Anlagentechnik im Brandschutz für bauliche Anlagen besonderer Art oder Nutzung (Sonderbauten)

1 Autom. Löschanlagen (Wasser- und Gaslöschanlagen sowie Sonderlöschanlagen)

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Wer kennt sie nicht - die Bilder von Feuer und Brand, die sich den Bürgern fast täglich über das Fernsehen und sonstigen Medien aufdrängen? In Hochhäuser rasende Flugzeuge, die riesige Feuerstürme auslösen, aus Tunnelöffnungen hervorquellende Rauchwolken, irreführende filmische Darstellungen von zerschellenden und in einem Flammenmeer endenden Kraftfahrzeugen: Diese Bilder gehören zum Standardarsenal moderner Massenkommunikation in Nachrichtensendungen und Spielfilmen.

Ingenieure: Auf der Suche nach der Wirklichkeit

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Demgegenüber haben Ingenieure die Aufgabe, sich jenseits aller medienwirksam präsentierten - und oft nicht zutreffend dargestellten - Katastrophen mit der Wirklichkeit von Brandunfällen zu beschäftigen, um aus deren Kenntnis Möglichkeiten zur Verhinderung bzw. Begrenzung künftiger Brandereignisse zu erkunden.

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Branderkennung und Löschansteuerungen werden durch Mikroprozessoren wirksam koordiniert.

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Brandschutz und Sicherheitstechnik sind deshalb in der Industriegesellschaft mit ihren vielfältigen gegenseitigen Abhängigkeiten Themen, mit denen sich der Versorgungs- und Umweltingenieur in der beruflichen Praxis immer wieder auseinanderzusetzen hat. Auf diesem Gebiet werden seit Jahrzehnten durch intensive Forschung und Entwicklung stetige Verbesserungen erzielt.

Voraussetzung für Verbrennungsreaktionen

Wer sich davon überzeugen will, kann dies tun: etwa im Rahmen von Feuerlöschvorführungen, wie sie zum Beispiel von vielen Brandschutz-Unternehmen einem interessierten Fachpublikum aus Ingenieuren, Brandschutzexperten und Feuerwehrleuten vorgeführt werden.

(Internet-Recherche Total Walther, u.a.)

Für Verbrennungsreaktionen müssen drei Voraussetzungen erfüllt sein:

- Erstens muss ein brennbarer Stoff in fester, flüssiger oder gasförmiger Phase vorhanden sein.
- Zweitens ist Sauerstoff bzw. Luft in einem geeigneten Mischungsverhältnis mit dem brennbaren Stoff notwendig.
- Drittens bedarf es einer Zündquelle mit entsprechender Zündenergie.

Oft genügen zur Einleitung von Bränden bereits Funken oder elektrische Entladungen; daneben können auch strahlende Oberflächen mit höherer Temperatur eine auslösende Wirkung haben. Dabei kommt es auch auf weitere Bedingungen an: etwa auf die Größe der spezifischen Oberfläche des brennbaren Stoffes - denn pulverförmig vorliegende Feststoffe reagieren schneller und heftiger als körnige oder stückige Feststoffe.

Um entstehende Brände rechtzeitig erkennen und bekämpfen zu können, müssen Rauch- und Brandmeldesysteme vorhanden sein. Lichtruf- und Kommunikationssysteme runden ein umfassendes Sicherheitskonzept ab.

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Welche Effekte werden beim Löschen genutzt?

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Beim Löschen von Bränden macht man sich einen oder mehrere der folgenden Effekte zunutze:

- Löschen durch Abkühlen: Die für den Fortbestand des Brandes notwendige Wärmezufuhr wird hierbei unterbunden. Das am häufigsten hierzu eingesetzte Löschmittel ist Wasser, das dabei teilweise verdampft.

Wasser kann zur besseren Benetzung von Oberflächen mit Netzmitteln versetzt sowie zur Gefrierpunktserniedrigung mit anderen Stoffen vermischt werden.

- Löschen durch Ersticken: Dabei wird das für die Verbrennungsreaktion erforderliche Mischungsverhältnis zwischen dem Brandstoff und dem Sauerstoff - etwa durch Verdünnung eines Reaktionspartners bis zur völligen Trennung der Reaktionspartner - so gestört, dass der Brand zum Erliegen kommt. Löschmittel hierfür sind z.B. Kohlendioxid (CO2) oder spezielle Gasgemische - etwa Energen, das aus 52 Volumen-% Stickstoff (N2), 40 % Argon (Ar) und 8 % Kohlendioxid (CO2) besteht.

