Krüger_Freisetzung toxischer Gase bei der Verwendung von

Freisetzung toxischer Gase bei der Verwendung von Grillgeräten
in geschlossenen Räumen und deren frühzeitige Detektion
Simone Krüger1, Marie-Claire Despinasse1, Sebastian Stahn1, Tina Raspe1, Kai Nörthemann2,
Werner Moritz2
1
BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung
2
Humboldt Universität zu Berlin
Kurzfassung:
Durch die Verwendung von Grillgeräten in geschlossenen Räumen, wie Gartenlauben,
Wohnungen oder Garagen kam es in den vergangenen Jahren zu einer Vielzahl von Unfällen
mit schweren Vergiftungen und Todesfällen. Seit 2008 scheint das Auftreten von
Kohlenmonoxid (CO) Intoxikationen innerhalb Deutschland wieder zu zunehmen. Die
Hauptursachen sind dabei der unsachgemäße Gebrauch von Holzkohlegrills, schlecht
gewartete Gasthermen und Kamine. Zum Schutz der Bevölkerung ist deshalb eine Aufklärung
über mögliche Gefahren wichtig.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden diese Gefahren bewertet. Es wurden verschiedene
Brandszenarien mit Grillgeräten, mit unterschiedlichen Grillkohlearten und –mengen in
geschlossenen Räumen realisiert und die entsprechenden Konzentrations-Zeit-Verläufe
ermittelt. Bei den Brandversuchen wurden zudem notwendige Eingabeparameter für
numerische Simulationen ermittelt, um die Verwendung von Holzkohlegrills in geschlossenen
Räumen zu simulieren. Die Auswirkungen für Menschen beim Grillen in geschlossenen
Räumen wurden quantifiziert, indem die Eintrittszeitpunkte der Handlungsunfähigkeit und
des Todes mittels Fractional Effective Dose (FED)-Konzept bestimmt wurden.
Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass eine frühzeitige Detektion der toxischen Gase zur
Warnung von Personen dringend notwendig ist. In den durchgeführten Brandversuchen zeigte
sich, dass die gebräuchlichen Rauchmelder auf Streulichtbasis keine rechtzeitige Warnung
ermöglichen. Deshalb sind für solche Brandszenarien andere Branddetektoren erforderlich.
Entsprechende Versuche mit CO-Brandmeldern zeigten, dass das freigesetzte CO beim
Grillen in geschlossenen Räumen frühzeitig detektiert werden kann und Personen somit
rechtzeitig gewarnt werden können.
Zur frühzeitigen Erkennung von Schwelbränden wurde weiterhin ein neuer
Wasserstoffdetektor getestet. Die Entstehung von Wasserstoff in einer sehr frühen
Brandphase kann zur frühzeitigen Erkennung von Schwelbränden genutzt werden. Bei ersten
Schwelbrandexperimenten mit Holzproben konnte Wasserstoff in einer geschlossenen
Kammer (0,5 m3) nachgewiesen werden, noch bevor es zu einer erhöhten CO-Emission kam.
Die Ergebnisse der Schwelbrandversuche werden vorgestellt und die Verwendbarkeit von
CO- und Wasserstoff-Detektoren erörtert und diskutiert.
1. Einleitung
In den vergangenen Jahren kam es wiederholt zu Unfällen, die auf die unsachgemäße
Verwendung von Grills zurückzuführen sind. Neben schweren Verbrennungen durch den
fahrlässigen Einsatz von Brandbeschleunigern sind in den zurückliegenden Jahren vermehrt
schwere und teils tödliche Kohlenmonoxid-Vergiftungen durch die Verwendung von Grills in
geschlossenen Räumen aufgetreten. Die Verwendung von Grills in geschlossenen Räumen
führt auch für Ersthelfer und Einsatzkräfte zu lebensbedrohlichen Situationen. Aus diesem
Grund wurde die Freisetzung toxischer Gase beim Verwenden von Grillgeräten in
geschlossenen Räumen untersucht.
Bei Brandversuchen mit Holzkohle, Steinkohle und Kokos im Original- und Labormaßstab
wurden die Konzentrationen der wesentlichen toxischen Komponenten mit Hilfe der FourierTransformations-Infrarot (FTIR)-Spektroskopie gemessen. Für die Bewertung dieser
Gefahren sind die Konzentrations-Zeit-Verläufe am Aufenthaltsort von Personen maßgebend.
Bei Laborbrandversuchen in einer geschlossenen Kammer (Rauchkammer, 0,5 m3) wurden
die zeitlichen Verläufe der Konzentrationen von CO und CO2 bestimmt. Des weiteren wurden
Versuche im Originalmaßstab in einer geschlossenen Kammer mit einem Volumen von 20 m3
durchgeführt. Mit den durchgeführten Versuchen im Originalmaßstab kann jedoch nur ein
konkretes Schadensszenario wiedergegeben werden. Für eine umfassende Untersuchung der
Gefahren ist die Betrachtung eines Szenarios unzureichend. Da die Durchführung von
Brandversuchen im Originalmaßstab sehr aufwendig und teuer ist, sind Brandversuche im
Labormaßstab eine geeignete Alternative, die Freisetzung von CO und CO2 eines
Holzkohlegrills zu untersuchen.
