Brandschutz

Brandvermeidungs-/ Sauerstoffreduzierungsanlagen

1. Vorbemerkung

Die Sauerstoffreduktion ist eine Technologie zur Brandverhütung, die in verschiedenen Bereichen, vor allem in der Informationstechnologie (IT und Serverräumen), in Lagern (z. B. Kleinladungsträger-, Gefahrstoff- und Tiefkühllager) und Archiven immer häufiger zum Einsatz kommt. Dabei wird je nach gelagerten Materialien oder zu schützenden Einrichtungen der Sauerstoffgehalt der Luft im Raum reduziert, um einem Brandausbruch vorzubeugen.

Im allgemeinen Sprachgebrauch wird diese Technologie als Brandvermeidungs- oder Sauerstoffreduzierungsanlage bezeichnet.

2. Sauerstoffreduzierungsanlagen

Ca. alle zwei Minuten bricht in Deutschland ein Feuer aus und richtet nicht selten einen erheblichen Schaden an. Egal ob Lager, Rechenzentren oder Archive – alle Betriebe sind auf einen absolut zuverlässigen Brandschutz angewiesen. Um sensible Bereiche nicht nur gegen Brand, sondern auch gegen toxische Rauchgase und Löschmittelschäden zu schützen, wurde die Sauerstoffreduzierungsanlage entwickelt.

Traditionelle Brandschutzanlagen sind passiv, das heißt, sie reagieren erst, wenn ein Feuer bereits ausgebrochen ist. Das vorbeugende Sauerstoffreduzierungssystem setzt hingegen an, bevor ein Brand entsteht: Die Anlage schafft in geschlossenen Räumen durch eine ständige Reduzierung der Sauerstoffkonzentration mittels Stickstoffzufuhr eine Atmosphäre, in der die Entstehung bzw. Ausbreitung eines Brandes weitgehend ausgeschlossen werden kann. 

3. Funktionsprinzip - Beschreibung der Technologie

Damit ein Brand entstehen kann, müssen drei Komponenten vorhanden sein: Sauerstoff, Wärmeenergie und Brennstoff. Wird eines dieser drei Komponente entfernt, hat ein Brand keine Chance sich zu entwickeln. Auf diesem Prinzip baut die Brandvermeidungstechnologie auf. Durch die Reduzierung des Sauerstoffanteils, nimmt es dem Feuer sprichwörtlich „die Luft zum Atmen“.

Für nahezu alle Brennstoffe gilt, dass ihre Entzündbarkeit in direktem Zusammenhang mit der Sauerstoffkonzentration in der Umgebungsluft steht und mit der Abnahme der Konzentration entsprechend sinkt. Wird der Sauerstoffgehalt in der Raumluft reduziert, ist wesentlich mehr Energie erforderlich, um einen Brennstoff zu entzünden. Die dafür benötigte Energie ist zum Entzünden höher als die zum Aufrechterhalten eines Brandes. Die Absenkung der Sauerstoffkonzentration bewirkt eine entscheidende Verlangsamung der Geschwindigkeit der chemischen und physikalischen Abläufe bei der Entzündung. Das bedeutet, dass die Möglichkeit einer Brandentstehung und das Ausmaß eines Brandes in einer Umgebung mit reduzierter Sauerstoffkonzentration wesentlich geringer sind als unter Normalbedingungen. Unterhalb eines Grenzwertes der Sauerstoffkonzentration in der Umgebungsluft ist ein selbstständiges Brennen der Stoffe nicht mehr möglich. Dieser als Entzündungsgrenze bezeichnete Wert ist stoffspezifisch.

Bei abnehmender Sauerstoffkonzentration stellt sich bei Feststoffen bereits unterhalb 20,9 Vol-% 0₂ ein zunehmender Brandschutz ein, da die Heftigkeit der Brandreaktion abnimmt. Mit Erreichen der Auslegungskonzentration ist der Brandschutz vollständig hergestellt.

Um den Sauerstoffgehalt im Schutzbereich konstant auf dem vordefiniertem Wert zu halten, überwachen Sauerstoffsensoren permanent die Luftkonzentration. Diese Regelung erfolgt über mindestens zwei Sauerstoffsensoren, die innerhalb des zu schützenden Bereichs an unterschiedlichen Stellen installiert werden, um ein redundantes Messergebnis zu erzielen.

4. Stickstoff - Hauptbestandteil der Luft

Um die Sauerstoffkonzentration im Schutzbereich soweit zu reduzieren, dass die spezifische Entzündungsgrenze des dort vorhandenen Materials unterschritten wird, wird Stickstoff in den Schutzbereich eingeleitet. Durch das Zufügen von Stickstoff ändert sich die Luftzusammensetzung: der Stickstoff verdrängt den Sauerstoffanteil der Luft, sodass der Restsauerstoffgehalt nicht mehr ausreicht, um ein Feuer aufrecht zu erhalten oder es sich ausbreiten zu lassen.

Die Verwendung von Stickstoff als Inertgas hat ganz entscheidende Vorteile: Stickstoff ist nicht toxisch und mit 78,09 Vol.-% der Hauptbestandteil der normalen Umgebungsluft. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass Bereiche, in denen durch den Einsatz von Sauerstoffreduzierungsanlagen höchster beziehungsweise vollständiger Brandschutz besteht, durchaus von Personen betreten werden können. Die Eigenschaften von Stickstoff gewährleisten, dass sowohl dauerhaft als auch bei wechselnder Sauerstoffkonzentration die erforderliche homogene Verteilung und damit eine gleichmäßige Konzentration im gesamten Schutzbereich sichergestellt werden kann.

5. Stickstoffgenerierung - Aktivkohle vs. Membran

Aufgrund des hohen Stickstoffanteils in der Umgebungsluft lässt sich der benötigte Stickstoff für den Betrieb der Sauerstoffreduzierungsanlage mit einem Generator direkt vor Ort gewinnen. Innerhalb des OxyReduct®- Systems der WAGNER Group GmbH gibt es zwei Methoden, um die Umgebungsluft in Sauerstoff- und Stickstoffmoleküle physikalisch zu trennen: mittels Membrantechnik oder durch den Einsatz von Aktivkohle.