- Löschung durch Inhibition (Antikatalyse): Dabei ist die Zahl der Abbrüche der Kettenreaktionen, auf denen der Verbrennungsablauf beruht, je Zeiteinheit so stark erhöht, dass sich die Verbrennungsreaktion nicht mehr fortsetzen kann. Die Löschmittel hierbei sind Pulver (anorganische Salze wie z.B. Ammonphosphat oder Natriumhydrogencarbonat).

(Internet-Recherche Total Walther, u.a.)

Früher wurden auch Halone (Fluor, Chlor bzw. Brom enthaltende Kohlenwasserstoffe) eingesetzt; sie werden jedoch aus Umweltgründen nicht mehr verwendet.

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Branderkennung und Löschsteuerung

Brände entstehen oft unscheinbar; sie breiten sich häufig nur deshalb aus, weil sie nicht rechtzeitig bemerkt werden. Brände können schwerwiegende Schäden bei Menschen (vor allem Erstickung oder Rauchvergiftungen), an der Umwelt, an Kulturgütern und an Sachwerten verursachen. Darüber hinaus muss mit weiteren Folgekosten gerechnet werden - durch Datenverluste, Produktionsausfall und Verluste von Marktanteilen.

Dienstleistungsunternehmen und Verwaltungseinrichtungen, Industrieunternehmen und Gewerbebetriebe müssen sich deshalb wirksam vor Bränden und deren Folgen schützen.

Brände müssen - wenn immer möglich - vermieden werden. Sind Brände entstanden, geht es um eine rasche Erkennung und die Aktivierung von wirksamen Gegenmaßnahmen. Hierzu dienen moderne Branderkennungs- und Löschsteuerungssysteme. Solche Systeme werden heute als modular aufgebaute Systeme angeboten, wobei die verwendete Mikroelektronik einen multifunktionalen Einsatz ermöglicht.

(Internet-Recherche Total Walther, u.a.)

Analog arbeitende Meldesensoren – in der Regel Rauchmelder, Wärmemelder, Multifunktions­melder oder Strahlungsmelder zur Branderkennung - arbeiten auf die Meldungseingänge; diese sind mit den Steuerausgängen durch Mikroprozessoren koordiniert. Die Steuerausgänge können z.B. mehrere Bereiche einer komplexen Löschanlage ansteuern. Damit kann der Brandherd im Ernstfall sofort erkannt, der Löschvorgang schnell ausgelöst und der Brand anschließend effizient bekämpft werden.

Sprinkleranlagen

Eine Sprinkleranlage wird wie folgt definiert: Löschanlage, bestehend aus einem fest installierten Rohrsystem mit gleichmäßig über die ganze Fläche des Raumes verteilten Düsen, die bei Wärmeeinwirkung öffnen und Wasser über die Fläche verteilen.

Es öffnen nur die Düsen im Bereich der Wärmeeinwirkung, nicht auf der gesamten Fläche. Gleichzeitig erfolgt auch die Alarmierung der Feuerwehr.

(Internet-Recherche Total Walther, u.a.)

Historische Entwicklung von Sprinkleranlagen

Vorgänger der heutigen Sprinkleranlagen waren fest installierte, perforierte Rohre und später Rohrleitungen mit offenen Düsen, wie wir diese heute noch bei Sprühflutanlagen kennen. Es ist bekannt, daß 1861 bereits ein geschlossener Sprinklerkopf patentiert wurde.

In den USA wurde 1874 ein unter Federspannung geschlossener Sprinkler mit Schmelzglied von einem Klavierfabrikanten namens Henry Parmelee zum Patent angemeldet. Eine verbesserte Version ließ Parmalee dann in seinem eigenen Werk einbauen. Dies war die erste automatische Sprinkleranlage der Welt.

Größere Anlagen wurden dann in New England gebaut. Damals kann es in amerikanischen Textilbetrieben, in denen Baumwolle von den Plantagen der Südstaaten verarbeitet wurde, immer wieder zu verheerenden Brandkatastrophen. Das leicht brennbare Material in den Fabrikations- und Lagerhallen bot beste Bedingungen für eine schlagartige Ausbreitung von Bränden. In solchen Fällen gab es für die Feuerwehr keine Chance, in dem Inferno das Wasser an den Brandherd zu bringen. Die Folge war eine totale Zerstörung, mit der oft der Ruin des Bauherrn oder Betreibers der baulichen Anlage einherging.

