Atemberaubend schnell verqualmt: Die Gefahr von Brandrauch und Methoden zur Entrauchung

Laut Statistik sind für mehr als 90 % aller Feuertoten giftige Brandgase verantwortlich. Sie machen Fluchtwege oft schon nach wenigen Minuten unpassierbar, richten große Schäden an und erschweren die Brandbekämpfung. Umso wichtiger ist eine wirksame Entrauchungstechnik - der Beitrag stellt Entrauchungsmethoden sowie die dazugehörige Steuerung vor.

FeuerTrutz Spezial 2019: Atemberaubend schnell verqualmt
St.-Pauli-Elbtunnel, Hamburg: Zur dynamischen Steuerung der Entrauchung des denkmalgeschützten Gebäudes werden die Windgeschwindigkeit im Tunnel sowie die Windrichtung im Brandfall ausgewertet. Die zentrale Leittechnik kann die Entrauchung in Abhängigkeit von den CO-Werten ein- und ausschalten. (Bild: HOSCH Gebäudeautomation)

Dezember 2019 / Von Armin Althaus. Die gute Nachricht zuerst: Waren 1990 noch 787 Brandtote in Deutschland zu beklagen, hat sich ihre Zahl mit 367 bis zum Jahr 2015 mehr als halbiert [1]. Die schlechte Nachricht: Brandrauch ist nach wie vor das Hauptrisiko, wenn es brennt im Gebäude. Wie sehr es dann raucht, hängt ganz wesentlich von der Brandlast und den Umgebungsbedingungen ab.

Bei freier, offener Flamme kann das Verhältnis zwischen verbranntem Material und Rauchentwicklung bei unter 0,01 g/g liegen. Geringe Sauerstoffzufuhr, hohes C/H-Verhältnis im brennenden Molekül oder flammhemmende Zusätze (z.B. bestimmte polymerisierte Kohlenwasserstoffe) lassen diesen Wert aber bis auf 0,25 g/g in die Höhe schnellen [2].

In der Praxis bedeutet dies: Bereits ein Schuh-Schwelbrand in einem Treppenhaus kann einen Feuerwehreinsatz und eine Rauchvergiftung zur Folge haben [3]. Brandgase machen Flucht- und Rettungswege in kürzester Zeit unpassierbar. Legt man einen hohen Brand-Ausbreitungskoeffizient α = 0,047 zugrunde, ist bei einem 400 m2 großen und acht Meter hohen Raum schon nach zweieinhalb Minuten der Grenzwert der Gesundheitsgefährdung durch Rauch (Verdünnungsverhältnis v = 200) und damit auch eine Sichtweite von nur 6,5 m unterschritten [4]. Ein Giftcocktail aus Kohlendioxid, diversen Blausäureverbindungen und Kohlenmonoxid macht dann jede Evakuierung ohne Atemschutz unmöglich. Bereits eine Kohlenmonoxidkonzentration von etwa 1,3 % in der Umgebung führt nach zwei bis drei Atemzügen zur Bewusstlosigkeit – und in weniger als drei Minuten zum Tod [5]. Das Zeitfenster für die Selbst- und Fremdrettung zu vergrößern und damit Menschenleben zu retten ist in jedem Fall das Primärziel der Entrauchung. Denn selbst wenn die Feuerwehr schon eingetroffen ist, vergeht noch eine gewisse Rüstzeit bis zum Löschangriff – die noch zur Selbstrettung genutzt werden kann – wenn gute Luft- und Sichtverhältnisse vorherrschen.

Eine gezielte und wirksame Entrauchung hilft auch der Feuerwehr beim Löscheinsatz. Sie kann sich zwar mit Atemgeräten vor giftigen Brandgasen schützen. Ihre Arbeit wird aber durch Hitze, Flash-Over-Gefahr und vor allem durch die rauchbedingte Sichtbehinderung erschwert. Wenn sich Rauchgase niederschlagen, dann kann dies auch noch in großer Entfernung vom Brandherd zu erheblichen Sachschäden führen. Auch diese lassen sich mit einer Entrauchungsanlage minimieren.

Verdünnung, Schichtung, Überdruck, Absaugung

Die Feuerwehr entqualmt Räume während und nach dem Einsatz mit transportablen Ventilatoren. Bei diesem reinen Verdünnungsprinzip kann man keine Anforderungen an die Luftqualität und die Entrauchungszeit stellen, da dabei eine starke Verwirbelung und Vermischung auftritt. Zur Rauchableitung ist Rauchabfuhr durch Verdünnung nicht geeignet.

Entrauchungsanlagen in Gebäuden arbeiten meistens nach dem Schichtprinzip. Dabei wird eine vertikale Luftströmung aufgebaut, die die Brandgase schnell nach oben in eine Rauchgasschicht leitet, aber weiter unten eine mindestens 2,5 m hohe raucharme Schicht erzeugt. Dies ist vor allem bei größeren Räumen über 200 m2 Grundfläche möglich.

