Brandschutz 01.02.2017, 00:00 Uhr

Die Rolle von Druckbelüftungsanlagen im Ernstfall

Im Brandfall ist die Rauchfreihaltung von Flucht- und Rettungswegen von großer Bedeutung. Treppenräume dienen zur vertikalen Erschließung aller Nutzungsbereiche in einem Gebäude und zählen somit zum wichtigsten Teil von Flucht- und Rettungswegen. Mit einer Druckbelüftungsanlage (DBA) wird eine Rauchfreihaltung gewährleistet und ermöglicht eine Selbst- und Fremdrettung bei einer starken Rauchentwicklung im Brandfall. Der nachfolgende Beitrag handelt über das o.g. Thema und beschreibt zusätzlich ein excelbasierendes Berechnungsprogramm, womit eine DBA ausgelegt werden kann.

Bild: panthermedia.net/fotoplanner

Bild: panthermedia.net/fotoplanner

Druckbelüftungsanlagen1) sind lüftungstechnische Anlagen, die einer Rauchausbreitung im Brandfall entgegen wirken. Eine Druckbelüftungsanlage saugt Außenluft an und bläst diese, je nach Höhe des Treppenraumes (TR), entweder an einer oder auch an mehreren Stellen im TR (Multiple Einblasung) aus. Infolge des Druckunterschiedes im Treppenraum und einer Abströmgeschwindigkeit ins Brandgeschoss (bei geöffneten Türen im Brandgeschoss), können keine gefährlichen Rauchgase die Flucht- und Rettungswege unpassierbar machen. Je nach Vorgaben, aus dem Brandschutzkonzept oder auch von der örtlichen Feuerwehr, werden verschiedene Brandbekämpfungsszenarien abgestimmt. Hierbei werden diverse Auslegungsbedingungen für die Dimensionierung festgelegt. Folgende Auslegungsbedingungen müssen bestimmt werden:

  • Höhe des Gebäudes
  • Druckdifferenz im TR
  • Abströmgeschwindigkeiten vom TR in die Nutzungsbereiche
  • Öffnungsverhalten von Türen im Brandfall (Selbstschließung und max. 100N Öffnungskraft)
  • Multiple Einblasung

In der Regel werden die Auslegungsparameter im Brandschutzkonzept oder in einem gesonderten Funktionsgutachten festgelegt. Als Grundlage für die Auslegungsbedingungen dienen die DIN EN 12 101–6, die VDMA 24188 und – bei Hochhäusern – die Hochhausrichtlinie des entsprechenden Bundeslandes.

Somit wären eine Selbstrettung der betroffenen Personen im Gebäude und auch Brandbekämpfungen durch die Feuerwehr möglich (Schutzziel vgl. §14 MBO oder §17 Abs. 1 BauO NRW). Gerade in den letzten Jahren, seit der Entstehung von Hochhausprojekten sowie der Anhebung der sicherheitstechnischen Anforderungen in Deutschland, werden Druckbelüftungsanlagen standardisiert und auch baurechtlich gefordert ((„101 SBauVO NRW (für innenliegende SiTr und FW- Aufzüge) und 6.2 Muster- Hochhausrichtlinie)).

Ausgangslage

Im Rahmen eines Masterprojektes im Masterstudiengang „Green Building Engineering“ an der Technischen Hochschule Köln, wurde ein auf Excel basierendes Auslegungsprogramm entwickelt. In frühen Planungsphasen ist somit eine Dimensionierung einer solchen Anlage in wenigen Schritten möglich.

