Starkregen in Deutschland

INHALTE DES BEITRAGS

Änderungen auf Quartiers- bzw. Siedlungsebene
Änderungen auf Grundstücks- und Gebäudeebene
Adiabate Abluftkühlung mit Regenwasser
Anwendungsbeispiele für adiabate Abluftkühlung
Retentionsdach kappt Niederschlagsspitzen
Objektgerechte Planung
Wetter-App steuert Abfluss situationsbezogen
Zusammenfassung

In Hamburg hat die Zukunft bereits begonnen. Bei Neubaugebieten und Bestandsquartieren werden neue Wege beschritten. Ein allmählicher Stadtumbau ist das Ziel.

 

Änderungen auf Quartiers- bzw. Siedlungsebene

Die Behörde „Umwelt und Energie“ sowie das Versorgungsunternehmen „Hamburg Wasser“ haben gemeinsam das Projekt Regen-InfraStruktur-Anpassung (RISA) 2009 gestartet und 2015 erfolgreich abgeschlossen. Absicht war, nachhaltige Ideen und Konzepte für den Umgang mit Regenwasser zu entwickeln. Ergebnis ist ein dezentrales Konzept, das Regenwasser dort, wo es anfällt, erfasst und – soweit möglich – an Ort und Stelle durch geeignete Anlagen wieder dem natürlichen Wasserkreislauf zuführt. Die übergeordneten Ziele des Projekts sind ein naturnaher lokaler Wasserhaushalt, weitergehender Gewässerschutz und Überflutungs-/Binnenhochwasserschutz. Dies zu erreichen setzt eine interdisziplinäre Zusammenarbeit voraus, die sich in der Projektstruktur von RISA widerspiegelt: Wasserwirtschaftler sowie Stadt-, Landschafts- und Verkehrsplaner erarbeiteten gemeinsam mit wissenschaftlicher Unterstützung durch Universitäten und Ingenieurbüros zukunftsfähige Lösungen für das Leben mit Regenwasser in Hamburg, die im „RISA Strukturplan Regenwasser 2030“ zusammengefasst sind und gemeinsam mit Begleitdokumenten zum Download zur Verfügung stehen [1].

Im Hamburger Projekt RISA ist die Hafen City Universität (HCU) Partner und liefert wissenschaftliche Unterstützung. Professor Dr.-Ing. Wolfgang Dickhaut leitet dort das Fachgebiet „Umweltgerechte Stadt- und Infrastrukturplanung“ (USIP). Dr.-Ing. Elke Kruse ist wissenschaftliche Mitarbeiterin. In ihrem Buch „Integriertes Regenwassermanagement für den wassersensiblen Umbau von Städten“ [2] empfiehlt sie,

• ein „grünes Netzwerk“ (begrünte Versickerungsflächen) für Städte, deren Bodenbedingungen eine Versickerung ermöglichen,
• ein „temporär blaues Netzwerk“ (multifunktional gestaltete Flächen, z. B. Stadtplätze, Spiel- und Sportplätze, die temporär überschüssiges Regenwasser speichern können) als Alternative dazu für Städte, deren innere Quartiere keinen Platz für Versickerungsflächen aufweisen oder die über größere, ehemals industriell genutzte Bereiche verfügen,
• ein „blau-grünes Netzwerk“ aus Wasserläufen und -flächen in Kombination mit bisher verrohrten Gewässerabschnitten.

 

Änderungen auf Grundstücks- und Gebäudeebene

Obwohl dezentrale Maßnahmen auf privaten Grundstücken durch die Niederschlagswassergebühr direkt gefördert werden, könnte die Politik laut Elke Kruse mit einem zusätzlichen finanziellen Förderprogramm Anreize schaffen, z. B. für den Bau von Versickerungsmaßnahmen. „Es kommt darauf an, ob die gesplittete Abwassergebühr als alleiniger Anreiz genügt, damit eine ausreichende Anzahl an Maßnahmen in überflutungsgefährdeten Gebieten realisiert wird. Sollte dies nicht der Fall sein, müsste das Förderprogramm entweder stadtweit aufgestellt oder für ausgewählte Bereiche der Stadt zugeschnitten werden. Eine direkte Ansprache von Grundstücksbesitzern in den gefährdeten Gebieten würde die Wirksamkeit der Programme verstärken“, stellt Elke Kruse fest.

