Projekt 35796/01

Integrale Planung einer innovativen thermischen Regenwassernutzung am Beispiel des Stadtquartiers QK ecoSquare“ in Bamberg zur zusätzlichen Kälte- und Wärmeversorgung der Gebäude

Projektträger

eco eco AG
Bahnhofstr. 55
91330 Eggolsheim
Telefon: +4951515566359

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Für das urbane Quartier ecoSquare, welches in der oberfränkischen Stadt Bamberg entsteht, soll eine innovative und umweltfreundliche Entwässerung umgesetzt werden, welche einen natürlichen Wasserhaushalt mit geringstmöglichem Abfluss von Niederschlägen in die Kanalisation unter Berücksichtigung eines überdurchschnittlichen Überflutungsschutzes sicherstellt. Hierzu ist ein hohes Maß an lokaler Regenwasserverdunstung und -versickerung auf dem Quartier vonnöten. Folglich waren für ein derartiges innovatives Regenwassermanagement entsprechende Anlagen zu planen, die Regenwasser transportieren, speichern, verdunsten sowie versickern. Im Rahmen des Förderprojektes wurden u. a. die entsprechenden planerischen Maßnahmen von Entwurfs- hin zu Ausführungsplanung getätigt. Darüber hinaus fanden numerische Simulationsstudien zu einer energetischen Nutzung der Komponenten des innovativen Regenwassersystems statt. Im Speziellen wurden große unterirdische Regenwasserspeicher (Zisternen), die im Zuge des Regenwassermanagements vorzusehen sind, als niedrig-exergetische thermische Speicher numerisch modelliert und in ein übergeordnetes Simulationsmodell der thermischen Quartiersversorgung mit Wärmepumpen implementiert. Mit Hilfe darauf basierender dynamischer Simulationen sollten Potenziale zur Steigerung der Energieeffizienz der gesamten thermischen Quartiersversorgung durch die thermische Nutzung von Regenwasserzisternen und ökonomische Indikatoren im Rahmen einer Wirtschaftlichkeitsanalyse ermittelt werden.
Um diverse bauliche Maßnahmen im Hoch- und Tiefbau mit den Ent- und Bewässerungskomponenten sowie der Energietrassen zu harmonisieren, wurde hier eine integrale Planung mit iterativen Abfragen und Anpassungen forciert.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAufbauend auf bereits vorliegenden Entwurfsplanungen für die Entwässerung des Quartiers wurden von der Fränkische Rohrwerke GmbH & Co. KG und der Optigrün international AG für das Quartier ecoSquare ein innovatives Regenwassermanagement in einem ersten Entwurf auf Basis vorliegender Lagepläne und Ent- sowie Bewässerungsdaten konzipiert. Das von der eco eco AG beauftragte Ingenieurbüro für die Planung der technischen Gebäudeausrüstung plante die Anlagen für das innovative Regenwassermanagement mittels iterativer Abstimmungen mit Akteuren wie den oben genannten Unternehmen sowie den Planern für die Contracting-seitige thermische Energieversorgung unter der Koordination der planenden und ausführenden Architekten der eco eco AG. In diesem Zuge wurden die Regenwasserzisternen und -rigolen bzgl. ihrer Dimensionen, Kubatur und Lokalisierung im Quartier unter Berücksichtigung aller Mindestanforderungen (Überflutungsschutz, minimaler Abfluss) angepasst. Hinzu kam eine planerische Erweiterung um wasserspeichernde Gründachflächen und die hierzu notwendige zusätzliche Infrastruktur zur Bewässerung dieser Flächen.
Für die Entwicklung von thermischen Simulationsmodelle wurde eine Bestandsaufnahme bzgl. der übergeordneten thermischen Quartiersversorgung, dynamischer Daten wie Zeitreihen zum Wärme- und Kältebedarf, zum Regenwasserzufluss und zu Klimadaten sowie der finalen Zisternenabmessungen und -daten durchgeführt. Zunächst wurden numerisch-thermische Modelle für die Energiezentralen, eine vorgesehene Erdwärmesondenanlage sowie die Wärme- und Kälteverteilung (Anergienetz) erstellt und validiert. Analog dazu wurde ein Simulationsmodell für die Zisternen entwickelt und hierbei zwei Varianten zur Entnahme und Zuführung von Wärme bzgl. der Energieeffizienz verglichen. Die energieeffizientere Variante wurde für die weitere Koppelung aller numerischen Modelle (Energiezentralen, Anergienetz, Zisternen) verwendet. Als Entwicklungsumgebung kam die numerische Software MATLAB zur Anwendung. Als tragender Indikator für die zu ermittelnde Energieeffizienzanhebung durch die thermische Nutzung von Regenwasserzisternen wurden die System-Jahresarbeitszahlen (SJAZ) von zwei Simulationsvarianten „ohne“ und „mit“ Nutzung der Zisternen verglichen.
Die aus dem Vergleich sich ergebenden energetischen Optimierungen flossen in eine Wirtschaftlichkeitsanalyse ein, um potenzielle Einsparungen bei Wärmegestehungskosten durch die Erweiterung des Energiesystems darzustellen.


