Reduzierung der Feuchtigkeit im Bienenstock durch aktives Belüften bei der Biene (Apis mellifera)

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1 Reduzierung der Feuchtigkeit im Bienenstock durch aktives Belüften bei der Biene (Apis mellifera) Dipl.Ing. Roland Sachs Prof. Dr. Jürgen Tautz HOBOS Universität Würzburg Josef-Martin-Weg 52/2 D Würzburg ZUSAMMENFASSUNG Durch die Messung von regelmäßigen Schwankungen der relativen Luftfeuchte inmitten einer Bienentraube und die Messung von regelmäßigen Temperaturschwankungen am Rand der Wabengassen werden indirekt von den Bienen gesteuerte Luftwechsel belegt, die für die Bienentraube den Effekt der Entfeuchtung haben. In mehreren Schritten wird kalte trockene Luft in den Wabenbau geleitet, erwärmt und dann mit der warmen feuchten Luft ausgetauscht. Die relative Luftfeuchte in der Bienentraube wird so innerhalb weniger Minuten um bis zu 20% gesenkt ohne dass es zu Temperaturschwankungen kommt. Die relative Luftfeuchte der die Bienentraube umgebenden Luft steigt auf diese Weise und wird im Idealfall von dem sie umgebenden Holz durch Sorption aufgenommen oder durch Wasserdampfdiffusion nach außen abgetragen. EINLEITUNG Der Stand des Wissens ist, dass die westlichen Honigbienen kein geeignetes Mittel hat um die Luftfeuchte im Bienenstock zu regulieren. In modernen Bienenbeuten wird daher versucht durch entsprechende Belüftung die Feuchtigkeit abzuführen. In der Natur leben Bienen seit Millionen von Jahren in Baumhöhlen, die um ein Mehrfaches höher als breit sind. Sie sind umgeben von massiven Holz mit großen Wandstärken und weisen meist nur ein kleines Flugloch im unteren Drittel der Höhle auf. 1 Eine natürliche Belüftung ist hier nur im geringen Maße gegeben. Die Bienen müssen aktiv eingreifen, wenn die Luftfeuchte in der Bienentraube nicht zu Kondensation an den Waben führen soll. Wir wissen, dass eine zu hohe Feuchtigkeit in Bienenbeuten und vor allem die Bildung von Kondenswasser eine große Belastung für die Bienengesundheit darstellen. Mit der Kenntnis über die Transportvorgänge von Wasser und 1 The nest oft he honey bee, T. D. Seeley & R. A. Morse (1976 USA) - 1 -

2 Wasserdampf im Bienenstock kann es gelingen für die Bienen diesbezüglich vorteilhaftere Beuten zu konstruieren. Unsere Messungen greifen erstmals die Idee auf, dass die Bienen selber in der Lage sind Einfluss auf die relative Luftfeuchte zu nehmen. Unsere Ergebnisse liefern einen indirekten Beweis für dieses Verhalten. METHODE Die Messungen wurden in einer Dadant Blatt Beute durchgeführt. 6 Sensoren wurden in der mittleren Wabengasse platziert. Ein Temperatur- und ein Feuchtesensor wurden mittig (ca. 7cm unterhalb der Oberkante der Oberträger), zwei weitere Temperatursensoren etwas höher am Rand der Wabengasse, zwei Temperatursensoren unterhalb dieser am unteren Rand der Wabengasse und ein Temperatursensor wurde auf dem Boden der Beute genau unterhalb der Wabengasse platziert. Abbildung 1: Skizze Wabengasse, Lage der Sensoren Aufgezeichnet wurde mit dem System MessPC. Alle 15 Sekunden wurden die Messwerte abgerufen. Die Temperatursonden haben laut Hersteller eine Genauigkeit von ±1,5 C. Der Feuchtesensor eine Genauigkeit von ±3,5%. Alle Sensoren wurden zuvor getestet und zeigen bei gleichen Bedingungen im Raum konstante Werte über die Zeit an. Die größte Abweichung unter den 5 Temperatursensoren bei gleichen Bedingungen betrug 0,5 C

