10. Mai 2022

Brennbare Kältemittel – Gefährdungsbeurteilung in der Praxis

Die F-Gas-Verordnung der Europäischen Union forciert aus Umweltschutzgründen den Trend zum Einsatz natürlicher Kältemittel: Eine hochinteressante Alternative ist dabei Propan (R290). Durch seine Eigenschaften kann dieses Gas beispielsweise das derzeit dominierende Kältemittel R410A in Wärmepumpen und Kaltwassersätzen zumindest teilweise substituieren und so Treibhausgasemissionen reduzieren. Propan weist ein Global Warming Potential (GWP) von nur 3 auf, R410A hingegen ein GWP von 2088. Allerdings hat Propan den Nachteil der Brennbarkeit. Mit einem dezidierten Sicherheitskonzept ist dieses Risiko jedoch leicht beherrschbar.

Um Wärmepumpen beziehungsweise Kaltwassersätze mit dem Kältemittel Propan sicher zu betreiben, sind drei Faktoren entscheidend:

• Sicherungsvorkehrungen der Anlagentechnik,
• Sicherheitsvorkehrungen für den Aufstellort der Anlage analog einer Gefährdungsbeurteilung und
• Wartung und Instandhaltung durch geschultes Personal.

Diese drei Punkte fallen zwar juristisch in unterschiedliche Verantwortungsbereiche, erfordern jedoch das Zusammenwirken aller Beteiligten – nämlich von Anlagenhersteller und Fachplaner sowie Anlagenbauer und -betreiber. Für die Anlagensicherheit haben die Hersteller bereits wirksame Konzepte entwickelt. Ein Beispiel ist ein patentiertes Entlüftungssystem der luftgekühlten Anlage
„SYSAQUA BLUE“ von Systemair. Als Kaltwassersatz liefert die Anlage 31,7 kW Kälteleistung, als Wärmepumpe 35,4 kW Heizleistung. Die Anlage benötigt hierfür lediglich 2,8 kg Propan (R290 – siehe Kasten „Patentierte Anlagensicherheit“).

Drei Kernpunkte der Gefährdungsbeurteilung
Für den Aufstellort einer solchen Kälteanlage ist gemäß Arbeitsschutzgesetz (§ 5, ArbSchG) eine Gefährdungsbeurteilung zu erstellen. Einzelheiten dazu finden sich in der Betriebssicherheitsverordnung (§ 3, BetrSichV) sowie in der Gefahrstoffverordnung (§ 6, GefStoffV). Bei dem Einsatz des brennbaren Kältemittel Propan gehört außerdem die Erstellung eines Explosionsschutzdokuments dazu. Praktische Hinweise dazu hat die Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung e. V. (DGUV) veröffentlicht [1].
Zu den Informationen, die für die Gefährdungsbeurteilung zu berücksichtigen sind, gehören die entsprechenden Normen, technische Regeln und Herstellerhinweise. Viele Hersteller empfehlen zum Beispiel für Anlagen mit dem Kältemittel Propan die Aufstellung im Freien, andere schreiben sie sogar vor. In der Gefährdungsbeurteilung müssen im Wesentlichen drei Punkte untersucht und die daraus resultierenden Risiken durch geeignete Schutzmaßnahmen ausgeschlossen werden:

1. Bei einer Leckage darf sich das brennbare Propan nicht außerhalb der Anlage sammeln oder in andere Gebäudeteile übertreten,
2. potenzielle Zündquellen in der Umgebung der Anlage sind zu vermeiden oder gegen Wirksamkeit zu schützen, und
3. um die Kälteanlage sind Sicherheitszonen zu definieren.

1. Gasansammlungen ausschließen
Da Propan schwerer ist als Luft, kann es sich bei einem Austritt im Schadensfall an Mauern stauen, in Senken sammeln oder bei der Dachaufstellung durch Gebäudeöffnungen in untere Gebäudeteile gelangen. Das Risiko ist, dass so ein entzündliches Gemisch entsteht.

Als Schutzmaßnahme sollten Wärmepumpen und Kälteanlagen mit Propan in einem Abstand von mindestens 2 m zu Mauern aufgestellt werden. Dieser Abstand ist bei einer Anlagenkaskade auch zu weiteren Maschinen einzuhalten. Empfehlenswert ist außerdem, die Anlage nicht im Windschatten aufzustellen und nicht zu überdachen. So verdünnt sich im Leckagefall austretendes Propan durch natürliche Ventilation schneller in der Umgebungsluft.
Bei einer Dachaufstellung sind darüber hinaus Mindestabstände zu Treppenaufgängen, Dachfenstern, Dachabläufen und Fallrohren einzuhalten. Zu empfehlen sind 5 m. Ist dieser Abstand bei der Anlageninstallation auf Bestandsgebäuden nicht gegeben, sind bauliche Anpassungen erforderlich – beispielsweise ein zu öffnendes Dachfenster mit einem Gassensor und Antrieb auszurüsten, einen Dachabfluss zu verschließen oder ein Fallrohr zu verlegen.
Weitere Einzelheiten zur Aufstellung von Kälteanlagen und Wärmepumpen unter dem Gesichtspunkt „Sicherheit“ enthält die DIN EN 378-3 [2].

