Die Sicherheit von Laborabzügen

Luftführungskonzepte und Rückhaltevermögen bei Laborabzügen

  • Strömungsvisualisierung a: DrallauslassStrömungsvisualisierung a: Drallauslass
  • Strömungsvisualisierung a: Drallauslass
  • b: Textilauslass
  • c: multifunktionales Labormodul
  • Abb. 1: Darstellung der kritischen Bereiche mit Ausspülung aus Abzügen.
  • Abb. 2: Raumluftgeschwindigkeits- und Temperaturverteilung horizontal in 1,1 m Höhe. Spezifischer Zuluftvolumenstrom 42 m3/h·m2; Grau = < 0,10 m/s, Grün = 0,10 m/s - 0,21 m/s, Gelb = 0,21 m/s - 0,25 m/s, Rot = > 0,25 m/s, a: Drallauslass © Krantz Aachen
  • b: Textilauslass © Krantz Aachen
  • c: multifunktionales Labormodul © Krantz Aachen
  • Abb.3: SF6 Konzentration vor dem Digestorium, Zuluftvolumenstrom 42 m3/hm2.
  • Abb. 4: Ausspüleffekt beim Textilluftauslass.

Laborabzüge dienen dem Schutz des Personals bei der Arbeit mit gefährlichen Substanzen. Es hat sich in der Vergangenheit gezeigt, dass die Art der Zulufteinführung und -verteilung im Raum einen großen Einfluss auf das Rückhaltevermögen der Laborabzüge hat. Im vorliegenden Artikel wird über Messungen berichtet, welche die Unterschiede verdeutlichen.

Die Anforderungen an Laborabzüge sind in der Normenreihe DIN EN 14175 festgelegt. Dabei werden im Teil 3 das Baumusterverfahren und im Teil 4 das Vor-Ort-Prüfverfahren beschrieben. Meistens wird in der Praxis das Baumusterverfahren als ausreichend erachtet. Jedoch kann nur beim Vor-Ort-Verfahren der Einfluss des Lüftungssystems mit beurteilt werden, so dass dieses für den Betreiber in Bezug auf den Arbeitsschutz die sichere Methode darstellt.

Die Prüfnorm DIN EN 14175 enthält jedoch keine Angaben bezüglich des erforderlichen Rückhaltevermögens bzw. des zulässigen Ausbruchverhaltens. Hierzu hat die Berufsgenossenschaft Rohstoffe und chemische Industrie BG RCI im Fachausschuss Chemie Grenzwerte für die einzelnen Prüfphasen herausgegeben. Bei der Prüfung wird in einer vorgegebenen Zeitphase der Frontschieber des Abzuges geöffnet, geschlossen und wieder geöffnet. Die auftretenden Peaks des SF6-Spurengases (Schwefelhexafluorid vor dem Abzug) müssen unterhalb der Grenzwerte in den entsprechenden Messphasen bleiben.

Bei allen Prüfungen muss die Raumluftgeschwindigkeit in der Prüfumgebung kleiner als 0,1 m/s sein, was in der späteren Praxis sehr selten erfüllt wird, insbesondere wenn sich in einer Laborzeile mehr als ein Abzug befindet und deshalb auch ein hoher Zuluftvolumenstrom nachgeführt werden muss.

Ursachen für Schadstoffausbrüche

Laborabzüge weisen in der Regel einen Abluftvolumenstrom von 400 m3/h pro lfd. Meter auf. Bei einem Abzug der Breite 1,5 m werden also 600 m3/h abgesaugt. Bei einer Laborzeile von 3,6 x 6,0 m sind dies bereits 27 m3/hm2. Dazu kommen weitere Kleinabsaugungen an Geräten, Chemikalienschränken und ggfs. Bodenabsaugungen. Somit ist ein Zuluftvolumenstrom von 60 m3/hm2 Nutzfläche bei zwei Abzügen in manchen Laborzeilen nicht ungewöhnlich.

