Normgerechtes Heizungswasser

Warum aufbereitetes Heizungswasser?

Trinkwasser hoher deutscher Güte enthält einige Bestandteile, die dem komplexen Gebilde – mit vielen Systemkomponenten – einer modernen Heizungsanlage schaden können: beispielsweise Calcium, Magnesium und Kohlendioxid in Form von Bicarbonaten (lösliche Stoffe). Dazu kommen Chloride, Sulfate und Nitrate. In der Trinkwasserverordnung ist z. B. ein Höchstwert für Chlorid von 250 mg/l definiert, mit dem Zusatz „das Trinkwasser sollte nicht korrosiv wirken“. Gleiche Werte und Aussagen gelten für Sulfate.

Dazu gibt es andere chemische Vorgänge im Wasser einer Heizungsanlage, die negative Auswirkungen auf dessen Eigenschaften haben und zu Problemen führen können. Wie Schäden in Warmwasser-Heizungsanlagen vorgebeugt werden kann, ist in der VDI Richtlinie 2035 geregelt, die aus zwei Teilen besteht. Blatt 1 regelt die Vermeidung von Steinbildung, Blatt 2 die Vermeidung von Korrosionsschäden. Obwohl es das Blatt 1 schon seit 2005, das Blatt 2 seit 2009 gibt, haben diese Vorgaben erst in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen, da die Heizungshersteller Garantie- und Gewährleistungsansprüche immer mehr vom Zustand des Heizungswassers – Einhaltung von vorgegebenen Richtwerten – abhängig machen.

Der Vorgang der Steinbildung (Kalkablagerungen)

Eine Erhöhung der Wassertemperatur führt zur teilweisen Freisetzung von Kohlendioxid, wodurch Calcium und Magnesiumbicarbonat in Carbonate umgewandelt werden. Die sind weniger löslich und tendieren zu Ausfällen, entsprechend der Reaktion in Bild 1.

Die vorhandenen Calcium- und Magnesiumverbindungen lösen sich in Wasser. Es entsteht Kesselstein, der sich auf den Rohrwandungen absetzt und sich auf elektrischen Widerständen und den Wärmetauschern ablagert. Dabei wirkt er wie eine Wärmeisolierung. In Folge erhöht sich der Energieverbrauch, der für die Erwärmung des Wassers auf die gewünschte Temperatur erforderlich ist. Schon 1 mm Kesselstein reduziert den Wirkungsgrad des Wärmetauschers, verbunden mit einem um 10 % erhöhten Energieverbrauch. Gleichzeitig verringern Kesselsteinablagerungen den Durchmesser des Rohres und können zu Rostfraß und Ausfällen führen. Um diese Vorgänge zu verhindern, ist aufbereitetes Heizungswasser notwendig. Dessen Qualitätsvorgaben sind in der VDI-Richtline 2035 manifestiert.

Die Entstehung von Korrosion

Korrosion (Flächen-, Spalt- oder Lochkorrosion) in Heizkreisläufen kann verschiedene Ursachen haben: Kriechströme, gelöster Sauerstoff und Elektrolyse. Sie kann in verschiedenen Formen auftreten: punktuell oder ausgedehnt. Gewöhnlich wird Korrosion durch das gleichzeitige Auftreten von Ablagerungen auf Metalloberflächen begleitet. Korrosion greift im Allgemeinen die gesamte Anlage und nicht nur einzelne Bauteile an. Das punktuelle Auftreten von Korrosion kann daher ein Anzeichen für Korrosion in der Gesamtanlage sein. Rost breitet sich besonders schnell in Heißwasseranlagen aus, da die Geschwindigkeit der Sauerstoff-/Metall-Reaktion direkt proportional zur Temperatur ist. Dabei hängt die Schnelligkeit und Intensität des Korrosionsprozesses stark von den im Wasser gelösten Salzen ab.

Einflussfaktoren für Kalk und Rost

An Steinbildung und Korrosion im Heizwasserkreislauf sind vier Komponenten maßgeblich beteiligt:

Sauerstoff

In sauerstoffarmem Heizwasser ist die Wahrscheinlichkeit für Korrosionsschäden nicht hoch. Deshalb ist die Sauerstoffkonzentration so gering wie möglich zu halten. In der VDI 2035 heißt es dazu: „Ein ständiger Sauerstoffeintrag ist zu vermeiden.“ Deshalb kommt einer fachgerechten Entlüftung eine besondere Bedeutung zu. Doch selbst bei entlüfteten Anlagen – nach Erstbefüllung oder Reparaturen – kann es über Bauteile (Schläuche, Membrane), die nicht komplett diffusionsdicht sind, wieder zu leichten Sauerstoffeinträgen kommen. Sauerstoffeintrag lässt sich auch vermeiden, indem man Nachfüllungen nur auf unbedingt notwendige Vorgänge reduziert. Ein anderer Faktor: Durch Fehler in der Druckhaltung kommt es bei der Unterdruckbildung zum Eintritt von Luft. Ein Vorgang, der beispielsweise bei der Nachtabsenkung auftritt.