5.1 Stickstoffgenerierung mittels Membrantechnik

Das Verfahren der Membrantechnik basiert auf der physikalischen Eigenschaft, dass verschiedene Gase unterschiedlich schnell durch Materialien diffundieren. In diesem Fall werden die unterschiedlichen Diffusionsgeschwindigkeiten der Hauptbestandteile der Luft: Stickstoff (N₂), Sauerstoff (O₂) sowie Wasserdampf (H₂O) technisch zur Erzeugung eines Stickstoffstromes genutzt. Die Umgebungsluft wird bei diesem Verfahren unter Druck durch ein Bündel Polymerfasern, auch Hohlfasermembranen genannt, in einem Aluminiumrohr gepresst. Auf den Außenflächen dieser Hohlfasermembranen ist ein Separationsmaterial aufgebracht, durch das Wasserdampf und Sauerstoff sehr gut diffundieren. Der Stickstoff hingegen besitzt für dieses Material nur eine geringere Diffusionsgeschwindigkeit. Wird diese Hohlfaser innen von Luft durchströmt, diffundieren Wasserdampf und Sauerstoff schnell durch die Hohlfaserwandungen nach außen, während der Stickstoff weitgehend im Faserinneren gehalten wird. Während des Durchganges durch die Hohlfaser findet daher eine starke Aufkonzentration des Stickstoffes statt.

Die Effektivität dieses Trennungsvorganges ist im Wesentlichen abhängig von:

• der Strömungsgeschwindigkeit in der Faser
• der Druckdifferenz über die Hohlfaserwandung hinweg.

Mit sinkender Strömungsgeschwindigkeit und/oder höherer Druckdifferenz zwischen Innen- und Außenseite der Hohlfasermembran steigt die Reinheit des resultierenden Stickstoffstromes an. Die Sollkonzentration des Sauerstoffes im Stickstoffstrom der Schutzbereiche beträgt 5 Vol.-o/o. Durch diese Art der Trennung von Sauerstoff- und Stickstoffmolekülen herrscht bei der Membrantechnik ein kontinuierlicher Volumenstrom.

Bei der technischen Umsetzung werden Bündel dieser Hohlfasern in Membranmodulen zusammengefasst, die eine definierte Stickstoffkapazität bei einer vorgegebenen Reinheit besitzen. In einem Stickstoffgenerator können mehrere dieser Module eingebaut werden, sodass unterschiedliche Stickstoffkapazitäten (m³/h) erreichbar sind. Zur Kontrolle der Reinheit des Stickstoffstromes in den Schutzbereich befindet sich im Generator ein Sauerstoffanalysator, der kontinuierlich den Restsauerstoffgehalt misst und an eine Steuerzentrale weiterleitet.

5.2 Stickstoffgenerierung mittels Aktivkohle

Das Verfahren der Stickstoffgenerierung mittels Aktivkohle nutzt die unterschiedlichen Bindungsgeschwindigkeiten des Luftsauerstoffes und -stickstoffes an speziell behandelter Aktivkohle.

Die Struktur der Aktivkohle wird bei diesem Verfahren so verändert, dass eine extrem große Oberfläche mit einer großen Anzahl von Mikro- und Submikroporen (Ø < 1 nm) entsteht. Die so entstandenen Pellets werden als Kohlenstoff Molekular Sieb (CMS) bezeichnet. Sauerstoffmoleküle der Luft diffundieren bei dieser Porengröße wesentlich schneller in die Poren hinein als Stickstoffmoleküle. Auf diese Weise erhöht sich in der Umgebung der Pellets der Stickstoffanteil der Luft.

Die Bindungsgeschwindigkeit ist druckabhängig. Bei maximalem Druck ist die Sättigung der Pellets nach ca. 60 Sekunden erreicht: Die Desorbtion (Sauerstoffentleerung) muss eingeleitet werden. Dies geschieht durch Druckabsenkung auf den Umgebungsdruck (PSA-Technik) bzw. auf einen Druck von ca. 100mbar (abs.) bei der VPSA-Technik mittels Vakuumpumpe. Der gebundene Sauerstoff wird somit aus den Poren wieder freigesetzt.

Für die technische Umsetzung dieses Vorgangs wird die Aktivkohle in Druckbehälter gefüllt, die während des Adsorptionsvorgangs (Sauerstoffbindung) von der Umgebungsluft unter einem Überdruck von 7 bar (PSA) bzw. 1,2 bar (VPSA) durchströmt werden. Durch den oben beschriebenen Vorgang wird dem Luftstrom der Sauerstoff entzogen, der entstehende Stickstoffstrom wird dem Schutzbereich zugeführt. Anschließend folgt der Desorbtionsvorgang. Um einen stetigen Stickstoffstrom zu erhalten, werden zwei Behälter im Wechselbetrieb an eine Druckluftquelle angeschlossen, sodass in einem Behälter Stickstoff erzeugt wird, während im zweiten Behälter die Materialreinigung erfolgt. Etwa alle 60 Sekunden wird zwischen den beiden Behältern hin- und hergewechselt.

VPSA- und PSA-Anlagen finden Anwendung in Schutzbereichen mit großen Raumvolumina wie zum Beispiel automatisierten Hochregallagern. Sie produzieren große Mengen Stickstoff und stehen für Spitzenleistungen im Dauerbetrieb, wobei die VPSA-Anlage die energieoptimierte Weiterentwicklung darstellt.

6. Anwendungsbereiche und Anforderungen

Die möglichen Anwendungsbereiche für Sauerstoffreduzierungsanlagen erstrecken sich von IT-Räumen, Tresoren und Archiven bis hin zu großen Lagerhallen wie automatisierten Hochregallagern sowie als Brandschutz im Gefahrstofflager und Tiefkühllager. Es gibt keine Einschränkungen für den Einsatz von Sauerstoffreduzierungsanlagen bezüglich des zu schützenden Volumens. Sauerstoffreduzierungsanlagen können besonders in Bereichen eingesetzt werden, in denen herkömmliche löschtechnische Lösungen z. B. durch abgeschirmte Bereiche oder tiefe Temperaturen problematisch oder nicht ausführbar sind. Sie erreichen und schützen auch unzugängliche Bereiche.
Schäden wie durch die Nutzung herkömmlicher Löschmittel entfallen vollständig. Existenziell notwendige Betriebsräume und Einrichtungen eines Unternehmens eignen sich folglich für einen Brandschutz durch Sauerstoffreduzierungsanlagen, da die Ausfallzeiten im Schadenfall minimal gegenüber der herkömmlichen Löschtechnik sind. Bereiche, in denen hochwertige Güter lagern, die durch Wasser, Löschschaum oder Löschpulver zerstört werden können, wie in Museen, Archiven und Bibliotheken, werden durch Brandvermeidungssysteme wirksam vor Brandgefahren geschützt.

