Sinn und Unsinn der Wärmedämmung von Bienenstöcken

Die von erfahrenen Imkerinnen und Imkern für die Ausbildung junger Kolleginnen und Kollegen vorgeschlagenen Artikel erinnern daran, dass die Bienenvölker für die Überwinterung sorgfältig isoliert werden sollten.

Eine neuere deutsche Studie berichtet jedoch, dass eine aufwendige Isolation der Völker weder beim Beginn der Brut noch bei der Frühjahrsentwicklung der Kolonie Vorteile bringt. Das Dogma der Isolation der Wintertraube gerät damit ins Wanken. Angesichts der Präzision der Thermoregulation der Wintertraube wird die interessierte Imkerin bzw. der interessierte Imker angeregt, die eigene imkerliche Praxis kritisch zu hinterfragen.

Sollten Bienenvölker wärmegedämmt werden, damit sie den Winter überstehen?

Bei kühlem Wetter hat jede Imkerin und jeder Imker schon festgestellt, dass der Deckel der Beute, wenn man die Hand darauflegt, lauwarm oder sogar deutlich warm ist. Die Kolonie, ein echter Superorganismus, vergleichbar mit einem Säugetier (die Arbeiterinnen bilden die Gesamtheit der grundlegenden Organe wie Verdauung, Ventilation, Vorratshaltung usw.; die Waben dienen als Skelett; Königin und Drohnen sind die Fortpflanzungsorgane; das Brutnest entspricht der Gebärmutter), produziert Wärme. Analog dazu beheizt der Mensch seine Wohnung durch das Verbrennen eines Brennstoffs. Es gibt jedoch einen grundlegenden Unterschied zwischen Mensch und Biene: Der Mensch erwärmt seine Umgebung, während die Biene ausschließlich den „Körper“ ihres Superorganismus durch eine erstaunlich präzise Thermoregulation erwärmt.

Wärmeproduktion

Beim Menschen führt ein Absinken der Körpertemperatur (Hypothermie) zu einer allmählichen Zunahme des Muskeltonus, gefolgt von unwillkürlichen und schnellen Kontraktionen agonistischer und antagonistischer Muskeln, also ohne Bewegung oder Gelenkverschiebung (Isometrie). Während dieses Kältezitterns wird die Muskelenergie hauptsächlich in Form von Wärme und nicht als „mechanische“ Arbeit freigesetzt.

Isometrische Kontraktion der Muskulatur

Bei der Biene findet dasselbe Phänomen im Thorax statt, der die antagonistischen Flugmuskeln (dorso-ventral und longitudinal) enthält. Kontrahieren diese Muskeln gleichzeitig, bewegen sich die Flügel nicht (Isometrie), sondern es wird ausschließlich Wärme erzeugt, die lokal innerhalb weniger Minuten Temperaturen von über 40 °C erreichen kann. Man erinnere sich, dass Bienen die Beute auch bei kühlen Temperaturen (10–12 °C) verlassen können, jedoch nur, wenn ihr Thorax eine Temperatur von etwa 30 °C erreicht hat. Diese Temperatur ermöglicht es den Enzymen, den chemischen Prozess zu steuern, der für die rhythmische Kontraktion (200 Schläge/Sekunde) der Flugmuskeln erforderlich ist.

Die Biene muss sich also vor dem Abflug aufwärmen, ähnlich wie ein Sportler vor einem Wettkampf. Dies erklärt auch, warum man bei kaltem Wetter benommene Bienen in der hohlen Hand „wiederbeleben“ kann, indem man sie sanft anhaucht. Eine Besonderheit der Biene besteht jedoch darin, dass sie Wärme nicht nur für sich selbst, sondern auch für die Bedürfnisse der Kolonie erzeugt, insbesondere für Brut und Königin.

