Maschinelle Rauchabzugsanlagen 01.07.2017, 00:00 Uhr

Anforderungen und Bemessungen nach DIN 18232 Teil 5

In Sonderbauverordnungen, wie beispielsweise der Muster-Versammlungsstättenverordnung(MVStättVO), werden Anforderungen an den Brandschutz klar definiert. Darin finden sich Regelungen für die Rauchableitung, um eine wirksame Unterstützung der Feuerwehr im Brandfall sicherzustellen. Gehen die Anforderungen an die Rauchableitung über die reine Unterstützung des Feuerwehrangriffs hinaus oder liegen Abweichungen zum Baurecht bezüglich öffentlich relevanter Schutzziele vor, dann reichen die Mindestanforderungen nach Sonderbauverordnung in der Regel nicht mehr aus. In diesen Fällen kann das Schutzziel z. B. mittels einer Anlagenauslegung nach Ingenieurmethoden oder mit einer qualifizierten Rauchabzugsanlage mit Anforderungen und Bemessungen nach DIN 18232 erreicht werden.

Bild: panthermedia.net/fotoplanner

Bild: panthermedia.net/fotoplanner

Entrauchungssysteme nach DIN 18232 haben die Aufgabe, im Brandfall eine raucharme Schicht über dem Boden sicherzustellen. Dadurch sollen Sichtverhältnisse gewährleistet werden, die die Eigenrettung von Nutzern des Gebäudes sowie eine aktive Brandbekämpfung durch die Feuerwehr ermöglichen. Die Erzeugung von raucharmen Bereichen und die Ableitung der heißen Brandgase reduzieren zusätzlich die Brandfolgeschäden durch thermische Einwirkungen am Gebäude. Die Bemessung der Entrauchungsanlagen erfolgt nach:

  • DIN 18232–2 für Natürliche Rauchabzugsanlagen (NRA)
  • DIN 18232–5 für Maschinelle Rauchabzugsanlagen (MRA)

Maschinelle Rauchabzugsanlagen

Ist durch die baulichen Gegebenheiten der Einsatz einer natürlichen Rauchabzugsanlage (NRA) nicht möglich (z. B. mehrgeschossige Gebäude oder innenliegende Bereiche), so kommt eine maschinelle Rauchabzugsanlage (MRA) mit Entrauchungsventilatoren zum Einsatz. Diese werden aber nicht nur aus baulichen Gründen an Stelle einer natürlichen Entrauchungsanlage vorgesehen – häufig spricht auch ein Investitionskostenvergleich für ein maschinelles Entrauchungssystem. Bei einer MRA erfolgt der Abtransport der Rauchgase mittels geeigneter Entrauchungsventilatoren nach DIN EN 12101–3. In Abhängigkeit der verbrennenden Materialien bildet sich im Brandfall in kürzester Zeit toxischer Rauch. Aufgrund des thermischen Auftriebs staut sich das Rauchgas unterhalb der Decke und bildet ein Polster, das sich im weiteren Verlauf des Rauchs horizontal unter der Decke ausbreitet. Eine maschinelle Entrauchung verfolgt das Schutzziel, im unteren Bereich eine raucharme Schicht zu schaffen. Diese ermöglicht die Selbstrettung der sich im Gebäude befindenden Personen sowie die Durchführung von Rettungs- und Brandbekämpfungsmaßnahmen durch die Feuerwehr. Über ausreichend dimensionierte Nachströmöffnungen (Nachströmgeschwindigkeit ≤ 1 m/s) wird aufgrund der Absaugung der heißen Rauchgase und des durch den Brand entstehenden Unterdrucks, im unteren Gebäudebereich ausreichend Frischluft eingebracht.

