Устройства для регулирования микроклимата в зимовниках

В НИИ пчеловодства разработаны и испытаны технические средства разной степени сложности и стоимости для регулирования микроклимата в зимовниках (А. И. Торопцев, 1996). Стоимость предлагаемых средств увязана с размерами зимовника таким образом, чтобы добиться их окупаемости в течение одного, максимум двух сезонов.

Для небольших, рассчитанных на 20—50 семей пчел, удаленных от основного жилья, можно рекомендовать устройства, регулирующие температуру, например, изменением уровня вентиляции. Они могут быть энергонезависимыми, то есть не потреблять для своей работы электроэнергию. В качестве привода в таких автоматических воздушных заслонках можно использовать биметаллическую пластину, сильфон (медную или латунную гармошку) либо поршневую систему, заполненную легкокипящей жидкостью.

Предпочтительнее использовать в качестве привода поршневую или сильфонную систему. Это существенно улучшает метрологические характеристики воздушных заслонок. Возможная конструкция привода, в котором применен сильфон, показана на рисунке 2.37. Наиболее перспективно применять в такой заслонке сильфонную систему 7 диаметром 50—60 мм, заполненную тетрафтор-1,2-дихлорэтаном (фреоном Ф-114). При нормальном атмосферном давлении температура кипения фреона Ф-114 равна 3,55 °С.

Рис. 2.37. Конструкция привода с сильфоном:

1 — корпус; 2 — шестеренка; 3 — упор; 4 — рейка; 5 — регулировочный винт; 6 — пружина; 7 — сильфонная система При повышении температуры сверх названного предела часть жидкого фреона перейдет в газообразное состояние, что существенно увеличит длину сильфона. Снижение температуры вызовет обратное действие. Таким образом, использование в качестве рабочего тела вещества, находящегося в двухфазовом состоянии (жидком и газообразном), существенно увеличивает чувствительность системы вблизи температуры фазового перехода. Температуру кипения рабочей жидкости регулируют пружиной 6, создающей в сильфоне избыточное давление. Силу ее сжатия изменяют с помощью регулировочного винта 5, в некоторых пределах изменяя температуру кипения жидкости в сильфоне. Верхняя часть сильфона механически связана с заслонкой через передаточный механизм, состоящий из шестеренки 2 и рейки 4. Этот механизм преобразует поступательное движение сильфона во вращательное. Рабочий орган заслонки выполняют в виде квадратной или круглой металлической или пластмассовой пластины (200—500 см²), расположенной в воздуховоде. Пластина может поворачиваться вокруг продольной оси до 90° и в зависимости от своего положения открывать или перекрывать воздуховод приточной или вытяжной вентиляции зимовника. Упоры 3 ограничивают перемещение сильфона при температурах, существенно отличающихся от рабочих.

Для зимовников объемом до 50 м², вмещающих от 30 до 50 семей пчел, рекомендуется электронное устройство, регулирующее не только температуру, но и влажность воздуха. В комплект, входят регулятор температуры и относительной влажности воздуха, 1—2 электрифицированные воздушные заслонки, 2—4 нагревателя и увлажнитель воздуха (нагреватели и увлажнитель типовые, выпускаемые промышленностью); с их помощью можно регулировать микроклимат в довольно широких пределах. Устройство работает как от сети переменного тока, так и от автономного источника питания напряжением 9—12 В (аккумулятора, гальванических батарей).

Регулятор представляет собой сдвоенный трехпозиционный терморегулятор (рис. 2.38). Второй его канал используют для измерения и регулирования относительной влажности воздуха. Для этого второй датчик (на схеме датчик влажности) температуры (t °) помещен в чехол из батиста, нижний конец которого погружен в резервуар с дистиллированной водой. Относительную влажность определяют по разнице температуры «сухого» и «влажного» датчика. Оператор устанавливает задатчик второго канала, находя значение температуры для влажного датчика по психрометрической таблице.

При отсутствии сетевого питания к регулятору автоматически подключается аварийный источник. Для наибольшей продолжительности работы регулятора отключают узлы прибора, которые не могут нормально функционировать при отсутствии сетевого питания. Включенными остаются узлы, закрашенные на рисунке серым цветом.

Специальный таймер снижает расход электроэнергии почти в 1000 раз, поскольку переводит прибор в циклический режим работы. Логическое устройство обрабатывает все сигналы, поступающие от усилителей, и бесконфликтно управляет исполнительными органами. Чтобы работать от автономного источника питания, электрифицированная заслонка снабжена маленьким мотор-редуктором постоянного тока (типа ПМЧ). Заслонка имеет две секции с поворотными клапанами. Одна секция служит для регулирования притока наружного воздуха, другая — для его удаления. При использовании двух заслонок одну устанавливают в приточном канале, другую — в вытяжном.