Das Berechnungsprogramm ist in vier Kategorien unterteilt. In der ersten Kategorie „Allgemeine Daten“ werden diverse Abfragen, wie z. B. Projektdaten, Geschossaufbau, Systemvarianten, Einbaukomponenten usw. vom Nutzer getätigt. Diese Eingaben sind Grundlage für die Auslegung der DBA. In der zweiten Kategorie „Berechnungen“ werden hauptsächlich alle Ergebnisse, mit geringfügigen Abfragen (z. B. Auslegungssicherheit), angezeigt. In der dritten Kategorie „Auswertung“ werden anhand von Diagrammen alle Ergebnisse aufgeführt und lassen sich somit analysieren. In der letzten Kategorie „Ausgabedatei“ werden die wichtigsten Informationen automatisch zusammengefasst und können letztendlich als PDF-Format exportiert werden.

Berechnungsgrundlagen

Ziel der Dimensionierung einer Druckbelüftungsanlage ist es, den erforderlichen Auslegungsvolumenstrom zu ermitteln. Hierbei wird der Luftvolumenstrom benötigt, um den gewünschten Druckunterschied zwischen TR und Nutzungseinheit aufrecht zu halten und eine Abströmung ins Brandgeschoss sicher zu stellen. Die Summe des Auslegungsvolumenstromes setzt sich unter anderem aus der Undichtigkeit von Fenstern, Türen, Überströmöffnungen und der Gebäudehülle zusammen. Überwiegend wird jedoch der Auslegungsvolumenstrom von der Abströmung durch offene Treppenraumtüren in einem Brandfall bestimmt. Daher ist es wichtig, zu Beginn einer Dimensionierung, die Anzahl an offenen Türen in einem Brandfall zu bestimmen. Hierfür werden diverse Brandszenarien durchgespielt, an denen man sich in einem Brandfall letztendlich zwingend halten muss, da sonst die Ventilatorleistung nicht ausreichend bemessen ist und der Druckunterschied nicht gehalten werden kann. Die Berechnung des Volumenstroms durch Undichtigkeiten erfolgt anhand Gl. (1) [1], die sich aus der Bernoulli-Gleichung herleiten lässt.

 

 

Hierbei ist für das ∆P der gewünschte Druckunterschied einzutragen. Den Reibungsverlust des jeweiligen Bauteils berücksichtigt man durch den Wert x. A ist die Fläche des Spaltes z. B. bei einem Fenster. Somit erhält man den Volumenstrom eines undichten Bauteils.

Im Auslegungsprogramm können die o. g. Berechnungsparameter benutzerdefiniert eingegeben werden. Eine Auswahl von Standardwerten ist ebenfalls möglich. Das nachfolgende Bild zeigt einen Ausschnitt der Eingabemaske.

Programmscreenshot, Allgemeine Angaben Türen und Fenster. Bild: Totaro/Hausmann

Programmscreenshot, Allgemeine Angaben Türen und Fenster. Bild: Totaro/Hausmann

Hier lassen sich die Parameter für folgende Bauteile festlegen:

  • T30 RS Türen einflügelig
  • T30 RS Türen zweiflügelig
  • T30 Türen einflügelig
  • T30 Türen zweiflügelig
  • Fenster
  • Aufzugstüren
  • Eingangstüre
  • Überströmöffnungen

Durch Auswahl „Vorgabe“ werden die hinterlegten Werte für die Berechnung verwendet. In der Tabelle sind die hinterlegten Werte aufgeführt.

Vordefinierte Eingangsparameter für Türen und Fenster.

Vordefinierte Eingangsparameter für Türen und Fenster.

Bei einer geöffneten Tür lässt sich der erforderliche Volumenstrom vereinfacht anhand Gl. (2) [1] ermitteln.

 

Hier wird lediglich die Abströmgeschwindigkeit u mit der Öffnungsfläche A der geöffneten Tür multipliziert. Somit lässt sich mit Gl. (2) der Volumenstrom berechnen, der benötigt wird bei einer geöffneten Tür.

Wenn im Brandschutzgutachten noch keine speziellen Anforderungen gestellt werden, kann eine Systemvariante gemäß VDMA 24188 oder DIN EN 12101–6 gewählt werden (siehe Tabelle).

Systemvarianten gemäß VDMA 24188 und DIN EN 12101–6.

