Feinste Verteilung gegen Brände - Sprühwasser- und Wassernebel-Löschanlagen: Besondere Anforderungen fordern besondere Lösungen

Stationäre Wasserlöschanlagen sind wahre Multitalente. Im Ernstfall erkennen sie frühzeitig einen Brand, beginnen unverzüglich ohne erforderliche Vorwarnzeiten mit den Löschmaßnahmen und alarmieren interne und externe Rettungskräfte. Der Einsatz von Wasser als Löschmittel bietet dabei viele Vorteile: Wasser ist leicht verfügbar, es ist ungiftig und bindet große Mengen an Verbrennungswärme und Rauch²). Die Löschwirkung von Wasser beruht auf mehreren Effekten:

• Kühlen – Entzug von Brandwärme durch Wärmeaufnahme am Brandgut und durch Verdampfen des Wassers,
• Inertisieren – Verdrängen des zur Verbrennung notwendigen Luftsauerstoffs durch den entstehenden Wasserdampf3),
• Kühlen der Umgebung – Vermindern der Strahlungswärme auf benachbarte Bauteile und Brandlasten,
• Inhibieren – Die Zahl der Abbrüche der Kettenreaktionen, auf denen der Verbrennungsablauf beruht, wird je Zeiteinheit stark erhöht. Dadurch kann sich die Verbrennungsreaktion nicht mehr fortsetzen (Antikatalyse).

Betrachten wir nun im 2. Teil Sprühwasser-Löschanlagen und Wassernebel-Löschanlagen näher. Grundsätzlich sind die beiden Anlagetypen durch die unterschiedlich großen Tropfendurchmesser zu unterscheiden. Sprühwasser-Löschanlagen haben Tropfendurchmesser dv 0,9 von größer gleich 1 mm, bei Wassernebelanlagen ist dieser kleiner 1 mm (dv 0,9 bedeutet, dass 90% aller Tropfen den genannten Durchmesser aufweisen).
Die Löschwirkung nimmt dabei mit sinkendem Tropfendurchmesser zu: Die viel größere Oberfläche der kleinen Wassertropfen sorgt für eine wesentlich schnellere Erwärmung und Verdampfung, die beide von der Oberfläche des Tropfens her erfolgen. Ist bei größeren Tropfendurchmessern noch die Kühlung durch den Kontakt der Wassertropfen mit der Brandgut­oberfläche der Hauptlöscheffekt, treten mit kleineren Tropfendurchmessern zunehmend der Wärmeentzug durch Verdampfung und die Inertisierung durch Sauerstoffverdrängung in den Vordergrund [1]. Dieser Wechsel des Hauptlöscheffektes hat auch Auswirkungen auf die Anwendung. Steht bei Sprühwasser-Löschanlagen mit vergleichsweise großen Tropfen die Benetzung des Brandgutes im Vordergrund, ist bei Wassernebel-Löschanlagen mit kleinen Tropfen darauf zu achten, das Brandgut mit Wassernebel einzuhausen.
Beim Ausbringen des Wassers ist jedoch darauf zu achten, dass der Tropfen selbst auch das Brandgut erreicht. Aus diesem Grund werden Wassernebel-Löschanlagen in Abhängigkeit der Tropfengröße (Masse) und entsprechender kinetischer Energie (Druck) ausgelegt, um mit dem Wassernebel das Brandgut sicher zu erreichen. Hierdurch können Störeinflüsse, z.B. Wind, eliminiert werden. Bei tief sitzenden Glutnestern darf der Tropfen jedoch nicht zu klein sein, um eine wirkungsvolle Brandbekämpfung zu erreichen. Hier zeigt im Wesentlichen der Kühleffekt eine Wirkung (wie bei den Sprühflutanlagen). Der Verdampfungseffekt spielt eher eine untergeordnete Rolle.
Dieser Effekt ist schon seit den 30er-Jahren bekannt, jedoch wurde die Ausnutzung der Löscheffekte bei kleineren Tropfendurchmessern erst in den letzten 20 Jahren weiterentwickelt. Beschleunigt wurde diese Entwicklung durch das Verbot der klimaschädigenden Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) durch die FCKW-Halon-Verbots-Verordnung aus dem Jahr 1994, wodurch Alternativen zu den damals üblichen Halon-Löschanlagen gesucht werden mussten.