Gleichgewichtszustand zwischen zuströmender Luft und abfließenden Rauchgasen. Bild: Helios Ventilatoren

Gleichgewichtszustand zwischen zuströmender Luft und abfließenden Rauchgasen. Bild: Helios Ventilatoren

Bemessung von maschinellen Rauchabzugsanlagen

Die Bemessung von maschinellen Rauchabzugsanlagen ist in der DIN 18232 Teil 5 festgelegt. Andere Bemessungs- und Auslegungsvarianten sind möglich, sofern diese begründet sind. Es empfiehlt sich, bereits in der Planungsphase die Methodik der Bemessung einer maschinellen Rauchabzugsanlage mit den baurechtlich relevanten Stellen (Brandschutzsachverständige, Behörden, örtliche Feuerwehr, etc.) abzustimmen und zu koordinieren. Die nachfolgend aufgeführten Berechnungsschritte können daher nur als Vorschlag verstanden werden. Eine endgültige Festlegung ist in Konformität mit den geltenden Gesetzen und Normen in Übereinstimmung mit der zuständigen Behörde zu treffen.

Anwendung der DIN 18232–5

Eine Auslegung nach DIN 18232–5 kann erfolgen, wenn es sich bei dem zu entrauchenden Bereich um einen großflächigen Raum mit einer lichten Höhe von mindestens 3 m handelt und die Bemessungsgrundlagen der Norm erfüllt sind:

  • Frühzeitige Aktivierung der MRA durch eine automatische Brandmeldeanlage oder unverzüglich durch ständig anwesendes, eingewiesenes Personal (z. B. Brandwachen)
  • Mittlere Brandausbreitungsgeschwindigkeit bei einer Brandentwicklungsdauer von ca. 10 Minuten bis zum Beginn der Löschmaßnahmen (Brandfläche ≤ 80 m²)
  • Eine ausreichend groß dimensionierte und gleichmäßig verteilte bodennahe Zuluftzuführung (Nachströmgeschwindigkeit ≤ 1 m/s)
  • Unterteilung großer Räume in Rauchabschnittsflächen mittels Rauchschürzen. (Standard ≤ 1 600 m², erweiterbar auf max. 2 600 m²)
  • Wärmefreisetzungsraten von Feststoffbränden (300 kW/m² als Regelfall und 600 kW/m²) mit Rauchschichttemperaturen unterhalb eines Flash-Overs

Zunächst ist zur Dimensionierung der MRA die Bemessungsgruppe zu ermitteln. Hierbei handelt es sich um eine rechnerische Brandfläche, welche von der Brandentwicklungsdauer und der Brandausbreitungsgeschwindigkeit abhängt.

Ermittlung der Bemessungsgruppe einer MRA nach DIN 18232–5

Ermittlung der Bemessungsgruppe einer MRA nach DIN 18232–5

Die anzusetzende Brandentwicklungsdauer ist abhängig von dem zeitlichen Eintreffen der Feuerwehr. Sie beschreibt die Zeit von der Brandentstehung bis zum Beginn der Brandbekämpfung. Üblicherweise ist eine Zeit von 10 min anzusetzen. Bei sehr günstigen Randbedingungen (Werkfeuerwehr) kann die Zeit auf 5 min reduziert werden. Bei ungünstigen oder gar außergewöhnlichen Umständen ist der Wert auf 15 bzw. 20 min zu erhöhen. Die Brandausbreitungsgeschwindigkeit ist abhängig von der Brennbarkeit der Brandlast. Im Normalfall ist hier der mittlere Wert anzusetzen. Geringe Brandausbreitungsgeschwindigkeiten können bei brennbaren Stoffen in nicht brennbarer Verpackung angenommen werden. Große Brandausbreitungsgeschwindigkeiten sind anzusetzen, wenn Stoffe mit hoher Flammausbreitungsgeschwindigkeit vorhanden sind. Die ermittelte Bemessungsgruppe darf im Falle einer Sprinkleranlage um eine Stufe reduziert werden. Beträgt die Lagerguthöhe > 1,50 m ist die ermittelte Bemessungsgruppe um eine Stufe zu erhöhen. Wurde Gruppe 5 bereits erreicht, so darf die Lagerguthöhe 1,50 m nicht überschreiten.

