Funktion, Vorschriften und Zertifizierungen
Rauchmelder-Technologie für Gebäude
Smarte Gebäudetechnologie entwickelt sich ständig weiter und verwandelt statische Gebäude in lebendige, effiziente Einheiten: Eben intelligente Gebäude. Diese Entwicklung erfordert Technologien zur Senkung der Betriebs- und Wartungskosten. Der Trend zu umweltfreundlicheren Gebäuden und einem geringeren CO2-Fußabdruck erfordert zusätzliche Methoden der Gebäudeüberwachung. Einige dieser Lösungen sollen den Komfort und die Produktivität der Bewohner oder Nutzer verbessern. Gebäude erfordern jedoch auch Lösungen und Überwachungsfunktionen für die Sicherheit, die durch immer strengere Vorschriften vorangetrieben werden.
Bild: Analog Devices, Inc.

Eine der größten Herausforderungen in punkto Sicherheit ist die Rauchdetektion, denn sie dient direkt dem Schutz von Menschenleben. Der Markt für Lösungen zur Rauchdetektion hat sich aufgrund einiger Faktoren erneuert:

  • Industriegebäude werden immer größer: Die Internationale Energieagentur (IEA) prognostiziert ein weltweites Wachstum der Gebäudegrundfläche von etwa 3% pro Jahr. Dies wird durch die zunehmende Verstädterung und den verbesserten Zugang zu Energie in den Entwicklungsländern vorangetrieben.
  • Die zunehmende Verwendung von Kunststoffen in Gebäuden.

Deshalb sind Vorschriften zur Rauchdetektion von entscheidender Bedeutung. Die Herausforderung besteht darin, Fehlalarme zu vermeiden, denn unnötige Evakuierungen können Ausfallzeiten und Panik verursachen. Küchen, in denen Wasserdampf oder Küchendämpfe entstehen, könnten Fehlalarme genau an den Stellen auslösen, an denen Rauchmelder nicht wegen nerviger Fehlalarme deaktiviert werden sollten. In einem echten Notfall bleibt jetzt weniger Zeit, um solche Gebäude zu evakuieren, da durch schwelende Kunststoffe schnell tödliche Dämpfe entstehen können. Aktuelle Brandschutzvorschriften fordern, dass es so gut wie keine Fehlalarme und eine immer kürzere Alarmierungszeit bei echten Brandereignissen geben soll. Es gibt zwei vorherrschende Rauchdetektionstechnologien, die in Rauchmeldesystemen verwendet werden:

  • Ionisierungssysteme: Diese enthalten eine geringe Menge radioaktiven Materials zwischen zwei elektrisch geladenen Platten. Dadurch wird die Luft ionisiert und es fließt ein elektrischer Strom. Wenn Rauch in die Kammer eindringt, reduziert er den Stromfluss und löst Alarm aus. Einige europäische Länder und US-Bundesstaaten haben den Einsatz von Ionisationsdetektoren verboten, weil sie Brände im Frühstadium nicht zuverlässig erkennen.
  • Photoelektrische Rauchmelder: Diese nutzen Licht zur Branderkennung. Im Rauchmelder befindet sich eine Kammer mit einer LED und einem Photodetektor. Wenn Rauch vorhanden ist, lenkt er das LED-Licht in den Photodetektor um. Sobald das Licht auf den Sensor trifft, wird Alarm ausgelöst.
Bild: Analog Devices, Inc.

​Globale Standards

Es gibt im Wesentlichen fünf globale Hauptstandards mit jeweils unterschiedlichen Zertifizierungsanforderungen. Rauchmeldesysteme müssen als Endprodukt vollständig getestet werden, aber es gibt auch Tests, die zuvor auf der Subsystemebene der Rauchmeldetechnik stattfinden können. Diese sind zwar kein Ersatz für die vollständige Zertifizierung, können aber Anhaltspunkte dafür liefern, dass bei der kostspieligen Zertifizierung des Endsystems keine unangenehmen Überraschungen zu erwarten sind.

