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Wasserkreislaufmaschine

Ein Vermittlungskonzept, das im Rahmen der Machbarkeitsstudie zur Wassergüte-Visualisierung erstellt wurde, ist das physische Exponat namens "Wasserkreislaufmaschine"

Übersicht

Die Wasserkreislaufmaschine ist ein physisches Exponat, welches den Wasserkreislauf einer modernen Stadt darstellt. Das Exponat nutzt dabei echte Flüssigkeiten und mechanische Interaktionsmethoden. Am Projektstandort soll es von mehreren Besuchern gleichzeitig benutzt werden können. Die Maschine richtet sich somit größtenteils an „Laufkundschaft“ und die Besucher der Flussbad-Touren.

In ihrer Idee ist die Wasserkreislaufmaschine an eine Ameisenfarm angelehnt – sie zeigt einen flächigen Querschnitt in die Welt der Trinkwasseraufbereitung und Abwasserentsorgung. Die Prozesse und Prinzipien wie sie in einer „echten“ Stadt ablaufen, werden in der Maschine möglichst originalgetreu – jedoch in Miniatur – nachgebildet.

Das System kann durch eine digitale Komponente im Sinne des „Bring-Your-Own-Device“-Prinzips erweitert werden – Besucher haben so die Möglichkeit, zusätzliche Informationen auf ihren Smartphones oder Tablets zu betrachten.

Die hier ausgearbeitete Version basiert ausschließlich auf mechanischen und pneumatischen Prinzipien. Elektronische Komponenten werden aufgrund der ungewissen Stromversorgung nicht verwendet.

Lernziele

Die Maschine verdeutlicht die Funktionsweise des Wasserkreislaufes innerhalb einer Stadt von der Trinkwasserversorgung bis hin zur Abwasserentsorgung. Sie ist in drei Abschnitte unterteilt.

Im ersten Abschnitt wird zunächst ein Teil des normalen Wasserkreislaufs dargestellt (von Verdunstung über Niederschlag, Versickerung und Grundwassererneuerung durch versickerndes Wasser). Der zweite Abschnitt behandelt das Thema Trinkwassergewinnung und beleuchtet die Förderung von Grundwasser und Uferfiltrat und die Schritte zur Aufbereitung innerhalb eines Wasserwerks. Im dritten Abschnitt geht es um die Entsorgung des häuslichen Abwassers sowie des Regenwassers innerhalb einer Mischwasserkanalisation. Dabei wird insbesondere die Problematik der Mischwasserüberläufe bei starken Regenfällen beleuchtet.

Die folgenden Beschreibungen der jeweiligen Abschnitte enthalten eine detaillierte Darstellung der Lernziele.

Mechanik - Allgemeiner Aufbau & Funktionsweise

Flüssigkeitskreislauf

Die Wasserkreislaufmaschine besteht größtenteils aus einem System von verbundenen Flüssigkeitsbehältern und Schläuchen. Für die Darstellung des Wasserkreislaufes sind viele von diesen von der Front aus sichtbar. Manche sind hingegen im Hintergrund versteckt, jedoch notwendig, um die Funktion der Maschine zu gewährleisten. Viele Aspekte der Maschine funktionieren durch die Nutzung von Höhenunterschieden und die so entstehende Fließrichtung.

Um die Fließrichtung und Geschwindigkeit der Flüssigkeit zu visualisieren, enthalten die Behältnisse und Schläuche Indikatoren wie Flügelräder oder Fäden (ähnlich einer Windfahne).

Der Grundwasserbehälter ist das größte Flüssigkeitsbehältnis der Maschine und erstreckt sich über ihren gesamten unteren Rand. Er dient auf der einen Seite als Flüssigkeitsreservoir für die verschiedenen Elemente, die Flüssigkeit benötigen (Regenmaschine, Wasserwerk). Auf der anderen Seite dient er als Flüssigkeitsauffänger für diejenigen Komponenten, die der letzte Teil der Flüssigkeitskette sind (Oberflächengewässer, etc.) oder die durch die Nutzerinteraktion überfüllt werden könnten (z. B. Reinwasserbehälter des Wasserwerks). In seinen Dimensionen ist er so angelegt, dass Extremzustände (sehr viel oder gar kein Wasser in den anderen Komponenten) abgefangen werden können.

Behältnisse, die einen konstanten Wasserpegel haben oder durch Nutzerinteraktionen überfüllt werden können, besitzen versteckte Notüberläufe, welche in den Grundwasserbehälter ableiten.

Aufgrund der möglichen Positionierung der Maschine am Projektstandort und der somit potentiell extremen Wetterbedingungen, wird als Flüssigkeit nicht Wasser sondern Alkohol oder Kühlflüssigkeit verwendet.