Laborabzüge weisen bei voller Öffnung des Frontscheibenschiebers in der Öffnung eine Absauggeschwindigkeit von ca.

0,2 m/s auf. Diese wird von der Raumluftströmung überlagert. Aufgrund des hohen Luftwechsels können hier bei ungünstiger Wahl und Anordnung der Zuluftdurchlässe Luftgeschwindigkeiten vor der Öffnung des Abzuges auftreten, die durch Induktionswirkung Luft und somit auch Schadstoffe aus dem Inneren des Abzugs herausspülen. Dieses wurde bereits in der Praxis nachgewiesen [1].

Dieses Zusammenwirken sollte insbesondere für größere Projekte anhand von vorab durchzuführenden Labortests untersucht werden. Dadurch kann eine sehr hohe Sicherheit erreicht und einer Versagung der Inbetriebnahme aufgrund von Sicherheitsbedenken vorgebeugt werden.

Turbulente Mischlüftung oder Quelllüftung?

Eine turbulente Mischlüftung ist in Bezug auf die sich einstellende Raumströmung bei richtiger Auswahl und Platzierung der Zuluftdurchlässe sehr gut berechenbar. Bei der Quell- oder Schichtlüftung treten thermische Effekte auf, die sich auf die Ausbreitung der Zuluft stark auswirken können und eine Vorhersage erschweren.

In Laboratorien kommt durch den Einsatz von Abzügen ein weiterer Faktor hinzu. Da oftmals 80% und mehr der Zuluft über die Abzüge in ca. 1 m Höhe abgesaugt werden, befindet sich der Atembereich der Personen bei der Schichtlüftung nicht mehr in der Zuluftschicht, sondern in einem höher belasteten Raumbereich.

Bei einem nutzungsangepassten Betrieb, d.h. bei aus energetischer Sicht anzustrebend möglichst geringen Luftvolumenströmen, ist die Anwendung der Schichtlüftung in Laboren nicht geeignet. Zu diesen Erkenntnissen kam man bereits 1997 im Forschungsvorhaben RELAB [2].

Strömungstechnischer Hintergrund

Die Ursachen für Ausspüleffekte an Abzügen mit der Folge einer Verminderung des Rückhaltevermögens sind in Abbildung 1 dargestellt. Strömt die Zuluft mit zu hoher Geschwindigkeit an der Öffnung des Abzuges vorbei, tritt lokal ein leichter Unterdruck auf, welcher durch eine Induktionswirkung Luft aus dem Abzug herauszieht. Dieser Effekt kann besonders an den Umschließungslinien, also an den Kanten und Ecken der Abzugsöffnung beobachtet werden.

Versuchsaufbau

Es wurde eine Standardlaborzeile mit den Abmessungen L x B x H = 6,0 x 3,6 x 4,2 m erstellt. Für die Zuluftversorgung wurden die folgenden Systeme nacheinander eingebaut und unter den gleichen Randbedingungen getestet:
Zwei Deckendrallauslässe (Mischlüftung)
Textiler Luftschlauch (Quelllüftung von oben)
Multifunktionales Labormodul (Mischlüftung als Luft-/Wassersystem)
Deckendrallauslässe sind wohl die am häufigsten verwendeten Luftdurchlasstypen für eine turbulente Mischlüftung. Die Zuluft wird horizontal stark verdrallt im Raum verteilt. Unterhalb des Auslasses findet eine starke Induktion von Raumluft statt. (Aufmacher a).

Da eine Quelllüftung von unten aus den erwähnten Gründen ausscheidet, wurde als weiteres Vergleichssystem eine Quelllüftung von oben über einen luftdurchlässigen Textilschlauch gewählt (Aufmacher b). Als drittes System wurde ein sogenanntes multifunktionales Labormodul eingesetzt (Aufmacher c). Dabei handelt es sich um ein Luft-/Wassersystem, mit dem auch höhere Kühlleistungen erbracht werden können, so dass zusätzliche Umluftkühlgeräte nicht erforderlich sind.