Systemvarianten gemäß VDMA 24188 und DIN EN 12101–6.

Diese muss mit den beteiligten Personen (insb. der Feuerwehr) abgestimmt sein. Hierbei wird unterschieden zwischen der Systemvariante „Spüllüftung“ bis Systemvariante „Klasse A – E“. Durch Auswahl einer Systemvariante ändern sich die Parameter für Abströmgeschwindigkeit, Druckunterschied und Anzahl geöffneter Türen.

Berechnungsbeispiel

Eingangsparameter für die Beispielberechnung

  • Grundfläche TRH: 15 m2
  • Höhe des TRH: 33 m
  • Anzahl Geschosse: 10 Obergeschosse
  • Lage des TRH: Außenliegend mit Fenstern
  • Vorgelagerter Flur: Ja
  • Ausgewählte Systemart: Klasse C
  • Abströmgeschwindigkeit: 0,75 m/s
  • Druckunterschied: 10 Pa & max. 50 Pa
  • Geöffnete Türen: nur Eingangstüre
  • Anzahl gesch. Türen: 22
  • Anzahl gesch. Fenster: 11
  • Anzahl Überströmven.: 11

Nach dem die Eingangsparameter im Auslegungsprogramm eingegeben wurden, erfolgt die Berechnung des Auslegungsvolumenstromes gemäß den o. g. Berechnungsgrundlagen. Es wird einmal der Volumenstrom ermittelt, der benötigt wird, wenn alle Türen geschlossen sind (mind. 3 000 m3/h) und der für die ausgewählte Systemart in einem Brandfall.

Hierbei spielt auch der verwendete Druckunterschied eine Rolle. Wenn alle Türen geschlossen sind und der TR durchspült wird, herscht ein Druckunterschied von 50 Pa. Sobald eine Tür geöffnet wird, sinkt der zu haltende Druckunterschied auf 10 Pa im gesamten TR. Daher sind die Volumenströme bei der Spüllüftung für geschlossene Türen, Fenster, Überströmventile und Leckage größer als die bei Klasse C. Der Auslegungsvolumenstrom lässt sich somit aus den aufgeführten Volumenströmen kumulieren.

Berechnung: Spüllüftung-Volumenstrom

T30 RS Türen einflügelig (geschlossen) (Anzahl 22):

 

 

 

 

Eingangstüre:

 

 

 

 

Fenster & Überströmventile:

 

 

 

 

Die Berechnung des Volumenstroms für Fenster und Überströmventile erfolgt wie für geschlossene Türen.

Leckage Gebäudehülle:

Die Leckage wird gemäß DIN EN 12101–6 anhand von spezifischen Tabellenwerten und dem Umfang des Treppenraumes ermittelt.

Daraus resultiert:

 

 

 

 

 

Berechnung: Klasse C-Volumenstrom

T30 RS Türen einflügelig (geschlossen) (Anzahl 22):

 

 

 

 

 

Eingangstüre:

 

 

 

 

Fenster & Überströmventile:

 

 

 

Die Berechnung des Volumenstroms für Fenster und Überströmventile erfolgt wie für geschlossene Türen.

Leckage Gebäudehülle:

Die Leckage wird gemäß DIN EN 12101–6 anhand von spezifischen Tabellenwerten und dem Umfang des Treppenraumes ermittelt.

Daraus resultiert:

 

 

 

 

 

Auslegungssicherheit

In Abhängigkeit von der ausgewählten Auslegungssicherheit wird auf die Summe der Volumenströme ein Zuschlag addiert. Die Sicherheitsstufen lassen sich wie folgt unterteilen:

  • Keine Auslegungssicherheit: 0 %
  • geringe Auslegungssicherheit: 15 %
  • mittlere Auslegungssicherheit: 30 %
  • hohe Auslegungssicherheit: 50 %

Empfohlen wird in dem Auslegungsprogramm die mittlere Auslegungssicherheit zu wählen. Gemäß der DIN EN 12101-6 soll die hohe Auslegungssicherheit verwendet werden.