Die Strömungsausbildung basiert dabei auf einer Druckdifferenz, die bei natürlichen Entrauchungsanlagen allein durch den Dichtegradienten entsteht. Brandgase und heiße Luft steigen auf und können dann durch eine Entrauchungsklappe entweichen. Dieser Effekt wird bei maschineller Entrauchung noch durch Ventilatoren unterstützt. Die natürliche wie auch die maschinelle Entrauchung setzt allerdings voraus, dass in Bodennähe Zuluft im richtigen Druckverhältnis und möglichst verwirbelungsfrei nachgeführt wird. Wie Entrauchungsanlagen nach dem Schichtströmungsprinzip genau ausgelegt und dimensioniert werden müssen, regeln die Normen DIN 18232-2 [6], DIN 18232-5 [7] und VDI 6019 [8]. Viele Brandschutzkonzepte setzen auf feuersichere Türen oder andere Brandabschlüsse. Sind solche Lösungen aus technischen oder architektonischen Gründen nicht möglich, lässt sich die Rauchausbreitung mit moderner Entrauchungstechnik verhindern. Dies geschieht z.B. durch Absaugen nach dem Wirbelstromprinzip.

Dabei werden Stromlinien erzeugt, die auf logarithmischen Spiralen zum Zentrum verlaufen und den Unterdruck längs der gesamten Drehachse konstant halten. Präzise angesteuerte Ventilatoren können noch in vielen anderen Bereichen gezielt Luftströmungen aufbauen. Sie verhindern dann den Rauchgasübertritt an geöffneten Türen, leiten den Rauch an offenen Galerien vorbei oder erzeugen eine Gegenströmung, die Rolltreppenschächte für eine schnelle Evakuierung rauchfrei hält. Flure und Treppenräume kann man aber auch sehr gut rauchfrei halten, indem man den Innendruck durch Einblasen erhöht.

Eine ausreichend groß dimensionierte Abströmöffnung in jedem Stockwerk sorgt dann dafür, dass die gefährlichen Brandgase sofort nach außen gedrückt werden. Die bei diesem Prinzip zwangsläufig entstehenden Druckdifferenzen gilt es allerdings so weit zu begrenzen, dass sich alle Zwischentüren noch mit einer Kraft von bis zu 100 Newton öffnen lassen (in etwa die Kraft, die man braucht, um einen gefüllten 10-Liter-Putzeimer anzuheben).

Atemberaubend schnell verqualmt: Die Gefahr von Brandrauch und Methoden zur Entrauchung
Marriott Hotel, Bonn: Das Entrauchungssystem ist mit der stationären Brandbekämpfungstechnik vernetzt. Sobald eine der vier ANSUL-Gaslöschanlagen in den Restaurantküchen ausgelöst wird, werden eigens dafür definierte Szenarien abgerufen. (Bild: HOSCH Gebäudeautomation)

Parametrierte Steuermatrix gewährleistet wirkungsvolle Entrauchung

Schichtströmung, Drall-Absaugung, Gegenströmung, exakt dosierter Überdruck: Die Entrauchungsmethoden sind vielfältig und erfordern eine komplizierte und situationsorientierte Steuerung von Ventilatoren, Zuluft-, Abluft- und Brandschutzklappen. Entrauchungssteuerungen, wie z.B. rigentoS3 von HOSCH Gebäudeautomation, arbeiten daher mit bis zu 140 vordefinierten Brandszenarien und einem vierstufigen System aus Eingangs-, Verknüpfungs-, Melde- und Ausgangsmatrix.

Bei einem größeren Hotelgebäude mit 336 Zimmern kann eine solche Steuermatrix bereits mehr als 80 Szenarien und über 5.800 Felder enthalten.

Die Matrix kann jederzeit erweitert oder angepasst werden. Über verschiedene, dezentrale Module nimmt das System Meldungen an, gibt welche aus und steuert diverse Aktoren.

Die einzelnen Module können über eine Smartphone-App und via Bluetooth-Verbindung vor Ort überprüft werden. Sie sind untereinander über einen fehlertoleranten Sicherheits-Ringbus vernetzt, der sogar nach einer Unterbrechung noch weiter funktioniert, als linear arbeitender Stichbus.

Durch die dezentrale Struktur und das Sicherheits-Ringbussystem werden die Brandlasten durch Verkabelung um 45 % reduziert. Ein robustes Brandschutzgehäuse für die dezentralen Busmodule soll selbst bei etwa 1.000 °C Umgebungstemperatur noch für 90 Min. gewährleisten (nach Einheitstemperaturzeitkurve (ETK)), dass die komplexe Steuerung weiter ihren Dienst tut und Menschenleben rettet.

