Gasanalytik zur frühzeitigen Branddetektion in Tunneln

• Forschungsstelle: ASTRA SBT
• Projektnummer: FGU2010/006
• Projekttitel Englisch: Gas analytics for the very early detection of fires in road tunnels

Schlüsselwörter (Deutsch)

Tunnelsicherheit, Branddetektion, Frühwarnung, Früherkennung, Sensortechnik, Verbrennung, Simulation

Schlüsselwörter (Englisch)

Tunnel safety, fire detection, early warning, early detection, sensors, combustion, simulation

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Eine bis jetzt im Strassentunnelbereich sehr wenig verbreitete Möglichkeit ist die Branddetektion mittels Gasanalyse. Projektziel ist, einen geeigneten Sensor und dessen Platzierung im Tunnel für die Früherkennung von Fahrzeugbränden zu finden. Dazu werden grundlegende Erkenntnisse über die Mechanismen, die zu Fahrzeugbränden führen, erarbeitet. Zudem wird ein einfacher Tunnelbrand zur Validierung einer Computersimulation durchgeführt. Nach erfolgreicher Kalibration können Extrapolationen auf andere Tunnelsituationen durchgeführt werden, um verschiedene Tunnel effizient und effektiv mit Sensoren ausrüsten zu können.

Neben dem Sicherheitsaspekt erwarten wir als Nebenprodukt auch Resultate bezüglich der Umweltsituation, gerade auch über die möglichen Substanzen, die bei Bränden von Fahrzeugen und deren Ladung entstehen können, sowie deren Verteilung im Tunnel.

Die Projektarbeit beinhaltet:

· Identifizierung einer Substanz (Gas), welche in der Frühphase eines Brandes entsteht.

· Identifikation eines Sensors zur zuverlässigen Detektion

· Evaluation optimaler Platzierungen der Sensoren im Tunnelquerschnitt

Evaluation der Möglichkeiten und Überprüfung der Resultate im Pilotexperiment im Versuchsstollen Hagerbach.

Kurzbeschreibung (Englisch)

Currently, fire detection in road tunnels by gas analysis has not reached notable spread. Thus, the goal is to identify such a gas sensor and optimize its placement inside tunnels to serve as a reliable early detection system for evolving fires, even prior to visible smoke or heat formation. Fundamental insight into mechanisms leading to vehicle fires shall be developed, supported by computer simulations and validations by experiments in the test gallery. After successful calibration of the simulation models, other situations shall be extrapolated in order to be able to supply various tunnels with warning sensors in an efficient and effective way.

Although the main focus in the project is on safety, the environmental aspect and further knowledge of the very different materials that could catch fire, e. g. vehicle components or cargo, and the distribution of their combustion products, are expected as a by-product of the project.

The Project implies:

· Identification of (gaseous) components which form at the very early phase of a fire

· Evaluation of a sensor for reliable detection these components

· Evaluation of a optimal positioning of sensors in the tunnel

Validation of the findings through pilot experiments at the Hagerbach test gallery

Projektbeschreibung (Deutsch)

Brandgassensoren verfolgen generell das Ziel, die Frühwarnzeiten vom Brandausbruch bis zum Alarm zu verkürzen, ohne sich dabei von eventuell weiteren vorhandenen Effekten wie Staub (bei Rauchsensoren) oder Wärme (bei Wärmesensoren) täuschen zu lassen. Im Strassentunnel ist deren Einsatz aber fraglich, da sie normalerweise auch auf die Abgase der Verbrennungsmotoren ansprechen (Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Stickoxide). Der erfolgreiche, effektive Einsatz von Gassensoren in Strassentunneln soll folgendermassen vorbereitet werden::

· Fahrzeugbrandanalyse zur Klärung der Frage, wo und was bei einem Fahrzeug zuerst brennt, und welche Substanzen dabei entstehen. Dabei sollen Substanzen als Brandanzeiger identifiziert werden.

· Simulation von Treibstoffen und Brandstoffen: Abgestimmt auf die geplanten Versuche sollen Ersatzbrandstoffe gefunden werden, welche beim Verbrennen den oder die Brandanzeiger freisetzen, aber nicht mit den normalen Abgasen der Verbrennungsmotoren interferieren.

· Simulation (Berechnung) und Verifikation der Verteilung von Gaskonzentrationen im Tunnelquerschnitt für verschiedene Brand-Szenarios. Überprüfung anhand von Experimenten im Versuchsstollen.

