Optimierung der Evaporations- und Kühlleistung extensiver Dachbegrünungen durch gezielte Nutzung von Grauwasser

Abstract

In einem dreijährigen Forschungsvorhaben wurde zum einen die Verträglichkeit von Grauwasser zur Bewässerung von extensiven Dachbegrünungen getestet und zum anderen, inwieweit sich durch Variation der derzeit üblichen Sedum-Begrünung die Evapotranspiration erhöhen lässt.

Grundlegende Untersuchungen des Grauwassers aus Bad und Waschmaschine und seiner Ausgangsprodukte (Hygieneartikel und Waschmittel) zeigten, dass es prinzipiell als Gießwasser geeignet ist, wenn die Leitungswasserqualität einer pflanzenbaulichen Verwendung nicht entgegensteht. Ein Screening von 43 Kräuter- und Gräserarten ergab, dass rund 80 % der untersuchten Pflanzenarten das Gießen mit Grauwasser gut vertrugen und dass die Verdunstungsleistung der Pflanzen stark variierte. In einem weiteren Pflanzenversuch im Gewächshaus wurden elf gut grauwasserverträgliche und verdunstungsstarke Kräuter- und Gräserarten in drei verschiedenen Kombinationen hinsichtlich ihrer Verdunstung geprüft. Im Vergleich zu herkömmlichen Sedum-Bepflanzungen wurden im ersten Jahr um 25 bis 75 % und im zweiten Jahr um 75 bis 150 % höhere Verdunstungsraten erzielt. Dabei lag die Evapotranspiration bei Verwendung von Grauwasser zwar um 10 bis 20 % niedriger als bei Einsatz von Leitungswasser, trotzdem kann der ökologisch weitaus sinnvollere Einsatz von Grauwasser zur Bewässerung von extensiven Dachbegrünungen empfohlen werden.

Aus den Ergebnissen des Forschungsvorhabens lässt sich schlussfolgern, dass mit Grauwasser bewässerte verdunstungsmaximierte Gründächer mit Kräuter/Gräser-Mischungen bei trocken-heißer Witterung eine deutliche Kühlleistung erbringen und damit zur Verbesserung des Stadtklimas beitragen können.

Dachbegrünungen können als „biologische Klimaanlage“ zur Verbesserung des thermischen Milieus in Stadtgebieten beitragen, wobei neben der Wärmeabsorption der Kühleffekt der Grünflächen durch Verdunstung von Wasser in den Vordergrund rückt. Extensive Dachbegrünungen, die mit rund 85 % die am weitesten verbreitete Begrünungsart darstellen, wurden bislang jedoch meist als Trockenstandorte konzipiert. Sie sind i.d.R. mit verschiedenen Sedum-Arten bepflanzt, deren Evapotranspirationsleistung bei trocken-heißer Witterung als gering einzustufen ist. Soll von extensiven Dachbegrünungen bei Hitzeeinwirkung eine spürbare Kühlleistung ausgehen, sind eine ergänzende Bewässerung und eine angepasste Vegetationsform unumgänglich. Im Sinne eines ressourcenschonenden Wassermanagements sollte dabei jedoch auf die Verwendung von Trinkwasser verzichtet werden. In einem dreijährigen Forschungsvorhaben wurde daher als kontinuierlich fließende und witterungsunabhängige alternative Quelle für die Wasserversorgung extensiver Dachbegrünungen der Einsatz von Grauwasser, also der Abwässer aus Bad (Dusche, Badewanne sowie Handwaschbecken) und Waschmaschine, geprüft.

Abb. 1: Mittlere tägliche Verdunstungsraten verschiedener Pflanzmodule im Gewächshaus bei Verwendung von Grauwasser im Vergleich zur Standardverdunstung FAO 56 (Freiland, Standort Freising)

Abb. 2: Pflanzmodule im Freiland nach 56 Wochen, links: 80 % Kräuter und 20 % Gräser, rechts: Sedum-Mix

Vorgehensweise, Ergebnisse und Bewertung

Ausgangspunkt der Untersuchungen war die Ermittlung der Qualität von Grauwässern. Da diese vor allem von der Beschaffenheit der darin enthaltenen Handelsprodukte abhängt, wurden 51 Hygieneartikel, Waschmittel und Waschmaschinenzusätze hinsichtlich pflanzenbaulich und umweltökologisch relevanter Parameter untersucht. Hygieneartikel waren meist nur gering, Waschmittel etwas höher mit pflanzenschädigenden Stoffen wie v.a. Natrium, Salz und Tensiden belastet. Von Grauwässern aus der Praxis wurden Qualitätsanforderungen, die an Gießwässer gestellt werden, fast immer eingehalten. Damit erwiesen sich Grauwässer aus Bad und Waschmaschine zur Bewässerung extensiver Dachbegrünungen grundsätzlich als geeignet, sofern die Leitungswasserqualität einer pflanzenbaulichen Verwendung nicht entgegensteht.

