Optimierung der Effekte einfacher Intensivdachbegrünung auf Gebäude- und Stadtklima, Wasserhaushalt und Vegetation im urbanen Umfeld durch Bewässerung mit vorfiltriertem Grauwasser
Projektdurchführung
Technische Universität Dresden
Fakultät Architektur und Landschaft
Professur für Landschaftsbau
Helmholtzstr. 10
01069 Dresden
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens
Dachbegrünungen und Grauwasserverwendung sind Aspekte der deutschen Anpassungsstrategie an den Klimawandel. 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 Retentionsvermögen 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.
Das vorliegende Forschungsprojekt untersucht daher unter realen Einbaubedingungen aufbauend auf dem vorangegangenen Forschungsprojekt Modellprojekt Integrales Wassermanagement nunmehr zusätzlich zu der Bewässerung mit geklärtem Grauwasser, die Möglichkeiten und Herausforderungen einer Bewässerung mit lediglich filtriertem Grauwasser, welches ganzjährig in Gebäudekreisläufen zur Verfügung steht. Darüber hinaus sollen die bisher gewonnenen Erkenntnisse validiert und die Datenlage zur Systemlösung der einfachen Intensivbegrünung erweitert werden.
Das Projekt erforscht die komplexen Prozesse einfacher Intensivdachbegrünungen in einem interdisziplinären Team. Dabei werden die Auswirkungen bewässerter einfacher Intensivgründächer auf Wasserhaushalt, Bau- und Umgebungsklima sowie Vitalität der Pflanzung querschnittorientiert getestet und quantifizierbar. Der Untersuchungsansatz der Nutzung von lediglich filtriertem Grauwasser im Freiland und in einer realen Einbausituation ist dabei ein Alleinstellungsmerkmal.
Die Ergebnisse liefern Erkenntnisse zu pflanzen- und wassergefährdenden Stoffausträgen, zur nächtlichen Abkühlung der Umgebungsluft, zum bauklimatischen Kühlpotenzial sowie zur Pflanzenvitalität von Gründächern mit einfacher Intensivbegrünung. Da eine kontinuierliche Überwachung und Quantifizierung des Deckungsgrads von Dachflächen entscheidend für die Beurteilung und Optimierung von Dachbegrünungssystemen sein kann, wurde zudem für die Vegetationsbestimmung ein Verfahren des maschinellen Lernens auf Basis dreidimensionaler Punktwolken eingesetzt.
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie 21 je 3,5 m² großen Forschungsflächen im Botanischen Garten der TU Dresden wurden bereits im Frühjahr 2020 hergestellt, mit einer Vielzahl an Sensoren ausgestattet und in 2023 z. T. ergänzend instrumentiert. Die Forschungsfelder wurden mit unterschiedlichen Grauwasserqualitäten (filtriertes oder geklärtes Grauwasser) und mit drei unterschiedlichen Bewässerungsregimen bewässert: Typ 1 wird mit einer maximalen Bodenfeuchte versorgt (2,4 L/m²/d bei täglicher Bewässerung), Typ 2 mit einer medialen Bodenfeuchte (1,2 L/m²/d, d. h. Bewässerung alle zwei Tage) und Typ 3 mit einer minimalen Bodenfeuchte (0,6 L/m²/d, d. h. Bewässerung alle 4 Tage). In den nachfolgend beschriebenen Arbeitspaketen (AP) werden die jeweiligen Arbeitsschritte und Methoden in Kürze dargestellt.
AP 2 Beurteilung der Pflanzenvitalität
Das Kapitel widmet sich den Auswirkungen unterschiedlicher Bewässerungsregime mit geklärtem und mechanisch filtriertem Grauwasser auf die Vitalität und Entwicklung von insgesamt 11 Dachbegrünungspflanzen. Ziel ist es, mögliche nachteilige Effekte der filtrierten Grauwasserbewässerung zu identifizieren und Hinweise für eine ausfallarme Bepflanzung zu gewinnen. Für die Bewertung der Vitalität wurden von März bis Dezember 2023 und 2024 alle zwei Wochen Bonituren durchgeführt. Anschließend sind die Parameter Wuchshöhe, Individuenzahl, Anzahl blühender Individuen sowie die Blattmenge, -größe und -gesundheit mittels deskriptiver und inferenzstatistischer Verfahren ausgewertet worden. Im Fokus standen dabei die Zusammenhänge zwischen Pflanzenvitalität und Bewässerungsmenge sowie Grauwasserqualität. Ergänzend wurden UAV-Befliegungen durchgeführt, um die Deckungsgrade eines jeden Felds zu bestimmen.