Die Entwicklung numerischer Simulationen hat die Betrachtung nahezu beliebiger
Problemstellungen möglich gemacht. Auch die Freisetzung von CO und CO2 durch einen
Holzkohlegrill in geschlossenen Räumen kann mit numerischen Simulationen berechnet
werden. Die durchgeführten Brandversuche wurden deshalb gleichzeitig zur Bestimmung von
Eingabeparametern numerischer Simulationen genutzt. Nachdem die Konzentrations-ZeitVerläufe der toxischen Komponenten mit Brandversuchen und numerischen Simulationen
bestimmt wurden, können die Auswirkungen für Menschen quantifiziert werden. Die
Eintrittszeitpunkte der Handlungsunfähigkeit und des Todes von Personen beim Grillen in
geschlossenen Räumen wurden mit dem Konzept der Fractional Effective Dose bestimmt.
Statistik der Unglücksfälle
Vergiftungen mit Kohlenstoffmonoxid spielen besonders in geschlossenen Räumen eine
tragende Rolle und bleiben aufgrund ihrer unspezifischen Symptomatik häufig unerkannt.
Laut der Weltgesundheitsorganisation (WHO) sind Kohlenstoffmonoxid-Vergiftungen mit
einer jährlichen Todesrate von 2.2/100 000 in der Europäischen Union eine nicht zu
unterschätzende Gefahr, die es durch bessere Vorsorgemaßnahme und effizientere
Messtechniken zu verhindern gilt [1]. Die Giftinformationszentren und das Bundesinstitut für
Risikobewertung (BfR) konnten im Zeitraum von 2000 bis 2009 insgesamt 60
Vergiftungsfälle diesbezüglich registrieren [2]. Insbesondere seit dem Jahr 2006 konnte ein
deutlicher Anstieg festgestellt werden. Die genaue Zahl der Unglücksfälle und die Zahl der
betroffenen Personen kann allerdings nur geschätzt werden, da es derzeit keine einheitliche
Vorgehensweise bei der Erfassung der Ursachen für Kohlenmonoxid-Vergiftungen gibt. Die
nachfolgende Tabelle 1 gibt eine aktuelle Auswahl der Unglücksfälle wieder, die in den
letzten Jahren allein in der Presse diesbezüglich recherchiert werden konnten. Die Zunahme
der Unglücksfälle macht deutlich, dass besonders die Freisetzung von Kohlenstoffmonoxid
(CO) eine unterschätzte Gefahrenquelle ist und einer Aufklärung bedarf.
Tabelle 1: Unglücksfälle durch die Verwendung von Holzkohlegrills in geschlossenen Räumen in der
Bundesrepublik Deutschland im Zeitraum zwischen 2007 und 2013
Datum
Bundesland
Stadt
01.01.2013
Hessen
Rüsselsheim
29.10.2012
NordrheinWestfalen
Bochum
20.07.2012
NordrheinWestfalen
Münster
18.03.2012
Bremen
Bremen
07.11.2011
Hamburg
05.07.2011
BadenWürttemberg
Neuenfelde
Untermarchtal
19.01.2011
Bayern
Freising
02.01.2011
Bayern
Freising
15.05.2010
BadenWürttemberg
Ludwigsburg
10.01.2010
Niedersachsen
Osterhusen
22.07.2009
Brandenburg
Brandenburg/Havel
07.04.2009
SachsenAnhalt
Brandenburg
BadenWürttemberg
BadenWürttemberg
Halberstadt
Brandenburg/Havel
Rastatt
Berlin
Mariendorf
31.08.2008
23.05.2008
23.05.2008
13.04.2007
Stuttgart
Beschreibung
Elf Verletzte, darunter fünf Kinder, nachdem mit zwei
Holzkohlegrills in einer Wohnung gegrillt wurde. Erst nachdem
mehrere Anwesende das Bewusstsein verloren, alarmierte ein Kind
den Rettungsdienst [3]
CO, das durch einen Grill auf der Terrasse freigesetzt wurde, konnte
durch die Terrassentür in die Wohnung eindringen. Fünf Personen
und zwei Polizisten mussten notärztlich versorgt werden [4]
Da es regnete, wurde der Holzkohlegrill in der Nähe des
Hauseingangs betrieben. CO konnte durch die geöffnete Tür in die
Wohnung eindringen. Nachdem ein Kind über Übelkeit geklagt
hatte, stellte der alarmierte Rettungsdienst bei der gesamten Familie
eine CO-Vergiftung fest [5]
Ein 35-jähriger Mann stirbt beim Grillen im Keller an den Folgen
einer CO-Vergiftung [6]
Vier junge Männer erleiden beim Grillen in einer Gartenlaube COVergiftungen [7]
Eine 30-jährige Frau versucht mit einem Grill Selbstmord zu
begehen. Ihre Großmutter findet sie noch rechtzeitig, verstirbt später
aber an den Folgen der CO-Vergiftung. Ihre Enkelin überlebt mit
einer schweren Vergiftung. Fünf weitere Personen (u.a. 3
Einsatzkräfte der Feuerwehr) werden verletzt [8]
Ein 40-jähriger Mann verstirbt nach einer Grillfeier in der Garage. Er
hatte den nicht vollständig abgekühlten Holzkohlegrill in die Garage
gestellt [9]
Nach dem Grillen auf dem Balkon stellt eine 36-jährige Frau den
glühenden Holzkohlegrill in die Wohnung. Ihr Ehemann und die 10jährige Tochter sterben an den Folgen einer CO-Vergiftung. Die
Frau und zwei weitere Kinder überleben [10]
Während eines Kindergeburtstags wird ein Grill in der Wohnung
betrieben, da die Heizung defekt ist. Der Vater hatte den Grill vom
Balkon in die Wohnung gebracht, nachdem nur noch Glut übrig war.