Volumenstrombestimmung

Der für den Rauchabschnitt (Stan-dard ≤ 1 600 m², erweiterbar auf max. 2 600 m²) abzuführende Rauchgas-Volumenstrom ist nach Tabellen zu ermitteln. In Abhängigkeit der Höhe der raucharmen Schicht, Wärmefreisetzungsrate und Bemessungsgruppe ist der Entrauchungsvolumenstrom darin vorgegeben.

Abzuführender Rauchgasvolumenstrom (m3/h) je Rauchabschnitt (DIN 18232–5)

Abzuführender Rauchgasvolumenstrom (m3/h) je Rauchabschnitt (DIN 18232–5)

Die Norm unterscheidet hierbei zwei Wärmefreisetzungsraten :

  • 300 kW/m²
  • 600 kW/m²

Der Rauchgasvolumenstrom muss über temperaturbeständige Entrauchungsventilatoren abgeführt werden. Zum Einsatz können nachfolgende Typen verwendet werden:

  • Dachventilatoren
  • Wandventilatoren
  • Zentralventilatoren

Zuluftnachströmung / Zuluftnachströmöffnung

Eine funktionstüchtige Nachströmöffnung ist für den funktionierenden Betrieb einer maschinellen Rauchabzugsanlage unerlässlich. Die Zuluft muss bodennah innerhalb der raucharmen Schicht mit einer Strömungsgeschwindigkeit von max. 1 m/s einströmen. Bei der Planung ist darauf zu achten, dass die Oberkante der Nachströmöffnung mindestens 1,0 m unterhalb des Rauchgaspolsters liegt. Haben die Nachströmöffnungen eine maximale Breite von 1,25 m, kann der minimale Abstand auf 0,5 m reduziert werden. Kann die Forderung im Hinblick auf die maximale Nachströmgeschwindigkeit nicht erfüllt werden, können in Absprache mit dem zuständigen Sachverständigen folgende Kompensationen möglich sein:

  • Einbau offenporiger Prallplatten
  • Reduzierung oder Verzicht von Brandlasten im Nachströmbereich
  • Geringe Wirktiefe bzw. Auswirkung der Nachströmöffnung

Rauchabschnittsflächen

Die DIN 18232–5 setzt in ihrer Anwendung voraus, dass die zu entrauchenden Räume eine maximale Größe von 1 600 m² aufweisen. Größere Räume sind mittels Rauchschürzen in maximal 1 600 m² große Rauchabschnittsflächen zu unterteilen. Bei Erhöhung des Volumenstroms der Entrauchungsventilatoren kann die Rauchabschnittsfläche auf bis zu 2 600 m² erhöht werden. Hierzu sind die Werte (Tabelle) ab einer Größe von 1 600 m² für jede angefangenen 100 m² um 10 % zu erhöhen.

Mittlere Rauchschichttemperatur und Temperaturklassen

In der folgenden Tabelle kann, unter Berücksichtigung der gleichen Parameter wie bei der Vorgehensweise zur Volumenstromermittlung, die mittlere Rauchschichttemperatur in Grad Celsius abgelesen werden.

Mittlere Rauchschichttemperatur TRS in °C nach DIN 18232–5

Mittlere Rauchschichttemperatur TRS in °C nach DIN 18232–5

Dieser Wert ist unter anderem fur die Ermittlung der Anzahl der Absaugstellen sowie für das eventuelle Volumenstromkorrekturverfahren notwendig.

Die nächste Tabelle gibt die Temperaturkategorie der Entrauchungsventilatoren nach DIN EN 12101–3 wieder.

