Ausstattung von Maschinen­räumen für Kälteanlagen und Wärmepumpen mit brennbaren Kältemitteln

Die Verschärfung der F-Gase-Verordnung, die geplante Anpassung der REACH-Verordnung und damit mögliche Verbote von PFAS-haltigen Stoffen verstärken den Trend hin zu natürlichen Kältemitteln. Während in der industriellen Kältetechnik Ammoniak (R717) etabliert ist, gewinnen im Wärmepumpenbereich zunehmend brennbare Kohlenwasserstoffe wie Propan (R290), n-Butan (R600) oder Isobutan (R600a) an Bedeutung. Deren Einsatz erfordert jedoch erhöhte Anforderungen an die Sicherheitstechnik.

Im Folgenden werden die Vorgaben für Maschinenräume mit brennbaren Kältemitteln erläutert. Vorab sei angemerkt, dass es sich hierbei um allgemeine Anforderungen aus europäischen Regelwerken handelt, die länderspezifisch angepasst werden müssen. Zudem sind eine Risikobeurteilung und Gefahrenanalyse durch den Hersteller sowie eine Gefährdungsbeurteilung durch den Betreiber für den jeweiligen konkreten Anwendungsfall erforderlich.

Ein guter Ausgangspunkt ist Teil 3 der EN 378, da dieser die Anforderungen an den Aufstellungsort von Kälteanlagen und Wärmepumpen sowie den Personenschutz festlegt. Es sind jedoch auch die gängigen Regelwerke des Explosionsschutzes zu beachten, insbesondere in Bezug auf Instandhaltung und Reparatur. In diesem Zusammenhang sind die ATEX-Benutzerrichtlinie und die Normenreihe IEC 60079 zu nennen. Nicht zuletzt sind auch länderspezifische nationale Vorgaben wie die TRBS 2152, die GefStoffV oder in Österreich die Kälteanlagenverordnung einzuhalten.

Welche Gefährdungen gehen von Anlagen mit brennbaren Kältemitteln aus und was kann man dagegen tun?

Wärmepumpen und Kälteanlagen sind in der Regel dauerhaft technisch dicht ausgeführt. Mitunter ergibt sich durch eine Gleitringdichtung zwischen Motor und Verdichter eine Ex-Zone 2. Die Hauptgefährdung besteht somit in der Brennbarkeit des Kältemittels im Störungsfall. Zur Verringerung dieses Risikos werden die verschiedenen Stufen des Explosionsschutzes berücksichtigt.

Das Ziel des primären Explosionsschutzes ist es, die Entstehung einer explosionsfähigen Atmosphäre von vornherein zu vermeiden. Dies wird insbesondere durch eine ausreichende Belüftung erreicht. Sie sorgt dafür, dass eventuell austretendes brennbares Kältemittel schnell verdünnt wird und die Konzentration stets unterhalb der unteren Explosionsgrenze (UEG) bleibt. Zu diesem Zweck muss eine Gaswarnanlage die Konzentrationen in der Raumluft kontinuierlich überwachen. Wird ein definierter Schwellenwert überschritten, gibt die Anlage ein Signal, sodass frühzeitig Gegenmaßnahmen eingeleitet werden können.

Der sekundäre Explosionsschutz zielt darauf ab, das Zünden einer bereits vorhandenen explosionsfähigen Atmosphäre zu verhindern. Ein wesentliches Mittel hierfür ist das Ausschalten potenzieller Zündquellen. Dies wird durch eine Spannungsfreischaltung („Stromabschaltung“) nicht explosionsgeschützter elektrischer Anlagen und Betriebsmittel gewährleistet.

Benötigt werden somit eine Gaswarnanlage, eine (Not-)Belüftung und eine Spannungsfreischaltung. Allerdings handelt es sich dabei nur um technische Maßnahmen. Es müssen auch organisatorische Maßnahmen getroffen werden. All dies ist in einem Alarmmaßnahmenplan abzubilden.

Inhalte eines Alarmmaßnahmenplans

Im Alarmmaßnahmenplan sind mehrere Stufen vorgesehen, die sich an den gemessenen Konzentrationen orientieren. Bild 1 zeigt ein Beispiel.

Als erste Stufe wird ein Personenalarm bei Überschreitung des MAK-Wertes ausgelöst. Dabei handelt es sich um die Maximale Arbeitsplatz-Konzentration, die von der zuständigen Behörde für den Schutz der Arbeitnehmer vorgegeben ist. Die Signalisierung erfolgt beispielsweise über eine blaue Warnlampe in Kombination mit einem akustischen Signal, das in Intervallen von drei Sekunden ertönt. Gleichzeitig muss die Maschinenraumlüftung vollautomatisch eingeschaltet werden. Personen im Raum haben diesen umgehend zu verlassen; der Zutritt für ungeschulte Personen ist untersagt.

