AirWaterHarvest - Datengrundlage zur autarken Bewässerung urbaner Bepflanzungen

Abstract

Klimawandelbedingte Extremwetterereignisse sorgen immer öfter für langanhaltende deutschland- und europaweite Dürreperioden. Der damit verbundene ausbleibende Regen führt in urbanen Regionen und Städten schließlich zu Wassermangel. Begleitend dazu sind die Bestrebungen groß, Balkone und Fassaden zu begrünen, um so bspw. der städtischen Er-wärmung sowie dem Insektensterben entgegenzuwirken und die Biodiversität zu stärken. Die künstliche und teilweise energieintensive Trinkwasserbewässerung urbaner Bepflanzungen kann den Wassermangel verstärken. Als besonders problematisch zeigt sich die Begrünung von Bestandsgebäuden, da hier - neben der Regenwassernutzung - eine zusätzliche Bewässe-rungsinfrastruktur nachgerüstet werden muss. Daher ist die Nutzung des Wassergehalts der Umgebungsluft zur Bewässerung von urbaner Bepflanzung eine naheliegende Überlegung. Die Atmosphäre enthält 0,001% des Süßwassers [1]. Die Gewinnung erfolgt bspw. an der kalten Oberfläche eines solarenergieversorgten Pel-tierelements, an dem Wasser kondensiert. Zur Abschätzung erzielbarer Wassermengen müssen die Grundlagen gelegt und Untersu-chungen zur Umsetzung solcher autarken Wassergewinnungssysteme durchgeführt werden. Hieraus leiten sich schließlich die Randbedingungen zum Einsatz der Systeme im Bestand als ressourcenschonender und nachrüstbarer Ansatz ab. Die Datengrundlage bilden Messdaten einer Messkampagne zur Erfassung der Verteilung von relevanten mikroklimatischen Umge-bungsparametern, wie z. B. die relative Luftfeuchtigkeit, die Lufttemperatur, der Luftdruck, die photometrische Beleuchtungsstärke, der Niederschlag, die Windgeschwindigkeit und -richtung. Wesentliche Merkmale der Messungen sind die Messgrößenerfassung nahe der Ge-bäudeaußenhaut in Abhängigkeit der Höhe, der Ausrichtung (Himmelsrichtung), der Bebau-ungssituation, der Uhrzeit und der Jahreszeit. Zur Erfassung dieser und weiterer Messgrößen kommt ein kabelloses Sensornetzwerk zum Einsatz. Diese Daten bilden, gemeinsam mit ei-nem mathematischen Modell eines atmosphärischen Wasserernters, die Basis zur Berech-nung des Wasserertrags eines energieautarken Wassergewinnungssystems. Die Simulations-ergebnisse zum Wasserertrag und die Verallgemeinerungsfähigkeit der Messdaten bzgl. ver-schiedener Gebäudetypen (Wohnanlage, Ein-, Mehrfamilienhaus) werden mit einem Funkti-onsmuster des Wassergewinnungssystems evaluiert. Der Wasserertrag unter Verwendung ei-nes Peltierelementes (60 mm x 60 mm) beträgt zwischen 0,25 bis 3,5 ml/h bei einer Tempera-tur von 15 bis 35 °C und einer relativen Luftfeuchte von 60 bis 90 %. Die Schwankung des jähr-lichen Wasserertrags entlang der Fassade beträgt maximal 15 %, was – im Gegensatz zum Nie-derschlag – als eine sehr konstante Wasserquelle angesehen werden kann. Für das betrachte-te Peltierelement liegt der simulierte Wasserertrag bei ca. 4 l/a und entspricht einer aufzuwen-denden mittleren Energie von 15 kWh. Um zukünftig bereits in der Planungsphase konkrete Aussagen zum erwartbaren Wasserertrag und damit zu einsetzbaren Pflanzen zu treffen, wird das Quartier des untersuchten Gebäudes mikroklimatologisch simuliert. Urbane klimatische Prozesse wirken immer multifaktoriell. Für die Modellierung des Stadtraums Leipzig liegen ausreichend Daten zu Gebäuden, Stadtbäu-men und Versiegelung vor, allerdings fehlen Informationen zu Privatgrundstücken und Mate-rialdaten zu Gebäudehüllen und Tiefbau-Objekten. Die Auswahl des Wetterdatensatzes ist für die Simulation besonders entscheidend. Das Simulationsmodell wies für die Parameter Lufttemperatur und Luftfeuchte eine ausrei-chende Genauigkeit vor, während die Validierung der Windgeschwindigkeit aufgrund der Messungenauigkeit eingeschränkt ist. Begrünungsmaßnahmen sind am ausgewählten Objekt wegen des Denkmalschutzes nur eingeschränkt möglich, jedoch wird eine Kombination aus boden- und wandgebundener Begrünung empfohlen. Simulationen mit vollständiger Begrü-nung zeigen geringe Effekte auf das Mikroklima. Dennoch sind die Ergebnisse auf einzelne Gebäude in mittelverdichteten Quartieren übertragbar. Schließlich wurde anhand eines kon-kreten Fallbeispiels demonstriert, dass der berechnete Wasserertrag auf Basis der Ergebnisse aus den Mikroklimasimulationen sowohl mit den berechneten Erträgen auf Basis der realen Messdaten als auch mit dem realen Ertrag des atmosphärischen Wasserernters übereinstim-men. Die Ergebnisse zeigen vielversprechende Ansätze zur effektiven und nachhaltigen Umsetzung von Gebäudebegrünung, wobei die Realisierung konkreter Begrünungsvarianten und Proto-typen zur atmosphärischen