In Bestandsgebieten, vor allem im Zentrum der Städte und Gemeinden, kann es eng werden. Zu ebener Erde fehlt oftmals die Fläche für „grüne Maßnahmen“. Dann bietet sich an, Regenwasser auf dem Dach von Gebäuden zu sammeln und zu bewirtschaften. Zusätzliche Flächen, Rohre und Speicher werden so gespart. Bei großen Liegenschaften zeichnet sich mittlerweile die Verdunstung als Trend ab. Eine Variante ist das begrünte Flachdach mit zusätzlichem Retentionsvolumen als Starkregenpuffer. Im Nebeneffekt kühlt die Verdunstung aus dem Gründach die Umgebung – ideal für aufgeheizte Städte im Sommer. Eine andere Version ist das Nutzen des Niederschlags, im Regenspeicher bevorratet, für die energiesparende Kühlung des Gebäudeinnern. Dies gelingt mit wenig Aufwand bei großen Bauten, die ohnehin mit Klimaanlage und Wärmeübertrager für Zu-/Abluft ausgestattet sind.

 

Adiabate Abluftkühlung mit Regenwasser

Meist wird im Plattenwärmeübertrager die Zuluft mit der Abluft vorgekühlt, ohne dass die sich begegnenden Luftströme direkt miteinander in Kontakt treten. Der Wärmeübertrager ist derselbe, der im Winter zur Wärmerückgewinnung dient. Im Sommer wird Regenwasser in den Abluftstrom gesprüht, wobei dieser durch den hohen Energiebedarf des Phasenübergangs flüssig / gasförmig um mehrere Kelvin abkühlt. Die dafür erforderliche Wärme wird permanent der entgegenströmenden Außenluft entzogen (Bild 4). Vorteil: In der konventionellen Kältebereitstellung treten in der Regel Zirkulationsverluste auf. Sie entfallen bei der adiabaten Abluftkühlung, da die Kälte mit hoher Effizienz direkt in der  Lüftungsanlage erzeugt wird. Im Idealfall verlässt die Abluft den Wärmeübertrager im Temperaturniveau der Außenluft bei einer Luftfeuchte von 100 %.

Weitere Vorteile dieser Technik: Regenwasser hat eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit als Indikator für einen minimalen Salzanteil. Gegenüber der Verwendung von Trinkwasser zur Erzeugung von Verdunstungskälte wird nur halb so viel Wasser benötigt und kein Abwasser erzeugt. Außerdem ist die Verdunstung von Wasser energetisch positiv zu bewerten, denn bei der Verdunstung eines Kubikmeters werden etwa 680 kWh an Verdunstungskälte erzeugt. Gegenüber der Verwendung von Strom oder Fernwärme zur Gebäudekühlung ergibt sich bis zu 90 % Einsparpotenzial pro Jahr. Das ist primär abhängig von der Innenraum- bzw. Abluftfeuchte sowie der technischen Ausführung des „Back-ups“ zur Sicherstellung der Zieltemperaturen.

Hinweise zu Planung, Bau, Betrieb und Wartung von raumlufttechnischen Anlagen sowie hygienische Anforderungen an die Anlagen sind den VDI-Richtlinien 3803 Raumlufttechnik und 6022 Raumlufttechnik, Raumluftqualität zu entnehmen.

 

Anwendungsbeispiele für adiabate Abluftkühlung

Schule in Mössingen

Ein Schwerpunkt in der Haustechnik dieses 2014 neu erstellten Gebäudes ist die Regenwassernutzung, die den Sanitärbereich mit Betriebswasser versorgt sowie das Betriebswasser für die adiabate Kühlung liefert (Bild 6). Bei den Klimaanlagen wurde bewusst auf ein Back-up durch eine konventionelle Kompressionskältemaschine verzichtet. Hierdurch sinken die Investitions- und Betriebskosten [3]. Gegenüber der konventionellen Lösung mit Kompressionskältemaschine entstehen pro Tag bei 8 Stunden Volllastbetrieb Einsparungen von 178 € Stromkosten. Im Vergleich zu einer Absorptionskälteanlage sind es sogar 369 € pro Tag für Wärme, Strom, Wasser und Abwasser. Die Stromkosten für den Pumpenbetrieb der Regenwassernutzungsanlage und der adiabaten Abluftkühlung fallen mit etwa 4 € pro Tag dagegen verschwindend gering aus. Der Betriebskostenvergleich wurde aus einem Forschungsprojekt des Bundeswirtschaftsministeriums im Programm www.eneff-stadt.info abgeleitet [4].

Institut für Physik der Humboldt-Universität zu Berlin auf dem Campus Adlershof

Wissenschaftlich begleiten die Hochschule Neubrandenburg und die Technische Universität Berlin dieses stadtökologische Modellvorhaben der Senatsverwaltung für Stadtentwicklung Berlin – und zwar bereits seit Baubeginn vor 15 Jahren. Eines der Ergebnisse:  Die naturnahen klimatisch wirksamen Prozesse sparen nahezu 90 % an Betriebskosten für die Gebäudekühlung im Vergleich zu konventionellen Systemen [5].

