Projekt 35353/01

Optimierung der Effekte einfacher Intensivdachbegrünung auf Gebäude- und Stadtklima, Wasserhaushalt und Vegetationsvielfalt im urbanen Umfeld durch Bewässerung mit aufbereitetem Grauwasser

Projektdurchführung

Technische Universität Dresden Fakultät Architektur Institut für Landschaftsarchitektur Professur für Landschaftsbau
Helmholtzstr. 10
01069 Dresden

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Gründächer können zur Verbesserung des thermischen Milieus in Stadtgebieten beitragen, wobei der Kühleffekt durch Evapotranspiration ein wichtiger Teilaspekt ist. Die Nutzung dieser Verdunstungsleistung in längeren Trocken- und Hitzeperioden ist bei geringschichtigen Begrünungsformen bedingt durch limitiertes Retentionsvermögens stark eingeschränkt. Eine Anpassung des Schichtaufbaus hin zu größeren Aufbauhöhen sowie eine ergänzende Bewässerung können diesem Umstand entgegenwirken. Die Verwendung von Trinkwasser für die Bewässerung ist dabei jedoch weder nachhaltig noch ökonomisch sinnvoll.
Ziel des Projektes ist zu untersuchen, ob sich die prognostizierten bzw. unter unterschiedlichen Versuchsbedingungen in vorangegangenen Forschungsprojekten sektoral und für Extensivbegrünungen nachgewiesenen Effekte für eine einfache Intensivbegrünung in einer typischen, gebauten Dachbegrünungssituation unter realen klimatischen Bedingungen durch eine Bewässerung mit aufbereitetem Grauwasser verstetigen und optimieren lassen. Der Fokus liegt auf der Untersuchung der erforderlichen Quantitäten zur Erzielung möglichst großer Synergien der Effekte bzw. zur möglichen Optimierung eines Teilaspektes nach Bedarf im Anwendungsfall.
Hierfür wird in Langzeitversuchen eine einfache Intensivdachbegrünung unter realen Einbau-, unterschiedlichen Betriebsbedingungen und dem Einfluss wechselnder hydraulischer Belastungen untersucht. Mit dem Einsatz von vorbehandeltem Grauwasser als nachhaltige Bewässerungsoption wird darüber hinaus die durch den Stoffeintrag bedingte Einflussnahme auf die Leistungsfähigkeit des Bodenkörpers beschrieben. Mit den Versuchen soll eine eigene Datengrundlage aufgebaut und bereits vorhandene, unter Laborbedingungen gewonnenen Forschungsergebnisse validiert und ggf. ergänzt werden. Die Ergebnisse sollen in der Zusammenschau Auskunft über den Umfang der Auswirkung von Bewässerung auf das Retentionsvermögen, das Evapotranspirationspotenzial und die Bauklimatik sowie das Erscheinungsbild von Gründächern mit einfacher Intensivbegrünung geben. Für die prognostizierte Entwicklung der klimatischen Gegebenheiten in Städten will das Projekt Ansätze zum Erhalt der Vitalität und dem optimierten Beitrag zu Stadtklima und Urbanhydrologie von Gründächern entwickeln. Die Besonderheit des Forschungsansatzes liegt in der Untersuchung und Auswertung aller Teilaspekte in einer Anlage, welche die Identifikation von Synergien und Divergenzen zwischen den genannten Potenzialen und Einflussfaktoren ermöglicht.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie 21 je 3,5 m² großen Versuchsflächen in drei Expositionssituationen wurden im Frühjahr 2020 hergestellt und bepflanzt und zur Erfassung des zulaufenden Wassers, der Wassergehalte im Dachsubstrat sowie des Überlaufs mit Sensoren ausgestattet. Zusätzlich werden die Temperaturen an der Dachhaut, in verschiedenen Niveaus des Gründachaufbaus und des Pflanzenbestandes erfasst. Eine Klimastation stellt Informationen zu Niederschlag und verdunstungsrelevanten atmosphärischen Messgrößen bereit, ein Infrarotsensor erfasst Wärmeströme der Pflanzung auf dem Dach. Die Wasserqualität im Zulauf und Ablauf des Daches sowie im Substrat werden regelmäßig sowie ereignisbezogen beprobt.

Im Arbeitspaket 2 Vitalität und Ästhetik wird der Zustand der Vegetation in den Forschungsfeldern im zweiwöchentlichen Turnus erfasst und dokumentiert. Veränderliche Vegetationsphysiologische Parameter werden über Boniturbögen erfasst und bewertet. Im Ergebnis können Rückschlüsse auf Vitalität und ästhetisches Erscheinungsbild wie z. B. Blüten-, Blatt- und Volumenentwicklung bei unterschiedlichen Bewässerungsregimen gezogen werden.