Mutter, Tochter und fünf Kinder des Kindergeburtstages müssen mit
CO-Vergiftungen ins Krankenhaus gebracht werden [11]
Aufgrund der niedrigen Außentemperaturen wurde das Grillen mit
einem Holzkohlegrill in die abgedichtete Garage verlegt. 13
Personen mussten mit lebensgefährlichen CO-Vergiftungen ins
Krankenhaus transportiert werden [12]
50-jähriger stirbt an den Folgen einer CO-Vergiftung, nachdem er
einen Grill zum Beheizen seines Bungalows benutzt hatte. Seine 49jährige Ehefrau überlebt [13]
Nach dem Grillen stellt ein Ehepaar den Grill in ihren Wintergarten.
Sie werden am nächsten Tag tot aufgefunden [14]
Ein Ehepaar stellt einen Holzkohlegrill zum Heizen in ihre
Gartenlaube. Der Mann erstickt über Nacht. Die Frau überlebt [15]
Ein 41-jähriger und eine 41-jährige nehmen den Holzkohlegrill von
der Terrasse in die Wohnung, um die Restwärme zu nutzen. Beide
sterben an den Folgen der CO-Vergiftung [16]
Wegen schlechten Wetters wurde der Grillabend in die Garage
verlegt. Um die Nachbarn nicht zu stören wurden Türen und Fenster
geschlossen. Fünf Personen mussten mit CO-Vergiftungen ins
Krankenhaus transportiert werden [17]
Ein Rentnerehepaar wollte mit der Restwärme des Holzkohlegrills
die Laube erwärmen. Beide sterben an den Folgen der COVergiftung [18]
Die Berechnung der Eintrittszeitpunkte toxischer Wirkungen bei der Verwendung eines
Grillgeräten in geschlossenen Räumen und die Diskussion der Möglichkeiten einer
rechtzeitigen Rettung der Personen haben gezeigt, dass wirksamer Schutz nur durch
umfassende Aufklärung über die Gefahren oder eine rechtzeitige Warnung der Personen
erreicht werden kann. Aus diesem Grund wurden potenzielle Möglichkeiten der effektiven
Warnung von Personen bei den Brandversuchen in geschlossenen Räumen untersucht. Es
wurden optische Rauchmelder, CO-Warnmelder sowie ein in Entwicklung befindlicher
neuartiger Wasserstoffdetektor zur Brandfrüherkennung genutzt und beurteilt.
Wasserstoffdetektion zur Brandfrüherkennung
Die Detektion von Wasserstoff ist für die Branddetektion eine zukunftsweisende Methodik.
Die bisherigen herkömmlichen Brandmeldesysteme (Rauch, Wärme, Licht) weisen den
Nachteil auf, dass sie erst reagieren, wenn entweder genug Wärme (Wärmemelder) vorhanden
ist, oder sich eine genügende Flammenflackerfrequenz durch eine offene Flamme
(Flammenmelder) entwickelt hat oder aber genügend Rauch mit den entsprechenden Partikeln
(optische Rauchmelder, Ionisationsmelder) entstanden ist. Herkömmliche Gassensoren
reagieren erst wenn z.B. genügend Kohlenmonoxid im Schwelbrandfall entstanden ist. All
diese Faktoren (Licht, Wärme, Rauch, Kohlenmonoxid) müssen aber erst einmal in
ausreichender Menge entstehen. Brandmelder für optische und energetische Kenngrößen
brauchen relativ weitentwickelte Brände auch wegen der Falschalarmvermeidung. Hier
beginnt der Vorteil einer Wasserstoffdetektion. Der durch Pyrolyse organischer Substanzen
entstandene Wasserstoff ist auf Grund seiner guten Diffusionseigenschaften besonders zur
frühen Detektion von Schwelbränden geeignet. Hierbei sind 10-20 ppm Wasserstoff ein
praktikabler Schwellenwert für die Brandmeldung. Der entscheidende Vorteil des Systems
besteht damit im Zeitgewinn für die Brandbekämpfung und in der Folge in der Verminderung/
Verhinderung von Brandschäden und Menschenleben.
Ziel dieser Studie ist deshalb eine Abschätzung der Gefahren durch den fehlerhaften
Gebrauch von Holzkohlegrills in geschlossenen Räumen mittels Labor- und Originalbrandversuchen und numerischer Brandsimulation. Die Ergebnisse der Schwelbrandversuche
werden vorgestellt und die Verwendbarkeit von Rauch-, CO- und Wasserstoff-Detektoren
erörtert und diskutiert.
2. Experimentelles
Grillgerät, Holz-, Steinkohle und Kokosbriketts wurden kommerziell im Baumarkt gekauft.
