Grundlagen: Prinzipien der Rauchableitung

Anzeige

Entrauchungsaxialventilatoren von Trox TLT auf dem Galeriebereich des Flughafen Düsseldorf. Die Ventilatoren dienen zur Entrauchung der Abflughalle. (Abb. Trox) In Deutschland regelt das Baurecht den Personenschutz vor Brand- und Raucheinwirkung vor allem über frühe Alarmierung, kurze Rettungswege und Abschottung. Diskussionen zwischen Baurechtlern und Wissenschaft zum Thema „Rauchabzug“ führten aber nicht zu einem ausreichenden Konsens. Der Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbauer (VDMA) hat daher ein Grundlagenpapier „Entrauchung“ erarbeitet. Damit wurde eine technisch fundierte Basis geschaffen, auf der künftig Sinn und Nutzen, Planung und Ausführung besser beurteilt werden kann. Die Ausarbeitungen des VDMA-Grundlagenpapiers „Entrauchung“ helfen den am Bau beteiligten Parteien, das für die jeweilige Aufgabe passende Entrauchungsprinzip zu erkennen sowie die richtige Projektierung und auch die jeweils erforderliche Anlagenausführung zu finden.

Situation in Deutschland

Brandschutzgutachten in Deutschland gehen meist von optimalen Verhältnissen und einem Best-Case-Szenario aus. Das bedeutet: Direkte Alarmierung der Personen im brennenden Gebäudekomplex sowie die Möglichkeit zur unmittelbaren Flucht, des Weiteren unverschlossene Türen im Verlauf von Rettungs- und Fluchtwegen sowie Personen, die zeitlich und räumlich komplett orientiert sind und keinerlei Behinderungen aufweisen.
Diese Annahmen werden im Rahmen einer Begutachtung meist als gegeben vorausgesetzt, ohne dabei aber die tatsächlichen Gegebenheiten einzubeziehen. Bei einem Brandereignis kann der erste Rettungsweg ausfallen, somit ist die Flucht nur noch über den vorgegeben zweiten Rettungsweg möglich. Hierbei kann es zu erheblichen Stauzeiten kommen. Entrauchungsanlagen können hier zu einem entscheidenden Zeitgewinn für die Eigenrettung führen.

Da man jedoch bei der Entrauchung im Baurecht vom Mindeststandard, dem „Standardbau“ ohne Abweichung, ausgeht, führt jede Veränderung des Schutzzieles oder die „Nichteinhaltung der materiellen Grenzen“ (UNKLAR) zwangsläufig zu Kompensationsmaßnahmen und somit wieder zu den aktuellen Regeln der Technik beziehungsweise auch wieder zu qualifizierten Entrauchungsanlagen. Denn den „Standardbau“ nach Bauordnung ohne Abweichung gibt es eigentlich gar nicht, und damit stellt eine Entrauchung mit qualifizierten Entrauchungsanlagen die sinnvollste und letztlich auch die sicherste Variante für alle Beteiligten dar.

Abb. 1: Gefahrenquelle Rauch: Schutzzielbetrachtung und Prinzipien der Rauchableitung

Wichtig in diesem Zusammenhang: Nach einer Änderung des Haftungsrechts sind bei eventuellen Schäden nicht nur die ausführenden Unternehmen haftbar zu machen, sondern auch Planer und Betreiber.

Die Entrauchung ist eine wesentliche Voraussetzung zur Selbstrettung, zur Fremdrettung, zur Brandbekämpfung sowie für den Sachschutz. Entrauchung verhindert die unkontrollierte Rauchausbreitung und die Gefahr eines Flash-Overs. Weiterhin können durch Entrauchungsanlagen auch die Schädigung oder der längerfristige Ausfall der Gebäude nach einem Brandereignis minimiert sowie der Umweltschutz verbessert werden.

Die Selbst- und Fremdrettung von sich im Gebäude aufhaltenden Menschen wird vom Gesetzgeber durch die materiellen Anforderungen des Baurechts geregelt. Genehmigungsfähige Abweichungen von diesen Anforderungen sind durch entsprechende nutzungsgerechte und schutzzielorientierte Kompensationsmaßnahmen möglich. Zu diesen Kompensationsmaßnahmen zählt besonders die wirksame Entrauchung.

Weiter können auch zivilrechtliche Anforderungen, beispielsweise von Versicherungsgesellschaften (weil die Rauchschäden mittlerweile die Brandschäden um ein Vielfaches übersteigen) wirksam durch die Entrauchung erfüllt werden.