Ein Schutz ist lediglich nicht möglich bei Stoffen, die auch unter Sauerstoffabschluss brennen, sowie Stoffen, die für eine exotherme Reaktion keinen Sauerstoff benötigen.

6.1 Planung und Einrichtung

• Bei der Planung von Räumen mit einer sauerstoffreduzierten Atmosphäre sind besonders auch die lokalen Gegebenheiten (z. B. Höhe über Meer (NN), Wetter-/Luftdruckbedingungen), zusätzliche chemische, biologische oder physikalische Einwirkungen (wie Kälte) sowie der Schweregrad der zu verrichtenden körperlichen Arbeit und die psychomentalen Belastungen mit zu berücksichtigen. Die baulichen, technischen, organisatorischen und arbeitsmedizinischen Maßnahmen sind in der Gefährdungsbeurteilung (betriebsspezifische Sicherheitskonzepte) zu dokumentieren.
• Die zu treffenden Schutzmaßnahmen richten sich nach dem Grad des zu reduzierenden Sauerstoffgehalts der Atmosphäre. Die gemessene Sauerstoffkonzentration (in Vol.-%) gilt für Örtlichkeiten bis zu einer Höhe von h = 700 m über NN. Oberhalb dieser Grenze ist der Einfluss der Höhe über Meer mit zu berücksichtigen. Zur arbeitsmedizinischen Risikoklassifikation sind die reale Höhe und die Äquivalenzhöhe, die die Anlage produziert, zu addieren.
• Maßgebend bei der Festlegung der Schutzmaßnahmen ist die geringste Sauerstoffkonzentration, die im Raum auftreten kann (Alarmwert für die minimale Sauerstoffkonzentration = unterster Regelbereich - c = 0,1 Vol.-%).
• Der Restsauerstoffgehalt ist so hoch wie möglich festzulegen, das heißt aus Brandschutzgründen nur so gering wie zwingend notwendig.

6.2 Schutzziele

Die Schutzziele von Sauerstoffreduzierungsanlagen umfassen:

• Personenschutz
• Umweltschutz, speziell die Vermeidung von durch Brand und Löschmittel resultierende Schadstoffe
• Investitionsschutz, vorbeugender Schutz vor Brandgefahren von Sachwerten wie Gebäude, technische Betriebsmittel sowie Waren, Werten und Daten
• Erhalt der Betriebsabläufe durch Schutz vor brandbedingten Unterbrechungen und Ausfällen

6.3 Schutzwirkung

Unabhängig von der Ausdehnung des Schutzbereichs zielt die Funktionsweise von Sauerstoffreduzierungsanlagen auf die Verhinderung von Stoffentzündungen und die Ausbreitung eines Brandes ab. Die Brandvermeidung basiert auf einer Technologie, mit der der Sauerstoffgehalt im gesamten Schutzbereich gemessen und durch die gesteuerte Zufuhr von Stickstoff reduziert wird. Durch eine integrierte Brandfrühesterkennung werden Entstehungsbrände schnell erkannt und weitergemeldet. Durch die anschließende Unterbrechung der Energiezufuhr wird dem Zündvorgang die Stützenergie entzogen, sodass sich ein Entstehungsbrand nicht weiterentwickeln kann.

6.4 Schutzniveaus

Das erforderliche Schutzniveau, welches mit der Sauerstoffreduzierungsanlage erzeugt und aufrechterhalten werden muss, um den Brandschutz zu gewährleisten, orientiert sich an der Entzündungsgrenze der im Schutzbereich vorhandenen Stoffe.
Nach Aufnahme und Festlegung der vorhandenen Stoffe im Schutzbereich werden deren Entzündungsgrenzen ermittelt. Bei Materialien oder Gegenständen, für die dieser Wert unbekannt ist, muss er gemäß anerkannter Testverfahren ermittelt werden. Der Stoff mit der niedrigsten Entzündungsgrenze bestimmt die Auslegungskonzentration der Anlage. Bei Gruppenbezogenen Risiken wird die Brandlast durch bekannte Materialzusammenstellungen dargestellt. Hierdurch ist es möglich, solche Objekte als Gruppe zusammenzufassen und ihnen einen Festwert der Auslegungskonzentration zuzuordnen.

6.5 Schutzkonzepte

Der Anlagenbauer WAGNER Group GmbH hat für eine Vielzahl von Applikationen spezielle Schutzkonzepte entwickelt und realisiert. Nach Analyse der Risiken und der Schutzzielbestimmung gewährleisten diese eine für den Kunden maßgeschneiderte OxyReduct^® Brandschutzlösung. WAGNER hat folgende Basisschutzkonzepte entwickelt und definiert:

7. Allgemeine Funktionsbeschreibung

Sauerstoffreduzierungsanlagen senken im Schutzbereich den Sauerstoffgehalt kontrolliert ab, indem vor Ort erzeugter Stickstoff in den Schutzbereich eingeleitet wird. Die Gesamtanlage besteht i. d. R. aus den Baugruppen:

• Drucklufterzeugung,

• Filtration,

• Stickstofferzeugung,

• Steuerzentrale,

• Sauerstoff-Messsensorik,

• Hinweis- und Signalmittel,

• Leitungsnetz.

Alle Anlagenkomponenten werden so groß ausgelegt, dass die Stickstoffkapazität ausreicht, um den Schutzbereich einer Einbereichsanlage oder alle Schutzbereiche einer Mehrbereichsanlage gleichzeitig zu versorgen.