Zur Darstellung von Schmutzwasser gibt es Stellen innerhalb der Maschine, an denen die Flüssigkeit mit Partikeln (bspw. Glitter oder kleinen Kügelchen) versetzt wird. Die Partikel werden an anderen Stellen wieder vom Wasser getrennt.

Interaktive Elemente

Neben dem Verbundsystem gibt es auch von außen erreichbare Interaktionselemente. Hierbei handelt es sich in erster Linie um Pumpen zur Hochbeförderung der Flüssigkeit, Schienen zum Verschieben von Elementen sowie Knöpfe / Regler zum Auslösen von Ereignissen. Darüber hinaus gibt es Elemente für rein dekorative Zwecke (bspw. Bäume und Häuser).

Darstellung von Zusatzinformationen

Da in der hier entwickelten Version auf elektronische Komponenten einschließlich Displays verzichtet wurde, sind andere Verfahren notwendig um die Nutzer mit zusätzlichen Informationen und Erläuterungen zu versorgen. Eine Möglichkeit besteht im Bring-Your-Own-Device-Prinzip, bei welchem sich die Nutzer den zusätzlichen Inhalt auf ihren eigenen Geräten anschauen können. Die Informationen sind jeweils unterschiedlichen Regionen der Maschine zugeordnet, welche mithilfe der Smartphone-Kamera anhand von Markern erkannt und unterschieden werden können. Die zusätzlichen Inhalte sollen einen optischen Eindruck vermitteln (wie sieht es in der Kanalisation überhaupt aus?) und komplexe Inhalte mithilfe von Animationen verständlich darstellen.

Bei der folgenden Beschreibung der einzelnen Abschnitte wird die optionale Verwendung der eigenen Geräte ebenfalls beschrieben.

 

Mechanik - Abschnitte

Gesamtaufbau der Maschine, Grafik cc HTW Berlin, 2017

Der aktuelle Entwurf ist in drei Abschnitte unterteilt, welche verschiedene Aspekte des städtischen Wasserkreislaufs darstellen und im Anschluss detailliert erläutert werden:

  • Unversiegelte Flächen
  • Trinkwasserversorgung
  • Mischwasserkanalisation

Eine Erweiterung der Maschine um zusätzliche Aspekte, bspw. Trennwasserkanalisation oder die Funktionsweise eines Klärwerks, ist natürlich möglich – sei es innerhalb des gleichen Flüssigkeitskreislaufs oder in getrennten Kreislaufabschnitten.

Unversiegelte Flächen

Aufbau des Abschnitts "Unversiegelte Flächen", Grafik: HTW Berlin cc 2017

Lernziele

• Darstellung eines Ausschnitts des natürlichen Wasserkreislaufs
Verdunstung -> Niederschlag -> Versickerung -> Grundwasser
• Regenwasserversickerung bei unversiegelten Flächen
• Verlangsamte Grundwassererneuerung durch versickerndes Regenwasser
• (Schwammfunktion der Erdschichten)
• (Reinigungsfunktion der Erdschichten)

Aufbau

Der Grundwasserbehälter (A) besitzt eine dekorative Ebene aus Kies oder Erde im Hintergrund. Die Grundwasserlinie wird durch eine schwimmende Kette (ähnlich wie in einem Schwimmbad) dargestellt.

Die Verdunstungsmaschine (B-Elemente) verdeutlicht den Verdunstungsprozess und besteht aus einem sichtbaren Kapillarsystem (B3) (über dem Oberflächengewässer, der Erdoberfläche sowie dem Baum), welches durch einen Verbindungsschlauch (B1) mit dem Grundwasserbehälter (A) verbunden ist. Auf der oberen Seite ist es über einen weiteren versteckten Flüssigkeitsbehälter (B4) mit der Regenmaschine verbunden. Betätigt der Nutzer das Pumpsystem (B2), wird Flüssigkeit aus dem Grundwasserbehälter durch die Kapillaren nach oben gepumpt. Für den Besucher sind nur die Kapillaren oberhalb der Erdoberfläche sichtbar. Die Kapillaren leeren sich wieder, sobald nicht gepumpt wird. Die Darstellung einer echten Verdunstung (bspw. durch Erhitzen) wäre auf der einen Seite zu komplex und würde auf der anderen Seite ein zu hohes Sicherheitsrisiko darstellen.