Im Arbeitspaket 3 Wasserbilanz, Stoffbilanz und Abflussprozesse wird eine Langzeit- und Intensivmesskampagne von Zu-/ Ablaufkonzentrationen der Wasserqualitätsparameter durchgeführt und ausgewertet. Darüber hinaus werden die Messungen inkl. hydraulische und stoffliche Bilanzierung, Reinigungsleistung und Mengenbilanzierung (Stundenwerte, Niederschlagsanteil, Grauwasser aufkommen) ausgewertet.

Im Arbeitspaket 4 Bauklimatische Untersuchung des Kühlpotenzials werden aufbauend auf einer Laboranalyse verbauter Materialien der Versuchsflächen ein Hygrothermisches Monitoring durchgeführt. Dazu werden die Randbedingungen und ausgewählte Messdaten innerhalb der Konstruktionen für Nachrechnungen mit der Simulationssoftware DELPHIN aufgenommen und dokumentiert sowie die Wärmestrommessungen durchgeführt und analysiert. Weiterhin erfolgt anhand der erfassten Messdaten eine vergleichende Abschätzung des Kühlpotenzials der einfachen intensiven Dachbegrünung bei den verschiedenen Bewässerungsregimen.

Im Arbeitspaket 5 Stadtklimatische Bewertung des Kühlpotenzials erfolgt eine Analyse der stationären Klimamessungen im Umfeld des Gründachs sowie mobile Klimamessungen zur raum-zeitlichen Verdichtung der stationären Messungen. Unter anderem werden der Zusammenhang von Gründachbewässerung, Pflanzenbewuchs und Oberflächentemperatur untersucht, aber gleichermaßen auch z. B. der Einfluss der Bewölkung und des Gebäudeschattens ausgewertet.


Ergebnisse und Diskussion

Arbeitspaket 2 Vitalität und Ästhetik
In der dem Bericht zu Grunde liegenden Auswertung der Vegetationsperiode 2022 erzielten sämtliche ausgewerteten Parameter wie z. B. Gesamterscheinungsbild, Deckungsgrad, Blütenmenge und Blattgröße in Feldern mit maximalem Bewässerungsregime (2,4 mm/d) die besten Bewertungen. Auch die minimal (0,6 mm/d) bewässerten Felder zeigen jedoch durchgängig mindestens ein mittleres Erscheinungsbild bei überwiegend grünem Blattwerk und überstehen Trocken- und Hitzeperioden, wenn auch mit deutlichen Einbußen z. B. in Bezug auf den Deckungsgrad (62 % gegenüber 95 % bei maximaler Bewässerung). In der Auswertung wurde deutlich, dass keine Linearität zwischen Vitalität und Bewässerungsmenge besteht, sondern mit der medialen Bewässerung (Regime Medial = 1,2 mm/d) Bewertungen erzielt werden konnten, welche z. T. nur leicht hinter der maximalen Bewässerung zurücklag.
Mit den erhöhten Bewässerungsmengen konnten artspezifisch gesteigerte Wuchshöhen festgestellt werden. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass das verdunstende Vegetationsvolumen proportional mit der Bewässerungsmenge steigt. Bei den in den Sommermonaten blühenden Arten, wie z. B. Bistorta, wurden wesentlich größere Blütenmengen in den maximal bewässerten Feldern festgestellt, als in denen mit minimaler Bewässerung (durchschnittlich 3 Stufen bessere Bewertung). Demgegenüber zeigen die mit vermeintlich trockenheitsverträglichen Arten bepflanzten Nebenflächen im heißen und trockenen Sommer 2022 bereits im Juni überwiegend braunes Blattwerk sowie ein Ausbeleiben weiterer Blütenentwicklung. Die Bewässerung führt demnach zu einem ästhetischen Mehrwert und gleichermaßen ist in den Sommermonaten von einem erhöhten Nahrungsangebot für Insekten auszugehen.