3 Die Beute ist aus 4cm starken Bohlen im Dadant Blatt Maß gebaut. Der Boden ist geschlossen. Boden und Deckel sind ebenfalls aus Massivholz. Es existieren Entlüftungslöcher auf der den Fluglöchern gegenüberliegenden Seite oben, welche für die Dauer der Messung verschlossen wurden. Ebenso wurden die Fluglöcher auf ein Minimum reduziert (3 runde Fluglöcher mit jeweils einem Durchmesser von 2cm auf der Frontseite mittig unten blieben geöffnet). Eine Belüftung der Beute fand somit während der Dauer des Versuches nur in geringen Maßen statt. Abbildung 2: Blick auf Oberträger und Verkabelung Regelmäßige Temperaturschwankungen in der Wabengasse aufgrund der Belüftungssituation können ausgeschlossen werden. Das Experiment wurde gemeinsam konzipiert, ausgewertet und diskutiert. Die Messungen wurden vom bis Mitte November 2016 von Roland Sachs durchgeführt. Die Beute mit dem Versuchsaufbau befindet sich an seinem Bienenstand in Overath. -3-

4 ERGEBNISSE Die Messung der relativen Luftfeuchte im Zentrum des Bienenstockes zeigt Schwankungen innerhalb weniger Minuten von bis zu 20% auf. Diese Schwankungen erfolgen mit einer regelmäßigen Frequenz. Ein Zyklus vom Maximum zu Maximum dauert meist etwa 8-10min :00:13 06:04:58 06:09:43 06:14:28 06:19:14 06:23:59 06:28:44 06:33:29 06:38:14 06:42:59 06:47:44 06:52:30 06:57:15 07:02:00 07:06:45 07:11:30 07:16:15 07:21:00 07:25:46 07:30:31 07:35:16 07:40:01 07:44:46 07:49:31 07:54:16 07:59:01 08:03:47 08:08:32 08:13:17 08:18:02 08:22:47 08:27:32 08:32:17 08:37:03 08:41:48 08:46:33 08:51:18 08:56:03 H (top, central) T (top, central) Abbildung 3: Ausschnitt der Messung vom Die Temperaturmessungen der oberen Sensoren am Rand der Wabengasse ergeben keine nennenswerten Schwankungen und werden hier nicht weiter betrachtet. Im unteren Bereich lassen sich zu verschiedenen Zeiten an verschiedenen Stellen über jeweils mehrere Stunden Temperaturschwankungen mit regelmäßiger Frequenz beobachten , , , , , :00:42 02:02:27 02:04:12 02:05:57 02:07:42 02:09:27 02:11:12 02:12:57 02:14:42 02:16:27 02:18:13 02:19:58 02:21:43 02:23:28 02:25:13 02:26:58 02:28:43 02:30:28 02:32:13 02:33:58 02:35:43 02:37:28 02:39:13 02:40:58 02:42:43 02:44:28 02:46:13 02:47:58 02:49:43 02:51:28 02:53:14 02:54:59 02:56:44 02:58:29 03:00:14 T (bottom, left) Abbildung 4: Ausschnitt Temperatursensor unten links vom