​USA und Kanada

  • ​UL 268: ‚Detectors for Fire Alarm Systems‘
  • ​UL 217: ‚Smoke Alarms‘

Diese Standards enthalten Regelungen bezüglich brennendem und schwelendem Polyurethan und Fehlalarmen in Küchen (‚Hamburger-Test‘).

​Europa

  • EN 14604: ‚Smoke Alarm Devices‘ (2006)
  • BS EN 54: ‚Fire detection und fire alarm systems‘ (2015)
    • ​Part 29: ‚Multisensor Fire Detectors – Point detectors using a combination of smoke und heat sensors‘ (punktförmige Rauchmelder mit einer Kombination von Rauchdetektoren und Wärmesensoren)

​International

  • ISO7240: ‚Fire Detection und Alarm Systems‘ (2018)
    • Part 7: ‚Point-type smoke detectors using scattered light, transmitted light, or ionization‘ (Punkförmige Rauchmelder nach dem Streulicht-, Durchlicht- oder Ionisationsprinzip)
  • Der chinesische Standard für punktförmige Rauchmelder orientiert sich an der 2003er Auflage dieses Standards.

UL 268 und UL 217 decken die US-amerikanischen und kanadischen Vorschriften ab. Sie fordern im Wesentlichen Technologien (und Algorithmen) zur Unterscheidung zwischen einer bestimmten Rauchkonzentration aus einem brennenden Polyurethanschaumpolster und einer bestimmten Rauchkonzentration aus brennenden Hamburgern. Anmerkung: Die kanadischen Vorschriften erfordern einen anderen Aufbau der Rauchprüfkammer. Die anderen drei Normen sind: EN 14604, eine europäische Norm, die 2006 veröffentlicht wurde; BS EN 54, die britische Interpretation der 2015 veröffentlichten europäischen Norm EN 54 (Teil 29 dieser Norm bezieht sich auf Rauchdetektion); und ISO7240, eine internationale Norm, die 2018 veröffentlicht wurde (Teil 7 dieser Norm ist für Rauch relevant). Die aktuelle chinesische Norm für punktförmige Rauchmelder folgt der 2003er Version der ISO7240.

​Es gibt kein Patentrezept

UL 217 und UL 268 sind derzeit die beiden strengsten Normen – wenn sie eingehalten werden, ist das ein Indiz für internationale Konformität, aber kein Ersatz für Tests nach den regionalen Normen. Zur Gewährleistung der Konformität mit den regionalen Normen bleibt es Herstellern nicht erspart, sich die lokalen Testanforderungen und -verfahren genau anzuschauen. Sogar auf Länderebene werden die Normen tendenziell in Zukunft noch strenger. Der Einsatz UL-gelisteter Bauteile oder Subsysteme kann Herstellern von Rauchmeldern einige Sorgen abnehmen. Das UL-Listing bedeutet, dass UL die Bauteile oder Materialien geprüft hat, die für die Verwendung in einem Endprodukt oder System vorgesehen sind. Diese Bauteile sind ausschließlich für Endprodukte vorgesehen, die für eine UL-Zertifizierung in Frage kommen. Das Rauchdetektor-Modul ADPD188BI plus Rauchkammer ist beispielsweise entsprechend zertifiziert. Der nach UL-217 (8. Auflage) zertifizierte Algorithmus hat die in der Norm beschriebenen Rauch-/Brandtests bestanden. Das Rauchdetektor-Modul vereint in einem 3,8 × 5,0 × 0,9mm großen Gehäuse mehrere LEDs, eine Photodiode und ein Analog-Front-End (AFE).

