Adaptive und sensorgestützte Bewässerung extensiver Gründächer zur Optimierung des urbanen Wassermanagements im Hinblick auf Niederschlagsrückhalt und Verdunstungskühlung (Intelligentes Bewässerungsmanagement auf dem Dach)

Fazit des Projekts

Durch dieses adaptive und sensorgestützte Be- und Entwässerungssystem kann der positive Beitrag neuartiger, verdunstungsstarker extensiver Dachbegrünungen zum städtischen Wassermanagement deutlich erhöht werden, so dass urbane Gebiete besser gegen die Herausforderungen des Klimawandels gewappnet sind.

Wissenschaftliche Poster zur Projekt- und Ergebnisdarstellung

Hintergrund

Derzeit sind extensive Dachbegrünungen in der Regel als Trockenstandorte gestaltet: Die Substratschicht ist nur wenige Zentimeter stark sowie sehr gut wasserdurchlässig, die Begrünung besteht aus trockenheitsadaptierten Pflanzen wie Sedum. Auf Grund ihres Konstruktionsprinzips haben diese Dächer v.a. bei Starkregen nur ein geringes Wasserrückhaltevermögen und in trocken-heißen Phasen fehlt das Wasser, um städtischen Hitzeinseln durch Verdunstungskühlung etwas entgegenzusetzen. In den letzten Jahren wurden deshalb bereits neuartige extensive Dachbegrünungen mit einer deutlich größeren Klimawirkung entwickelt. Eine Variante davon sind Begrünungen, bei der anstelle von Sedum und ähnlichen Pflanzen verdunstungsstarke Gräser und Stauden verwendet werden, die über Tropfschläuche mit Wasser versorgt werden können. Ein zweite Variante sind die sogenannten Retentionsdächer, bei denen unterhalb des Begrünungssystems ein Gitterelement eingebaut wird, in dem Wasser temporär zurückgehalten werden kann.

Allerdings besteht bei diesen neuartigen Dachbegrünungssystemen ein Zielkonflikt zwischen der Maximierung des Wasserrückhalts und der Maximierung der Verdunstungskühlung. Während für Ersteres das Substrat möglichst trocken sein sollte, erfordert das Zweite eine durchgängig hohe Wasserversorgung der Vegetation. Zudem stellt sich die Frage nach einem nachhaltigen Umgang mit der Ressource Wasser, eine Herausforderung, die durch die aktuelle Sommertrockenheit 2022 verstärkt in den Fokus gerückt ist.

Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde ein adaptives und sensorgestütztes Wassermanagementsystem für neuartige extensive Dachbegrünungen entwickelt, mit dem zum einen der Zielkonflikt zwischen Wasserrückhalt und Verdunstungskühlung gelöst und zum anderen möglichst nachhaltig mit der Ressource Wasser umgegangen werden sollte.

Messung des Wasserversorgungszustands von Dachbegrünungen

Ein wesentlicher Aspekt des Wassermanagementsystems ist die korrekte Messung des aktuellen Wasserversorgungszustandes. In der Landwirtschaft sowie im Gartenbau werden hierfür kapazitive Fühler genutzt. Allerdings ist bekannt, dass diese Fühler für eine korrekte Messung einen ausreichenden Bodenschluss benötigen und zudem in der Regel eine boden- bzw. substratspezifische Kalibration notwendig ist. Im Rahmen des ersten Arbeitspaketes wurden daher entsprechende Fühler auf ihre Eignung für die Messung des Wassergehalts in grob strukturierten und aus überwiegend mineralischen Bestandteilen bestehenden Dachsubstraten geprüft (Abb. 1).

