Wassernebelsysteme: VdS-Anerkennung und Laborprüfung

Die Charakteristiken von Düsen und Sprinkler haben einen immensen Einfluss auf den Erfolg der Brandbekämpfung. Diese Bauteile sind daher auch das für die Produktentwicklung aufwendigste Bauteil. Sprühbild einer Wassernebeldüse im Betrieb.
Bild: Fogtec

Die Charakteristiken von Düsen und Sprinkler haben einen immensen Einfluss auf den Erfolg der Brandbekämpfung. Diese Bauteile sind daher auch das für die Produktentwicklung aufwendigste Bauteil. Sprühbild einer Wassernebeldüse im Betrieb.

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Parallel zu der auf europäischer Ebene aktuell stattfindenden Erarbeitung einer Prüfnorm für Wassernebeldüsen und -sprinkler sah auch die VdS den Bedarf, Richtlinien für die Produktprüfung der Komponenten von Wassernebelsystemen zu schaffen. In diesen Richtlinien sollten u. a. die Anforderungen an in Wassernebelanlagen verwendete Komponenten berücksichtigt werden, die aus den VdS-Richtlinien für die Planung und den Einbau von Wassernebelanlagen hervorgehen.

Ergänzend zu den bereits in 2022 erschienen Teilen der Richtlinienreihe VdS 3883, die Versuchskonzepte für Wirksamkeitsnachweise von Wassernebelsystemen für verschiedene Anwendungsbereiche beschreiben, sind im August 2022 die ersten VdS-Richtlinien für die Prüfung und Zertifizierung von Produkten und Systemen der Wassernebeltechnik veröffentlicht worden – VdS 3100 für Systeme und VdS 3100-46 für Düsen und Sprinkler.

Unterscheidung nach Druckstufen

Wassernebelsysteme können im Allgemeinen sehr gut nach ihren Druckstufen unterschieden werden. Innerhalb der benannten Regelwerke findet folgende Zuordnung Anwendung: Systeme mit Betriebsdrücken ab 16 bar werden als Hochdruck-Wassernebelsysteme definiert, Systeme mit Betriebsdrücken bis einschließlich 16 bar werden als Niederdruck-Wassernebelsysteme definiert.

Eine gesonderte Betrachtung von Mitteldrucksystemen (12 bis 16 bar), wie sie nach DIN CEN/TS 14972 bzw. NFPA 750 definiert werden, findet bei VdS prüf- und planungstechnisch nicht statt. Diese Klassifizierung ist ebenfalls in DIN EN 14972-1 und in der neu erschienenen E EN 17450-2 nicht (mehr) berücksichtigt.

Niederdruck-Wassernebelsysteme

Niederdruck-Wassernebelsysteme sind als Sprinkleranlagen gemäß VdS CEA 4001 bzw. als Sprühwasser-Löschanlagen gemäß VdS 2109 zu planen und zu installieren. Die Zuordnung dieser Regelwerke lässt sich einfach erklären: Der Unterschied zwischen einer Niederdruck-Wassernebelanlage und einer traditionellen, wasserbasierten Brandbekämpfungsanlage (twBba) beschränkt sich rein auf die zur Brandbekämpfung benötigte Wassermenge.

Aus diesen Zusammenhängen heraus ist es auch naheliegend, dass Niederdruck-Wassernebelanlagen genau wie auch Sprinkler- und Sprühwasserlöschanlagen, aus VdS-anerkannten Bauteilen bestehen müssen (vgl. VdS CEA 4001 und VdS 2109, Anhang I).

Hochdruck-Wassernebelsysteme

Sie sind gemäß VdS 3188 zu planen, zu errichten und instand zu halten. Im Gegensatz zu Niederdruck-Wassernebelsystemen haben hier nicht alle verwendeten Komponenten eine eigenständige VdS-Anerkennung. Viele sind lediglich prüftechnisch behandelt und in den entsprechenden Systemanerkennungen gelistet. Niederdruck-Wassernebelsysteme sind als Sprinkleranlagen gemäß VdS CEA 4001 bzw. als Sprühwasser-Löschanlagen gemäß VdS 2109 zu planen und zu installieren.
Bild: Minimax/Stefan Albrecht

Wie bereits erläutert, werden für Niederdruck-Wassernebelsysteme anerkannte Bauteile aus der Sprinklertechnik verwendet. Die Prüfung dieser Bauteile wird in den entsprechenden Teilen der Richtlinienreihe VdS 2100 beschrieben. Identisch dazu bildet inzwischen, fast 35 Jahre nach Erscheinen der ursprünglichen Version der VdS 2100 : 1988, die VdS 3100 ein breit aufgestelltes Basiswerk für die Prüfung von Hochdruck-Wassernebelsystemen und einer Auswahl der darin verwendeten Komponenten. Zukünftig wird auch diese Richtlinienreihe um einzelne, produktspezifische Teile erweitert.

