15Dez2022 Innovationen & Produkte Vereinbarkeit von Sicherheit, Effizienz und Nachhaltigkeit bei der Gefahrstofflagerung im Labor

Für die sichere (und gesetzeskonforme) Lagerung von Gefahrstoffen zählt ein Gefahrstoffschrank als wichtige Sicherheitseinrichtung im Labor. Ganz besonders, wenn es um den Schutz vor den Auswirkungen gefährlicher Substanzen geht. Zudem gewährleistet nur die permanente Messung und Überwachung des abgesaugten Luftvolumenstroms eine sicherere und energieeffiziente Lagerung von Gefahrstoffen.

Die Einrichtung eines Laborraums ist sehr individuell und unterscheidet sich je nach Art und Aufgabenstellung des Labors. Mit Ausnahme eines Sicherheitsschranks zur Lagerung von Gefahrstoffen, denn er gehört zur Grundausstattung fast jedes Labors. Und das mit gutem Grund: Der feuerwiderstandsfähige Sicherheitsschrank bietet Schutz vor den Auswirkungen der gelagerten gefährlichen Substanzen, zum Beispiel bei entzündbaren Stoffen. Er ist damit für Mensch und Umwelt eine wichtige sicherheitstechnische Einrichtung im Labor.

 Vereinbarkeit von Sicherheit, Effizienz und Nachhaltigkeit bei der Gefahrstofflagerung im Labor

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Sicherheits-Assistenz-System (SAS) - Gefahrstoffschränke sicher und energieeffizient nutzen

Sicherheitsanforderungen an Gefahrstoffschränke

 asecos Sicherheitsschrank im Labor mit SAS

Das Grundprinzip in jedem Labor: Gefahrstoffe müssen so aufbewahrt werden, dass sie die Gesundheit und die Umwelt nicht gefährden. Dabei wird in Laboren mit den unterschiedlichsten Gefahrstoffen gearbeitet, die ganz verschiedene Eigenschaften und Gefährdungspotenziale aufweisen. Bereits kleinste Gefahrstoffmengen können gefährlich werden, wenn zum Beispiel 20 ml einer entzündbaren Flüssigkeit bis zu 200 Liter zündfähiges Dampf-Luftgemisch erzeugen.

Um das Entstehen explosionsfähiger Gemische im Schrankinnenraum zu verhindern, sollte der Sicherheitsschrank grundsätzlich mit einer technischen Lüftung ausgestattet sein (siehe DIN EN 14470-1/2). Nach TRGS 510 (Anlage 3, 2.2) ist unter bestimmten Umständen (Ersatzmaßnahmen) auch ein Betrieb ohne technische Lüftung möglich. Von dieser Möglichkeit wird in der Praxis in aller Regel jedoch nur außerhalb des Labors in industriellen Anwendungen Gebrauch gemacht.

Neben der Verhinderung explosionsfähiger Gemische, schützt der Anschluss an eine technische Lüftung die Gesundheit der Labormitarbeiter, da im Gefahrstoffschrank frei werdende gesundheitsschädliche Dämpfe erfasst und mit dem Abluftstrom abgeführt werden. Entsteht in einem Labor ein Brand, kommt eine weitere Sicherheitsanforderung an Gefahrstoffschränke zum Tragen: Den Labormitarbeitern muss genügend Zeit (zum Beispiel 90 Minuten bei einem Typ 90 Sicherheitsschrank) bleiben, den Laborraum zu verlassen. Und die Feuerwehrleute haben ebenfalls 1,5 Stunden Zeit in das Labor hineinzugelangen, bevor durch die gelagerten brennbaren Stoffe aus einem löschbaren ein unkontrollierter Brand wird.


 

Energiebedarf von Gefahrstoffschränken

Nach Vorgabe der Europäischen Norm DIN EN 14470-1 müssen die Öffnungen für den Lüftungsanschluss und für die in den Schrank nachströmende Zuluft so zueinander angeordnet sein, dass eine gleichmäßige Durchlüftung des gesamten Schrankinnenraums gewährleistet ist.