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Abb. 1: Einbau von Sensoren in das Prüfgefäß (oben links); Prüfstand mit Prüfgefäß, Waage zur Erfassung des Gewichts des Prüfgefäßes, Kamera zur Aufzeichnung und Erfassung von Welkesymptomen und dem PC zur Datenerfassung (oben rechts); Testpflanzen mit deutlichen Welkesymptomen (unten). (Foto: HSWT)

Die Ergebnisse (Abb. 2) zeigten, dass alle vier geprüften Fühler grundsätzlich für die Anwendung in Dachsubstraten geeignet sind. Bei dreien war die Beziehung zwischen dem Sensorsignal und dem gravimetrischen Wassergehalt über den gesamten Prüfbereich (volle Wassersättigung bis deutliche Welkesymptome an den Testpflanzen) linear. Bei dem vierten Sensor war die Beziehung S-förmig. Allerdings hat dieser Sensor den Vorteil, dass er ein sehr großes Substratvolumen erfasst und damit Feuchtigkeitsunterschiede in der Fläche besser erfassen kann. Zudem zeigte der Sensor vor allem im Bereich des Welkepunktes eine deutlichere Signaländerung als die drei übrigen Sensoren. Wie auf Grund der Erfahrungen mit diesen Sensoren beim Einsatz in Mineralböden und herkömmlichen gärtnerischen Kultursubstraten vermutet, war die Präzision und Wiederholbarkeit der Messung bei feineren Substraten besser als bei gröberen. Alle Fühler müssen substratspezifisch kalibriert werden.

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Abb. 2: Zusammenhang zwischen den Ausgangssignalen der vier geprüften Sensoren in den fünf unterschiedlichen Dachsubstraten (Darstellung: HSWT)

Adaptives, sensorgestütztes Wassermanagementsystem für extensive Dachbegrünungen

Teststände zur Entwicklung und Erprobung

Kernstück der Entwicklungsarbeit waren sechs kleinmaßstäbliche Dachbegrünungsmodelle mit einer Fläche von jeweils 7,6 m². Beim ersten der sechs Modelle entsprach der Aufbau (Wurzelfeste Kunststoffbahn, Schutzvlies, Drainelement, Filtervlies, 6-8 cm hohe Vegetationstragschicht) und Vegetation (v.a. Sedum-Arten) einem derzeit üblichen Extensivdach. Die Modelle 2 und 3 unterschieden sich vom ersten Modell durch eine ca. 2 cm stärkere Substratschicht, eine Unterflur-Tröpfchenbewässerung sowie durch die Vegetation. Beim Modell 2 bestand diese aus mediterranen Stauden und Gräsern, die in Deutschland (derzeit) nich winterhart sind. Bem Modell 3 wurden verdunstungsstarke winterharte Stauden und Gräser verwendet, die im Rahmen eines vorangegangenen Forschungsproojektes an der HSWT (Link Grauwasser) für diesen Zweck selektiert wurden. Das vierte Modell entsprach hinsichtlich Aufbau und Vegetation Modell 3, hier waren aber zusätzlich ein Sensor zur Messung des Wasserstandes im Dachbegrünungsaufbau sowie eine elektronisch steuerbare Drossel zur aktiven Regulation des Regenwasserablaufs verbaut. Bei den Modellen 5 und 6 handelte es sich um sogenannte Retentionsdächer, wobei die Begrünung den Modellen 3 und 4 entsprach. Beide Modelle waren ebenfalls mit einer aktiven Abflussregulation ausgerüstet. Der Unterschied zwischen den beiden Modellen bestand in einer Pumpe beim Modell 6, durch die das im Retentionselement gespeicherte Wasser für die Bewässerung der Begrünung genutzt werden konnte. Abb. 3 zeigt die sechs Modelle während der zweiten Vegetationsperiode.

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Abb. 3: Blick über die sechs Dachbegrünungsmodelle im Sommer 2021 (Foto: HSWT)

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Abb. 4: Schematischer Aufbau der sechs Dachbegrünungsmodelle (Darstellung: HSWT)

Kernstück des Wassermanagements: Entscheidungsmatrix

Kernstück des Wassermanagementsystems bildet eine Entscheidungsmatrix, in die neben den Messwerten der Sensoren auch Daten aus den kurz- und mittelfristigen Wettervorhersagen vom Deutschen Wetterdienst (MOSMIX- und RADOLAN-Datensätze) sowie Informationen zu den verfügbaren Wasserressourcen einfließen.