Die Thermik ist stark abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen dem Innen- und Außenbereich. Daher spielt die Betrachtung des Sommer- und Winterfalls für die Auslegung des Ventilators eine große Rolle.

Berechnung Ventilatorleistung, Thermik. Bild: Totaro/Hausmann

Berechnung Ventilatorleistung, Thermik. Bild: Totaro/Hausmann

Bevor die Leistung ermittelt werden kann, müssen noch diverse Parameter festgelegt werden um die o. g. Thematik zu berücksichtigen. Hierbei wird der thermische Auftrieb berücksichtigt zur Ermittlung der notwendigen Pressung des Ventilators. Diese ist im Winterfall geringer als im Sommerfall.

Um die Ventilatorleistung richtig berechnen zu können, müssen auch die Druckverluste ermittelt werden, die durch das Kanalnetz verursacht werden. Auch hier können die Werte benutzerdefiniert eingegeben werden.

Berechnung Ventilatorleistung, Druckverluste durch Kanalnetz. Bild: Totaro/Hausmann

Berechnung Ventilatorleistung, Druckverluste durch Kanalnetz. Bild: Totaro/Hausmann

Anhand von diversen Anlagentypen können auch vordefinierte Werte ausgewählt werden.

Im letzten Schritt überprüft das Auslegungsprogramm automatisch den maximal zulässigen Druckunterschied zwischen Treppenraum und Nutzungseinheit.

Berechnung der maximalen Türöffnungskraft gemäß VDMA 24188. Bild: Totaro/Hausmann

Berechnung der maximalen Türöffnungskraft gemäß VDMA 24188. Bild: Totaro/Hausmann

Wird dieser überschritten, kann es in einem Brandfall dazu führen, dass die Tür nicht geöffnet werden kann. Die Vorgehensweise ist basierend auf der VDMA 24188.

Beispielrechnung:

 

 

 

Dpmax = 56 Pa

 

Der Druckunterschied zwischen TR und NE darf max. 56 Pa betragen. Die für die Auslegung zugrunde gelegten Druckunterschiede sind somit zulässig.

Fazit

Ein Konzept für Druckbelüftungsanlagen sollte in der Vorplanungsphase zunächst mit den nachfolgenden Projektbeteiligten abgestimmt werden:

  • Architekt(in)
  • Ersteller(in) des Brandschutzkonzeptes
  • Statiker(in)
  • Prüfsachverständigen
  • Behörden (z. B. Feuerwehr)

Die Planung ist (in einigen Bundesländern) durch die Bauvorlageberechtigten zur Genehmigung bei der Behörde einzureichen (Lüftungsgesuch). Baurechtlich können Druckbelüftungsanlagen gefordert werden, wenn nur ein Rettungsweg (i.d.R. ein TR mit unzureichender Anleiterbarkeit) vorhanden ist, der rauchfrei zu halten ist; z. B. bei Sicherheitstreppenräumen in Hochhäusern auf Grundlage des SBauVO § 101. In den frühen Planungsphasen soll das Programm als überschlägige Berechnungsgrundlage dienen. Durch diverse Eingabemöglichkeiten lassen sich eine Vielzahl von verschiedenen Anlagentypen berechnen.

 

1) Auch RDA (Rauchschutz- Druck- Anlagen) oder SÜLA (Sicherheits- Überdruck- Anlagen) genannt.

 

 

Literatur:

[1] Recknagel-Sprenger-Schramek, Taschenbuch für Heizung + Klimatechnik, Kapitel 1.4.9

Von Matteo Totaro und Prof. Dr.-Ing. Felix Hausmann

Matteo Totaro, B. Eng., Jahrgang 1990, Materstudent im Studiengang „Green Building Engineering“ an der TH Köln.Prof. Dr.-Ing. Felix Hausmann, Jahrgang 1974, Professor im Institut für Technische Gebäudeausrüstung an der TH Köln.

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