Brennstoff

Wie beim Menschen benötigt auch die Wärmeproduktion der Bienenvölker einen Brennstoff. Ein Fünftel des von den Sammlerinnen eingetragenen Honigs dient als Nahrungsquelle zur Aufrechterhaltung der lebenswichtigen Funktionen der einzelnen Biene und der gesamten Kolonie. Die restlichen vier Fünftel entsprechen einem gespeicherten Treibstoff, der für die Wärmeproduktion der Biene selbst, vor allem aber für die Brutpflege und das Überleben der Wintertraube bestimmt ist. Honig ist somit eher ein Brennstoff als ein Nahrungsmittel.

Die Wintertraube

Im Gegensatz zu Wildbienen und Vespiden, die den Winter einzeln überstehen, indem sie auf im Herbst stark genährte Fortpflanzungsindividuen setzen, verlässt sich die Honigbiene auf die bemerkenswerte Organisation der Kolonie, die eine doppelte Strategie entwickelt hat: die Speicherung von Brennstoff und die Bildung der Wintertraube.

Dieses Kälteschutzverhalten tritt nur dann auf, wenn praktisch keine Brut vorhanden ist. Die Traube bildet sich nicht, wenn die Kolonie Larven/Nymphen pflegt und beispielsweise im Frühjahr ein Kälteeinbruch eintritt.

Die Brut wird von den Pflegebienen niemals verlassen. Wird „ausgekühlte“ Brut festgestellt, bedeutet dies, dass die Bienen alles unternommen haben, um durch Wärmeproduktion das Brutnest über 34 °C zu halten, jedoch nicht über genügend Heizbienen und/oder Futterreserven verfügten, um die für das Überleben der Brut notwendige Wärme zu erzeugen.

Man erinnere sich, dass bei vorhandener Brut, insbesondere bei verdeckelter Brut, die empfindlicher ist als offene Brut, der Stoffwechsel der Kolonie stark ansteigt, um eine ideale Homöothermie (32–37 °C) aufrechtzuerhalten – um den Preis eines sehr hohen Brennstoffverbrauchs von bis zu 1 kg Honig pro Woche! Bei Futtermangel kann eine Kolonie mit Brut rasch an Unterkühlung zugrunde gehen.

Kopf in den Zellen, rund um die Brut: Die Arbeiterinnen sind an Hunger – und damit an Kälte – gestorben.

Die Wintertraube erscheint als mehr oder weniger kugelförmige Struktur, je nach Lage in der Beute eventuell etwas abgeflacht an einer Wand oder unter dem Deckel. Diese „Kugel“ ist durch die Waben segmentiert, die von den Bienen normalerweise nicht betreten werden und als Luftreservoir, Isolationsschicht oder als nahegelegtes Futterlager für die Heizbienen dienen.

Infrarotaufnahme einer Wintertraube, segmentiert durch die Waben der Rähmchen.

Sinkt die Außentemperatur unter 15 °C, beginnt sich die Traube zu bilden; bei −7 °C ist sie vollständig und umfasst alle Bienen der Kolonie. Je tiefer die Temperatur fällt, desto stärker zieht sich die Traube zusammen – entsprechend dem Prinzip des konvektiven Wärmeverlustes, der mit zunehmender Oberfläche steigt. Bei sehr niedrigen Temperaturen verschwindet die Traube tief zwischen den Wabengassen und ist nicht mehr sichtbar.

Auch wenn die Bienen der Traube unbeweglich erscheinen, verändert sie ihre Form und bewegt sich je nach Lage der Futtervorräte und der unterschiedlich besonnten Beutenwände. Die Wintertraube liegt häufig an der nach Süden ausgerichteten Wand des Brutraums und unter dem Deckel, da Wärme stets nach oben steigt. Die Position der Wintertraube und die Anordnung der sie bildenden Bienen stellen ein perfektes Modell energetischer Effizienz dar.

Mit zum Zentrum gerichteten Köpfen sind die Bienen auf der Oberseite der Traube zu erkennen.