Das erste Kriterium der Entscheidungsmatrix ist der Wasserversorgungszustand der Begrünung, der über die Substratfeuchtefühler erfasst wird. Anstatt der bisher üblichen Bepflanzung mit trockenheitsresistenten, jedoch eher verdunstungsschwache Sedum-Arten (s. Abb. 3, Modell 1) stattet man Dachbegrünungen heutzutage immer öfter mit verdunstungsstarken Pflanzen wie z.B. Kräutern und Gräsern aus (s. Abb. 5, Klima-Gründach-Bepflanzung). Soll mit dieser verdunstungsstarken Vegetation eine möglichst hohe Evapotranspirationsleistung erzielt werden (entweder für einen möglichst hohen Kühleffekt oder auch zum Zweck einer nachhaltigen Regenwasserbewirtschaftung), wird eine höhere Substratfeuchte angestrebt und entsprechend stärker bewässert. Falls andererseits der Regenwasserrückhalt maximiert werden soll oder nur wenig Wasser zur Verfügung steht, wird das Substrat möglichst trocken gehalten, ohne dadurch die Vegetation nachhaltig zu schädigen.

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Abb. 5: Modell 5 mit vielfältiger, verdunstungsstarker Klima-Gründach-Bepflanzung aus Gräsern und Kräutern im Juni 2021 (Foto: HSWT)

Ein zweiter Aspekt ist die Verknüpfung der kurz- bis mittelfristigen Entwicklung des Wasservorrats im Substrat mit dem aktuellen Wasserversorgungszustand. Dieser wird auf Grundlage der für die nächsten Tage vorhergesagten potentiellen Evapotranspiration sowie von Modellen zur Verdunstungsleistung extensiver Dachbegrünungen in Abhängigkeit von der Substratfeuchte prognostiziert. Des Weiteren wird die Bewässerungsintensität von den zur Verfügung stehenden Wasserressourcen (im Retentionselement gespeichertes Regenwasser, sonstiges Regenwasser, Grauwasser, Trinkwasser) sowie der aktuellen thermischen Belastung der Stadtbevölkerung beeinflusst.

Be- und Entwässerungsmanagement mittels RADVOR-Daten und MOSMIX

Neben dem Bewässerungsmanagement wurden auch Strategien zur Entwässerung entwickelt. Dazu zählen zum einen Steuerungsalgorithmen zur rechtzeitigen Entleerung von Retentionselementen bei anstehenden Niederschlägen. Um vor allem auf kleinräumige, unwetterartige Niederschläge reagieren zu können, wurde ein Auswerte-Algorithmus für radarbasierte Niederschlagsvorhersagen (RADVOR-Daten) entwickelt. Diese Kurzzeitvorhersage wird durch mittelfristige Niederschlagsdaten aus der numerischen Wettervorhersage (MOSMIX) ergänzt. Der zweite Baustein sind Regelalgorithmen zur aktiven Steuerung des Regenwasserablaufs während Niederschlagsereignissen. Hier konnte gezeigt werden, dass die Nutzung des Substrats als temporärer Speicher ein erhebliches Potential vor allem bei wiederholten, kurzen, aber sehr heftigen Niederschlagsereignissen hat, bei denen die derzeit üblichen Dachbegrünungssysteme nur einen relativ geringen Nutzen im Hinblick auf den Regenwasserrückhalt haben – siehe Abb. 6, links ohne Einstau ins Substrat (Niederschlagsrückhalt von ungefähr 15 mm) und Mitte mit Einstau ins Substrat (Niederschlagsrückhalt von 45 mm).

