DE19900691A1 - Verfahren zur pratkischen Überprüfung von Entrauchungskonzepten und -anlagen für Gebäude sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein verbessertes Verfahren zur praktischen Überprüfung von Entrauchungskonzepten und -anlagen für Gebäude. Bei diesem Verfahren wird innerhalb des Gebäudes ein Kleinbrand durch den Betrieb einer vorgegebenen Wärme- und CO¶2¶-Quelle am Ort eines angenommenen Brandherdes nachgebildet. Gleichzeitig erfolgt eine Temperatur- und CO¶2¶-Messung im Gebäude zur Erlangung von Temperatur- und CO¶2¶-Konzentrationsprofilen über die Raumhöhe. Aus den so für einen Kleinbrand erhaltenen Versuchsergebnissen wird dann anhand vorbekannter Beziehungen die Höhe der unteren Rauchschichtgrenze für einen realen Brand mit höherer Wärme- und CO¶2¶-Erzeugung berechnet. Als Wärme- und CO¶2¶-Quelle kann ein gebläseunterstütztes Gasheizgerät (1) verwendet werden. An dessen Heißluftausgang ist ein Heißgaskrümmer (2) angeschlossen, welchen der Heißgasstrom mit einem geringen Anfangsimpuls in vertikaler Richtung nach oben verläßt. Zur Visualisierung der Rauchausbreitung im Gebäude wird den heißen Gasen nach Austritt aus dem Heißgaskrümmer ein künstliches Aerosol zugemischt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bei Gebäudebränden ist der entstehende Rauch auf­ grund seiner Toxizität und der Behinderung der Flucht Hauptursache für Todesfälle. Ein wichtiges Element des baulichen Brandschutzes ist daher die Rauchfrei­ haltung von Rettungswegen durch gezielte Belüftung im Brandfall.

Für Räume mit einfacher Geometrie sind das Ausbrei­ tungsverhalten vom Brandrauch und die Wirkung von Entrauchungsmaßnahmen relativ gut bekannt, so daß die Anforderungen an die Entrauchungsanlagen für derarti­ ge Räume normiert werden konnten (DIN 18232, VdS 2098).

Für Gebäude mit komplexer Geometrie und für besonders ausgedehnte Bauwerke wird dagegen die Rauchfreihal­ tung von Rettungswegen im Brandfall üblicherweise durch Entrauchungsanlagen bewirkt, die unter Zuhilfe­ nahme von mathematischen Simulationsmodellen konzi­ piert werden müssen.

Die praktische Überprüfung der Wirksamkeit einer sol­ chen Entrauchungsanlage stellt ein Problem dar. Ein Wirksamkeitstest der Entrauchungsanlage unter realen Brandbedingungen scheidet in genutzten Räumen auf­ grund der Schäden, die durch die Brand- und Rauchein­ wirkung verursacht werden, zwangsläufig aus.

Zur Überprüfung der Wirksamkeit von Entrauchungskon­ zepten und -anlage ist man daher auf modellhafte Vet­ suche angewiesen. Diese können erfolgen mit Hilfe ei­ nes Nachbaus der Gebäude im verkleinerten Maßstab oder durch eine Überprüfung in bestehenden Gebäuden mit künstlichen Aerosolen sowie gegebenenfalls mit Wärmequellen geringer Leistung. Hierbei besteht ein übliches Verfahren in bereits bestehenden Gebäuden darin, ein Aerosol freizusetzen und die Strömung der aerosolhaltigen Luft visuell zu erfassen. Das freige­ setzte Aerosol-Luftgemisch hat dabei teils die annä­ hernd gleiche Dichte wie die Luft im Gebäude (kein Auftrieb) und teils wird das Aerosol auch einem Heiß­ gasstrom geringerer Dichte (mit Auftrieb) zugemischt, der beispielsweise durch die Verbrennung von festen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen erzeugt wird.

