二代蜂箱設(shè)計(jì)與熱力學(xué)原理

秦裕本

（江蘇南通市青年東路39號西樓102室，226007）

二代蜂箱設(shè)計(jì)與熱力學(xué)原理

秦裕本

（江蘇南通市青年東路39號西樓102室，226007）

人們設(shè)計(jì)制造蜂箱主要是從生物學(xué)特性方面，適合蜜蜂生活，居住，繁育后代擴(kuò)大種群；人體工程學(xué)方面，易于操作管理，轉(zhuǎn)地放養(yǎng)；經(jīng)濟(jì)方面，性價(jià)比高，價(jià)廉物美；外觀方面，美觀大方，便于蜜蜂識別等諸多方面考慮。

筆者在近10年的時(shí)間里，曾經(jīng)設(shè)計(jì)制作和使用過10多種以泡沫塑料為基本保溫隔熱材料制作的復(fù)合材料蜂箱，亦稱二代蜂箱，養(yǎng)殖蜜蜂以探索蜂箱的最佳設(shè)計(jì)方案。最終體會(huì)到要設(shè)計(jì)出一款好的二代蜂箱除離不開上述的一些考慮之外，更離不開熱力學(xué)理論的指導(dǎo)，特別是利用熱傳遞的輻射、傳導(dǎo)、對流三種方式來設(shè)計(jì)，選擇使用保溫隔熱材料，才能建造高效節(jié)能減耗，大幅增加蜂蜜產(chǎn)量的世界一流蜂箱。下面介紹一下個(gè)人心得體會(huì)供大家討論。

蜂箱是人們制作提供給蜜蜂終生居住的場所，對蜜蜂有著生死悠關(guān)的巨大影響，也是養(yǎng)好蜜蜂的成敗關(guān)鍵。蜜蜂是社會(huì)性昆蟲，過著群居生活，蜂巢繁育區(qū)的溫度經(jīng)常保持在35℃的近恒溫狀態(tài)。一年四季氣溫變化很大，蜜蜂為保持恒定不變的溫度消耗巨大的能量，這些都是工蜂利用采集貯存的蜂蜜轉(zhuǎn)化而來。要想增加蜂蜜的產(chǎn)量，就要想方設(shè)法降低蜂群一年四季的能量損耗。那么改進(jìn)蜂箱的保溫隔熱功能則成了關(guān)鍵因素和技術(shù)突破口。

熱力學(xué)的核心是能量守恒，能量由高位向低傳遞，離不開輻射、傳導(dǎo)和對流三種傳遞方式。保溫隔熱性能優(yōu)異的蜂箱設(shè)計(jì)也離不開對熱能三種傳遞方式的把控。下面分別介紹輻射、傳導(dǎo)、對流三種熱傳遞方式和蜂箱設(shè)計(jì)的關(guān)系。

1.熱輻射即高溫物體直接向外發(fā)射熱的方式

熱輻射是熱量通過電磁波擴(kuò)散或傳遞的一種方式，包括我們?nèi)庋劭床灰姷募t外線和遠(yuǎn)紅外線。熱輻射對蜂箱的影響有兩個(gè)方面，一是自然界的太陽光直接照射到蜂箱表面產(chǎn)生的巨大升溫效果，然后通過箱壁傳遞到箱內(nèi)引起箱內(nèi)溫度升高。蜂群要用蜂蜜做為能量做功加速扇風(fēng)幫助水份蒸發(fā)以降低溫度。當(dāng)然溫度較低時(shí)，特別是冬季陽光照射能幫助蜂箱增溫以減少能量的消耗；二是在秋冬春冷涼季節(jié)，外界氣溫遠(yuǎn)低于巢溫時(shí)，蜂箱內(nèi)的熱量也會(huì)以紅外，遠(yuǎn)紅外的輻射方式向箱外擴(kuò)散帶來能量的消耗。

因此，在蜂箱的設(shè)計(jì)制作時(shí)必須要采取防輻射措施，不但是在蜂箱的表面，蜂箱的內(nèi)壁同樣要采取防護(hù)措施。而箱內(nèi)箱外的防輻射措施也應(yīng)有所區(qū)別。蜂箱的外壁首先要求平整光滑有利于直接反射。所選擇的防輻射或減少輻射的材料顏色以銀白色，白色等淺顏色反光性強(qiáng)的材料為佳，如用白色涂層的彩鋼板，不銹鋼板、鋁箔、金屬鍍膜等材料。箱內(nèi)壁除用上述銀色，白色，淺色的反光材料外，內(nèi)壁表面最好采用具有漫反射功能表面粗糙的反光材料，以便最大限度地減少熱輻射能量的損耗。