AP 3 Automatisierung der Vegetationsaufnahme
Im Rahmen des Vorhabens wurde ein Verfahren des maschinellen Lernens getestet und weiterentwickelt, dass eine automatisierte Klassifikation von Vegetation aus UAV-Aufnahmen erlaubt, um den Bedeckungsgrad von Dächern zu bestimmen. Zunächst erfolgten UAV-Befliegungen zu zwei verschiedenen Jahreszeiten, damit das variierende Erscheinungsbild von Vegetation beim Trainieren berücksichtigt werden konnte. Anschließend wurden photogrammetrisch 3D-Punktwolken berechnet, die neben der geometrischen Information verschiedene radiometrische Angaben enthalten. Diese Datengrundlage ist genutzt worden, um verschiedene geometrische Punktmerkmale (u. a. Punktdichte, Rauigkeit und Linearität) auf verschiedenen Beobachtungsskalen sowie radiometrische Merkmale (u. a. Vegetationsindizes) abzuleiten und für das Trainieren eines Klassifikators zu nutzen.
AP 4 Wasserbilanz, Stoffbilanz und Abflussprozesse
Ziel des Arbeitspakets war die Bewertung der Langzeiteffekte der Grauwasserbewässerung auf Wasser- und Stoffbilanzen. Dabei standen insbesondere Salze und Tenside als potenziell pflanzenschädigende Stoffe aber auch Nitrat und Phosphor und organische Substanzen als Stoffe mit wassergefährdendem Potential im Fokus. Die Ergebnisse der Untersuchungen validieren die langfristige Verwendbarkeit von Grauwasser und geben Rückschlüsse auf den Behandlungsbedarf des Grauwassers und des Ablaufwassers aus Dachbegrünungen. Die Untersuchungen von Wasser und Stoffhaushalt erfolgte für die Bewässerungsperioden der Jahre 2021 bis 2024. In diesem Zeitraum waren alle Jahre um 1,1 bis 2,1 °C wärmer als die Klimanormalperiode 1991 bis 2020. Die Retentionswirkung der Dachbegrünungen wurde anhand der 15 intensivsten Regenereignisse im Zeitraum 2021 2023 ausgewertet. Dabei wurden Ereignisse mit den Dauerstufen 15 Minuten, eine Stunde und 4 Stunden betrachtet.
AP 5 Bauklimatische Untersuchungen des Kühlpotenzials
Im Arbeitspaket Bauklimatik wurden hygrothermische Simulationen (DELPHIN) eingesetzt, um das Kühlpotenzial des bewässerten Gründachs zu ermitteln. Grundlage der Modellierung des Kühlpotenzials war der reale Gründachaufbau im Botanischen Garten Dresden. Es wurden systematisch Varianten analysiert, um den Einfluss zentraler Parameter wie Bewässerung, Dämmstoffdicke, Substrateigenschaften, Innenraumklima und Substratschichtdicke auf das Kühlpotenzial zu quantifizieren.
AP 6 Stadtklimatische Bewertung
Zur Bewertung des nächtlichen Kühleffekts des Gründachs wurden in 2023 16 Temperatur-Feuchte-Logger auf dem Gründach und seiner nahen Umgebung in verschiedenen Höhen installiert. Anschließend wurden die Daten in bewölkte und klare Nächte gefiltert und in stündliche Mittelwerte zusammengefasst. Darüber hinaus wurden die Dauermessungen an der Klimastation des Gründachs und des IR-Sensors am Dienstgebäude in den Jahren 2023 und 2024 kontinuierlich fortgesetzt. Dies ermöglicht eine weiterführende Analyse des Einflusses von Witterung und Bewuchs auf die Verteilung der IR-Temperatur auf den bewässerten und unbewässerten Gründachbereichen. Mit Hilfe der Modellierungssoftware ENVI-met wurde die Wirkung unterschiedlicher Pflanzendichte im Bereich der bewässerten Gründachbereiche untersucht.
