Zarządzanie wodą opadową w miastach

Ocena: 5
2037

Inteligentne sterowanie zbiornikami retencyjnymi na dachach zielonych dla maksymalizacji transpiracji i ochrony przed zalaniem w silnie zagęszczonej przestrzeni miejskiej. 

Fot. 1

Ważne cele w nowoczesnym i efektywnym zarządzaniu wodą deszczową to między innymi odtworzenie naturalnej retencji wody i ochrona przed zalaniem. Przestrzenie retencyjne w formie dachów zielonych przyczyniają się do osiągnięcia obydwóch tych celów. Zatrzymana w nich woda może być doprowadzana poprzez kapilarne połączenie warstwy substratu, a tym samym ostatecznie odparowana. Wymagania wobec przestrzeni retencyjnych są szczególnie wysokie w przestrzeni miejskiej. Ze względu na różne czynniki, jak np. gęstość zabudowy i silne uszczelnienie powierzchni, do dyspozycji jest niewiele miejsca. To oznacza, że na możliwie niewielkiej przestrzeni trzeba poprzez maksymalną retencję wody (i równoległe podwyższenie parowania poprzez dach zielony) wspierać odtworzenie naturalnego obiegu wody, podczas gdy równocześnie poprzez duże pojemności pustych przestrzeni retencyjnych trzeba zadbać o możliwie jak najlepszą ochronę przed zalaniem. Aby móc to zapewnić, wymagane jest optymalne i tym samym inteligentne użytkowanie przestrzeni retencyjnej (Fot.1. Dach retencyjny w systmie Optigruen na Urban Roof Farm DakAkker w Rotterdamie ).

Dotychczasowa realizacja: Dostępność przede wszystkim rozwiązań dla odpływu i infiltracji

Obieg wody, który należy odtworzyć bądź zachować, składa się z trzech komponentów: odpływu, odtworzenia wody gruntowej i parowania. Największy udział w naturalnej retencji wody ma przy tym parowanie. Jednak najważniejsze są przy tym rozwiązania techniczne do realizacji odpływu i infiltracji, których jest już na rynku dostatecznie dużo. Jeśli chodzi o odtworzenie parowania, w szczególności na obszarach miejskich, sytuacja wygląda zupełnie inaczej, a liczba możliwości technicznych jest mocno ograniczona. Dachy zielone stanowią w tym przypadku skuteczną metodę i mogą wnieść istotny wkład w zapewnienie parowania. O tym, jak duży będzie ten wkład, rozstrzygają przede wszystkim konstrukcja i rodzaj dachu zielonego.

Elementy drenażu a potencjał retencji wody

 

Fot. 4

Tradycyjne dachy zielone składają się z włókniny ochronnej, która jest układana bezpośrednio nad izolacją wodochronną dachu. Na niej układany jest drenaż, który jest oddzielany włókniną filtracyjną od znajdującej się ponad nim warstwy substratu. Ta służy roślinom w warstwie wegetacyjnej jako przestrzeń do ukorzeniania, poprzez którą mogą one otrzymywać wodę i składniki pokarmowe. W zależności od wymagań dla danego typu dachu i zieleni, płaszczyzna drenażowa może pod substratem pełnić różne funkcje. I tak istnieją płyty drenażowe o niewielkiej przestrzeni do gromadzenia wody i szczególnie wysokiej zdolności drenowania lub specjalne płyty redukujące szczytowy współczynnik spływu. Płaszczyzny drenażowe, od których wymaga się spełnienia bardziej złożonych wymagań, składają się przykładowo także z płyt, które nie tylko przyczyniają się do zmniejszenia szczytowego współczynnika spływu, lecz równocześnie posiadają dużą przestrzeń do gromadzenia wody, lub ze specjalnych płyt drenażowych do retencji ze szczególnie wysokim potencjałem retencji wody (Fot.2., Fot.4. Montaż prototypu Smart Flow Control firmy Optigruen w Rotterdamie).

Fot. 2

 

