EP1122700A1 - Verfahren und Einrichtung zur Konfiguration eines Detektionssystems für Tunnelbrände - Google Patents

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EP1122700A1
EP1122700A1 EP00102318A EP00102318A EP1122700A1 EP 1122700 A1 EP1122700 A1 EP 1122700A1 EP 00102318 A EP00102318 A EP 00102318A EP 00102318 A EP00102318 A EP 00102318A EP 1122700 A1 EP1122700 A1 EP 1122700A1
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EP
European Patent Office
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fire
tunnel
parameters
sensor cable
model
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EP00102318A
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English (en)
French (fr)
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EP1122700B1 (de
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Rudolf Mägerle
Robert Notz
Bruno Dr. Covelli
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens Building Technologies AG
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Publication date
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Priority to ES00102318T priority patent/ES2317823T3/es
Priority to EP00102318A priority patent/EP1122700B1/de
Priority to AU11104/01A priority patent/AU770822B2/en
Priority to SG200100294A priority patent/SG94739A1/en
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Priority to CNB011032154A priority patent/CN1177302C/zh
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    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B17/00—Fire alarms; Alarms responsive to explosion

Definitions

  • the invention is in the field of fire detection in tunnels, for which detection systems with a linear heat sensor are used today.
  • a detection system is sold under the name FibroLaser by Siemens Building Technologies AG, Cerberus Division, formerly Cerberus AG.
  • This system contains a fiber optic cable mounted on the tunnel ceiling, a laser light source and an opto-electronic receiver.
  • the light generated by the laser is coupled into the fiber optic cable and guided in the longitudinal direction.
  • Density fluctuations in the quartz glass caused by the effect of heat cause continuous scattering (Rayleigh scattering), which in turn causes the laser light to be damped.
  • further light scattering occurs through thermal lattice vibrations of the glass material, the so-called Raman scattering.
  • a fraction of the scattered light falls within the aperture angle of the waveguide and spreads both forward and backward.
  • the scattered light can be with the opto-electronic Prove recipient; by evaluating the intensity of certain backscatter frequencies the local glass fiber temperature can be determined.
  • the local resolution of the The temperature profile along the fiber optic cable is measured by measuring the attenuation of the waveguide light.
  • the size of the fire is a function of the heated cable route: a short, warmed distance corresponds to a small and a long, warmed distance corresponds to one big fire.
  • the present invention relates to a method for configuring a linear heat sensor with a detection system for tunnel fires containing a sensor cable.
  • the inventive The method is intended to enable detection systems for tunnel fires planning with high flexibility on the physical and local conditions of a To be able to adjust tunnels individually.
  • the object is achieved according to the invention in that parameters of the Tunnels and the sensor cable as well as the fire development and a fire model the alarm time is calculated and the location of the sensor cable and the alarm limits of the detection system are optimized so that a possible fire is quick and safe is detected.
  • the method according to the invention is essentially a model for the simulation of different ones Fires in a tunnel for the efficient and targeted planning of new plants and to determine the appropriate test fire for testing these systems.
  • a first preferred embodiment of the method according to the invention is characterized in that that the parameters of the tunnel are data about the tunnel dimensions and the Wind conditions included in the tunnel.
  • a second preferred embodiment of the method according to the invention is characterized in that that the parameters of the sensor cable by the physical properties of the cable, its position and routing geometry and determined by the physics of measurement technology are.
  • a third preferred embodiment is characterized in that the fire model is made of Sub-models consists of those obtained from theoretical calculations and practical experience Contain parameter sets.
  • the fire model preferably contains the two sub-models of fire development in the reaction zone and behavior of the combustion gases in the cooling zone above the reaction zone.
  • the device according to the invention is a laptop or another portable computer with an input keyboard, a screen, a printer connection and a CD-ROM drive, the parameter sets of the fire model and the Programs for the calculation of fire development, heating of the sensor cable and the alarm times are saved on a CD-ROM and the parameters of the tunnel and the Sensor cables can be entered with the input keyboard.
  • the configuration is to take all influencing factors into account to some extent a detection system with a linear heat sensor is extremely complex and time consuming and associated with many practical tests.
  • the present procedure facilitates the configuration is very important, by giving the application engineer a try provides a simulation program confirmed on a laboratory and large scale, with which the alarm time resulting from the given system parameters is calculated and thus the system parameters can be adjusted to a given alarm time.
  • the worst case scenario is always assumed.
  • the distance between the sensor and the fire this is the length of the diagonal from the sensor cable to the edge of the road.
  • a burning tarpaulin of a truck is much closer to the sensor cable, but this is not a problem because such a fire would be detected much earlier.
  • the diameter of the fire that is the surface of the fire, is known for tunnels in cars and trucks, and is assumed to be 1 meter, for example, which corresponds to a fire surface of around 0.8 m 2 .
  • FIG. 1 shows a flowchart of the main program for calculating the alarm times of the detection system according to the invention for tunnel fires.
  • a first step entered the required parameters of the tunnel and the sensor cable; the parameter sets of the fire model are stored in the system.