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Abb. 6: Verlauf des Regenwasserabflusses (orange) und des Wassereinstaus im Systemaufbau (Vegetationstragschicht + Drain-/Retentionselement) bei aktiver Abflussregulation (grün) in Abhängigkeit von der Niederschlagsmenge (blau). (Darstellung: HSWT)

Bei zusätzlicher Installation eines Retentionselements kombiniert mit aktiver Abfluss-regulation kann fast die gesamte Niederschlagsmenge bei einem Extremregenereinis (80 mm) zurückgehalten werden (Abb. 6 rechts)

Publikationen

IoT based water management system for extensive green roofs to mitigate urban floods

Lohr, D.; Schmitz, H.; Walker, R.; Meinken, E. (2021)

Proceedings, 15th Proceedings of International Conference on Urban Drainage ICUD 2021, 25.-28.10. 2021, Melbourne, Australia.


Dachbegrünungen als Baustein der Klimafolgenanpassung: Verbesserung der Überflutungs- und Hitzevorsorge durch ein IoT-basiertes Wassermanagement

Lohr, D.; Schmitz, H.; Walker, R.; Meinken, E. (2020)

INUAS-Konferenz Book of Abstracts 2021, S. 310-312.

 

Raum ist in urbanen Gebieten eine umkämpfte Ressource. Durch die zunehmende Verdichtung der Städte und die damit einhergehende Versieglung erwachsen für Städte durch den Klimawandel zwei große Herausforderungen die zukünftig bewältigt werden müssen: Urbane Sturzfluten durch Extremregenereignisse und die Bildung städtischer Hitzeinseln. Begrünte Dachflächen spielen eine zentrale Rolle bei der Bewältigung dieser Herausforderungen. Zum einen sollen sie die Gefahr von urbanen Sturzfluten durch eine Verzögerung des Regenwasserabflusses mindern, zum anderen gleichzeitig die zunehmende Hitzebelastung durch eine hohe Evapotranspiration reduzieren. Allerdings erzeugt die gleichzeitige Maximierung der Verdunstungsleistung und des Regenwasserrückhalts einen nur schwer zu lösenden Zielkonflikt dar: Für eine hohe Verdunstungskühlung ist eine hohe Substratfeuchte notwendig, was aber das Wasserrückhaltevermögen mindert.

Zur Lösung dieses Konflikts muss das Wassermanagement begrünter Dachflächen intelligent gestaltet werden. Hierfür soll ein IoT-basiertes Bewässerungsmanagement für Dachbegrünungen entwickelt werden, in das lokal erhobene Messwerte (Lufttemperatur, Windgeschwindigkeit und -richtung, Substratwassergehalt), die kurz- und mittelfristige Wettervorhersage (z.B. anstehende Niederschläge, potentielle Evapotranspiration) und die zur Verfügung stehende Wasserressource (Grau-, Trink- oder Regenwasser) einfließen.

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Wissenschaftliche Poster

Suitability of dielectric soil moisture sensors for measuring the water supply status of green roofs

Schmitz, H.; Jüttner, I.; Lohr, D.; Meinken, E. (2022)

31. International Horticultural Congress (IHC2022); II International symposium on greener cities: improving ecosystem services in a climate-changing world (greencities2022).

 

Extensive green roofs are a key component of urban water management in the future. On the one hand, they should mitigate urban heat islands, for which evapotranspiration has to be maximized, and on the other hand, they are supposed to reduce the risk of urban floods after heavy precipitation events. To achieve these goals, an exact measurement of the water supply status is necessary. In arable soils as well as in organic growing media, dielectric sensors are widely common. However, there is only little knowledge about the suitability of this kind of sensors for mineral and coarse-textured substrates used for extensive green roofs. In the current research four dielectric sensors (EC-5, 10 HS, SMT 100 and Aquaflex TR) were tested using five different green roof substrates. The five substrates were filled in plastic boxes of 80 x 60 cm. Substrate height was 15 cm and the four sensors were placed at half height. Afterwards, white lupine was sown and cultivated up to a height of about 30 cm. For testing the sensors, the substrates were saturated with water and then they have been left to dry out until plants show severe signs of wilt. During dry out, the sensor signals as well as the weight of the boxes were recorded automatically every five minutes. For each substrate six consecutive drying cycles were done. With exception of the Aquaflex TR, for all sensors output signals were closely linear correlated to the weight loss and signal ranges were comparable for the six drying cycles. However, significant differences in output signals of the sensors between the five tested substrates were observed. This indicates a need for substrate specific calibrations. The relation between the output signal of the Aquaflex TR and the weight loss was not linear, but also reproducible and suitable to assess water supply status of plants.