Wasserhärte

Ein typisches Anzeichen möglicher Kesselsteinbildung ist die Wasserhärte, also der Calcium- und Magnesiumsalzgehalt. Vorübergehende Härte wird durch das Vorhandensein von Calciumbicarbonaten Ca(HCO₃)₂ verursacht, die instabile Salze sind und schnell zur Ausfällung tendieren. Bleibende Härte wird durch das Vorhandensein anderer Salze in Verbindung mit Calcium und Magnesiumcarbonat verursacht. Die Gesamthärte ist die Summe beider Härten und wird in °dH angegeben. Gewöhnlich wird die vorübergehende Wasserhärte in Betracht gezogen, die in ppm gemessen wird, also in mg CaCO₃ pro kg Wasser (Tabelle 1).

Elektrische Leitfähigkeit

Das Vorhandensein dissoziierter (von lat: dissociare = trennen/Teilung) Salze (positive und negative Ionen) macht Wasser zu einem elektrischen Leiter, dessen elektrische Leitfähigkeit von der Anzahl der vorhandenen Ionen abhängt. Obwohl nicht alle Salze im selben Mass dissoziiert sind, kann die elektrische Leitfähigkeit des Wassers dennoch als Indikator für den Gesamtsalzgehalt benutzt werden. Eine niedrige Leitfähigkeit entspricht einem niedrigen Salzgehalt, eine hohe Leitfähigkeit weist dagegen auf eine hohe Anzahl von Ionen und damit gelöster Salze hin. Sauerstoffbindemittel und Korrosionsinhibitoren erhöhen die Leitfähigkeit. Die einfache Faustformel lautet: Je niedriger die Leitfähigkeit ist, umso geringer ist die Gefahr von Korrosion. Die meisten Hersteller geben Leitfähigkeitswerte von < 100 µS/cm an (Tabelle 2).

pH-Wert

pH ist eine nummerische Kennziffer, die den Säuregehalt oder die Alkalität (Basizität) einer Lösung ausdrückt. Die pH-Skala reicht von 0 (stark sauer) bis 14 (stark basisch, d. h. mit einem hohen Salzgehalt; Bild 2). Da es sich um eine Logarithmus-Skala handelt, ist eine Lösung mit pH 5 10-Mal säurehaltiger als eine Lösung mit pH 4 und eine Lösung mit pH 3 ist um 100-Mal säurehaltiger. Für die in Heizungsanlagen üblicherweise zum Einsatz kommenden Metalle wird ein pH-Wert von 8,2 bis 9,5 empfohlen, dabei sind die Vorgaben der Heizungshersteller zu beachten. Der pH-Wert ist mindestens einmal im Jahr zu prüfen, nach einer Erstbefüllung grundsätzlich nach sechs bis acht Wochen. Bei den zulässigen pH-Werten Ausnahme gibt es eine Ausnahme: Ist Aluminium ein Bestandteil der Anlage, gilt eine Obergrenze von pH 8,5. Aluminium bildet in Wasser Aluminiumoxidschichten, die im Bereich von 6,5 bis 8,5 stabile Deckschichten darstellen. Bei > 8,5 bildet sich, selbst bei völliger Abwesenheit von Sauerstoff, unter Wasserstoffentwicklung Aluminat. Da das Aluminat löslich ist, entstehen keine Deckschichten. Infolge der erhöhten pH-Wertes verläuft diese Korrosion daher ungehemmt weiter.

Methoden der Wasserbehandlung

Man unterscheidet zwei Aufbereitungsverfahren: Wasserenthärtung und Wasserentsalzung (Demineralisierung) (Tabelle 3). Die einschlägigen Normen – bis auf die EN 14868 – beziehen sich nur auf den Enthärtungsprozess, bei dem die Calcium- und Magnesium-Ionen durch Natrium-Ionen ersetzt werden, ohne jedoch die Anzahl der im aufbereiteten Wasser enthaltenen Salzmoleküle zu ändern. Die Leitfähigkeit des Wassers bleibt unverändert, die restlichen Inhaltsstoffe werden nicht entfernt. Bei enthärtetem (weichem) Wasser wird die Gefahr von Kesselsteinbildung reduziert. Zur Vorbeugung von Korrosion ist daher zusätzlich eine chemische Behandlung erforderlich. Die besteht ganz einfach darin, dem Kreislaufwasser Rostschutzmittel zuzusetzen.