Da von Kräutern und Gräsern eine höhere Evapotranspiration zu erwarten ist als von Sedum, wurden im zweiten Teil des Vorhabens die Auswirkungen von Grauwassergaben auf die Entwicklung von 43 unterschiedlich salzverträglichen und pH-toleranten Gräser- und Kräuterarten unter Gewächshausbedingungen erfasst. Ziel dabei war es, diejenigen Pflanzenarten zu ermitteln, die sich als gut grauwasserverträglich und gleichzeitig transpirationsstark erwiesen. Mit einem Totalausfall reagierte ausschließlich Alchemilla epipsila besonders heftig auf die Grauwassergaben. Folgende sieben der geprüften 43 Arten wuchsen bei Verwendung von Grauwasser signifikant schlechter als beim Gießen mit Leitungswasser: Helianthemum x hybridum, Cardamine pratensis, Mentha pulegium, Briza media, Potentilla neumanniana, Phuopsis stylosa und Inula ensifolia. Außerdem kam es an Liatris spicata und Veronica gentianoides zu deutlichen Schadsymptomen, die im Fall von Veronica wohl nicht grauwasserbedingt sondern auf hohe pH-Werte im Substrat zurückzuführen sind, da sie auch bei Verwendung von Leitungswasser auftraten.

Durch die Erfassung des Wasserverbrauchs der Pflanzen wurde auf deren Evapotranspirationsleistung geschlossen. Sie variierte sowohl bei den Gräsern als auch bei den Kräutern stark und lag während der 48-wöchigen Versuchszeit zwischen 12,0 und 22,8 l / Pflanze. Sie war bei Verwendung von Grauwasser gegenüber Leitungswasser nicht nennenswert reduziert.

Im dritten Abschnitt des Forschungsvorhabens fanden in weiteren Versuchen diejenigen Pflanzenarten Verwendung, die sich im ersten Pflanzenversuch als relativ gut grauwasserverträglich und transpirationsstark herausgestellt hatten. Es waren drei Gräserarten (Briza media, Carex buchananii und Carex flacca) und acht Kräuterarten: Achillea millefolium, Bergenia cordifolia, Euphorbia seguieriana, Euphorbia palustris, Geranium x pratense, Hemerocallis minor, Inula ensifolia und Sanguisorba officinalis. Sie wurden in drei verschiedenen Kombinationen (80 % Kräuter und 20 % Gräser, jeweils 50 % Kräuter und Gräser sowie 20 % Kräuter und 80 % Gräser) im Vergleich zu zwei Sedum-Bepflanzungen (Sedum-Mix und 100 % Sedum ‘Weihenstephaner Gold‘) an verschiedenen Standorten (Gewächshaus, Tageslichtkammer und Freiland) jeweils mit Grauwasser im Vergleich zu Leitungswasser zur Bewässerung kultiviert.

In Abb. 1 sind die mittleren täglichen Verdunstungsraten der verschiedenen Pflanzmodule im Gewächshaus von August 2013 (ungefähr drei Wochen nach Versuchsbeginn) bis September 2014 (Versuchsende) dargestellt.

Abbildung 3 (Legende s.u.)

Abb. 3: Kalkulierte Evapotranspiration (ETk) einer unbewässerten Sedum-Begrünung (oB), die Differenzen der ETk einer Sedum-Begrünung mit und ohne Bewässerung (Diff ETk Sedum mB-oB) sowie die Differenzen der ETk einer Kräuter/Gäser-Vegetation und einer Sedum-Begrünung jeweils mit Bewässerung (Diff ETk K/G mB – Sedum mB) am Standort Freising für das Jahr 2015