​Fazit und Ausblick

Änderungen in der Gesetzgebung haben den Trend zu kleineren, zuverlässigeren Rauchmeldesystemen vorangetrieben. Zusätzlich zu den regulatorischen Änderungen fordern die Kunden ein gefälligeres Aussehen von Rauchmeldern. Außerdem sollen die Geräte ein breiteres Spektrum schwieriger Einsatzszenarien abdecken. Um diese Anforderungen zu erfüllen, braucht es kompaktere Lösungen mit geringerem Stromverbrauch. Systeme, die mit Zwei-Wellenlängen-Detektion arbeiten, können – wie von den neuen Testvorschriften gefordert – Fehlalarme reduzieren. Systeme mit höherem Signal/Rauschabstand und großem Dynamikbereich helfen hier ebenso wie bei der besseren Identifizierung des Rauchtyps. Die optische Technologie ermöglicht einen großen Dynamikbereich und trägt dazu bei, die Zuverlässigkeit zu verbessern, die Abmessungen zu verkleinern und/oder den Stromverbrauch zu reduzieren. Da es keine Fehlalarme mehr durch Wasserdampf oder Küchendämpfe gibt, können Rauchmelder nun vermehrt in Bereichen wie Küchen und Badezimmern eingebaut werden. Die größere Anzahl der in einem Gebäude verbauten Melder ermöglicht größere vernetzte Systeme. Ein geringerer Stromverbrauch führt zu einer längeren Lebensdauer batteriebetriebener Melder oder erlaubt mehr Melder im Hauptkreis. Auf der Systemebene eines drahtlosen Netzwerks ist zu beachten, dass die geforderten kürzeren Alarmierungszeiten ein Netzwerk mit geringer Latenz voraussetzen. Wegen des lebensrettenden Aspekts der Rauchdetektion wird das physische System weiterhin als eigenständige Einheit bestehen werden. In Zukunft könnte es jedoch auch notwendig werden, die Rauchdetektion in andere Gebäudeleitsysteme zu integrieren, z.B. in Evakuierungs- oder Notbeleuchtungssysteme, bei denen ein kleinerer Formfaktor immer wichtiger wird.

Vorteile des Rauchdetektormoduls ADPD188BI

– Geringere Bauteilanzahl

– Erfüllt neue und bestehende Vorschriften für den Lebensschutz; dazu tragen ein hoher Signal/Rauschabstand (SNR) und ein großer Dynamikbereich für die Messung schwacher Signale bei

– Weniger Fehlalarme dank Zwei-Wellenlängen-Raucherkennung und großem Dynamikbereich

– Geringer Stromverbrauch

– Kompakte Abmessungen

– Kein LED-Lieferkettenmanagement erforderlich

– Kompatibel mit Standard-SMT-Fertigungsprozessen

Autorin | Grainne Murphy, Marketing-Managerin, Analog Devices

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Bild: Analog Devices, Inc.

Eine der größten Herausforderungen in punkto Sicherheit ist die Rauchdetektion, denn sie dient direkt dem Schutz von Menschenleben. Der Markt für Lösungen zur Rauchdetektion hat sich aufgrund einiger Faktoren erneuert:

  • Industriegebäude werden immer größer: Die Internationale Energieagentur (IEA) prognostiziert ein weltweites Wachstum der Gebäudegrundfläche von etwa 3% pro Jahr. Dies wird durch die zunehmende Verstädterung und den verbesserten Zugang zu Energie in den Entwicklungsländern vorangetrieben.
  • Die zunehmende Verwendung von Kunststoffen in Gebäuden.

Deshalb sind Vorschriften zur Rauchdetektion von entscheidender Bedeutung. Die Herausforderung besteht darin, Fehlalarme zu vermeiden, denn unnötige Evakuierungen können Ausfallzeiten und Panik verursachen. Küchen, in denen Wasserdampf oder Küchendämpfe entstehen, könnten Fehlalarme genau an den Stellen auslösen, an denen Rauchmelder nicht wegen nerviger Fehlalarme deaktiviert werden sollten. In einem echten Notfall bleibt jetzt weniger Zeit, um solche Gebäude zu evakuieren, da durch schwelende Kunststoffe schnell tödliche Dämpfe entstehen können. Aktuelle Brandschutzvorschriften fordern, dass es so gut wie keine Fehlalarme und eine immer kürzere Alarmierungszeit bei echten Brandereignissen geben soll. Es gibt zwei vorherrschende Rauchdetektionstechnologien, die in Rauchmeldesystemen verwendet werden:

