Nachhaltig Bewässern mit Regenwasser

Grünflächen sind eine wesentliche Säule der nachhaltigen Stadtentwicklung. Durch den Einfluss auf das Stadtklima trägt eine grüne Infrastruktur zur Lösung der enormen Herausforderungen in urbanen Gebieten bei. Zugleich schafft sie Erholungs- und Sozialräume mit hoher Aufenthaltsqualität für die Einwohner und trägt zur Gesundheitsvorsorge bei.

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Dennoch stehen die Grünflächen unter Druck: Das Platzangebot in den Städten ist begrenzt und dichte Bebauung sowie Verkehrsinfrastruktur auf ehemaligen Freiflächen führen zu einem zunehmend hohen Versiegelungsgrad. Gleichzeitig hat das Stadtgrün Klimastress. Die Temperaturen in urbanen Räumen sind im Verhältnis zum Umland bereits jetzt deutlich wärmer, im Jahresdurchschnitt etwa 1-4 °C. Zukünftig werden weiter steigende Temperaturen und veränderte Niederschlagsmuster mit immer häufigeren und längeren Trockenphasen zu erheblichen Dürreschäden sowie hohen Kosten für Pflege oder Wiederherstellung von Grünflächen führen.

Bei verdorrten Rasenflächen und kahlen Stadtbäumen, die aufgrund der Trockenheit ihre Blätter abwerfen, entfallen viele positive Effekte der Vegetation. Intakte Grünflächen und Gebäudebegrünungen fördern die biologische Vielfalt und reduzieren die Feinstaubbelastung. Sie beeinflussen das Stadtklima positiv und sind entscheidend für die Resilienz gegen den Klimawandel. Doch Wassermangel führt dazu, dass insbesondere die Kühlleistung des Stadtgrüns durch Verdunstung entfällt und die Umgebungsluft sich weiter erwärmt.

Kein Grün ohne Blau

Um Außenanlagen und Gebäudebegrünungen widerstandsfähig gegen das veränderte Klima zu machen, sind neben der wassersparenden Gestaltung insbesondere effiziente Bewässerungssysteme unerlässlich. Damit kann selbst bei Extremwetter mit monatelangen Dürren grüne und verdunstungsaktive Vegetation erhalten werden.

Sinkende Grundwasserspiegel und Vorsorge gegen drohenden Wassermangel haben dazu geführt, dass erste Landkreise die Verwendung von Trinkwasser zur Bewässerung zeitweise verboten haben. Auch wenn es in Deutschland noch keinen flächendeckenden Wasserstress gibt, haben heiße Sommer und niederschlagsarme Jahre einen negativen Einfluss auf den Grundwasserspiegel sowie die Wasserverfügbarkeit − gleichzeitig steigt der Bewässerungsbedarf. Regionale Engpässe und eine zunehmende Konkurrenz um die Ressource Wasser sind schon heute die Folge.

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Die Lösung: Regenwasser auffangen und zur Bewässerung von Stadtgrün nutzen. Durch gezielten, vorausschauenden Umgang mit Niederschlag wird der Nutzungskonflikt aufgehoben und der Wasserbedarf für grüne Städte kann gedeckt werden.

In einer Untersuchung haben Back et al. (2022) die Auswirkungen von verringerter Wasserverfügbarkeit auf den Energie- und Wasserhaushalt exemplarisch für das Stadtgebiet von Innsbruck modelliert. Auch sie kommen zu dem Ergebnis, dass blau-grüne Infrastruktur nicht mehr ohne strategisches Niederschlagsmanagement zur Bewässerung geplant werden sollte.

Ressourcen und Raum nutzen.

Um Niederschlagswasser zur Bewässerung nutzbar zu machen, muss es aufgefangen, gereinigt und gespeichert werden. Das notwendige Speichervolumen ist auf vielen Grundstücken bereits geplant. Für den Überflutungsschutz werden Rückhalteräume gebaut, in denen temporär Wasser eingestaut wird. Sie sind für Niederschläge mit hohen Jährlichkeiten ausgelegt, werden deshalb aber nur selten komplett gefüllt und laufen nach den Regenereignissen langsam wieder leer.

In der DIN 1986-100 (Entwässerungsanlagen für Gebäude und Grundstücke) ist eine Überflutungsprüfung für ein Regenereignis mit einer Jährlichkeit von 100a und der Nachweis, dass dieser schadlos auf dem Grundstück zurückgehalten werden kann, bereits ab einer Grundstücksgröße von 800 Quadratmeter mit mehr als 70% Dachflächen und nicht schadlos überflutbaren Flächen gefordert.

Multifunktionale Speicher für den Überflutungsschutz und die dauerhafte Speicherung von Wasser, sowohl auf Gründächern als auch im Tiefbau, sind die ressourcenschonende Lösung für Bewässerung mit Regenwasser. Nur eine intelligente Steuerung ermöglicht die Doppelnutzung der Rückhalteräume: Es ist sichergestellt, dass die Speicher bei einem Starkregenereignis leer sind, während in der übrigen Zeit Niederschlag für die Bewässerung eingestaut wird.