Ortsfest verlegte Wasserrohre waren der erste Vorläufer der heutigen Löschanlagen. Die Rohre reichten bis ins Innere der Gebäude hinein, ihre Absperrventile befanden sich außerhalb und mussten von Hand geöffnet werden. Dies hatte in den meisten Fällen zur Folge, dass von der Entdeckung eines Brandes bis zum Zeitpunkt, bei dem das Ventil betätigt wurde, zuviel Zeit verging. Ein weiterer Nachteil der ersten Installationen war das buchstäbliche Gießkannenprinzip: Über dem Brand wurde zuwenig und in den übrigen Bereichen unnötig viel Wasser freigesetzt.

(Privatarchiv VIKING USA.)

Die Lösung des Problems war eine vom Feuer selbst gesteuerte Sprühwasserdüse, ohne dass gleichzeitig in brandfreien Bereichen Wasser freigesetzt wurde. Ihr englischer und deutscher Name "Sprinkler" stand und steht auch heute für eine Funktionseinheit, bestehend aus Düse, Verschluss und wärmeabhängigen Auslöseelement.

Um 1855 kamen dann die ersten Sprinkler nach Deutschland.

Etwa seit der Jahrhundertwende gibt es den Glasfaßsprinkler und seit 1952 den Spraysprinkler (heute als Schirmsprinkler bezeichnet), dessen Merkmal der Sprühteller ist, wodurch eine optimale Wasserverteilung erfolgt.

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Löscherfolge und Wasserschäden

Bei jedem Feuer entstehen außer Brandschäden logischerweise auch Wasserschäden. Gerade Sprinkleranlagen haben aber den großen Vorteil, daß durch den gezielten Löscheinsatz mit einem Minimum von Wasserschäden die Brände gelöscht werden können. Aus Aufzeichnungen des Verbandes der Sachversicherer läßt sich dies belegen.

Wie bereits genannt, betrug die Versagensquote < 2 % aller von den Versicherern erfassten Brände.

Als Gründe für das Versagen stehen im Vordergrund:

- Teilschutzanlagen: Das Feuer bricht im nicht mit Sprinkleranlagen versehenen Bauteil aus und greift in voller Breite auf den gesprinklerten Teil über. Bei vorschriftsmäßiger Trennung von gesprinklerten zu nicht gesprinklerten Risiken ist dies nicht möglich.
- Risikoüberschreitung: Die Anlagen wurden an ein inzwischen geändertes, höheres Risiko nicht angepaßt. Durch Nachrüstung der Löschanlage ist dies zu verhindern.
- Sabotage: Brandstiftung in Verbindung mit Sabotage an der Anlage, z. B. Schieber schließen oder Pumpe abstellen.
- Schwere Mängel an der Anlage: nicht gewartete, funktionsuntüchtige Anlage. Dies ist ein Verschulden des Betreibers.

(Internet-Recherche Total Walther, u.a.)

Sprinkler

Ein Sprinkler ist das wichtigste Bauteil von Sprinkleranlagen und bezeichnet die Wasserverteilungsdüse, die im Ruhezustand verschlossen ist und sich unter Wärmeeinwirkung öffnet.

Es gibt eine sehr große Anzahl verschiedener Sprinklertypen.

Die Hauptunterscheidungsmerkmale sind:

- Art der Auflösung,
- Öffnungstemperatur,
- Wasserverteilung,
- Wasserleistung,
- Ansprechverhalten,
- Material,
- Oberflächenbehandlung.

Art der Auslösung und Öffnungstemperaturen

Grundsätzlich wird unterschieden zwischen den Auslösungen mit Glasfaß und Schmelzlot; beide Typen sind auf dem Markt.

Am bekanntesten ist der Glasfaßsprinkler, der z. B. wegen seiner optisch ansprechenden Form in Büros und Kaufhäusern eingesetzt wird.

Die Auslösungstemperatur der Sprinkler soll ca. 30 °C über der Raumtemperatur liegen.