Ergebnisse und Diskussion

Für die Entwässerungsplanung führte ein iterativer Abgleich zwischen den Planungen der innovativen Entwässerung und den bereits fortgeschrittenen Planungsbereichen der Gebäudeplanung zu einer Optimierung der Dimensionierung und der Anordnung von Zisternen, Rigolen und dem Grundleitungsnetz. Für die Dachflächen konnte in der Tragwerksplanung nachgewiesen werden, dass tragende Bauteile keiner Umbemessung aufgrund einer Mehrbelastung durch wasserspeichernde Dachflächen bedürfen. Standortspezifische Simulationen der konzipierten innovativen Regenwasserbewirtschaftung haben den Überflutungsschutz für ein 30-jähriges und darüber hinaus für ein 100-jähriges Ereignis nachgewiesen.
Die vereinfachte thermische Modellierung des Anergienetz konnte erfolgreich umgesetzt und validiert werden. Bei den Zisternen konnte durch simulierte Ergebnisgegenüberstellung von zwei Varianten zur thermischen Aktivierung des Zisternenregenwassers eine deutliche Steigerung der Energieeffizienz gezeigt werden, wenn die thermische Aktivierung durch einen externen Wärmeübertrager mit Regenwasserumwälzung erfolgt. Auf Basis dieser Variante konnte eine Steigerung der Effizienz des thermischen Gesamtsystems durch den Einsatz einer thermischen Aktivierung von Zisternen simulativ nachgewiesen werden. Hierzu wurde die System-Jahresarbeitszahl der Quartiers-Wärmepumpen in Energiezentralen als Schlüsselindikator fokussiert. Es wurde rechnerisch eine Steigerung von 6,2 auf 6,34 erzielt. Hinsichtlich ökonomischer Aspekte wurde im Rahmen einer Wirtschaftlichkeitsanalyse ein lediglich geringfügiges Strom-Einsparpotenzial von 2,2 % durch die thermische Zisternennutzung festgestellt. Es werden hierzu Handlungsempfehlungen für die Erhöhung des Einsparpotenzials gegeben.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Ergebnisse und Erkenntnisse zu den Simulationen der thermischen Zisternenaktivierung sollen bei (wissenschaftlichen) Konferenzen und mittels Beiträgen in wissenschaftlichen Journalen der Öffentlichkeit zur Verfügung gestellt werden. Im Rahmen dieses Förderprojektes konnten bisher keine Veröffentlichungen stattfinden. Darüber hinaus sind im Zuge eines voraussichtlichen F&E-Folgeprojektes entsprechende Veröffentlichungen angedacht.


Fazit

In diesem Förderprojekt konnte eine übertragbare integrale Planung für eine Entwässerungsplanung für die Erreichung eines innovativen Regenwassermanagements für einen natürlichen Wasserhaushalt anhand des realen Quartiersprojekt ecoSquare in Bamberg dargestellt werden, welche – wie in diesem Fall – die regulatorischen Anforderungen bzgl. Überflutungsschutzes sogar übertreffen. Auch konnte durch thermische Modellierung und Simulation von für das innovative Regenwassermanagement notwendigen Regenwasserzisternen gezeigt werden, dass die Energieeffizienz einer übergeordneten thermischen Quartiersversorgung auf Basis von Wärmepumpen durch Zisternen als niedrig-exergetische thermische Speicher erhöht werden können. Im Zuge eines folgenden F&E-Projektes sollen auf Basis der Ergebnisse und Erkenntnisse aus diesem Förderprojekt bisherige Planungen konkretisiert als auch umgesetzt und einem langfristigen Energiemonitoring unterzogen werden.

Übersicht

Fördersumme

51.905,00 €

Förderzeitraum

25.08.2020 - 24.08.2021

Bundesland

Bayern

Schlagwörter

Klimaschutz
Ressourcenschonung
Umweltforschung
Umwelttechnik