  • the calculation model is selected in the sensor cable.
  • This consists of a with Thermal paste encased glass fiber, one surrounding the glass fiber with its cladding Steel capillary with a diameter of 1.6 mm, for example, and an outer jacket made of polyethylene with a diameter of about 8 mm.
  • the sensor cable is both through flowing fire gases (convective heat exchange) as well as heated by radiation, both types of heat flows can occur separately or simultaneously.
  • fire gases convective heat exchange
  • both types of heat flows can occur separately or simultaneously.
  • For the Heating the cable and fiber can use two different calculation models homogeneous model and the differential model, applied, which differ in accuracy and differentiate in the computing speed.
  • the Full fire without the influence of wind according to the subroutine of Fig. 2.
  • This provides the temperature in the reaction zone (flame zone) and in the plume, i.e. the two for heating sizes of the sensor cable. 2 are used to calculate the full fire the thermodynamic start values and the start values for the burn rate WSBR are entered, whereby the burn rate is the fire development until the full fire.
  • the initial value for the burn rate is iterated in steps ⁇ W until the burn rate of the total mass balance corresponding value met.
  • CO 2 , H 2 O and SO 2 are then formed in the reaction zone, with certain amounts of heat being released per mole. If there is a lack of oxygen, CO is increasingly formed and at the same time the water gas reaction plays an important role, this energy-consuming reduction being dependent on the supply of the starting materials and on the temperature in the reaction zone.
  • the oxygen requirement for ideal, complete combustion can be determined stoichiometrically from the known reaction scheme, and from this, the fire mass and the mass fraction of the supply air, the stoichiometric air mass.
  • k B factor is used to determine the minimum oxygen content from the guidelines for inert gas extinguishing systems.
  • the minimum oxygen content is the O 2 concentration required to maintain the combustion reactions, which may be above the stoichiometric air requirement.
  • the oxygen requirement is greater than the supply air can supply in the reaction zone. From the mass fractions of carbon, hydrogen, sulfur and oxygen in the combustion material and from the mass fractions of the supply air, the proportion of CO 2 in the fire gas and the other reaction products and the reaction enthalpies can be determined.
  • the released heat of combustion or reaction enthalpy of the fuel can be also determine stoichiometrically.
  • most are the enthalpies of combustion Substances in the fire regulations (sprinkler guidelines, DIN 4201, DIN 18232, etc.) have been determined experimentally and can be found in the corresponding tables.
  • the heat output in the reaction zone becomes from the fire gas composition in the reaction zone is calculated and the resulting temperature is compared with the flame length and the enthalpy and mass balance iterates. Finally, the gas volume flow and the Gas velocity over the reaction zone the momentum balance in the area of the reaction zone determined and there is an iteration of the burn-up rate according to the total mass balance. As soon as the burn rate meets the value corresponding to the desired fire duration, the Plume development from the reaction zone to the ceiling in the momentum, mass and enthalpy balance and the air admixture and wind correction are taken into account.
  • the hot combustion gases mix in one in the cooling zone above the reaction zone turbulent border zone with the surrounding gas, e.g. Air, causing it to move vertically gas stream flowing above expands.
  • the surrounding gas e.g. Air
  • the behavior of the rising combustion gases a turbulent free jet with the reaction zone as the jet core corresponds.
  • the decrease in temperature as a function of height can be done with an energy balance recorded over the height layer and the average ascent rate can be determined by means of an impulse balance over the local plume cross-section, so that the local speed decrease in the plume results.
  • the plume opens like a turbulent free jet with an opening angle of 8 ° to 15 °.
  • This angle dependency can be determined from the pressure difference between the jet and the surroundings.
  • a turbulent longitudinal flow forms in the tunnel cross-section, the turbulence balls of which are significantly smaller than the tunnel cross-section.
  • this air flow can be described as laminar compared to the tunnel dimensions. From this point of view, it can be assumed that the impulse flow of the wind is superimposed on the impulse flow of the plume, so that the gases in the plume are carried away by the wind without the plume being whirled up completely.
  • the influence of the wind gives the plume a certain angle of inclination, which can be determined from the ratio of the gas speed in the plume to the wind speed in the tunnel.
  • the temperature is obtained as a result of the subroutine for calculating the fire development in the reaction zone and the temperature in the plume at full fire.
  • thermodynamic states are calculated in time steps ⁇ t of 1 second, which enables a precise mapping of the fire development.
  • the simulation runs for a certain maximum time t End of a few minutes and ends when t End is reached with the display and / or the printout of the alarm criteria.
  • the current fire area is entered and the fire is then calculated without the influence of wind.
  • the wind influence on the reaction zone and plume is entered, as well as the distance from the fire area to the detector cable.
  • the temperature in the reaction zone and in the plume is then used to calculate the fire with wind, the temperature of the turbulent hot gas layer and the temperature in the case of complete turbulent mixing in the cross-section of the tunnel.