Es wurde ein mobiler Tragegrill verwendet.
Abbildung 1: Grillkohle (links)Vorglühen der Holzkohle direkt im Grill (Mitte) und 12 minütiges
Vorglühen mit Anzündkamin (rechts)
1000 g Holzkohle wurden zum einen direkt im Grill vorgeglüht und zum anderen in einem
Anzündkamin für 12 Minuten vorgeglüht (Abb. 1) und anschließend in den Grill gegeben.
Nähere Details zur Versuchsdurchführung und Auswertung sind in [19] zu finden.
Laborbrandversuche
Die Laborbrandversuche wurden in der Rauchkammer (nach ISO 5659-2) realisiert, welche
ein Volumen von 0,5 m3 aufweist (Abb.2). Ein relevanter Vorteil der Kammer ist die
homogene Verteilung der freigesetzten Gase während des Verschwelungsvorganges.
In der Rauchkammer wurde der Grill zentral positioniert. Dieser wurde auf eine Waage
gestellt, um den Massenverlust zu registrieren. Zusätzlich wurde mittels Thermoelement (Typ
K, Durchmesser 0,1 mm) an der Entnahmesonde für die Rauchgase die Temperatur
aufgezeichnet. Für die Rauchgasanalyse wurden ein FTIR-Spektrometer der Firma
ThermoFisher verwendet mit einer Auflösung von 0,5 cm-1.
Der Grill wurde in die Rauchkammer gestellt. Zuvor wurde die
Holzkohle im Anzündkamin 12 min vorgeglüht. Während des
Schwelvorganges wurde die optische Rauchdichte bzw. die
Transmission mittels Lichtmessstrecke in der Rauchkammer
gemessen. Es wurden 6 Versuche mit Holzkohle durchgeführt,
die nach 60 Minuten beendet wurden.
Abbildung 2: Rauchkammer mit Grillgerät
Beim Vergleich der unterschiedlichen Kohlearten wurde eine zweite Versuchsanordnung gewählt.
Es wurden 16 g der Kohle analog zur Rauchkammerprüfung nach ISO 5659-2 in den Probenhalter
der sich ebenfalls auf einer Waage befand, eingefüllt, nach dem die Kohle 120 min vorgeglüht
wurde. Das Verhältnis Probenmenge zu Rauchkammer ist annähernd wie ein typischer Grill zu
einer Garage.
Orignalbrandversuche
Die Schwadenkammer umfasst 20 m3 (ähnlich Garage) und hat die Form eines liegenden
Zylinders. Dieser hat einen Durchmesser von 2,5 m und eine Länge von ca. 3,9 m. Für die
Messungen der zeitabhängigen Konzentrationsverläufe der Gase in der geschlossenen
Kammer wurden über dem Holzkohlegrill und an der Decke Edelstahlsonden positioniert
(siehe Abb.3). Mittels eines FTIR-Spektrometers wurden die Konzentrationsverläufe von CO
und CO2 ermittelt. Um repräsentative Ergebnisse zu erhalten, wurden 6 Versuche über
mehrere Stunden durchgeführt. Der Versuchsaufbau und Durchführung sind in Abbildung 4
und 5 zu erkennen.
……………………………………
Abbildung 3: Geschlossene 20 m3 Kammer für die Originalbrandversuche mit Grillgerät auf einer
Wage und FTIR-Messtechnik
Abbildung 5: 1000g durchgeglühte Holzkohle mit
enthaltenen Thermoelementen (links) und
Branddetektoren (CO, Rauch) (rechts) in der
geschlossenen 20 m3 Kammer
Abbildung 4: Versuchsaufbau und Positionen
der Gasentnahmesonden in der geschlossenen 20 m3 Kammer
Bei den Versuchen 01, 02, 03 und 06 wurde direkt nach dem Vorglühen der Holzkohlegrill in
die Kammer gestellt und die Türen geschlossen. Dabei handelt es sich um den Extremfall
„worst case“, ein voll durchgeglühter Grill wird in einen geschlossenen Raum gestellt. Bei
den Versuchen 04 und 05 wurde der Holzkohlegrill 60 Minuten im Freien gelassen und dann
in die Kammer gestellt und die Türen geschlossen. Dabei handelt es sich um den Fall, dass
nach einstündigen Grillen, der Grill –möglicherweise wegen Regens- in einen geschlossenen
Raum gebracht wird, mit dem Anschein, dass dieser nicht mehr glüht und ungefährlich ist.
Numerische Simulation
Die Simulation von Brandereignissen ermöglicht das Einsparen von Zeit und Kosten, die für
die Durchführung von Brandversuchen, wie in der Schwadenkammer, notwendig sind. Mit
Hilfe numerischer Simulation, wie der Fire Dynamics Simulator (FDS), können weitere
Brandversuche eingespart werden. In dieser Software werden Ergebnisse der KonzentrationsZeit-Verläufe der toxischen Brandgase aus dem Holzkohlegrill in Form von mathematischen
Formeln vordefiniert. Der Fire Dynamics Simulator wurde vom National Institute of
Standards and Technology (NIST) zur Lösung von Problemen des Brandingenieurwesens
entwickelt. Die Software beinhaltet verschiedene Brand- und Pyrolysemodelle für die
Berechnung von Brandszenarien. Als Grundlage hierfür dienten konkrete Parameter aus den
Versuchsergebnissen der Schwadenkammer.