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IoT based water management system for extensive green roofs to mitigate urban floods

Lohr, D.; Schmitz, H.; Walker, R.; Meinken, E. (2021)

Proceedings, 15th Proceedings of International Conference on Urban Drainage ICUD 2021, 25.-28.10. 2021, Melbourne, Australia.

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Dachbegrünungen als Baustein der Klimafolgenanpassung: Verbesserung der Überflutungs- und Hitzevorsorge durch ein IoT-basiertes Wassermanagement

Lohr, D.; Schmitz, H.; Walker, R.; Meinken, E. (2021)

INUAS-Konferenz 2021 - Urbane Transformationen: Ressourcen, 03.-05.03.2021, virtual 2021.

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Optimierung des urbanen Wassermanagements durch Gründächer

Schmitz, H.; Lohr, D.; Walker, R.; Meinken, E. (2020)

7. Forschungsforum Landschaft, 05.-06.03.2020, Nürtingen.


Vorträge

Development of an adaptive and sensor-based water management for extensive green roofs

Lohr, D.; Schmitz, H.; Meinken, E. (2022)

31. International Horticultural Congress (IHC2022); II International symposium on greener cities: improving ecosystem services in a climate-changing world (greencities2022).

 

Green roofs play a crucial role in climate change mitigation strategies. On the one hand, they should reduce the risk of urban floods after heavy rainfalls. On the other hand, they should cool the city by evapotranspiration and avoid the formation of urban heat islands. However, concurrently most green roofs in Germany are extensive ones. They are designed as dry sites, with shallow and well-drained vegetation layers, no additional irrigation and greened with highly drought-adapted plants - mainly sedum. Indeed, during the last years a new kind of extensive green roofs – still with shallow vegetation layers – but equipped with sub-surface irrigation and voluminous retention elements as temporary water storage beneath the vegetation layer as well as greened with plants with high transpiration, were developed. But also these new kind of green roofs are facing a conflict of objectives between storm water retention and cooling performance.

To solve this conflict of objectives an adaptive and sensor based water management system was developed. It consists of two main components: Irrigation management of the plants and management of storm water runoff, especially the control of the retention element. For the irrigation management a decision matrix was developed which adapts the irrigation strategy, depending if cooling performance or water retention has higher priority. Prioritization is based on thermal discomfort and rain forecast. The decision matrix uses environmental data, data of the weather forecast and information about water resources (e.g. grey water, water supply in the retention element). For management of storm water, run-off is actively controlled and the vegetation layer used as temporary water storage. In combination with a retention element, this can quadruple water retention capacity of green roofs. The amount of water stored in the green roof system – especially the retention element – is mainly controlled on basis of real-time, radar-based precipitation data.

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Adaptive und sensorgestützte Bewässerung extensiver Gründächer zur Optimierung des urbanen Wassermanagements im Hinblick auf Niederschlagsrückhalt und Verdunstungskühlung

Lohr, D.; Schmitz, H.; Walker, R.; Meinken, E. (2020)

14. Projekttage der Bauforschung.

 