Die Bienen der äußeren Schicht bilden einen isolierenden Mantel, der die tiefer liegenden Bienen vor übermäßigem Wärmeverlust durch Konvektion schützt. Mit dem Kopf nach innen gerichtet isoliert diese dichte Schicht dank der zahlreichen, ineinandergreifenden Thoraxhaare wie die Wollfäden eines Pullovers. Dieser „Mantel“ schützt eine tiefere Schicht von Bienen, deren unbewegliche Flügel fächerförmig ausgebreitet sind und eine gewisse Belüftung des wärmeren Zentralkerns ermöglichen, der isometrisch „zittert“, um endotherme Wärme zu erzeugen. Nicht alle Bienen im Kern sind gleichzeitig aktiv: Nur etwa 15 % sind endotherme Arbeiterinnen mit sehr hohem Stoffwechsel und maximalem Brennstoffverbrauch. Die übrigen Bienen im Zentrum tragen zur kritischen Masse bei, die notwendig ist, um das Verhältnis von Volumen zu Oberfläche der Traube zu optimieren. Die Muskelkontraktionen der Heizbienen verbrauchen so viel Sauerstoff wie eine fliegende Sammlerin! Nach etwa 30 Minuten „Heizphase“ übernimmt eine andere Arbeiterin mit drastisch erhöhtem Stoffwechsel – vergleichbar mit den Wechseln bei Radfahrern in einer Ausreißergruppe. Die Thermoregulation der Traube ist bemerkenswert: Je tiefer die Außentemperatur sinkt, desto höher steigt die Temperatur des endothermen Kerns, während die des peripheren Mantels abnimmt, jedoch nicht unter etwa 6 °C, der Grenze, unterhalb derer eine Biene stirbt.

Temperaturverlauf in einer Beute während einer Winternacht (zwischen 16 Uhr und 4 Uhr am folgenden Morgen). Die Temperatur am Flugloch sinkt kontinuierlich. Die Temperatur der peripheren Bienen fällt zunächst ab und stabilisiert sich bei etwa 6–7 °C dank der Wärmeproduktion des Traubenkerns (Grafik Farhenholz).

Die thermische Regulation der Kolonie im Winter ist somit weder automatisch noch gleichförmig.

Die Temperatur wird so moduliert, dass bei minimalem Brennstoffverbrauch ein Gesamtstoffwechsel erreicht wird, wobei der Sauerstoffgehalt als „Thermostat“ dient. Wird die Wintertraube durch Vibrationen gestört (gegen die Beute schlagender Ast, instabile Bank, Manipulation durch den Imker usw.), wird sie weniger kompakt; die „belüftenden“ Bienen der mittleren Schicht mit fächerförmig ausgebreiteten Flügeln werden aktiv, Sauerstoff gelangt schneller in die Tiefe, was den Stoffwechsel im thermischen „Reaktorkern“ erhöht – und damit den Brennstoffverbrauch.

Die Temperatur im Kern der Traube erreicht leicht 30 °C.

Zusammengefasst besteht die Traube aus einer äußeren, kompakten Bienenschicht mit niedrigem Stoffwechsel als Isolationsmantel, einer mittleren Schicht von Bienen mit ausgebreiteten Flügeln zur Wärmeverteilung, Belüftung, CO₂-Abfuhr und Sauerstoffzufuhr sowie einer inneren Schicht von Heizbienen des endothermen „Reaktors“ mit hohem Stoffwechsel.

Quelle: Jarimi, H., Tapia-Brito, E. und Riffat, S., 2020.

Die Bienen wechseln zwischen den Schichten, um die stärker exponierten Bienen der äußeren Schicht vor Lethargie und Tod unterhalb von etwa 6 °C zu schützen. „Dieses leistungsfähige System minimiert die Wärmeproduktion, indem es sie kontinuierlich an den aktuellen Bedarf anpasst, mit zwei Vorteilen: zum einen werden wertvolle Honigreserven geschont, zum anderen wird die Lebensdauer der Bienen möglichst erhalten, da ihre Langlebigkeit mit steigender Stoffwechselrate abnimmt“ (J. Kievits 2019).