Temperaturklassen der Entrauchungsventilatoren nach DIN 18232–5

Temperaturklassen der Entrauchungsventilatoren nach DIN 18232–5

Hier gelten die gleichen Projektierungsparameter wie in der zweiten und dritten Tabelle. Diese Temperaturanforderungen gelten auch fur alle notwendigen Zubehörteile der Entrauchungsventilatoren wie:

  • Schalldämpfer
  • Elastische Stutzen
  • Schwingungsdämpfer
  • Rohrverschlussklappen
  • Ansaugdüsen

Volumenstromkorrekturverfahren

In der alltäglichen Praxis bei Entrauchungsprojekten stellen die großen Entrauchungsvolumenströme alle Projektparteien vor große Herausforderungen. Das in der Norm angegebene Korrekturverfahren für die Reduzierung der Entrauchungsvolumenströme nach der zweiten Tabelle kann hierbei die oft notwendige Abhilfe schaffen. Hierbei finden die tatsächlich auftretenden Wärmeverluste der Rauchschicht ihre Berücksichtigung. Im Entrauchungsfall kommt es aufgrund der hohen Temperaturdifferenz zwischen Rauchgasschicht und der Umgebung zu einer hohen Wärmetransmission. Dieser Verlustwärmestrom hat eine Abkühlung des Rauchgaspolsters zur Folge. Aus der Abkühlung der Rauchgasschicht resultiert eine nicht zu vernachlässigende Reduktion des Rauchgasvolumens. Diese Reduzierung hat verminderte Anforderungen an den abzuleitenden Rauchgasvolumenstrom und die Temperaturanforderungen der Entrauchungsprodukte zur Folge.

Der unter Berücksichtigung der Wärmeverluste reduzierte Volumenstrom errechnet sich nach:

 

 

 

Dabei ist:

 

mit:

d    Strahlungsfaktor = 0,031(AR)

TRS  Mittlere Rauchschichttemperatur nach Tabelle 3 in absoluter Angabe (K), Wert + 273 K

T∞  Umgebungs- bzw. Zulufttemperatur [K] = 293 K

VRS Rauchgasvolumenstrom (m3/s) nach Tabelle 2

cp    Spezifische Wärmekapazität des Rauchgases = 1 010 J/(kg K)

Ui   Wärmedurchgangskoeffizient des in der Rauchschicht liegenden Bauteils (W/(m2 K))

Ai   Fläche des in der Rauchschicht liegenden Bauteils (m2)

AR   Rauchabschnittsfläche (m2)

Anzahl der Absaugstellen

Als Absaugstellen sind im Sinne der Norm alle Absaugstellen in einer Entrauchungsleitung und direkt wirkende Entrauchungsventilatoren (z. B. Dach- und Wandventilatoren mit direkter Ansaugung) zu verstehen. Die Anzahl der notwendigen Absaugstellen kann der folgenden Tabelle entnommen werden.

Maximal zulässiger Rauchgasvolumenstrom an der Absaugstelle in m3/h nach DIN 18232–5

Maximal zulässiger Rauchgasvolumenstrom an der Absaugstelle in m3/h nach DIN 18232–5

 

Hier kann, unter Berücksichtigung der Dicke der Rauchschicht an der Absaugstelle und der mittleren Rauchschichttemperatur der maximal zulässige Rauchgasvolumenstrom abgelesen werden.

Schematische Darstellung des Brandraums

Schematische Darstellung des Brandraums

Quelle: Schematische Darstellung des Brandraums

Die Dicke der Rauchschicht an der Absaugstelle ergibt sich gemäß des zweiten Bildes, die mittlere Rauchschichttemperatur ist der dritten Tabelle zu entnehmen.

Zwischen den Entrauchungsöffnungen sind Mindestabstände einzuhalten. Die vorgegebenen Abstände beziehen sich auf den Abstand der jeweiligen Außenkanten. Der Mindestabstand (m) errechnet sich nach:

Einbau von Entrauchungsventilatoren

Der Einbau wird im VDMA Einheitsblatt 24177 beschrieben. Es stehen drei unterschiedliche Aufstellarten zur Verfügung.