Mithilfe der Regenmaschine (C) kann in der Wasserkreislaufmaschine Regen simuliert werden. Sie besteht aus einem nicht sichtbaren Flüssigkeitsbehälter (Regenbehälter, C1), welcher durch die Interaktion an der Verdunstungsmaschine befüllt werden kann. Der Behälter besitzt einen versteckten Notüberlauf (C2), der in den Grundwasserbehälter zurückführt. Der Regenbehälter (C1) ist ggf. mit einem Wasserstandszeiger ausgestattet, um deutlich zu machen, wie viel Regen zur Verfügung steht. Das als Wolke sichtbare Sprühsystem ist mithilfe eines flexiblen Schlauchs (C3) mit dem Regenbehälter (C2) verbunden. Das Sprühsystem besitzt einen Knopf bzw. Regler (C4), bei dessen Bedienung der Regen am Sprühkopf (C5) – ähnlich einem Duschkopf oder einer Rieselanlage – abgegeben wird. Das Bedienelement (C4) erlaubt dabei auch die Anpassung der Sprühstärke. Das gesamte Sprühsystem kann vom Nutzer entlang einer Schiene (C6) verschoben werden.

Die Erdschichten (D) sind eine großes Flüssigkeitsgefäß, welches sich über die gesamte Breite des Abschnitts erstreckt. Es leitet die auf der Oberfläche ankommende Flüssigkeit in den Grundwasserbehälter (A) ab. Um den langsamen Versickerungsprozess zu simulieren und sichtbar zu machen, ist es mit durchsichtigem Granulat / Kies befüllt. Im Hintergrund des sonst durchsichtigen Containers befindet sich dekorativ Erde oder Kies. Um die Grundwassererneuerung deutlicher darzustellen tropft die versickernde Flüssigkeit bspw. mithilfe eines Siebs am unteren Ende des Gefäßes in den Grundwasserbehälter (A) – als Ausgleichscontainer hat der Grundwasserbehälter eine zu große Flüssigkeitsmenge um einen Anstieg optisch darzustellen.

Die reinigende Wirkung der Bodenpassage könnte über eine braun getönte Scheibe mit Farbverlauf (nach unten immer weniger getönt) dargestellt werden.

Um den Wasserpegel konstant zu halten, besitzt das oberirdische Gewässer einen Überlauf (E).

Trinkwasserversorgung

Aufbau des Abschnitts "Trinkwasserversorgung", Grafik cc HTW Berlin 2017

Lernziele

• Trinkwassergewinnung aus Grundwasser & Uferfiltrat
• Funktionsweise eines Wasserwerks

Aufbau

Beim Grundwasserbehälter (A) handelt es sich um dasselbe Behältnis wie im vorigen Abschnitt.

Das Oberflächengewässer (F1) besitzt einen Notüberlauf (F2) in den Grundwasserbehälter (A).

Die Brunnenanlage besteht aus einem linken und einem rechten Brunnenrohr (G1, G2) sowie einer vom Nutzer bedienbaren Pumpe (G3). Das linke Brunnenrohr (G1) ist durch sichtbare Kapillaren (F3) optisch mit dem Oberflächengewässer (F1) verbunden und soll so den Weg des Wassers durch die Erdschichten bei der Uferfiltration darstellen. Technisch führen die Kapillaren (F3) jedoch im Hintergrund versteckt in den Grundwasserbehälter (A). Das rechte Brunnenrohr (G2) führt sichtbar in den Grundwasserbehälter (A). Bedient der Nutzer die Pumpe (G3), so wird an beiden Stellen (über die Kapillaren sowie das rechte Brunnenrohr) Flüssigkeit aus dem Grundwasserbehälter in Richtung der Belüftungsanlage (H1) gepumpt.

Die Belüftungsanlage (H1) ist ein Sieb bzw. Sprühkopf, das aufgrund des aufgebauten Drucks die Flüssigkeit in das Reaktionsbecken (H2) sprüht. In diesem befinden sich am Boden sichtbare Eisenflocken.

Durch einen Verbindungsschlauch wird die Flüssigkeit aufgrund des hydrostatischen Paradoxons in die Schnellfilteranlage (H3). Dort durchläuft sie sichtbar die Kies- bzw. Granulatschicht.

Die Flüssigkeit fließt von der Schnellfilteranlage (H3) weiter in den Reinwasserbehälter (H4), welcher quasi durch Bedienung der Brunnenpumpe (G3) zunehmend mit Flüssigkeit füllt. Der Behälter besitzt daher einen Notüberlauf (H5), welcher in den Grundwasserbehälter (A) führt.

Der Reinwasserbehälter (H4) hat eine Verbindung zum Maschinenhaus innerhalb dessen der der Flüssigkeitsverlauf nicht sichtbar ist. Mit der Pumpe (H6) kann Flüssigkeit in einen versteckten hochgelegenen Tank (H7) gepumpt werden. Aufgrund seiner hohen Lage sorgt dieser für den Wasserdruck zur Weiterleitung der Flüssigkeit (mittels Schlauch H9) in das Haus im nächsten Abschnitt. Der Tank (H7) Besitzt Notüberlauf (H8), falls zu viel Flüssigkeit reingepumpt wird. Bei der Umsetzung des Konzepts muss darauf geachtet werden eine passende Größe für den Tank zu wählen, damit das Trinkwasser in Haushalten im folgenden Abschnitt schnell genug wieder leer ist.