Brandfrüherkennung mit Wasserstoffsensoren
Bei dem verwendeten Wasserstoffsensor handelt es sich um ein SiliziumHalbleiterbauelement, ein in der Entwicklung befindlicher Wasserstoffsensor (Abb.6) [20-22].
Durch exakt definierte Brandentstehungsbedingungen soll eine quantifizierbare Bewertung
der Vorteile des Wasserstoffsensors gegenüber bestehenden Systemen erreicht werden.
Abbildung 6: Aufbau des Wasserstoffsensors [20]
3. Ergebnisse
Laborbrandversuche
Entsprechend des Anzündkriteriums, welches in Vorversuchen ermittelt wurde (optimal
durchgeglüht nach 12 min), wurden jeweils 1000 g Holzkohle im Anzündkamin 12 min
vorgeglüht. Bei allen Versuchen wurde die glühende Holzkohle anschließend in den Grill
geschüttet und der Grill in die Rauchkammer gestellt. In Abbildung 7 sind die zeitlichen
Verläufe der Konzentration von CO in der Rauchdichtekammer dargestellt. Die
Konzentrations-Verläufe zeigen bei den Versuchen 02 bis 06 gute Übereinstimmungen und
nach etwa 20 min werden konstante Konzentrationen zwischen 13 800 ppm und 16 000 ppm
in der Rauchdichtekammer erreicht. Die Ergebnisse sind ausreichend reproduzierbar, da
aufgrund der Größe der Rauchdichtekammer schon geringste Schwankungen beim Umsatz der
Holzkohle die Freisetzung von CO beeinflussen. Auch haben unterschiedliche Korngrößen einen
Einfluss, deshalb wurden die Probenmengen zuvor größenmäßig mittels Sieb homogenisiert.
Abbildung 7: Zeitliche Verläufe der gemessenen CO-Konzentrationen über dem Holzkohlegrill bei
Versuchen mit dem Grill in der Rauchkammer (0,5 m3)
Die Stoffausbeuten von CO und CO2 des Holzkohlegrills in der Rauchdichtekammer zeigen
vergleichbare zeitliche Verläufe. Zu Beginn der Versuche stiegen die Stoffausbeuten
kontinuierlich. Nach 10 min wurden konstante Stoffausbeuten erreicht. Während der
gesamten Versuchsdauer war das Verhältnis der Stoffausbeuten nahezu konstant. Für die
Verwendung in numerischen Simulationen wurden abschließend die Mittelwerte der
Stoffausbeuten von CO und CO2 ermittelt. Die mittlere Stoffausbeute von CO eines
Holzkohlegrills in der Rauchkammer betrug 0,2515 kg kg−1. Die mittlere Stoffausbeute von
CO2 betrug 2,5908 kg kg−1.
In einer zweiten Versuchsanordnung wurden 16 g (120 min vorgeglüht) Holz-, Stein- und
Kokosbrikett-Proben in einem Probenbehältnis in der Rauchkammer bezüglich der
Rauchentwicklung und der CO Emission untersucht. Es zeigte sich im Vergleich, dass die
Kokosbriketts die höchste CO-Emission aufweisen, gefolgt von der Steinkohle und der
Holzkohle. Es konnte kaum Rauchentwicklung beobachtet werden. Die Transmissionswerte
sanken bei allen Versuchen, auch bei höheren Kohlemassen um nicht mehr als 2-6 %, d.h.
hier hätte kein Rauchmelder auf Streulichtbasis einen Warnton abgegeben können.
Abbildung 8: Vergleich verschiedener Grillkohlearten bezüglich der CO Emission bei Versuchen mit
dem Grill in der Rauchkammer (0,5 m3)
Originalbrandversuche
Die Ergebnisse der Versuche zeigen untereinander eine gute Übereinstimmung und legen dar,
dass nach etwa 2 bis 4 Stunden Maximalkonzentrationen von CO im Bereich von etwa 2800
ppm bis 4300 ppm erreicht werden (Abb.9). Bei den Versuchen 04 und 05, bei welchen der
Grill 60 min im Freien bereits glühte, wurden Maximalkonzentrationen von CO im Bereich
von 1100 ppm bis 1400 ppm detektiert.
Bei keinen der Versuche haben die an der Decke angebrachten Rauchmelder auf
Streulichtbasis trotz enorm hoher toxischer CO Konzentrationen einen Warnton ausgegeben.
Dagegen schlugen die CO Detektoren nach wenigen Sekunden an. Der Schwelwert lag dabei
bei 30 ppm CO Konzentration. Diese Ergebnisse decken sich mit den Laborbrandversuchen in
der Rauchkammer und machen die Notwendigkeit eines CO Detektors sehr deutlich. Die
mittlere Stoffausbeute von CO eines Holzkohlegrills in der 20 m3 Kammer beträgt 0,1753 kg
kg−1, die von CO2 beträgt 1,984 kg kg−1.