Bei geschlossenen Türen muss ein Luftwechsel stattfinden, der mindestens dem zehnfachen Leervolumen des Schrankinneren je Stunde entspricht. Aus diesem Mindestluftwechsel ergeben sich, je nach Größe und Innenvolumen des Schranks, unterschiedliche Mindest-Abluftvolumenströme. In der Praxis kommt jedoch häufig ein einheitlicher Volumenstromwert von V = 30 m³/h zur Anwendung, der unabhängig von der Schrankgröße ist. Insbesondere bei kleineren Schränken, zum Beispiel Sicherheitsunterbauten unter Laborabzügen, wird der erforderliche Mindest-Abluftvolumenstrom damit deutlich überschritten. Der Grund: Am Markt stehen kaum Volumenstromregler zur Verfügung, mit denen sich geringere Werte einstellen lassen.

Der Energiebedarf eines Gefahrstoffschranks steht im direkten Verhältnis zum abgeführten Abluftvolumenstrom. Er setzt sich aus der zur Erzeugung des Abluftvolumenstroms erforderlichen elektrischen Energie und der durch den Abluftvolumenstrom des Schranks aus dem Laborraum abgeführten Wärmeenergie zusammen. Zum Vergleich: Für Wohnräume definiert die DIN 1946-6 Raumlufttechnik (Lüftung von Wohnungen) Mindestwerte der Gesamt-Außenluftvolumenströme für Nutzungseinheiten. Danach beträgt der Mindestwert für die Nennlüftung 150 m³/h bei einem Einfamilienhaus mit einer durchschnittlichen Wohnfläche von 125 m². Daraus folgt, dass der Luftmengenbedarf von fünf Gefahrstoffschränken etwa dem eines modernen Einfamilienhauses entspricht.

 

Im Gegensatz zu Laborabzügen, bei denen der Abluftvolumenstrom meist bedarfsabhängig geregelt wird, werden Gefahrstoffschränke 24 Stunden am Tag, 7 Tage in der Woche, permanent entlüftet. Bei der Bemessung des Energieeinsatzes zum Betrieb eines Gefahrstoffschranks spielt die Auslegung und Ausführung der Lüftungsanlage (Leitungsnetz, Wirkungsgrad der Ventilatoren, Wärmerückgewinnung usw.) eine wesentliche Rolle. Da sich Lüftungsanlagen in der Praxis je nach Laborgebäude- und Anlagenkonzept unterscheiden, wird der Energiebedarf des Gefahrstoffschranks im Folgenden allein auf den Betrag des abgesaugten Abluftvolumenstroms bezogen, so dass sich die (unterschiedliche) Energieeffizienz der jeweiligen Lüftungsanlage in dieser Betrachtung nicht auswirkt.a

Nach der Energieeffizienz-Richtlinie 2012/27/EU [1] wird die Energieeffizienz allgemein als das Verhältnis von Output (hier Sicherheit) zur zugeführten Energie (hier Abluftvolumenstrom) definiert. Die Energieeffizienz des Gefahrstoffschranks kann damit ausgedrückt werden als das Verhältnis von Mindest-Abluftvolumenstrom zu tatsächlich abgesaugtem Abluftvolumenstrom.


 

Messung und Überwachung der Abluft

Stichprobenartige Untersuchungen in unterschiedlichen Laboren haben gezeigt, dass der zur Vermeidung einer explosionsfähigen Atmosphäre im Gefahrstoffschrank erforderliche Mindest-Abluftstrom häufig unterschritten wird oder sogar vollständig fehlt – was zu einem hohen Sicherheitsrisiko führt.

Etwa gleich häufig wurde jedoch auch eine Übererfüllung, des für den sicheren Betrieb erforderlichen Mindest-Abluftstroms festgestellt. Da der Energiebedarf zur Entlüftung des Gefahrstoffschranks im direkten Verhältnis zum abgeführten Abluftvolumenstrom steht, ist der aufgewendete Energieeinsatz in diesen Fällen unnötig hoch – und die Energieeffizienz gering.

