Multifunktionale Regenwasserbewirtschaftung durch smarte Regentonnen

Urbanisierung und Klimawandel sowie die Erhaltung sind gegenwärtige Hauptherausforderungen für die urbane Wasserinfrastruktur und werden auch in der Zukunft von hoher Relevanz sein. Einerseits wird durch den Bau von Straßen und Gebäuden der Anteil der versiegelten Fläche erhöht, wodurch der oberflächliche Niederschlagsabfluss zunimmt (Fletcher et al. 2013). Anderseits haben sich durch den Klimawandel Dauer, Intensität und Wiederkehrzeit von Starkregenereignissen verändert (García et al. 2015). Durch das Zusammenwirken von Urbanisierung und Klimawandel hat sich die Wahrscheinlichkeit einer Überlastung der existierenden, urbanen Siedlungsentwässerung erhöht (Yazdanfar and Sharma 2015) sowie die Belastung der natürlichen Wasserressourcen für die Trinkwasserbereitstellung zugenommen (Cominola et al. 2015). Daher wurden in den letzten Jahrzehnten vermehrt dezentrale Anlagenteile zur Lösung lokaler Probleme in urbanen Gebieten eingesetzt, wodurch der Betrieb der urbanen Wasserinfrastruktur komplexer und vielfältiger wurde (Fletcher et al. 2015).

Dezentrale Anlagenteile in der Wasserversorgung nutzen beispielsweise Regenwasser für „Nicht-Trinkwasser“-Anwendungen wie Bewässerung oder WC-Spülung und reduzieren dadurch den Trinkwasserverbrauch. Dabei wird Niederschlagswasser von Dachflächen gesammelt, zwischengespeichert und bei Bedarf wieder abgegeben (Fewkes and Butler 2000). Durch eine empirische Bewertung der Leistung zeigten Ward et al. (2012), dass die tatsächliche Leistung bei einer Regenwasserbewirtschaftung von der idealen Bemessungsannahme abweicht. Trotz dieser Abweichung lag die Kapitalrückzahlung zwischen 6 und 11 Jahren und es wurde deutlich, wie wichtig eine kontinuierliche Überwachung solcher Anlagen ist. Notaro et al. (2017) versuchten, die Größe einer Regenwasseranlage für die zuverlässige Nutzung für die Bewässerung sowie für WC-Spülungen in einem mediterranen Klima zu optimieren. Anhand der täglichen Wasserbilanz konnte jedoch festgestellt werden, dass das System sehr stark von den klimatischen Verhältnissen abhängig ist.

Neben der Bereitstellung von Regenwasser für „Nicht-Trinkwasser“-Anwendungen kommen dezentrale Regenwasseranlagen auch vermehrt für den gezielten Rückhalt von Niederschlagswasser zum Einsatz (Huang et al. 2015; Sample and Liu 2014). Dezentrale Anlagenteile in der Siedlungsentwässerung, auch Low Impact Development (LID) genannt, werden verwendet, um Gesamtabflussmengen, Spitzenabflüsse sowie Überflutungsdauer bzw. -häufigkeit zu reduzieren und die Wasserqualität in angrenzenden Gewässern und Grundwasserkörpern zu verbessern. Diese Ziele werden durch die jeweilige Erhöhung von Evaporation, Infiltration, Speichervolumen sowie der Reinigungswirkung erreicht (Prince George’s County 1991). Zu den dezentralen Anlagenteilen zählen beispielsweise auch Regentonnen, die ein temporäres Speichervolumen für den Rückhalt von Niederschlagswasser bereitstellen. Zudem ermöglichen Regentonnen die Nutzung von Regenwasser für „Nicht-Trinkwasser“-Anwendungen, wodurch sie für eine multifunktionale Regenwasserbewirtschaftung eingesetzt werden können. Jedoch ist eine erweiterte und vollständige Sichtweise des urbanen Wasserkreislaufes notwendig, um solche Anlagen auch effizient betreiben zu können (Sitzenfrei 2015). Zudem sind bei einer multifunktionalen Anwendung die Anforderungen an die zeitliche Auflösung von Messdaten und Simulationszeitschritten für die Bemessung und Überwachung höher. Campisano and Modica (2015) untersuchten die notwendige zeitliche Auflösung bei einer Regenwasserbewirtschaftung durch eine Variation der Simulationszeitschritte zwischen 5 min und 24 h. Dabei wurde der Fokus auf die Effizienz in der Trinkwassereinsparung sowie die Retention von Niederschlagswasser gelegt. Es konnte festgestellt werden, dass für die Trinkwassereinsparung tägliche Zeitschritte ausreichend sind, während für eine Bewertung der Retentionswirkung mindestens Stundenwerte angewendet werden sollten. Besonders für kleine Retentionsvolumen sollten möglichst kleine Schrittweiten (idealerweise Minutenwerte) verwendet werden, um bei Regenereignissen mit hoher Intensität die Spitzenabflüsse besser reduzieren zu können (Oberascher et al. 2019). Jedoch sind derzeit für eine ausreichende Bewertung der multifunktionalen Anwendbarkeit noch immer empirische Daten erforderlich (Campisano et al. 2017). Des Weiteren wurde von Sample and Liu (2014) festgestellt, dass durch höhere Entnahmemengen für „Nicht-Trinkwasser“-Anwendungen die Rückhaltekapazität von ungesteuerten, dezentralen Anlagenteilen deutlich erhöht wird.