Nach dem Öffnen der Kammertür und damit der Zufuhr von Sekundärluft konnte
nachweislich nach 15 bis 20 Minuten die toxische Konzentration von CO behoben werden
(Abb. 10). Eine gute Luftzirkulation würde somit nachweislich die Inzidenz von COIntoxikationen beschränken, was für die Rettungs- und Einsatzkräfte von Bedeutung ist.
Abbildung 9: Zeitliche Verläufe der gemessenen CO-Konzentrationen über dem Holzkohlegrill an der
Decke der geschlossenen 20 m3 Kammer
Abbildung 10: Zeitliche Verläufe der gemessenen CO-Konzentration an der Decke der 20 m3 Kammer
nach Öffnung der Kammertür
Die gemessenen CO Konzentrationen haben dramatische Auswirkungen auf den Menschen.
Zur Ermittlung der Eintrittszeitpunkte Handlungsunfähigkeit und Tod von Personen beim
Grillen in geschlossenen Räumen wurde das Konzept der Fractional Effective Dose
verwendet. Der FED-Wert ist der Quotient aus der aufgenommenen Dosis während einer
Expositionszeit t und der Grenzdosis, die schädigende Wirkung hervorruft. Die schädigende
Dosis ist erreicht, wenn die Gesamtsumme aller Fractions den Wert 1 (FED = 1) erreicht. Bei
der Verwendung von Grills in geschlossenen Räumen sind CO und CO2 die wesentlichen
Gaskomponenten mit schädigender Wirkung für den Menschen. Im Rahmen des FEDKonzepts wird weiterhin der Einfluss der O2-Konzentration in der eingeatmeten Luft
berücksichtigt. Unter Berücksichtigung dieser Gaskomponenten kann der FED-Wert bei der
Verwendung eines Holzkohlegrills in geschlossenen Räumen mit folgender Gleichung
bestimmt werden:
FED = FCO VCO + FO
2
FED
FCO
VCO2
FO2
2
Fractional effective dose
Fraction dose von CO
Steigerung des Atemvolumens durch Inhalation von CO2
Fraction dose von O2
Die Ergebnisse der Berechnung für Handlungsunfähigkeit und Tod einer Person in dem oben
beschriebenen Brandszenario (Holzkohlegrill in einer geschlossenen Garage) sind in der
Tabelle 2 zusammengefasst (Zeiten, bei FED=1).
Tabelle 2: Mit dem FED-Modell berechnete Handlungsunfähigkeit und Tod einer Person beim Grillen
in einer geschlossenen Kammer von 20 m3
Handlungsunfähigkeit einer Person
Leichte körperliche Arbeit
19,5 min
Versuch 3
22,1 min
Versuch 1
22,5 min
Versuch 2
24,1 min
Versuch 6
Person in Ruhe
35,5 min
Versuch 3
40,3 min
Versuch 1
40,4 min
Versuch 6
44,5 min
Versuch 2
Tod einer Person
Leichte körperliche Arbeit
Versuch 3
Versuch 1
Versuch 6
Versuch 2
Person in Ruhe
Versuch 3
Versuch 1
Versuch 6
Versuch 2
25,4 min
29,4 min
31,5 min
31,6 min
48,1 min
55,0 min
55,9 min
60,0 min
Numerische Simulation
Mit FDS-Simulationen wurde die Freisetzung von CO und CO2 eines Holzkohlegrills in einer
Garage berechnet. Die Modell-Garage ist 8 m lang, 4 m breit und 2,7 m hoch. Bei einer
Netzweite von 10 cm besteht die Simulationsumgebung somit aus insgesamt 86 400 Zellen.
Der Grill wurde bei allen Simulationen in der Mitte der Garage platziert. Die Garage wurde
vollständig geschlossen. Auch für diese Situation wurden die Eintrittszeitpunkte der
Handlungsunfähigkeit und des Todes von Personen ermittelt. Die Eintrittszeitpunkte der
Handlungsunfähigkeit bei der Verwendung eines Holzkohlegrills in einer geschlossenen
Garage wurden für Personen mit leichter körperlicher Aktivität und ruhende Personen
berechnet. Gegenüber der Schwadenkammer sind die Konzentrationen von CO und CO2,
aufgrund des größeren Raumvolumens der Garage, niedriger. Die toxischen Wirkungen
setzen später ein. Bei leichter körperlicher Aktivität setzt die Handlungsunfähigkeit von
Personen nach etwa 58 min bis 75 min ein. Ruhende Personen sind nach etwa 140 min bis
180 min handlungsunfähig. Die Eintrittszeitpunkte des Todes bei der Verwendung eines
Holzkohlegrills in einer geschlossenen Garage wurden ebenfalls für Personen mit leichter
körperlicher Aktivität und ruhende Personen berechnet. Bei leichter körperlicher Aktivität der
Person tritt nach etwa 80 min bis 105 min der Tod ein. Der Aufenthalt in der Garage ist für
ruhende Personen nach etwa 165 min bis 218 min tödlich.