Ważny efekt chłodzenia dla obszarów miejskich

Regulacja obiegu wody na dachach retencyjnych ma tak duże znaczenie, bo może mieć decydujący wpływ na mikroklimat w ich bezpośrednim otoczeniu. Wywołane odpowiednio parowanie, które jest konieczne, aby odtworzyć naturalny obieg wody, chłodzi otoczenie. Z otoczenia zabierana jest energia konieczna do tego przejścia fazowego (ze stanu ciekłego do gazowego). Temperatura jest miarą dla energii i w ten sposób odbiór energii oznacza równocześnie zmniejszenie temperatury otoczenia. Tę energię ostatecznie posiadają cząsteczki wody znajdujące się w tym momencie w fazie gazowej. Zachowana w tym stanie skupienia energia nie przyczynia się do wzrostu temperatury, ponieważ chodzi tu o utajoną formę energii. Ponadto para wodna powstała w trakcie procesu jest lżejsza niż powietrze i w ten sposób przedostaje się do wyższych warstw atmosfery. W konsekwencji temperatura otoczenia jest obniżana przez proces parowania. Do tego przejścia fazowego konieczna jest duża ilość energii: Do odparowania 1 grama wody w temperaturze powietrza około 20°C potrzebne jest około 2500 dżuli. Zakładanie przestrzeni retencyjnych, które w sposób regulowany odparowują duże ilości wody deszczowej w stałym okresie, a tym samym pobierają duże ilości energii, czyli mówiąc inaczej temperaturę, można szczególnie na obszarach miejskich wykorzystać jako efektywne narzędzie, aby długotrwale i pozytywnie oddziaływać na lokalny klimat i przeciwdziałać nasilonemu przez zmiany klimatyczne efektowi „miejskich wysp ciepła”. Dotyczy to przede wszystkim powierzchni silnie obsadzonych roślinami. Otwarta powierzchnia wodna odparowuje znacznie słabiej w porównaniu z powierzchnią wegetacyjną o takiej samej wielkości, ponieważ rośliny posiadają znacznie większą powierzchnię odparowywania. Z pomocą dachów retencyjnych i wegetacji można zatem efektywnie odparowywać wodę deszczową.

Nowa koncepcja: Inteligentne i dynamiczne zarządzanie wodą

Mimo że dachy retencyjne w opisanej tutaj formie są efektywne w rozumieniu zarządzania wodą deszczową, to jednak w swojej podstawowej formie są systemami statycznymi. Aby je zoptymalizować, uczynić system zielonego dachu retencyjnego bardziej elastycznym i w ten sposób osiągnąć jego maksymalny efekt,a tym samym inteligentne, sterowanie dostawcy systemów zielonych dachów i elementów konstrukcyjnych dla obiektów budowlanych opracowali nowoczesne technoilogie. Cały opad jest przy tym gromadzony w sposób zdecentralizowany i trwały, aby zebrana woda mogła odparować poprzez powierzchnię substratu i wegetacji. Trafia on do odpływu tylko wtedy, gdy oczekiwane wydarzenie deszczowe wymaga większej pojemności retencyjnej, niż aktualnie jest dostępne w przestrzeni retencyjnej. Poprzez taki celowo umożliwiony spływ z góry tworzy się dokładnie taką pojemność retencyjną, jaka jest potrzebna, aby całkowicie zniwelować nadchodzące wydarzenie deszczowe i przeprowadzić retencję. Spływ z dachu retencyjnego odbywa się poprzez celowe zdławienie wyłącznie przed wydarzeniem deszczowym, a więc do nieobciążonego jeszcze systemu kanalizacji 

Inteligentna regulacja przez nowoczesną technologię

Technika ta realizuje jednoznacznie wspomniane już na początku cele zarządzania wodą deszczową, odtworzenia naturalnej retencji wody oraz ochrony przed zalaniem. Dwa cele, które właściwie bez występowania inteligentnego sterowania, pozostają ze sobą w sprzeczności. Ponieważ jeśli chce się uzyskać możliwie silne parowanie, to należy również możliwie permanentnie jak najbardziej spiętrzać wodę. Jeśli chce się zapewnić możliwie jak najlepsze zabezpieczenie przez zalaniem, to wodę należy z kolei spiętrzać w możliwie umiarkowanym stopniu. Te przeciwieństwa dadzą się znieść tylko poprzez zastosowanie inteligentnego sterowania, a cele te można wówczas nawet ze sobą połączyć. Na rynku dostępna jest nowa technologia inteligentnego sterowania w zarządzaniu wodą deszczową na dachach retencyjnych zawierająca urządzenia instalowane bezpośrednio nad wpustem dachowym i całkowicie go obejmujące. Układ sterowania wodą deszczową można bez problemu stosować ze wszystkimi wpustami dachowymi dostępnymi w handlu. Silnik urządzenia jest połączony ze sterowaniem, które komunikuje się z serwerem, wykorzystując połączenie GSM, i otrzymuje od niego dyspozycje sterownicze. Z pomocą specjalnego algorytmu dyspozycje te przekładają się następnie na odpowiednie ruchy silnika. Podstawowych danych dla systemu sterującego dostarczają prognozy pogody, które serwer otrzymuje od 48 do 72 godzin wcześniej, i które są przetwarzane ostatecznie przez model hydrologiczny oprogramowania umieszczonego na serwerze. Dla każdej lokalizacji na całym świecie można z pomocą tej metody wyliczyć i odtworzyć model sytuacji lokalnej (Fot.3. Automatyczny system zarządzania wodą Smart Flow Control Optigruen). Program znajdujący się na serwerze oblicza, jakie ilości wody deszczowej pojawią się w zbiorniku retencyjnym w wyniku zapowiadanych wydarzeń deszczowych. To badanie i obliczenie następuje po każdej informacji zwrotnej urządzenia sterującego lub każdej aktualizacji prognozy opadów. Z uwzględnieniem aktualnego poziomu wody mierzonego przez czujnik następuje sprawdzenie, czy aktualna dostępna pojemność retencyjna wystarczy, aby zatrzymać wodę z wydarzenia deszczowego. Jeśli nie, to serwer wysyła rozkaz opróżnienia zbiornika retencyjnego do specjalnego urządzenia na dachu. Zwraca się przy tym cały czas uwagę na to, aby tworzyć w miarę możliwości tylko tyle pojemności retencyjnej, ile jest konieczne, aby przyjąć zapowiadany opad. Równocześnie na dachu należy zatrzymać możliwie jak największą ilość wody. Te opisane powyżej procesy można przy tym obserwować i sprawdzać zarówno przez odczytywanie bazy danych na serwerze, jak i poprzez aplikację samodzielnie opracowaną w tym celu. Podstawowa charakterystyka układu sterowania została opracowana w ramach różnych projektów.