Prinzipien der Rauchableitung

Insbesondere ist bei niedrigenergetischen Bränden ohne Entrauchung ein frühzeitiges Absinken des Rauchs zu beobachten. Dieses Phänomen ist bei der Dimensionierung von Entrauchungsanlagen zur Sicherstellung von Rettungswegen zu berücksichtigen. Weiterhin ist zu beachten, dass die Rettungswege meist gleichzeitig die Angriffswege der Feuerwehr sind. Die Einsatzkräfte der Feuerwehr können zwar sich selbst durch entsprechende Ausrüstung gegen Rauch und sonstige Einwirkungen wie z. B. erhöhte Wärmestrahlung schützen, nicht aber die schlechte oder fehlende Sicht durch den Rauch kompensieren.

Die Prinzipien der Entrauchung und Rauchableitung umfassen im Allgemeinen die Bereiche:

– Rauchabführung durch Verdünnung
– Rauchableitung durch Schichtung
– Rauchabschnittsbildung
– Rauchfreihaltung durch Überdruckanlagen

Rauchabführung durch Verdünnung

Überblick Entrauchung

Steht bei Brandräumen nicht die Bildung raucharmer Schichten zur sicheren Evakuierung und Brandbekämpfung im Vordergrund, kann für diese Räume auch das Prinzip der Verdünnung des Rauchs zur Anwendung kommen. Hierbei ist wegen der starken Durchmischung jedoch häufig von einer zumindest teilweisen Verrauchung des Raums auszugehen. Die Verdünnung ist hier aber ein Werkzeug, die Selbstentzündung der noch unverbrannten Rauchbestandteile (Backdraft mit ggf. nachfolgendem Flash-over) zu verzögern bzw. zu verhindern. Damit geht zusätzlich einher eine Temperaturreduzierung die zu einem verbesserten Bauteilschutz dienen kann, was z. B. auch zu einer verminderten Bauteilanforderung führen kann.
Nur mit einem großen Aufwand können in verrauchten Räumen Sichtweiten und Schadstoffkonzentrationen erreicht werden, die eine – auch nur kurzzeitige – Anwesenheit von Menschen ermöglichen würden. Deshalb wird diese Anlagenvariante meist nur zur Unterstützung der Brandbekämpfung eingesetzt.
Sollte die Verdünnung dem Personenschutz dienen und somit die Eigenrettung unterstützen, müssten sehr hohe Volumenströme angesetzt werden, um wirklich ausreichende Sichtweiten und kleine Schadstoffkonzentrationen zu erreichen.

.

Abb. 2: Verdünnungssysteme können, wie im oberen Bild, stationär eingebaut werden. Sie sind vergleichbar mit den transportablen Ventilatoren zur Druckbelüftung der Feuerwehren (Bild unten). (Abb. Trox TLT)

In diesem Zusammenhang müssen kleine Räume, wie Keller- oder Lagerräume, kritisch gesehen werden. Hier sind meist hohe Brandlasten vorhanden, jedoch halten sich Personen nur zeitweise und kurzfristig darin auf. Für die Feuerwehren stellen solche Brände eine besondere Gefahr dar. Auch bei diesen Bränden baut sich keine klassische Schichtung auf. Man versucht deshalb die Temperaturen abzuführen und einen Unterdruck im Raum zu realisieren. In Österreich hat man für die Anlagenvariante einen 12-fachen Luftwechsel (OENORM H 6029 „Lüftungstechnische Anlagen – Brandrauchverdünnungs-Anlagen (BRV-Anlagen)“ – Dezember 2009) zum Ansatz gebracht.

 

Rauchableitung durch Schichtung

Bei der Rauchableitung durch Schichtung werden allein durch strömungstechnische Maßnahmen zwei voneinander horizontal getrennte Schichten erzeugt:

• die Rauchschicht und
• die raucharme Schicht.

Direkt unterhalb der Raumdecke baut sich eine Rauchschicht auf. Im Aufenthaltsbereich von Personen baut sich eine raucharme Schicht auf, in der Rettungsmaßnahmen vorgenommen werden können und in der die Selbstrettung ermöglicht wird.