Soll ein Gefahrstoffschrank mit der richtigen Abluftmenge – sicher und energieeffizient – betrieben werden, kommt der genauen Messung und korrekten Einstellung des Abluftstroms eine besondere Bedeutung zu. Strömungsmechanisch handelt es sich beim Gefahrstoffschrank und der angeschlossenen Lüftungsleitung um durchströmte Körper, so dass sich zur Bestimmung des Abluftvolumenstroms eine Messung der Geschwindigkeit der Innenströmung anbietet. Wird die in einem Strömungskanal gemessene Geschwindigkeit mit der Querschnittsfläche, an der sie gemessen wurde, multipliziert, lässt sich (theoretisch) der Volumenstrom berechnen. Um die Geschwindigkeit zu messen, werden meist Hitzdraht- oder Flügelrad-Anemometer verwendet. In der Praxis erweist sich diese Methode jedoch als ungenau bis ungeeignet. Dies liegt zum einen an der Geometrie des durchströmten Schrankinnenraums, der mit seinen Kantensprüngen und Umlenkungen für turbulente, wenig gerichtete Strömungsstrukturen sorgt und zum anderen an den für eine zuverlässige Messung nicht vorhandenen Beruhigungsstrecken in den Lüftungsleitungen. Darüber hinaus sind die Lüftungsleitungen des Gefahrstoffschranks für eine Messung oft schlecht oder gar nicht zugänglich, so dass im fertig installierten Labor in der Regel nur eine ungenaue, im besten Fall qualitative Bestimmung der Abluftvolumenströme möglich ist. Das heißt, in der Praxis ist oft nicht bekannt, ob Mindest-Abluftvolumenströme eingehalten oder umgekehrt zu hohe Abluftvolumenströme abgesaugt werden.

Zur Lösung dieses Problems wurde eine neuartige Mess- und Überwachungseinrichtung, das Sicherheits-Assistenz-System SAS für Gefahrstoffschänke entwickelt. Die genaue und permanente Ermittlung des Abluftvolumenstroms erfolgt dabei mit Hilfe einer in den Abluftanschluss integrierten Messeinrichtung und eines Differenzdruck-Sensors, der Bestandteil einer Auswerteelektronik ist, die auf dem Oberteil oder an der Rückwand des Gefahrstoffschranks angeordnet ist. Die Anzeige des – sicheren oder unsicheren – Betriebszustands erfolgt durch eine verschiedenfarbige LED-Leuchte an der Front des Sicherheitsschranks.

Da nicht (vollständig) geschlossene Türen oder Auszüge neben einem zu geringen Abluftvolumenstrom im Betrieb des Gefahrstoffschranks ebenfalls einen unsicheren Zustand darstellen, wird außerdem die Schließposition der Türen oder Auszüge mit Hilfe berührungsloser Kontakte erfasst und durch eine gelbe Warnleuchte angezeigt.


 

Vorteile für Nutzer und Betreiber

 Sicherheits-Assistenz-System von asecos

Die Vorteile für den Nutzer liegen auf der Hand: Die Labormitarbeiter können sich zu jedem Zeitpunkt darauf verlassen, dass von den im Gefahrstoffschrank gelagerten Stoffen keine Explosions- oder Gesundheitsgefahr durch schädliche Dämpfe ausgehen. Bei Abweichungen oder Störungen der Lüftungsanlage erfolgt unmittelbar eine Alarmierung direkt am betroffenen Gefahrstoffschrank. So können gezielte Maßnahmen zur Abhilfe veranlasst werden.

Betreiber können über einen externen Messanschluss, der Bestandteil des Systems ist, sowie einer Schrankmodell-spezifischen Volumenstrom-Kennlinie mit Hilfe eines einfachen, handelsüblichen Druckmessgeräts den Abluftvolumenstrom genau ermitteln. Dies gilt sowohl für die Erstinbetriebnahme als auch für die vorgeschriebene regelmäßige Überprüfung von Gefahrstoffschränken.

Durch die genaue Messung und permanente Überwachung des Abluftstroms ermöglicht das Sicherheits-Assistenz-System es – anders als in der Vergangenheit – Gefahrstoffschränke sicher und mit hoher Energieeffizienz zu betreiben: Ein Beitrag zur Schonung der Ressourcen und Nachhaltigkeit bei der Gefahrstofflagerung im Labor.

FAZIT

Die baulichen Gegebenheiten in einem installierten Labor ermöglichen in der Regel nur eine ungenaue, qualitative Bestimmung der Abluftvolumenströme von Gefahrstoffschränken. In der Praxis ist oft nicht bekannt, ob der Mindestluftwechsel für den sicheren Betrieb eingehalten oder umgekehrt mit niedriger Energieeffizienz ein zu hoher Abluftvolumenstrom abgesaugt wird. Für mehr Sicherheit, Energieeffizienz und Nachhaltigkeit bei der Gefahrstofflagerung im Labor wurde eine neuartige Mess- und Überwachungseinrichtung für Gefahrstoffschränke entwickelt, das Sicherheits-Assistenz-System SAS.

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