Die Fähigkeit der Wintertraube zur Wärmeproduktion hängt stark von der Anzahl der beteiligten Bienen ab. Zudem steigen bei kleineren Trauben die Wärmeverluste aufgrund des bekannten Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen (Southwick, 1983). Kleine Trauben mit wenigen Bienen und relativ großer Oberfläche haben daher geringe Überlebenschancen im Winter. Der Gesamtstoffwechsel einer Traube nimmt mit der Bienenzahl zu, jedoch nicht linear; etwa 17'000 Bienen markieren den Wendepunkt dieser Kurve. Bei niedrigen Temperaturen ist dieser Effekt geringer. Eine kleine Traube von weniger als etwa 1,7 kg (< 17'000 Bienen) verbraucht bei 2 °C mehr Energie, um am Leben zu bleiben, als bei 15 °C.

Umgekehrt verbraucht eine größere Traube von mehr als 1,7 kg bei 2 °C weniger Energie als bei 15 °C. Bei moderaten Umgebungstemperaturen (10–14 °C) löst sich die Traube allmählich auf, was die Wärmeabgabefläche stark vergrößert und den Stoffwechsel deutlich erhöht (E. Southwick 1983).

„Bei ruhenden Bienen (exothermer Zustand) steigt der Sauerstoffverbrauch – und damit die Energieproduktion – bei niedrigem Niveau nahezu exponentiell mit zunehmender Umgebungstemperatur. Aufgrund ihrer geringen Masse bzw. des ungünstigen Verhältnisses von Volumen zu Oberfläche müssen thermisch aktive (endotherme) Bienen erheblich mehr Energie aufwenden, um ihre Thoraxtemperatur hoch zu regulieren. Bezogen auf die Ruheenergie müssen endotherme Bienen ihre Energieproduktion verzehnfachen, um bei 40 °C Umgebung eine Thoraxtemperatur von 38–39 °C zu halten, und bei 15 °C Umgebung sogar um den Faktor 340 steigern. (…) Im Vergleich zu einem Pferd muss eine Honigbiene mehr als 660-mal so viel Energie pro Masseneinheit umsetzen, um ihren Thorax bei 20 °C Umgebung auf 38 °C zu halten.“ (M. Stabentheiner)

Der Energieverbrauch der Kolonien im Winter lässt sich in Watt pro Kilogramm Bienen messen. Obwohl er zwischen den Kolonien stark variiert, folgt er einem allgemeinen Muster: Der Stoffwechsel einer Wintertraube ist bei etwa 5 °C am niedrigsten, steigt mit zunehmender Temperatur an, sobald die Bienen aktiv werden, und sinkt wieder, wenn sich die Umgebungstemperatur 20 °C nähert. (Randy Oliver, 2016)

Stoffwechselrate von Bienentrauben in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur (Randy Oliver, 2016)

Idealerweise sollte die Beute daher nicht zu gut isoliert sein, sodass die Innentemperatur 15 °C nicht übersteigt, um zu verhindern, dass sich eine Traube von mindestens 17'000 Bienen auflöst und der Futterverbrauch explodiert. Erstaunlich, nicht wahr?

Fazit

Mehrere Faktoren modulieren die Thermoregulation der brutlosen Wintertraube.

Die Außentemperatur ist ein wichtiger Faktor, da sie das Traubenverhalten innerhalb der Beute bestimmt. Sobald die Innentemperatur etwa 15 °C erreicht, ziehen sich die Bienen zusammen, um die Königin warm zu halten, und Randwaben werden schrittweise verlassen, da das Ziel der Kolonie ausschließlich die Aufrechterhaltung der Temperatur des Superorganismus ist, nicht die Erwärmung des gesamten Raums.

Luftzug ist ein sehr ungünstiger physikalischer Faktor für den lokalen Wärmeerhalt: Einerseits wird die dünne, durch Strahlung gebildete Warmluftschicht um den Traubenmantel weggeweht, andererseits kann ohne diese Isolationsschicht die Feuchtigkeit der Traube verdunsten und die Abkühlung verstärken. Man denke an den „Windchill“-Effekt der Meteorologen.