  • Ionisierungssysteme: Diese enthalten eine geringe Menge radioaktiven Materials zwischen zwei elektrisch geladenen Platten. Dadurch wird die Luft ionisiert und es fließt ein elektrischer Strom. Wenn Rauch in die Kammer eindringt, reduziert er den Stromfluss und löst Alarm aus. Einige europäische Länder und US-Bundesstaaten haben den Einsatz von Ionisationsdetektoren verboten, weil sie Brände im Frühstadium nicht zuverlässig erkennen.
  • Photoelektrische Rauchmelder: Diese nutzen Licht zur Branderkennung. Im Rauchmelder befindet sich eine Kammer mit einer LED und einem Photodetektor. Wenn Rauch vorhanden ist, lenkt er das LED-Licht in den Photodetektor um. Sobald das Licht auf den Sensor trifft, wird Alarm ausgelöst.
Bild: Analog Devices, Inc.

​Globale Standards

Es gibt im Wesentlichen fünf globale Hauptstandards mit jeweils unterschiedlichen Zertifizierungsanforderungen. Rauchmeldesysteme müssen als Endprodukt vollständig getestet werden, aber es gibt auch Tests, die zuvor auf der Subsystemebene der Rauchmeldetechnik stattfinden können. Diese sind zwar kein Ersatz für die vollständige Zertifizierung, können aber Anhaltspunkte dafür liefern, dass bei der kostspieligen Zertifizierung des Endsystems keine unangenehmen Überraschungen zu erwarten sind.

​USA und Kanada

  • ​UL 268: ‚Detectors for Fire Alarm Systems‘
  • ​UL 217: ‚Smoke Alarms‘

Diese Standards enthalten Regelungen bezüglich brennendem und schwelendem Polyurethan und Fehlalarmen in Küchen (‚Hamburger-Test‘).

​Europa

  • EN 14604: ‚Smoke Alarm Devices‘ (2006)
  • BS EN 54: ‚Fire detection und fire alarm systems‘ (2015)
    • ​Part 29: ‚Multisensor Fire Detectors – Point detectors using a combination of smoke und heat sensors‘ (punktförmige Rauchmelder mit einer Kombination von Rauchdetektoren und Wärmesensoren)

​International

  • ISO7240: ‚Fire Detection und Alarm Systems‘ (2018)
    • Part 7: ‚Point-type smoke detectors using scattered light, transmitted light, or ionization‘ (Punkförmige Rauchmelder nach dem Streulicht-, Durchlicht- oder Ionisationsprinzip)
  • Der chinesische Standard für punktförmige Rauchmelder orientiert sich an der 2003er Auflage dieses Standards.

UL 268 und UL 217 decken die US-amerikanischen und kanadischen Vorschriften ab. Sie fordern im Wesentlichen Technologien (und Algorithmen) zur Unterscheidung zwischen einer bestimmten Rauchkonzentration aus einem brennenden Polyurethanschaumpolster und einer bestimmten Rauchkonzentration aus brennenden Hamburgern. Anmerkung: Die kanadischen Vorschriften erfordern einen anderen Aufbau der Rauchprüfkammer. Die anderen drei Normen sind: EN 14604, eine europäische Norm, die 2006 veröffentlicht wurde; BS EN 54, die britische Interpretation der 2015 veröffentlichten europäischen Norm EN 54 (Teil 29 dieser Norm bezieht sich auf Rauchdetektion); und ISO7240, eine internationale Norm, die 2018 veröffentlicht wurde (Teil 7 dieser Norm ist für Rauch relevant). Die aktuelle chinesische Norm für punktförmige Rauchmelder folgt der 2003er Version der ISO7240.