  • the heat flow into the cable surface (convection or radiation) is determined and an estimate is made as to whether convection heat and radiation act together on the cable.
  • the heat conduction through the sensor cable to the glass fiber is calculated according to the differential model shown in FIG. 3.
  • the second order heat conduction equation is solved with the difference method and after the time t n the temperature profile in the cable is available.
  • the temperature gradient in the main program is then formed with the temperature profile in the cable. Then it is checked whether the simulation of the plume reaches the cable within the radiation field; if so, there is a superposition of convection and radiation. A test is then carried out to determine whether two measuring locations of the cable lie within the radiation field; if not, the radiation surface temperature is damped. Finally, the alarm criteria are checked and the alarm time is printed out in time step t. After reaching the specified total duration of the simulation t End , the alarm criteria are printed out and the simulation is finished.
  • the user now knows whether the target alarm time with the entered parameters can be achieved, or whether the or some of the parameters need to be changed.

Abstract

Das Detektionssystem für Tunnelbrände enthält einen linearen Wärmesensor mit einem Sensorkabel. Zur Konfiguration des Detektionssystems wird anhand von Parametern des Tunnels und des Sensorkabels sowie anhand eines Brandmodells die Brandentwicklung und die Alarmierungszeit berechnet und der Installationsort des Sensorkabels und die Alarmgrenzwerte des Detektionssystems werden so optimiert, dass ein möglicher Brand rasch und sicher detektiert wird. Die Einrichtung zur Konfiguration des Detektionssystems enthält folgende Komponenten: a. Speichermittel für die Speicherung von Parametern des Tunnels und des Sensorkabels und von Parametersätzen eines Brandmodells; b. Rechnermittel für die Berechnung der Brandentwicklung und der sich daraus ergebenden Erwärmung des Sensorkabels anhand der gespeicherten Parameter und Parametersätze; c. Eingabemittel für die Eingabe von Daten und Parametern; d. Anzeigemittel für die Anzeige und/oder Ausgabe der für bestimmte Parameter resultierenden Alarmierungszeiten oder der für vorgegebene Alarmgrenzwerte und Alarmierungszeiten anzuwendenden Parameter des Tunnels und des Sensorkabels. <IMAGE>

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Detektion von Bränden in Tunnels, wofür heute Detektionssysteme mit einem linearen Wärmesensor verwendet werden. Ein derartiges Detektionssystem wird unter der Bezeichnung FibroLaser von der Siemens Building Technologies AG, Cerberus Division, früher Cerberus AG, vertrieben. Dieses System enthält ein an der Tunneldecke montiertes Glasfaserkabel, eine Laser-Lichtquelle und einen opto-elektronischen Empfänger. Das vom Laser erzeugte Licht wird in das Glasfaserkabel eingekoppelt und in dessen Längsrichtung geführt. Durch Wärmeeinwirkung verursachte Dichteschwankungen des Quarzglases bewirken eine kontinuierliche Streuung (Rayleigh-Streuung), die wiederum eine Dämpfung des Laserlichts bewirkt. Zusätzlich tritt durch thermische Gitterschwingungen des Glasmaterials eine weitere Lichtstreuung auf, die sogenannte Raman-Streuung.
Ein Bruchteil des Streulichts fällt in den Aperturwinkel des Wellenleiters und breitet sich sowohl in Vorwärts- als auch in Rückwärtsrichtung aus. Das Streulicht lässt sich mit dem opto-elektronischen Empfänger nachweisen; durch die Auswertung der Intensität bestimmter Rückstreufrequenzen kann die lokale Glasfasertemperatur bestimmt werden. Die örtliche Auflösung des Temperaturverlaufs entlang des Glasfaserkabels erfolgt durch Dämpfungsmessung des Wellenleiterlichts. Die Grösse des Feuers ist eine Funktion der erwärmten Kabelstrecke: Eine kurze, erwärmte Strecke entspricht einem kleinen und eine lange, erwärmte Strecke entspricht einem grossen Feuer.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konfiguration eines einen linearen Wärmesensor mit einem Sensorkabel enthaltenden Detektionssystems für Tunnelbrände. Das erfindungsgemässe Verfahren soll es ermöglichen, Detektionssysteme für Tunnelbrände schon bei der Planung mit hoher Flexibilität auf die physikalischen und örtlichen Gegebenheiten eines Tunnels individuell einstellen zu können.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass anhand von Parametern des Tunnels und des Sensorkabels sowie anhand eines Brandmodells die Brandentwicklung und die Alarmierungszeit berechnet und der Installationsort des Sensorkabels und die Alarmgrenzwerte des Detektionssystems so optimiert werden, dass ein möglicher Brand rasch und sicher detektiert wird.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist im wesentlichen ein Modell zur Simulation von verschiedenen Bränden in einem Tunnel für die effiziente und zielgerichtete Planung von neuen Anlagen und für die Festlegung der entsprechenden Testfeuer für die Erprobung dieser Anlagen.
Eine erste bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter des Tunnels Daten über die Tunnelabmessungen und die Windverhältnisse im Tunnel enthalten.