Bei der in der Vergangenheit aufgetretenen unsachgemäßen Nutzung eines Holzkohlegrills
kam es in einigen Fällen auch zu Vergiftungen, obwohl mindestens ein Fenster oder eine Tür
geöffnet war und somit eine scheinbar ausreichende Belüftung vorhanden war. Aus diesem
Grund wurde die Freisetzung von CO und CO2 eines Holzkohlegrills in einer Garage mit
offenem Garagentor berechnet. Durch ein geöffnetes Garagentor können die freigesetzten
toxischen Gase weitestgehend aus der Garage entweichen. Im Vergleich zur geschlossenen
Garage wurden geringere Konzentrationen von CO und CO2 berechnet. Aufgrund der
geringen Konzentrationen werden folglich keine kritischen FED-Werte erreicht.
Brandfrüherkennung mit Wasserstoffsensoren
Die Versuche in der geschlossenen 20 m3 Kammer haben gezeigt, dass die Rauchmelder auf
Streulichtbasis für diese Art der Brandszenarien völlig ungeeignet sind, da diese keinen
Warnton abgeben trotz Emission toxischer Gase. Die CO-Detektoren hingegen konnten
rechtzeitig innerhalb weniger Sekunden vor diesen Gefahren warnen. Für eine solche
Brandfrüherkennung wurden zusätzlich in Laborbrandversuchen auch Wasserstoffsensoren
getestet. In der Rauchkammer wurden 16 g Holzkohle verschiedenen Temperaturen 300 und
350°C ausgesetzt. Es wurde die Rauchentwicklung und die CO-Konzentration sowie die
Wasserstoffgeneration gemessen. Erste Ergebnisse zeigen, dass Wasserstoff in einer sehr
frühen Brandphase entsteht und nachgewiesen werden kann. Einige wenige ppm Wasserstoff
entstehen sogar etwas frühzeitiger als CO, so dass Wasserstoff-Branddetektoren prinzipiell
eine sinnvolle Ergänzung und/oder Alternative zu CO-Brandmeldern zukünftig sein können.
Bei Untersuchungen von weiteren Materialien, wie Holz und Kunststoffen konnte in der
Rauchkammer ebenfalls Wasserstoff in einer sehr frühen Brandentstehungsphase
nachgewiesen werden. Es zeigte sich, dass die Sensoren so sensitiv sind, dass
Schwelbrandszenarien mit Temperaturen um 350°C ausreichen, um den entstandenen
Wasserstoff nachweisen zu können. Deshalb wurden Brandszenarien mit niedriger
Wärmestromdichte, ca. 5 bis 15 kW m-2 (entspricht einer Temperatur von etwa 200 bis
500°C) gewählt, um die Vorteil des Wasserstoffsensors in der Brandfrühsterkennung im
Vergleich zu Streulichtdetektoren und CO-Detektoren hervorzuheben. Zum Vergleich wurden
auch die entstandenen CO Konzentrationen und andere Rauchgase sowie die
Rauchentwicklung (Transmission) zeitgleich gemessen. Es zeigte sich, dass Wasserstoff
schon in deutlich nachweisbaren Mengen in diesen Temperaturbereichen registriert werden
konnte, während CO noch nicht nachweisbar war. D.h. hier zeigt der Wasserstoffsensor
deutliche Vorteile gegenüber einem CO-Detektor, der im Regelfall erst bei 30 ppm gewarnt
hätte. Auch ein Streulichtdetektor hätte in diesen Brandszenarien kein Warnsignal von sich
gegeben, da unter diesen Bedingungen kaum Rauch entstand. Die Transmissionswerte sind
kaum gesunken. Die durchgeführten Laborbrandversuche zeigen deutlich, dass Wasserstoff
sowohl bei Holz als auch bei Kunststoffen, wie Polyethylen und Polyurethan im
Schwelbrandfall frühzeitiger entsteht und nachgewiesen werden kann als CO und Rauch.
4. Schlussfolgerungen
Die Verwendung von Holzkohlegrills in geschlossenen Räumen ist für die Betroffenen
lebensgefährlich, sobald die Handlungsunfähigkeit eingetreten ist. Ab diesem Zeitpunkt sind
die Betroffenen auf Hilfe und Rettung durch andere Personen angewiesen. Mit dem FEDKonzept konnten die Eintrittszeitpunkte der Handlungsunfähigkeit und des Todes von
Personen bei der Verwendung von Holzkohlegrills in geschlossenen Räumen ermittelt
werden. Handlungsunfähigkeit kann bereits nach 16 min eintreten und der Tod einer Person
kann bereits ab 23 min eintreten, wenn sich ein typischer Holzkohlegrill in einem
geschlossenen Raum von 20 m3 befindet. Die beschriebenen Unfallszenarien zeigen, dass sich
solche Unfälle häufiger ereignen. Beispiele dafür sind das Grillen in Wintergärten und
Garagen, wenn es draußen zu kalt ist oder es regnet. Ein weiteres Szenario ist, dass auf Grund
von eintretendem Regen während des Grillens, der Grill in einen geschlossenen Raum
gebracht wird. Teilweise werden Grills benutzt um Lauben zu Erwärmen. Unsere
Untersuchungen haben gezeigt, dass bei diesen Szenarien lebensbedrohliche Mengen von
toxischen Gasen entstehen und zum Personentod führen können.
Die durch die Versuche gewonnenen Daten dienen auch als Basis für Computersimulationen
und somit auch für eine neue Risikobewertung des Grillens im Innenraum. Mit den
Simulationen kann die Ausbreitung von CO in beliebig großen Räumen berechnet werden.
