Древовидный · Стандартный · [ Линейный ] Моделирование температуры и влажности в гнезде

[rsi]

Уважаемые коллеги!
Вопросы поддержания необходимых температуры и влажности в гнезде поднимаются на форуме и в литературе регулярно. Не сказать, что за последний век нет прогресса в понимании и решении этих вопросов. Однако подходящего для практики инструмента количественной оценки этих двух параметров в конкретных условиях я не нашёл. Если он есть - ткните носом. А условия эти очень разнообразны в разное время года, для разных местностей, конструкций ульев, пород и сил семей. Поэтому, думаю, необходимость создания такого инструмента (модели) не вызовет сомнений. Его применение должно позволить моделировать реальные условия, оценивать температуру и влажность в разных частях гнезда (жилища) и делать практические выводы, например, по зимовке - "заносить- не заносить", "утеплять - не утеплять", "кормить - не кормить", а также выбрать конструкцию улья для условий своей местности или самостоятельно спроектировать жилище для пчёл ещё до их приобретения. Можно сформулировать ещё целый ряд возможных применений, но не будем забегать вперёд.
Отдаю себе отчёт в сложности поставленной задачи, и нет у меня сертификата по этой специальности, но, надеюсь, совместными усилиями (зима нам в помощь) мы сможем её решить.

[rsi]

Ранее в теме о размере ячейки https://pchelovod.info/index.php?showtopic=57893&st=6300# уважаемый Муладхара уже начал формулировать требования пчёл к своему жилищу и с чего можно было бы начать, но этого пока маловато. Приглашаю высказывать пожелания и пчеловодов. Что интересует больше всего: любые ЧИСЛОВЫЕ данные о температуре и влажности в конкретных условиях. Лучше, если это будут именно ваши замеры, но сгодятся и сторонние источники со ссылками. Конечно же интересны и ваши соображения по модели.

Сообщение отредактировал rsi - Воскресенье, 01 Декабря 2024, 15:53

[Bikanin]

подходящего для практики инструмента количественной оценки этих двух параметров в конкретных условиях я не нашёл.

Датчики температуры и влажности WiFi TH01 можно использовать. Но пчёлы залепляют отверстия корпуса, когда могут.

[Bikanin]

подходящего для практики инструмента количественной оценки этих двух параметров в конкретных условиях я не нашёл

Десять лет назад ставил датчики температуры. Результаты обсуждали, в частности, тут. Потом для влажности использовал китайские термогигрометры с дисплеями и без автоматики. Сейчас уже есть приспособы для "умного дома", где можно прописать нужные сценарии для поддержания заданных параметров.

Сообщение отредактировал Bikanin - Воскресенье, 01 Декабря 2024, 19:32

[rsi]

Десять лет назад ставил датчики температуры. Результаты обсуждали, в частности, тут.

Спасибо! То, что нужно. Тогда тоже бывал на форуме, но ещё о модели не думал, поэтому и не запомнил.

Датчики температуры и влажности WiFi TH01 можно использовать. Но пчёлы залепляют отверстия корпуса, когда могут.

Да вещь хорошая, собираюсь использовать, пару штук прикупил. Но это hard, потребуется для валидации модели. Сейчас меня пока больше интересует soft - математическая модель. Думаю начать с простого, как в большинстве публикаций - со стационарного случая. А потом уже перейти к динамике - изменению температуры по времени.

Сообщение отредактировал rsi - Воскресенье, 01 Декабря 2024, 21:24

[Крутогорец]

А условия эти очень разнообразны в разное время года, для разных местностей, конструкций ульев, пород и сил семей.

Если всё разное то модель чего вы хотите? Пчеловодство легко обходится без точных моделей.

[rsi]

Если всё разное то модель чего вы хотите? Пчеловодство легко обходится без точных моделей.

