FR Engineering centre of fire robots technology
Fire robots and fire monitors –
the basis for the modern
fire extinguishing
technologies

Feuerlöschroboter – eine globale Neuentwicklung im Bereich des Brandschutzes

Weltweit werden jährlich etwa 10 Millionen Brände, bei denen Dutzende Tausend Menschen ihr Leben verlieren und Sachschäden in Milliarden-Höhe entstehen, registriert. Tendenz steigend. Ursachen dafür sind wachsende Bevölkerung, Produktionskapazitäten und Energieverbrauch. Aus diesem Grund gewinnt der Brandschutz immer mehr an Bedeutung und wird zu einer der wichtigsten Aufgaben des Staates.

Eins der wirksamsten Brandbekämpfungsmittel sind automatische Feuerlöschanlagen, die bei Erkennung eines Brandes automatisch ausgelöst werden und das Löschen des Feuers ohne menschliche Eingriffe ermöglichen. Am meisten verbreitet sind automatische Sprinkleranlagen mit Sprinklerköpfen, die durch Schmelzlote verschlossen sind. Sie werden sind mit einem Wasserrohrnetz verbunden. Beim Erreichen von bestimmten Temperaturen schmilzt das Lot und somit wird der Sprinklerkopf aktiviert. Ein durchschnittlicher Sprinklerkopf kann eine Fläche von ca. 12 m² abdecken. Diese Anlage erwies sich als einfach und zuverlässig, und erhielt Einzug in nahezu alle brandgefährdete Objekte. Insgesamt befinden sich heute ca. 1 Milliarde Sprinkler weltweit im Einsatz. Aus Gründen der Einfachheit und Robustheit haben sich diese Anlagen seit dem 19. Jahrhundert nicht nennenswert verändert und wurden vom Fortschritt der Bereich der Elektro- und Computertechnik „verschont“.

High-Tech des Brandschutzes

Neue Ansätze in der Brandbekämpfung, welche auf dem Einsatz der Feuerlöschroboter (FLR) aufbauen und dem aktuellsten Stand der Technik entsprechen, haben die technischen Möglichkeiten der automatischen Löschanlagen stark erweitert. Ein FLR erzeugt mithilfe eines Hydromonitors Sprühwasserstrahlen, welche eine größere Reichweite haben und so den Brandherd besser erreichen können. Der FLR ist um 360° in der horizontalen und um 180° in der vertikalen Ebene drehbar, somit kann der Wasserstrahl jeden Punkt um den FLR erreichen. Der Sprühwinkel variiert zwischen 0 und 90° variieren, dabei kann eine Vielzahl an Strahlen gebildet werden. Die Fläche, die vom kleinsten Feuerlöschroboter mit einem Wasserdurchfluss von 20 l/s und Sprühstrahlweite von 50 m abgedeckt werden kann, beträgt ca. 7500 m2 (πR2 = π•502).

Das ganze Löschmittel kann direkt auf den Brandherd gerichtet werden und somit wird in diesem Fall eine Sprühleistung von mehr als 1,2 l/(s•m2) auf einer Fläche von 12 m2 erreicht. Eine solch hohe Leistung ermöglicht schnelle und effiziente Brandbekämpfung bereits in der Anfangsphase. Bei Einsatz von gewöhnlichen Sprinkleranlagen wären zur Absicherung einer Fläche von 7500 m2 ca. 650 Sprinkler und etwa 3 km Wasserrohre notwendig. Obwohl der maximale Löschwasserdurchfluss der Sprinkleranlagen liegt für 10 Sprinkler pro 120 m² berechnet wird, können sie nur eine bestimmte Sprühleistung erreichen. So wird in Räumen mit einer Brennlast von bis zu 1400 MJ/m2 bei einem Durchfluss der Sprinkleranlage von 30 l/s eine Nennleistung von 0,12 l / (s•m2) angenommen. Eine höhere Leistung kann die Sprinkleranlage konstruktionsbedingt nicht erreichen. Ein Feuerlöschroboter kann selbst bei einer geringeren Pumpenleistung einen Haupt-Schaumstrahl zum Brandherd, deren Leistung um 10 Mal höher, als die der Sprinkleranlage ist, aufbauen. Dabei kann der Feuerlöschroboter durch Linienscannen des Strahles große Flächen im Brandherd (einschließlich 120 m2) besprühen. Auf den Abbildungen 1a und 1b sind Schemas der Sprinkler- und Feuerroboteranlage dargestellt.