Hintergrund

Begrünte Dachflächen sind in zweifacher Hinsicht Kernelemente von Mitigationsstrategien bezogen auf die Auswirkungen des Klimawandels im urbanen Raum. Einerseits sollen sie bei zukünftig häufiger auftretenden Starkregenereignissen das Risiko von Sturzfluten durch eine Verzögerung des Regenwasserabflusses reduzieren. Andererseits soll durch die Evapotranspiration der Flächen das thermische Milieu verbessert und die Entstehung von städtischen Hitzeinseln verhindert werden. Beides können die aktuell üblichen Extensivbegrünung auf Grund ihrer grundlegenden Konzeption – dünnschichtiger Aufbau mit schnelldrainenden Substraten und trockenheitsadaptierte Pflanzen – nicht leisten. In den letzten Jahren wurden daher neue Typen von Extensivbegrünungen entwickelt, die unter den Bezeichnungen Klima- bzw. Retentionsdach am Markt eingeführt wurden. Bei diesen Konzepten werden zum einen andere Pflanzengesellschaften verwendet und zum zweiten verfügen sie über ein größeres Wasserspeichervermögen ohne grundlegend höhere Anforderungen an die Gebäudestatik zu stellen. Allerdings bleibt bei diesen Systemen ein schwer lösbarer Zielkonflikt zwischen maximalem Wasserrückhalt und maximaler Evapotranspiration bestehen. Ersteres verlangt nach einem maximalen Speichervolumen und damit einem geringen Wassergehalt im Substrat, während für den zweiten Aspekt eine gleichbleibend hohe Substratfeuchte notwendig ist.

Zielstellung und Forschungsansatz

Im Forschungsvorhaben werden diese beiden gegenläufigen Aspekte bei der Entwicklung eines adaptiven, sensorgestützten Bewässerungsmanagements für neuartige, extensive Dachbegrünungen berücksichtigt. Grundlage für das Bewässerungsmanagement sind zum einen Vor-Ort gemessenen Umweltdaten (z.B. Substratfeuchte, Wasservorrat im Unterbau, Lufttemperatur), Daten der kurz- und mittelfristigen Wettervorhersage (Niederschläge, Temperatur, Einstrahlung, Evapotranspiration) sowie die zur Verfügung stehenden Wasserressourcen für die Bewässerung (Trink-, Grau- oder Regenwasser). Die Parametrisierung des Bewässerungsmanagements erfolgt auf Basis von Messwerten (z.B. zur Evapotranspirationsleistung von Dachbegrünungen in Abhängigkeit von den Wetterbedingungen sowie der Substratfeuchte) die an sechs realitätsnahen, kleinmaßstäblichen Dachbegrünungsmodellen (s. Abb. 1) erhoben werden. Der Wasserhaushalt in den Modulen wird über eine kontinuierliche Wägung erfasst, zudem sind in den Modellen unter anderem Sensoren zur Erfassung der Substratfeuchte und -temperatur sowie der Luftfeuchte und -temperatur verbaut. Des Weiteren sind alle Modelle mit einem Niederschlagssimulator, mit dem Regenereignisse von einem leichten Dauerregen bis zu einem extremen Gewitterschauer nachgestellt werden können, ausgestattet. Des Weiteren kann der Regenwasserabfluss mit hoher zeitlicher Auflösung gemessen werden.

Aktueller Stand der Arbeiten

Der Aufbau der sechs Dachbegrünungsmodelle ist inzwischen abgeschlossen. Nach grundlegenden Funktionstest wurden die ersten Niederschlagsereignisse simuliert und mit der fortlaufenden Datenerfassung begonnen. Zudem wurden automatisierte Schnittstellen zum Abruf und zur Auswertung der benötigten Vorhersagewerte geschaffen. Dabei handelt es sich um Daten, die vom DWD über den Serverservice Open-Data allgemein zugänglich zur Verfügung gestellt werden. Zum einen werden kurz- und mittelfristige Vorhersagen (bis + 72 h) u.a. zum Niederschlag, der Einstrahlung, der Temperatur und der potentiellen Evapotranspiration herangezogen, die aus den MOSMIX-L-Datensätzen – einer statistisch optimierten Punktvorhersage, die viermal täglich aktualisiert wird und stündliche Prognosewerte für die nächsten zehn Tage liefert – stammen. Auf Basis dieser Daten soll insbesondere die Bewässerung der Vegetation gesteuert werden. Der zweite Datensatz sind räumlich hochaufgelöste, radarbasierte Niederschlagskarten (RADVOR). Diese Karten werden alle 15 min mit einer Zeitverzögerung von einer Stunde bereitgestellt. Sie liefern für 1 km² große Rasterpunkte die aktuelle Niederschlagsmenge sowie zwei Kurzeitvorhersagen (+60 und +120 min). Auf Basis dieser Daten soll der Wasserstand im Retentionselement reguliert werden. Zum einen soll bei angekündigten Starkregenereignissen das Wasser aus dem Retentionselement frühzeitig abgelassen werden, zum zweiten soll die Geschwindigkeit des Wasserablaufs während eines Starkregens reguliert werden.