Sprühwasser-Löschanlagen

Sprühwasser-Löschanlagen bieten einen wirkungsvollen Brandschutz. Sie werden im Raum- und Objektschutz eingesetzt, insbesondere wenn mit einer schnellen Brandausbreitung zu rechnen ist oder große Brandlasten vorhanden sind. Während die Löschdüsen bei Objektschutzanlagen direkt auf das Objekt gerichtet sind, sind sie bei Raumschutzanlagen im gesamten Löschbereich gleichmäßig verteilt. Im Gegensatz zu Sprinkleranlagen besitzen sie ein offenes Düsensystem und verteilen das Löschwasser gleichzeitig im gesam­ten Löschbereich.
Die Auslösung erfolgt üblicherweise durch Brandmeldeanlagen mit Rauchmeldern oder Rauchansaugsystemen. Meis­tens ist eine Zwei-Meldungs-Abhängigkeit vorgesehen, um Fehlauslösungen zu vermeiden. Dabei wird bei Ansprechen des ers­ten Melders (Voralarm) das Hauptventil geöffnet. Erst nach Auslösen des zweiten Melders öffnet auch das Bereichsventil und gibt das Löschwasser frei. Alternativ kann die Auslösung auch durch Düsen mit thermischem Element (Glasampulle oder Schmelzlotelement, „Anregungssprinkler“) oder manuell erfolgen.
Sprühwasser-Löschanlagen kommen beispielsweise in Kraftwerken, Schaumstofflagern, Walzgerüsten oder Müllbunkern zum Einsatz. Darüber hinaus werden sie zur Brandabschnittstrennung und Sicherung von Fluchtwegen eingesetzt, wie sie in Einkaufszentren zu finden sind. Häufig schützen sie spannungsführende Anlagen wie Transformatoren in Großkraftwerken. Während Wasser beim Umgang mit elektrischem Strom normalerweise als gefährlicher Leiter angesehen wird, stellt sich bei Sprühwasser-Löschanlagen ein gegenteiliger Effekt ein. Da sich zwischen den einzelnen Wasserpartikeln Luft befindet, wirkt das Luft-Wasser-Gemisch ähnlich wie ein Isolator und kann für den Trafo-Brandschutz eingesetzt werden. Hierbei ist zwischen Löschanlage und Trafo ein Sicherheitsabstand einzuhalten, um einen Überschlag von der Hochspannung auf die Komponenten der Löschanlage zu vermeiden.
Für Sprühwasser-Löschanlagen exis­tieren wie für Sprinkleranlagen umfassende und langjährige Erfahrungen, die auch zu einer baurechtlichen Verankerung geführt haben. So fordern die Versammlungsstättenverordnungen für Großbühnen eine automatische Sprühwasser-Löschanlage. Sprühwasser-Löschanlagen werden in der Regel nach VdS-Richtlinie 2109 und verschiedenen DIN-Normen (vgl. Tabelle 1) zur Planung und Errichtung dimensioniert und ausgelegt.
Die früher häufig geäußerten Bedenken bei der gleichzeitigen Auslösung von Sprühwasser-Löschanlagen und maschinellen oder natürlich wirkenden Rauch- und Wärmeabzugsanlagen gelten heute nicht mehr. Vielmehr geht man heute davon aus, dass sich beide Gewerke bei der Erreichung ihrer Schutzziele (Kontrolle des Brandes und raucharme Fluchtwege) wirkungsvoll unterstützen – ein individuell abgestimmtes Brandschutzkonzept vorausgesetzt.

