С понижением температуры наружного воздуха до 13 °С пчелы начинают концентрироваться вблизи летка на участках сотов, из которых вышел последний расплод. Здесь и образуется «ложе» зимнего клуба.
Установлено, что в сильных пчелиных семьях образование клуба наступает при температуре наружного воздуха 7 °С, в средних — при 10, а в слабых — при 13 °С.
До 75 % всей площади, занятой пчелами клуба, составляют соты, свободные от меда. Пустой сот — хороший теплоизолятор. Если при зимовке клуб расположен исключительно на сотах, заполненных медом, то теплопотери примерно в 3 раза больше, чем если клуб имеет ложе. Верхняя часть клуба всегда охватывает нижние участки сотов с медом, что позволяет пчелам иметь корм в пределах обогреваемой части клуба. По мере поедания корма клуб пчел перемещается вверх. У пчел, объединенных в клуб, теплопотери уменьшаются в 9 раз, а потребление корма в период зимнего покоя снижается в 20—25 раз по сравнению с потреблением корма одиночной пчелой за то же время. Обмен веществ и расход энергии в зимнем клубе в 250—300 раз ниже, чем в активный период жизни.
Структура зимнего клуба неоднородна. Внешняя часть клуба состоит из плотно сидящих пчел, образующих так называемую корку толщиной от 2,5 до 7,5 см. Пчелы в корке постоянно меняются местами с теми, которые размещаются внутри клуба. В составе корки клуба они находятся до тех пор, пока в их зобиках имеется запас меда. После полного использования этого запаса они «ныряют» в центральную часть клуба, поднимаются по соту к запасам корма и пополняют зобик медом. Корка надежно сохраняет теплоту, вырабатываемую пчелами в середине клуба.
Как правило, в центральной части клуба располагаются преимущественно физиологически молодые пчелы, а в корке — более старые, изношенные. Толщина корки меняется в зависимости от температуры наружного воздуха: при ее понижении корка клуба утолщается и клуб сжимается, а при повышении происходит обратный процесс.
В корке клуба температура поддерживается на уровне от 6,1 до 12 °С. Наиболее высокая и стабильная температура (24,5 °С) отмечается в центральной части зимнего клуба, называемой тепловым центром. На протяжении зимы температура в центре клуба меняется незначительно —не более чем на 1—2 °С за сутки. Разогрев теплового центра происходит в зависимости от числа пчел в клубе, их физиологического состояния, уровня активности и внешней температуры. В свою очередь, активность пчел во многом зависит от температуры и влажности окружающего воздуха, скорости воздухообмена и концентрации диоксида углерода в клубе, от наличия в гнезде расплода и корма, а также состояния пчел и семьи в целом.
В результате разложения сахаров меда в организме пчел образуются вода и диоксид углерода, которые выводятся наружу через трахейную систему. Зимой выделение воды полноценной семьей, находящейся в зимовнике, составляет в среднем 46 г (максимально — 80 г) в сутки. При относительно сухом воздухе вода легко испаряется, освобождая организм от ее избытка. При высокой влажности воздуха в клубе пчел эти процессы затрудняются, что ведет к нарушению всасывания воды в прямой кишке и поносу.
В начале зимовки относительная влажность воздуха в семьях, не имеющих расплода, колеблется в пределах 38—70 %. Наибольшая влажность воздуха отмечается в зоне теплового центра. По мере удаления от него к нижней части в сторону летка и к периферии влажность воздуха медленно снижается.
Относительная влажность воздуха в гнезде, свободном от пчел, колеблется в широких пределах и особенно в зоне размещения летка. Часто в этом месте гнезда влажность воздуха находится на уровне насыщения и при понижении температуры происходит конденсация водяных паров. Влага накапливается на дне и задней от летка стенке улья, а также на участках сотов, в результате чего могут развиваться плесневые грибы. Вода (конденсат) всегда образуется в самом холодном месте улья.
Повышение влажности воздуха в гнезде возбуждает пчел, что ведет к повышению температуры и, как правило, началу откладки яиц маткой, которое требует значительных дополнительных, биологически нецелесообразных затрат энергии в этот период. В нормальных условиях матка зимостойких пород пчел начинает откладывать яйца и выращивать расплод со второй половины марта (за 10—15 дней до высевки их из зимовника и первого весеннего облета пчел).
Содержание диоксида углерода в период зимовки на протяжении нескольких месяцев может превышать в 100—300 раз его процентное содержание в воздухе. Если в наружном воздухе содержится 0,03 % диоксида углерода, то внутри клуба спокойно зимующей семьи его концентрация составляет 3,5—4,5 %, достигая в области Теплового центра 6—7 %. Из-за ограничения воздухообмена с внешней средой концентрация кислорода снижается до 3—4 %.
В процессе эволюции у медоносных пчел выработался адаптационный механизм к высоким концентрациям диоксида углерода и недостатку кислорода. Однако воздух, содержащий кислорода менее 5 %, а диоксида углерода более 10 %, угнетающе действует на пчел. В такой среде пчелы погибают в течение 2—3 дней. При повышении концентрации диоксида углерода в клубе выше 4 % пчелы начинают активно вентилировать гнездо. В то же время повышение концентрации диоксида углерода в клубе приводит к уменьшению активности обмена веществ в организме пчел, сдерживает потребление корма, а это, в свою очередь, ведет к уменьшению образования каловых масс.