Geplante Arbeiten

Mit Beginn der Vegetationsperiode werden fortlaufende Messserien gestartet, bei denen vor allem die Evapotranspirationsleistung der Pflanzen in Abhängigkeit von den Wetterbedingungen und der Substratfeuchte sowie der Verlauf des Drainwasserablaufs nach unterschiedlichen Niederschlagsereignissen ermittelt werden. Mit diesen Daten wird das Bewässerungsmanagement parametrisiert. Zeitglich sollen Messungen unter Realbedingungen mit einer mobilen Sensorplattform, deren Prototyp aktuell von der Fa. ZinCo getestet wird, erfolgen, um die Übertragbarkeit der gewonnenen Daten zu prüfen.

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Intelligentes Bewässerungsmanagement auf dem Dach

Schmitz, H.; Lohr, D.; Walker, R.; Meinken, E. (2019)

12. Projekttage der Bauforschung.

 

Begrünte Dachflächen spielen eine wichtige Rolle im städtischen Wassermanagement und sind in zweierlei Hinsicht zentrale Bausteine von Mitigationsstrategien bezogen auf die Auswirkungen des Klimawandels im urbanen Raum. Einerseits sollen sie bei immer öfter auftretenden Starkregenereignissen das Risiko von Sturzfluten durch eine Verzögerung des Regenwasserabflusses reduzieren. Zum zweiten soll durch die Evapotranspiration der Flächen das thermische Milieu verbessert und die Entstehung von städtischen Hitzeinseln verhindert werden. Derzeit wird jedoch ein Großteil der Dachbegrünungen extensiv gestaltet, d.h. als Trockenstandorte mit dünnen Vegetationstragschichten und einer trockenheitsadaptierten, verdunstungsarmen Vegetation. Dies läuft beiden Aspekten - Verbesserung des Stadtklimas sowie Verzögerung des Wasserablaufs - zuwider.