Wasserbilanzsteuerung – intelligent und innovativ

Die Unternehmen Optigrün und Fränkische sind Spezialisten für den Umgang mit Regenwasser und haben Komponenten und Technologien zu einem, auf die Bedürfnisse des städtischen Bauens abgestimmten, System kombiniert. Das Regenwassermanagementsystem Wasserbilanzsteuerung basiert auf der Vernetzung von Komponenten im Hoch- und Tiefbau. Das auf einem Grundstück anfallende Niederschlagswasser wird gesammelt, sowohl auf Retentionsgründächern als auch vorgereinigt in der Zisterne. Über ein System aus Pumpen und Ventilen wird das Wasser bedarfsgerecht am Objekt verteilt. Dadurch können die Grundfunktionen Überflutungsschutz sowie dauerhafte Wasserverfügbarkeit für die Vegetation und bestmögliche Verdunstungsleistung realisiert werden – mit nur dem Speicherraum, der in jedem Fall erforderlich ist. Die intelligente, serverbasierte Steuerung verarbeitet in kurzen Zeitabständen Wettervorhersagedaten sowie Messdaten von Sensoren in den Speicherräumen. Das ermöglicht unterschiedliche Funktionen und Steuerungsaktivitäten, die abhängig von den objektspezifischen Vorgaben und Zielen kombiniert werden können.

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Umverteilung und Ablassen von Wasser vor einem Regenereignis

Wird für ein vorhergesagtes Regenereignis mehr Speichervolumen für den Überflutungsschutz benötigt als zur Verfügung steht, werden die betroffenen Retentionsräume im Gründach sowie der Tiefbauspeicher bereits vor dem Regenereignis entleert. Es wird genau das freie Volumen geschaffen, das notwendig ist, um den anfallenden Niederschlag zu sammeln und zu speichern. Wenn möglich, wird das Wasser zunächst innerhalb des Systems umverteilt. Sollte jedoch ein Abfluss von Wasser in die Kanalisation notwendig sein, erfolgt dieser vor dem Regeneintritt in eine noch unbelastete Entwässerungsinfrastruktur unter Einhaltung vorhandener Einleitbeschränkungen.

Auffüllen des Speicherraums von Retentionsdächern bei Trockenheit

Für die pflanzenverfügbaren Wasserspeicher auf den Gründachflächen können individuell Mindestwasserstände definiert werden, die eine dauerhafte Wasserversorgung der Vegetation sicherstellen. Wird dieses Minimum unterschritten und es steht kein Regenereignis bevor, werden die Speicher mit Wasser aus dem System befüllt.

Wasserverteilung gemäß einer definierbaren Zielbilanz

Neben den Funktionen, die für sicheren Überflutungsschutz und Bewässerung erforderlich sind, wird die Wasserverteilung auch basierend auf der angestrebten Wasserbilanz des Objektes gesteuert. Anhand einer Simulation, basierend auf realen und lokalen Regendaten, können Steuerungsaktivitäten wie Einleitung von Wasser auf verdunstungsaktiven Flächen oder gezielter Versickerung, über den Jahresverlauf kontinuierlich angepasst werden.

Der Erhalt der natürlichen Wasserbilanz bei Neuerschließungen und Überplanungen von Grundstücken ist etwa im Arbeitsplatt DWA-A 102 (Grundsätze zur Bewirtschaftung und Behandlung von Regenwetterabflüssen zur Einleitung in Oberflächengewässer) gefordert und im Merkblatt DWA-M 102-4 (Teil 4: Wasserhaushaltsbilanz für die Bewirtschaftung des Niederschlagswassers) konkretisiert. Zielbilanzen, die nach diesen Regelwerken ermittelt werden, beinhalten hohe Verdunstungsraten und einen sehr geringen oberflächlichen Abfluss. Die Wasserbilanzsteuerung ermöglicht es, anspruchsvolle Vorgaben einzuhalten − insbesondere wenn ein hoher Anteil von versiegelten Flächen kompensiert werden muss.

Automatisierter Winterbetrieb

Für einen zuverlässigen und sorgenfreien Betrieb in den Wintermonaten, werden Rohrleitungen in frostgefährdeten Bereichen automatisch entleert, wenn die Umgebungstemperatur niedrig ist. Erforderliche Steuerungsaktivitäten werden auch im Winter ausgeführt. Neben den intelligenten Steuerungsfunktionen besteht die Möglichkeit, weitere Entnahmestellen einzurichten. Zum Beispiel können Außenanlagen auf dem Grundstück mit dem in der Zisterne gespeicherten Regenwasser konventionell bewässert werden.

Lösung im Baukastensystem

Die Planung und Umsetzung des Systems beruhen auf einem Set von standardisierten Komponenten, die objektspezifisch flexibel eingesetzt und kombiniert werden können. Die robusten Produkte sind speziell auf den Einsatz mit Regenwasser ausgelegt.

