Anlagentechnik im Brandschutz für bauliche Anlagen
besonderer Art oder Nutzung (Sonderbauten)
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Autom. Löschanlagen (Wasser- und Gaslöschanlagen sowie Sonderlöschanlagen)
Wer kennt sie nicht - die Bilder von Feuer und Brand, die sich
den Bürgern fast täglich über das Fernsehen und sonstigen Me-
dien aufdrängen? In Hochhäuser rasende Flugzeuge, die riesige
Feuerstürme auslösen, aus Tunnelöffnungen hervorquellende
Rauchwolken, irreführende filmische Darstellungen von zerschel-
lenden und in einem Flammenmeer endenden Kraftfahrzeugen:
Diese Bilder gehören zum Standardarsenal moderner Massen-
kommunikation in Nachrichtensendungen und Spielfilmen.
Ingenieure: Auf der Suche nach der Wirklichkeit
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.
Branderkennung und Löschansteuerungen werden durch
Mikroprozessoren wirksam koordiniert.
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 Ingenieu-
ren, Brandschutzexperten und Feuerwehrleuten vorgeführt werden.
(
Internet-Recherche Total Walther, u.a.
)
Bild 2: Moderne Mikrotechnik ermöglicht den
multifunktionalen Einsatz.
Quelle: Total Walther, Köln
Bild 1
Brand in einem Hochregallager
Quelle: Total Walther, Köln
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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 kön-
nen 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 Brand-
meldesysteme vorhanden sein. Lichtruf- und Kommunikationssysteme runden ein umfassendes Si-
cherheitskonzept ab.
Welche Effekte werden beim Löschen genutzt?
Beim Löschen von Bränden macht man sich einen oder mehrere
der folgenden Effekte zunutze:
- Löschen durch Abkühlen: Die für den Fortbestand des Bran-
des 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 Mischungs-
verhältnis zwischen dem Brandstoff und dem Sauerstoff - etwa durch Verdünnung eines Reakti-
onspartners bis zur völligen Trennung der Reaktionspartner - so gestört, dass der Brand zum Er-
liegen kommt. Löschmittel hierfür sind z.B. Kohlendioxid (CO2) oder spezielle Gasgemische - et-
wa 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 Verbren-
nungsreaktion nicht mehr fortsetzen kann. Die Löschmittel hierbei sind Pulver (anorganische Sal-
ze wie z.B. Ammonphosphat oder Natriumhydrogencarbonat).
(
Internet-Recherche Total Walther, u.a.
)
Bild 3: Brandschutz anschaulich gemacht:
Feuerlöschvorführung in Köln.
Quelle: Total Walther, Köln
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Früher wurden auch Halone (Fluor, Chlor bzw. Brom enthaltende Kohlenwasserstoffe) eingesetzt; sie
werden jedoch aus Umweltgründen nicht mehr verwendet.
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 Ver-
luste von Marktanteilen.
Dienstleistungsunternehmen und Verwaltungseinrichtungen, Industrieunternehmen und Gewerbebe-
triebe 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 moder-
ne Branderkennungs- und Löschsteuerungssysteme. Solche Systeme werden heute als modular auf-
gebaute Systeme angeboten, wobei die verwendete Mikroelektronik einen multifunktionalen Einsatz
ermöglicht.
(
Internet-Recherche Total Walther, u.a.
)
Bild 4: Komplexe Gebäudestrukturen können durch Sprinkleranlagen wirksam geschützt werden.
Quelle: Total Walther, Köln
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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.
)
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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.
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.
Bild 5: Historische Sprinkler
Quelle: Privatarchiv VIKING USA
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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.
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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.
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:
K-Zahl bei
Anschlussgewinde
Mindestwassermenge
0,5 bar in l/min.
57 3/8
'' Regale
40,0
80
1/2 "
am gebräuchligsten
57,0
115 3/4
"
81,3
160-202 3/4
"
Großtropfensprinkler
3,1 bar
281,7 355,7
Tabelle 1: K-Faktoren
(
Internet-Recherche Total Walther, u.a.
)
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Beispiel:
1 Sprinkler 1/2 " mit K = 80 leistet bei 1 bar 80 l/min, der gleiche Sprinkler leistet bei 2 bar
Q = 80
2 = 113 l/min
Der Mindestdruck ist 0,5 bar, der maximal zulässige Druck 5,0 bar.
Abbildung: Druck-Volumen-Diagramm
Bild 6: Leistungskurve eines Sprinklers
Quelle: VdS Köln
Sprinkler-Übersicht
Spirnkler werden unterschieden nach:
Auslöseglied
Glasfasssprinkler
heute gebräuchligster Typ
Schmelzlotsprinkler
Wasserverteilung
Schirmsprinkler
Der Sprühteller ist so konstruiert, dass das gesamte Wasser zum Bo-
den gerichtet verteilt wird.
Es gibt 2 Unterarten:
a) stehende Ausführung
b) hängende Ausführung
Flachschirmsprinkler
stehend und hängend
Die Sprühkurve ist flacher als beim Schirmsprinkler
Seitenwandsprinkler
Stehend und hängend.
Das Sprühbild ist nur einseitig zum Boden gerichtet.
Hängender Trockensprinkler
werden nur eingesetzt, wenn Sprinkler hängend im Trockensystem ein-
gebaut werden.
Conventional Sprinkler
Das Wasser wird teils an die Decken, teil zum Boden hin verteilt.
ESFR-Sprinkler Hängender
Großtropfensprinkler
High-Challenge-Sprinkler
Stehender Großtropfensprinkler (bisher ohne VdS-Zulassung)
4
2
1
3
40
80
113
120
160
bar
l/min
80
p
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Öffnungstemperatur
bei Glasfasssprinklern
57°C
orange
68°C
rot
79°C
gelb
93°C
grün
141°C
blau
182°C
hellviolett
204/60°C
schwarz
68-74°C
ohne
93-104°C
weiß
138-141°C
blau
182°C
gelb
227°C
rot
bei Schmelzlotsprinklern
Die Auslösetemperatur muss 30°C über der maximalen Raumtemperatur
liegen!
Wasserleistung
3/8 " K = 57
nur bei leichtem Risiko und als Regalsprinkler Q = max. 70l/min.
1/2 " K = 115
K 80 bedeutet: Wasserleistung 80 l/min bei 1 bar Fließdruck
3/4 " K = 115
Q errechnet sich: Q = p (bar)
3/4 " = 160-202
ESFR und High Challenge
Hohe Lagerrisiken, Druck 3,1 5,1 bar
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:
Bezeichnung RTI-Wert
Anwendung
Standard
> 80 - 200
nicht als Zwischenebenen-Sprinkler und > 0,5 m-
Hohlraum-Sprinkler zulässig
Spezial
50 - 80
nicht < 0,5 m Hohlraum-Sprinkler zulässig
schnell <
50
nicht in Trocken-Sprinkleranlagen und Läger für
endzündbare Flüssigkeiten zulässig
Tabelle 3 Empfindlichkeitsstufen
Quelle: VdS Köln
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