In einem ersten Schritt werden durch Literaturrecherche Fahrzeugbrände analysiert, um Informationen über den Ablauf von Bränden zu bekommen. Leicht brennbare Bauteile beispielsweise können dann hinsichtlich der produzierten Brandgase klassifiziert werden und die notwendigen Eingangswerte und -grössen für die Sensortechnologie liefern.

Ein zweiter Schritt auf dem Weg zu sinnvollen Berechnungen und Versuchen ist die Frage nach Ersatzbrandstoffen für die Versuche und / oder Simulationen, die die relevanten Gase oder Gase mit vergleichbaren chemischen und physikalischen Eigenschaften beim Verbrennen freisetzen. Eine besondere Herausforderung besteht darin, einen typischen Brandanzeiger zu finden, welcher sich zuverlässig von den üblicherweise in den Abgasen vorkommenden Verbrennungsprodukten unterscheidet. Der Ersatzbrandstoff muss die komplexe chemische Zusammensetzung von realen Bauteilen im Fahrzeug vereinfachend wiedergeben können, einerseits um eine einfache Handhabung im Brandexperiment zu ermöglichen, andererseits, um in Simulationsprogrammen verwendet werden zu können.

In einem dritten Schritt werden auf dem Markt befindliche Sensoren analysiert, um ihre Funktionsweise und Tauglichkeit basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen zu überprüfen. Hierbei steht nicht die hinreichende Spezifität des Sensors auf den Brandanzeiger im Zentrum, sondern die leichte und günstige Verfügbarkeit für die nachfolgenden Brandexperimente im Versuchsstollen.

Als vierter Schritt soll die Verteilung der Gaskonzentration im Tunnelquerschnitt einerseits durch Simulation und Berechnung, andererseits durch 1:1 Versuche ermittelt werden. Diese Information ist notwendig, um die sinnvolle Platzierung der Sensoren im Tunnelquerschnitt zu bestimmen. Nach der Eichung an experimentellen Daten dient die Simulation dazu, eine grosse Anzahl Brandszenarien zu evaluieren, um eine Platzierung zu finden, die allen Szenarien möglichst gut entspricht

Erwartete Erkenntnisse/ Nutzen, Nutzniesser (Deutsch)

Tunnelbenützer, Tunnelbetreiber, Sicherheits-, Rettungs- und Löschkräfte

Methoden (Deutsch)

Literaturrecherche, Expertenbefragung: Grundlagen, Stand des Wissens

theoretische Untersuchung: Grundlagen der Entstehung von Bränden und der beteiligten Brandprodukte

Modellierung: Brandmodelle für Brände in Tunneln im Hinblick auf Detektion der entstehenden Gase

1:1 Versuch: Kalibrierung, Überprüfung und Validierung der Modelle

Spezielle Geräte und Installationen (Deutsch)

Für die Experimente muss ein Satz spezifischer Gassensoren angeschafft werden (1 – 3 Stück). Temperatur- und Luftgeschwindigkeitssensoren stellt der VSH zur Verfügung. Ebenso den Datenlogger.

Allgemeiner Stand der Forschung (Deutsch)

Es gibt eine Vielzahl tauglicher Konzepte zur Detektion von Bränden, Feuer oder Rauch. Im Tunnel sind vorwiegend Temperaturmessungen (linienförmig oder punktuell) [1], [3] [7], [8] verbunden mit visueller Über­wachung [6] zur Branddetektion im Einsatz. Software ist heute fähig, aufgrund von bewegten Bildern Unregelmässigkeiten in gewohnten Abläufen festzustellen, ebenso Kontrastminderung oder eben typische Bilder von lodernden Flammen zu entdecken [6].Auch Rauchdetektion ist immer wieder beschrieben [1], [9].