VdS-Anerkennungen für Düsen und Sprinkler

Im Fokus jedes Wassernebelsystems steht das Bauteil, das den Wassernebel erzeugt: die Düse bzw. der Sprinkler.

Diese Bauteile nehmen in der oben beschriebenen Systematik der Prüfrichtlinien eine Sonderrolle ein. Während die meisten Komponenten von Niederdruck-Wassernebelsystemen nach den bereits vorhandenen Richtlinien der Reihe VdS 2100 geprüft werden, gilt dies nicht für die Düsen und Sprinkler. Durch das Ableiten der Prüfdrücke aus den Parametern der Wirksamkeitsnachweise war es möglich, mit der VdS 3100-46 ein Regelwerk für alle Wassernebeldüsen und -sprinkler zu verfassen. Ohne auf die Unterscheidung in die einzelnen Druckbereiche Rücksicht nehmen zu müssen, ermöglicht dieses Regelwerk in Kombination mit einem Nachweis der Wirksamkeit gemäß VdS 3883, eine risikospezifische Produktanerkennung. Durch Wassernebelanlagen muss das Löschwasser so effektiv ausgegeben werden, dass trotz der gegenüber der traditionellen wasserbasierten Brandbekämpfungsanlage reduzierten Wassermenge eine vergleichbare Wirkung erzielt wird. Da der Erfolg der Brandbekämpfung unter anderem stark vom Brandszenario (Art des Brandguts und seiner Anordnung, Verteilung etc.) abhängt, werden die Düsen und Sprinkler anwendungsfallabhängig geprüft und anerkannt.

Zunächst Wirksamkeit prüfen

Die Charakteristiken der Düsen und Sprinkler haben also einen immensen Einfluss auf den Erfolg der Brandbekämpfung. Diese Bauteile sind daher auch das für die Produktentwicklung aufwendigste Bauteil. Aus wirtschaftlicher Sicht empfiehlt es sich, vor Beginn der labortechnischen Produktprüfungen zu allererst immer die Nachweise der Wirksamkeit abzuschließen, denn diese stellen erfahrungsgemäß den kritischsten und teuersten Teil des Prüfverfahrens dar. Dieses Vorgehen hat auch für das weitere Verfahren nennenswerte Vorteile: Die verwendeten Düsen und Sprinkler können direkt nach Abschluss der Nachweise durch das Prüflabor gesichert werden, da diese für das folgende Prüf- und Anerkennungsverfahren noch von Bedeutung sind. Diese Düsen und Sprinkler sind im Regelfall Prototypen, deren Serienproduktion erst nach erfolgreichem Nachweis der Wirksamkeit startet. Im Anschluss erfolgt im Labor ein Abgleich der Eigenschaften der Prototypen aus den Wirksamkeitsnachweisen mit den Prüflingen aus der Serienproduktion, die dann im Prüfverfahren verwendet werden. Tabelle 1: Gegenüberstellung der Regelwerke.
Bild: VdS

Mit der Durchführung der Wirksamkeitsnachweise zu Beginn des Verfahrens werden die Betriebsdrücke der Düsen und auch des Systems fixiert (Betriebsdruck der Düse, Systemdruck, Bereitschaftsdruck etc.). Mit diesen Parametern werden anschließend die Bauteilprüfungen gemäß VdS 3100-46 durchgeführt. Würde das Verfahren mit den Bauteilprüfungen beginnen, könnte dies zur Folge haben, dass Änderungen (z. B. der Druckstufen) aufgrund der Ergebnisse der Wirksamkeitsnachweise eine Wiederholung großer Teile des Produktprüfverfahrens mit geänderten Parametern erfordern.

An dieser Stelle ist jedoch auch zu erwähnen, dass unter Umständen Prüfungen innerhalb von Düsenmodellen übertragen werden können. Klassischerweise ist dies der Fall, wenn eine Düse für unterschiedliche Risikoszenarien mit unterschiedlichen Betriebsdrücken eingesetzt werden soll. Dabei genügt dann im Regelfall bspw. die Prüfung auf Druckfestigkeit bei dem höchsten zu erwartenden Systemdruck. Die Funktionsprüfung hingegen berücksichtigt die Betriebsdrücke aller Anwendungsfälle ([1] 6.4.5).

Bauteilprüfungen im Detail

Das Ziel von Bauteilprüfungen ist es sicherzustellen, dass einerseits die erforderliche Funktion zuverlässig und über den gesamten Lebenszyklus des Bauteils gewährleistet ist. Andererseits aber auch, dass von den einzelnen Komponenten eines Systems keine Gefährdung von Personen, die sich in der Umgebung der Anlage aufhalten, ausgeht. Daher werden im Rahmen des Prüfverfahrens sowohl häufig auftretende Umwelteinflüsse berücksichtigt als auch, z. B. durch Langzeitprüfungen eine mögliche Materialalterung simuliert ([1] 5.4.12, 5.4.15, 5.5).