Gymnasium Riedberg in Frankfurt

Der Neubau für 1.350 Schüler ist seit 2013 in Betrieb (Bild 5), [6]. Das Regenwasser wird von 2.500 m² Dachfläche gesammelt, das Fassungsvermögen der Regenspeicher beträgt 36 m³. Die Kapazität der Druckerhöhungsanlage mit zwei Tauchmotorpumpen liegt bei 16,5 m³/h. Die Betriebskosteneinsparung im Vergleich zu einer herkömmlichen Kompressions-Kältemaschine liegt bei ca. 1.000 € pro Jahr. Zusätzlich entfallen Gebühren für die Niederschlagsableitung.

Hochschule Pforzheim

Der Neubau zur Erweiterung der Fakultät für Technik mit adiabater Abluftkühlung wurde 2015 fertiggestellt.

 

Retentionsdach kappt Niederschlagsspitzen

Wird Regenwasser nicht oder nur teilweise im Speicher z. B. für die adiabate Abluftkühlung gebraucht, ist die Dachbegrünung eine sehr effektive Möglichkeit, Niederschläge zeitverzögert abfließen bzw. auf dem Dach verdunsten zu lassen. Das neu entwickelte Retentions-Gründach der ZinCo GmbH vervielfacht gezielt diesen Effekt und gleicht damit Niederschlagsspitzen aus (Bild 7).

ine gewöhnliche Extensivbegrünung speichert zwischen 20 und 40 l/m² Wasser, eine Intensivbegrünung zwischen 50 und 100 l/m², in Einzelfällen sogar darüber. Im Hinblick auf lokale Überflutungsereignisse soll die Dachbegrünung möglichst viel Niederschlag speichern können. Andererseits führt ein Zuviel an pflanzenverfügbarem Wasser zu Vegetationsumbildungen und damit zu erhöhtem Pflegeaufwand oder gar zu Staunässe und Wurzelfäulnis. Daher ist das Retentions-Gründach zweiteilig aufgebaut: Regenrückhaltung und Begrünungsaufbau sind getrennt. Abstandshalter (Spacer) bestimmen die frei wählbare Höhe des Retentionsvolumens. Beispiel: Ein 10 cm hoher Abstandshalter gewährleistet, unabhängig vom Substrat der Begrünung, eine zusätzliche Regenwasserspeicherung von ca. 80 l/m². Angestautes Wasser fließt kontinuierlich über ein Drosselelement ab, das im Gully verankert ist. Dies geschieht in einem für das jeweilige Objekt definierten Zeitraum, zwischen 24 Stunden und mehreren Tagen. Das nach Computersimulation berechnete Drosselelement und der Gully liegen geschützt innerhalb eines fein geschlitzten Kontrollschachts, welcher das Einschwemmen von Fremdstoffen verhindert (Bild 8), [7].

 

Objektgerechte Planung

Der über dem Retentionsvolumen liegende Begrünungsaufbau stellt alle für das Funktionieren der Dachbegrünung wichtigen Aspekte sicher. Das sind der Luft-Wasser-Haushalt im Wurzelraum, die Dränage und die Wasserspeicherung für die Pflanzen. So sind alle Dachbegrünungs- und Nutzungsformen möglich, auch Geh- und Fahrbeläge. Abhängig von Klima, Niederschlagsmengen und gewünschter Retention werden die Parameter für das Retentions-Gründach objektspezifisch festgelegt und durch Simulationsrechnungen geprüft. Dazu gehören maximales Einstauvolumen, maximale Entwässerungsmenge pro Zeiteinheit und die Zeitdauer, bis der Stauraum wieder zur Verfügung stehen
soll. Eine Referenz ist das neue Büro- und Verwaltungsgebäude der Mitsubishi Electric Europe B.V. in Ratingen mit 3.800 m² Extensivbegrünung und 640 m² Intensivbegrünung. Unter beiden Begrünungsvarianten befinden sich, vollflächig verlegt, 6 cm hohe Spacer-Elemente und damit ein zusätzliches Retentionsvolumen von bis zu 40 l/m² Wasser [7].

Auch die Optigrün international AG hat diesen Entwicklungen Rechnung getragen und die Systemlösung Retentionsdach Typ Drossel mit den Varianten Gründach und Verkehrsdach entwickelt (Bild 9). Damit gibt es alternative Lösungen, um einen vorgegebenen Maximalabfluss einzustellen und somit die Einleitbeschränkung in den Kanal zu erfüllen. Basis dieses Systems ist die Wasserretentionsbox, mit der bis zu 140 l/m² angestaut werden können. Mithilfe eines Kapillarsystems wird das zwischengespeicherte Niederschlagswasser in den darüber liegenden Begrünungsbau gezogen und über die Vegetation verdunstet – mit allen damit verbundenen positiven Wirkungen. Die maximale Abflussspende lässt sich einstellen auf 1 bis 10 l/s x ha. Die gewünschte Anstauhöhe kann mit dem Regenwasser-Simulationsprogramm RWS 4.0 exakt berechnet werden [8].