Im Rahmen eines früheren Forschungsprojektes konnte gezeigt werden, dass mit extensiven, relativ kostengünstigen Dachbegrünungen bei Verwendung verdunstungsstarker Pflanzen eine erhebliche Verdunstungskühlung erzielt werden kann. Ein Ansatz zur Verbesserung des Wasserrückhalts sind Retentionsdächer, bei denen der Wasserablauf durch spezielle Drainelemente, die von der Vegetationstragschicht kapillar entkoppelt sind, stark verzögert wird. Im Forschungsvorhaben sollen diese beiden Aspekte verknüpft und ein adaptives, sensorgestütztes Bewässerungsmanagement für modifizierte, extensive Dachbegrünungen unter Nutzbarmachung des Retentionsspeichers entwickelt werden. Unter Einbeziehung von Umweltdaten (Substratfeuchte, Lufttemperatur, Einstrahlung), der Wettervorhersage (z.B. anstehende Niederschläge) sowie der verfügbaren Wasserressourcen (Regen- oder Trinkwasser) wird die Bewässerungsstrategie kontinuierlich angepasst. So soll z.B. bei angekündigten Starkregenereignissen der Wasservorrat im System (Substrat und Drain-/ Retentionselemente) minimiert werden, um einen maximalen Wasserrückhalt zu erzielen. Gleichzeitig sollen unnötige Wasserverluste bei der Bewässerung vermieden werden.
Die Untersuchungen sind in drei aufeinander aufbauende Phasen gegliedert. In der ersten Projektphase, die schon weitgehend abgeschlossen ist, wurde aus fünf grundsätzlich geeigneten Sensoren der für die Bodenfeuchtemessung in Substraten für extensive Dachbegrünungen am besten geeignetste ermittelt und kalibriert. Die derzeitige zweite Phase des Projekts bildet das Kernstück des Vorhabens. Hierfür wurden im Gewächshaus sechs realitätsnahe kleinmaßstäbliche Dachbegrünungsmodelle mit unterschiedlichem Systemaufbau (Substratdicke, Vegetation, Drain- und Retentionselemente) errichtet und mit den in Phase I ermittelten Bodenfeuchtesensoren sowie Sensoren zur Erfassung von Klimadaten (Temperatur, Einstrahlung u.ä.) ausgestattet. Um den Wasserhaushalt im Substrat detailliert nachverfolgen zu können, sind die Modelle wägbar und das entstehende Drainwasser kann aufgefangen werden (siehe Abbildung). In einem der sechs Modelle wurde zudem ein modifiziertes Retentionselement eingebaut, dessen Wasservorrat kontinuierlich erfasst und aktiv beeinflusst werden kann. Um Starkregenereignisse simulieren zu können, werden die Modelle mit einem Niederschlagssimulator ausgerüstet. Über zwei Vegetationsperioden hinweg werden verschiedene Wetterszenarien (Niederschlag, Temperatur, Luftfeuchte) simuliert und ein adaptives Modell für die Bewässerungssteuerung entwickelt. Zentrale Fragestellungen sind dabei: Welchen Beitrag leisten einzelne Komponenten zum Regenwasserrückhalt? Wie lange dauert es, den Wasservorrat im Substrat auf ein Minimum zu reduzieren? Auf welchem Minimalniveau kann der Wassergehalt im Substrat gehalten werden ohne die Vegetation zu schädigen? Welche Bewässerungsstrategie ist für eine maximale Verdunstungsleistung notwendig?
In der dritten Phase, die parallel zur zweiten Vegetationsperiode von Phase II stattfinden wird, soll das Bewässerungsmodell unter Freilandbedingen validiert werden. Hierfür ist geplant, auf bereits vorhandene, gut etablierte Dachbegrünungen zurückzugreifen.

Der gesamte Forschungsansatz stützt sich auf bewährte Komponenten, die - sofern notwendig - lediglich modifiziert und adaptiert werden. Dies betrifft zum Beispiel Sensoren zur Messung der Bodenfeuchte oder die Komponenten zur Erfassung und Nutzung des Wasservorrats im Retentionselement. Bei der Softwareentwicklung werden nur Module genutzt, die eine spätere Veröffentlichung des Quellcodes unter GNU-Lizensierung möglich machen. Somit können die Ergebnisse einfach und schnell in die Praxis umgesetzt werden. Zusätzlich wird darauf geachtet, dass durch die notwendige Technik bzw. die Bewässerungsstrategie keine erhöhten Anforderungen an die Gebäude-/Dachstatik entstehen, so dass auch bereits bestehende extensive Dachbegrünungen entsprechend nachgerüstet werden können.

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Medienbeiträge in Zusammenhang mit dem Projekt

Neue Forschungsergebnisse über die Klimawirkung von Dachbegrünung

Medienbeitrag, . (2022)

forstpraxis.de.

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Risiko Starkregen: Wie können wir uns vor Sturzfluten schützen?

Medienbeitrag, .; Meinken, E.; Schmitz, H. (2022)

UNKRAUT - Umweltmagazin des BR Fernsehen, Stand: 23.05.2022.

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Faszinierende Pflanzen: Wie wir die Vielfalt retten können

Medienbeitrag, .; Meinken, E.; Lohr, D.; Hertle, B.; Kell, K. (2021)

W wie Wissen (ARD).

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Projektleitung


Projektbearbeitung

Projektmitwirkung

Prof. Dr. Elke Meinken

Projektdauer

01.11.2018 - 01.03.2022

Projektförderung

Adressierte SDGs (Sustainable Development Goals)

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