Abb. 1. Schema der Sprinkleranlage (a) und Löschroboteranlage (b):
1- Wasserspeiser; 2 - Sprinkler; 3 – Steuerungseinheit; 4 — Rohrleitung; 5 – Bewässerungsbereich, S = 12 m2; 6 – Schieber mit Elektroantrieb; 7 — Löschroboter

Dieser Vergleich der beiden Anlagen, welche sich grundlegend unterscheiden, belegt die Möglichkeiten der neuen Anlagen: Brandschutz von Großraumgebäuden, Erzeugung eines gerichteten Löschstrahles mit hoher Leistung und dessen Zufuhr selbst auf eine große Entfernung, schnelle Feuerlöschung in der Anfangsphase der Brandentstehung, Möglichkeit der Feuerlöschung im ganzen 3-dimensionalen Raum, darunter auch senkrechter Flächen, automatischer Stopp der Löschmittelzufuhr nach Löschen des Brandes. Dabei findet die Feuerlöschung im gesamten abgedeckten Bereich von einem Standpunkt aus statt, was viele Kilometer der Wasserrohre und Hunderte Sprinkler überflüssig macht. Rasante Entwicklung der Elektronik und Computertechnik im 21. Jahrhundert, sowie fallende Preise der Hardware und das Bewusstsein für nachhaltige Nutzung der Naturressourcen, lassen die technischen und wirtschaftlichen Vorteile der Löschroboteranlagen immer deutlicher werden. Solche Anlagen, wie das System der "technischen Live-Überwachung" und industrielle Steuereinheiten ermöglichten die Ausstattung der Feuerlöschroboter mit modernen Features, wie z.B. dem System der Koordinatenbestimmung des Brandherdes im 3D-Format, sowohl im sichtbaren als auch im Infrarot-Bereich, sowie mit dem System der Löschstrahl-Ausrichtung auf den Brandherd unter Berücksichtigung des Strahlverhaltens. 

Grundlage der Innovation - automatische Strahlausrichtung auf den Brandherd

Ein FLR muss in der Lage sein den Strahl gezielt auf den Brandherd nach vorgegebenen Koordinaten richten zu können. 


Abb. 2. Die Strahlbahn im Raum und deren Parameter

Die Branderkennungssensoren der FLR bestimmen die Koordinaten des Brandherdes in einem 3D - Koordinatensystem. Abb. 2 zeigt die Koordinaten des Brandherdes (Treffpunkt A): Entfernung Rn von der Düse bis zum Punkt A und Winkelkoordinaten in den senkrechten und waagrechten Ebenen β und γ. Die optische Achse des Branderkennungsmelders wird auf die Achse der Löschrohrausrichtung des Feuerlöschroboters verlagert, deswegen sind in der waagrechten Ebene der Winkel γ und der Winkel der Löschrohrausrichtung identisch. In der senkrechten Ebene unterscheidet sich der Winkel der Löschrohrausrichtung α von der Winkelkoordinate des Brandherdes β wegen der Strahlbewegung und des Strahlverlaufs. Der Winkel α hängt von vielen Faktoren, nämlich vom Radius Rn, Winkel β, Druck H, Löschwasserdurchfluss Q, Sprüh-Winkel f, sowie der Düsenkonstruktion ab.