Wasserernte die nächsten Schritte darstellen. Für weiterführende Datenanalysen sind die Messdaten als wesentliches Teilergebnis öffentlich archiviert [2]. Extreme weather events caused by climate change are increasingly leading long-lasting peri-ods of drought across Germany and Europe. The resulting absence of rain results in water shortages in urban regions and cities. This is accompanied by major efforts to green balconies and facades to counteract urban warming and insect decline, as well as to strengthen biodi-versity. The artificial and sometimes energy-intensive watering of urban plants with drinking water can increase water shortages. The greening of existing buildings is particularly prob-lematic, as it requires the installation of additional irrigation infrastructure in addition to rain-water harvesting. Therefore, using the water content of the ambient air to irrigate urban vegetation is an obvi-ous consideration. The atmosphere contains 0.001% of fresh water [1]. It is extracted, for ex-ample, on the cold surface of a solar-powered Peltier element, where water condenses. To estimate achievable water quantities, the fundamentals need to be established, and stud-ies on the implementation of such self-sufficient water harvesting systems need to be con-ducted. This will lead to the derivation of boundary conditions for the use of the systems in existing buildings as a resource-saving and retrofittable approach. The data is based on measurements taken during a measurement campaign to record the dis-tribution of relevant microclimatic environmental parameters, such as relative humidity, air temperature, air pressure, photometric illuminance, precipitation, wind speed and direction. Key features of the measurements include the recording of measured variables near the outer shell of the building depending on height, orientation (cardinal direction), building situation, time of day, and season. A wireless sensor network is used to record these and other meas-ured variables. Together with a mathematical model of an atmospheric water harvester, this data forms the basis for calculating the water output of an energy-self-sufficient water har-vesting system. The simulation results for water output and the ability to generalize the meas-urement data about different building types (residential complex, single-family home, multi-family home) are evaluated using a functional model of the water harvesting system. The wa-ter yield using a Peltier element (60 mm x 60 mm) is between 0.25 and 3.5 ml/h at a tempera-ture of 15 to 35 °C and a relative humidity of 60 to 90%. The fluctuation in annual water yield along the facade is a maximum of 15 %, which – in contrast to rainfall – can be considered a very constant source of water. For the Peltier element under consideration, the simulated wa-ter output is approximately 4 l/a, corresponding to an average energy consumption of 15 kWh. To make precise predictions about the expected water output and thus the plants that can be used in the future, even during the planning phase, the microclimate of the area around the building under investigation is simulated. Urban climatic processes always involve multiple factors. Good data is available for Leipzig on buildings, urban trees, and soil sealing, but there is a gap in information on private properties and material data on building envelopes and civil engineering structures. The selection of the weather data set is particularly crucial for the simulation. The simulation model demonstrated acceptable accuracy for air temperature and humidity, while the validation of wind speed is limited due to measurement inaccuracy. Greening measures are only possible to a limited extent due to monument protection, but a combination of ground-based and wall-based greening is recommended. Simulations with complete greening showed only minor effects on the microclimate overall. Nevertheless, it can be concluded that the results are transferable to individual buildings in a medium-density neighbourhood. Finally, a specific case study demonstrated that the calculated water output based on the re-sults of the microclimate simulations corresponded both to the calculated outputs based on the actual measurement data and to the actual output of the atmospheric water harvester. The results show promising approaches for the effective and sustainable implementation of building greening, with the implementation of specific greening variants and prototypes for atmospheric water harvesting representing the next steps. For further data analysis, the measurement data, as an essential sub-result, is published in a public archive [2].