Die Komponenten »Drucklufterzeugung« und »Filterung« dienen der optimalen Konditionierung der Luft zur Verarbeitung in der Stickstofferzeugung.

Die Drucklufterzeugung erfolgt z. B. mit einem Schraubenkompressor. Angesaugte Luft wird in diesem Arbeitsschritt auf den erforderlichen Überdruck gebracht. Zusätzlich wird die komprimierte Luft abgekühlt und der Drucktaupunkt herabgesetzt.

Die erzeugte Druckluft wird in der Filterung von Ölresten und Partikeln gereinigt. Hierzu werden Partikelfilter und Aktivkohleadsorber verwendet. Die so erreichte hohe Qualität der Druckluft gewährleistet langjährige Standzeiten der Stickstoffgeneratoren.

Der Vorgang der Stickstofferzeugung besitzt ein Wirkungsoptimum bei verfahrensspezifischem Druck der verarbeiteten Luft. In diesem Arbeitspunkt ist die erzeugte Stickstoffmenge je eingesetzte Kilowattstunde elektrischer Energie maximal.

Die Stickstofferzeugung kann, abhängig von der erforderlichen Liefermenge, mit verschiedenen technischen Verfahren durchgeführt werden. Allen Verfahren ist gemein, dass die eingeleitete Druckluft in ihre Komponenten getrennt wird. Der entstehende, stickstoffangereicherte Gasstrom wird über eine Rohrleitung dem Schutzbereich zugeführt und dort über Auslassöffnungen eingeleitet.

In Anlagen mit mehreren Teilbereichen wird der Stickstoffstrom über Bereichsventile nur dem Bereich/den Bereichen zugeführt, in denen die Einschaltschwelle der Sauerstoffkonzentration überschritten wurde. Abweichungen dieses Messwertes werden erkannt und als Störung an die Steuerzentrale gemeldet. Die übrigen Gase werden über eine zweite Rohrleitung als sauerstoffangereicherte Luft ins Freie geleitet.

Im Schutzbereich wird der Sauerstoffgehalt kontinuierlich gemessen. In Mehrbereichsanlagen wird die Sauerstoffmessung separat für jeden Teilbereich vorgenommen. Die Anlagensteuerung liest diesen Wert aus und regelt die Anlage so, dass der eingestellte Sollwert erreicht und gehalten wird. Optional kann zusätzlich der Sauerstoffgehalt im Betriebsraum erfasst werden. Anlagenzustände und Störungen werden dem Personal angezeigt und Störmeldungen können bei Bedarf weitergeleitet werden.

8. Druckluftversorgung

Die zur Erzeugung des Stickstoffstroms erforderliche Luft wird auf den verfahrensspezifisch optimalen Überdruck verdichtet. Hierzu werden i. d. R. elektrisch angetriebene, ölgeschmierte Schraubenverdichter verwendet, die dauerlauffähig sind und einen kontinuierlichen, impulsfreien Druckluftstrom erzeugen.

Die zur Verdichtung benötigte Luft wird direkt aus dem Betriebsraum entnommen oder aus dem Freien über Kanäle zugeführt. Vor dem Verdichter sitzende Filterbauteile gewähren unter günstigen Umgebungsbedingungen eine hohe Standzeit der Verdichterstufe. Sicherheitsrelevante Messwerte, wie

z. B. Verdichterendtemperatur, Taupunkt und Filterbeladung, werden von der Druckerzeugungseinheit überwacht. Beim Überschreiten der Grenzwerte erfolgt eine Störmeldung und das Aggregat wird ggf. in einen sicheren Zustand gefahren.

Nach dem Verlassen der Verdichterstufe wird die Druckluft vom mitgeführten Öl befreit (Ölabscheider). Das Öl wird gekühlt, gefiltert und dem Kompressorkreislauf zurückgeführt.

Die nunmehr nahezu ölfreie Druckluft wird über einen Kälte-Druckluft Trockner auf einen Drucktaupunkt von +3 C heruntergekühlt. Hierdurch fällt ein großer Teil der in der zuvor warmen Druckluft enthaltenen Luftfeuchte als Kondensat aus. In diesem Kondensat sind weitere Teile geringer Ölverunreinigungen enthalten. Das anfallende Kondensat wird durch einen Öl-Wasser-Trenner so weit gereinigt, dass die Wasserphase in eine Kanalisation eingeleitet werden kann. Vor dem Verlassen der Drucklufterzeuger wird die Druckluft durch einen Mikrofilter von letzten Verunreinigungen befreit.

Im Fall einer geeigneten, bereits bauseits zur Verfügung stehenden Druckluft- oder Stickstoffversorgung, kann die Sauerstoffreduzierungsanlage von dieser gespeist werden. Es gelten definierte Qualitäts- und Quantitätsanforderungen an diese Quellen.

9. Anlagenvarianten

Zur technischen Realisierung der dargestellten Anwendungsbereiche und Schutzziele beinhaltet eine Sauerstoffreduzierungsanlage Komponenten zur Erzeugung der Stickstoffmengen, zur Regelung der Anlage und zur Erkennung von Pyrolysevorgängen.

Optional kann die Anlage mit einem Stickstoffreservoir zur Schnellabsenkung des Sauerstoffniveaus ausgerüstet sein.

9.1 Sauerstoffreduzierungsanlage mit unterschiedlichen Betriebskonzentrationen

Es ist möglich, sowohl Einbereichs- als auch Mehrbereichsanlagen, also baulich getrennte Räume und Einrichtungen, durch eine zentrale Sauerstoffreduzierungsanlagen zu versehen und damit zu schützen. Beim Prinzip der Mehrbereichsanlagen ist somit möglich, dass in den Teilbereichen unterschiedliche Sauerstoffkonzentrationen eingestellt werden können.

9.2 Sauerstoffreduzierungsanlage mit Schnellabsenkung

Bei dem System mit »Schnellabsenkung«, wird die Sauerstoffreduzierungsanlage zusätzlich mit einem Stickstoffreservoir ausgestattet. Dieses dient dazu, um im Falle eines Brandes das Sauerstoffniveau im Schutzbereich innerhalb von Sekunden abzusenken um den Brand zu löschen. Das System besteht somit aus zwei Anlagenteilen: Anlagenteil 1 entspricht dem VdS-anerkannten Sauerstoffreduzierungssystem und ist gemäß VdS 3527 auszulegen und der zweite Anlagenteil besteht aus einer Löschanlage gemäß VdS 2380. Der Anlagenteil 2 darf Abweichungen in der Flutzeit und in der Zielkonzentration aufweisen, die in Versuchen mit VdS zu verifizieren sind.