Die Aufgabe der Löschstrahlausrichtung nach vorgegebenen Koordinaten ist lediglich Bestimmung des Löschrohrwinkels α, bei welchem die Strahlbahn durch den Treffpunkt A verläuft. Dabei muss man die Parameter des berechneten Soll-Wasserstrahls kennen, damit er dem Ist-Wasserstrahl genau entspricht.

Man muss berücksichtigen, dass sich die Bahn der Flüssigkeitsstrahlen von den Bahnen der Feststoffe aufgrund der physikalischen Faktoren, unterscheiden wird: Verringerung der Strahldichte und Erhöhung des Strahlquerschnitts mit der Entfernung vom Sprührohr, Bildung eines zweiphasigen Gasflüssigkeitsstromes während des Fluges etc. Wegen vieler noch nicht erforschten Faktoren gibt es bisher noch keine mathematische Gleichung für die Bestimmung der Strahlbahn. Die Grundlage für Forschung und Berechnungen der automatischen Strahlausrichtung auf die vorgegebenen Koordinaten sind die empirisch ermittelte experimentelle Datenbank mit Strahlbahnen, die ein Ergebnis jahrelanger Arbeit von "EFER" ist.
Um Bilder der Strahlbahnen zu bekommen, wurden sie mit einer Hochleistungskamera aufgenommen. Vor der Aufnahme mussten lineare Verzerrungen der verwendeten Optik ermittelt werden. Es wurde eine spezielle Software entwickelt, welche Markierung der oberen und unteren Grenzen der Strahlbahn (Abb. 3,4) und Erfassung Koordinaten der Strahlbahnen ermöglichte.


Abb. 3. Bedienoberfläche der Software zur Bestimmung der Bahnkurve des Strahls

Es wurden Ingenieur-Aufnahmen von Löschkanonen mit unterschiedlichem Durchfluss in Abhängigkeit vom Neigungswinkel und Druck gemacht und eine Datenbank mit tatsächlichen Strahlbahnen, die später der Bahnrechnung zugrunde gelegt wurde, angelegt.


Abb 4. Bahnen gerader Sprühstrahlen,erzeugt durch die „EFER“- Löschkanone

Das in der Abb. 4 dargestellte Kurvendiagramm zeigt die tatsächlichen Strahlbahnen in Abhängigkeit vom Richtungswinkel α, welche die Wirkung der Gravitationskraft und des Luftwiederstands auf den Strahl kennzeichnen. Insgesamt ergibt sich bei der Strahlbahnanordnung, mit z.B. den Richtungswinkeln α von über 10° ein Kurvennetz, welches den Einfluss des Gravitationsluftfeldes auf den Strahl in Abhängigkeit von solchen Strahlparametern, wie Druck und Wasserdurchfluss darstellt. Solche Strahlbahnnetze, die für verschiedene Parameter (u.a. Düsenart) erstellt wurden, werden digitalisiert und in der Datenbank für einen bestimmten Strahltyp gespeichert.

Auf Grundlage eines solchen Strahlbahnnetzes wird die durch die vorgegebenen Koordinaten verlaufende Strahlbahn im Interpolationsverfahren berechnet. Die ersten Strahlbahnparameter bestimmen eindeutig den gesuchten Löschrohrausrichtungswinkel α, bei welchem der Strahl im gewünschten Koordinatenpunkt ankommt.

Mit den Daten dieser Kurven wurde eine Software zur Berechnung der Strahlfluglinie in Abhängigkeit vom Strahlrichtungswinkel, sowie Druck und Löschwasserdurchfluss entwickelt (Abb. 5- Software zur Berechnung von Strahlbahnen). Die Software arbeitet auch umgekehrt sie kann aus einemvorgegebenen Treffpunkt (Koordinaten des erkannten Brandherdes) den nötigen Strahlrichtungswinkel bestimmen.


Abb 5. Software zur Berechnung der Strahlbahnen der Löschkanonen und Bestimmung des Strahlwinkels für den Treffpunkt A

Diese Software steht auf der Webseite www.firerobots.ru (für Feuerlöschroboter von „EFER“) zum Download bereit.