Eine Schwäche dieser Methoden ist, dass die Detektion erst relativ spät erfolgt. Der Brandausbruch und die Rauchentwicklung sind daher bereits in einem fortgeschrittenen Stadium. Mit Brandgasmeldern kann generell die Reaktionszeit verkürzt werden [5][9][7], da typische Brandgase wie beispielsweise Kohlen­monoxid bereits deutlich vor der Rauch- oder Wärmeausbreitung entstehen. In [5] wird beispielsweise gezeigt, dass mittels Gassensoren und Alarm-Algorithmus die Detektionsdauer von 59s auf 56s, in einem anderen Versuch von 1633s auf 1365s reduziert werden konnte. Im Gebäudebereich werden sie mit einer Halbierung der Reaktionszeit beworben. Gegenüber typischen Rauch- oder Temperaturmeldern haben sie zudem den Vorteil, auch in staub- und feuchtigkeitsbelasteten [1] oder normalerweise warmen Umgebungen nicht getäuscht zu werden. Sie werden daher beispielsweise für den Einsatz in Pro­duktions- und Lagerstätten vorgeschlagen. Des Weiteren werden Gassensoren für die Detektion von gefährlichen Substanzen bei Grossveranstaltungen angewendet [2], aber auch, um ein Feuer in einem Flugzeug frühzeitig zu erkennen [5].

Ob sich diese Technologie direkt für den Einsatz in Strassentunneln eignet, ist fraglich, da die nahe­liegenden Brandgase auch in den Fahrzeugabgasen vorkommen. Eine bekannte Anwendung in Tunneln - in der U-Bahn von Stockholm - betrifft nicht Strassentunnels.

Die Herausforderung bei der Brandgasanalyse besteht darin, einen Brand zuverlässig inmitten der normal vorhandenen Abgase detektieren zu können. Neben der angestrebten Empfindlichkeit des Sensors, welcher die Frühwarnung ermöglicht, ist also auch die Spezifität entscheidend. Daher fehlt trotz fortgeschrittener Leistung in der Sensortechnologie für Gasanalysen die Verbindung zur Branddetektion im Tunnel, da nicht abschliessend geklärt ist, nach welchen Gasen gesucht werden sollte. In diese Stossrichtung soll dieses Forschungsprojekt „Brandgasanalyse“ wirken.

Projektziele (Deutsch)

Ziel des Projektes ist die Verbesserung der Sicherheit in Strassentunnels durch eine frühere Erkennung eines sich entwickelndes (Fahrzeug)brandes.

Eine verlässliche und möglichst frühzeitige Detektion von Bränden hat einen besonderen Stellenwert, da sie Möglichkeiten zur Verhinderung oder wenigstens Minimierung unvermeidbarer Schäden eröffnet. Zudem sind vorbeugende Massnahmen in diesem Bereich oft bedeutend kostengünstiger als nachgelagerte Massnahmen.

Durch die Identifizierung spezieller Substanzen, die in der Frühphase eines Brandes entstehen, und deren zuverlässige Detektion wird Tunnnelsicherheit bezüglich Unterhalt und Betrieb erhöht. Gleichzeitig werden Folgekosten durch Brandunfälle in Tunneln reduziert

Projektziele (Englisch)

The goal of the project is increasing road tunnel safety by a very early detection of a beginning fire (of a vehicle).

A reliable and very early detection of fires in tunnels is of crucial importance because severe damages can be avoided, or at least reduced. Moreover, preventive measures are often cost-saving compared to responsive activities to remedy an accident, or constructional measures.

By identifying specific substances which form at the early stage of a fire, and by their reliable detection, tunnel safety shall be substantially increased regarding operation and maintenance. Simultaneously, follow-up cost due to fires shall be reduced.

Forschungsplan (Deutsch)

1. Fahrzeugbrandanalyse und Tunnelluftanalyse

Wie beginnt ein Fahrzeug zu brennen? Was an einem Fahrzeug beginnt zu brennen? Welche Stoffe entstehen dabei? In einer Analyse basierend auf desk research und Interviews wird ein Katalog über Brandursachen erstellt.

Darüber hinaus werden Gase und Feststoffe analysiert, die sich im Normalbetrieb in einem Tunnel finden (z.B. Fahrzeugabgase, Pneuabrieb). Ziel der Analysen soll sein, ein oder mehrere gasförmige oder feste Stoffe zu finden, die ausschliesslich im Falle eines Fahrzeugbrandes in einem Tunnel anzutreffen sind. Dies ist wichtig für die einwandfreie Funktionalität der Sensortechnik bezüglich Fehlalarmierung.

Verantwortlich: xirrus

Beteiligt: CFS, VSH

Milestone: Katalog über gasförmige und feste Stoffe im Tunnel unter Normalbetrieb und im Brandfall.

2. Ersatzbrandstoff

Auf Basis der Resultate von Abschnitt 1 soll ein Ersatzbrandstoff für die Versuche gefunden werden. Dieser Stoff soll beim Verbrennen den Brandanzeiger in reproduzierbarer Konzentration freisetzen.