Wassernebel-Löschanlagen

Wassernebel-Löschanlagen erzeugen kleine Wassertropfen bis zu einer Größe von dv 0,9 = 1 mm, wodurch sich die spezifische Oberfläche der Wassermenge um ein Vielfaches vergrößert⁴). Die Hauptlöscheffekte sind bei diesen Anlagen die Kühlung durch verdampfendes Wasser und eine Inertisierung durch Verdrängung des Luftsauerstoffs. Wie bereits in der Einleitung erläutert, kommt es darauf an, das Tropfenspektrum entsprechend dem Brandgut richtig auszuwählen, um die Hauptlöscheffekte wirkungsvoll zu nutzen.
Wassernebel-Löschanlagen benötigen für einen vergleichbaren Löscherfolg weitaus weniger Löschwasser als Sprinkler- oder Sprühwasseranlagen. Mögliche Schäden durch Löschwasser können damit auf ein Minimum begrenzt werden. Typische Einsatzbereiche sind Archive, Hotels, Verkaufsflächen, Bahnhöfe, Motoren-Prüfstände, Gasturbinen und Generatoren oder Öl- und Gasanwendungen, Maschinenräume, Kabelkanäle, Ordinary Hazard Risiken (OH 1 - OH 3), Transformatoren oder z.B. auch Lager und Produktionsstätten für brennbare Flüssigkeiten (vergl. hierzu bvfa-Merkblatt für Wassernebel-Löschanlagen).
Um Wassernebel zu erzeugen, gibt es unterschiedliche technische Möglichkeiten:

• Einstoffsysteme mit Wasser ohne Zusätze,
• Zweistoffsysteme vernebeln Wasser mithilfe von Druckluft oder Gasen an der Düse,
• Zylindersysteme aus Druckbehältern mit begrenzter Wassermenge,
• Pumpensysteme mit Elektro- oder Dieselmotoren.

Ein Wassernebel-Löschsystem liegt nicht vor, wenn der Hauptlöscheffekt durch Löschgase erzielt und das Wasser nur zur Kühlung beigemischt wird.
Bei der Anlagengestaltung wird analog zu Sprühwasserlösch- und Sprinkleranlagen zwischen offenen und geschlossenen Wassernebel-Löschanlagen unterschieden. Geschlossene Anlagen lösen wie Sprinklersysteme über thermische Elemente (Glasampulle oder Schmelzlotelement) aus. Offene Systeme können automatisch über Brandmelder einer Brandmeldeanlage, pneumatisch oder hydraulisch über Anregersysteme mit thermischen Detektionselementen oder manuell über Handtaster der Brandmeldeanlage/Löschsteuerzentrale ausgelöst werden.

Wirtschaftlichkeit

Die Richtlinien NFPA 750 [2] und CEN/TS 14972 [3] unterscheiden zwischen Niederdruck- (< 12,5 bar), Mitteldruck- (< 34,5 bar) und Hochdruckanlagen (< 35 bar). VdS unterscheidet zwischen Niederdruckanlagen (< 16 bar), die mit den für Sprinkler- und Sprühwasseranlagen gebräuchlichen Drücken arbeiten, und Hochdruckanlagen (> 16 bar) (vergl. hierzu bvfa-Merkblatt Wassernebel-Löschanlagen).
Der Wasserbedarf und der Betriebsdruck haben dabei Auswirkungen auf die Dimensionierung einer Anlage und damit auf ihre Wirtschaftlichkeit. Der geringere Löschwasserbedarf führt im Vergleich zu Sprinkleranlagen zu Einsparungen bei der Auslegung der gesamten Anlage, z.B. Rohrnetz, Pumpen, Wasserbehälter. Zu beachten ist jedoch der u.U. höhere Aufwand für höherwertige Materialien durch den ggf. notwendigen höheren Betriebsdruck, z.B. Edelstahlrohre, leistungsfähige Hochdruckpumpen, druckdichte Verbindungen. Ein Optimum aus der zur Schutzzielerreichung notwendigen Anlagentechnik und einer wirtschaftlichen Auslegung der Anlage kann letztlich nur durch sachkundige und zertifizierte Fachfirmen individuell am zu schützenden Objekt gefunden werden.