Die Auswertung derartiger Versuche basiert üblicher­ weise auf der visuell beobachteten Grenze zwischen aerosolhaltiger Luft ("Rauch") und aerosolfreier Luft. Weitere Größen (z. B. Temperatur, Konzentration bestimmter Stoffe) werden üblicherweise nur zu Kon­ trollzwecken gemessen.

Diese Verfahren nach dem Stand der Technik sind je­ doch mit mehreren Nachteilen behaftet. So lassen die Quellbedingungen der Versuche (Aerosol- Freisetzungsrate, ggf. Leistung der Wärmequelle) kei­ nen Vergleich mit realen Bränden zu, da keine geeig­ neten Übertragungsvorschriften verfügbar sind. Auch sind die Geschwindigkeits- und die Temperaturvertei­ lung im Nahbereich der Quelle bei konventionellen Versuchen mit gasförmigen Brandstoffen nicht ausrei­ chend genau bekannt, wodurch eine gesicherte Übertra­ gung der Ergebnisse auf reale Brandsituationen nicht möglich ist. Schließlich hängt die visuell wahrnehm­ bare Grenze zwischen aerosolhaltiger und aerosolfrei­ er Luft auch bei einem definierten Prüfszenario, d. h. festgelegtem Ort und konstanter Wärmeleistung der Wärmequelle, noch von einer Reihe weiterer Einfluß­ größen ab, u. a. der Umgebungstemperatur, der Luft­ feuchtigkeit, der Art der Aerosolpartikel und dem Ae­ rosol-Quellmassenstrom. Die beobachtete Höhe der un­ teren Aerosol-Grenzschicht ist daher kein eindeutiges Maß für die im realen Brandfall zu erwartende Höhe der unteren Rauchschichtgrenze.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur praktischen Überprüfung von Entrau­ chungskonzepten und -anlagen für Gebäude anzugeben, das eine Anwendung in bestehenden Gebäuden mit nur kurzzeitiger Einschränkung von dessen Nutzung und oh­ ne Gefährdung für die Bausubstanz, Inneneinrichtung und von Personen durch den Prüfrauch anwendbar ist und das wissenschaftlich abgesicherte Aussagen zur Entrauchung eines Gebäudes bei einem Realbrand er­ gibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens sowie eine zweckmäßige Vor­ richtung zur Durchführung dieses Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird eine Prüfrauchfahne erzeugt, die mit der Rauchfahne eines realen Kleinbrandes vergleichbar ist. Als Wärme- und CO₂-Quelle kann ein modifiziertes handelsübliches, gebläseunterstütztes Gasheizgerät verwendet werden, aus dem der Heißgasstrom in vertikaler Richtung und mit nur geringem Anfangsimpuls austritt. Mit diesem wurden in Vorversuchen die Geschwindigkeits- und Tem­ peraturverteilung in der Prüfrauchfahne in Abhängig­ keit von der Wärmeleistung ermittelt. Im Nahbereich der Wärme- und CO₂-Quelle können aus diesen Kenndaten auf theoretischem Weg die Parameter der Rauchfahne eines äquivalenten realen Brandes abgeleitet werden. Nach wenigen Metern Höhe entspricht die Prüfrauchfah­ ne schließlich aufgrund der konstruktiven Maßnahmen fluiddynamisch der auftriebsbehafteten Rauchfahne ei­ nes realen Brandes. Die genaue Kenntnis der Tempera­ turverteilung in der Prüfrauchfahne ist darüber hin­ aus eine wesentliche Voraussetzung für eine sichere Anwendung des Verfahrens auch in bereits genutzten Gebäuden.

Ein wesentliches Merkmal des Verfahrens besteht dar­ in, die Höhe der unteren Rauchschichtgrenze nicht vi­ suell, sondern durch die Auswertung der Temperatur- und CO₂-Konzentrationsprofile über die Höhe zu ermit­ teln. Mit der Temperatur wird eine primäre, den Auf­ trieb verursachende Größe herangezogen; bei Betrach­ tung des Heizgeräts als CO₂-Quelle stellt die CO₂- Konzentration eine charakteristische Größe zur Be­ schreibung des Prüfrauchs dar, die zudem eine einfa­ che Bilanzierung des Versuchsraums ermöglicht (Ver­ wendung des Heizgeräts als CO₂-Quelle bei definierten CO₂-Senken im Gebäude).