Ein Teil der labortechnischen Produktprüfungen für Wassernebeldüsen und -sprinkler ist die Erfassung der charakteristischen Eigenschaften. Die Ergebnisse dieser Prüfungen ermöglichen eine langfristige und eindeutige Identifizierung des Modells. Damit kann auch die Gleichheit der Bauteile aus den Wirksamkeitsnachweisen mit denen bestätigt werden, die der Antragsteller zur Durchführung der Laborprüfungen eingereicht hat. Wichtige Bestandteile dieser Prüfungen sind die Vermessung der Düsenkonstanten (K-Faktor), Wasserverteilungen, visuelle Begutachtungen sowie weitere, konstruktionsspezifische Überprüfungen ([1] 5.3, 5.4.2–5.4.4, 7).

Prüfpläne in der Praxis

Die Gesamtheit aller Prüfungen in Verbindung mit einer Zuordnung der jeweils benötigten Prüfmuster wird für den Antragsteller in Form eines Prüfplans dargestellt ([1] 5.4.3, 5.4.4). Beim Vergleich der Prüfpläne für Wassernebelsprinkler und –düsen fallen einige Unterscheide auf. Technisch gesehen sind Sprinkler lediglich Düsen, die zusätzlich über ein temperaturempfindliches Auslöseelement (Glasfass oder Schmelzlot) verfügen. Prüftechnisch führt dieser Sachverhalt zu deutlich mehr Initial- und Folgeprüfungen bei den Sprinklern (im Vergleich zu den Düsen). Dieser Prüfumfang nimmt weiter zu, sobald die Sprinkler mit Auslöseelementen unterschiedlicher Nennauslösetemperaturen (NAT) versehen sind ([1] 5.4.1, 5.4.10, 5.4.11).

Diese mögliche Vielfalt der Nennauslösetemperaturen entsteht aus den Bewertungskriterien der Wirksamkeitsnachweise: Deren Bestehen basiert in den meisten Fällen auf dem Vergleich von Brandkennwerten wie Raumtemperaturen oder dem entstandenen Brandschaden bei Verwendung einer Wassernebelanlage und einer traditionellen wasserbasierten Brandbekämpfungsanlage (vgl. [6]). Wenn bspw. der Schaden, den die Wassernebelsprinkleranlage zulässt, geringer ausfällt als der bei Verwendung der Sprinkleranlage gemäß VdS CEA 4001, gilt der Nachweis als erbracht (vgl. VdS 3883-1, -2). Waren die dort eingesetzten Wassernebelsprinkler mit Auslöseelementen von bspw. 68 °C versehen, können auch baugleiche Auslöseelemente mit einer geringeren NAT in die Produktanerkennung des Sprinklers aufgenommen werden. Die grundsätzliche Annahme wäre, dass eine noch schneller ansprechende Anlage den Brandschaden noch geringer halten würde.

Nach einer erfolgreichen Durchführung der festgelegten Prüfungen gemäß VdS 3100-46 steht der Ausstellung einer Produktanerkennung für die Düse oder den Sprinkler nichts mehr im Wege. In Anlage 3 des Zertifikats finden sich dann u. a. die Details dazu, zum Schutz welcher Risiken gemäß VdS 3188 die Düse eingesetzt werden darf. Mit diesem Zertifikat kann dieses Bauteil dann in Systemanerkennungen gelistet werden. Die VdS-Brandschutztage ziehen immer wieder jedes Jahr viele Fachbesucher in die Kölnmesse.
Bild: VdS

Vergleich mit anderen Regelwerken

Bereits bei der Erstellung der VdS 3100-46 wurde versucht, neben den bisher bei VdS angewendeten Prüfgrundlagen ebenfalls die europäisch relevanten Regelwerke zu berücksichtigen. Insbesondere die Erstellung der E EN 17450-2 – „Wassernebelsysteme – Teil 2: Anforderungen und Prüfverfahren für Düsen“ wurde dabei mit Interesse verfolgt. Während die Erfahrungen aus den bisherigen Prüfungen und der Anwendung der VdS 3100-46 durch die Mitarbeit von VdS in dieser Bearbeitung mit eingebracht werden konnten, ist abschließend vor allem von Interesse, welche Unterschiede es zwischen den beiden Regelwerken geben wird.