Auslegungskriterien

Für die Planung und den Einbau von Wassernebel-Löschanlagen stehen heute die Richtlinienwerke NFPA 750, CEN TS 14972, FM 5580 zur Verfügung. Zusätzlich werden auch Richtlinien wie VdS CEA 4001 und VdS 2109 herangezogen. Die Auslegung einer Wassernebel-Löschanlage für das entsprechende Risiko wird in 1:1-Brandversuchen ermittelt und nachgewiesen. Hierbei werden auch die Einsatzgrenzen festgelegt. Die 1:1-Brandversuche werden durch unabhängige Prüfstellen, z.B. FM, TÜV, VdS, verifiziert und abgenommen. Auf diese Weise wird die Funktionalität des Systems nachgewiesen. Wassernebel-Löschanlagen werden herstellerspezifisch entwickelt.
Darüber hinaus sind geprüfte Bauteile zu verwenden und geprüfte Planungs- und Einbauunterlagen bei der Prüfstelle vorzulegen. Die verwendeten Bauteile sind untereinander nicht austauschbar und die Auslegungsparameter eines Systems sind nicht auf Systeme anderer Hersteller übertragbar.
Für die nach VdS zertifizierten Unternehmen im Bereich Wassernebel gelten folgende Qualitätskriterien:

• es sind VdS-anerkannte Produkte einzusetzen,
• die Errichterfirma muss über eine VdS-Anerkennung für ein Wassernebel-Löschsystem verfügen⁵),

• für den jeweiligen Anwendungsbereich muss entweder vorliegen:
• – eine VdS-Systemanerkennung, die alle Systemteile umfasst oder
• – eine VdS-Bauteileanerkennung des Produktes.

In beiden Fällen müssen in einer Planungs- und Einbauanleitung (Handbuch) die Verwendung und der Schutzbereich festgelegt sein. Der Funktionsnachweis für die Verwendung muss in einem 1:1-Brandversuch geführt werden.

Fazit

Wassernebel-Löschanlagen sind heute eine im Markt vollwertig etablierte, geprüfte und sichere Technologie. Sie stellen eine interessante Alternative zu den konventionellen Löschanlagen (Sprinkler- und Sprühflutlöschanlagen, Schaumlöschanlagen und Gaslöschanlagen) dar. Nach dem jetzigen Stand der Erkenntnisse sind heute noch nicht alle Möglichkeiten von Wassernebel-Löschanlagen und -systemen ausgeschöpft und es gibt noch viele Entwicklungsmöglichkeiten für künftige Anwendungsgebiete.

¹) IKZ-FACHPLANER November 2013
²) 1 l Wasser bindet eine Wärmemenge von ca. 2640 KJ
³) Aus 1 l Wasser entstehen ca. 1700 l Wasserdampf

⁴) Richtlinien wie die NFPA 750 [2] oder die Technische Regel CEN/TS 14972 [3] sprechen generell von Feinsprüh-Löschanlagen bei Tropfengrößen kleiner 1 mm.

Wassernebel-Löschanlagen: Kleine Tropfen – große Wirkung

Im Grafschafter Schloss und Museum Moers wurde eine Wassernebel-Löschanlage mit 200 Glasfassdüsen realisiert. Sie bietet Brandschutz für Besucher, Ausstellungsstücke und Gebäude auf über 2000m2, verteilt auf fünf Stockwerke. Bis zu 60 Düsen wurden pro Geschoss verbaut und erzeugen im Ernstfall einen feinen Wassernebel (Tropfendurchmesser kleiner 1 mm), der das Feuer in der Entstehung löscht bzw. dafür sorgt, dass Feuer und Rauch sich nicht weiter ausbreiten.
Die Löschanlage wurde platzsparend und nahezu unauffällig in das historische Gebäude integriert. Brand- und Rauchschutztüren konnten durch die vollflächige Installation eingespart und somit der besondere Charakter des Schlosses erhalten werden.

Brandschutz im Einkaufszentrum Limbecker Platz

Der Schutz von Besuchern und Mitarbeitern vor Bränden hat in Einkaufszentren oberste Priorität. Das in der Essener Innenstadt gelegene Shopping-Center „Limbecker Platz“ besticht durch seine Architektur und sein vorbildliches Brandschutzkonzept. Zentrales Element ist eine flächendeckende Sprinkleranlage nach VdS CEA 4001, die mit dem bvfa-Gütesiegel „Sprinkler Protected“ ausgezeichnet wurde.
Die Besonderheit: An den Stellen, wo Brandabschnitte die Ladenstraße kreuzen, ist zusätzlich eine Sprühflutanlage installiert. Sie verhindert im Brandfall einen Brandüberschlag in andere Gebäudeteile. Darüber hinaus schützt sie Aktionsflächen in der Ladenstraße und den Rotunden, wo sich Einbauten und höhere Brandlasten befinden.