Eine zweite bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter des Sensorkabels durch die physikalischen Eigenschaften des Kabels, dessen Position und Verlegegeometrie und durch die Physik der Messtechnik bestimmt sind.
Eine dritte bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass das Brandmodell aus Teilmodellen besteht, die aus theoretischen Berechnungen und praktischen Erfahrungen gewonnene Parametersätze enthalten.
Vorzugsweise enthält das Brandmodell die beiden Teilmodelle Brandentwicklung in der Reaktionszone und Verhalten der Brandgase in der Abkühlzone oberhalb der Reaktionszone.
Beim Teilmodell Brandentwicklung erfolgt eine Berechnung der Reaktionsenthalpie, der Energiebilanz und des Auftriebs in der Reaktionszone und der Brandentwicklung. Beim Teilmodell Verhalten der Brandgase in der Abkühlzone (sogenanntes Plume-Modell) erfolgt im wesentlichen eine Berechnung des Verhaltens des Stroms der heissen Brandgase aufgrund der Vermischung mit dem umgebenden Gas in einer turbulenten Grenzzone.
Die Erfindung betrifft weiter eine Einrichtung zur Konfiguration eines einen linearen Wärmesensor mit einem Sensorkabel enthaltenden Detektionssystems für Tunnelbrände. Die erfindungsgemässe Einrichtung ist gekennzeichnet durch folgende Komponenten:
  • a. Speichermittel für die Speicherung von Parametern des Tunnels und des Sensorkabels und von Parametersätzen eines Brandmodells;
  • b. Rechnermittel für die Berechnung der Brandentwicklung und der sich daraus ergebenden Erwärmung des Sensorkabels anhand der gespeicherten Parameter und Parametersätze;
  • c. Eingabemittel für die Eingabe von Daten und Parametern;
  • d. Anzeigemittel für die Anzeige und/oder Ausgabe der für bestimmte Parameter resultierenden Alarmierungszeiten oder der für vorgegebene Alarmgrenzwerte und Alarmierungszeiten anzuwendenden Parameter des Tunnels und des Sensorkabels.
    • Beispielsweise ist die erfindungsgemässe Einrichtung durch einen Laptop oder einen anderen transportablen Rechner mit einer Eingabetastatur, einem Bildschirm, einem Druckeranschluss und einem CD-ROM-Laufwerk gebildet, wobei die Parametersätze des Brandmodells und die Programme für die Berechnung der Brandentwicklung, der Erwärmung des Sensorkabels und der Alarmierungszeiten auf einer CD-ROM gespeichert und die Parameter des Tunnels und des Sensorkabels mit der Eingabetastatur eingebbar sind.
    Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnungen näher erläutert; es zeigt:
    Fig. 1
    ein Flussdiagramm des Hauptprogramms zur Berechnung der Alarmierungszeiten eines einen Wärmesensor enthaltenden Detektionssystems für Tunnelbrände,
    Fig. 2
    ein Flussdiagramm des Unterprogramms zur Berechnung der Brandentwicklung; und
    Fig. 3
    ein Flussdiagramm des Unterprogramms zur Temperaturberechnung im Sensorkabel.
    Erfahrungen in der Detektion von Tunnelbränden zeigen, dass für eine zuverlässige und rasche Branddetektion das Abbrandverhalten und die Grösse der Feuer, die Windverhältnisse, die Tunnelgeometrie, die räumliche Anordnung der Sensoren und der Ort des Feuers berücksichtigt werden müssen. Dabei kommt in vielen Fällen ein Detektionssystem mit einem linearen Wärmesensor zur Anwendung, wie es beispielsweise von der Siemens Building Technologies AG, Cerberus Division, früher Cerberus AG, unter der Bezeichnung FibroLaser angeboten wird. Der FibroLaser wird als bekannt vorausgesetzt; es wird in diesem Zusammenhang auf die Einleitung der vorliegenden Beschreibung und auf die Prospekte des FibroLaser-Systems verwiesen.
    Da es wegen der komplexen thermodynamischen Vorgänge bei einem Brand nahezu unmöglich ist, alle Einflussgrössen auch nur einigermassen zu berücksichtigen, ist die Konfiguration eines Detektionssystems mit einem linearen Wärmesensor ausserordentlich aufwendig und zeitraubend und mit vielen praktischen Versuchen verbunden. Das vorliegende Verfahren erleichtert die Konfiguration ganz wesentlich, indem es dem Applikationsingenieur ein durch Versuche im Labor- und Grossmassstab bestätigtes Simulationsprogramm zur Verfügung stellt, mit dem die aus gegebenen Anlageparametern resultierende Alarmierungszeit berechnet wird und somit die Anlageparameter auf eine vorgegebene Alarmierungszeit abgestimmt werden können.
