二代蜂箱设计与热力学原理

秦裕本

（江苏南通市青年东路39号西楼102室，226007）

二代蜂箱设计与热力学原理

秦裕本

（江苏南通市青年东路39号西楼102室，226007）

人们设计制造蜂箱主要是从生物学特性方面，适合蜜蜂生活，居住，繁育后代扩大种群；人体工程学方面，易于操作管理，转地放养；经济方面，性价比高，价廉物美；外观方面，美观大方，便于蜜蜂识别等诸多方面考虑。

笔者在近10年的时间里，曾经设计制作和使用过10多种以泡沫塑料为基本保温隔热材料制作的复合材料蜂箱，亦称二代蜂箱，养殖蜜蜂以探索蜂箱的最佳设计方案。最终体会到要设计出一款好的二代蜂箱除离不开上述的一些考虑之外，更离不开热力学理论的指导，特别是利用热传递的辐射、传导、对流三种方式来设计，选择使用保温隔热材料，才能建造高效节能减耗，大幅增加蜂蜜产量的世界一流蜂箱。下面介绍一下个人心得体会供大家讨论。

蜂箱是人们制作提供给蜜蜂终生居住的场所，对蜜蜂有着生死悠关的巨大影响，也是养好蜜蜂的成败关键。蜜蜂是社会性昆虫，过着群居生活，蜂巢繁育区的温度经常保持在35℃的近恒温状态。一年四季气温变化很大，蜜蜂为保持恒定不变的温度消耗巨大的能量，这些都是工蜂利用采集贮存的蜂蜜转化而来。要想增加蜂蜜的产量，就要想方设法降低蜂群一年四季的能量损耗。那么改进蜂箱的保温隔热功能则成了关键因素和技术突破口。

热力学的核心是能量守恒，能量由高位向低传递，离不开辐射、传导和对流三种传递方式。保温隔热性能优异的蜂箱设计也离不开对热能三种传递方式的把控。下面分别介绍辐射、传导、对流三种热传递方式和蜂箱设计的关系。

1.热辐射即高温物体直接向外发射热的方式

热辐射是热量通过电磁波扩散或传递的一种方式，包括我们肉眼看不见的红外线和远红外线。热辐射对蜂箱的影响有两个方面，一是自然界的太阳光直接照射到蜂箱表面产生的巨大升温效果，然后通过箱壁传递到箱内引起箱内温度升高。蜂群要用蜂蜜做为能量做功加速扇风帮助水份蒸发以降低温度。当然温度较低时，特别是冬季阳光照射能帮助蜂箱增温以减少能量的消耗；二是在秋冬春冷凉季节，外界气温远低于巢温时，蜂箱内的热量也会以红外，远红外的辐射方式向箱外扩散带来能量的消耗。

因此，在蜂箱的设计制作时必须要采取防辐射措施，不但是在蜂箱的表面，蜂箱的内壁同样要采取防护措施。而箱内箱外的防辐射措施也应有所区别。蜂箱的外壁首先要求平整光滑有利于直接反射。所选择的防辐射或减少辐射的材料颜色以银白色，白色等浅颜色反光性强的材料为佳，如用白色涂层的彩钢板，不锈钢板、铝箔、金属镀膜等材料。箱内壁除用上述银色，白色，浅色的反光材料外，内壁表面最好采用具有漫反射功能表面粗糙的反光材料，以便最大限度地减少热辐射能量的损耗。

2.热传导是热量通过直接接触从一个物体传递给另一个物体或从物体的一部分传递到另一部分的方式

蜂箱的箱内热能是通过箱壁与外界相互传递的，在外界温度高时热能就会经箱壁传导到箱内。相反在外界温度较低时热能就会不断的经箱壁传导到箱外，不断地消耗蜂巢内的大量热能，蜂群为保持箱内繁殖区的35℃的近恒温状态，工蜂就靠吸取蜂蜜运动产生热量进行补充。因此作为蜂箱箱体材料的保温隔热性能就尤显重要。蜂箱材料保温性能的优劣，即热传导性能的差别通常是以导热系数来评价的。导热系数越小，材料的保温隔热性能就越好，导热系数越高，传热性能就越好，热量就容易散失。因此导热系数小的材料就成了制作蜂箱材料的首选，也是节能增产的关键。现在市面上常用的保温隔热性能好，导热系数低，重量轻，价格适中，适用于制造复合材料蜂箱的泡沫塑料主要有聚苯乙烯泡沫塑料挤塑板和聚氨酯泡沫塑料板，其导热系数分别为 0.033W/(m·K)和 0.022w/W/(m·K)。分别是最好杉木板导热系数0.1w/W/(m·K)的3～5倍。但是新的泡沫塑料品种和新的保温隔热材料不断出现，也在加快蜂箱材料的更新速度，蜂箱设计制造应紧跟材料的变化不断推陈出新跟上时间和科技进步，不断地变化，应该成为今后蜂箱材料选择的常态。