Wie wird das erreicht? Der sich durch das Brandgeschehen entwickelnde Thermikstrahl transportiert Schadstoffe und Rußpartikel nach oben in den Deckenbereich und nimmt dabei Luft aus der Umgebung auf. Dadurch wird sein Volumen und seine Masse vergrößert, gleichzeitig wird seine Temperatur verringert. Damit eine Entrauchung stattfinden und der Thermikvolumenstrom im oberen Bereich abgeführt werden kann, muss dieser im unteren Raumbereich möglichst bodennah und impulsarm durch unkontaminierte Zuluft ersetzt werden. Durch diese Bedingungen können sich die erwähnten Schichten im Raum ausbilden!
Die Schichtgrenze ergibt sich schließlich in der Raumhöhe, in der der abgeführte Rauchvolumenstrom mit dem nach oben transportierten Volumenstrom übereinstimmt.
Die bei diesem Strömungsprozess entstehenden Druckverluste an den Ab- und Zuluftöffnungen müssen dort überwunden werden. Bei natürlichen Entrauchungseinrichtungen muss dies durch den Auftriebsdruck, der sich aus der Dichtedifferenz zwischen der Rauchschicht, der Außenluft und der Dicke der Rauchschicht ergibt, aufgebracht werden. Bei mechanischer Ableitung muss dieser Druckabfall durch den Entrauchungsventilator überwunden werden. In der Regel werden in Räumen mit einer Fläche über 200 m² raucharme Schichten von mindestens 2,5 m über Boden angesetzt.

.

Abb. 3: Im oberen Bild ist eine maschinelle Rauchabzugsanlage (MRA) mittels Entrauchungsdachventilatoren, im unteren Bild der gleiche Anlagentyp unter Einsatz von Entrauchungs-Axialventilatoren dargestellt. (Abb. Trox TLT)

Zur Berechnung der Volumenströme und der Temperaturen bei der Auslegung von mechanischen Rauch- und Wärmeabzügen stellt die DIN 18232-5 „Rauch- und Wärmefreihaltung – Maschinelle Rauchabzugsanlagen (MRA); Anforderungen, Bemessung“ vom November 2012 die normative Grundlage dar. Ihr Anwendungsbereich erstreckt sich auf Räume mit einer Mindestraumhöhe von 3 m und Raumgrößen zwischen 400 m² und 1.600 m², wobei es für kleinere oder größere Räume Anpassungs- und Kompensationsoptionen gibt.

Die Auslegung einer MRA nach DIN 18232-5 erfolgt u.a. nach diesen Einzelschritten:

1. Festlegung der Bemessungsgruppe
2. Ermittlung Volumenstrom und Rauchschichttemperatur
3. Ermittlung der Temperaturklasse für die Entrauchungsventilatoren und -komponenten
4. Ermittlung der Anzahl der Absaugstellen
5. Planung der Nachströmung

Neugefasst wurde unter anderem, dass die Nachströmgeschwindigkeit beim Eintritt in den Rauchabschnitt 1 m/s nicht überschreiten sollte. Die Nachströmung ist sowohl bei MRA als auch natürlichen Rauchabzugsanlegen (NRA) relevant. Der notwendige Thermikstrahl kann sich nur bei kleinen Strömungsgeschwindigkeiten aufbauen. Bei zu hohen Geschwindigkeiten wird er zerstört, was eine Schichtung verhindert.

Falls im Einzelfall höhere Geschwindigkeiten zugelassen werden müssen, dürfen im Bereich der Nachströmöffnungen keine unnötigen Brandlasten platziert werden. So kann in diesem Bereich ein Brandherd ausgeschlossen werden; in den weiter angrenzenden Bereichen hat sich die Geschwindigkeit dann bereits wieder verringert. Denkbar ist aber auch, offenporige Prallplatten vor den Einströmöffnungen zu platzieren, bzw. die Fläche des Eintritts in den Rauchabschnitt genauestens zu bestimmen. So können die eigentlichen Öffnungen in der Gebäudehülle kleiner gewählt werden.
Positiv ist anzumerken, in der Norm der praktischen Ausführung mit dem Zusatz „sollte die Zuluftgeschwindigkeit 1 m/s nicht überschreiten“ entsprechend Rechnung getragen wurde.

Rauchabschnittsbildung

Gerade bei größeren Räumen ist es häufig erforderlich, Rauchabschnitte zu bilden, bzw. Gebäudebereiche so weit abzuschirmen, dass über einen längeren Zeitraum der Rauchübertritt von einem Gebäudeteil in den anderen verhindert werden kann. Dieses kann durch bauliche Maßnahmen wie Rauchschürzen oder Trennwände erreicht werden.