    Das Berechnungsverfahren stützt sich auf eine thermodynamische Modellierung der Brandvorgänge, wobei die thermodynamischen Modelle die Erhaltungsgrössen der Physik (Masse, Energie, Impuls) erfüllen und nur wenige empirische Werte benötigen. Das Simulationsmodell besteht aus folgenden Teilmodellen:
    • Berechnung der Reaktionsenthalpie aufgrund einer Elementaranalyse der Brandstoffe
    • Energiebilanz und Massenbilanz in der Reaktionszone
    • Länge der Reaktionszone
    • Energiebilanz im Plume (= Abkühlzone oberhalb der Reaktionszone)
    • Strömungsmechanik im Plume unter Zugrundelegung eines Freistrahlmodells
    • Einfluss des Windes im Tunnel auf Reaktionszone und Plume
    • Brandentwicklung
    • Wärmeaustausch durch Strahlung und Konvektion sowie Wärmeleitung im Sensorkabel
    Das Simulationsmodell erhält insbesondere die folgenden Eingabeparameter:
    • Feuerdurchmesser: Durchmesser des mit der gesamten Oberfläche des Brennstoffs flächengleichen Kreises.
    • Tunnelhöhe: Abstand zwischen Fahrbahn und Tunnelhöhe, wobei bei einem Tunnel mit gewölbter Decke in der Regel eine mittlere Deckenhöhe im Gewölbebereich angenommen wird, die aber in jedem Fall oberhalb des Sensorkabels liegen muss.
    • Tunnelbreite: Kürzester Abstand der Tunnelwände auf halber Tunnelhöhe.
    • Abstand Sensor - Boden: Kürzester Abstand zwischen Sensorkabel und Fahrbahn; dieser Abstand ist immer kleiner als die Tunnelhöhe.
    • Abstand Sensor - Brand: Kürzester Abstand zwischen der Mitte der Brandoberfläche und dem Sensorkabel; dieser Abstand ist in der Regel grösser als der Abstand zwischen Sensor und Boden.
    • Wind: Die Windgeschwindigkeit entspricht der über den Tunnelquerschnitt gemittelten Luftgeschwindigkeit entlang der Fahrbahn. Falls durch Ventilatoren eine starke Querströmung angeregt wird, die grösser ist als die Windgeschwindigkeit längs der Fahrbahn, wird die Quergeschwindigkeit eingesetzt.
    • Wind im Bereich des Sensorkabels: Der Wind im Tunnel weist ein Profil auf, das in der Regel an den Wänden und an der Decke gegen null strebt. Falls das Sensorkabel nahe an der Decke oder einer Wand montiert ist, muss dieser Effekt berücksichtigt werden. Die Richwerte sind einer Tabelle entnehmbar.
    • Tunneldruck: Umgebungsdruck im Brandbereich; hängt vor allem von der Meereshöhe ab.
    • Tunneltemperatur: Umgebungstemperatur im Brandbereich; hat im Winter einen Einfluss auf die Auslösung der Alarmtemperatur im Detektionssystem.
    • Sensordurchmesser: Aussendurchmesser des Sensorkabels.
    • Alarmtemperatur: Temperaturschwellwert, bei dessen Erreichen/Überschreitung das Detektionssystem einen Brandalarm melden soll. Dieser Wert liegt in der Regel im Bereich von 50° bis 80°C. Alarmtemperaturen unter 50°C können im Ein- und Ausfahrtsbereich der Tunnel Fehlalarm auslösen.
    • Gradient der Alarmtemperatur: Aus der Zunahme der Temperatur über die Zeit wir der Gradient bestimmt, der den Schwellwert für die Auslösung eines Brandalarms bildet. Falls die Temperatur pro Sekunde schneller als der Schwellwert ansteigt, wird Alarm ausgelöst. In der Regel beträgt dieser Schwellwert 0.1°C/sec, entsprechend 6°C pro Minute.
    • Brandbeschleunigungsrate: Bei uneingeschränkter Luftzufuhr zum Brandherd wächst die Brandzuwachsrate linear mit der Zeit an. Für die Abbrandleistung Q* eines Feuers mit der Brandfläche A zum Zeitpunkt t gilt Q*=A.B.t2, wobei die sogenannte Brandbeschleunigungsrate B ein Mass für die Brandentwicklung bis zum Vollbrand ist. Für B existieren Erfahrungswerte, die in einer Tabelle gespeichert sind.
    Grundsätzlich gilt für alle genannten Parameter, dass immer vom schlimmsten Fall ausgegangen wird. Dieser ist z.B. für den Abstand zwischen Sensor und Brand die Länge der Diagonale vom Sensorkabel zum Fahrbahnrand. Selbstverständlich liegt eine brennende Abdeckplane eines LKW wesentlich näher am Sensorkabel, aber das ist kein Problem, weil ein solcher Brand wesentlich früher detektiert würde. Der Feuerdurchmesser, das ist die Brandoberfläche, ist bei Personen- und Lastkraftwagen in Tunnels bekannt, und wird beispielsweise mit 1 Meter angenommen, was einer Brandoberfläche von etwa 0.8 m2 entspricht.