Der Anlagenteil 1 ist mit einer oberen Grenze von maximal 17,2 Vol.-% zu regeln. Werden höhere Regelgrenzen angestrebt, ist der Anlagenteil 2 als konventionelle Löschanlage im Sinne der VdS 2380 zu konzipieren, die vorgenannten Abweichungen dürfen nicht in Anspruch genommen werden. Bei einer oberen Regelgrenze von < 17,2 Vol.-% kann auch die Startkonzentration entsprechend verringert werden. Dieser O2-Wert ist durch den Anlagenteil 1 durch entsprechende Maßnahmen nach VdS 3527 (Alarmwerte, Sicherheitskonzept usw.) sicherzustellen. Bedingt durch die geringere Anfangskonzentration des Sauerstoffs kann auch die bevorratete Löschgasmenge für den Anlagenteil 2 entsprechend geringer ausfallen.

Systemaufbau und –komponenten

Für die Stickstoffbevorratung, die Löschmittelverteilung sowie die Löschmitteleinleitung in die Schutzbereiche werden die Komponenten der Stickstofflöschsysteme 200 bar/300 bar benutzt. Zur Anwendung kommen ausschließlich alle Anlagenvarianten ohne pneumatische/mechanische Verzögerungseinrichtung.

Bei VdS-gerechten Anlagen wird der Anlagenteil 2 immer mit einer Personenalarmierung, analog zu VdS 2380, mit elektrisch zeitverzögerter Auslösung des Löschvorgangs ausgeführt. Dieses ist aus Gründen des Sachwertschutzes erforderlich. Zur Sicherstellung einer redundanten Alarmierung erfolgt mit Umschalten der Betriebskonzentration an die Steuerzentrale die Auslösung des Evakuierungsalarms für den alarmauslösenden Bereich.

Die Sauerstoffreduzierungsanlage mit Schnellabsenkung kann als Ein- oder Mehrbereichsanlage ausgeführt werden. Bei Mehrbereichsanlagen wird die Stickstoff-Einsatzmenge zur Schnellabsenkung über Bereichsventile in den vom Brand betroffenen Schutzbereich geleitet. Werden unterschiedlich große Schutzbereiche mit einer Sauerstoffreduzierungsanlage geschützt, erfolgt eine Gruppensteuerung des Stickstoffvorrats mithilfe der VdS-zugelassenen Komponenten, sodass immer nur die erforderliche Einsatzmenge in die Schutzbereiche eingebracht wird.

Einleitungsrohrnetz
Das Rohrnetz zur Einleitung des Löschgases zur Schnellabsenkung ist entsprechend VdS 2380 zu planen und zu bauen.

Brandmeldetechnik zur Ansteuerung der Schnellabsenkung

Der Anlagenteil 2 ist im Brandfall durch eine Brandmeldeanlage nach VdS 2095 auszulösen. Die Auslösung der Schnellabsenkung erfolgt über VdS-zugelassene Brandmelderzentralen (BMZ) zur Ansteuerung von Löschanlagen oder durch elektrische Steuereinrichtungen (EST).

10. Schutzmaßnahmen für alle Räume mit sauerstoffreduzierter Atmosphäre

10.1 Bauliche und technische Maßnahmen

• An allen Zugängen sind Schilder anzubringen, die auf die sauerstoffreduzierte Atmosphäre hinweisen und den Zugang nur für berechtigte Personen zulassen. Die Zeichen müssen der Unfallverhütungsvorschrift »Sicherheits- und Gesundheitsschutzkennzeichnung am Arbeitsplatz« (BGV A8) entsprechen.

• Eine zu niedrige Sauerstoffkonzentration muss durch Alarmierung angezeigt werden.

• Die Alarmierung muss von jedem Standort innerhalb des Bereiches mit sauerstoffreduzierter Atmosphäre erkannt werden können. Dies ist durch eine gesicherte akustische und ggf. zusätzlich durch eine optische Alarmierung zu gewährleisten. (Anforderungen an die gesicherte Alarmierung sind in DIN VDE 0833 Teil 1 Version 2003-05 festgelegt.)

• An allen Zugängen zu den sauerstoffreduzierten Bereichen ist die Alarmierung optisch anzuzeigen. Optische Alarmmittel müssen in auffälliger Weise durch unterbrochenes Aufleuchten Signal geben.

• Das Abschalten des Alarmes ist erst zulässig, wenn z. B. durch Absperren der Zugänge sichergestellt wird, dass unbefugte Personen die sauerstoffreduzierten Bereiche nicht mehr betreten können.
• Das Messsystem ist so zu gestalten, dass ein Funktionsverlust oder eine Fehlmessung in keinem Fall zu einem unerkannten Unterschreiten der Sauerstoff-Untergrenze führen kann.
• Eine Störung des Mess- und Regelsystems muss frühzeitig erkannt und angezeigt werden.
• Die Messsysteme müssen regelmäßig durch den Hersteller oder durch geschulte Personen entsprechend den Angaben des Herstellers und nach seiner Arbeitsanweisung kalibriert und gewartet werden. Kalibrierung und Wartung sind zu dokumentieren.
• Die Stickstoffzufuhr zum Raum muss jederzeit von Hand von einem sicheren Standort aus abgeschaltet werden können.
• Es muss sichergestellt sein, dass im gesamten sauerstoffreduzierten Bereich eine homogene Sauerstoffkonzentration vorhanden ist.
• Die Ausbreitung der sauerstoffreduzierten Atmosphäre in andere, nicht dafür vorgesehene Bereiche (z. B. durch Maueröffnungen, Leitungsdurchführungen, Bodenabläufe, undichte Türen, Transportbänder usw.) ist zu verhindern.