Второе предложение о том, что вопрос в первом предложении - риторический, и ответа не требует. Вам и так всё понятно и никакой модели ВАМ не нужно. Очень хорошо. Спасибо, что зашли!
В качестве отправной точки предлагаю взять статью от НИИ пчеловодства "Тепловой режим и энергетика пчелиных семей" - журнал "Пчеловодство" №2, 2011.
Итак, начнём с зимы. Клуб представляем в форме шара диаметром 28 сантиметров. Температура на поверхности клуба 10 градусов Цельсия. Если задать, что теплопроводность внутри клуба 0.25 Вт/(м*К), то температура в центре клуба, рассчитанная по приведённой в статье формуле, может быть 15.7 градуса при минимальном теплогенезе 5 Вт и 44.1 градуса при теплогенезе 30 Вт.
Теплопотери клуба возникают за счёт излучения, теплопроводности и конвекции.
Излучение
Энергетическая светимость клуба будет определяться законом Стефана-Больцмана. При температуре 10 градусов для абсолютно черного тела она составляет 364 Вт/м2. Для площади поверхности клуба 0,2463 м2 мощность потерь составила бы почти 90 Вт. Но клуб - не АЧТ, данную мощность надо умножить на интегральную поглощательную способность тела. Я не нашёл значение этого показателя для корки клуба, может быть кто-то встречал - поделитесь. Если задать его величину 0.05, то мощность излучения составит 4,5 Вт. Однако нужно учитывать, что, как правило, клуб зимует в ограждающей конструкции в виде улья, который излучения практически не пропускает. Кроме того, часть излучения попадает на сотовое поле. Таким образом, излучение клуба - это не потери в чистом виде, т. к. бОльшая часть энергии излучения остаётся в гнезде. (продолжение следует)

[volmar_georg]

Клуб представляем в форме шара диаметром 28 сантиметров. Температура на поверхности клуба 10 градусов Цельсия. Если задать, что теплопроводность внутри клуба 0.25 Вт/(м*К),

Представление зимующего клуба пчел в виде шара с постоянной плотностью принципиальная ошибка всех моделей. Даже теплофизик Трифонов до конца не избавился от этой парадигмы. Дальше можно не читать, не интересно.

[volmar_georg]

Клуб представляем в форме шара диаметром 28 сантиметров.

Еще несколько слов. Уже из приведенной выше цитаты прямо прет механицизм Бэкона, который считал, что любые сложные системы есть просто набор шестеренок с известными свойствами, то есть набор простых физических тел. С пчелами это не катит от слова совсем.

[Крутогорец]

Не нужен тут ни Больцман ни коэффициенты. Я исхожу из того, что пчёлы поддерживают температуру снаружи клуба градусов 10-15, иначе замерзнут. Клуб это шар 20-30см, потому что самый энергоэффективный. И пчёлы только компенсируют теплопотери для поддержания 10-15 градусов в клубе. А сколько будут эти теплопотери зависит целиком от теплопроводности улья, температуры за бортом, влажности в улье, вентиляции. Может быть 5вт, может быть 35 ватт, от этого и расход меда и износ пчёл зависит.
Теплопотери проще измерить фактически чем пытаться рассчитать с неизвестными параметрами улья и прочего. А зачем их точно знать? Достаточно знать как их сократить.

[rsi]

Представление зимующего клуба пчел в виде шара с постоянной плотностью принципиальная ошибка всех моделей. Даже теплофизик Трифонов до конца не избавился от этой парадигмы. Дальше можно не читать, не интересно.

Совершенно верно! Только не ошибка, а допущение. Модель - это всегда упрощение объекта, приближение к нему, описание в виде "шестерёнок". И всегда с неизбежными ошибками, но вполне определёнными и осознанными. Адекватность модели моделируемому объекту требуется не с идеальной точностью, а с достаточной для практики. Да, корка не имеет строго сферическую поверхность, но стоит ли нам отказываться от упрощённого представления её сферой? Вы видели клуб кубической формы? Да, клуб не является твёрдым телом с постоянной плотностью, но ведь мы знаем, что температура растёт от периферии к центру клуба, так почему для начала не пренебречь точным распределением температуры в пользу подходящего аналитического выражения. На первом этапе от модели требуется чтобы она была "похожа на объект" по тем параметрам, которые нас интересуют. На последующих этапах необходима её валидация и уточнение, и это итерационный процесс. Сейчас мы на первом этапе. А читать дальше или нет - дело хозяйское.
Продолжаю.
Теплопроводность
Пока рассматриваем стационарную задачу. В установившемся режиме поток энергии, передающейся посредством теплопроводности описывается законом теплопроводности Фурье: плотность теплового потока равна произведению градиента температуры на коэффициент теплопроводности среды. Для центрально-симметричного случая (клуб - шар) температура по этому закону будет убывать обратно пропорционально расстоянию от центра. К сожалению, движок не приспособлен для написания формул, поэтому сразу переходим к примерам.
Для определённости поместим клуб в корпус Дадана - ограничим в горизонтальной плоскости периметром квадрата со стороной 45 см.
Мы задали на поверхности клуба температуру 10 градусов. Ясно, что для поддержания её на этом уровне, находясь в холоде - т.е. когда температура рядом с клубом меньше 10 градусов, клуб должен всё время генерировать тепло - греть воздух рядом с собой. И греть тем сильнее, чем холоднее в улье. Т.е. градиент температуры в улье в установившемся режиме будет тем больше, чем больше мощность генерируемого тепла. Точнее, чем больше требуется градиент температуры, тем большую мощность отдаёт клуб. Так вот, получается несколько неожиданный для меня результат: при теплопроводности воздуха 0.025 Вт/(м*К) и температуре в углу Дадана -40 достаточно 4 Вт теплогенеза. при - 30 - 3.2, -20 - 2.3, -10 - 1.6, 0 - 0.8 Вт.
Предварительный вывод: если температура не меняется во времени, то на теплопроводность приходится небольшая доля потерь. (продолжение следует)