Die Zuluft wird zum einen an der Seite und zum anderen an der Unterseite zugeführt. Die seitlichen Fächerscheiben erlauben es, die Luftzufuhr an die örtlichen Gegebenheiten anzupassen.

Versuchsergebnisse

Zuerst wurde für alle drei Systeme die Verteilung der Raumluftgeschwindigkeit und der Temperatur gemessen. Daraus wurde dann auch das Zugluftrisiko gemäß der DIN EN ISO 7730 ermittelt. Aus Platzgründen wird nur die wichtige horizontale Ebene in 1,1 m Höhe dargestellt.

Bei den Deckendrallauslässen ergaben sich an einigen Stellen Raumluftgeschwindigkeiten von 0,28 m/s, entsprechend einem Zugluftrisiko von 20% (Abb. 2a).

Die Quelllüftung von oben über den Textilschlauch zeigte insbesondere vor den Abzügen relativ hohe Luftgeschwindigkeiten von 0,3 m/s bis zu 0,49 m/s. Dies entspricht einem Zugluftrisiko von bis zu 27% (Abb. 2b). Beim multifunktionalen Labormodul traten maximale Raumluftgeschwindigkeiten von 0,17 m/s auf, die einem maximalen Zugluftrisiko von 9% entsprechen (Abb. 2c).

Neben den Behaglichkeitskriterien ist der Sicherheitsaspekt bei den Abzügen von hoher Bedeutung. Ausspüleffekte können auf Dauer erhebliche gesundheitliche Risiken für das Personal zur Folge haben. Die Ergebnisse bei einem spezifischen Zuluftvolumenstrom von 42 m3/hm2 zeigt Abbildung 3.

Während des Prüfzyklus wird der geöffnete Frontschieber des Abzuges einmal geschlossen und wieder geöffnet. Die zulässigen Grenzwerte entsprechend der Berufsgenossenschaft RCI sind in Grün markiert. Beim Drallauslass sind deutlich ausgeprägte Schwankungen in den Werten zu erkennen, die mehrfach die Grenzwerte überschreiten. Beim Textilauslass zeigt sich ein konstanterer Verlauf, wobei aber auch hier die Grenzwerte überschritten werden. Einzig das multifunktionale Labormodul weist vor dem Laborabzug Konzentrationswerte auf, die sehr deutlich unterhalb des Grenzwertes liegen.  Die gemessenen Werte liegen um Faktor 9,5 (Drallauslass) bzw. 8 (Textilschlauch) höher als beim multifunktionalen Labormodul.

Mit Hilfe eines Nebelgenerators wurden die Stellen ergründet, an denen die Gefahr von Ausspüleffekten hoch ist. Wie die schematische Darstellung in den Abbildung 1 und 4 zeigt, sind insbesondere die seitlichen Begrenzungen des Abzuges als kritische Zonen einzustufen. Dies deckt sich auch mit den dort beispielsweise beim Textilschlauch gemessenen hohen Raumluftgeschwindigkeiten. Beim multifunktionalen Labormodul trat aufgrund der deutlich geringeren Raumluftgeschwindigkeit keine Ausspülung auf.

Autor
Detlef Makulla

Kontakt
Dipl.-Ing. Detlef Makulla
Caverion Deutschland GmbH
Geschäftsbereich Krantz
Aachen, Deutschland

[1] Sieber, Keller, Vermeidbare Gefahren. Vermeintlich sichere Laborabzüge, in: GIT Labor-Fachzeitschrift 6/2012, S. 420

[2] Biegert, Dittes, Kochendörfer, RELAB Forschungsverbundvorhaben „Energieeinsparungen in Laboratorien durch Reduzierung der Luftströme“, Universität Stuttgart

Weitere Beiträge zu Abzügen

BG RCI zur DIN 14175
 

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