 

Wetter-App steuert Abfluss situationsbezogen

Erst seit 15 Jahren macht der Deutsche Wetterdienst (DWD) eine flächendeckende, hochaufgelöste Radarbeobachtung. Das ist Voraussetzung, um gezielt für einzelne Landkreise Wetterwarnungen herausgeben zu können. Beim DWD erfolgt eine Warnung vor „markantem Wetter“ bereits, wenn in einer Stunde mindestens 15 – 25 l/ m² (bzw. in 6 Stunden 20 – 35 l/m²) erwartet werden. Die nächste Stufe heißt „Unwetter“ bei einer Prognose ab 25 l/m² (oder in 6 Stunden mehr als 35 l/m²). Die höchste Warnstufe ist das „extreme Unwetter“ ab 40 l/m² (oder in 6 Stunden über 60 l/m²) [9].

Das Unternehmen Optigrün international AG präsentierte auf der Messe GaLaBau 2016 in Nürnberg erstmals die zum Patent angemeldete Drossel 4.0 „Smart Flow Control“ (Bild 10) – und gehört damit zu den Gewinnern der GaLaBau- Innovationsmedaille. Grundsätzlich wird so viel Niederschlag wie möglich in der Wasserretentionsbox gespeichert und der Vegetation über Kapillarsäulen zur Verfügung gestellt. Steht Regen bevor, öffnet sich (durch eine mit dem Internet verbundene Wetter-App) der Ablauf, sodass die vorhergesagte Niederschlagsmenge abfließt. Somit ist das für den bevorstehenden Regen erforderliche Retentionsvolumen vorhanden. Der Abfluss vom Dach erfolgt in der Regel nur vor einem Regenereignis – also dann, wenn die Kanalisation noch nicht belastet ist. Während des Niederschlags schließt sich der Ablauf, und die Kanalisation wird durch den Regenrückhalt in den Wasserretentionsboxen auf dem Dach entlastet.

Da die Drossel 4.0 „Smart Flow Control“ nicht nur automatisch, sondern auch manuell aus der Ferne überwacht und gesteuert werden kann, eröffnen sich für die kommunale und überregionale Wasserwirtschaft neue Möglichkeiten: Wenn viele Dächer in einer Kommune mit dieser Technik ausgestattet und miteinander vernetzt werden, lassen sich der Regenwasserhaushalt und die Überflutungsvorsorge flächendeckend aktiv regeln. Das bietet die Möglichkeit, ein großes steuerbares Regenüberlaufbecken auf verschiedenen, jedoch miteinander vernetzten Dächern anzulegen [8].

 

Zusammenfassung

In den Jahren 2011 bis 2014 ging in Deutschland der tägliche Zuwachs bebauter Flächen langsam zurück. Im Vier-Jahres-Durchschnitt waren es 69 ha bzw. 0,69 km² [10] – eine gute Nachricht. Doch etwa die Hälfte dieser Siedlungs- und Verkehrsfläche ist versiegelt, sodass Tag für Tag immer noch mehr als 30 ha Fläche aus dem natürlichen Wasserkreislauf verschwinden. Dem kann mit den vorgenannten Maßnahmen des Stadtumbaus, der Dachbegrünung, Regenrückhaltung und Verdunstung wirkungsvoll begegnet werden.

Die Kanalisation ist im Zentrum vieler Städte veraltet und unterdimensioniert. Investitionen und Erweiterungen im bestehenden System sind kostenintensiv und werden deshalb nach Möglichkeit vermieden. Die kostengünstigere Lösung ist eine Beschränkung der zulässigen Einleitung in überlastete Kanalnetze – Hamburg hat damit in einzelnen Quartieren bereits begonnen. TGA-Fachplaner betrachten dies vor dem Hintergrund der erwähnten Maßnahmen (Retentionsdächer und adiabate Abluftkühlung mit gesammeltem Regenwasser) als lösbare Herausforderung.

Der Überflutungsnachweis nach DIN 1986-100 Entwässerungsanlagen für Gebäude und Grundstücke – Teil 100: Bestimmungen in Verbindung mit DIN EN 752 und DIN EN 12056 hat in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen. Die anfallende Wassermenge soll nachweislich auf dem eigenen Grundstück zurückgehalten werden, ohne dass es zur Überflutung von Gebäuden kommt. Auch das gelingt mit den genannten Methoden besser, da der Regenwasserabfluss vom Gebäude auf das Grundstück verringert wird.