Die quantifizierte und theoretisch beschreibbare Wär­ me- und CO₂-Quelle stellt in Verbindung mit der aus Temperatur- und CO₂-Konzentrationsprofilen experimen­ tell im Entrauchungsversuch bestimmten Höhe der unte­ ren Rauchschichtgrenze eine in sich geschlossene Grundlage für abschätzende Aussagen zur Wirksamkeit der Entrauchung bei realen Bränden mit höherer Wärme­ leistung dar.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Seitenansicht einer Gerätekombination zur Prüfraucherzeugung in schematischer Darstel­ lung,

Fig. 2 die Gerätekombination nach Fig. 1 in der Draufsicht, und

Fig. 3 die Rauchausbreitung bzw. -schichtung bei ei­ nem Gebäudebrand.

Die Gerätekombination zur Prüfraucherzeugung besteht gemäß Fig. 1 und 2 aus einem handelsüblichen geblä­ seunterstützten Gasheizgerät 1 mit einem an dessen Heißluftausgang angeschlossenen Heißgaskrümmer 2. Das Gasheizgerät 1 wird beispielsweise mit Flüssiggas be­ trieben und hat eine maximale Heizleistung von 150 kW. Der Heißgaskrümmer 2 wird im Versuchsbetrieb vor das Gasheizgerät 1 montiert. Durch den Heißgaskrümmer 2 wird die vom Gasheizgerät 1 kommende heiße Kern­ strömung nach oben ausgeschleust, so daß ein großer Teil der kalten Gebläseluft vom Heißgas abgetrennt wird und über Öffnungen zum Fußboden hin mit niedri­ ger Geschwindigkeit austritt. Der Heißgasstrom ver­ läßt den Heißgaskrümmer 2 mit einem geringen An­ fangsimpuls in vertikaler Richtung nach oben.

Zusätzlich enthält die Gerätekombination noch han­ delsübliche Nebelgeräte 3, die beispielsweise elek­ trisch mit einer Leistung von 3 kW betrieben werden und als Aerosol ein Gemisch aus Wasser und Alkoholen verwenden. Über Rohre 4 wird das in den Nebelgeräten 3 erzeugte Aerosol am Ausgang des Heißgaskrümmers 2 dem austretenden Heißgas zugemischt. Das in Form von Nebel vorliegende Aerosol dient zur Visualisierung der Rauchfahne, wird aber nicht für quantitative Aus­ wertungen verwendet. Der Ablauf eines Versuchs zur Überprüfung der Wirksamkeit einer Rauch- und Wärmeab­ zugsanlage in Gebäudebereichen mit großem Luftvolu­ men, z. B. Atrien, sieht typischerweise wie folgt aus: Mit Hilfe der dargestellten Gerätekombination wird ein Entstehungsbrand durch einen mit Nebel markierten Heißgasstrahl simuliert. Zu Versuchsbeginn sind die Öffnungen des Gebäudebereichs (Rauch- und Wärmeabzug­ söffnungen, Türen, Fenster) geschlossen bzw. die ma­ schinellen Rauch- und Wärmeabzugsgeräte ausgeschal­ tet. Bei ständiger Wärmezufuhr durch das Heizgerät werden nach kurzer Zeit die zur Entrauchung vorgese­ henen Öffnungen bzw. Geräte für die Zu- und Abluft von Hand freigegeben bzw. eingeschaltet. Dabei findet eine fortlaufende Messung der Gastemperatur und der CO₂-Konzentration in unterschiedlicher Höhe im unter­ suchten Gebäudebereich statt. Der Versuch wird been­ det, wenn sich im Gebäude aufgrund von Dichteunter­ schieden eine Schichtung von verrauchter und rauch­ freier Luft ausgebildet hat und sich die Höhe der un­ teren Rauchschichtgrenze nicht mehr wesentlich än­ dert. Dieser Effekt stellt sich meist nach einer Heizdauer von ca. 30 Minuten ein. Fig. 3 zeigt eine derartige Rauchausbreitung bzw. -schichtung, die von der aus den Elementen 1 bis 4 gebildeten Gerätekombi­ nation 5 ausgeht. Dabei stellen sich im Endzustand eine obere verrauchte Schicht 6 sowie eine untere rauchfreie Schicht. 7 ein.

