили тепловую защиту, обеспечиваемую дуплом дерева, с тепловой защитой, обеспечиваемой ульем Лангстрота. Мы предположили, что толстые стены, пол и потолок древесной полости обеспечивают семье лучшую тепловую защиту, чем улей Лангстрота. Но мы не знали, является ли разница в теплозащите между этими двумя типами жилищ маленькой, средней или большой.

Итак, мы начали наше исследование с измерения колебаний температуры в двух пустых полостях, одинаковых по размеру и форме, но разных по структуре. Одна полость находилась внутри большого дерева, а другая — в деревянном ящике, сделанном из пиломатериалов, подобных тем, что используются для ульев Лангстрота. Ветен расширил наше исследование и сравнил колебания температуры внутри ульев Лангстрота (в которых жили семьи), которые были или не были хорошо изолированы.

Мы провели эти исследования, чтобы ответить на два вопроса. Во-первых, насколько лучше жизненное пространство семьи защищено от внешних температурных колебаний, если её домом является не деревянный ящик, а три разных полости? Во-вторых, насколько меньше колебания температуры внутри улья Лангстрота (вне зимнего клуба), когда улей утеплен толстым шерстяным одеялом, чем когда он не утеплен таким образом?

Исследование 1: Пустое дупло дерева и пустой деревянный ящик

Методы

Мы построили два экспериментальных гнездовых дупла (рис. 1). Одно из них находилось в живом дереве, а другое — в деревянном ящике. Эти две полости были сопоставимы по размеру и форме, а также по входу в них, размеру, форме и высоте. Обе полости имели размеры и форму естественного гнезда, и у обеих было входное отверстие, подобное отверстию естественного гнезда (как описано в Seeley and Morse, 1976). Так, обе полости имели высоту 34 дюйма (86 см), квадратное горизонтальное сечение 9,5 х 9,5 дюйма (24 х 24 см) и объем 1,8 кубического фута (50 литров). В обеих полостях было только одно отверстие с круговым обзором, которое совпадало по размеру (2 дюйма [5 см] в диаметре), высоте над полом полости (7 дюймов [18 см]), высоте над землей (40 дюймов [1 м]) и направлению (на юг).

Местом нашего исследования была опушка государственного леса Шиндагин Холлоу рядом с деревушкой Бруктондейл в штате Нью-Йорк (широта 42.33595°, долгота 76.32741°). Полости в дереве были сделаны путем вырезания отверстия — с помощью бензопилы, пилы и зубила — в живом сахарном клене (Acer saccharum), чей диаметр у основания (DBH), на высоте 4,5 фута (1,4 м) от земли, составлял 36 дюймов (90 см). В южной части дерева была создана прямоугольная полость высотой 34 дюйма, шириной 9,5 дюйма и глубиной 15,5 дюйма (86 x 24 x 39 см). Затем отверстие плотно закрыли 6-дюймовой плитой из древесины сахарного клена, оставив за ней пространство глубиной 9,5 дюйма (24 см).

Толщина четырех стенок, ограждающих полость дерева, составляет 13 дюймов (33 см) с обеих сторон, 20 дюймов (51 см) сзади и 6 дюймов (15 см) спереди. Учитывая, что R-value (термическое сопротивление) пиломатериалов из твердых пород дерева составляет около 0,7/дюйм (1,8/см), мы считаем, что средний R-value стенок этой полости составляет около 9,1. Деревянный ящик изготовлен из досок белой сосны (Pinus strobus) толщиной 0,75 дюйма (1,9 см) — такой же толщины, как и пиломатериалы, используемые для изготовления большинства ульев Лангстрота. R-значение сосновой доски составляет около 1,4/дюйм (3,6/см), поэтому R-значение стенок этого деревянного ящика (как и стенок улья Лангстрота) составляет около 1,0. Этот ящик был установлен на платформе с южной стороны исследуемого дерева и всего в 7 футах (2,1 м) от него. Таким образом, полость дерева и деревянный ящик были сопоставимы по высоте и воздействию ветра и солнца.

Для получения непрерывных записей температуры воздуха внутри обеих полостей и температуры воздуха за их пределами мы установили три датчика температуры (HOBOnet Temperature/Relative Humidity Sensor ModelRXW-THC-900; Onset ComputerCorp., Bourne, MA). Мы поместили по одному датчику внутри каждой полости на расстоянии 25 дюймов (64 см) от пола полости и один датчик «окружающей среды» вне полостей (рис. 2). Датчик окружающей среды был размещен на соседнем дереве в защитном кожухе, чтобы защитить его от прямого солнечного света.