Abb 4: Beispiel zur Direkterfassung am Aufgang einer Metrostation. Die natürliche Außenluftzuführung von oben wird an dem Übergang in die Ladenstraße maschinell unterstützt. (Abb. Trox TLT)

Abb. 5: Beispiel einer Rauchabschnittsbildung in einer Tiefgarage in Budapest/Ungarn. Die Rauchausbreitung wird in den nächsten Abschnitt der Tiefgarage an der Durchfahrtsgrenze verhindert und somit kann die Feuerwehr ungehindert zum Brandherd vordringen. (Abb. Trox TLT)

Ist die Ausbildung von Rauchabschnitten weder durch statische noch durch bewegliche Rauchschürzen möglich (oder aus architektonischen Gründen unerwünscht), können auch lufttechnische Maßnahmen zur Ausbildung virtueller Rauchabschnitte eingesetzt werden. Hierzu gehören Rauch-Direkterfassungssysteme (z. B. „Drallhauben“ oder „Drallrohre“).
Die Entwicklung der Direkterfassung erfolgte in Analogie zur Schadstofferfassung in der Industrie, bei der die beim Produktionsprozess entstehenden Gefahrstoffe möglichst unmittelbar an der Entstehungsstelle erfasst und abgeführt werden. Mit der Direkterfassung verbunden sind zwei sich ergänzende Vorteile:
Durch die Erfassung des Rauchs in unmittelbarer Nähe des Brandherds wird die Lauflänge des Thermikstrahls minimiert und der in den Strahl eingetragene Luftanteil durch Induktionsprozesse reduziert. Damit verbunden ist eine Minimierung des abzusaugenden Rauchstroms. Die Rauchausbreitung im Raum wird im Wesentlichen verhindert.

Mit derartigen Erfassungseinrichtungen können virtuelle Rauchabschnitte aufgebaut werden und lässt sich verhindern, dass es zu einem Rauchübertritts in Gebäudeteile mit großen Raumhöhen oder an Treppenaufgängen kommt. Typische Anwendungsbeispiele hierfür sind Galerien, Gänge und Tunnel für ankommende Reisende in Flughäfen, Gepäckausgaben in Flughäfen oder Rauchabschnittsbildung in Tiefgaragen, z. B. an Auffahrtsrampen, sowie Verbindungsgänge in unterirdischen Verkehrsanlagen.

Rauchfreihaltung durch Überdruckanlagen

Anlagen zur Rauchfreihaltung haben die Aufgabe, Flucht- und Rettungswege, insbesondere Sicherheitstreppenräume und Feuerwehraufzugsschächte, rauchfrei zu halten, um im Gebäude befindlichen Personen die Flucht zu ermöglichen und den Einsatzkräften der Feuerwehr die Fremdrettung und die Durchführung von Löschmaßnahmen zu erleichtern.

Soll das Eindringen von Rauch in Rettungswege verhindert werden, die offen (offene Gänge oder Fluchttunnel), durch größere Leckagen (z. B. Lichtöffnungen) oder durch Türen mit dem Brandraum in Verbindung stehen, so kann dies nur durch eine gezielte Außenluftströmung von den zu schützenden Bereichen in den Brandbereich erreicht werden. Eine solche Strömung kann sich dann einstellen, wenn entweder im Brandraum ein entsprechender Unterdruck gegenüber dem zu schützenden Raum oder in dem zu schützenden Raum ein Überdruck zum Brandraum erzeugt wird. Bei einem Unterdruck im Brandraum ist darüber hinaus sicherzustellen, dass eine permanente Außenluftnachströmung zum zu schützenden Raum erfolgt. Bei einem Überdruck im zu schützenden Bereich (Treppenraum, Fluchttunnel oder Flur) muss sichergestellt sein, dass eine permanente, hinreichend große Abströmung aus dem Brandraum erfolgt. Diese Anlagen werden in der Regel Differenzdruckanlage (RDA), Differenzdrucksystem oder Rauchschutzdruckanlage genannt.

