Intelligentes Bewässerungsmanagement auf dem Dach

Abstract

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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