Durch die fortschreitende Digitalisierung im Bereich Siedlungswasserwirtschaft ergeben sich auch neue Möglichkeiten für die Überwachung und Steuerung von dezentralen Anlagenteilen in Echtzeit. Durch die vermehrte Einbindung von kostengünstigen Informations- und Kommunikationstechnologien (ICT) (z. B. Füllstandsmessgeräte mit Fernauslesung) ist der aktuelle Zustand des Systems (fast) in Echtzeit bekannt. Beispielsweise verwendeten Kerkez et al. (2016) kostengünstige Sensoren und Steuerungsgeräte für den urbanen Wasserkreislauf und untersuchten, wie durch die Vielzahl an Messdaten die negativen Umwelteinflüsse reduziert werden können. In weiterer Folge können die sowohl räumlich als auch zeitlich hochaufgelösten Daten für die Umsetzung von mittel- und langfristigen Managementmaßnahmen in der Wasserversorgung beziehungsweise Siedlungsentwässerung verwendet werden. Wesentlich ist dabei der Einsatz numerischer Modelle, in denen die Wirksamkeit verschiedenster Strategien modelltechnisch abgebildet werden kann (Sitzenfrei and Rauch 2014). Di Matteo et al. (2019) zeigten in einem simulationsbasierten Optimierungsprozess, dass durch das intelligente Öffnen und Schließen von Ventilen bei Speichervolumen die Spitzenabflüsse im Kanalsystem reduziert werden können. Oberascher et al. (2019) untersuchten das Potenzial von echtzeitgesteuerten Regentonnen und stellten fest, dass bereits einfache Kontrollstrategien eine Verbesserung des Gesamtsystems bewirken können.

Durch die Kombination von dezentralen Anlagen zur urbanen Wasserbewirtschaftung und von sich im Zuge der Digitalisierung rasant weiterentwickelnden ICT ergeben sich neue Anwendungen für den Einsatz kleiner Speichereinheiten, wie zum Beispiel „smarte“ Regentonnen. Die smarten Regentonnen (SRT) stellen primär in Echtzeit kontrollierbare Speichereinheiten für den Rückhalt von Niederschlagswasser dar und werden in dieser Arbeit näher vorgestellt. SRT werden auf Haushaltsebene installiert, wodurch das zurückgehaltene Niederschlagswasser sekundär auch für Bewässerungszwecke eingesetzt werden kann. Bei der SRT wird der Ausfluss automatisch gesteuert, wodurch die SRT vor Niederschlagsbeginn entleert werden kann, um zusätzliches Retentionsvolumen bereit zu stellen. Durch diese Möglichkeit wird die Effizienz der SRT für die Siedlungsentwässerung nicht von den vorherrschenden klimatischen Verhältnissen sowie den Entnahmen für Bewässerungszwecke beeinflusst. In dieser Arbeit werden zudem die Auswirkungen der SRT auf die Wasserversorgung sowie die Siedlungsentwässerung anhand eines zweistufigen Ansatzes untersucht. Im ersten Schritt wird ein reales Versuchsmodell der SRT vorgestellt. Das Versuchsmodell wurde bereits im Labormaßstab erprobt und wird im Frühjahr 2019 am Campus Technik der Universität Innsbruck zum Einsatz kommen. Im zweiten Schritt wird eine Wirksamkeitsanalyse auf Haushaltsebene mithilfe numerischer Simulationen durchgeführt. Dazu wurde eine 1‑jährliche Regenserie in Kombination mit historischen Wettervorhersagen von der Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik (ZAMG) verwendet. Die Niederschlagsdaten sind in einem Intervall von 1 min und die Wettervorhersagen in 15 min Schritten verfügbar, wodurch auch die Effizienz kleiner Speichereinheiten, wie beispielsweise Regentonnen, simuliert werden kann. Eine solche Genauigkeit der Daten ist zudem für eine zielgerichtete Echtzeitsteuerung notwendig. Die Echtzeitsteuerungen für die SRT beinhalten unter anderem Kontrollstrategien für die Bewässerung (Reduktion von Trinkwasserverbrauch) sowie für den Rückhalt von Niederschlagswasser (Reduktion des Spitzenabflusses). Zusätzlich wird das Speichervolumen zwischen 0,1 und 1,0 m³ variiert, um das optimale Volumen unter Berücksichtigung der Wassereffizienz (Trinkwassereinsparung) und Regenwasserkontrolle (Überflutungsreduktion und Emissionskontrolle in Mischwasserüberlaufbauwerken) zu ermitteln. Die Ergebnisse zeigen, dass durch die Verwendung der SRT sowohl signifikante Trinkwassereinsparungen als auch Abflussreduktionen erzielt werden können. Eine einfache Abschätzung des vorhergesagten Zuflusses zur SRT, ohne Berücksichtigung des Vorhersagefehlers, ist jedoch nur bedingt geeignet, um am Ende des Niederschlagsereignisses die gewünschte Vollfüllung der SRT zu erzielen. Außerdem lässt die Betrachtung auf Haushaltsebene nur bedingt Aussagen über die Wirksamkeit im Kanalsystem zu. Für weitere Arbeiten ist es deshalb erforderlich, Kanalsystem und SRT gemeinsam zu betrachten, um die Auswirkung auf den Spitzenabfluss im Kanalsystem betrachten zu können.