Die festeingebauten Feuerlöschroboter sind aus praktischer Sicht wesentlich besser, als die mobilen FLR. Der Grund dafür ist, dass der FLR ununterbrochen mit großer Wassermenge versorgt werden muss. Selbst ein kleiner Feuerlöschroboter mit einem Durchfluss von 20 l/s wird pro Stunde ca. 72 Tonnen Wasser verbrauchen. Aus diesem Grund erweist es sich als vorteilhaft den FLR fest an eine Hauptleitung anzuschließen.


Abb 6. Feuerlöschroboter

Abb. 6 zeigt eine der letzten Ausführungen des Feuerlöschroboters. Im Kopfteil des Feuerlöschroboters befindet sich ein intelligenter Flammenerkennungssensor, der sowohl den sichtbaren als auch den Infrarot-Bereich überwacht und nichts anderes als ein Cyber-Center mit einem Datenverarbeitungssystem zur Erkennung des Brandes, seiner Koordinaten und Fläche ist. Die Feuerlöscheinheit des Roboters ist eine Löschkanone, die automatisch den notwendigen Druck mit dem Durchfluss zwischen 8 und 80 l / s erzeugt und die optimalen Strahlparameter in diesem Bereich gewährleistet. Dabei wird ein ganzes Strahlspektrum – vom Vollstrahl bis maximal zerstreutem Strahm (90 °) erzeugt. Die Strahlausrichtung und die Winkelsteuerung der Sprühkopfes erfolgt durch moderne E-Antriebe mit Nachlaufeinrichtungen. Controller der Antriebssteuergeräte ermöglichen, komplexe Laufbahnen der Wasserstrahlen zu erzeugen. Die gesamte Elektronik ist in einem kompakten Gehäuse untergebracht. Das Gehäuse des Feuerlöschrobotersystems ist staub- und wassergestützt, Schutzart IP65 und hat eine eingebaute Klimaanlage für Temperatur und Feuchtigkeit. Das Gehäuse schützt elektrische Teile und Leitungen vor hohen Temperaturen, kurzfristiger Einwirkung offener Flamme und vor mechanischer Einwirkung. Der Arbeitsbereich des Feuerlöschroboters ist Reichsweite des Strahls - bis zu 85 m.

Feuerlöschroboteranlage

Abb. 7 stellt das Funktionsschema der Feuerlöschroboteranlage mit Glasfasersteuerung über Ethernet dar. Die Feuerlöschroboteranlagen bestehen aus fest installierten Feuerlöschrobotern und einer Steuereinheit.


Abb. 7. Funktionsschema der Feuerlöschroboteranlage

Die Feuerlöschroboteranlage wird durch eine Steuereinheit gesteuert. Im Auto-Modus aktiviert die Steuereinheit nach einem Signal von den Brandmeldern die Feuerlöschroboteranlage über ein Glasfaserkabel und Ethernet. Die Feuerlöschroboteranlage sendet auch Steuersignale an die weitere Technik (Start der Pumpen, Einschalten Rauchabzugsanlagen, Abschaltung der Lüftung u.a.). Der Feuerlöschleiter kann die Steuerung der Feuerlöschroboteranlage über die Steuereinheit, Fernbedienung oder Funksender übernehmen indem er den Fernsteuerungsmodus aktiviert. CAÌ-Arbeitsplatz des Bedieners bietet Möglichkeiten zur Einstellung des Systems und Eingabe der Daten zur Objektkonfiguration.

Feuerlöschung

Abb. 8 zeigt eine Skizze der Feuerlöschroboteranlage. Die Bestimmung der Koordinaten des Brandherdes erfolgt von zwei Beobachtungspunkten bzw. von zwei Feuerlöschrobotern.