Ergebnisse und Diskussion
AP 2 Beurteilung der Pflanzenvitalität
Die Untersuchung zeigt, dass sowohl mechanisch filtriertes als auch geklärtes Grauwasser eine vitale Entwicklung der elf getesteten Arten fördert. Die Bewässerung mit filtriertem Grauwasser wirkte sich bei einzelnen Arten tendenziell wachstums- und vitalitätsfördernd aus. Bistorta amplexicaule und Hemerocallis citrina erreichten unter filtrierter Grauwasserbewässerung größere Wuchshöhen, Bistorta blühte zudem tendenziell früher. Auch Campanula punctata, Campanula rotundifolia und Knautia macedonica zeigten unter filtriertem Grauwasser, insbesondere im maximalen Regime, eine erhöhte Blütenanzahl. Aufgrund der besseren Regenwasserversorgung in 2023 und 2024 im Vergleich zu 2022 fielen die Unterschiede zwischen den Bewässerungsregimen insgesamt geringer aus. Signifikante Differenzen waren i. d. R. nur zwischen den minimalen und maximalen Regimen nachweisbar. Auf dem unbewässerten Referenzfeld stellten die Arten C. punctata, C. rotundifolia und Knautia macedonica ihr oberirdisches Wachstum in Trockenphasen teils vollständig ein. Das Einziehen konnte bereits durch Minimalbewässerung verhindert und die Blühaktivität weitestgehend erhalten werden. In Gruppe 1 und 3 erschwerten Verschattungen durch umliegende Gebäude und Gehölze die direkte Vergleichbarkeit der Forschungsfelder, da sie lokal stark unterschiedliche mikroklimatische Bedingungen verursachten. Wie zu erwarten zeigten beschattete Flächen in den heißen Sommermonaten eine höhere Vitalität als besonnte Flächen, selbst bei minimaler Bewässerung. Auf den nicht bewässerten und mit trockenheitstoleranten Arten bepflanzen Nebenflächen fiel der Bestand nach dem sehr heißen Sommer 2022 zunächst sehr lückig aus, erholte sich aber in den Jahren 2023 und 2024 aufgrund des vorteilhafteren Witterungsverlaufs. Eine vollständige Bedeckung wurde jedoch zu keinem Zeitpunkt erreicht.
AP 3 Automatisierung der Vegetationsaufnahme
Die Analyse der Bedeckungsgrade über drei Messzeitpunkte zeigt drei deutliche Entwicklungstypen: Gruppe 1 wies zu Beginn in 2023 eine hohe Vegetationsbedeckung auf, die im Verlauf infolge eines Schädlingsbefalls durch Dickmaulrüsslerlarven deutlich abnahm. Gruppe 2 zeigte über alle Zeitpunkte hinweg konstant hohe Bedeckungsgrade mit nur geringen Schwankungen, was auf eine stabile und gesunde Vegetationsentwicklung hindeutet. Gruppe 3 startete aufgrund einer Neupflanzung im Juli 2023 mit sehr niedrigen Werten, konnte jedoch über die Zeiträume hinweg einen kontinuierlichen und deutlichen Anstieg der Bedeckung verzeichnen. Zusätzlich wurde testweise die Pflanzenhöhe als Punktattribut berechnet. Für alle Versuchsflächen gelang dies technisch zuverlässig durch die Einpassung einer Bezugsebene und die Bestimmung vertikaler Punktabstände. Eine zusammenfassende Reduktion auf einen einzigen Höhenwert pro Fläche erwies sich jedoch als wenig aussagekräftig, da die Vegetation auf den Flächen sehr unterschiedlich ausgeprägt ist und einzelne Pflanzen sich individuell entwickeln. Die Drohnenbefliegung erwies sich als erfolgreich, zeigte jedoch Schwächen bei dünner Vegetation. Eine ergänzende Laserscanner- oder Nahbereichserfassung wird empfohlen.
AP 4 Wasserbilanz, Stoffbilanz und Abflussprozesse
Durch die Bewässerung erhöhte sich das Wasserdargebot im Mittel um 35 % durch die minimale Bewässerung, um 70 % durch die mediale und um 105 % durch die maximale Bewässerung. Die Retentionswirkung nimmt mit zunehmender Ereignisdauer und mit zunehmender Bewässerungsintensität ab. Die Wasserbilanz während der Bewässerungsperioden bestätigte für die unbewässerten Dachaufbauten mit Kies, extensiver und einfacher Intensivbegrünung die Vorgaben aus der DIN 1986-100. Durch die zusätzliche Bewässerung konnte die Verdunstungsleistung deutlich erhöht werden, gleichzeitig erhöht sich auch der Abfluss leicht. Für die Bewässerung wurden gereinigtes Grauwasser aus einer Pflanzenkläranlage und mechanisch filtriertes Grauwasser verglichen. Das filtrierte Grauwasser wies dabei deutlich höhere Gehalte an organischen Stoffen, Nährstoffen und Feinpartikeln auf. Diese Stoffe werden in der Dachbegrünung weitgehend zurückgehalten. Es kommt durch den Wasserrückhalt jedoch zu einer leichten Aufkonzentration von organischen Stoffen und Nährstoffen. Die Akkumulation von Salzen wurde auf Grundlage von Messreihen zur elektrischen Leitfähigkeit bewertet. Hier zeigen die Felder mit geklärter und mit filtrierter Bewässerung eine leicht höhere Leitfähigkeit als unbewässerte Vergleichsflächen. Die Werte nehmen aber im Untersuchungszeitraum ab, sodass auf dieser Grundlage keine Akkumulation zu befürchten ist.