Три датчика были соедены в беспроводную сеть с помощью станции дистанционного мониторинга Wi-Fi (RX3000, Onset Corp.). Каждый датчик питался от батарей, заряжаемых от солнечной панели, встроенной в датчик HOBOnet. Показания датчиков записывались автоматически каждые 30 минут. Мы продолжили регистрацию температуры в течение двух зимне-весенних сезонов в 2019-2020 и 2020-2021 годах; данные, использованные для анализа, начались 1 января 2020 года и закончились 3 мая 2021 года.

Деревянный ящик не был утеплен зимой 2019-2020 годов, но зимой 2020-2021 годов он был накрыт шерстяным одеялом (BeehiveCozy Cover; BackYardHive, EldoradoSprings, CO), чтобы мы могли изучить эффект утепления улья. Теплоизоляция четырех слоёв шерсти в этом покрывале составляет R-30.

Результаты

Испытание 1: полость дерева против деревянного ящика без изоляции.

Характер температуры окружающей среды, показанный на рисунке 4, типичен для зимнего дня на северо-востоке США. Утром было облачно и прохладно (около 18°F [-8° C]), а после полудня солнечно и тепло (около 25°F [-4°C]). Эта запись также демонстрирует температурный буфер полости дерева и солнечный нагрев деревянного ящика. Температура в полости дерева (около 32°F [0°C]) почти не менялась в течение 24 часов, но температура внутри ящика сильно колебалась. Температура внутри ящика следовала за изменениями температуры окружающей среды, за исключением полудня, когда солнечный свет нагревал ящик почти до 36°F (2°C).

Испытание 2: полость дерева по сравнению с деревянным ящиком с изоляцией

Деревянный ящик был обернут шерстяным одеялом. Сравнивая записи для деревянного ящика на рисунках 4 и 5, мы видим, что одеяло уменьшило колебания температуры в ящике, но не обеспечило такой надежной тепловой защиты, как ствол клена. Одеяло улучшило изоляцию деревянного ящика, но мало способствовало увеличению его тепловой массы.

Исследование 2: занятые ульи Лангстрота с изоляцией и без нее

Методы

Мы сравнили температуру внутри двух ульев Лангстрота, в которых находились колонии медоносных пчел одинакового размера. Один улей был утеплен шерстяным одеялом (Beehive Cozy Cover), а другой улей был оставлен голым (Рис. 6). Ни в одном из ульев не было верхнего входа, поэтому ни одна из семей не испытывала значительных потерь тепла за счёт конвекции/воздушного потока из улья. Известно, что когда медоносные пчёлы выбирают место для гнезда, они предпочитают дупла деревьев с отверстием внизу (Seeley and Morse, 1978). Известно также, что если пчеловод обеспечивает верхний вход, то это значительно увеличивает скорость потери тепла из улья колонией, особенно в холодные дни (Mitchell 2017).

Два улья располагались на расстоянии 6 футов друг от друга на пасеке, которая находилась в 1600 футах (488 м) от места проведения исследования 1. Колонии, занимавшие два улья Лангстрота, были одинаковыми по размеру (это можно было определить, осмотрев пчел на каждой рамке в обоих ульях). Каждая колония была сильной поздней осенью; её популяция заполняла улей, состоящий из глубокого 10-рамочного корпуса над средним 10-рамочным корпусом (рис. 6). Мы установили по одному датчику температуры внутри каждого улья в стандартном месте: между внешней стенкой верхнего корпуса улья и крайней рамкой и на 3 дюйма (7,6 см) ниже верха этой рамки. Мы выбрали такое расположение датчиков, чтобы они находились вне зимнего клуба и, следовательно, регистрировали только внутреннюю температуру в улье. Датчики были подключены к беспроводной сети Onset, и данные о температуре автоматически записывались каждые 30 минут.

Результаты

На рисунке 7 показаны три основных результата: (1) температура внутри занятых ульев (изолированных и неизолированных) была повышенной по сравнению с температурой внутри аналогичных пустых полостей (полости дерева и деревянного ящика); (2) в занятом улье, защищенном шерстяным одеялом, наблюдалась стабильность температуры, близкая к наблюдаемой в полости дерева; (3) в занятом улье без шерстяного одеяла температура колебалась почти так же сильно, как в пустом деревянном ящике, включая повышение температуры до уровня, значительно превышающего температуру окружающей среды. Это повышение температуры было вызвано пассивным солнечным нагревом во второй половине дня (см. погодную вставку в рамке справа от графика).