Abb 8. Skizze der Feuerlöschroboteranlage

Dies ermöglicht Bestimmung von 3D-Koordinaten des Brandherdes, sowie seiner Abmessungen, Entfernung zum Brandherd, zur Berechnung des nötigen Winkels und Feuerlöschprogramms. Für eine Fernsteuerung ist eine Fernsehkamera vorhanden. Die Fernsehkamera, die mit „technischen Live-Überwachung“ und einer speziellen Software ausgestattet ist, ermöglicht die Identifikation des Sprühstrahls und seiner Raumposition. (Patentnummer 2.433.847). All dies ermöglicht eine sehr schnelle und präzise Ausrichtung des Wasserstrahls auf den Brandherd und eine effiziente Löschung des gesamten Brandes durch Strahlscannen. Bei nahen Entfernungen beträgt Sprühwinkel bis zu 30 Grad, um einen weichen Löschwasserszufluss zu gewährleisten, was z.B. beim Löschen von Erdölprodukten, wo ein kräftiger Sprühstrahl zur Bläschenbildung und Verstärkung des Brandes führen würde, wichtig.

Feuerprüfungen

Feuerprüfungen der Feuerlöschroboteranlagen (Abb. 9) wurden am Simulationsmodell eines Brandherdes der Brandklasse A mit Brennlast 2402 MJ durchgeführt, was der Brandkategorie B1 entspricht. Das Simulationsmodell mit einer Gesamtmasse von 115 kg wurde aus 40x40 mm großen und 800 mm hohen Stangen angefertigt. Insgesamt bestand das Modell aus 180 Stangen. Die Fläche des Brandherdes betrug 18,66 m2.
Die Skizze der Feuerprüfung ist auf der Abb. 10 dargestellt. Die Feuerlöschroboteranlage bestand aus 2 Feuerlöschrobotern. Gemäß den Prüfbestimmungen brannte das Modell eine vorgegebene Zeit vor dem Beginn der Prüfung. Während der Prüfung erkannten die Feuerlöschroboter den Brand innerhalb von 20 Sekunden. Der Ausrichtungsfehler beim Scannen hat den vom GOST R 53.326 vorgegebenen Wert von 5° nicht überschritten. Die Löschzeit betrug 1,5 Minuten, die Sollzeit laut der Tabelle 5.1. Norm SP 5.13130.2009 betrug für Räume der Klasse 2 (wie getestet) - 60 Minuten.


Abb. 9. Feuerprüfungen der Feuerlöschroboteranlagen, Simulationsmodell des Brandherdes der Brandklasse A


Abb. 10. Skizze der Feuerprüfung der Feuerlöschroboteranlagen

Die Feuerroboteranlagen können Brandherde überwachen, deshalb kann die Dauer der Wasserzufuhr durch die tatsächliche Zeit der Feuerlöschung geregelt werden. Nach der Löschung des Brandes wird die Wasserzufuhr abgeriegelt. Die hohe Leistung pro Fläche ermöglicht in der Anfangsphase des Brandes eine schnelle Löschung und Wassereinsparung. Dieses Verfahren ist wesentlich effizienter, als Wasserzufuhr über einen fest vorgegebenen Zeitraum.