In der zweiten Stufe wird ein Voralarm ausgegeben. Dieser erfolgt beispielsweise über eine orange Warnlampe und einen kurzfrequenten Ton. Abhängig von den behördlichen Vorgaben wird dieser Alarm bei einer Konzentration von 20 % (oder 10 %) der unteren Explosionsgrenze (UEG) ausgelöst. Mit dem Voralarm müssen die Notlüftung aktiviert und die Anlage in einen sicheren Betriebszustand („Not-Halt“) überführt werden. Zusätzlich ist automatisch eine Notfallbereitschaft zu verständigen, entweder durch interne Kältetechniker oder eine externe Fachfirma.

Die dritte Stufe umfasst den Hauptalarm. Dieser wird durch eine rote Warnlampe in Kombination mit einem Dauerton signalisiert. Zusätzlich zu den Maßnahmen des Voralarms wird hierbei bei einer Konzentration von 40 % (oder 20 %) der UEG der Maschinenraum spannungsfrei geschaltet, um sämtliche potenziellen Zündquellen auszuschalten.

Welche Anforderungen ergeben sich daraus an die Maschinenraumlüftung?

Aus der EN 378, Teil 3 ergeben sich konkrete Anforderungen an die Maschinenraumlüftung. Im Falle einer Freisetzung von Kältemitteln durch Leckagen muss die Luft aus dem Maschinenraum mithilfe einer mechanischen Lüftung zuverlässig nach außen abgeführt werden. Das Lüftungssystem muss am Aufstellungsort unabhängig von allen anderen Lüftungssystemen betrieben werden, um eine Rückführung oder Vermischung der Abluft zu verhindern, wobei es je nach Ausführung erforderlich sein kann, den Bereich als Sicherheits- oder Ex-Bereich auszuführen.

Darüber hinaus sind Vorkehrungen zu treffen, die eine ausreichende Zufuhr von Frischluft sicherstellen und für eine gleichmäßige Verteilung im gesamten Maschinenraum sorgen. Dadurch werden unversorgte Zonen vermieden, in denen sich Kältemittel anreichern könnte. Entscheidend ist außerdem die Position der Absaugung: Sie muss an die Eigenschaften des verwendeten Kältemittels angepasst werden. Da fast alle Kältemittel – mit Ausnahme von Ammoniak – schwerer als Luft sind, ist eine bodennahe Absaugung erforderlich.

Für die Praxis bedeutet das: Es ist eine Lüftung für den Normalbetrieb vorzusehen, die einen vierfachen Luftwechsel gewährleistet. Zusätzlich muss eine davon unabhängige Notlüftung installiert sein, die im Alarmfall mindestens einen 15-fachen Luftwechsel sicherstellt.

Welche Anforderungen ergeben sich aus der Spannungsfreischaltung im Notfall?

Im Notfall wird der gesamte Maschinenraum spannungsfrei geschaltet. Damit sicherheitsrelevante Einrichtungen auch in diesem Zustand funktionsfähig bleiben, müssen sie in explosionsgeschützter Ausführung vorliegen und zusätzlich über eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) betrieben werden. Dazu zählen insbesondere die Gaswarnanlage mit ihren Sensoren sowie die optische und akustische Signalisierung, die Ventilatoren der Maschinenraumlüftung, die Notbeleuchtung, die Fluchtwegbeleuchtung und die
Brandmeldeeinrichtungen.

Alle übrigen elektrischen Komponenten, die für den sicheren Betrieb im Maschinenraum nicht erforderlich sind, sollten außerhalb des Raumes in einem separaten Schaltschrankraum untergebracht werden. Auf diese Weise bleibt der Maschinenraum auch bei abgeschalteter Versorgung zuverlässig funktionsfähig.

Zusammenfassende Ausstattung des Maschinenraums

Lüftungsanlage

Lüftung für Normalbetrieb mit 4-fachem Luftwechsel

· Zuluft und Abluft (Querstromlüftung, in Potentialausgleich eingebunden)

Not-Lüftung mit 15-fachem Luftwechsel

· Absaugung (bodennah, in Potentialausgleich eingebunden, brandbeständig verkleidet)

· Ex-gekennzeichneter Ventilator (USV-versorgt)

· Ex-gekennzeichnete Abluftklappe

· Lüftung (in Potentialausgleich eingebunden, brandbeständig verkleidet)

· Ausblasung in Sicherheitsbereich (ev. Ex-Bereich)

Optische und akustische Signalisierung

Lampen für Alarmierung

· Stufe 1, Personenalarm (z. B. blau)

· Stufe 2, Voralarm (z .B. orange)

· Stufe 3, Hauptalarm (z. B. rot, Ex-gekennzeichnet, USV-versorgt)