Abb. 6: Beispiel einer Rauchschutzdruckanlage mit Zuluftventilator im Kellerbereich und der Regelklappe im oberen Bereich des Treppenraums. (Abb. Trox TLT) Eine solche Rauchschutzdruckanlage muss auf die folgenden Zustände reagieren können:

a) Alle Türen des Treppenraumes sind geschlossen.
Im Treppenraum wird ein kontrollierter Überdruck aufgebaut. Als Mindestdruck, der bei der Abnahme nachzuweisen ist, wird eine Druckdifferenz von DELTA-p=15 Pa empfohlen.
Die Türöffnungskraft darf zu keinem Zeitpunkt mehr als 100 N betragen.

b) Die Tür bzw. beide Schleusentüren zum Brandgeschoss sind geöffnet.
Besteht im Brandgeschoss eine offene Verbindung durch eine geöffnete Tür bzw. zwei gleichzeitig geöffnete Schleusentüren, so müssen diese Querschnitte vom zu schützenden Bereich in Richtung des Brandgeschosses durchströmt werden. Damit diese Durchströmung dauerhaft erfolgen kann, müssen in dem nachgelagerten Bereich Abströmwege vorhanden und wirksam sein.
Eine Durchströmung von 1m/s ist für die Entfluchtungsphase, bei der von noch geringen Brandraumtemperaturen auszugehen ist, sicherzustellen. Das gilt auch, wenn diese durch bauliche Verhältnisse (längerer Flur) zu erwarten sind (Satz etwas unklar).

Eine Geschwindigkeit von 2 m/s ist für die Phase der Fremdrettung durch die Feuerwehr, bei der mit höheren Brandraumtemperaturen zu rechnen ist, sicherzustellen. Bei Sicherheitstreppenräumen in Hochhäusern sollte deshalb für die Dimensionierung grundsätzlich eine Durchströmungsgeschwindigkeit von 2 m/s angesetzt werden.

Fazit

Zwischen dem jeweiligen Schutzziel, der Einhaltung von baurechtlich vorgegebenen Grenzen sowie den für die Entrauchung zu beachtenden Regeln gibt es einen klaren Zusammenhang. Dabei geht der Gesetzgeber von einer Mindestanforderung und sogenannten Standardbauten ohne Abweichungen aus, bei denen die Entrauchung nur dem Ziel „Unterstützung eines Feuerwehrangriffs“ dienen muss. Standardbauten ohne Abweichungen werden in der Praxis oft nicht realisiert. Bei fast allen öffentlichen Gebäuden handelt es sich um Sonderbauten (Flughäfen, Verkaufsstätten, Parkgaragen oder Versammlungsstätten), für die weitere Schutzziele existieren. Zu deren Einhaltung bzw. Kompensation der Abweichung ist in den meisten Fällen eine qualifizierte Entrauchungsanlage sinnvoll und notwendig. Dies gilt auch, wenn die quantitativen Grenzen (Abweichungen) des Baurechts überschritten werden.
Der VDMA hat sich mit dieser Problematik eingehend beschäftigt und das „Grundlagenpapier Entrauchung“ erarbeitet, das über die VDMA-Website kostenfrei zur Verfügung steht.

Glossar

Formelle Abweichung
Eine formelle Abweichung stellt das Bauen entgegen der Baugenehmigung oder das Bauen ohne Baugenehmigung dar. Entgegen der Baugenehmigung könnte zum Beispiel sein, dass in der Baugenehmigung eine Druckbelüftungsanlage gefordert ist. Diese wurde jedoch nicht eingebaut.

Materielle Abweichung
Planungen von Gebäuden oder Anlagen, die entgegen den Vorgaben der Bauordnung oder den technischen Baubestimmungen erfolgen, stellen eine materielle Abweichung dar, z. B. Überschreitung der zulässigen Fluchtweglänge oder Brandabschnittsgrößen.

Virtueller Rauchabschnitt
Rauchabschnitte werden üblicherweise räumlich getrennt. In der Regel geschieht dies durch Wände oder Rauchschürzen. Bei „virtuellen“ Rauchabschnitten erfolgt die Trennung durch lüftungstechnische Maßnahmen, z. B. eine Drall- oder Direktabsaugung, bzw. in Parkgaragen gerichtete Luftströmung mittels Schachtventilatoren deren Grundströmung durch Jetventilatoren unterstützt werden.
 

Autor
Dipl.-Ing. Udo Jung, Geschäftsführer der Trox TLT GmbH, Bad Hersfeld, und der Trox GmbH, Neukirchen-Vluyn. Seit 2013 ist er außerdem Bereichsleiter des Produktmanagements Sicherheitstechnik bei Trox.

Artikelnummer: cci94542