Что мы узнали?

Исследование 1: Дупло дерева против деревянного ящика

Это исследование показало нам, что существует большая разница в стабильности температуры между двумя пустыми гнездовыми дуплами, которые идентичны, за исключением того, что одно находится в стволе живого дерева, а другое — в деревянном ящике. На рисунке 4 мы видим, что колебания температуры в первом случае были минимальными (31°F[-0,5°C]), а во втором — весьма значительными (от 16°F[-9°C] до 36°F[+2°C]). Этот вывод неудивителен, учитывая заметные различия между этими двумя полостями в отношении изоляции и тепловой массы. Однако резкая разница, о которой здесь говорится, заставляет задуматься о пригодности жилищ, которые мы предоставляем нашим пчелам, когда размещаем их в стандартных ульях Лангстрота.

Будет ли здоровье и выживаемость колонии лучше, если она будет жить в массивном, хорошо утепленном дупле, чем в легком, плохо утепленном улье Лангстрота? Кроме того, предпочитают ли роевые пчелы толстостенную гнездовую полость тонкостенной при прочих равных условиях (размер полости, размер входа и т.д.)? Это важные вопросы для будущих исследований.

Исследование 1 также показало нам, что, просто обеспечив лучшую изоляцию, мы можем сделать улей более похожим на древесную полость, а значит, и на естественный дом медоносных пчел. Когда деревянный ящик был утеплен одеялом R-30, температура внутри изменялась медленнее и не так сильно, как без одеяла. Записи температуры в утепленном улье, однако, были не такими стабильными, как в полости дерева. Это объясняется тем, что шерстяное одеяло не обеспечивало большой тепловой массы. Инженеры давно знают, что в лучших проектах человеческих домов используются как изоляция, так и тепловая масса для повышения энергоэффективности и комфорта (Hampton 2010). Однако, чтобы в полной мере понять буферную способность живого дерева, мы должны выйти за рамки представлений о зданиях и изучить, что определяет тепловую массу полости дерева.

Экологи, изучавшие дупла деревьев в северных лиственных лесах, обнаружили, что их температура, как и ожидалось, значительно снижается за счет тепловой массы их стенок (Coder2010; Coombs et al. 2010). В частности, воздух внутри полости дерева теплее ночью и прохладнее днем, чем снаружи. Кроме того, температура воздуха внутри пустой полости дерева обладает большей «инерцией»: Он нагревается и остывает медленнее, чем наружный воздух. Но что именно придает стенкам полости дерева такую большую тепловую массу? Две вещи: их толщина и содержание воды.

Толщина: Толстостенные полости больших деревьев нагреваются днем медленнее, а остывают ночью медленнее, чем тонкостенные полости маленьких деревьев.

Влажность: Кумбс и коллеги (2010) также обнаружили, что гниение деревьев является важным фактором, влияющим на температуру в полости, при этом полости в живых деревьях нагреваются и охлаждаются медленнее, чем те, что находятся на мертвых деревьях. Это происходит потому, что живая древесина содержит больше воды, чем мёртвая. Вода обладает высокой удельной теплоемкостью, то есть она поглощает много тепла, прежде чем нагреется. Большинство диких колоний занимают дупла в живых деревьях (Seeleyand Morse 1976; Radcliffe and Seeley2018), поэтому большинство диких колоний испытывают умеренное воздействие на температуру гнезда, будучи окруженными тяжелой, насыщенной водой древесиной.

Исследование 2: занятый улей Лангстрота с изоляцией и без неё

Это исследование демонстрирует положительный эффект от использования ульевого одеяла R-30 вокруг улья Лангстрота. Как и ожидалось, температура воздуха за пределами зимнего кластера была выше и стабильнее в улье, защищенном одеялом, по сравнению с ульем, не защищенным одеялом. На рисунке 7 показано, что в улье с одеялом температура снаружи клуба была стабильной и колебалась между 39°F (4,0°C) и 45°F (7,0°C). Мы также видим, что в улье без покрывала температура снаружи клуба все утро была ниже 32°F (0°C), но во второй половине дня, когда сильные солнечные лучи освещали голые стены улья, температура внутри улья поднималась выше 50°F (10°C). Такая температура достаточно высока, чтобы семья ослабила зимний клуб и, возможно, сместила свое положение, чтобы быть ближе к сотам, наполненным мёдом.