Arbeitspaket 3 Wasserbilanz, Stoffbilanz und Abflussprozesse
Dachbegrünungen weisen auf Grund der geringen Substratdicke und der guten Wasserleitfähigkeit nur eine begrenzte Speicherfähigkeit auf. Dadurch ist auch die Wasserverfügbarkeit in Trockenperioden limitiert. Die Bewässerung ermöglich es, die Verdunstungsleistung von Dachbegrünungen deutlich zu steigern und diese Komponente des Wasserhaushalts an natürliche Flächen anzunähern. Die untersuchten Bewässerungsmengen wurden in Trockenperioden weitgehend verdunstungswirksam. Bei Bewässerungsmengen von 5 mm/d entstanden auch bei ungesättigten Substraten Abflüsse, so dass bei dem verwendeten typischen Dachbegrünungssubstrat häufige geringe Bewässerungsgaben empfehlenswert sind. Die Messung des Wassergehaltes in Dachsubstraten und der Abflussdynamik für die Messfelder erwies sich als herausfordernd und erfordert weitere Untersuchungen zur Sensorauswahl.
Die erhöhten Wassergehalte in Folge der Bewässerung bewirken gleichzeitig eine geminderte Speicherverfügbarkeit bei Regenereignissen und in Folge erhöhte Abflussvolumen und Spitzenabflüsse. Diese treten allerdings bei kurzen Trockenperioden zwischen Regenereignissen und im Winterhalbjahr auch ohne Bewässerung auf. Dadurch ist die systematische Abminderung des Spitzenabflusses von Dachbegrünungen limitiert und sollte nicht pauschal angesetzt werden.
Die Konzentration von organischen Stoffen und Stickstoffkomponenten lag im Ablaufwasser der Dachbegrünungen signifikant über den Werten im unbehandeltem Grauwasser und Bewässerungswasser. In Bezug auf die Stoffkonzentrationen muss der Ablauf der Dachbegrünungen also als Eintragsquelle angesehen werden. Verschiedene Prozesse können die hohen Ablaufkonzentrationen verursachen: durch die Verdunstung werden mit dem Bewässerungswasser aufgebrachte Stoffe aufkonzentriert und bei Regenereignissen ausgetragen. Pflanzenwachstum und -metabolismus setzen organische Stoffe frei, die aus dem Substrat ausgespült werden und schließlich stellen die Kompostanteile in der Substratmischung selbst eine Quelle für organische Verbindungen und Stickstoff dar. Die Bedeutung dieser Prozesse und die Frachtbezogene Betrachtung der stofflichen Belastung sollen in zukünftigen Projekten untersucht werden.

Arbeitspaket 4 Bauklimatische Untersuchung des Kühlpotenzials
Die bauklimatischen Analysen fokussierten zunächst auf den Einfluss der unterschiedlichen Konstellationen von Gründachaufbauten und Bewässerungsformen auf den Feuchte- und Wärmehaushalt innerhalb der Konstruktionen. Auch aus diesen Analysen konnte geschlussfolgert werden, dass die temperaturausgleichende und temperaturabsenkende Wirkung einer verstärkten Bewässerung im medialen Bewässerungsregime mit den vorhandenen Standortbedingungen eine große Verbesserung gegenüber dem minimalen Bewässerungsregime aufweist und für die maximale Bewässerung nur noch geringe Performance-Steigerungen vorhanden waren. Zwei Effekte sind für die Kühlwirkung von Gründächern maßgebend, erstens die deutlich gesteigerte Wärmespeicherfähigkeit in Folge des erhöhten Wassergehaltes. Diese führt zu einer erheblichen Amplitudendämpfung in der Dachkonstruktion mit einer resultierenden Temperaturabsenkung tagsüber von ca. 13°C im Mittel des Monats August 2022 des maximal bewässerten gegenüber dem nicht bewässerten extensiv begrünten Feld. Zweitens führt die Evapotranspiration der Pflanzen zu einer permanenten Temperaturabsenkung des Feldes von ca. 2 °C im Mittel des Monats August 2022. Diese Temperaturabsenkung ist jedoch keine alleinige Konsequenz der Evapotranspiration, sondern auch Folge einer veränderten Strahlungsbilanz. So ist der kurzwellige Strahlungseintrag in die Substratschicht bei vitaler Bepflanzung und hohem Pflanzenbedeckungsgrad erheblich reduziert, gleiches gilt für die langwellige Abstrahlung. Hier ist auch zu berücksichtigen, dass das vitale Blätterdach eine Schutzebene für die Verdunstung von der Substratoberfläche bildet und damit dem Erhalt eines hohen Wassergehaltes im Substrat zuträglich ist. „Ungeachtet dessen ist der Einfluss der erhöhten Wärmespeicherfähigkeit der dominante Kühleffekt bei bewässerten Gründächern. Er nimmt zusätzlich auch einen Einfluss auf das Frostbildungsrisiko, welches mit zunehmendem Wassergehalt erheblich reduziert ist. So zeigen sämtliche Dachflächen mit Bewässerung innerhalb der Konstruktion keine Temperaturen unter der Frostgrenze. Eine Abbildung dieser Effekte im hygrothermsischen Modell war mit den bisherigen Modellen noch nicht möglich. Hier besteht Forschungsbedarf. Die lose Struktur des Substrates stellt eine Herausforderung für die Modellierung von Speicher- und Transporteigenschaften dar, die feuchtegehaltsabhängige Evapotranspiration stellt eine weitere Hürde dar. So existieren aktuell nur stark vereinfachte Evapotranspirations-Modelle, welche den Zeitverlauf des Wassergehaltes vernachlässigen und permanente Wasserverfügbarkeit annehmen. Auch hier besteht Forschungsbedarf.