2.熱傳導(dǎo)是熱量通過直接接觸從一個(gè)物體傳遞給另一個(gè)物體或從物體的一部分傳遞到另一部分的方式

蜂箱的箱內(nèi)熱能是通過箱壁與外界相互傳遞的，在外界溫度高時(shí)熱能就會(huì)經(jīng)箱壁傳導(dǎo)到箱內(nèi)。相反在外界溫度較低時(shí)熱能就會(huì)不斷的經(jīng)箱壁傳導(dǎo)到箱外，不斷地消耗蜂巢內(nèi)的大量熱能，蜂群為保持箱內(nèi)繁殖區(qū)的35℃的近恒溫狀態(tài)，工蜂就靠吸取蜂蜜運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生熱量進(jìn)行補(bǔ)充。因此作為蜂箱箱體材料的保溫隔熱性能就尤顯重要。蜂箱材料保溫性能的優(yōu)劣，即熱傳導(dǎo)性能的差別通常是以導(dǎo)熱系數(shù)來評價(jià)的。導(dǎo)熱系數(shù)越小，材料的保溫隔熱性能就越好，導(dǎo)熱系數(shù)越高，傳熱性能就越好，熱量就容易散失。因此導(dǎo)熱系數(shù)小的材料就成了制作蜂箱材料的首選，也是節(jié)能增產(chǎn)的關(guān)鍵。現(xiàn)在市面上常用的保溫隔熱性能好，導(dǎo)熱系數(shù)低，重量輕，價(jià)格適中，適用于制造復(fù)合材料蜂箱的泡沫塑料主要有聚苯乙烯泡沫塑料擠塑板和聚氨酯泡沫塑料板，其導(dǎo)熱系數(shù)分別為 0.033W/(m·K)和 0.022w/W/(m·K)。分別是最好杉木板導(dǎo)熱系數(shù)0.1w/W/(m·K)的3～5倍。但是新的泡沫塑料品種和新的保溫隔熱材料不斷出現(xiàn)，也在加快蜂箱材料的更新速度，蜂箱設(shè)計(jì)制造應(yīng)緊跟材料的變化不斷推陳出新跟上時(shí)間和科技進(jìn)步，不斷地變化，應(yīng)該成為今后蜂箱材料選擇的常態(tài)。

3.對流是靠氣體或液體流動(dòng)的傳熱方式

蜂箱內(nèi)的空氣流動(dòng)，蜜蜂的呼吸和運(yùn)動(dòng)，每時(shí)每刻的都在進(jìn)行著熱能的對流過程，蜂群自己會(huì)隨時(shí)調(diào)控空氣對流，以保證繁育區(qū)為35℃的近恒溫狀態(tài)。這里需要說明的是蜜蜂初始調(diào)節(jié)的溫度要比35℃低很多，因?yàn)槊鄯涞穆选⑾x、蛹、成蟲都要進(jìn)行生命活動(dòng)，進(jìn)行新陳代謝會(huì)產(chǎn)生熱量。這些熱量都會(huì)被利用來為蜂巢進(jìn)行保溫，熱量不足時(shí)會(huì)由工蜂吸取蜂蜜進(jìn)行運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生熱量加以補(bǔ)充。所以每年在春秋兩季當(dāng)氣溫處于25℃～30℃時(shí)，蜜蜂只需用少量的能耗為繁殖區(qū)調(diào)控溫度，節(jié)省的能量用于繁殖后代和采集貯存蜂蜜。所以這個(gè)時(shí)期也是一年之中繁殖后代擴(kuò)大種群，采集貯存蜂蜜的最佳時(shí)機(jī)。利用對流原理是蜜蜂，遵照自然規(guī)律調(diào)節(jié)蜂巢溫度的最基本辦法。因此我們設(shè)計(jì)蜂箱要充分了解熱力學(xué)原理，遵循蜂巢內(nèi)對流的規(guī)律設(shè)計(jì)制造使用管理蜂箱。

蜂箱中空氣對流與蜜蜂的生物學(xué)特性密不可分，中蜂長期在樹洞中筑巢進(jìn)化，在直立的桶狀空間中生活，所以中蜂選擇了“煙囪”式高效節(jié)能的對流模式。即溫度較低的空氣從下方進(jìn)入蜂巢的下部，經(jīng)過蜂巢底部的工蜂棲居層加溫到35℃進(jìn)入繁育區(qū)，再到貯蜜區(qū)，然后從頂部孔洞中排出。中蜂蜂箱設(shè)計(jì)的首要任務(wù)就是根據(jù)“煙囪”對流模式采用立式桶狀結(jié)構(gòu)，以利于蜂群節(jié)省能耗增加蜂蜜的產(chǎn)量。為保證蜂箱內(nèi)對流順暢進(jìn)行，巢門、箱底氣窗都應(yīng)盡可能地放在下部，排氣的氣窗，氣孔，紗窗都應(yīng)設(shè)在頂部。門、氣窗、氣孔的大小設(shè)計(jì)都要能滿足一年四季中最大進(jìn)氣量的需要，以保證蜂群降溫散熱，轉(zhuǎn)地運(yùn)輸，釀造蜂蜜等工作時(shí)的需要。但是所有門窗都要開關(guān)靈活自如，大小可控，即使冬季新陳代謝最低時(shí)也要能調(diào)控微弱的對流，并盡可能采取措施防止熱能通過門窗等處流失。