3.对流是靠气体或液体流动的传热方式

蜂箱内的空气流动，蜜蜂的呼吸和运动，每时每刻的都在进行着热能的对流过程，蜂群自己会随时调控空气对流，以保证繁育区为35℃的近恒温状态。这里需要说明的是蜜蜂初始调节的温度要比35℃低很多，因为蜜蜂的卵、虫、蛹、成虫都要进行生命活动，进行新陈代谢会产生热量。这些热量都会被利用来为蜂巢进行保温，热量不足时会由工蜂吸取蜂蜜进行运动产生热量加以补充。所以每年在春秋两季当气温处于25℃～30℃时，蜜蜂只需用少量的能耗为繁殖区调控温度，节省的能量用于繁殖后代和采集贮存蜂蜜。所以这个时期也是一年之中繁殖后代扩大种群，采集贮存蜂蜜的最佳时机。利用对流原理是蜜蜂，遵照自然规律调节蜂巢温度的最基本办法。因此我们设计蜂箱要充分了解热力学原理，遵循蜂巢内对流的规律设计制造使用管理蜂箱。

蜂箱中空气对流与蜜蜂的生物学特性密不可分，中蜂长期在树洞中筑巢进化，在直立的桶状空间中生活，所以中蜂选择了“烟囱”式高效节能的对流模式。即温度较低的空气从下方进入蜂巢的下部，经过蜂巢底部的工蜂栖居层加温到35℃进入繁育区，再到贮蜜区，然后从顶部孔洞中排出。中蜂蜂箱设计的首要任务就是根据“烟囱”对流模式采用立式桶状结构，以利于蜂群节省能耗增加蜂蜜的产量。为保证蜂箱内对流顺畅进行，巢门、箱底气窗都应尽可能地放在下部，排气的气窗，气孔，纱窗都应设在顶部。门、气窗、气孔的大小设计都要能满足一年四季中最大进气量的需要，以保证蜂群降温散热，转地运输，酿造蜂蜜等工作时的需要。但是所有门窗都要开关灵活自如，大小可控，即使冬季新陈代谢最低时也要能调控微弱的对流，并尽可能采取措施防止热能通过门窗等处流失。

在养殖管理中也要保证蜂箱内对流的畅通，避免过于潮湿，甚至巢门口出水。还有冬季不要“过度保温”把蜂箱捂得严严实实造成对流不畅带来所谓的“热伤风”损害。

还有采用意蜂标准巢箱养殖中蜂，从热对流的角度来看有两个地方明显不适合中蜂地方。一是巢箱的隔板；二是巢框，两者的侧面均留有1cm的蜂路，方便了人们的活框养殖操作，但是蜂路对于蜂巢来说是另外开避了对流通道，破坏了“烟囱”的总体功能，增加了蜂群调控温度的能耗和精力。所以蜂路设计是今后中蜂蜂箱设计应改变的地方。最好是不要蜂路或尽可能缩小蜂路，以杜绝或减少蜂路对正常对流运动的干忧。

4.运用热力学原理指导设计的中蜂蜂箱养殖中蜂带来的变化

泡沫塑料二代蜂箱养殖中蜂解决了“夏衰”“冬伤”问题。在过去100多年的时间里养蜂都用木板蜂箱。它的保温隔热性能很差，每年蜂群都出现“夏衰”和“冬伤”，并且一直被人们误以为是自然规律不可避免。笔者在多年用现代先进的保温隔热材料，泡沫塑料、彩钢、铝箔、塑料薄膜等制作复合材料二代蜂箱养殖中蜂后，发现蜂群在新的居住环境中完全可以避免“夏衰”“冬伤”，即经过炎热的夏季和寒冷的冬天，在南通地区越夏，越冬蜂群的群体大小原有脾数，蜂群的个体数量，越冬初期，中期，后期的子圈大小不变保持了原有群势。特别是泡沫塑料二代蜂箱的高效节能保温效果，使越冬期的子圈面积保持在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涨，因此整个越冬期间都有足够的新蜂来补充被淘汰的老弱工蜂，保持群势旺盛，直到春天来临。克服了过去一年两次因“夏衰”和“冬伤”造成蜂群群势的大起大落，蜂群在气候良好，蜜源丰富的大好季节把主要精力都用到繁殖后代，维持和扩大种群数量上，以至于蜂群的产蜜量就受到制约。使用了泡沫塑料二代蜂箱，可为蜂群节省大量能耗，增加蜂蜜的产量。

以二代蜂箱代替过去了长期使用的木板蜂箱养殖中蜂，极大地改善了蜜蜂的居住环境，节省了大量用于冬季保温和夏季降温，及平时调控温度所消耗大量能量和蜜蜂的精力。在泡沫塑料箱提供的优越环境中生活的工蜂，晴天在气温零上5℃就可大规模开展正常的采蜜活动比木箱中养殖的蜜蜂出巢采蜜的温度7℃降低2℃，增加了出巢采蜜时间，使蜂群一年之中有更多的时间和精力从事采蜜工作，因此，比原来用木板蜂箱养殖中蜂时可以多摇2～3次蜜。产量从过去木箱木箱养殖时的5～10 kg/年，增加到现在用泡沫塑料箱的22 kg/年，产量翻了一番，效益可观。

由于二代蜂箱是用泡沫塑料、彩钢、铝箔、塑料胶带等现代材料制造，极大地改善了中蜂的居住环境，蜂群容易发展成为强群，大群增加了抵御自然灾害的能力和抗巢虫能力。在经过数年的观察后发现，曾经为害中蜂严重的巢虫也很少在泡沫塑料箱中见到，基本上消除了为害。究其原因是新材料代替了全木质材料蜂箱，彻底的改变了巢虫原先赖以生存的木质环境，断了巢虫的生路，新型泡沫塑料复活材料蜂箱，为中蜂提供了前所未有过的良好生活环境。