Wasserverteilung

Unterschieden wird nach dem Sprühbild:

- Schirmsprinkler
- Flachschirmsprinkler
- Seitenwandsprinkler
- Weitwurf-Wandsprinkler
- Konventional
- Großtropfensprinkler (ESFR oder High Challenge)

Der Sprühteller ist somit ein entscheidendes Teil am Sprinkler. Es sind viele Versuche nötig, um die richtige Form zu finden, die der dem Sprinkler zugeordneten Schutzfläche entspricht und diese gleichmäßig mit Wasser versorgt.

Außerdem ist die Tröpfchengröße entscheidend für die Löschwirkung. Gewünscht wird eine Wasserverteilung mit möglichst großer Wasseroberfläche und damit einem großem Kühleffekt.

Andererseits darf die Zerstäubung nicht zu groß sein, damit die bei einem Brand dem Löschwasser entgegenwirkende Thermik die Wassertropfen mit in die Höhe reißt und diese nicht den Brandherd erreicht.

Für besonders hohe Lager und spezielle Anwendungsfälle wurde deshalb in USA ein sogenannter Großtropfensprinkler (ESFR- und High-Challenge-Sprinkler) entwickelt.

Wasserleistung

Wegen der unterschiedlichen Risiken werden Sprinkler mit verschiedenen Wasserleistungen benötigt.

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Die Wasserleistung wird nach der Formel Q = K · p ermittelt.

Q = Wassermenge in l/min

K = feststehender Ausflußfaktor des Sprinklers bei einem Druck von 1 bar Düsenkennwert

P = Druck am Sprinkler in bar

Folgende K-Faktoren sind zugelassen:

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Tabelle 1: K-Faktoren

(Internet-Recherche Total Walther, u.a.)

Beispiel:

1 Sprinkler 1/2 " mit K = 80 leistet bei 1 bar 80 l/min, der gleiche Sprinkler leistet bei 2 bar
Q = 80 [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] 2 = 113 l/min

Der Mindestdruck ist 0,5 bar, der maximal zulässige Druck 5,0 bar.

Abbildung: Druck-Volumen-Diagramm

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Bild 6: Leistungskurve eines Sprinklers
Quelle: VdS Köln

Sprinkler-Übersicht

Spirnkler werden unterschieden nach:

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Tabelle 2 – Sprinklerübersicht Quelle: VdS Köln

Ansprechverhalten (Auslöse-Empfindlichkeit)

Der RTI-Wert (Rate of time index) hat die Dimension m × s. Der Wert bezeichnet die Empfindlichkeit und Geschwindigkeit, in welcher der jeweilige Sprinkler öffnet.

Maßgebend ist das Auslöseglied des Sprinklers (Glasfass oder Schmelzlot).

Vergleicht man z. B. das Glasfass eines herkömmlichen Standardsprinklers mit dem eines schnellansprechenden Sprinklers, so stellt man einen wesentlichen Unterschied in der Größe, d. h. Durchmesser fest. Es wird verständlich, daß bei gleicher Wärmezufuhr das kleinere Glasfaß mit dem niedrigen RTI-Wert schneller platzt als das des Standardsprinklers (Abbildung: Ansprechverhalten von Sprinklern).

Es wird nach drei Empfindlichkeitsstufen unterschieden:

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Tabelle 3 – Empfindlichkeitsstufen
Quelle: VdS Köln

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Bild 7: Beispiele Sprinklerköpfe
Quelle: Total Walther, u.a.

Allgemeines zu Wasserlöschanlagen

Wasser als Löschmittel hat auch heute noch eine herausragende Bedeutung, da es preiswert, leicht verfügbar und mit den meisten Stoffen verträglich ist. Seit Mitte des 19. Jahrhunderts wird es - als Alternative zum baulichen Brandschutz - in Sprinkleranlagen eingesetzt: Damit ist eine großzügige architektonische Gestaltung.

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Sprinkleranlagen haben eine selektive Auslösung: Sie kontrollieren einen Brand nur dort, wo es erforderlich ist. Sprinkler - häufig an Decken oder Wänden angeordnet - sind Sprühdüsen, die durch ein Glasfässchen abgedichtet sind.

Bild 8: Reaktion einer Sprinkleranlage
Quelle: Total Walther, u.a.

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Erreicht im Brandfall die im Glasfässchen enthaltene Flüssigkeit die Auslösetemperatur, zerplatzt das Fässchen, wonach durch den Druck des Wassernetzes im Sprinkler ein Verschlusselement herausgedrückt wird, so dass das Wasser ausströmen und - durch den Sprühteller des Sprinklers verteilt - als Wasserregen auf den Brand strömen kann.

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