在養(yǎng)殖管理中也要保證蜂箱內(nèi)對流的暢通，避免過于潮濕，甚至巢門口出水。還有冬季不要“過度保溫”把蜂箱捂得嚴(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)造成對流不暢帶來所謂的“熱傷風(fēng)”損害。

還有采用意蜂標(biāo)準(zhǔn)巢箱養(yǎng)殖中蜂，從熱對流的角度來看有兩個(gè)地方明顯不適合中蜂地方。一是巢箱的隔板；二是巢框，兩者的側(cè)面均留有1cm的蜂路，方便了人們的活框養(yǎng)殖操作，但是蜂路對于蜂巢來說是另外開避了對流通道，破壞了“煙囪”的總體功能，增加了蜂群調(diào)控溫度的能耗和精力。所以蜂路設(shè)計(jì)是今后中蜂蜂箱設(shè)計(jì)應(yīng)改變的地方。最好是不要蜂路或盡可能縮小蜂路，以杜絕或減少蜂路對正常對流運(yùn)動(dòng)的干憂。

4.運(yùn)用熱力學(xué)原理指導(dǎo)設(shè)計(jì)的中蜂蜂箱養(yǎng)殖中蜂帶來的變化

泡沫塑料二代蜂箱養(yǎng)殖中蜂解決了“夏衰”“冬傷”問題。在過去100多年的時(shí)間里養(yǎng)蜂都用木板蜂箱。它的保溫隔熱性能很差，每年蜂群都出現(xiàn)“夏衰”和“冬傷”，并且一直被人們誤以為是自然規(guī)律不可避免。筆者在多年用現(xiàn)代先進(jìn)的保溫隔熱材料，泡沫塑料、彩鋼、鋁箔、塑料薄膜等制作復(fù)合材料二代蜂箱養(yǎng)殖中蜂后，發(fā)現(xiàn)蜂群在新的居住環(huán)境中完全可以避免“夏衰”“冬傷”，即經(jīng)過炎熱的夏季和寒冷的冬天，在南通地區(qū)越夏，越冬蜂群的群體大小原有脾數(shù)，蜂群的個(gè)體數(shù)量，越冬初期，中期，后期的子圈大小不變保持了原有群勢。特別是泡沫塑料二代蜂箱的高效節(jié)能保溫效果，使越冬期的子圈面積保持在560 cm2，比木板蜂箱子圈在80 cm2要大7倍，由于繁殖量的大幅增漲，因此整個(gè)越冬期間都有足夠的新蜂來補(bǔ)充被淘汰的老弱工蜂，保持群勢旺盛，直到春天來臨。克服了過去一年兩次因“夏衰”和“冬傷”造成蜂群群勢的大起大落，蜂群在氣候良好，蜜源豐富的大好季節(jié)把主要精力都用到繁殖后代，維持和擴(kuò)大種群數(shù)量上，以至于蜂群的產(chǎn)蜜量就受到制約。使用了泡沫塑料二代蜂箱，可為蜂群節(jié)省大量能耗，增加蜂蜜的產(chǎn)量。

以二代蜂箱代替過去了長期使用的木板蜂箱養(yǎng)殖中蜂，極大地改善了蜜蜂的居住環(huán)境，節(jié)省了大量用于冬季保溫和夏季降溫，及平時(shí)調(diào)控溫度所消耗大量能量和蜜蜂的精力。在泡沫塑料箱提供的優(yōu)越環(huán)境中生活的工蜂，晴天在氣溫零上5℃就可大規(guī)模開展正常的采蜜活動(dòng)比木箱中養(yǎng)殖的蜜蜂出巢采蜜的溫度7℃降低2℃，增加了出巢采蜜時(shí)間，使蜂群一年之中有更多的時(shí)間和精力從事采蜜工作，因此，比原來用木板蜂箱養(yǎng)殖中蜂時(shí)可以多搖2～3次蜜。產(chǎn)量從過去木箱木箱養(yǎng)殖時(shí)的5～10 kg/年，增加到現(xiàn)在用泡沫塑料箱的22 kg/年，產(chǎn)量翻了一番，效益可觀。

由于二代蜂箱是用泡沫塑料、彩鋼、鋁箔、塑料膠帶等現(xiàn)代材料制造，極大地改善了中蜂的居住環(huán)境，蜂群容易發(fā)展成為強(qiáng)群，大群增加了抵御自然災(zāi)害的能力和抗巢蟲能力。在經(jīng)過數(shù)年的觀察后發(fā)現(xiàn)，曾經(jīng)為害中蜂嚴(yán)重的巢蟲也很少在泡沫塑料箱中見到，基本上消除了為害。究其原因是新材料代替了全木質(zhì)材料蜂箱，徹底的改變了巢蟲原先賴以生存的木質(zhì)環(huán)境，斷了巢蟲的生路，新型泡沫塑料復(fù)活材料蜂箱，為中蜂提供了前所未有過的良好生活環(huán)境。