Werden die SRT großflächig in einem Siedlungsgebiet implementiert, steht durch die große Anzahl ein relevantes, zusätzliches Retentionsvolumen zur Verfügung. Nach ÖWAV-Regelblatt 19 (2007) ist ein Nutzinhalt von 15 m³/ha_Au für ein Mischwasserüberlaufbauwerk erforderlich. Ein durchschnittliches Einfamilienhaus hat eine Dachfläche von 165 m² und bei einem Abflussbeiwert von 0,9 eine reduzierte Fläche von 150 m². Werden beispielsweise 66 Einfamilienhäuser (reduzierte Gesamtfläche entspricht 1 ha) mit einer SRT und jeweils einem Volumen von 250 l ausgestattet, können 16,5 m³ an zusätzlichem Retentionsvolumen ohne hohen Bauaufwand bereitgestellt werden. Jedoch sind neue Anreize (zum Beispiel Fördermodelle, Bewilligungsverfahren für zentrale Systeme) für die Bevölkerung sowie auch Betreiber notwendig, damit diese Maßnahmen unterstützt und in zukünftigen Forschungstätigkeiten weiter thematisiert werden.

Das grundlegende Konzept der SRT, ihre Anwendungen in der Siedlungsentwässerung und der Trinkwasserversorgung sind in Abb. 1 dargestellt. Bei herkömmlichen Regentonnen wird üblicherweise erwartet, dass sie möglichst voll sind und somit der Bewässerungsbedarf gedeckt werden kann. Die SRT erfüllt dies ebenso und stellt zusätzlich eine in Echtzeit kontrollierbare Speichereinheit für eine multifunktionale Regenwasserbewirtschaftung dar. Zu diesem Zweck wird der Ausfluss aus der SRT durch ein automatisches Ventil gesteuert, welches bei Bedarf geöffnet beziehungsweise geschlossen wird. Die Entleerung kann beispielsweise vor dem Regenereignis in den Kanal aber auch in Versickerungsflächen erfolgen. Vor erwartetem Regenwetter (Wettervorhersage) wird die SRT entleert und somit kann, im Vergleich zur herkömmlichen Betriebsweise, mehr Dachablauf in der SRT zurückgehalten und gespeichert werden, wodurch der Spitzenabfluss im Kanalnetz reduziert wird. Das gespeicherte Regenwasser kann wie üblich in darauffolgenden Trockenperioden für die Gartenbewässerung verwendet werden, um den Bedarf an Trinkwasser zu vermindern.