Elementarer Bestandteil des Systems ist das Optigrün-Retentionsdach Einleitbeschränkung Drossel. Es verwandelt versiegelte, bisher häufig ungenutzte Dachflächen in grüne Wasserspeicher. Im Systemaufbau der Dachbegrünung verbergen sich Kunststoffhohlkörper mit speziellen Funktionen. Die Optigrün-Wasser-Retentionsboxen (WRB) haben ein Hohlraumvolumen von bis zu 95% und schaffen auf gefällelosen Dächern (0°) einen zusammenhängenden, frei durchströmbaren Speicherraum. In den Wasser-Retentionsboxen sind Kapillarbrücken integriert, die angestautes Regenwasser wieder in die Substratschicht transportieren. Das Potenzial der Begrünung, bemerkenswerte Mengen von Wasser verdunsten zu lassen, kann so optimal genutzt werden. Das bestätigt auch die wissenschaftliche Untersuchung von Optigrün-Gründachsystemen (Gößner et al. (2021)). Die Studie zeigt erhebliche Unterschiede zwischen den verschiedenen Aufbauten und weist nach, dass ein größerer Wasserspeicher die Verdunstungsleistung erhöht und auch in Trockenzeiten erhält.

Dächer mit Wasser-Retentionsboxen haben eine deutlich höhere Substratfeuchte. Sie liegt im Schnitt bei 26,5% und ist 10% höher als bei vergleichbaren Aufbauten mit üblichen Dränelementen und weniger Wasserspeicher. Die damit einhergehende Verdunstungsleistung von bis zu 4,88 l/Tag/m² des Gründachsystems Optigrün-Retentionsdach Drossel ist die Grundlage für eine natürliche Kühlleistung der Dachbegrünung, die das Mikroklima spürbar verbessern kann.

Der Wasserstand auf einem Retentionsdach kann mittels der Smart Flow Control, einer steuerbaren Ablaufdrossel, überwacht und reguliert werden. Diese ist im Grundzustand geschlossen, sodass Wasser angestaut wird. Bei Bedarf wird die Drossel, die über dem Dachablauf eingebaut wird, mit einem Steuerungsbefehl geöffnet und Wasser mit einer einstellbaren Durchflussrate abgelassen. Der Retentionsraum kann teilweise oder komplett entleert werden.

Neben Speicherräumen auf Dachflächen sind im System auch Tiefbaukomponenten eingebunden. Die RigoCollect-Zisterne besteht aus kompakten Speicherblöcken. Durch die modulare Bauweise können so Anlagen zur unterirdischen Regenwasserrückhaltung und -speicherung in individueller Größe und Geometrie realisiert werden. In der Zisterne ist der Pumpenschacht QuadroLift einschließlich der Pumpe und einer Füllstandsmesssonde integriert.

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Der Einfluss von Wasserverfügbarkeit ist auch auf der Oberfläche deutlich erkennbar: Der Sommer des Jahres 2022 war von Hitzerekorden und Trockenheit geprägt. Während die Rasenfläche auf einer Tiefgarage mit Retentionsdach und dauerhaftem Wasseranstau in den Wasser-Retentionsboxen grün und dicht ist (im Bild links) hat die Vegetation im umliegenden Gelände auf Oberboden erhebliche Trockenschäden (im Bild rechts). Die dargestellte Tiefgarage mit Retentionsgründach und das umgebende Erdreich sind eine Visualisierung, die lediglich der Veranschaulichung dient. Bei der abgebildeten Rasenfläche handelt es sich um eine Fotografie von einem Objekt in Münster im September 2022. Es wurde nicht oberflächlich bewässert

Intelligenz als Kernelement der Wasserbilanzsteuerung

Die Systemkomponenten kommunizieren über das Mobilfunknetz mit einem Server. Die in den Speicherräumen erhobenen Messdaten werden übermittelt und kontinuierlich mit Wettervorhersagedaten abgeglichen. Ein Algorithmus ermittelt basierend auf einer Simulation der angeschlossenen Flächen die notwendigen Aktionen und steuert die Smart Flow Control, die Pumpe und die Ventile. Diese lenken den Wasserfluss auf Dächer, in Versickerungsanlagen oder falls notwendig in das Kanalnetz. Auf den Gründächern gewährleisten spezielle Schächte, die Optigrün-Wassereinleitschächte WES 40, die gezielte und sichere Einleitung des Wassers in die Wasser-Retentionsboxen auch bei großen Mengen.

^{Literatur:
Back, Yannick et al. (2022): Stärkung der Rolle der Siedlungswasserwirtschaft für klimaresiliente Städte. Vortrag Aqua Urbanica Glattfelden 2022
Gößner, Dominik; Mohri, Milena; Krespach, Justine Jasmin (2021): Evapotranspiration Measurements and Assessment of Driving Factors: A Comparison of Different Green Roof Systems during Summer in Germany. Land 2021}

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