Inzwischen ist im März 2023 der Entwurf der Norm E EN 17450-2 erschienen, die auf europäischer Ebene ebenfalls die Prüfung von Düsen und Sprinklern beschreibt. Wie bei der Erarbeitung der VdS 3100-46 war auch für diesen Normenentwurf die DIN CEN/TS 14972 : 2011, die im Anhang A eine Liste von Prüfungen für Düsen und Sprinkler enthält, eine maßgebliche Basis.

Obwohl die Grundlage beider Regelwerke die DIN CEN/TS 14972 war, weist die VdS 3100-46 : 2022 gegenüber der E EN 17450-2 Unterschiede auf.

Einer dieser Unterschiede ist die Erfassung der Wasserverteilung. VdS 3100-46 fordert diese Prüfung, da nur durch diese Prüfung eine mögliche Sprühbeeinträchtigung, z. B. durch die Abdeckung von verdeckten Sprinklern und Düsen, quantifizierbar bewertet werden kann. In der derzeitigen E EN 17450-2 ist diese Prüfung nur als Option beschrieben.

Ein weiterer Unterschied findet sich bei den Kontrollprüfungen nach der Konditionierung der Sprinkler. Nach der Temperaturschockprüfung wird gemäß E EN 17450-2 eine Funktionskontrollprüfung durchgeführt (4.10). Zusätzlich erfolgt anschließend nach VdS 3100-46 eine Bestimmung der Nennauslösetemperatur (5.4.11). Aus unserer Sicht kann dadurch aussagekräftiger bewertet werden, ob der Sprinkler auch nach der Beanspruchung noch bestimmungsgemäß (bei den spezifizierten Temperaturen) auslöst oder ob die Konditionierung Einfluss auf das Auslöseverhalten hat.

Im Gegensatz zu den VdS-Richtlinien fordert E EN 17450-2 als Teil des Prüfverfahrens eine Bestimmung des RTI-Wertes (4.3). Bei Durchführung der Wirksamkeitsnachweise wird das Auslöseverhalten der Sprinkler in realistischen Einbausituationen geprüft. Dabei entspricht auch die Wärmeabfuhr durch die Rohrleitung und das darin befindliche Wasser vergleichbaren Bedingungen wie in der realen Anwendung (vgl. [2]). Vor diesem Hintergrund hat sich VdS bei der Erstellung der VdS 3100-46 dazu entschieden, auf eine zusätzliche Prüfung des RTI-Wertes zu verzichten, denn das Prüfverfahren sollte Prüfungen enthalten, die für die spätere Anwendung aussagekräftig sind und nicht nur reine Laborwerte generieren.

Ein Blick auf weitere, außereuropäische Regelwerke zeigt noch immer eine gewisse prüftechnische Schnittmenge, aber auch Unterschiede auf. So gehen die Regelwerke von ISO, FM und UL bspw. mehr auf die Prüfung von technischen Besonderheiten wie Beschichtungen ein (ISO 6182-9, FM 5560, UL 2167). VdS bleibt hierfür generell offen und definiert mögliche zusätzliche Prüfungen in großer Abhängigkeit der vorliegenden Bauteile [3].

Andere, bei VdS nicht beschriebene Prüfungen werden durch die Gesamtheit der entsprechenden VdS-Regelwerkstruktur kompensiert oder wurden aufgrund von bisherigen Erfahrungen bewusst nicht definiert. Ein gutes Beispiel dafür ist die Konditionierung mit extremer Kälte, bei der Sprinkler mit Wasser gefüllt und eingefroren werden (ISO 6182-9, FM 5560, UL 2167). VdS vermeidet solche Situationen in der Anwendung durch entsprechende Planungsvorgaben, vgl. [4]. Eine Gegenüberstellung der Regelwerke findet sich in der Tabelle 1. 

Ausblick: Wie geht es weiter?

Mit der Veröffentlichung des europäischen Normenentwurfs E DIN EN 17450-2 : 2023-05 „Wassernebelsysteme – Teil 2: Anforderungen und Prüfverfahren für Düsen“ ist ein weiterer Baustein für eine einheitliche Bewertung der Funktion und Zuverlässigkeit von Wassernebelsystemen und deren Komponenten geschaffen worden. Sobald diese Norm die seitens CEN notwendigen Umfragen und Konsultationen durchlaufen hat und der technische Inhalt gesetzt ist, wird VdS diese Norm prüfen und die finale Abweichung zur VdS 3100-46 analysieren.

Da es unser Ziel ist, immer zu gewährleisten, dass die Produkte unserer Kunden bei einer erfolgreichen Prüfung auf Grundlage der VdS-Richtlinien auch automatisch alle Anforderungen der europäischen Norm erfüllen, wird die VdS 3100-46 im Bedarfsfall angepasst. Dabei können wir kurzfristig auf diese neue Entwicklung in der europäischen Normung reagieren, um die anerkannten Produkte immer auf dem höchsten Prüf- und damit Sicherheitsniveau zu halten.