10.2 Organisatorische Maßnahmen

• Der Betreiber hat für Sauerstoffreduzierungsanlagen eine Betriebsanweisung unter Berücksichtigung der vom Hersteller mitgelieferten Betriebsanleitung aufzustellen, die insbesondere alle erforderlichen sicherheitstechnischen Hinweise enthält.
• Der Betreiber hat Personen, die Zutritt zu den sauerstoffreduzierten Bereichen haben, vor Aufnahme ihrer Tätigkeit sowie in regelmäßigen Abständen, mindestens jedoch einmal jährlich, anhand der Betriebsanweisung über die möglichen Gefahren sowie die erforderlichen Schutzmaßnahmen zu unterweisen. Die Unterweisung ist zu dokumentieren
• Die Unterweisung kann Teil der allgemeinen Unterweisung am Arbeitsplatz sein.
• Bei Räumen mit einer sauerstoffreduzierten Atmosphäre ist sicherzustellen, dass nur Befugte und unterwiesene Beschäftige die Räume betreten (Zutrittskonzept).
• Die Aufenthaltszeit in Bereichen mit sauerstoffreduzierter Atmosphäre sollte möglichst kurz gehalten werden.
• Die Sauerstoffkonzentration im geschützten Bereich ist in einem Abstand von mindestens zehn Minuten zu messen und aufzuzeichnen. Die Ergebnisse sind für mindestens ein Jahr zu archivieren.
• Die Beschäftigten sind vor dem ersten Betreten von Räumen mit sauerstoffreduzierter Atmosphäre und später in regelmäßigen Intervallen über die Gefährdungen, Schutzmaßnahmen und Verhaltensregeln zu informieren und zu unterweisen.
• Der Betreiber von Räumen mit sauerstoffreduzierter Atmosphäre hat sicherzustellen, dass die organisatorischen, personenbezogenen und ggf. arbeitsmedizinischen Maßnahmen auch von Beschäftigten durch Fremdfirmen eingehalten werden.
• Im Falle von Rettungsmaßnahmen müssen die Rettungskräfte zu Einsatzbeginn über das Vorhandensein von sauerstoffreduzierter Atmosphäre informiert sein. Eine Kennzeichnung im Feuerwehreinsatzplan ist sinnvoll.
• Eine Kontaktaufnahme mit Personen außerhalb der Räume mit sauerstoffreduzierter Atmosphäre muss gewährleistet sein (z. B. Rufverbindung, Telefon, Funk usw.).
• Im Falle eines Alarms ist der Raum unverzüglich zu verlassen.
• Beschäftigte, bei denen Beschwerden auftreten, haben den Bereich mit sauerstoffreduzierter Atmosphäre umgehend zu verlassen. Bilden sich die Beschwerden innerhalb von höchstens 30 Minuten zurück, kann der sauerstoffreduzierte Bereich wieder betreten werden. Anderenfalls oder bei Wiederauftreten der Symptome ist ein Arzt zu konsultieren, bevor der sauerstoffreduzierte Bereich erneut betreten wird.

10.3 Prüfpflicht

Der Betreiber hat seine Sauerstoffreduzierungsanlage(n) durch den Hersteller oder durch geschulte Personen entsprechend den Angaben des Herstellers prüfen zu lassen – das hat unverzüglich zu geschehen, wenn außergewöhnliche Ereignisse stattgefunden haben, die schädigende Auswirkungen auf die Sicherheit haben können. Ist aufgrund festgestellter Mängel mit einer Gefahr für Personen zu rechnen, muss die betroffene Anlage außer Betrieb genommen werden.

Bei festgestellten Mängeln hat der Betreiber für die Beseitigung der aufgezeigten Mängel zu sorgen.

11. Prüfungen

Abnahmeprüfung

Der Betreiber hat die Sauerstoffreduzierungsanlage nach Errichtung oder nach wesentlichen Änderungen der Anlage einer Abnahmeprüfung durch die Herstellerfirma oder durch eine befähigte Person zu unterziehen. Diese Prüfung muss vor Inbetriebnahme erfolgt sein.

Regelmäßige Prüfungen

Der Betreiber hat die ordnungsgemäße Funktion der Anlage mindestens einmal jährlich durch die Herstellerfirma oder durch eine befähigte Person prüfen zu lassen. Besondere betriebliche Gegebenheiten können häufigere Prüfungen erforderlich machen.

Nachweis der Prüfungen

Die Ergebnisse der Prüfungen sind in einem Prüfbericht festzuhalten. Die Aufzeichnungen über die Abnahmeprüfungen sind über die gesamte Betriebszeit der Brandvermeidungsanlage aufzubewahren. Die Aufzeichnungen über die regelmäßigen Prüfungen sind mindestens vier Jahre lang aufzubewahren. Eine Speicherung auf EDV-Datenträgern ist zulässig. Die Unterlagen sind auf Verlangen den zuständigen Aufsichtsbehörden vorzulegen.

12. Arbeitsphysiologische Grundlagen

Der Aufenthalt in einer sauerstoffreduzierten Atmosphäre ist mit einem Aufenthalt in der Höhe vergleichbar. Die physiologisch maßgebliche Größe ist der Sauerstoffpartialdruck (p02). Aus arbeitsmedizinischer Sicht können reale Höhe (= hypobare Hypoxie) und Sauerstoffreduktion (= isobare Hypoxie) als identisch betrachtet werden (erst oberhalb von  ̴6.300 m bzw.  ̴9 % 02 treten aufgrund geringer Viskosität der Luft in großer Höhe relevante Unterschiede durch veränderte Atemmechanik auf).

Auch bei sauerstoffarmer Atemluft können jedoch in Abhängigkeit von der gewählten Sauerstoffkonzentration und der Aufenthaltsdauer Symptome der akuten Höhenkrankheit auftreten (Kopfschmerzen, Müdigkeit, Übelkeit, Appetitlosigkeit, Schwindel), dies jedoch erst nach mindestens fünf bis sechs Stunden ununterbrochenem Aufenthalt in c < 14 % Sauerstoffkonzentration (bezogen auf NN (Meereshöhe)).

