Erweiterte Regenwasserbewirtschaftung durch smarte Regentonnen
Martin Oberascher, Jonatan Zischg, Ulrich Kastlunger, Martin Schöpf,
Carolina Kinzel, Christoph Zingerle, Wolfgang Rauch, Robert Sitzenfrei
Regentonnen
• Temporäres Speichervolumen
• Retention von Regenwasser1
• Nutzung Regenwasser für „Nicht-Trinkwasser“ Anwendungen1
Motivation
Seite 2AU 2019 I Martin Oberascher | 11.09.2019
1Campisano, A., D. Butler, S. Ward, M. J. Burns, E. Friedler, K. DeBusk, L. N. Fisher-Jeffes, E. Ghisi, A. Rahman, H. Furumai and M. Han (2017). "Urban rainwater harvesting systems: Research, implementation and future perspectives."
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Einleitung Smarte Regentonne Fallbeispiel Ergebnisse & Diskussion Schlussfolgerung
Regentonnen
• Temporäres Speichervolumen
• Retention von Regenwasser1
• Nutzung Regenwasser für „Nicht-Trinkwasser“ Anwendungen1
Informations- und Kommunikationstechnologien (ICT)
• Kostengünstige Sensoren
• Überwachung und Steuerung der urbanen Wasserinfrastruktur2
Motivation
Seite 3AU 2019 I Martin Oberascher | 11.09.2019
1Campisano, A., D. Butler, S. Ward, M. J. Burns, E. Friedler, K. DeBusk, L. N. Fisher-Jeffes, E. Ghisi, A. Rahman, H. Furumai and M. Han (2017). "Urban rainwater harvesting systems: Research, implementation and future perspectives."2Kerkez, B., Gruden, C., Lewis, M., Montestruque, L., Quigley, M., Wong, B., Bedig, A., Kertesz, R., Braun, T., Cadwalader, O., Poresky, A., and Pak, C. (2016). "Smarter Stormwater Systems." Environ. Sci. Technol., 50(14), 7267-7273.
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Einleitung Smarte Regentonne Fallbeispiel Ergebnisse & Diskussion Schlussfolgerung
Regentonnen
• Temporäres Speichervolumen
• Retention von Regenwasser1
• Nutzung Regenwasser für „Nicht-Trinkwasser“ Anwendungen1
Informations- und Kommunikationstechnologien (ICT)
• Kostengünstige Sensoren
• Überwachung und Steuerung der urbanen Wasserinfrastruktur2
Idee Smarte Regentonnen (SRT)
• Echtzeit überwacht und gesteuert3
Motivation
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1Campisano, A., D. Butler, S. Ward, M. J. Burns, E. Friedler, K. DeBusk, L. N. Fisher-Jeffes, E. Ghisi, A. Rahman, H. Furumai and M. Han (2017). "Urban rainwater harvesting systems: Research, implementation and future perspectives."2Kerkez, B., Gruden, C., Lewis, M., Montestruque, L., Quigley, M., Wong, B., Bedig, A., Kertesz, R., Braun, T., Cadwalader, O., Poresky, A., and Pak, C. (2016). "Smarter Stormwater Systems." Environ. Sci. Technol., 50(14), 7267-7273.3Oberascher, M., Zischg, J., Palermo, S. A., Kinzel, C., Rauch, W., and Sitzenfrei, R. "Smart Rain Barrels: Advanced LID Management Through Measurement and Control." Springer International Publishing, 777-782
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Einleitung Smarte Regentonne Fallbeispiel Ergebnisse & Diskussion Schlussfolgerung
Aufbau
• Volumen: 250l
Smarte Regentonne
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Einleitung Smarte Regentonne Fallbeispiel Ergebnisse & Diskussion Schlussfolgerung
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ÖWAV – Regelblatt 19 (2007)
• 15 m³/ha reduzierter Anschlussfläche für Mischwasserüberlaufbauwerke4
• Durchschnittliches Einfamilienhaus: 150 m² reduzierte Dachfläche5
• 66 Einfamilienhäuser/ha
• 250 l Regentonne
Alternative zu Mischwasserüberlaufbauwerke
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4ÖWAV-Regelblatt 19 (2007). Richtlinien für die Bemessung von Mischwasserentlastungen. Österreichischer Wasser- und Abfallwirtschaftsverband. Wien, Österreich.5Statistik Austria (2018a): Fertiggestellte Wohnungen und Gebäude 2005 bis 2017. https:// www.statistik.at/web_de/statistiken/menschen_und_gesellschaft/wohnen/wohnungs_und_gebaeudeerrichtung/fertigstellungen/index. html. Abgerufen am 01.03 2018