Da es sich beim Brandanzeiger voraussichtlich um einen kurzlebigen, flüchtigen Stoff handelt, kann er kaum in dieser Form konserviert und bei Bedarf freigesetzt werden. Wir verfolgen daher die Strategie, eine einfache Substanz (Ersatzbrandstoff) zu fin-den, der bei der Verbrennung den gewünschten Stoff reproduzierbar freisetzt.

Die Eingrenzung und die Identifikation des Ersatzbrandstoffs erfolgt auf Grund von chemischen Überlegungen der Verbrennung, und soll wie die Abbranddynamik durch molekulare Simulation unterstützt werden. Relativ neu sind jetzt auch molukalardynamische Simulationen der thermischen Zersetzung von Substanzen verfügbar, welche die theoretischen Überlegungen ergänzen und unterstützen können. Der Ersatzbrandstoff muss so ausgestaltet sein, dass er in einem reaktionskinetischen Mechanismus abgebildet werden kann, um für die anschliessende Computersimulation mittels CRFD (Computational Reactive Fluid Dynamics) eingesetzt zu werden.

Verantwortlich: xirrus

Beteiligt: CFS

Milestone: Identifikation und Beschaffung des Ersatzbrandstoffes

3. Sensorevaluation

Resultierend aus den ersten beiden Arbeitspaketen sollen Sensoren identifiziert werden, welche ausschliesslich auf den Brandanzeiger, nicht aber auf andere Abgasprodukte gemäss Abschnitt 1 ansprechen. Deshalb ist die direkte Anwendbarkeit eines marküblichen Brandgasmelders fraglich und soll hier detailliert abgeklärt werden.

Als Sensor kommt voraussichtlich ein hochspezifischer, hochempfindlicher molekularer Sensor in Frage. Ähnlich einer Hundenase spricht der Sensor dabei genau auf den Brandmarker and, und nicht auf die sonst in der Tunnelluft enthaltenen Stoffe. Die hohe Treffgenauigkeit ist dabei für die Verlässlichkeit und Zuverlässigkeit des Sensors und damit des Alarms nötig, die hohe Empfindlichkeit für die erforderliche Frühwarnung. Eine höhere Empfindlichkeit verspricht eine ausgeprägtere Verkürzung der Vorwarnzeit. Dazu ist vermutlich ein Sensor nötig, der wie ein molekulares Schloss auf den Schlüssel des Brandmarkers passt. Evtl. muss aufgrund der Marktsituation (Verfügbarkeit, Kosten) für die nachfolgenden Experimente auch auf einen weniger spezifischen Sensor zurückgegriffen werden.

Verantwortlich: xirrus

Beteiligt: CFS

Milestone: Identifikation und Beschaffung des Sensors

4. Versuchsbrand

Ein Brandversuch soll hernach Aufschluss über die gefundenen Erkenntnisse geben. Um Realitätsnähe bestmöglich sicher zu stellen, werden dazu Szenarien von früheren Forschungsprojekten im Bereich Grossbrandversuche im VSH herangezogen. Querschnitt, Geometrie, Fahrzeuge und Wind­geschwindig­keit (Lüftung, Luftströmung infolge der Fahrzeuge) spielen dabei eine zentrale Rolle wie auch die Dynamik des Brandes (Hitzeentwicklung, Gasausbreitung). Es sind mehrere realistische Szenarien vorgesehen, zum Beispiel einzelne Autos/Lastwagen, stehende Kolonne, mit/ohne aktive Tunnel­belüftung, verschiedene Brandausbruchsorte. Dabei sollen Gemeinsamkeiten gefunden werden, um ein möglichst universelles Konzept der Branddetektion zu finden.

Verantwortlich: VSH

Beteiligt: xirrus, CFS

Milestone: Messreihen der Brandanzeiger-Konzentrationen im Tunnelquerschnitt in guter räumlicher und zeitlicher Auflösung

5. Gasausbreitung im Tunnelquerschnitt mittels Computersimulation

Auf Grund bestehender Szenarien von Grossversuchen im Bereich Tunnelbrand sollen die Verteilungen von Gaskonzentrationen im Tunnel berechnet werden. Faktoren wie das frühe Eintreffen der Brandgase am Sensor (Frühwarnung), gesichertes Erreichen bei verschiedenen Brandherdlagen (Zuverlässigkeit), und möglichst hohe Konzentration (Ansprechsicherheit) sind massgebend.