О чем говорят эти результаты? В основном о том, что в хорошо изолированном улье, но не в плохо изолированном, температура воздуха вблизи клуба оставалась на уровне, близком к температуре, при которой рабочие могут покинуть плотный клуб, около 50 °F (10°C), даже когда температура окружающей среды составляла 14 °F (-10°C). (Более подробное обсуждение влияния изоляции улья на то, насколько низкой может быть температура окружающей среды, прежде чем колонии потребуется сформировать плотное скопление, чтобы сохранить тепло, см. в Mitchell 2016 и Seeley 2019, стр. 227-229.) Это означает, что семья, живущая в хорошо изолированном улье Лангстрота, лучше сохраняет контакт со своими медовыми запасами и, следовательно, переживёт зиму, чем семья, живущая в плохо изолированном улье Лангстрота.

Более конкретно, это означает, что семьи, живущие в плохо изолированных ульях, как в данном исследовании, где не было «Уютной крышки», зависят от солнечных дней, когда температура воздуха внутри ульев повышается настолько, что рабочие особи могут покинуть зимнее скопление. На рисунке 7 показано, как это может происходить, ведь именно это произошло в нашем плохо изолированном улье поздно вечером 17 ноября 2019 года. В этот день температура в улье была выше 50°F (10°C). Очевидно, что колонии, живущие в холодном климате в обычных ульях Лангстрота, зависят от периодов сильного солнечного света, чтобы подзаправиться, если зимний клуб не находится в прямом контакте с ячейками, наполненными мёдом. В связи с этим возникает вопрос, сколько дней в очень холодную и пасмурную погоду семья в неутепленном улье Лангстрота сможет продержаться, если потеряет контакт с ячейками, содержащими мед. Если мы продолжим изучать влияние дополнительной изоляции улья, мы сравним количество мёда, потребляемого семьями, которые вступают в зиму одинаковыми по размеру и состоянию, но живут в хорошо и плохо утепленных ульях. Было бы неплохо также изучить влияние утепления ульев на сроки и уровень зимнего выращивания расплода. Очевидно, что предстоит еще многое узнать о влиянии теплоизоляции и тепловой массы улья на биологию зимующих семей.

Выводы

Наше исследование имеет два вывода. Первый заключается в том, что базовый улей Лангстрота (т.е. деревянный ящик) является плохой заменой естественному жилищу колонии медоносных пчёл в древесных полостях. Такой улей имеет недостатки как в отношении изоляции, так и тепловой массы. Второй вывод заключается в том, что обычный улей Лангстрота может быть гораздо ближе к естественному жилищу колонии медоносных пчёл, если его стенки сделаны с хорошей изоляцией или обернуты в неё. Эти выводы не поражают воображение, но мы надеемся, что, поделившись ими, мы поощрим практику использования ульев с толстыми и хорошо изолированными стенками и потолками.

Мы призываем пчеловодов использовать ульи, в которых теплоизоляция стен и потолков составляет не менее R-10 и R-30 соответственно (как в дереве). Кроме того, мы считаем, что обеспечение еще более высокого уровня изоляции ульев и, по возможности, использование ульев с высокой тепловой массой будет ещё лучше для здоровья и выживания наших пчёл.

Список литературы

Coombs AB, Bowman J and CJ Garroway. 2010. Thermal properties of tree cavities during winter in a northern hardwood forest. Journal of Wildlife Management 74(8): 1875-1881. 

Hampton A. 2010. Thermal mass and insulation for temperate climates. Environmental Design Guide. EDG 65 AH: 1-11. 

Coder KD. 2021. Trees & cold temperatures. University of Georgia, Warnell School of Forestry & Natural Resources Outreach Publication WSFNR21-08C. Pp.11. 

Mitchell D. 2016. Ratios of colony mass to thermal conductance of tree and man-made nest enclosures of Apis mellifera: Implications for survival, clustering, humidity regulation, and Varroa destructor. International Journal of Biometeorology 60: 629-638. 

Mitchell D. 2017. Honey bee engineering: Top ventilation and top entrances. American Bee Journal 157: 887-889. 

Radcliffe RW and TD Seeley. 2018. Deep forest bee hunting: a novel method for finding wild colonies of honey bees in old-growth forests. American Bee Journal. 158(8): 871-877. 

Seeley TD. 2019. The Lives of Bees. Princeton University Press, Princeton, NJ. 

Seeley TD and RA Morse. 1976. The nest of the honey bee (Apis mellifera L.). Insectes Sociaux 23: 495-512. 

Seeley TD and RA Morse. 1978. Nest site selection by the honey bee. Insectes Sociaux 25: 323-337.