Einleitung Smarte Regentonne Fallbeispiel Ergebnisse & Diskussion Schlussfolgerung
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ÖWAV – Regelblatt 19 (2007)
• 15 m³/ha reduzierter Anschlussfläche für Mischwasserüberlaufbauwerke4
• Durchschnittliches Einfamilienhaus: 150 m² reduzierte Dachfläche5
• 66 Einfamilienhäuser/ha
• 250 l Regentonne
16,5m³ Retentionsvolumen
Kostengünstige Alternative
Ca. 10% Niederschlagshöhe r15,2
Alternative zu Mischwasserüberlaufbauwerke
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4ÖWAV-Regelblatt 19 (2007). Richtlinien für die Bemessung von Mischwasserentlastungen. Österreichischer Wasser- und Abfallwirtschaftsverband. Wien, Österreich.5Statistik Austria (2018a): Fertiggestellte Wohnungen und Gebäude 2005 bis 2017. https:// www.statistik.at/web_de/statistiken/menschen_und_gesellschaft/wohnen/wohnungs_und_gebaeudeerrichtung/fertigstellungen/index. html. Abgerufen am 01.03 2018
Einleitung Smarte Regentonne Fallbeispiel Ergebnisse & Diskussion Schlussfolgerung
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Kontrollstrategien Rückhalt von Niederschlagswasser
• Abschätzung Zufluss Smarte Regentonne
Bewirtschaftungskonzept
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Einleitung Smarte Regentonne Fallbeispiel Ergebnisse & Diskussion Schlussfolgerung
Kontrollstrategien Rückhalt von Niederschlagswasser
• Abschätzung Zufluss Smarte Regentonne
• Ventil öffnen / Schließen
Bewirtschaftungskonzept
Seite 9AU 2019 I Martin Oberascher | 11.09.2019
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Einleitung Smarte Regentonne Fallbeispiel Ergebnisse & Diskussion Schlussfolgerung
Kontrollstrategien Rückhalt von Niederschlagswasser
• Abschätzung Zufluss Smarte Regentonne
• Ventil öffnen / Schließen
• Simulation durchführen
Bewirtschaftungskonzept
Seite 10AU 2019 I Martin Oberascher | 11.09.2019
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Einleitung Smarte Regentonne Fallbeispiel Ergebnisse & Diskussion Schlussfolgerung
Kontrollstrategie Bewässerung
• Ermittlung Bewässerungsbedarf
• Entnahme Regentonne
Bewirtschaftungskonzept
Seite 11AU 2019 I Martin Oberascher | 11.09.2019
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Einleitung Smarte Regentonne Fallbeispiel Ergebnisse & Diskussion Schlussfolgerung
Einfamilienhaus
• Dachfläche 165 m², Abflussbeiwert 0,9
• Perfekte Wettervorhersage, Prognosedauer 1 h, Aktualisierung alle 30 min
• Volumen Regentonne 0,5 m³
Beispielhafte Funktionsweise
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Einleitung Smarte Regentonne Fallbeispiel Ergebnisse & Diskussion Schlussfolgerung
Einfamilienhaus
• Dachfläche 165 m², Abflussbeiwert 0,9
• Perfekte Wettervorhersage, Prognosedauer 1 h, Aktualisierung alle 30 min
• Volumen Regentonne 0,5 m³
Beispielhafte Funktionsweise
Seite 13AU 2019 I Martin Oberascher | 11.09.2019
Zufluss SRT
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Einleitung Smarte Regentonne Fallbeispiel Ergebnisse & Diskussion Schlussfolgerung
Einfamilienhaus
• Dachfläche 165 m², Abflussbeiwert 0,9
• Perfekte Wettervorhersage, Prognosedauer 1 h, Aktualisierung alle 30 min
• Volumen Regentonne 0,5 m³
Beispielhafte Funktionsweise
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Einleitung Smarte Regentonne Fallbeispiel Ergebnisse & Diskussion Schlussfolgerung
Aufstellung Campus Technik, Universität Innsbruck
• Volumen: 250l
Reale Aufstellung
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Einleitung Smarte Regentonne Fallbeispiel Ergebnisse & Diskussion Schlussfolgerung
Alpine Gemeinde
• 2900 Einwohner (2019)
• Seehöhe 610 m ü. A.
• Bezirk Innsbruck-Land (Österreich)
• 628 Gebäude
• 15,2 ha angeschlossene Fläche
• Mischwasserkanal
Auswirkungen:
• Regentonne (Einsparung Trinkwasser, Rückhalt Niederschlagswasser, Schaltvorgänge)
• Kanal (Mischwasserüberlauf, Überflutung)
• Wasserversorgung (Wasserdruck, Wasseralter)
Fallbeispiel
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Einleitung Smarte Regentonne Fallbeispiel Ergebnisse & Diskussion Schlussfolgerung
SWMM - Model
• Grünfläche, Zufahrt, Dachfläche je Grundstück
PySWMM6
• Python Wrapper für SWMM5
• Schritt-für-Schritt Simulation
• Steuerung kleiner Speichereinheiten
Gekoppelte hydraulische Simulation
Seite 17AU 2019 I Martin Oberascher | 11.09.2019
6https://github.com/jennwuu/pyswmm
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Einleitung Smarte Regentonne Fallbeispiel Ergebnisse & Diskussion Schlussfolgerung
SWMM - Model
• Grünfläche, Zufahrt, Dachfläche je Grundstück
PySWMM6
• Python Wrapper für SWMM5
• Schritt-für-Schritt Simulation
• Steuerung kleiner Speichereinheiten
EPANET - Model
• Anschluss je Haus
Python EPANET – Toolkit7
• Langzeitsimulation
Gekoppelte hydraulische Simulation
Seite 18AU 2019 I Martin Oberascher | 11.09.2019
6https://github.com/jennwuu/pyswmm7https://github.com/OpenWaterAnalytics/epanet-python
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Einleitung Smarte Regentonne Fallbeispiel Ergebnisse & Diskussion Schlussfolgerung
Wetterdaten (2015 – 2018)
• Niederschlagsdaten (1min)
• INCA – Wettervorhersagen (15min – Zeitraum 24h)
• Prognosezeitraum Wettervorhersage 1h, 3h und 12h
• Perfekte – reale Wettervorhersage
Simulationszeitraum
• 21. März bis 23. September
Regentonnen
• Regentonnengrößen 200l, 300l, 500l
• Implementierung in Wohngebiet, Mischgebiet und Landwirtschaftliche Nutzung
• Durchdringungsgrade 25, 50, 75 und 100%
• Zufällige Implementierung
Simulationen
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Einleitung Smarte Regentonne Fallbeispiel Ergebnisse & Diskussion Schlussfolgerung
• Dachfläche 165m², Abflussbeiwert 0,9
Ergebnisse Einfamilienhaus
Seite 20AU 2019 I Martin Oberascher | 11.09.2019
ungesteuertungesteuert
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Einleitung Smarte Regentonne Fallbeispiel Ergebnisse & Diskussion Schlussfolgerung
• Dachfläche 165m², Abflussbeiwert 0,9
Ergebnisse Einfamilienhaus
Seite 21AU 2019 I Martin Oberascher | 11.09.2019
ungesteuert
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Einleitung Smarte Regentonne Fallbeispiel Ergebnisse & Diskussion Schlussfolgerung
• Dachfläche 165m², Abflussbeiwert 0,9
Ergebnisse Einfamilienhaus
Seite 22AU 2019 I Martin Oberascher | 11.09.2019
ungesteuert
1h perfekt
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Einleitung Smarte Regentonne Fallbeispiel Ergebnisse & Diskussion Schlussfolgerung
• Dachfläche 165m², Abflussbeiwert 0,9
• Erhöhung Retentionsvolumen durch Einbindung Wettervorhersage
• Einsparung Trinkwasser – herkömmliche Regentonne Referenzwert
Ergebnisse Einfamilienhaus
Seite 23AU 2019 I Martin Oberascher | 11.09.2019
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Einleitung Smarte Regentonne Fallbeispiel Ergebnisse & Diskussion Schlussfolgerung
Ergebnisse Fallstudie
Seite 24AU 2019 I Martin Oberascher | 11.09.2019
• 100 smarte Regentonnen
• Perfekte Wettervorhersage
• 25 Simulationen
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Einleitung Smarte Regentonne Fallbeispiel Ergebnisse & Diskussion Schlussfolgerung
• 100 smarte Regentonnen
• Perfekte Wettervorhersage
• 25 Simulationen
Seite 25AU 2019 I Martin Oberascher | 11.09.2019
25
[m]
Ergebnisse Fallstudie
[h]
Einleitung Smarte Regentonne Fallbeispiel Ergebnisse & Diskussion Schlussfolgerung
• Wettervorhersage: Erhöhung Retentionsvolumen, Reduktion Einsparung Trinkwasser
• Höhere Anzahl smarte Regentonnen -> integrative Betrachtung im Sinne von „Smart Water Cities“ erforderlich
• Neue Anreize für Implementierung
Schlussfolgerung
Seite 26AU 2019 I Martin Oberascher | 11.09.2019
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Einleitung Smarte Regentonne Fallbeispiel Ergebnisse & Diskussion Schlussfolgerung
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Danksagung
Diese Publikation entstand im Rahmen des Projektes „Smart Water City“. Dieses Projekt wird aus den Mitteln des Klima- und Energiefonds gefördert und im Rahmen des Programms „Smart Cities Demo – Living Urban Innovation 2018“ (Projekt 872123) durchgeführt.