  • Aufstellung des Entrauchungsventilators außerhalb des Rauchabschnitts und außerhalb des Gebäudes.
Ventilatoren außerhalb des Rauchabschnitts und außerhalb des Gebäudes. Bild: Helios Ventilatoren

Ventilatoren außerhalb des Rauchabschnitts und außerhalb des Gebäudes. Bild: Helios Ventilatoren

 

  • Aufstellung des Entrauchungsventilators außerhalb des Rauchabschnitts, innerhalb von Gebäuden im ausreichend belüfteten Raum.
Ventilatoren außerhalb des Rauchabschnitts und innerhalb von Gebäuden im ausreichend belüfteten Raum. Bild: Helios Ventilatoren

Ventilatoren außerhalb des Rauchabschnitts und innerhalb von Gebäuden im ausreichend belüfteten Raum. Bild: Helios Ventilatoren

 

  • Aufstellung des Entrauchungsventilators innerhalb des Rauchabschnitts.
Ventilatoren innerhalb des Rauchabschnitts. Bild: Helios Ventilatoren

Ventilatoren innerhalb des Rauchabschnitts. Bild: Helios Ventilatoren

Entrauchungsventilatoren müssen grundsätzlich zur Kompensation der Wärmeausdehnung über temperaturbeständige und elastische Stutzen (mit Eignungsnachweis) an das Leitungsnetz angeschlossen werden. Dachventilatoren, welche auf Dachsockeln montiert werden, und Wandventilatoren ohne Kanalanschluss sind hiervon ausgenommen.

Lüftung mit Entrauchungsventilatoren

Entrauchungsventilatoren mit Doppelfunktion können neben der Entrauchung im Brandfall auch zur Lüftung des Gebäudes verwendet werden. Der Lüftungsbetrieb kann regelbar ausgeführt werden. Die Regelung erfolgt beispielsweise durch:

  • Frequenzumrichter (FU) mit Sinusfilter
  • Polumschaltbare Motoren

Im Entrauchungsfall muss nachfolgendes gewährleistet sein:

  • Einschaltung des Ventilators
  • Überbrückung der thermischen und elektrischen Überwachungselemente
  • Betrieb des Entrauchungsventilators in der projektierten Drehzahl
  • Sicherstellung des Betriebs durch Verhinderung von unbefugtem Ausschalten

Wartung

Zur permanenten Sicherstellung der Funktionsfähigkeit im Brandfall, sind Rauchabzugsanlagen und deren Komponenten in regelmäßigen Abständen Funktionsprüfungen und Wartungen zu unterziehen. Für die fristgerechte Durchführung von Funktionskontrollen, sowie Prüfungen und Wartungen ist der Betreiber der Anlage verantwortlich. Die Wartungsarbeiten sind dabei durch Fachfirmen mit entsprechend qualifiziertem Personal durchzuführen. In Abhängigkeit von Verschleiß, Produktlebensdauer oder Betriebsstunden sind beispielsweise die Lager im Antriebsmotor eines Entrauchungsventilators nachzufetten oder komplett auszuwechseln. Hierbei können Systeme zur Zustandsdiagnostik der Motorlager einen wichtigen Beitrag leisten, um Lagerschäden frühzeitig zu erkennen. Zusätzlich lassen sich mit Systemen zu Lagerüberwachung die Betriebssicherheit der maschinellen Rauchabzugsanlage deutlich erhöhen, sowie die Wartungskosten, durch einen Austausch der Motorlager der lediglich in Abhängigkeit der tatsächlichen Lagerzustände erfolgt, deutlich reduzieren.

Von Thomas Volle

Thomas Volle, Produktmanagement TGA, Helios Ventilatoren, Villingen-Schwenningen. Bild: Helios Ventilatoren

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