 

Fot. 3

Przy pomocy dachu z rozchodnikami ze zbiornikiem retencyjnym w letnim miesiącu odparowuje ok. 100 mm. To wystarcza, aby w ciągu miesiąca opróżnić najczęściej zabudowywane zbiorniki retencyjne o pojemności około 80 l/m2. Kolejny korzystny efekt, jaki niesie ze sobą podwyższona w taki sposób dostępność wody, to znaczna poprawa bioróżnorodności: Także inne gatunki roślin, jak np. byliny lub niewielkie krzewy, mogą bez problemu rosnąć i rozwijać się na dachach. Poprzez taką wariację flory bardziej różnorodna staje się także fauna, ponieważ swoje nowe miejsce do życia znajdują tu ptaki, owady i zwierzęta żyjące w ziemi. W ten sposób w szczególnie mocno zabudowanych miastach można stworzyć wartościową zieleń, która w prawie wszystkich sferach oddziałuje pozytywnie na jakość życia obszarów miejskich.

Perspektywy: Niezwykły potencjał dla miast przyszłości

Podsumowując, można więc stwierdzić: Jeśli inteligentne sterowanie zbiorników retencyjnych sprawdzi się w praktyce i duża liczba dachów, na przykład w całej dzielnicy miasta, zostanie wyposażona w sterowane w taki sposób zielone dachy retencyjne, to mogłoby to istotnie przyczynić się do podwyższenia parowania, a tym samym do odtworzenia naturalnego bilansu wodnego, do ochrony przed zalaniem i do bioróżnorodności obszaru, a to oznaczałoby wyraźną korzyść dla naszych miast i obszarów miejskich.

Literatura

Cirkel, D., Voortman, B., ven Veen, T. & Bartholomeus, R. (September 2018). Evaporation from (Blue)Green Roofs: Assessing the Benefits of a Storage and Capillary Irrigation System Based on Measurements and Modeling. water, S. 1-21.

DWA-A 102 Niederschlagsbedingte Siedlungsabflüsse - Grundsätze und Anforderungen zum Umgang mit Regenwasser (Entwurf). DWA-Arbeitsblatt 100. Hennef: Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V. DWA-A 138 Planung, Bau und Betrieb von Anlagen zur Versickerung von Niederschlagswasser.

DWA-Arbeitsblatt 138. Hennef: Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V.

Feng, Y., Burian, S. J. & Pardyjak, E. R. (2018). Observation and Estimation of Evapotranspiration from an Irrigated Green Roof in a Rain-Scarce Environment. Water, 10(3), 262.

Gesteuerte Kleinspeicher (2009). Gefördert von der Investitionsbank Land Brandenburg

HydroSensorWeb (2010). Integriertes vorhersagegesteuertes Speicher Management und Hochwasserwarnsystem in urbanen Gebieten und kleinen Gewässereinzugsgebieten. Gefördert im Rahmen des INNOWATT-Programms

STORM (2018) Programm zur hydrologischen Modellierung. Ingenieurgesellschaft Prof. dr Sieker mbH

Kuronuma, T. & Watanabe, H. (2017). Photosynthetic and Transpiration Rates of Three Sedum Species Used for Green Roofs. Environmental Control in Biology, 55(3), 137-141.

 

Dr Harald Sommer, Ingenieurgesellschaft Prof. Dr. Sieker mbH

Anna Sylwester-Czapla , członek Zarządu Polskiego Stowarzyszenia „Dachy Zielone“ (PSDZ)

Dominik Gößner, Optigrün international AG

PODZIEL SIĘ:
OCEŃ:

Artykuły ekspertów

- Reklama -

Polecane firmy

Polecamy


 


 

Którą akcję wspierania branży dekarskiej znasz najlepiej?







GŁOSUJ

Które okna dachowe (Twoim zdaniem) montujesz najszybciej?







GŁOSUJ