Die SRT stellen jedoch im Verhältnis zum Gesamtsystem der Siedlungsentwässerung ein kleines Speichervolumen dar. Für einen einfachen Größenvergleich betrachten wir eine Regentonne mit einem Volumen von 200 l und einer angeschlossenen Dachfläche von 100 m². Dabei entspricht das Volumen der Regentonne einer Niederschlagsmenge von 2 mm. Flächendeckend eine Niederschlagsmenge von bis zu zusätzlich 2 mm zur richtigen Zeit zu speichern, kann einen signifikanten Mehrwert für die zentrale Siedlungsentwässerung bedeuten. Beispielsweise beträgt der Bemessungsniederschlag am Campus Technik der Universität Innsbruck (ÖKOSTRA Gitterpunkt 4737) für ein 2‑jährliches Ereignis mit einer Dauer von 15 min 16,4 mm, somit könnten bis zu 12 % des Volumens beim Spitzenabflusses im zentralen Entwässerungssystem durch SRT verzögert werden. Für die Mischwasserbewirtschaftung kann ein Rückhalt von 2 mm Reduktionen von Mischwasserentlastungen bewirken. Um somit solch kleine Speichereinheiten für die Siedlungsentwässerung effizient nutzen zu können, sind neue Bewirtschaftungsstrategien, wie die Einbindung in eine smarte Wasserinfrastruktur und die Wettervorhersage, notwendig.

Regentonnen sind dezentrale Speichereinheiten, die für eine fortgeschrittene Regenwasserbewirtschaftung genutzt werden können. Bei Niederschlag können sie zusätzliches Retentionsvolumen zur Verfügung stellen und bei Trockenwetter bieten sie das gespeicherte Regenwasser als Alternative zu Trinkwasser für Bewässerungszwecke an. Vorteile solcher Regentonnen sind die einfache Implementierung durch den geringen Platzbedarf und die Möglichkeit, sie nachträglich in existierende Systeme zu integrieren.

In der vorliegenden Arbeit wurde das Konzept der smarten Regentonnen (SRT) vorgestellt. SRT sind kleine Speichervolumen (<1,0 m³), die in Echtzeit kontrolliert werden können. Im Vergleich zum zentralen Gesamtsystem (Kanalsystem) stellen einzelne Anlagen zwar einen kleinen Speicher dar, jedoch ergeben sich durch einen flächendeckenden Einsatz relevante Volumen und durch neue Möglichkeiten im Betrieb solcher Anlagen, wie zum Beispiel die Einbindung in eine smarte Wasserinfrastruktur oder der Wettervorhersage in die Kontrollstrategie, können SRT effizient eingesetzt werden. Einerseits können Spitzenabflüsse im Kanalsystem sowie die Häufigkeit von Mischwasserentlastungen reduziert werden, andererseits kann der Trinkwasserverbrauch durch die Nutzung von Regenwasser zur Bewässerung vermindert werden. Es wurden numerische Simulationen auf Haushaltsebene für den Wirksamkeitsnachweis durchgeführt, um die Auswirkungen der SRT auf die Wasserversorgung sowie auf die Siedlungsentwässerung zu demonstrieren. Während hier die Gesamtretentionsmenge ermittelt wurde, wurden die Auswirkungen auf den Spitzenabfluss nicht näher betrachtet. Für die Simulationen wurden Niederschlagsdaten in 1‑min-Intervallen, Temperaturdaten in 10-min-Intervallen sowie historische Wettervorhersagen in 15-min-Schritten aus dem Jahr 2015 verwendet. Dabei konnte festgestellt werden, dass in Abhängigkeit vom Volumen der SRT und der Akkumulationszeit zwischen 15 und 86 % an Trinkwasser durch die Verwendung von Regenwasser für Bewässerungszwecke eingespart werden kann. Zudem konnten insgesamt zwischen 16,4 und 77,8 m³ an Niederschlag temporär zurückgehalten werden. Durch das Hinzufügen der Wettervorhersage in die Kontrollstrategie konnte das Retentionsvolumen auch für kleine Speichervolumen (<0,2 m³) gegenüber einer ungesteuerten Regentonne deutlich erhöht werden. Jedoch wurde durch die Einbindung der zukünftigen Wetterentwicklung die Effektivität zur Einsparung an Trinkwasser leicht verringert.

Werden die SRT großflächig in einem Siedlungsgebiet implementiert, steht durch die große Anzahl ein relevantes zusätzliches Retentionsvolumen zur Verfügung. Werden beispielsweise 66 Einfamilienhäuser (reduzierte Gesamtfläche entspricht 1 ha) mit einer SRT und jeweils einem Volumen von 250 l ausgestattet, können 16,5 m³ an zusätzlichem Retentionsvolumen ohne hohen Bauaufwand bereitgestellt werden. Jedoch sind neue Anreize (zum Beispiel Fördermodelle, Bewilligungsverfahren für zentrale Systeme) für die Bevölkerung sowie auch Betreiber notwendig, damit diese Maßnahmen unterstützt und in zukünftigen Forschungstätigkeiten weiter thematisiert werden.