Sirene für Kältemittelalarm (Ex-gekennzeichnet)

Raumausstattung

Gassensoren (kalibriert, Ex-gekennzeichnet, USV-versorgt) inkl. Einbindung in die Gaswarnanlage

Notausgangsleuchte / Fluchtwegbeleuchtung (Ex-gekennzeichnet

Notbeleuchtung (Ex-gekennzeichnet)

Sirene für Brandalarm (eigensicher vom Brandmelde-Verteiler)

Brandmelder (eigensicher von Brandmeldeanlage)

Geeigneter Feuerlöscher (Achtung auf Mindestbeleuchtung)

Sicherheitstüre ins Freie (brandbeständig für 60 Minuten) inkl. Sicherheitssperre zur Gewährleistung, dass nur befugte, sachkundige Personen Zutritt
haben

Wärmepumpe oder Kältemaschine

Maschine in Potentialausgleich eingebunden

Steuerung (USV-versorgt) über Schaltschrankraum

(Kältemittel-)Abblaseleitung ins Freie über Ausbläser in eine Ex-Zone (ev. Verteilberechnung notwendig)

Not-Stopp für die Wärmepumpe oder Kältemaschine (Maschine fährt in sicheren Betriebszustand)

Ausstattung des Bereichs vor dem Maschinenraum

(Fern-)Steuerung im Maschinenraum

Not-Halt für die Wärmepumpe oder Kältemaschine (Motor wird spannungsfrei gemacht)

Schalter zum Einschalten der (Not-)Lüftung im Maschinenraum

Lichtschalter für Licht im separaten Maschinenraum

Optische und akustische Signalisierung

Lampen für visuelle Signalisierung

· Stufe 1, Personenalarm (z. B. blau aber gleich wie im Maschinenraum)

· Stufe 2, Voralarm (z. B. orange aber gleich wie im Maschinenraum)

· Stufe 3, Hauptalarm (z. B. rot aber gleich wie im Maschinenraum)

Sirene für Kältemittelalarm

Sirene für Brandalarm von Brandmeldeanlage

Beleuchtung

Fluchtwegbeleuchtung

Notbeleuchtung

Erforderliche Warnzeichen an der Türe (oder im Nahbereich) – Achtung: das ist nur ein Auszug möglicher Warnungen

Hinweis „Kältemaschinenraum, Zutritt für Unbefugte verboten“

Hinweis „Feuer, offenes Licht und Rauchen verboten!“

Hinweis „Achtung, feuergefährliche Stoffe“

Hinweis „Gehörschutz verwenden“

Sicherheitsdatenblätter (Kältemittel, Kältemaschinenöl, ev. Wärme- und Kälteträger, …)

Bedienungsanweisung

Ev. Anlagenbuch („Log-Buch“)

Ev. Zonenkennzeichnung

Erste-Hilfe-Koffer mit entsprechender Kennzeichnung (kann auch im Schaltschrankraum untergebracht werden)

Kasten mit notwendiger persönlicher Schutzausrüstung (PSA) (kann auch im Schaltschrankraum untergebracht werden)

Sehr empfohlen: Persönlicher Gasdetektor mit Bump-Station (kann auch im Schaltschrankraum untergebracht werden)

Ausstattung des Schaltschrankraums

Schaltschränke

Wärmepumpe oder Kältemaschine (nur Steuerung USV-versorgt)

Ev. Versorgung von Peripherie wie Pumpen, …

Gaswarnanlage (USV-versorgt)

Raumausstattung

Audio/Visuelle Signalisierung

Brandmelder im Raum

Brandmelder an notwendiger Stelle z. B. in Kabelschächten oder Zwischenböden

Beleuchtung

Notbeleuchtung

Notausgangsleuchte/Fluchtwegbeleuchtung

Erste-Hilfe-Koffer mit entsprechender Kennzeichnung (sofern nicht vor dem Maschinenraum angebracht)

Kasten mit notwendiger PSA (sofern nicht vor dem Maschinenraum angebracht)

Sehr empfohlen: Persönlicher Gasdetektor mit Bump-Station (sofern nicht vor dem Maschinenraum angebracht)

Schlussbemerkung

Die dargestellten Anforderungen und Beispiele zeigen, dass der sichere Betrieb von Wärmepumpen- und Kälteanlagen mit brennbaren Kältemitteln eine Vielzahl technischer und organisatorischer Maßnahmen erfordert. Von der Lüftung über die Gaswarnanlage bis zur Spannungsfreischaltung im Notfall sind diese Systeme sorgfältig aufeinander abzustimmen. Nur so lässt sich gewährleisten, dass die Vorteile natürlicher Kältemittel genutzt werden können, ohne Kompromisse bei der Sicherheit einzugehen.