Quantitative Aussagen zur Wirksamkeit der Entrauchung können durch die Auswertung der Temperatur- und CO₂- Konzentrationsmessungen erhalten werden. Als wesent­ liches primäres Versuchsergebnis wird aus den Daten die Höhe der unteren Rauchschichtgrenze ermittelt. Die im Entrauchungsversuch für eine bestimmte Heiz­ leistung bestimmte Höhe der unteren Rauchschichtgren­ ze kann mit den Berechnungsergebnissen von mathemati­ schen Rechencodes verglichen werden. Bei maschineller Entrauchung kann auf experimentellem Weg die Entrau­ chungsleistung bestimmt werden. Der wesentliche Schritt im Zuge der Auswertung besteht darin, aus den Versuchsdaten über wissenschaftlich abgesicherte Be­ ziehungen des Brandschutzingenieurwesens (bei sehr komplexen Geometrien mit Hilfe von Rechencodes) die Höhe der unteren Rauchschichtgrenze für einen Real­ brand mit höherer Wärmeleistung abzuschätzen.

Aufgrund des zugemischten Aerosols kann die Ausbrei­ tung des Prüfrauchs im Gebäude zusätzlich visuell be­ obachtet werden. Anschaulich ist erkennbar, ob sich im Gebäude aufgrund von Dichteunterschieden eine ver­ tikale Schichtung von verrauchter und rauchfreier Luft einstellt, die von wesentlicher Bedeutung für die Wirksamkeit der Entrauchung ist. Mögliche Ursa­ chen, die sich nachteilig auf die Schichtung auswir­ ken und Verwirbelungen hervorrufen, können erkannt werden (z. B. Wechselwirkung mit Lüftungsanlagen, Zu­ luftführung). Weiterhin können durch den visuell sichtbaren Prüfrauch etwaige unbekannte gasseitige Verbindungen zu benachbarten Gebäudebereichen erkannt werden.

Bei der quantitativen Auswertung der Meßergebnisse sind auch die Geometrie des untersuchten Gebäudes so­ wie die Lage und Größe der Zu- und Abluftöffnungen bzw. die Kenndaten von maschinellen Rauch- und Wär­ meabzugsgeräten zu berücksichtigen. Weiterhin sollte eine Messung der Umgebungsbedingungen (Außenlufttem­ peratur, Windgeschwindigkeit und dergleichen) erfol­ gen, damit diese ebenfalls bei der Auswertung berück­ sichtigt werden können. Die visuelle Ausbreitung des Prüfrauchs kann durch eine Videoaufzeichnung dokumen­ tiert werden.

Abhängig von der Aufgabenstellung und der Größe des untersuchten Gebäudebereichs wird die Heizleistung des Gasheizgerätes eingestellt. Ist dessen maximale Heizleistung nicht ausreichend, können ggf. mehrere Heizgeräte gemeinsam eingesetzt werden.

Die dargestellte Gerätekombination zur Erzeugung von Prüfrauch erlaubt bei Verwendung nur eines einzelnen Gasheizgerätes somit die Nachbildung eines Kleinbran­ des bis ca. 150 kW Wärmeleistung. Die Wärmeleistung ist kontrollierbar und kann bei Bedarf sofort deut­ lich reduziert werden.

Die Gerätekombination gibt gemeinsam mit der verwen­ deten Meßtechnik und der Auswertemethodik die Mög­ lichkeit, die Wirksamkeit von Einrichtungen zur Rauch- und Wärmeabführung in neuen und bestehenden Gebäuden praktisch zu überprüfen.