Erst bei einem deutlich reduzierten Sauerstoffgehalt der Atemluft (c < 11 Vol.-%) ist bei längerem Aufenthalt mit einer erhöhten Fehlerrate bei visuellen Aufgaben und im logischen Denken sowie mit einer verlängerten Reaktionszeit und eingeschränkter Koordinationsfähigkeit zu rechnen. Bei körperlich belastenden Arbeiten muss der Leistungsverlust von -10 % pro 2 % O₂-Reduktion, beginnend ab 17,4 Vol.-%, bei der Arbeitsplanung berücksichtigt werden.

Durch die Verringerung des Sauerstoffgehalts der Atemluft und des daraus resultierenden niedrigeren Sauerstoffpartialdrucks können u. U. Beschäftigte mit fortgeschrittenen Herz- und Kreislaufkrankheiten, Atemwegs- und Lungenkrankheiten oder Blutkrankheiten gefährdet sein. Das Ausmaß der Gefährdung wird vom Schweregrad der Erkrankung und der Sauerstoffkonzentration bestimmt. Im Allgemeinen haben Personen, die bei normaler Sauerstoffkonzentration auch bei mittlerer Belastung (z.B. Treppensteigen) keine Luftnot verspüren, bis 14,8 Vol.-% kein erhöhtes Risiko.

In extremer Hypoxie (< 13 Vol.-%) müssen alle Maßnahmen zum Gesundheitsschutz auf der Basis einer individuellen Arbeitsplatzanalyse festgelegt werden. Aus regeltechnischen Gründen kann die Sauerstoffkonzentration auf ± 0,2 Vol.-% stabilisiert werden. Diese Schwankungsbreite ist physiologisch irrelevant und kann daher aus Sicht des Personenschutzes akzeptiert werden.

Risikoklassen

Im Zuge der Technologieeinführung und Verbreitung von Brandvermeidungsanlagen mit Sauerstoffreduzierung durch Stickstoffeintrag hat die Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung die DGUV Information 205-006 „Arbeiten in sauerstoffreduzierter Atmosphäre“ herausgegeben, die auf Basis von Erkenntnis einer eigens beauftragten Studie, Erfahrungen aus der betrieblichen Praxis und weiteren internationalen Forschungsergebnissen erstellt worden ist. Die Studie der Universität München ergab, dass der Aufenthalt in einer sauerstoffreduzierten Umgebung ohne gesundheitliche Risiken möglich ist, jedoch bewertet in unterschiedlichen Klassifizierungen, abhängig vom Grad der Sauerstoffreduktion.

Entsprechend dieser Gefährdung lassen sich die sauerstoffreduzierten Bereiche in vier Risikoklassen einteilen:

• Risikoklasse 1 (02-Konzentration c ≥ 17,0 Vol.-%)
• Risikoklasse 2 (02-Konzentration c < 17,0 ≥ 14,8 Vol.-%)
• Risikoklasse 3 (02-Konzentration c < 14,8 ≥: 13,0 Vol.-%)
• Risikoklasse 4 (02-Konzentration c < 13,0 Vol.-%)

13. Arbeitsmedizinische Untersuchungen

Bei Arbeiten in Räumen mit reduziertem Sauerstoffgehalt sind bestimmte Rahmenbedingungen zu gewährleisten.

Für das Betreten von sauerstoffreduzierten Räumen werden folgende Maßnahmen empfohlen:

Risikoklasse 1 (O₂-Konzentration c ≥ 17 Vol.-%)

• Unterweisung

Risikoklasse 2 (O₂-Konzentration c < 17 ~ 14,8 Vol.-%)

• Unterweisung
• Angebotsuntersuchung
• Ausschluss von schweren Vorerkrankungen

Hierbei sollte beachtet werden, dass:

• bei Risikoklasse 2 ausschließlich solche Erkrankungen in Betracht zu ziehen sind, die beim Betroffenen auch bei leichten Belastungen (z.B. eine Etage Treppen steigen) eine auffallende, als einschränkend empfundene Kurzatmigkeit verursachen;
• andere akute oder chronische Erkrankungen (z.B. Diabetes) keinerlei Risikoerhöhung bedeuten und damit nicht in Betracht gezogen werden müssen.

Wenn bei Beschäftigten bei Arbeiten in sauerstoffreduzierter Atmosphäre Beschwerden auftreten, ist der Bereich mit sauerstoffreduzierter Atmosphäre umgehend zu verlassen. Tritt innerhalb von weniger als 30 Minuten völliges Wohlbefinden ein, kann der Bereich erneut betreten werden. Ist dies nicht der Fall oder sind wiederholt Beschwerden in Bereichen mit sauerstoffreduzierter Atmosphäre aufgetreten, so ist vor dem nächsten Einsatz eine arbeitsmedizinische Untersuchung zu veranlassen.

Risikoklasse 3 (O₂-Konzentration c < 14,8 ~ 13,0 Vol.-%)

• Unterweisung
• Bei höherer körperlicher Belastung in sauerstoffreduzierter Atmosphäre sollte arbeitsmedizinisch eine Abschätzung der Mindestbelastbarkeit gemäß Tabelle 2 erfolgen.
• Wenn bei Beschäftigten bei Arbeiten in sauerstoffreduzierter Atmosphäre Beschwerden auftreten, ist vor dem nächsten Einsatz eine arbeitsmedizinische Untersuchung zu veranlassen.
• Regelmäßige Kontrolluntersuchungen sind vorzusehen, und zwar in folgenden Intervallen:

- bis zum 40. Lebensjahr mindestens alle drei Jahre

- nach dem 40. Lebensjahr jährlich

14. Formen der beruflichen Exposition gegenüber Hypoxie

(Quelle: UIAA)

Im Hinblick auf die derzeitige Debatte in verschiedenen Ländern (Österreich, Großbritannien, Frankreich Deutschland) ist hervorzuheben, dass eine (leichte) Hypoxie im Allgemeinen keine Gefahr darstellt. Für das Risikoprofil der Hypoxieexposition müssen fünf wichtige Faktoren berücksichtigt und unterschieden werden:

• Höhe bzw. äquivalente Höhe (%O₂)
• Dauer der Exposition
• Höhenprofil/Akklimatisation (einschließlich intermittierende Hypoxie)
• Arbeitsbelastung unter Hypoxie
• Hochlandbewohner vs. Flachlandbewohner Mithilfe der fünf Hauptpunkte oben können mindestens vier Arten der Exposition mit jeweils völlig unterschiedlichem Risikoprofil unterschieden werden.