Effizienter Brandschutz für Transformatoren

Sprühwasserlöschanlagen sorgen seit Langem im Heizkraftwerk der Stadtwerke Chemnitz für Sicherheit. Vor allem bei den Trafos, die die Stromerzeugung mit dem Netz verbinden. Das Sprühwasser-Löschsystem hüllt den Trafo im Brandfall regelrecht ein. Beim neuen Block des Heizkraftwerks in Chemnitz sind die Löschdüsen zusätzlich in mehreren Etagen angeordnet, um die Brandausbreitung auch rund um den Trafo zu verhindern.
Die Besonderheit: Das Rohrsystem enthält in Bereitschaft kein Wasser und kann somit auch bei Minusgraden betrieben werden. Für die schnelle Zufuhr von Löschwasser im Brandfall werden spezielle Ventile eingesetzt, die wahlweise pneumatisch, hydraulisch oder elektrisch ansteuerbar sind.

Sicherheit am laufenden Band im Heizkraftwerk Heilbronn

Eine der größten Steinkohleanlagen der EnBW Kraftwerke AG ist das Heizkraftwerk Heilbronn. Kilometerlange Förderbandanlagen mit Verteilerstationen und Umlenktürmen transportieren die Kohle zu den Kohlebunkern und Kohlemühlen. Im Kraftwerk Heilbronn sind die Kohle-Verteilstationen und die Umlenktürme der Förderanlagen mit Sprühwasser-Löschanlagen ausgerüstet.
Die Besonderheit: Die Kohleförderbänder selbst werden mit Niederdruck-Feinsprühlöschanlagen geschützt. Durch die Düsenanordnung und das optimale Tropfenspektrum wird der Brandherd auch dann erreicht, wenn Störfaktoren wie Brandthermik oder Luftbewegungen vorhanden sind. Die Anlage ist an die normale Löschwasserversorgung des Kraftwerks angeschlossen.

Hochzeitshaus Hameln – Minimalistischer Brandschutz mit Wassernebel

Das von 1610 bis 1617 erbaute Hochzeitshaus im niedersächsischen Hameln diente ursprünglich gar nicht zum Heiraten, sondern wurde als Feierhaus genutzt. Neben dem Festsaal beherbergte das Sandsteingebäude die Stadtwaage, einen Gerichtssaal, die Ratsschenke, eine Rüstkammer und die Ratsapotheke des Morphiumentdeckers Wilhelm Sertürner. Seit 60 Jahren ist das Standesamt der Stadt Hameln im Hochzeitshaus untergebracht.
Die Besonderheit: Der Schutz der Technik­räume und der modernen Ausstellungsbereiche wird mit einem Hochdruckwassernebel-Brandbekämpfungssystem mit reinem Wasser als Löschmedium und einem 2 x 120 l Pumpensystem mit 500-l-Tank und 160 Düsen sichergestellt.

Literatur:
[1]    Kunkelmann J.: Brandschutz in Genlaboren – Einsatz von Wassernebel- und Gaslöschanlagen Teil 1. Brandschutzforschung der Bundesländer, Karlsruher Institut für Technologie.
[2]    NFPA 750: Standard on Water Mist Fire Protection Systems. National Fire Protection Association (NFPA) Massachusetts.
[3]    DIN CEN/TS 14972: Ortsfeste Brandbekäm­pfungsanlagen – Feinsprüh-Löschanlagen – Planung und Einbau.
[4]    bvfa-Merkblatt: Wassernebel-Löschanlagen.

Autor: Dr. Wolfram Krause, Geschäftsführer bvfa – Bundesverband Technischer Brandschutz e.V.

Bilder: bvfa

www.bvfa.de