Das Verfahren bzw. die zu dessen Durchführung einge­ setzte Vorrichtung bieten die folgenden Vorzüge:

• - mobile Einsetzbarkeit;
• - Anwendbarkeit in bestehenden Gebäuden mit nur kurzzeitiger Einschränkung der Nutzung des Gebäu­ des (wenige Stunden);
• - keine Gefährdung für die Bausubstanz, Innenein­ richtung sowie Personen durch den Prüfrauch (zu­ verlässige Begrenzung der Maximaltemperatur auf unkritische Werte; ungiftiger, nicht-korrosiver und rückstandsfrei verdunstender Prüfnebel);
• - kontrollierbare und reproduzierbare Wärmezufuhr;
• - realistische Nachbildung des fluiddynamischen Ver­ haltens von Brandrauch;
• - visuelle Beobachtung der Rauchausbreitung in Ge­ bäuden; und
• - wissenschaftliche abgesicherte Aussagen zur Entrauchung eines Gebäudes bei einem Realbrand auf der Grundlage der im Prüfrauchversuch ermittelten Profile der Gastemperatur und der CO₂- Konzentration.

Claims (14)

1. Verfahren zur praktischen Überprüfung von Entrauchungskonzepten und -anlagen für Gebäude, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb eines Gebäudes ein Kleinbrand durch den Betrieb einer vorgegebenen Wärme- und CO₂-Quelle am Ort eines angenommenen Brandherdes nachgebildet wird, daß eine Temperatur- und CO₂- Messung im Gebäude zur Erlangung von Temperatur- und CO₂-Konzentrationsprofilen über die Raumhöhe vorgenommen wird und daß aus den so für einen Kleinbrand erhaltenen Versuchsergebnissen anhand vorbekannter Beziehungen die Höhe der unteren Rauchschichtgrenze für einen realen Brand mit höherer Wärme- und CO₂-Erzeugung berechnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß als Wärme- und CO₂-Quelle ein gebläse­ unterstütztes Gasheizgerät (1) verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß von der Wärme- und CO₂-Quelle erzeugtes Heißgas mit geringem Impuls senkrecht nach oben aus dieser austritt.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in das aus der Wärme- und CO₂- Quelle austretende Heißgas ein Aerosol in Form von Nebel zur Sichtbarmachung der Rauchausbrei­ tung gemischt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß als Aerosol ein Gemisch aus Wasser und Alkoholen verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die maximale Heizlei­ stung der Wärme- und CO₂-Quelle 150 kW beträgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der Betrieb der Wärme- und CO₂-Quelle und die Temperatur- und CO₂- Messung so lange durchgeführt werden, bis eine nennenswerte Verlagerung der unteren Rauch­ schichtgrenze nicht mehr stattfindet.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß mehrere Wärme- und CO₂-Quellen verwendet werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß zusätzlich brandbeein­ flussende Umgebungsbedingungen gemessen werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß eine Videoaufzeichnung der durch das Aerosol sichtbar gemachten Rauchausbreitung durchgeführt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß im Gebäude zur Entrau­ chung vorgesehene Öffnungen nach Aufnahme des Betriebs der Wärme- und CO₂-Quelle zunächst ge­ schlossen gehalten und nach einer vorgegebenen Zeitspanne geöffnet werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß im Gebäude befindliche maschinelle Rauch- und Wärmeabzugsgeräte nach Aufnahme des Betriebs der Wärme- und CO₂-Quelle zunächst ausgeschaltet und nach einer vorgegebe­ nen Zeitspanne eingeschaltet werden.

13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch ein handelsübliches gebläseunterstütztes Gasheizgerät (1) mit einem an dessen Heißgasaus­ laß angeschlossenen Heißgaskrümmer (2) zur Ein­ stellung einer gewünschten Austrittsrichtung für das Heißgas.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch mindestens ein zum Ausgang des Heißgas­ krümmers (2) geführtes Rohr (4), um in einem Ne­ belgerät (3) erzeugtes Aerosol in das Heißgas zu mischen.