Parametrierung und Inbetriebnahme von Entrauchungssteuerungssystemen

Noch vor der ersten Inbetriebnahme wird die Steuereinheit mit gebäudespezifischen Brandszenarien gefüttert. Dazu braucht man keine Programmierkenntnisse, es müssen lediglich Parametrierungen vorgenommen werden. Im laufenden Betrieb überprüft rigentoS3 dann kontinuierlich alle angeschlossenen Module und wartet auf eine Brandmeldung. Ist ein Feuer detektiert, wird das System aktiv. Es verhindert eine weitere Brand- und Hitzeausbreitung, indem es die normale Raumlufttechnik stoppt und Brandschutzklappen schließt.

Danach startet die Entrauchung, Zu- und Abluftklappen werden geöffnet oder geschlossen, Nachström-Ventilatoren gestartet – immer im richtigen Verhältnis zueinander, so, wie es die aufgerufene Matrix vorsieht. Dabei kann das System sogar externe Variablen mit einbeziehen, wie etwa Windgeschwindigkeit und -richtung. Diese spielt in z.B. in Tunnel-Entrauchungen eine wichtige Rolle. Auch eine Vernetzung mit der stationären Löschtechnik ist kein Problem: Wird eine Löschanlage ausgelöst, starten automatisch die für diesen speziellen Fall vordefinierten Entrauchungsszenarien. Wirtschaftlich interessant ist die Kombination mit bestehenden Entlüftungen, z.B. in Garagen. Dass sich die Zahl der Brandopfer seit 1990 so erfreulich reduziert hat, ist vor allem den ausgefeilten Brandschutzkonzepten zu verdanken – die heute konsequent gefordert und durchgesetzt werden. Dies hat in der Vergangenheit zu ganz erheblichen Bauverzögerungen geführt. Durch den Einsatz moderner Entrauchungssteuerungssysteme werden die Zeiten für die Inbetriebnahme drastisch reduziert. Stichwort: effiziente Parametrierung anstatt umständlicher Programmierung. Wer aber einmal einen Brandversuch gesehen hat, wer selbst erlebt hat, wie sich der Rauch im wahrsten Sinne des Worts atemberaubend ausbreitet, der weiß, dass eine funktionierende Entrauchung lebensrettend ist. Wir müssen die Gefahr ernst nehmen und entsprechend vorsorgen.

Info: Risikograf nach Einheitsblatt (EB) 24200-1 auf dem PC

Der bei der Konzeptionierung und Planung von automatisierten Brandschutz- und Entrauchungssystemen in Gebäuden zu beachtende SIL (Safety Integrity Level) lässt sich sehr gut in Form eines Risikografen abbilden. Dazu stellt der VDMA auf seiner Internetseite die VDMA-Software für den Risikografen zur Verfügung.

In sechs Schritten werden nach dem Programmstart diverse Risikoparameter eingegeben. Daraus erzeugt das Programm einen Report mit Strukturbaum. Dieser kombiniert die Risikoparameter miteinander und zeigt, welche Risikominderung bei welchem SIL mindestens erforderlich ist.

Autor

Dipl.-Ing. (FH) Armin Althaus: Prokurist bei der HOSCH Gebäudeautomation Neue Produkte GmbH

Literatur

[1] Deutscher Feuerwehrverband

[2] Tewarson, A.: Generation of heat and gaseous, liquid and solid products in fires, in SFPE Handbook of fire protection engineering, 4. Auflage, Quincy, Massachusetts (USA)

[3] 2008,Leitfaden Ingenieurmethoden des Brandschutzes, Technischer Bericht 4/01, 2. Auflage, Vereinigung zur Förderung des Deutschen Brandschutzes (2009), Kapitel 8

[4] VDMA Grundlagenpapier Entrauchung, 2017, S. 15

[5] https://de.wikipedia.org/wiki/Kohlenstoffmonoxidintoxikation

[6] DIN 18232-2:2007-11 Rauch- und Wärmefreihaltung – Teil 2

[7] DIN 18232-5:2012-11 Rauch- und Wärmefreihaltung – Teil 5

[8] VDI 6019 Blatt 1:2006-05 Ingenieurverfahren zur Bemessung der Rauchableitung aus Gebäuden – Brandverläufe, Überprüfung der Wirksamkeit

Der Artikel ist im FeuerTrutz Spezial - Band 10: Entrauchung und Evakuierung (November 2019) erschienen.
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FeuerTrutz Spezial 2019: Entrauchung und Evakuierung

Das FeuerTrutz Spezial 2019 "Entrauchung und Evakuierung" enthält vertiefende Beiträge zur Planung und Umsetzung von Entrauchungsmaßnahmen sowie zu Aspekten der Evakuierung im Brandfall. Sie erhalten zudem einen Überblick zu neuen Entwicklungen und Trends im vorbeugenden Brandschutz.

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Letzte Aktualisierung: 19.12.2019

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