Brandschutz von Objekten

Alle Vorteile und die Anwendungsbreite der Feuerlöschroboter kommen insbesondere beim Brandschutz von Sport- und Veranstaltungsobjekten zum Vorschein. Das Stadion „Zenit“ (Abb.11) ist eine multifunktionale Sportanlage der höchsten Kategorie "A" (Internationale Kategorie "Elite") mit ausfahrbarem Rasenfeld, Schiebedach und Schiebefahnenmast, welche ganzjährig im Einsatz ist und eine Zuschauerkapazität von min. 68.000 Sitzplätzen hat.
Die Feuerlöschroboteranlage wird zur Bekämpfung der Brände im Bereich der Tribünen eingesetzt. Gleichzeitig erfolgt eine Betriebs- und Zustands-Anzeige im Brandschutzraum. Die Anlage besteht aus Feuerlöschrobotern und einer Pumpanlage. Automatische Feuerlöschung im Bereich der Tribünen erfolgt mit direkten und zerstreuten Strahlen der Feuerlöschroboter. Die Zerstäubung erfolgt aus 2 Feuerrobotern gleichzeitig. Der Wasserdurchfluss beträgt 40 l/s pro Roboter, der Druck liegt bei 0,6 MPa. Die Feuerlöschroboter befinden sich in 2 Ebenen: die untere Ebene a); Höhenmarkierung 6,000 und obere Ebene b); Höhenmarkierung 25,200. Die Feuerlöschroboten sind vandalensicher ausgeführt. Wasserzufuhr erfolgt über Ringrohrleitungen welche in jeder Ebene verlegt sind.


Abb. 11. Brandschutzschema des Stadions „Zenit“
a) Schutzbereich der unteren Ebene b) Schutzbereich der oberen Ebene

Besonders aktuell ist der Einsatz der Feuerlöschroboter in Fliegerhallen (Hangars) zum Abstellen und Warten von Flugzeugen, die zur Brandgefahrkategorie B2 gehören und über eine automatische Feuerlöschanlage verfügen müssen (Abb. 12).



Abb. 12. Schema der Schaumwasserlöschanlage des Hangars mit 12 Feuerlöschrobotern

Die Löschung des Brandherdes erfolgt durch gleichzeitige Löschschaumzufuhr aus 2 Feuerlöschrobotern mit 2 Sprinklerköpfen. Es wird empfohlen, Baukonstruktionen und Flugzeuge, die sich in der Nähe des Brandherbes befinden (bzw. befanden) mit Wasser aus 2 Feuerlöschrobotern im Fernsteuerungsmodus manuell zu kühlen. Die Einsatzzeit der Kühlanlage für Tragwerke wird unter Berücksichtigung der Einsatzzeit der Feuerlöschanlage und der Zeit für Rauchabzug gewählt. Zur schnellen Branderkennung und –Bekämpfung in der gesamten Halle, darunter auch unter dem Flugzeugrumpf, werden Feuerlöschroboter und Flammenmelder in 2 Ebenen installiert. Die notwendige Installationshöhe ergibt sich aus den technischen Daten, Hallenhöhe und Flugzeuggröße bestimmt. Die Bewässerung der ganzen zu schützenden Fläche wird durch 2 Feuerlöschroboter gewährleistet.

Fazit

 Im Zeitalter der Computer-Technologien gewinnen schnell reagierende intelligente Systeme mit Selbstkontrollfunktionen und Flexibilität beim Umprogrammieren immer mehr an Bedeutung. Dank rasanter Technikentwicklung und Reduzierung der Preise werden die Feuerlöschroboter zum neuen Massenprodukt der Brandschutzautomatik, das die Aufgaben der Brandsicherheit in allen Bereichen lösen kann. Feuerwehr, die durch Feuerlöschroboter verstärkt wird, ist die Zukunft des 21. Jahrhunderts, welche die menschliche Erfahrung und den technischen Fortschritt vereint. Ein solches Feuerwehr-Team erhöht die Effizienz der Technik, die bei Brandbekämpfung verwendet wird. Die Feuerlöschroboter machen die Arbeiten unter Extrembedingungen, für die früher nur Menschen in Frage kamen, sicherer und einfacher.

Gorban J.I. - Generaldirektor – Chefkonstrukteur der ZAO „Ingenieurzentrum für Feuerlöschrobotertechnik „EFER“

Gorban M.J. - technischer Betriebsleiter – Chef-Ingenieur der ZAO „Ingenieurzentrum für Feuerlöschrobotertechnik „EFER“

Sinelnikowa E.A – Dr.-Ing., stellvertretende Abteilungsleiterin des VNIIPO des Ministeriums für Katastrophenschutz Russlands