Rauchmelder, das zeigten die Versuche ebenfalls, bieten keinen Schutz vor Vergiftungen,
besonders bei Schwelbränden. Bei keinem der Versuche wurde vom installierten
Rauchmelder ein Alarm ausgelöst. Rauchmelder detektieren feinste Partikel in der Luft, die
bei Bränden in großen Mengen entstehen. Dagegen werden von glühender Holzkohle fast
ausschließlich unsichtbare Gase freigesetzt, die ein optischer Rauchmelder nicht erkennt. COMelder bieten in diesem Fall einen effektiven Schutz, da sie das Gas selbst detektieren. Bei
den Versuchen wurde ein CO-Melder installiert, der bereits wenige Sekunden nach Betreten
des Raums mit der glühenden Kohle im Grill Alarm auslöste. Deshalb ist es umso wichtiger,
dass die Verbreitung von Gas-Brandmeldern durch Aufklärung weiter vorangetrieben wird.
Die Fluchtunfähigkeit setzt bei Schwelbränden früher ein, weil der Entstehungsanteil
erstickend wirkender Gaskomponenten typischerweise höher ist. Außerdem fehlt beim
niederenergetischen Brand die Auftriebskraft, bei der der Rauch näherungsweise homogen im
Brandraum verteilt wird. Umso wichtiger ist eine frühzeitige Detektion. Wasserstoffsensoren
bieten prinzipiell eine sehr gute Alternative, um bei Schwelvorgängen vor Gefahren zu
warnen. Entscheidender Vorteil ist, dass diese noch zeitiger regieren und somit wesentlich
früher zum Personenschutz beitragen können. Im Rahmen eines Forschungsprojektes
(gefördert durch ZIM KF2874302DF3) wird die Entwicklung eines Wasserstoffsensors zur
Brandfrühsterkennung weiter vorangetrieben.
Allgemein konnte gezeigt werden, dass die Verwendung eines Holzkohlegrills im
geschlossenen Raum innerhalb kurzer Zeit zur Bewusstlosigkeit der dort anwesenden
Personen führen kann. Aus den Erkenntnissen der Brandversuche wurde deutlich, dass für den
Schutz von Personen entsprechend gehandelt werden muss. Dabei stehen die Aufklärung und
Sensibilisierung der Bevölkerung, sowie die Verbesserung von Frühwarnsystemen im
Vordergrund.
Literatur:
[1] Braubach, X. et al.: Mortality associated with exposure to carbon monoxide in WHO
European Member States. Indoor Air, 2012: 23, 115-125
[2] Deters, M. ; Koch, I. ; M. Ganzert et al.: Kohlenmonoxidvergiftungen durch Grillen in
Innenräumen - Mitteilung an die deutschsprachigen Giftinformationszentren und das
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[3] http://www.badische-zeitung.de/panorama/elf-vergiftete-durch-holzkohlgrill-in-wohnung–
67728825.html
[4] http://hvrs.de/hvrs/BLOG/2012/10/31/kohlenmonoxidvergiftung-maronen-grillen-endetfur-funf-menschen-im-krankenhaus/
[5] http://www.wn.de/Muenster/2012/07/Familie-durch-Holzkohlegrill-vergiftetGrillnachmittag-endet-im-Krankenhaus
[6] http://www.retter.tv/de/feuerwehr.html?ereig=-Bremen-Mann-stirbt-wegen-Betreibeneines-Grills-im-Keller-& ereignis=11854
[7] http://www.bild.de/regional/hamburg/kohlenmonoxid/lebensgefahr-nach-grill-unfall20874604.bild.html
[8] http://www.welt.de/vermischtes/weltgeschehen/article13470180/Frau-bringt-mitSuizidversuch-ihre-Grossmutter-um.html
[9] http://www.merkur-online.de/lokales/allershausen/toedliche-grill-gase-wieder-stribtmann-1087641.html
[10] http://www.merkur-online.de/lokales/freising/freising/unfall-zwei-tote-freisingerwohnung-1066344.html
[11] http://www.welt.de/vermischtes/article7643907/Mit-Grill-geheizt-Kinderparty-endetfast-toedlich.html
[12] http://www.express.de/panorama/13-verletzte-in-ostfriesland-grill-unfall—und-das-beidem-bibber-wetter,2192,1154168.html
[13] http://www.localxxl.com/brandenburg-havel/grill-unfall-in-brandenburghavel-bayerstirbt-an-kohlenmonoxid-vergiftung-1248244613/
[14] http://www.abendblatt.de/vermischtes/article612444/Grillabend-endet-fuer-Ehepaartoedlich.html
[15] http://www.bild.de/regional/hamburg/kohlenmonoxid/lebensgefahr-nach-grill-unfall20874604.bild.html
[16] http://www.tz-online.de/aktuelles/stars/ard-moderatorin-und-lebensgefaehrte-im-schlaferstickt-65798.html
[17] http://www.welt.de/vermischtes/article7643907/Mit-Grill-geheizt-Kinderparty-endetfast-toedlich.html
[18] http://www.tagesspiegel.de/berlin/ungluecksfall-ehepaar-starb-an-kohlenmonoxidvergiftung/834486.html
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