[volmar_georg]

Совершенно верно! Только не ошибка, а допущение. Модель - это всегда упрощение объекта,

Допущение в корне неверное это и есть ошибка. Можно сколько угодно говорить "допустим, что..." или "эту переменную выразим через..." как принято в математике, но допушения не должны противоречить природе объекта.
Клуб есть шар. Нет и еще раз нет.
Теплопроводность клуба величина постоянная, что следует из Вашего первого сообщения. Нет и еще раз нет.
На неверном фундаменте здание не построить.

Сообщение отредактировал volmar_georg - Вторник, 03 Декабря 2024, 15:54

[rsi]

На неверном фундаменте здание не построить.

Фундаментом, на котором строится модель, являются законы физики. Надеюсь, к ним у Вас нет претензий. А о принятых допущениях мы не забываем и, думаю, понимаем область их (не)применимости. Если у Вас есть конкретные возражения - почему они недопустимы - излагайте. Иначе получается: "не может быть, потому что не может быть никогда".
Продолжаю.
К теплопроводности ещё вернёмся при рассмотрении материала корпуса, а пока
Конвекция
Про неё на форуме написано сотни страниц, но "пощупать цифру" удалось только в книге Суходольца Л.Г. Теплофизика зимовки пчёл (есть в библиотеке форума). Там обращено внимание, что при анализе потерь тепла влияние конвекции можно учесть как эквивалентное увеличение коэффициента теплопроводности слоя воздуха известной толщины. Это увеличение зависит от толщины (Таблица 4.2 на стр. 23). Данные этой таблицы я занёс в компьютер и аппроксимировал аналитическим выражением, чтобы можно было рассчитывать эквивалентный коэффициент теплопроводности для произвольной толщины. В гнезде пространство перегорожено сотами, поэтому уменьшил увеличение коэффициента теплопроводности в 4 раза. Ну а с потерями на теплопроводность мы разобрались в предыдущий раз. Теперь для той же точки в углу Дадана требуемая теплогенерация составит: при -40 градусах - 43 Вт; -30 - 34; -20 - 26; -10 - 17; 0 - 9.
Предварительный вывод: конвекция - основной виновник теплопотерь в улье. (продолжение следует)

[rsi]

Попробовал нарисовать клуб в корпусе Дадана (вид сверху). А вот для сравнения добавил малоформатный корпус с внутренним размером 30х30 см. Для него требуемая теплогенерация с учётом только конвекции составит: -40 - 32; -30 - 26; -20 - 19; -10 - 13; 0 - 7. Это мы пока вообще не учитывали материал стен, т.е. можно сказать, что оба раза мы задавали ограничение в виде непроницаемой стенки с нулевой толщиной.

Сообщение отредактировал rsi - Среда, 04 Декабря 2024, 14:39

[Крутогорец]

Там обращено внимание, что при анализе потерь тепла влияние конвекции можно учесть как эквивалентное увеличение коэффициента теплопроводности слоя воздуха известной толщины

Это подгонка результата под ожидаемые величины. Чтобы ошибиться не больше чем на порядок.

В гнезде пространство перегорожено сотами, поэтому уменьшил увеличение коэффициента теплопроводности в 4 раза

То же самое. Почему не в 2 раза или в 8? Как связаны потери тепла уносимые воздухом, который движется вертикально, с кол-вом рамок в улье?

Предварительный вывод: конвекция - основной виновник теплопотерь в улье.

А что, какие-то сомнения были? Есть ещё излучение. Но по сравнению с потерями от вентиляции его можно не учитывать.
Следующий важный фактор теплопроводность стенок. Всё остальное мелочи.