Diese Simulationen erfolgen in enger Abstimmung mit den Ergebnissen aus dem Versuchsbrand, wobei im ersten Schritt eine möglichst gleichartige Anordnung verwendet wird. Da das Projekt das Ziel verfolgt, die optimale Platzierung der Sensoren im Tunnel-Querschnitt, sowie die maximalen Abstände in Längsrichtung zu finden, wird das validierte Simulationsmodell auf andere Situationen im Tunnel angewendet. Beispielsweise können mehrere Fahrzeuge, verschieden Grosse Fahrzeuge, und auch Gegenverkehr berücksichtigt werden, da sich damit die Strömungsverhältnisse verändern.

Milestone: Ermittlung optimaler Platzierungen von Sensoren im Tunnel. Eingrenzung des Schwellwerts, ab welcher Konzentration des Brandmarkers der Sensor ansprechen muss.

Verantwortlich: CFS

Beteiligt: xirrus, VSH

Milestone: Definition der optimalen Platzierung von Sensoren

6. Zusammenfassung und Ausblick

Die gewonnenen Erkenntnisse sollen in einem Schlussbericht mit den folgenden Schwerpunkten zusammengefasst werden:

· Anforderungen an ein Frühwarnsystem gemäss angedachtem Konzept, hinsichtlich der Platzierung und Ausgestaltung der Sensoren

· Spezifische Anforderungen an die Sensoren hinsichtlich Spezifität und Schwellwert

· Weitere Erkenntnisse in den Bereichen Früherkennung, Brandvermeidung, Umweltschutz

Nach Abschluss könnten folgende Projekte in Betracht gezogen werden, gegebenenfalls unter Beizug weiterer Partner:

· Modellierung weiterer Strassentunnels, Installation von Sensoren, Vergleichsmessungen, und Sammeln von praktischen Erfahrungen

· Optimierung des Sensors im Hinblick auf Zuverlässigkeit, Empfindlichkeit, Störsicherheit, Regenerierbarkeit

· Anschluss an Warnsysteme und –zentralen, Einsatzkonzepte von Lösch- und Rettungsequipen

· Überprüfung der Erkenntnisse in einem realen Strassentunnel. Diese Messungen dienten zum Ermitteln der notwendigen Empfindlichkeit und des Messbereiches, der erreichbaren Vorwarnzeit und der Identifikation allfälliger weiterer Störquellen.

Verantwortlich: VSH

Beteiligt: CFS, xirrus

Milestone: Schlussbericht abgeschlossen

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Grundlagen, ob und wie Gassensorik zur Frühdetektion von Bränden im Tunnel wirtschaftlich eingesetzt werden können

Berichtsnummer (Deutsch)

1451

Literatur (Deutsch)

[1] Aralt, T. T., Nilsen, A. R.: Automatic fire detection in road traffic tunnels, Tunnelling and Underground Space Technology 24, pages 75-83, 2009

[2] Becher, C., Paul, P., Mitrovics, J., Warmer, J.: The detection of evaporating hazardous material released from moving sources using a gas sensor network, Sensors and Actuators B 146, pages 513-520, 2010

[3] Carvel, R. O., Beard, A. N., Jowitt, P. W., Drysdale, D. D.: Variation of heat release rate with forced longitudinal ventilation for vehicle fires in tunnels, Fire Safety Journal 36, pages 569-596, 2001

[4] Carvel, R. O., Beard, A. N., Jowitt, P. W.: The influence of longitudinal ventilation systems on fires in tunnels, Tunnelling and Underground Space Technology 16, pages 3-21, 2001

[5] Chen, S.-J., Hovde, D. C., Peterson, K. A., Marshall, A. W.: Fire detection using smoke and gas sensors, Fire Safety Journal 42, pages 507–515, 2007

[6] Han, D., Lee, B.: Flame and smoke detection method for early real-time detection of a tunnel fire, Fire Safety Journal 44, pages 951–961, 2009

[7] Ingason, H., Lönnermark, A.: Heat release rates from heavy goods vehicle trailer fires in tunnels, Fire Safety Journal 40, pages 646-668, 2005

[8] Lönnermark, A., Ingason, H.: Gas temperatures in heavy goods vehicle fires in tunnels, Fire Safety Journal 40, pages 506-527, 2005

[9] Pohle, R. et al.: Fire detection with low power fet gas sensors, Sensors and Actuators B 120, pages 669–672, 2007