Рис. 2.38. Структурная схема регулятора температуры и влажности для небольших зимовников.

Основные метрологические характеристики регулятора следующие: измерение и регулирование температуры по обоим каналам от 0 до 10 °C с точностью ± 0,2 °С. Дифференциальная температура включения и выключения нагревателей (увлажнителя), а также полностью открытой и закрытой заслонки может меняться в зависимости от установки соответствующих потенциометров в пределах от 0,2 до 3 °C.

Зимовники вместимостью до 300 семей пчел тоже можно оборудовать сходным устройством. При этом в помещение устанавливают необходимое число добавочных вентиляционных заслонок и нагревателей, а в регулятор добавляют требующиеся узлы и увеличивают мощность тиристорных включателей. Однако для больших зимовников предпочтительнее схема кондиционирования воздуха, при которой основное оборудование сосредоточено в камере воздухоподготовки.

В НИИ пчеловодства разработана, смонтирована и испытана достаточно простая система, поддерживающая микроклимат в зимовнике, вмещающем до 500 семей пчел. Снаружи зимовник имел один приточный и четыре вытяжных канала. Приточный канал заканчивался электрифицированной заслонкой, отделявшей его от смесительной камеры. К этой камере подходили рециркуляционный воздуховод, также отделенный от нее электрифицированной заслонкой и расположенный под потолком зимовника. Из смесительной камеры воздух центробежным вентилятором подавался в камеру воздухоподготовки. В ней находились два блока ТЭНов общей мощностью около 7,5 кВт и блок увлажнителей, состоящий из четырех центробежных увлажнителей типа «Бриз». Из камеры воздухоподготовки нормализованный воздух подавался в распределительную систему, состоящую из каналов с отверстиями, а из нее — во все точки зимовника. Обе камеры и распределительная система располагались ниже уровня грунтового пола. Вытяжные электрифицированные заслонки были укреплены у потолка в вытяжных вентиляционных каналах, установленных в углах зимовника.

При включении вентилятора давление воздуха в смесительной камере понижалось и туда устремлялся воздух из приточного и рециркуляционного воздуховодов. Соотношение наружного (холодного) и рециркуляционного (теплого) воздуха регулировали электрифицированные заслонки, стоящие на этих воздуховодах. Далее смешанный воздух, направляемый вентилятором, контактировал с ТЭНами и увлажнителями, при необходимости нагревался, увлажнялся и поступал в распределительную систему и далее во все точки зимовника.

Так, дополнительный воздуховод позволяет значительно снизить вертикальный температурный градиент и более эффективно использовать тепло, выделяемое пчелами. Поскольку регулятор должен контролировать температуру и влажность в пяти точках зимовника, то и его схема претерпела определенные изменения (рис. 2.39).

С повышением температуры сверх заданной в угловых зонах зимовника открывается и одна из заслонок вытяжной вентиляции, расположенной недалеко от датчика, контролирующего в настоящий момент температуру. Через потолочные вытяжные заслонки воздух не только удаляется из зимовника, но и заходит в него. Поэтому для удаления теплого воздуха и частичной замены его на наружный вполне достаточно потолочных заслонок. Таким образом, при снижении температуры и влажности в любой зоне зимовника каждый датчик температуры и влажности воздуха может управлять работой нагревателя и увлажнителя.

У всех каналов измерения одинаковый приоритет. При повышении температуры и влажности каждый канал имеет свой исполнительный орган, приточную или вытяжную заслонку. Для угловых зон — вытяжные заслонки, для центральной зоны — приточная заслонка. При необходимости структуру блока управления можно немного упростить, исключив усилитель рециркуляционной заслонки, но в этом случае несколько снижается уровень воздухообмена.

Рис. 2.39. Блок-схема регулятора температуры и влажности для больших зимовников.

В зимовниках вместимостью более 500 семей пчел может потребоваться определенная коррекция микроклимата в отдельных зонах. Например, для оптимальной зимовки серых горных кавказских пчел, особенно во второй половине зимы, требуется более низкая температура по сравнению со среднерусскими. Маленьким семьям, запасным маткам нужна более высокая температура, чем кондиционным семьям и т. д. Предлагаемая компьютеризированная система позволяет не только оптимизировать микроклимат в зимовнике большого объема, но и в автоматическом режиме подстроить его под физиологические потребности разных групп семей при их компактном размещении в определенных зонах зимовника.