Mischwasserkanalisation

Aufbau des Abschnitts "Mischwasserkanalisation", Grafik cc HTW Berlin 2017

Lernziele

• Mischwasserkanalisation
o Aufbau, Wassergefälle
o Funktionsweise der Mischwasserüberlaufkanäle
o Abwasserpumpwerke

• Mischwasserüberlaufe
o Starkregenereignisse als Grund
o Direkte Einleitung des Mischwassers in die Oberflächengewässer

• Maßnahmen zur Reduktion von Mischwasserüberläufen
o DachbegrünungàRegenwasserreduktion
o Mischwasserstauräumeàtemporäre Speicherung des Mischwassers

• Klärwerk
o Abgabe des geklärten Wassers in die Oberflächengewässer

Aufbau

Beim Grundwasserbehälter (A) handelt es sich um dasselbe Behältnis wie im vorigen Abschnitt.

Der Haushalt wird mit Trinkwasser aus dem vorigen Abschnitt versorgt (I1). Per Knopf (I2) kann der Wasserverschluss an den Geräten und Sanitäranlagen (dekorativ: Toilette, Badewanne und Waschmaschine) geöffnet werden und die Flüssigkeit fließt aufgrund des Wasserdrucks. An dieser Stelle wird sie mit sichtbaren Partikeln aus dem Partikelkanal (K2), welcher mit einem größeren Partikelcontainer (K1) verbunden ist, versetzt. Die mit Partikeln versetzte Flüssigkeit fließt durch die Abwasserrohre (J1) in die Kanalisation (J2) und entlang des Gefälles.

Die Regenmaschine (M) entspricht der Regenmaschine aus dem Abschnitt „Unversiegelte Fläche“. Statt des Kapillarsystems besitzt sie jedoch eine direkte, versteckte Verbindung zum Grundwasserbehälter (A), aus welchem mit dem Pumpmechanismus Flüssigkeit in den versteckten Regentank gepumpt werden kann. Das Regenwasser fließt über die Gullys (J4, J5) direkt in die Kanalisation (J2).

Die Kanalisation (J2) besitzt am obersten Ende einen Notüberlauf (J3) mit Verbindung zum Grundwasserbehälter.

Das Haus mit Gründach (Q) besitzt einen versteckten Flüssigkeitsbehälter. Dieser hat eine dünne direkte Verbindung zum Grundwasserbehälter (A) sowie zwei Überläufe zu den Regenrinnen und somit auf die Straße. Der dünne Abfluss sorgt dafür, dass sich der Flüssigkeitsbehälter ständig langsam leert und somit nur bei starkem Regen vollläuft. Nur dann fließt Flüssigkeit über die Regenrinnen auf die Straße.

Innerhalb der Kanalisation existiert ein Mischwasserstauraum (P1), welcher beginnt vollzulaufen sobald die Flüssigkeit die entsprechende Schwelle überschreitet. Der Mischwasserstauraum (P1) kann mithilfe des Pumpmechanismus (P2) wieder in die Kanalisation entleert werden.

Die Kanalisation spaltet sich am Kanalisationsquerschnitt (J6). Ein Kanal (J8) führt unterhalb des Oberflächengewässers (N) in Richtung Klärwerk (L3). Im Kanalisationsquerschnitt gibt es auch eine Überlaufschwelle, welche die überschreitende Flüssigkeit samt Partikeln durch den Überlaufkanal (J7) direkt ins Oberflächengewässer (N) leitet.

Im Oberflächengewässer gibt es eine nicht sichtbare Schwelle (K3). Überschreiten die schwimmenden Partikel diese aufgrund der Wellen der ankommenden Flüssigkeit, so werden sie in den Partikelauffangbehälter (K4) weitergeleitet. Die überschüssige Flüssigkeit fließt zurück in den Grundwasserbehälter (A).

Das Abwasserbecken (L1) ist mit einem Pumpmechanismus (Abwasserpumpwerk, L2) ausgestattet. Die Flüssigkeit samt Partikeln aus dem Becken kann so hoch ins Klärwerk (L3) gepumpt werden. Dort werden die Partikel wieder abgetrennt und über einen Partikelschlauch (K5) in den Partikelauffangbehälter (K4) geleitet. Die überschüssige Flüssigkeit im Klärwerk (L3) wird über einen Schlauch (L4) in das Oberflächengewässer (O) abgeleitet.