2. Zündquellen vermeiden
Im Rahmen der Gefährdungsbeurteilung sind Zündquellen in unmittelbarer Nähe zur Anlage auszuschließen oder gegen ihre Wirksamkeit zu schützen. Propan entzündet sich zwar erst bei 470 °C selbst. Zum Vergleich: Die Selbstentzündungstemperatur von Dieselkraftstoff liegt bei 255 °C. Sollte bei einer Leckage trotz der zuvor genannten Vorkehrungen ein brennbares Gemisch entstehen, sind insbesondere Lichtbögen, ausgehend von der Elektroinstallation, eine hoch gefährliche Zündquelle.
Als Schutzmaßnahme ist die Kälteanlage gegen entstehende Potenzialdifferenzen als mögliche Zündquelle und gegen Blitzeinschlag zu erden. Andere elektrisch betriebene Anlagen innerhalb einer zu definierenden Sicherheitszone sind explosionsgeschützt konform der ATEX-Richtlinie [3] auszuführen. Innerhalb dieses Bereichs sind ebenso Quellen für mechanisch erzeugten Funkenschlag sowie sonstige Wärmequellen zu vermeiden. Dazu können Abgassysteme zählen
oder Oberflächen, die sich durch Sonneneinstrahlung stark erwärmen, beispielsweise Einhausungen aus Aluminium-Paneelen.Zusätzliche Informationen zu potenziell gefährlichen Zündquellen enthalten die TRGS 723 [4] und die DIN EN 1127-1 [5].

3. Sicherheitszonen definieren
Aufgrund der Brennbarkeit von Propan ist als Konsequenz der Gefährdungsbeurteilung in jedem Fall der Aufstellort der Anlage in Sicherheitszonen einzuteilen. Die Kategorien sind der Gefahrstoffverordnung zu entnehmen (Anhang I, Abs. 1.7, GefStoffV). Für explosionsfähige Gas-Luft-Gemische gilt folgende Kategorisierung:

• Zone 0: ständig oder über lange Zeiträume explosionsgefährdeter Bereich,
• Zone 1: im Normalbetrieb kann gelegentlich ein gefährliches, explosions-
• fähiges Gas-Luft-Gemisch entstehen, und
• Zone 2: im Normalbetrieb entsteht in der Regel kein explosionsfähiges Gas-Luft-Gemisch und wenn doch, dann nur selten und für kurze Zeit.

Abhängig von der Anlagentechnik und den Installationsbedingungen könnte es also notwendig sein, im näheren Umkreis der Kälteanlage eine Sicherheitszone der Kategorie 1 oder 2 festzulegen. Üblicherweise werden die Zeitbegriffe der
GefStoffV zur Definition der Zone 2 so interpretiert, dass hier potenziell 30 Minuten pro Jahr ein explosionsfähiges Gas-Luft-Gemisch entstehen könnte. Ist es unter diesem Gesichtspunkt erforderlich eine Sicherheitszone einzurichten, darf der Zutritt nur berechtigten Personen möglich sein – beispielsweise durch die Sicherung des Bereichs mit einer ab-
schließbaren Umzäunung. Darüber hinaus sind entsprechende Warnhinweise anzubringen. Dient der Umgebungsbereich gelegentlich als Verkehrsfläche, ist die Anlage mit einem Prallschutz zu sichern.
Weitere Hinweise zur Gestaltung von Sicherheitszonen sind der DIN EN 60079-10-1 zu entnehmen [6].

Qualifizierung des Personals
Kälteanlagen sind regelmäßig gemäß den Herstellerangaben zu warten. Wenn möglich, sollte damit das Unternehmen beauftragt werden, das die Kälteanlage installiert hat. Es ist davon auszugehen, dass diese Monteure über die entsprechende Qualifikation für den Umgang mit dem Kältemittel Propan verfügen. Gemäß ISO 817 ist Propan in die Klasse A (leicht toxisch) und 3 (hoch entflammbar) eingestuft. Anforderungen an sachkundige Personen sind in der DIN EN 378-4 definiert [7]. Zusätzliche Hinweise enthält die DIN EN ISO 22712 [8]. Die letztgenannte Norm liegt zwar nur als Entwurf vor, stellt aber bereits eine wertvolle Arbeitshilfe da. Denn die DIN EN ISO 22712 ist eine vollständige Überarbeitung der noch gültigen DIN EN 13313 aus dem Jahr 2011 und somit deutlich näher am derzeitigen Stand der Technik.
Hat der Anlagenbetreiber die regelmäßige Wartung in kompetente Hände gegeben, ist ein wichtiger Teil der Sicherungsmaßnahmen erfüllt. Bestandteil dieser Arbeiten sollte aber auch sein, die Gefährdungsbeurteilung und das Explosionsschutzdokument regelmäßig auf Aktualität zu überprüfen. Denn im Laufe der Zeit können im und am Gebäude bauliche Veränderungen vorgenommen werden, die eine Anpassung der Sicherungen erfordern.
Zu den Betreiberpflichten gemäß Gefährdungsbeurteilung sind außerdem organisatorische Schutzmaßnahmen zu ergreifen. Dazu zählt die Unterweisung der Beschäftigten, eventuell auch von Fremdpersonal wie Reinigungskräften.
Einzelheiten für die Unterrichtung und Unterweisung der Beschäftigten beschreibt die Gefahrstoffverordnung (§ 14, GefStoffV).