Блок-схема регулятора показана на рисунке 2.40. Предложенная система не только поддерживает микроклимат на заданном уровне, но и подстраивает его под нужды зимующих семей. Для оперативного контроля физиологического состояния пчел в составе системы функционирует специальный блок (рис. 2.41).

Рис. 2.40. Блок-схема регулятора температуры и влажности, рассчитанного на подключение его к ПВЭМ.

Регулятор включает пять выносных усилительно-коммутационных блоков (УКБ), датчиков температуры, дифференциальный датчик температуры, измерителя тепловой мощности, выделяемой пчелиной семьей, и акустический датчик (микрофон). С помощью УКБ проводится усиление, обработка и коммутация всех датчиков, установленных в контрольной пчелиной семье. Сигнал акустического датчика проходит предварительную обработку: после усиления сигнал подается на детектор, а затем на интегратор (интервал интегрирования 60 с). Все УКБ связаны с ЦБ с помощью 8-проводного кабеля длиной до 30 м.

Рис. 2.41. Структурная схема блока контроля за физиологическим состоянием зимующих семей.

В центральный блок входят источник питания (трансформатор с выпрямителями и стабилизаторами) для УКБ и ЦБ, схема управления и контроля УКБ, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) со схемой управления и контроля. ЦБ через разъем связан с интерфейсом и ПЭВМ, расположенным в регуляторе температуры и влажности воздуха.

При поступлении сигнала начала опроса измерительных каналов с интерфейса ЦБ выдает на все УКБ сигнал сброса интеграторов длительностью около 1 с, при этом все интеграторы приводятся в исходное состояние. Затем в течение 60 с ЦБ выдает на все УКБ команду на интегрирование. За время ее действия все интеграторы УКБ интегрируют продетектированные сигналы акустического датчика. Далее от внутреннего генератора ЦБ с частотой 10 Гц последовательно подключаются сигналы датчиков УКБ к входу АЦП ЦБ, который преобразует их в двоичный цифровой код, причем каждое преобразование сопровождается сигналом конца процесса (это служит командой для интерфейса на ввод информации в ПЭВМ). Так как время преобразования АЦП достаточно мало (около 30 мкс) по сравнению с периодом опроса датчиков (100 мкс), то его достаточно для ввода информации в ПЭВМ со скоростью 1200 бод/с. После опроса последнего датчика последнего усилительно-коммутационного блока система приходит в исходное состояние и ожидает нового сигнала от интерфейса.

Компьютеризированная система регулирования микроклимата по принципу обратной связи действует следующим образом. Осенью перед установкой в зимовник семьи группируют на однотипные по силе или породной принадлежности. В каждой группе выбирают одну наиболее типичную по показателям семью. В зимовнике на эти семьи поверх холстиков устанавливают устройства контроля пирамидальной формы, в которых размещены датчики блоков УКВ. Поскольку в системе насчитывается пять УКВ, а в зимовнике пять зон с регулируемым микроклиматом, то и число групп семей не должно превышать это число. Показатели состояния семей с помощью описанной выше системы передаются на удаленную ПЭВМ, размещенную в помещении у пчеловода. Поскольку в качестве контрольных выбирают наиболее типичные семьи, то по их состоянию можно с определенной степенью вероятности судить и о состоянии других семей той же группы. При наличии соответствующей программы ПЭВМ выдает рекомендации по оптимизации микроклимата для конкретной группы семей и при согласии пчеловода передает в блок регулирования параметров микроклимата необходимые команды для его корректировки. При наличии на ПЭВМ устройства автономного пуска программа может работать без участия пчеловода.

Состояние контрольных семей оценивают по уровням тепловыделения и акустической активности пчел и их распределению внутри гнезда. Относительный уровень тепловыделения пчел проверяют с помощью дифференциального датчика, закрепленного в верхней, наиболее узкой части пирамиды. Причем один из чувствительных элементов датчика находится внутри ее, а другой снаружи. Весь теплый воздух, нагреваемый пчелами над холстиком, проходит мимо датчика. Таким образом, датчик регистрирует разницу температур нагретого пчелами и наружного воздуха. Акустическую активность пчел контролирует микрофон, также укрепленный в верхней части пирамиды. Для более объективной оценки уровня дискретных шумов, производимых семьей, сигнал с микрофона после усиления интегрируется (суммируется и взвешивается) в течение 60 с. Распределение пчел в гнезде (положение клуба) контролируют 14 термодатчиков, закрепленных на специальной сетке в нижней части пирамиды, расположенной непосредственно над холстиком.