Nach dem Einziehen der Pflanzen im November und der Winterpause kam es erst wieder im Mai 2014 zu nennenswerter Evapotranspiration. Im ersten Sommer verdunsteten die Kräuter/Gräser-Mischungen im Gewächshaus bei Verwendung von Grauwasser bis 3,3 l/m²∙T und im zweiten Sommer 2,4 bis 4,7 l/m²∙T. Dies sind 25 bis 75 % (erstes Jahr) bzw. 75 bis 150 % (zweites Jahr) mehr als die Sedum-Varianten. Bei Verwendung von Leitungswasser im Vergleich zu Grauwasser lag die Evapotranspiration zwar meist um 10 – 20 % höher, trotzdem kann der ökologisch weitaus sinnvollere Einsatz von Grauwasser empfohlen werden. Die standardisierte Verdunstung einer Freilandrasenfläche unter Freisinger Klimabedingungen (FAO 56) wurde in allen Sommermonaten, außer zu Versuchsbeginn im August 2013, von den Kräuter/Gräser-Mischungen weit übertroffen.

Beim Vergleich der beiden Sedum-Varianten lag die Verdunstung des Sedum-Mix meist etwas niedriger als die von Sedum ‘Weihenstephaner Gold‘. Von den drei Kräuter/Gräser-Mischungen erwiesen sich tendenziell die Mischungen mit 50 und 80 % Kräutern als etwas verdunstungsstärker als diejenige mit 20 % Kräutern.

In Tageslichtkammern unter extremeren Klimabedingungen bestätigten sich die Ergebnisse der im Gewächshaus erzielten Verdunstungswerte weitgehend. Außerdem stellte sich heraus, dass die Verdunstung einer nur anfänglich bewässerten Sedum-Begrünung (entspricht Praxisbedingungen nach einem Regenschauer), relativ schnell abnahm und innerhalb von sechs Wochen gegen Null ging.

Im Freiland (Abb. 2) wurde die höchste Evapotranspiration im dritten Vegetationsjahr an vier heißen Augusttagen erzielt. Hier verdunsteten die Kräuter/Gräser-Mischungen nach Bewässerung durchschnittlich 7,5 l/m²∙T im Vergleich zu 5,5 l/m²∙T bei Sedum.

Die ermittelten Verdunstungswerte der verschiedenen Pflanzmodule flossen in ein Berechnungsmodell ein, mit dessen Hilfe die Evapotranspiration einer derzeit standardmäßigen Sedum-Begrünung ohne Bewässerung, einer Sedum-Begrünung mit Bewässerung und einer bewässerten Kräuter/Gräser-Begrünung dargestellt werden kann. Dabei wurden die Klimadaten für 2015 am Standort Freising zugrunde gelegt. Es wird deutlich, dass die Sedum-Begrünung ohne Bewässerung auf Grund von Wassermangel im gesamten Zeitraum von Mai bis Oktober an vielen Tagen nur einen Bruchteil der bei ausreichender Wasserversorgung möglichen Evapotranspiration erzielt (Abb. 3).

Während mittels der unbewässerten Sedum-Begrünung von Juni bis August lediglich ca. 25 % der Globalstrahlung von 530 kWh/m² in latente Wärme umgewandelt werden, sind es mit Bewässerung bereits ca. 56 %. Mit der Kräuter/Gräser-Vegetation kann der Wert sogar auf 75 % gesteigert werden. Bedenkt man, dass Pflanzenbestände von Haus aus zusätzlich noch einen gewissen Albedoeffekt haben, kann eine bewässerte Kräuter/Gräser-Mischung sogar fast die gesamte Einstrahlungswärme in latente Wärme umwandeln. Dieser deutliche Kühleffekt ist umso bemerkenswerter, wenn man bedenkt, dass dadurch Hitzepeaks ausgeglichen werden können, d. h. dass er auch dann greift, wenn die Hitze am größten und damit die Kühlung am nötigsten ist.