5 Die Schwankungen betragen bis zu 5 C. Ein Zyklus von Maximum zu Maximum dauert hier etwa 2min. Die Phasen der Schwankungen an einer Stelle dauern zwischen 1 und 17 Stunden, die meisten jedoch zwischen 3 und 6 Stunden. Diese Temperaturschwankungen lassen sich an allen Tagen vom bis einschließlich zum beobachten. Danach nicht mehr. Am wurde es in Overath deutlich kälter. Vermutlich hat die Bienentraube sich weiter zusammengezogen und die Temperaturfühler lagen nun weit außerhalb dieser. DISKUSSION Die Schwankungen der relativen Luftfeuchte in der Bienentraube sind nicht über Temperaturschwankungen zu erklären, diese bleibt am gleichen Ort nahezu konstant (Schwankungen < 0,5 ). Die einzige plausible Erklärung hierfür ist ein Austausch mit Luft der gleichen Temperatur und unterschiedlicher relativer Luftfeuchte. Die gemessenen regelmäßigen Temperaturschwankungen am Rand der Wabengasse belegen den dort stattfindenden Luftwechsel. Eine Biene, die sich langsam entlang des Randes der Wabengasse bewegt und dabei immer in Intervallen fächelt und wieder pausiert (jeweils für 1-2min) dürfte diese Temperaturkurven erzeugen. Die Phasen der Temperaturschwankungen beginnen immer langsam mit kleinen Amplituden und sie klingen am Ende auch langsam ab. Das weist auf eine sich bewegende Ursache der Belüftung hin. 16,5 15,5 14,5 13,5 12,5 11,5 10,5 9, :21:12 10:23:57 10:26:42 10:29:27 10:32:12 10:34:57 10:37:42 10:40:27 10:43:12 10:45:57 10:48:42 10:51:28 10:54:13 10:56:58 10:59:43 11:02:28 11:05:13 11:07:58 11:10:43 11:13:28 11:16:13 11:18:58 11:21:43 11:24:28 11:27:14 11:29:59 11:32:44 11:35:29 11:38:14 11:40:59 11:43:44 11:46:29 11:49:14 11:51:59 11:54:44 11:57:29 T (bottom, left) Abbildung 5: -Beginn einer Phase von Temperaturschwankungen Aus den Temperaturkurven kann man schließen, dass die Biene ihre Belüftungsrichtung beibehält, solange sie sich in der gleichen Richtung entlang der Wabengasse bewegt. Wenn sie also beispielsweise von links nach rechts wandert treibt sie immer in Intervallen kalte Luft in die Wabengasse rein. Kehrt sie nach einer Weile zurück und wandert nun von rechts nach links, so hat sie die - 5 -

6 Belüftungsrichtung geändert: Jetzt wird in Intervallen warme Luft aus dem Wabenbau hinaus gefächelt. In Abbildung 6 lässt sich dies durch an die Kurve angelegte Tangenten gut erkennen. Zunächst fächelt die Biene kalte Luft in die Wabengasse hinein während sie den Sensor passiert. Ist der Sensor nicht mehr in ihrem Einflussbereich, nimmt die Temperaturkurve wieder ihre ursprüngliche Steigung an, aber auf einem kühleren Niveau als zuvor. Der untere Luftbereich wurde deutlich abgekühlt. Vier Stunden später passiert sie wieder den Sensor, diesmal wird das Temperaturniveau angehoben. Die Biene fächelt warme Luft nach unten :00:29 10:22:45 10:45:00 11:07:16 11:29:32 11:51:47 12:14:03 12:36:19 12:58:34 01:20:50 01:43:06 02:05:21 02:27:37 02:49:52 03:12:08 03:34:24 03:56:39 04:18:55 04:41:11 05:03:26 05:25:42 05:47:58 06:10:13 06:32:29 06:54:45 07:17:00 07:39:16 08:01:32 08:23:47 08:46:03 09:08:19 09:30:34 09:52:50 10:15:05 10:37:21 10:59:37 11:21:52 11:44:08 Abbildung 6: Verändertes Temperaturniveau durch die Belüftung T (bottom, right) Dieser Wechsel ist in fast allen Temperaturkurven deutlich zu erkennen. In einigen wenigen Fällen (z.b. Abbildung 7) findet der Wechsel der Richtung genau am Sensor statt :56:44 12:13:15 12:29:45 12:46:16 01:02:46 01:19:17 01:35:47 01:52:18 02:08:48 02:25:19 02:41:49 02:58:20 03:14:50 03:31:21 03:47:51 04:04:22 04:20:52 04:37:23 04:53:53 05:10:24 05:26:54 05:43:25 05:59:55 06:16:25 06:32:56 06:49:26 07:05:57 07:22:27 07:38:58 07:55:28 08:11:59 08:28:29 08:45:00 09:01:30 09:18:01 09:34:31 09:51:02 T (bottom, right) Abbildung 7: Wechsel der Belüftungs- und Bewegungsrichtung am Sensor - 6 -