​Es gibt kein Patentrezept

UL 217 und UL 268 sind derzeit die beiden strengsten Normen – wenn sie eingehalten werden, ist das ein Indiz für internationale Konformität, aber kein Ersatz für Tests nach den regionalen Normen. Zur Gewährleistung der Konformität mit den regionalen Normen bleibt es Herstellern nicht erspart, sich die lokalen Testanforderungen und -verfahren genau anzuschauen. Sogar auf Länderebene werden die Normen tendenziell in Zukunft noch strenger. Der Einsatz UL-gelisteter Bauteile oder Subsysteme kann Herstellern von Rauchmeldern einige Sorgen abnehmen. Das UL-Listing bedeutet, dass UL die Bauteile oder Materialien geprüft hat, die für die Verwendung in einem Endprodukt oder System vorgesehen sind. Diese Bauteile sind ausschließlich für Endprodukte vorgesehen, die für eine UL-Zertifizierung in Frage kommen. Das Rauchdetektor-Modul ADPD188BI plus Rauchkammer ist beispielsweise entsprechend zertifiziert. Der nach UL-217 (8. Auflage) zertifizierte Algorithmus hat die in der Norm beschriebenen Rauch-/Brandtests bestanden. Das Rauchdetektor-Modul vereint in einem 3,8 × 5,0 × 0,9mm großen Gehäuse mehrere LEDs, eine Photodiode und ein Analog-Front-End (AFE).

​Fazit und Ausblick

Änderungen in der Gesetzgebung haben den Trend zu kleineren, zuverlässigeren Rauchmeldesystemen vorangetrieben. Zusätzlich zu den regulatorischen Änderungen fordern die Kunden ein gefälligeres Aussehen von Rauchmeldern. Außerdem sollen die Geräte ein breiteres Spektrum schwieriger Einsatzszenarien abdecken. Um diese Anforderungen zu erfüllen, braucht es kompaktere Lösungen mit geringerem Stromverbrauch. Systeme, die mit Zwei-Wellenlängen-Detektion arbeiten, können – wie von den neuen Testvorschriften gefordert – Fehlalarme reduzieren. Systeme mit höherem Signal/Rauschabstand und großem Dynamikbereich helfen hier ebenso wie bei der besseren Identifizierung des Rauchtyps. Die optische Technologie ermöglicht einen großen Dynamikbereich und trägt dazu bei, die Zuverlässigkeit zu verbessern, die Abmessungen zu verkleinern und/oder den Stromverbrauch zu reduzieren. Da es keine Fehlalarme mehr durch Wasserdampf oder Küchendämpfe gibt, können Rauchmelder nun vermehrt in Bereichen wie Küchen und Badezimmern eingebaut werden. Die größere Anzahl der in einem Gebäude verbauten Melder ermöglicht größere vernetzte Systeme. Ein geringerer Stromverbrauch führt zu einer längeren Lebensdauer batteriebetriebener Melder oder erlaubt mehr Melder im Hauptkreis. Auf der Systemebene eines drahtlosen Netzwerks ist zu beachten, dass die geforderten kürzeren Alarmierungszeiten ein Netzwerk mit geringer Latenz voraussetzen. Wegen des lebensrettenden Aspekts der Rauchdetektion wird das physische System weiterhin als eigenständige Einheit bestehen werden. In Zukunft könnte es jedoch auch notwendig werden, die Rauchdetektion in andere Gebäudeleitsysteme zu integrieren, z.B. in Evakuierungs- oder Notbeleuchtungssysteme, bei denen ein kleinerer Formfaktor immer wichtiger wird.

Vorteile des Rauchdetektormoduls ADPD188BI

– Geringere Bauteilanzahl

– Erfüllt neue und bestehende Vorschriften für den Lebensschutz; dazu tragen ein hoher Signal/Rauschabstand (SNR) und ein großer Dynamikbereich für die Messung schwacher Signale bei

– Weniger Fehlalarme dank Zwei-Wellenlängen-Raucherkennung und großem Dynamikbereich

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