AP 5 Bauklimatische Untersuchungen des Kühlpotenzials
Die Ergebnisse zeigen, dass eine Bewässerung mit dem maximalen Regime ein jährliches Kühlpotenzial von ca. 2.1 kWh/m² erreicht. Weniger intensive Bewässerungsregime (minimal und medial) erzeugen kaum Unterschiede zur unbewässerten Variante, da der Einfluss von Niederschlag dominiert. Eine Reduzierung der Dämmstoffdicke erhöht das Kühlpotenzial deutlich (bis auf 6.3 kWh/m²), führt jedoch im Winter zu höheren Wärmeverlusten. Eine erhöhte Wasserspeicherfähigkeit des Substrats beeinflusst die Temperaturverläufe nur geringfügig und steigert das Kühlpotenzial nicht wesentlich. Auch die Variation des Innenraumklimas sowie der Substratschichtdicke zeigt, dass primär die Bewässerung entscheidend für das Kühlpotenzial ist.
AP 6 Stadtklimatische Bewertung
Die räumlich und zeitlich verdichtete Erfassung der Lufttemperatur und Luftfeuchte auf dem Gründach und dessen näherer Umgebung zeigt das Potenzial des Gründachs, die Temperatur zu senken. Dabei ist die Kühlwirkung der bewässerten und dicht bewachsenen Forschungsfelder am Tage stärker, während spärlich bewachsene Abschnitte nachts besser abkühlen. Die Messdaten zeigten, dass das Gründach in klaren Sommernächten, insbesondere über unbewässerten, niedrig bewachsenen Flächen eine geringe, aber messbare nächtliche Abkühlung von bis zu 1 K aufweist. Eine signifikante Ausstrahlungswirkung in die Umgebung wurde aufgrund der geringen Ausdehnung des Gründachs nicht festgestellt. Am Tage wiesen bewässerte, beschattete Flächen die niedrigsten Oberflächentemperaturen auf. Auch bei gleicher Bewässerung führten Unterschiede in der Sonneneinstrahlung zu Differenzen von bis zu 10 K. Zeitweise beschattete Flächen, insbesondere in den Mittagstunden, beeinflussten demnach indirekt das Pflanzenwachstum positiv, da potenziell weniger Wasser verdunstet und somit mehr Feuchtigkeit für die Vegetation bereitgestellt wird.
Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation
Die Ergebnisse des Vorhabens wurden sowohl in der wissenschaftlichen Fachgemeinschaft als auch in der Umweltbildung und Lehre breit kommuniziert. Neben der Einbindung in das Berichtswesen und wissenschaftliche Publikationen erfolgte eine gezielte Aufbereitung für Vorträge und öffentlichkeitswirksame Präsentationen. Auf wissenschaftlicher Ebene wurde das Projekt auf nationalen und internationalen Konferenzen präsentiert u. a. auf dem IAHR Europe Congress in Lissabon (Portugal), der International Conference on Urban Drainage in Delft (Niederlande) oder auf der Fachtagung Wassersensible Stadtentwicklung in Halle (Saale). Im Rahmen der Umweltbildung wurde das Gründach mehrfach in Fortbildungen und Exkursionen der Stadt Dresden eingebunden. Darüber hinaus wurden die Ergebnisse für Weiterbildungen aufbereitet u. a. für die Weiterbildungskurse der DWA Sachsen/Thüringen zum Ressourcenmanager Regenwasser. Das Forschungsgründach ist zudem seit Herbst 2020 fester Bestandteil der Lehre in den Studiengängen der Landschaftsarchitektur und Siedlungswasserwirtschaft. Im Zuge des Projekts hatten verschiedene studentische (Abschluss-) Arbeiten das Forschungsgründach sowie die Auswertung der ermittelten Messdaten zum Gegenstand.