7 Der Temperatursensor am Boden der Beute hat nur 3x Schwankungen aufgezeichnet (am 3.10., und ). An allen Tagen bis zum lassen sich die Schwankungen an mindestens einem der anderen unteren Sensoren feststellen, oft auch an beiden. Der mittlere Bereich der Bienentraube wird also nur selten von unten belüftet. Die Fächlerinnen gehen in der Regel das äußere Drittel der Wabengassen auf und ab. Die sich oberhalb befindenden Bienen, der dortige Wabenbau und die Seitenwände fungieren als Wärmetauscher. Von dort und/oder von oben wird nun in einem zweiten Schritt die trockene Luft in das Zentrum der Bienentraube gefächelt. Anhand der Messergebnisse vom um 7:38 Uhr morgens schätzen wir folgend beispielhaft das ausgetauschte Luftvolumen ab. Die 30,8 C warme Luft im Zentrum der Bienentraube enthält bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 63,9% absolut betrachtet 19,6 g/m³. Die Temperatur am Boden in der Beute beträgt zu dieser Zeit ca. 6,5 C und enthält bei einer geschätzten Luftfeuchtigkeit von 95% etwa 7,1 g/m³. Würde man die Luft am Boden der Beute auf 30,8 C erwärmen, so hätte sie nur noch eine relative Luftfeuchte von 23%. An der bereits betrachteten Stelle im Diagramm fällt die relative Luftfeuchte innerhalb von 12min auf 45%. D.h. in diesen 12min müssen. 46% der Luft mit der trockenen und erwärmten Luft vom Boden ausgetauscht worden sein. Um abzuschätzen wie viele Bienen für den Austausch der Luft benötigt werden berechnen wir das vorhandene Volumen. Hierfür treffen wir folgende Annahmen: cm² Dadant Blatt Rähmchen, Wabengasse 0,8cm breit - in der kompletten Wabengasse soll die Luft gleichermaßen entfeuchtet werden - schätzungsweise 1/5 des Volumens mit Bienen gefüllt So ergibt sich das zu komplette Luftvolumen einer Wabengasse zu: V = 1240 x 0,8 x 4/5 = 794cm³ Um nun innerhalb von 12min 46% dieses Volumens, also 365cm³ (bzw. 0,365 Liter), in die Wabengasse zu treiben dürfte theoretisch nicht mehr als eine Biene nötig sein. Da dieser Luftwechsel aber über mehrere Stationen stattfindet und die Bienen zumindest zeitweise auf beiden Seiten fächeln, sind vermutlich in jeder Wabengasse 2-8 Bienen damit beschäftigt. Die geringe benötigte Anzahl von fächelnden Bienen ist wohl auch der Grund, warum dieses Verhalten noch nicht entdeckt wurde. Durch dieses Verhalten wird Feuchtigkeit aktiv vom Zentrum der Bienentraube in die äußeren Bereiche befördert. Von hier wird sie idealerweise von dem umgebenden Holz per Sorption aufgenommen, per Wasserdampfdiffusion durch das Holz nach außen abgetragen oder aber sie kondensiert im schlechtesten Fall an den Konstruktionsteilen der Behausung und läuft nach unten ab. In den Baumhöhlen hat diese Form der Entfeuchtung den Vorteil, dass kaum Wärme verloren geht. Die Wärme wird nicht nach Außen gefächelt, sondern bleibt in der Höhle und steigt mit der Zeit wieder nach oben

8 H(top, central) T(bottom, left) T(top, central) T(bottom, central) T(bottom, right) 12:00:08 12:23:54 12:47:40 01:11:26 01:35:11 01:58:57 02:22:43 02:46:28 03:10:14 03:34:00 03:57:45 04:21:31 04:45:17 05:09:02 05:32:48 05:56:34 06:20:20 06:44:05 07:07:51 07:31:37 07:55:22 08:19:08 08:42:54 09:06:39 09:30:25 09:54:11 10:17:56 10:41:42 11:05:28 11:29:14 11:52:59 12:16:45 12:40:31 01:04:16 01:28:02 01:51:48 02:15:33 02:39:19 03:03:05 03:26:50 03:50:36 04:14:22 04:38:08 05:01:53 05:25:39 05:49:25 06:13:10 06:36:56 07:00:42 07:24:27 07:48:13 08:11:59 08:35:45 08:59:30 09:23:16 09:47:02 10:10:47 10:34:33 10:58:19 11:22:04 11:45: