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."

2

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.

3

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

Seite 4AU 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), 7267-7273.3Oberascher, 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

4

Einleitung Smarte Regentonne Fallbeispiel Ergebnisse & Diskussion Schlussfolgerung

Aufbau

• Volumen: 250l

Smarte Regentonne

Seite 5AU 2019 I Martin Oberascher | 11.09.2019

Einleitung Smarte Regentonne Fallbeispiel Ergebnisse & Diskussion Schlussfolgerung

5

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

Seite 6AU 2019 I Martin Oberascher | 11.09.2019

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

6

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

Seite 7AU 2019 I Martin Oberascher | 11.09.2019

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

7

Kontrollstrategien Rückhalt von Niederschlagswasser

• Abschätzung Zufluss Smarte Regentonne

Bewirtschaftungskonzept

Seite 8AU 2019 I Martin Oberascher | 11.09.2019

8

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

9

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

10

Einleitung Smarte Regentonne Fallbeispiel Ergebnisse & Diskussion Schlussfolgerung

Kontrollstrategie Bewässerung

• Ermittlung Bewässerungsbedarf

• Entnahme Regentonne

Bewirtschaftungskonzept

Seite 11AU 2019 I Martin Oberascher | 11.09.2019

11

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 12AU 2019 I Martin Oberascher | 11.09.2019

12

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

13

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 14AU 2019 I Martin Oberascher | 11.09.2019

14

Einleitung Smarte Regentonne Fallbeispiel Ergebnisse & Diskussion Schlussfolgerung

Aufstellung Campus Technik, Universität Innsbruck

• Volumen: 250l

Reale Aufstellung

Seite 15AU 2019I Martin Oberascher | 11.09.2019

15

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

Seite 16AU 2019 I Martin Oberascher | 11.09.2019

16

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

17

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

18

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

Seite 19AU 2019 I Martin Oberascher | 11.09.2019

19

Einleitung Smarte Regentonne Fallbeispiel Ergebnisse & Diskussion Schlussfolgerung

• Dachfläche 165m², Abflussbeiwert 0,9

Ergebnisse Einfamilienhaus

Seite 20AU 2019 I Martin Oberascher | 11.09.2019

ungesteuertungesteuert

20

Einleitung Smarte Regentonne Fallbeispiel Ergebnisse & Diskussion Schlussfolgerung

• Dachfläche 165m², Abflussbeiwert 0,9

Ergebnisse Einfamilienhaus

Seite 21AU 2019 I Martin Oberascher | 11.09.2019

ungesteuert

21

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

22

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

23

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

24

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

26

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.