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 Bundesinstitut für Risikobewertung Berlin. In: Archiv für Kriminologie, 2011: 227, 102-110 [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 [19] S. Stahn, Bachelorarbeit, Freisetzung toxischer Gase bei der Verwendung von Holzkohlegrills in geschlossenen Räumen, Otto von Guericke Universität Magdeburg, 2013 [20] Lang M., Banach U., Northemann K., Gerlitzke A.K., Milstrey M., Kaufer R., Woratz M., Hubert T., Moritz W., Long-term stability of a MEIS low energy hydrogen sensor, Sensors and Actuators B-Chemical, 2013;187:395-400 [21] Nörthemann K., Bienge JE, Müller J., Moritz W., Early forest fire detection using lowenergy hydrogen sensors, J. Sens. Sens. Syst., 2013;2:171-77 [22] Vasiliev A.A., Filippov V.I., Dobrovolsky Y.A., Pisareva A.V., Moritz W., Palombari R., Hydrogen sensors based on metal-insulator-semiconductor structures with a layer of a proton-conducting solid electrolyte, Russian Journal of Electrochemistry, 2007;43:561-69
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