Fazit
Die Zusammenschau der Ergebnisse aus der zweijährigen Untersuchung zeigt das Potenzial eines ressourcenschonenden und praxistauglichen Ansatzes zur Grauwassernutzung. Der Verzicht auf eine Pflanzenkläranlage erhöht dabei nicht nur die Übertragbarkeit des Systems auf innerstädtische Flächen mit begrenztem Raumangebot, sondern reduziert zugleich technische Komplexität, Kosten und Wasserverluste durch Verdunstung.
AP 2 Beurteilung der Pflanzenvitalität
Sowohl mechanisch filtriertes als auch geklärtes Grauwasser eignen sich grundsätzlich zur Bewässerung einfach-intensiver Dachbegrünungen. Bereits minimale Grauwassergaben (0,6 L/m²/d) reichten aus, um während Hitze- und Trockenperioden die Vitalität zu erhalten, die Blühaktivität weitestgehend zu sichern und das Einziehen oberirdischer Pflanzenteile zu verhindern. Die Bewässerung mit filtriertem Grauwasser zeigte im Vergleich zur geklärten Variante tendenziell vitalitätssteigernde und wachstumsfördernde Effekte, was auf die im Wasser verbliebenen Nährstoffe zurückgeführt werden kann. Die Erkenntnisse bieten eine fundierte Grundlage für weitere Forschungen zur pflanzen- und standortgerechten Planung sowie für die Etablierung von Grauwasserbewässerung als integralen Bestandteil zukunftsfähiger Dachbegrünungssysteme. Da sich beide Grauwasserqualitäten (filtriert/geklärt) zur Erhaltung und Förderung der Pflanzenvitalität eigneten, erscheint der Verzicht auf eine platzintensive Pflanzenkläranlage für die untersuchten Arten plausibel.
AP 3 Automatisierung der Vegetationsaufnahme
Die Klassifikation trennte Vegetation zuverlässig, blieb aber abhängig von den Trainingsdaten. Deep-Learning-Ansätze wie PointNet++ könnten die Genauigkeit verbessern. Die automatisierte Bedeckungsgradberechnung ist umgesetzt, jedoch noch nicht vollständig automatisiert. Zukünftige Arbeiten sollten weitere Parameter wie das Pflanzenvolumen integrieren und manuelle Schritte weiter automatisieren.
AP 4 Wasserbilanz, Stoffbilanz und Abflussprozesse
Die Ergebnisse der Stoffanalysen des Dachablaufwassers zeigen, dass die Dachbegrünung insbesondere bei Bewässerung mit filtriertem Grauwasser selbst Reinigungsleistungen übernimmt. Da die Ablaufkonzentrationen der untersuchten Stoffe bei den mit Grauwasser bewässerten Flächen keine systematisch höheren Werte aufwiesen als jene der unbewässerten Referenzflächen, erscheint eine lokale Versickerung oder Einleitung des Ablaufwassers in die Regenwasserentwässerung grundsätzlich möglich und sinnvoll. Für eine zuverlässige Berücksichtigung der Retentionsleistung sollten spezifische Vorgaben erarbeitet werden. Bewässerte Dachbegrünungen können einen positiven Beitrag zu einer ausgeglichenen urbanen Wasserbilanz leisten.
AP 5 Bauklimatische Untersuchungen des Kühlpotenzials
Eine abschließende Verifikation mit stark erhöhten Verdunstungs- und Kapillarparametern zeigt nur minimale zusätzliche Kühleffekte. Daraus wird geschlossen, dass das Modell keine systematischen Unterschätzungen enthält und die ermittelten Kühlpotenziale realistisch sind. Insgesamt verdeutlicht die Untersuchung das vorhandene, aber begrenzte bauklimatische Kühlpotenzial bewässerter Gründächer.
AP 6 Stadtklimatische Bewertung
Die Untersuchungen verdeutlichen, dass kleinflächige Gründächer nur begrenzt zur nächtlichen Abkühlung beitragen können. Tagsüber waren kombinierte Effekte aus Bewässerung und gezielter Beschattung deutlich wirksamer. Simulation und Messdaten zeigen, dass insbesondere die zeitweise Verschattung zur Mittagszeit in Verbindung mit ausreichender Bewässerung die Temperaturverhältnisse auf dem Gründach optimiert, Verdunstungsverluste reduziert und damit das Pflanzenwachstum begünstigt. Da ein zeitlich zusammenfallender Vergleich von Messung und Simulation bislang nicht möglich war, sind weiterführende Untersuchungen auf größeren Dachflächen sowie mit synchronisierten Mess-Simulationsansätzen erforderlich.