    Fig. 1 zeigt ein Flussdiagramm des Hauptprogramms zur Berechnung der Alarmierungszeiten des erfindungsgemässen Detektionssystems für Tunnelbrände. In einem ersten Schritt werden die erforderlichen Parameter des Tunnels und des Sensorkabels eingegeben; die Parametersätze des Brandmodells sind im System gespeichert.
    Dann erfolgt die Wahl des Berechnungsmodells im Sensorkabel. Dieses besteht aus einer mit Wärmeleitpaste umhüllten Glasfaser, einer die Glasfaser mit ihrer Umhüllung umgebenden Stahlkapillare mit einem Durchmesser von beispielsweise 1.6 mm und einem Aussenmantel aus Polyethylen mit einem Durchmesser von etwa 8 mm. Das Sensorkabel wird sowohl durch umströmende Brandgase (konvektiver Wärmeaustausch) als auch durch Strahlung erwärmt, wobei beide Arten von Wärmeflüssen getrennt oder gleichzeitig auftreten können. Für die Erwärmung des Kabels und der Glasfaser können zwei verschiedene Berechnungsmodelle, das homogene Modell und das Differentialmodell, angewandt werden, die sich in der Genauigkeit und in der Rechengeschwindigkeit unterscheiden.
    Beim homogenen Modell wird das Temperaturprofil durch den Aussenmantel vernachlässigt und es wird angenommen, dass das gesamte Kabel auf eine mittlere Temperatur geheizt wird. Beim Differentialmodell, welches wesentlich mehr Rechenzeit erfordert, erfolgt die exakte Berechnung der Erwärmung der Glasfaser im Sensorkabel durch die Lösung der instationären Wärmeleitungsgleichung zweiter Ordnung. Im vorliegenden Fall muss diese Gleichung als gekoppeltes Differentialgleichungssystem erweitert werden, da das Sensorkabel verschiedene Schichten aufweist. Das Unterprogramm für das Differentialmodell zur Temperaturberechnung im Sensorkabel ist in Fig. 3 dargestellt.
    Nach der Eingabe der technischen Daten über das Sensorkabel erfolgt eine Berechnung des Vollbrandes ohne Windeinfluss gemäss dem Unterprogramm von Fig 2. Dieses liefert die Temperatur in der Reaktionszone (Flammenzone) und im Plume, also die beiden für die Erwärmung des Sensorkabels verantwortlichen Grössen. Gemäss Fig. 2 werden zur Berechnung des Vollbrandes die thermodynamischen Startwerte und die Startwerte für die Abbrandrate WSBR eingegeben, wobei mit Abbrandrate die Brandentwicklung bis zum Vollbrand bezeichnet ist. Der Startwert für die Abbrandrate wird in Schritten ΔW iteriert bis die Abbrandrate den der Gesamt-Massenbilanz entsprechenden Wert erfüllt.
    Bei einem Brand werden Stoffe im Brandgut mit dem Luftsauerstoff in der Reaktionszone oxidiert, wobei die durch diese Oxidationsreaktionen freigesetzte Wärmeenergie die Gase in der Reaktionszone erhitzt. Bei den meisten Bränden oxidieren die Elemente Kohlenstoff, Wasserstoff und Schwefel; im Brandgut eventuell enthaltene Halogene reagieren vorzugsweise mit dem Wasserstoff. Für die Simulation wird der Gehalt an Halogenen ebenso wie der an seltenen Metallen als vernachlässigbar angenommen.
    In der Reaktionszone bilden sich dann vor allem CO2, H2O und SO2, wobei bestimmte Wärmemengen pro Mol freigesetzt werden. Bei Sauerstoff-Mangel bildet sich vermehrt CO und gleichzeitig spielt die Wassergasreaktion eine wichtige Rolle, wobei diese energiezehrende Reduktion vom Angebot der Edukte und von der Temperatur in der Reaktionszone abhängig ist. Aus dem bekannten Reaktionsschema kann der Sauerstoffbedarf bei idealer, vollständiger Verbrennung stöchiometrisch bestimmt werden und aus diesem, der Brandmasse und dem Massenanteil der Zuluft die stöchiometrische Luftmasse.
    Bei einem Feuer mit Naturkonvektion wird in der Reaktionszone mehr Luft umgesetzt als die Stöchiometrie der Verbrennungsreaktionen verlangt, diese Mehrluft ist die Luftüberschusszahl. Man kann diese aus dem sogenannten kB-Faktor berechenen, der zur Ermittlung des minimalen Sauerstoffanteils aus den Richtlinien für Inertgaslöschanlagen verwendet wird. Der minimale Sauerstoffanteil ist die zur Aufrechterhaltung der Verbrennungsreaktionen erforderliche O2-Konzentration, die über dem stöchiometrischen Luftbedarf liegen kann.
    Bei einer unvollständigen Verbrennung bildet sich auf Kosten von CO2 vermehrt CO und freier Wasserstoff. In diesem Fall ist der Sauerstoffbedarf grösser als die Zuluft in der Reaktionszone nachliefern kann. Man kann aus den Massenanteilen von Kohlenstoff, Wasserstoff, Schwefel und Sauerstoff im Brandgut und aus dem Massenanteil der Zuluft den Anteil von CO2 imBrandgas und daraus die anderen Reaktionsprodukte und die Reaktionsenthalpien ermitteln.