Fazit
Der Einsatz des natürlichen Kältemittels Propan in Wärmepumpen und Kälteanlagen ist in puncto Sicherheit unproblematisch. Im Wesentlichen ist der gefahrlose Betrieb vom Sicherheitskonzept der Anlage abhängig. Die Sicherheitsstandards des Anlagenherstellers sind von Betreiberseite durch eine Gefährdungsbeurteilung zu ergänzen. Hierbei sind die Anlagenplaner zunehmend als Berater gefragt. Die aus der Gefährdungsbeurteilung resultierenden Maßnahmen stellen überwiegend organisatorische Maßnahmen dar. Sollten darüber hinaus bauliche Maßnahmen erforderlich sein, sind sie jedoch anders als bei vielen weiteren Brandschutzanforderungen keine Kostentreiber.

Literatur:
[1] DGUV Information 213-106, Explosionsschutzdokument; Herausgeber: Deutsche Gesetzliche  Unfallversicherung e.V. (DGUV), Berlin
[2] DIN EN 378-3:2020-12 Kälteanlagen und Wärmepumpen – Sicherheitstechnische und umweltrelevante Anforderungen – Teil 3: Aufstellungsort und Schutz von Personen
[3] ATEX-Richtlinie 2014/34/EU
[4] Technische Regeln für Gefahrstoffe TRGS 723; Gefährliche explosionsfähige Gemische – Vermeidung der Entzündung gefährlicher explosionsfähiger Gemische; Herausgeber: Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin, Dortmund
[5] DIN EN 1127-1:2019-10; Explosionsfähige Atmosphären – Explosionsschutz – Teil 1: Grundlagen und Methodik
[6] DIN EN 60079-10-1:2016-10; VDE 0165-101:
2016-10; Explosionsgefährdete Bereiche –
Teil 10-1: Einteilung der Bereiche – Gasexplosionsgefährdete Bereiche (IEC 60079-10-1:2015 + COR1:2015); Deutsche Fassung EN 60079-10-1:2015
[7] DIN EN 378-4:2019-12 Kälteanlagen und Wärmepumpen – Sicherheitstechnische und umweltrelevante Anforderungen – Teil 4: Betrieb, Instandhaltung, Instandsetzung und Rückgewinnung
[8] DIN EN ISO 22712:2018-09 – Entwurf; Kälteanlagen und Wärmepumpen – Sachkunde von Personal

Autor: Silas Jäger, Produktmanager Kältesysteme bei Systemair GmbH

Bilder: Systemair
www.systemair.de
www.baua.de

Patentierte Anlagensicherheit: „SYSAQUA BLUE“ von Systemair
Zum Sicherheitskonzept der Anlage mit dem natürlichen Kältemittel R290 (Propan) gehört der ATEX-zertifizierte Scrollverdichter. Sollte an einer damit ausgestatteten Anlage eine Leckage auftreten, zum Beispiel durch eine Havarie, detektiert ein Gassensor den Austritt mit einer Empfindlichkeit von 20 Prozent LFL 8 g/m³ (LFL = untere Explosionsgrenze). Sobald ein Gasaustritt erkannt wird, stoppt der Anlagenbetrieb. Zeitgleich saugt ein Ex-geschützter Ventilator frische Außenluft an. Der im Anlagengehäuse erzeugte Überdruck spült das Gas an definierter Stelle aus und verdünnt es dabei. Spricht der Gassensor an, wird darüber hinaus ein potenzialfreier Kontakt geschaltet, der einen Alarm in der Gebäudeleittechnik (GLT) auslöst. Mit der Software „AC CLOUD“ von Systemair können „SYSAQUA BLUE“-Geräte aber auch unabhängig von einer GLT an allen Standorten überwacht und ferngesteuert werden. Das ist einfach umzusetzen und entsprechend kostengünstig.
Patentiert ist die Überwachung der Betriebsbereitschaft des Gasentlüftungs-
systems. Einmal am Tag wird die Gasentlüftung gestartet und durch eine Differenzdruckmessung auf Funktion überprüft. Ist der Differenzdruck < 1 mbar, geht die Anlage auf Störung.
Vorteilhaft für den Platzbedarf einer eventuell notwendigen Sicherheitszone ist zudem die kompakte Bauweise der „SYSAQUA BLUE“ von nur einem Quadratmeter (ohne Puffertank).
Durch die Kaskadierung von bis zu sechs Anlagen lässt sich eine Leistung von 210 kW erreichen – und das ökologisch und ökonomisch mit dem natürlichen und günstigen Kältemittel Propan.