Extrem kurze Exposition

Die extrem kurze Exposition findet im Allgemeinen bei Höhen zwischen 1.800 m und 2.500 m und für einen Zeitraum von einigen Minuten bis einigen Stunden statt.

Bei einer isobaren Hypoxie von 17-14,8 % Sauerstoffgehalt (± 0,2) in mit Hypoxiesystemen ausgestatteten Brandschutzräumen werden die Angestellten einer äquivalenten Höhe von 1.700--2.600 m ausgesetzt (basierend auf der ICAO-Standardatmosphäre, s. Abb. 2). Diese Höhe liegt im Bereich der sogenannten »Schwellenhöhe«, also der Höhe, in der der Körper eine erste Reaktion auf die Hypoxie zeigt. Je nach System variiert die Schwellenhöhe zwischen 1.500 m (leichter Anstieg des Ruhepulses) und 2.400 m (Erhöhung der Erythropoietin-Serumkonzentration).

Folglich stellen Höhen um den Schwellenwert keine Hypoxiegefahr für gesunde Menschen dar. Auch stellt dies keine Gefahr für Menschen mit chronischen Erkrankungen mittlerer Schwere dar. Auf eine mögliche Gefahr für schwerkranke Personen wird später eingegangen.

Unter besonderen Rahmenbedingungen werden Mitarbeiter Höhen zwischen 2.700 und 3.800 m in Brandschutzräumen ausgesetzt. Diese Exposition beschränkt sich auf höchstens einige Stunden, oftmals auf weniger als 60 Minuten. Typisch für eine derartige Exposition ist, dass die Mitarbeiter die Hypoxiebereiche jederzeit verlassen können, falls sie sich unwohl fühlen.

Einige verbreitete Aktivitäten setzen Menschen sogar noch wesentlich größeren Höhen aus, z.B. Skifahren auf 3.800 m Höhe (Europa) oder auf über 4.000 m (USA), oder Straßenverkehr auf fast 3.000 m (Europa), über 4.000 m (USA und Tibet) und über 5.000 m (Südamerika). Hier kann das Hauptproblem die Druckänderung sein, insbesondere für Kinder oder Menschen, die an einer Infektion der oberen Atemwege leiden.

Die längste Exposition dieser Art (»extreme kurze Exposition«) sind Fernflüge, die zum Teil auch als »begrenzte Exposition« (s.u.) bezeichnet werden können. Es liegen Daten vor, dass einige Fluggesellschaften eine höhere Kabinenhöhe als den von der ICAO vorgegebenen Grenzwert von 2.400 m betreiben, insbesondere, wenn es sich um moderne Flugzeuge handelt. Im Allgemeinen dauert die Zeit der Exposition nur wenige Stunden. Bis zu 3.000 m (oder sogar noch höher) besteht in diesem Zeitraum keine Gefahr, eine Höhenkrankheit zu entwickeln. Das Hauptproblem für diese Gruppe kann der akute Druckwechsel sein, insbesondere, wenn jemand erkältet ist. Im Allgemeinen fühlen sich alle - sogar Schwangere und Kinder - in diesen Höhen gut. Ausnahmen sind Menschen mit schweren bereits vorhandenen Krankheiten (s.u.).

Innerhalb dieser Gruppe mit »extrem kurzer Exposition« gibt es eine kleine Untergruppe mit besonderen Bedingungen: Personen, die andere Menschen trainieren, insbesondere Bergsteiger, die sich für extreme Höhenexpeditionen akklimatisieren, oder Mitarbeiter, die eine solche Vorakklimatisation für die Arbeit in großer Höhe durchführen. Diese Vorakklimatisation wird immer häufiger in Einrichtungen mit isobarer Hypoxie durchgeführt. Die Teilnehmer setzen sich einer Höhe von 5.300 m oder mehr aus. In den meisten Fällen beschränkt sich die Exposition auf einige wenige Minuten bis zu einer halben Stunde. Der besondere Vorteil der isobaren Hypoxie liegt darin, dass diese Personen leicht und jederzeit in eine normale Atmosphäre zurückkehren können, falls sie sich unwohl fühlen.

Menschen mit einigen vorbestehenden Erkrankungen können ggf. schwerwiegende Probleme bei dieser Höhe entwickeln, während gesunde Menschen diese Exposition in der Regel gut vertragen: Die Expositionsdauer ist zu kurz, um eine akute Höhenkrankheit zu entwickeln und auch zu kurz, um relevante neurologische Probleme zu verursachen. In der Flugmedizin wird dieser Zeitraum als »Time of Useful Consciousness« bezeichnet.

Bei steigender Höhe nimmt die maximale Arbeitsbelastbarkeit um 10-15 % pro 1.000 m Höhe ab (beginnend bei 1.500 m über NN), wobei gut trainierte Menschen proportional die größte Leistungseinbuße zeigen.

Da die in der Höhe verrichtete Arbeit zumeist eine begrenzte Belastung darstellt (schätzungsweise 0,5-1,0 W/kg Körpergewicht), stellt dieser Effekt normalerweise keine Limitierung dar. Bei sehr anstrengender Arbeit oberhalb von 3.000 m Höhe ist die O₂-Diffusion ein zunehmend limitierender Faktor und Menschen, die intensive Arbeiten verrichten, können ihre SaO2 nicht auf einem Niveau stabilisieren, das für die entsprechende Höhe in Ruhe zu erwarten wäre. Aus diesem Grund sinkt die SaO₂.

Derartige Arbeiten sollten ausschließlich von gesunden Personen durchgeführt werden, und selbst für diese muss eine eingeschränkte (niedrigere) Belastbarkeit berücksichtigt werden, wenn die erforderliche Tätigkeit und die Ressourcen dafür geplant werden.

Der Beitrag wurde im "Praxishandbuch Brandschutz 2016 - Grundlagen, Organisation, Recht, Arbeitshilfen" (Hrsg.: Scheuermann, Klaus, Dr.-Ing.) veröffentlicht.