Die Anzahl der Bienen in der Traube ist entscheidend: Je größer sie ist, desto effizienter die Wärmeproduktion. Für eine sichere Überwinterung sollte die Kolonie mehr als 17'000 Bienen umfassen.

Das Verhältnis von Volumen zu Oberfläche der Traube ist nicht linear: Große Trauben haben relativ weniger Oberfläche als kleine und verlieren proportional weniger Wärme.

Der Zugang zu Brennstoff muss gesichert sein, damit der Stoffwechsel Glukose und Fruktose des Honigs in Energie (Wärme), Kohlendioxid und Wasser umwandeln kann. Bei Futtermangel kann die Kolonie keine Wärme mehr produzieren; die Bienen verhungern und erfrieren schließlich mit dem Kopf in leeren Zellen.

Für eine erfolgreiche Überwinterung achtet der Imker daher auf drei Punkte:

Die Beute muss ausreichend isolieren, Zugluft und Wärmeverluste vermeiden, vor allem aber Kondenswasser verhindern, das die Vermehrung von Krankheitserregern (Schimmel, Bakterien) begünstigt. Wände und Boden müssen dicht sein; der Innendeckel muss gut passen, ohne Spalten; das Fütterungsloch dicht schließen. Das Dach muss die Beute trocken halten, der Stand stabil sein, um Vibrationen zu vermeiden. Eine zusätzliche Dämmung über dem Innendeckel kann helfen, Kondensation auf den Rähmchen zu verhindern. Ein Varroa-Schieber ist im Winter nicht zwingend nötig, sofern keine Zugluft entsteht; er wird wieder eingesetzt, sobald die Königin in Eiablage geht und Brut vorhanden ist.

Laut einer aktuellen deutschen Studie (Schweizerische Bienen-Zeitung 10/21) bringt eine Hochleistungsdämmung mit isolierenden Schieden bei gut besetzten Wirtschaftsvölkern keinen Vorteil für Brutbeginn oder Frühjahrsentwicklung.

Gute Belüftung zur Vermeidung von Kondenswasser scheint wichtiger zu sein als übermäßige Dämmung, die den Feuchtigkeitsabtransport behindert. Hochleistungsdämmungen begünstigen zudem Verstecke für Wachsmotten, Mäuse und andere Eindringlinge. Das Dogma der Winterdämmung wird damit infrage gestellt. Eine Dämmung bei Völkern mit Brut bleibt im Frühjahr vermutlich sinnvoll; ein sonniger Standort kann einen ähnlichen Effekt haben.
Die Kolonie sollte stark sein und mindestens sechs Brutraumrähmchen besetzen. Zu kleine Völker werden vereinigt, um die kritische Masse von mindestens 17'000 Bienen zu erreichen. Eine vollständig mit Bienen besetzte Wabenseite im DB-Brutraum umfasst etwa 1'400 Individuen; man rechnet mit rund 2'500 pro Rähmchen (beide Seiten), also sechs bis sieben Rähmchen für eine sichere Überwinterung. Ein Zusammenrücken der Waben kann sinnvoll sein, damit Futter nahe an der Traube liegt. Andernfalls können Bienen verhungern und erfrieren, obwohl auf der anderen Seite der Beute volle Futterwaben vorhanden sind. Im Winter sollte die Beute möglichst nicht geöffnet und die Waben mit der Traube nicht verschoben werden.
Die Nahrung ist als Brennstoff zu verstehen. In der Ebene benötigt eine Kolonie etwa 16 kg Honig (vier volle Brutraumwaben), in Höhenlagen aus Sicherheitsgründen etwa 20 kg. Neben der Menge ist die Qualität entscheidend: Honig ist dem Sirup deutlich überlegen. Eine späte Tracht ohne Honigraum ermöglicht das Überwintern auf Honig. Eine frühe Ernte (Mitte Juli) erlaubt eine wirksame Sommerbehandlung gegen Varroa und das direkte Einlagern von Nektar im Brutraum nahe der zukünftigen Traube.