Arbeitspaket 5
Die Mikroklimauntersuchungen auf dem Gründach zeigen einen klaren Zusammenhang von unterschiedlich intensiver Bewässerung und der daraus resultierenden Grünvolumendichte mit der Verteilung der Gründachtemperatur. Je nach Bewässerungsintensität treten an einem sonnigen Sommertag Temperaturunterschiede von 1,5 °C im Mittel und bis 10 °C im Maximum auf. Im Vergleich zum unbewässerten Bereich reduziert sich die Temperatur auf dem Gründach bis zu 5,2 °C im Mittel und um bis zu 28 °C im Maximum. Die größten Tempertaturunterschiede ergeben sich zwischen Feldern mit mittlerer und geringer Bewässerung. Hohe Wasserzugaben führen nicht zwangsläufig zu einer linearen Absenkung der Gründachtemperatur. Der Gebäudeschatten wirkt sich ebenso reduzierend auf Temperatur und Verdunstung und damit günstig auf das Pflanzenwachstum aus. Dies sollte bei der Planung von Gründächern beachtet werden. Sowohl das Gebäude als auch die sich im Umfeld befindlichen hohen Bäume beeinflussen das Windfeld auf dem Gründach und auch den mit dem Wind verdrifteten Niederschlag. Von einem möglichen „Niederschlagsschatten“ sind v. a. die südlichen Randfelder des Gründachs betroffen. Aufgrund fehlender Vergleichswerte von Wind und Niederschlag auf dem Gründach lässt sich dieser Effekt jedoch nicht nachweisen. Die Daten der neben dem Gründach installierten Klimastation spiegeln die unmittelbaren Mikroklimaverhältnisse am Gründach wider. Die Fernwirkung des Gründachs auf das Mikroklima konnte mit der bestehenden Messkonfiguration nicht belastbar nachgewiesen werden. Hierfür ist eine Erweiterung mit einer räumlich und zeitlich flexiblen Messsensorik erforderlich.



Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Im Arbeitspaket Öffentlichkeitsarbeit wurde zur allgemeinen Information sowohl für Wissenschaft als auch für die Lehre und interessierte Öffentlichkeit eine Webseite eingerichtet (https://tu-dresden.de/bu/architektur/ila/labau/forschung/laufende-forschungsprojekte/modellprojekt-integrales-wassermanagement). Auf wissenschaftlicher Ebene wurde das Projekt auf verschiedenen Konferenzen präsentiert u. a. auf novatech-Konferenz 2019 in Lyon, im NEXUS-Seminars der UNU-FLORES Akademie, und auf dem Bundeskongress Gebäudegrün.
Im Rahmen der Umweltbildung wurde das Gründaches mehrfach in sogenannte Gartenrundgänge des Botanischen Gartens sowie der Stadt Dresden eingebunden. Das Forschungsgründach ist seit Herbst 2020 fester Bestandteil der Lehre in den Studiengängen der Landschaftsarchitektur und Siedlungswasserwirtschaft. Darüber hatten verschiedene studentische (Abschluss-)Arbeiten das Forschungsgründach sowie die Auswertung der ermittelten Messdaten zum Gegenstand.