    Die freigesetzte Verbrennungswärme oder Reaktionsenthalpie des Brandstoffes lässt sich ebenfalls stöchiometrisch ermitteln. Ausserdem sind die Verbrennungsenthalpien der meisten Stoffe in den brandtechnischen Vorschriften (Sprinkler-Richtlinien, DIN 4201, DIN 18232, usw.) experimentell bestimmt worden und können entsprechenden Tabellen entnommen werden.
    Aus der Brandgas-Zusammensetzung in der Reaktionszone wird die Heizleistung in der Reaktionszone berechnet und die sich dabei ergebende Temperatur wird mit der Flammenlänge und der Enthalpie- und Massenbilanz iteriert. Schliesslich wird aus dem Gasvolumenstrom und der Gasgeschwindigkeit über der Reaktionszone die Impulsbilanz im Bereich der Reaktionszone ermittelt und es erfolgt eine Iteration der Abbrandrate nach der Gesamt-Massenbilanz. Sobald die Abbrandrate den der gewünschten Branddauer entsprechenden Wert erfüllt, wird noch die Plume-Entwicklung von der Reaktionszone bis zur Decke in die Impuls-, Massen- und Enthalpiebilanz miteinbezogen und es wird die Luftzumischung und Windkorrektur berücksichtigt.
    In der Abkühlzone oberhalb der Reaktionszone vermischen sich die heissen Brandgase in einer turbulenten Grenzzone mit dem umgebenden Gas, z.B. Luft, wodurch sich der vertikal nach oben strömende Gasstrom aufweitet. Für die Simulation wird angenommen, dass das Verhalten der aufsteigenden Brandgase einem turbulenten Freistrahl mit der Reaktionszone als Strahlkern entspricht. Die Abnahme der Temperatur in Funktion der Höhe kann mit einer Energiebilanz über die Höhenschicht erfasst und die mittlere Aufstiegsgeschwindigkeit kann mittels einer Impulsbilanz über den lokalen Plume-Querschnitt erfasst werden, so dass sich schliesslich die lokale Geschwindigkeitsabnahme im Plume ergibt.
    Es wird angenommen, dass der Plume sich wie ein turbulenter Freistrahl öffnet, bei dem der Öfnungswinkel um 8° bis 15° beträgt. Diese Winkelabhängigkeit kann aus der Druckdifferenz zwischen Strahl und Umgebung ermittelt werden. Bei Windgeschwindigkeiten bis zu 10 m/s bildet sich im Tunnelquerschnitt eine turbulente Längsströmung aus, deren Turbulenzballen wesentlich kleiner sind als der Tunnelquerschnitt. Diese Luftströmung kann man trotz der hohen Reynoldszahl im Bereich von 106 im Vergleich zu den Tunnelabmessungen als laminar bezeichnen. Unter diesem Gesichtspunkt ist die Annahme zulässig, dass sich der Impulsstrom des Windes dem Impulsstrom des Plumes überlagert, so dass die Gase im Plume durch den Wind fortgetragen werden, ohne dass der Plume vollständig verwirbelt wird. Der Plume erhält durch den Windeinfluss einen bestimmten Neigungswinkel, der aus dem Verhältnis der Gasgeschwindigkeit im Plume zur Windgeschwindigkeit im Tunnel ermittelt werden kann.
    Als Ergebnis des Unterprogramms zur Berechnung der Brandentwicklung erhält man die Temperatur in der Reaktionszone und die Temperatur im Plume bei Vollbrand.
    Anschliessend wird die Zeititeration gestartet, wobei alle thermodynamischen Zustände in Zeitschritten ▵t von 1 Sekunde berechnet werden, was eine genaue Abbildung der Brandentwicklung ermöglicht. Die Simulation läuft eine bestimmte maximale Zeit tEnd von einigen Minuten und wird bei Erreichen von tEnd mit der Anzeige und/oder dem Ausdruck der Alarmkriterien beendet. Wie Fig. 1 zu entnehmen ist, wird die aktuelle Brandfläche eingegeben und anschliessend der Brand ohne Windeinfluss berechnet. Dann wird der Windeinfluss auf Reaktionszone und Plume eingegeben, ebenso wie die Strecke von der Brandfläche zum Detektorkabel. Anschliessend erfolgt mit der Temperatur in der Reaktionszone und im Plume die Brandberechnung mit Wind, die Berechnung der Temperatur der turbulenten Heissgasschicht und der Temperatur bei vollständiger turbulenter Vermischung im Tunnelquerschnitt. Dann wird der Wärmfluss in die Kabeloberfläche (Konvektion oder Strahlung) ermittelt und es erfolgt eine Abschätzung, ob Konvektionswärme und Strahlung gemeinsam auf das Kabel wirken.