Literatur

[1] SCHMIDT, M., 2009: The interaction between water and energy of greened roofs, World Green Roof Congress, 15.-16. September, Basel, Schweiz.
[2] SCHMIDT, M., 2009: Rainwater harvesting for mitigating local and global warming, Fifth Urban Research symposium, 28.-30. Juni 2009, Marseille, Frankreich.
[3] HÄMMERLE, F., 2005: Der Gründachmarkt in Deutschland, Marktspiegel, Analyse, Entwicklung. Welt Gründach-Kongress, 15.-16. Sept. 2005, Basel, Schweiz.
[4] KOLB, W. SCHWARZ, T., 2009: Zum Klimatisierungseffekt von Pflanzenbeständen auf Dächern, Veitshöchheimer Berichte 131, Bayerische Landesanstalt für Weinbau und Gartenbau, Abteilung Landespflege, Würzburg/Veitshöchheim.
[5] KRUPKA, B. W., 2012: Neue Stadtökologie – Konzept für grünere und leistungsfähigere Städte, Tagungsband zum 10. Internationalen FBB-Gründachsymposium, Herausgeber: Fachvereinigung Bauwerksbegrünung e.V. (FBB) Saarbrücken.
[6] REZAEIE, F., 2005: Evapotranspiration rates from extensive green roof plant spieces, master thesis, Pennsylvania State University, USA.
[7] KÖHLER, M., SCHMIDT, M., GRIMME, F.-W., LAAR, M., DE ASSUNÇÃO PAIVA, V. L., TAVARES, S., 2002: Green roofs in temperate climates and in the hot-humid tropics – far beyond the aesthetics, Environmental Management and Health, vol. 13
[8] DÜRR, A., 1995: Dachbegrünung: ein ökologischer Ausgleich, Bauverlag, Wiesbaden und Berlin
[9] HARLAß, R., 2008: Verdunstung in bebauten Gebieten, Dissertation an der technischen Universität Dresden, Fakultät Bauingenieurwesen
[10] APPL, R., ANSEL W., 2004; Future oriented and sustainable green roofs in Germany, Fifth Annual International Greening Rooftops for Sustainable Communities, Conference, 2.-4. Juni 2004, Portland, USA.
[11] BUNDESMINISTERIUM FÜR UMWELT, NATURSCHUTZ UND REAKTORSICHERHEIT, 2008: Deutsche Anpassungsstrategie an den Klimawandel, Beschluss des Bundeskabinetts vom 17. Dezember 2008.
[12] EU 2006: Guideline 2006/7/EC of the European parliament and of the council. 15 February 2006 concerning the management of bathing water quality.
[13] FACHVEREINIGUNG BETRIEBS- UND REGENWASSERNUTZUNG E.V. (FBr), 2009: Grauwasser-Recycling auf dem Weg zum Standardelement in der Haustechnik, fbr-Wasserspiegel, Januar 2009, Darmstadt.
[14] FACHVEREINIGUNG BETRIEBS- UND REGENWASSERNUTZUNG E.V. (FBr), 2005: Grauwasser-Recycling Planungsgrundlagen und Betriebshinweise, fbr-Hinweisblatt H 201, April 2005, Darmstadt.
[15] GERMERSHAUSEN, R., MAXL, S., SCHELLER, E., WEIß, L., 2005: Betriebswasser, in: Urbaner Metabolismus - Die Städtische Infrastruktur von Berlin (Hrsg. Prytula, M.), Technische Universität Berlin, 2005.
[16] U.S. ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY (EPA), 2004: EPA/625/R-04/108 Guidelines for water reuse, Washington DC
[17] AUSTRALIAN GOVERNMENT, DEPARTMENT OF HEALTH AND AGEING, 2002: Draft Guideline for the Reuse of Greywater in Western Australia.
[18] ROESNER, L., QIAN, Y., CRISWELL, M., STROMBERGER, M., KLEIN, S., 2006: Long-term Effects of Landscape Irrigation Using Household Graywater - Literature Review and Synthesis, Water Environment Research Foundation (WERF), Colorado State University, USA.
[19] FRANK, R., 2005: Reinigung von Grauwasser - ein biologisches Konzept zur Brauchwassernutzung, Veitshöchheimer Berichte 81, Bayerische Landesanstalt für Weinbau und Gartenbau, Abteilung Landespflege, Würzburg/Veitshöchheim.
[20] THON, A., 2009: Shallow Constructed Roof Wetlands for Greywater Treatment: Intermittently Flushed wetlands as Roof Gardens in Mediterranean Countries, master thesis, Anhalt University of Applied Sciences, Bernburg, Deutschland.
[21] PINTO, U., MAHESHWARI B.L,. GREWAL H.S., 2010: Effects of greywater irrigation on plant growth, water use and soil properties. resources conservation and recycling, vol. 54, issue 7.
[22] WAGNER, G., 2010: Waschmittel – Chemie, Umwelt, Nachhaltigkeit, WILEY-VHC Verlag, Weinheim