Fazit

Arbeitspaket 2 Vitalität und Ästhetik
Die Ergebnisse des hinsichtlich des Witterungsverlaufs sehr extremen Jahres 2022 zeigen deutlich, dass die Vitalität und Ästhetik Einfacher Intensivdachbegrünungen im Vergleich zu den geringer bzw. nicht bewässerten Referenzfeldern verbessert werden kann, je kontinuierlicher das Wasserdargebot im Bereich der maximalen Feldkapazität gehalten wird. In der Auswertung wurde jedoch auch deutlich, dass keine Linearität zwischen Vitalität und Bewässerungsmenge besteht, sondern mit der medialen Bewässerung Bewertungen erzielt werden konnten, welche z. T. nur leicht hinter der maximalen Bewässerung zurücklagen. Selbst in Feldern mit minimalem Bewässerungsregime können im Vergleich zu Flächen mit trockenheitsverträglichen Arten ganzjährig noch ein zufriedenstellendes Erscheinungsbild und eine sommerliche Blütenbildung erreicht werden.
Mit den erhöhten Bewässerungsmengen kann darüber hinaus die artspezifisch die Wuchshöhe, respektive das potenziell verdunstende Vegetationsvolumen gesteigert werden. Nachteilige Auswirkungen auf das Erscheinungsbild durch die Bewässerung mit vorgefiltertem Grauwasser konnten bis zur Vegetationsperiode 2022 nicht festgestellt werden. Im Frühjahr 2023 kam es jedoch zum Ausfall eines größeren Teils an Standort III gepflanzter Heuchera. Ursache könnte ein festgestellter Befall mit Dickmaulrüsslern sein. Die Untersuchungen laufen derzeit.

Arbeitspaket 3 Wasserbilanz, Stoffbilanz und Abflussprozesse
Dachbegrünungen können ein wichtiger Baustein eines urbanen Wasserhaushalts sein, der an natürliche Verhältnisse angenähert ist. Dabei steigert Bewässerung die Verdunstungskomponente deutlich und gleicht die geringe Speicherfähigkeit des Dachsubstrats aus. Kontinuierlich anfallendes Grauwasser eignet sich für die Bewässerung und die Bewässerungsmengen können im Hinblick auf eine maximale Verdunstungsleistung optimiert werden. Durch die durchschnittlich höhere Wasserspeicherung des Substrats in Folge der Bewässerung, kann aber bei Regen weniger Wasser zurückgehalten werden und es kommt zu höheren Abflussspitzen und -volumen. Eine Optimierung, die Regenrückhalt und Verdunstungssteigerung berücksichtigt, muss also zwischen diesen beiden Zielen ausgleichen. Die Stoffumsatzprozesse und Aufkonzentrierung bewirken hohe Nitrat und organische Stoffgehalte im Abflusswasser aus Dachbegrünungen, die für eine Wiederverwendung oder Einleitung in Gewässer oder Boden berücksichtigt werden sollten.

Arbeitspaket 4 Bauklimatische Untersuchung des Kühlpotenzials
Gründächer werden aktuell vornehmlich als extensive Konstruktionen, d. h. in dünnschichtiger Bauweise mit trockenheitsresistenter Bepflanzung und ohne Bewässerung realisiert. Die bauklimatischen Untersuchungen zeigen, dass eine erhebliche Kühlwirkung von Gründachkonstruktionen nur dann vorhanden ist, wenn eine geeignete Bewässerung umgesetzt wird. Der Hauptanteil der Kühlwirkung kann auf die deutlich erhöhte Wärmespeicherfähigkeit zurückgeführt werden, welche im vorliegenden Projekt mit der medialen Bewässerung schon fast die maximale Wirkung zeigt. Die Maximalbewässerung bringt im Vergleich dazu nur noch einen marginalen Effekt. Der Kühleffekt aus der Verdunstung von den Blattoberflächen (Evapotranspiration) steht einem strahlungseintrags- und abstrahlungsvermindernden Effekt des Blätterdachs gegenüber und ist betragsmäßig weit unter dem Effekt der Speicherfähigkeit angeordnet. Dennoch ist das vitale Blätterdach auch für die Erhaltung des gespeicherten Wassers im Substrat zuträglich, weil es die direkte Verdunstung aus dem Substrat reduziert.

Arbeitspaket 5
Die Ergebnisse der Mikroklimamessungen leisten einen wichtigen Beitrag zum Erkenntnisgewinn hinsichtlich der Wirkung einer kontrollierten Bewässerung auf die thermischen Verhältnisse auf einem Gründach. Die Installation einer ortsfesten Dauererfassung der räumlich verteilten Oberflächentemperatur des Gründachs hat sich als entscheidende Datenquelle für den Erkenntnisgewinn ergeben. Auf Basis der Temperaturmessungen auf dem Gründach der verschiedenen Projektpartner ist es möglich, eine Abschätzung des Kühlpotentials des Gründachs zu liefern. Für die Bestimmung der Randwirkung des Kühleffektes werden kleinräumig verdichtete Messungen von Temperatur und Feuchte mit einem Netz aus Mikrologgern benötigt. Weitere mobile Strahlungsmessungen sollten dazu dienen, den Schatteneffekt des Gebäudes mit seinen positiven Auswirkungen auf Temperatur und Verdunstung zu quantifizieren, um damit eine Datenbasis für Verdunstungsmodelle zu schaffen.