    Dann erfolgt die Berechnung der Wärmeleitung durch das Sensorkabel zur Glasfaser nach dem in Fig. 3 dargestellten Differentialmodell. Gemäss Fig. 3 werden die Stoffdaten des Kabels und die Anfangs- und Randbedingungen zur Zeit t=0 eingegeben und es wird der Integrationsschritt Δtk festgelegt. Dieser beträgt beispielsweise 10-3 Sekunden. Die Berechnung des Temperaturprofils im Kabel erfolgt alle 10-3 Sekunden, der Wert wird aber entsprechend dem Zeitschritt im Hauptprogramm nur alle tk = tn, also beispielsweise jede Sekunde, ins Hauptprogramm übernommen. Dann wird die Wärmeleitungsgleichung zweiter Ordnung mit dem Differenzverfahren gelöst und nach der Zeit tn steht jeweils das Temperaturprofil im Kabel zur Verfügung.
    Mit dem Temperaturprofil im Kabel wird dann im Hauptprogramm der Temperaturgradient gebildet. Dann wird überprüft, ob bei der Simulation der Plume das Kabel innerhalb des Strahlungsfeldes erreicht; wenn ja, liegt eine Superposition von Konvektion und Strahlung vor. Anschliessend erfolgt ein Test, ob zwei Messorte des Kabels innerhalb des Strahlungsfeldes liegen; wenn nein, liegt eine Dämpfung der Strahlungs-Oberflächentemperatur vor. Schliesslich werden die Alarmkriterien geprüft und die Alarmierungszeit wird im Zeitschritt t ausgedruckt. Nach Erreichen der vorgegebenen Gesamtdauer der Simulation tEnd werden die Alarmkriterien ausgedruckt und die Simulation ist beendet.
    Der Anwender weiss jetzt, ob die angestrebte Alarmierungszeit mit den eingegebenen Parametern erreicht werden kann, oder ob die oder einige der Parameter geändert werden müssen.

    Claims (9)

    1. Verfahren zur Konfiguration eines einen linearen Wärmesensor mit einem Sensorkabel enthaltenden Detektionssystems für Tunnelbrände, dadurch gekennzeichnet, dass anhand von Parametern des Tunnels und des Sensorkabels sowie anhand eines Brandmodells die Brandentwicklung und die Alarmierungszeit berechnet und der Installationsort des Sensorkabels und die Alarmgrenzwerte des Detektionssystems so optimiert werden, dass ein möglicher Brand rasch und sicher detektiert wird.
    2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter des Tunnels Daten über die Tunnelabmessungen und die Windverhältnisse im Tunnel enthalten.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter des Sensorkabels durch die physikalischen Eigenschaften des Kabels, dessen Position und Verlegegeometrie und durch die Physik der Messtechnik bestimmt sind.
    4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Brandmodell aus Teilmodellen besteht, die aus theoretischen Berechnungen und praktischen Erfahrungen gewonnene Parametersätze enthalten.
    5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Brandmodell ein Teilmodell Brandentwicklung in der Reaktionszone und ein Teilmodell Verhalten der Brandgase in der Abkühlzone oberhalb der Reaktionszone enthält.
    6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass beim Teilmodell Brandentwicklung eine Berechnung der Reaktionsenthalpie, der Energiebilanz und des Auftriebs in der reaktionszone und der Brandentwicklung erfolgt.
    7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass beim Teilmodell Verhalten der Brandgase in der Abkühlzone eine Berechnung des Verhaltens des Stroms der heissen Brandgase aufgrund der Vermischung mit dem umgebenden Gas in einer turbulenten Grenzzone erfolgt.
    8. Einrichtung zur Konfiguration eines einen linearen Wärmesensor mit einem Sensorkabel enthaltenden Detektionssystems für Tunnelbrände, gekennzeichnet durch folgende Komponenten:
      a. Speichermittel für die Speicherung von Parametern des Tunnels und des Sensorkabels und von Parametersätzen eines Brandmodells;
      b. Rechnermittel für die Berechnung der Brandentwicklung und der sich daraus ergebenden Erwärmung des Sensorkabels anhand der gespeicherten Parameter und Parametersätze;
      c. Eingabemittel für die Eingabe von Daten und Parametern;
      d. Anzeigemittel für die Anzeige und/oder Ausgabe der für bestimmte Parameter resultierenden Alarmierungszeiten oder der für vorgegebene Alarmgrenzwerte und Alarmierungszeiten anzuwendenden Parameter des Tunnels und des Sensorkabels.
    9. Einrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen Laptop oder einen anderen transportablen Rechner mit einer Eingabetastatur, einem Bildschirm, einem Druckeranschluss und einem CD-ROM-Laufwerk, wobei die Parametersätze des Brandmodells und die Programme für die Berechnung der Brandentwicklung, der Erwärmung des Sensorkabels und der Alarmierungszeiten auf einer CD-ROM-gespeichert und die Parameter des Tunnels und des Sensorkabels mit der Eingabetastatur eingebbar sind.
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