Der Demineralisierungsprozess ersetzt dagegen nicht nur die Calcium- und Magnesiumsalze, sondern entfernt auch alle anderen Salzmoleküle und mineralischen Bestandteile aus dem Wasser, eine weitere Behandlung ist nicht erforderlich. Hierbei entsteht salzarmes, weiches (demineralisiertes) Wasser. Mit der Entsalzungsmethode wird die elektrische Leitfähigkeit des Heizungswassers reduziert. Die Gefahr sowohl von Kesselsteinbildung als auch von Korrosion ist sehr niedrig. In der EN 14686 (unter dem Punkt 10.3 Inbetriebnahme 10.3.1 Allgemeines, Absatz 5) heißt es, dass entsalztes Wasser vorzuziehen ist, da sich Korrosionselemente nicht stabilisieren können, wenn keine Salze im Wasser enthalten sind. Auch bei Grenzwerten oder speziellen Anforderungen der Kesselhersteller ist man mit der salzarmen Fahrweise auf der sicheren Seite.

Darstellung Enthärtung

Die Enthärtungskartuschen enthalten nur einen Harztyp, der die positiven Natrium-Ionen (Na⁺) bindet. Die Calcium- (Ca²⁺) und Magnesium-Ionen (Mg²⁺) werden im Füllwasser vom Harz gebunden und durch die im Wasser gelösten Natriumionen ersetzt.

Das behandelte Wasser enthält keine Calcium- und Magnesium-Ionen mehr (wodurch der Kesselsteinbildung vorgebeugt wird), die anderen Salze bleiben jedoch erhalten (Korrosionsgefahr). Daher müssen dem Heizungskreislauf spezifische Additive zugegeben werden, um die Korrosionsgefahr zu minimieren, was wiederum die Leitfähigkeit erhöht (Bild 3).

Darstellung Entsalzung (Demineralisierung)

Die Demineralisierungskartusche enthält zwei verschiedene Harztypen: Anionen-Harze, die die negativen Ionen (OH^-) binden, und Kationen-Harze, welche die positiven Ionen (H⁺) binden. Die positiv geladenen Salze im Füllwasser (Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺) ersetzen die positiven Ionen H⁺. Die negativ geladenen Salze (SO₄^2-, Cl^-, HCO^3-) ersetzen die negativen Ionen (OH^-). Die Harze halten die Salze zurück und setzen H⁺ und OH^– frei, die sich zu reinem Wasser verbinden (Bild 4).

Es gibt also viele Gründe, Normen und Vorschriften dafür, dass bei der Erstbefüllung von neuen Heizungsanlagen, den Vorgaben entsprechend, aufbereitetes Heizungswasser zum Einsatz kommt. Die Industrie hat einige Lösungen entwickelt, um mit für alle Anlagengrößen verfügbaren Füllgeräten normgerechtes Heizungswasser einzuspeisen. Selbst einige Hersteller von elektronisch gesteuerten Hocheffizienz-Umwälzpumpen erwarten, dass das Heizungswasser den Vorgaben der VDI 2035 entspricht. Wird also eine alte Pumpe gegen eine neue ausgetauscht, muss auch die Qualität des Mediums stimmen. Hier bietet sich eine Aufbereitung im Bypass-Verfahren an.

Doch auch bei der Nachfüllung darf nur aufbereitetes Heizungswasser in den Kreislauf eingespeist werden, damit dessen Qualität sichergestellt werden kann. Nur so ist der störungsfreie, zuverlässige und energieeffiziente Betrieb einer modernen geschlossenen Heizungsanlage auch langfristig möglich. Mit der „FüllKombi BA Plus“ hat Caleffi ein automatisches Nachfüll- und Aufbereitungssystem ins Programm aufgenommen, das allen normativen Anforderungen für das Heizungswasser entspricht. Zum Schutz des Trinkwassers werden zugleich die Anforderungen der DIN EN 1717 erfüllt.

Die Lösung ist eine Kombination der bewährten automatischen Füllarmatur der Serie „574“ mit Systemtrenner Typ BA und einer Entsalzungskartusche als komplettes Aufbereitungskonzept, zu dem auch ein Kugelhahn mit Rückschlagventil und ein Wasserzähler gehören. Caleffi setzt bei der Nachspeisung mit aufbereitetem Heizungswasser auf die Methode der Demineralisierung (Entsalzung). Die im Wasser gelösten Salze werden, ohne chemische Zusätze, durch eine mit einem Indikatorharz gefüllten Kartusche entfernt. Ebenso Chloride, Sulfate und Nitrate, die ebenfalls zu Korrosion beitragen. Es entsteht salzarmes, weiches Heizungswasser, mit einer geringen elektrischen Leitfähigkeit und einem leicht basischen pH-Wert.

Die Funktion der kontrollierten Nachspeisung übernimmt die automatische Füllarmatur der Serie „574“ (mit Systemtrenner Typ BA); dies bereits bei einem Druckverlust von 0,2 bar zum eingestellten Wert. So ist sichergestellt, dass der vorgegebene, optimale Systemdruck kontinuierlich eingehalten wird. Gemäß DIN EN 1717 ist die Füllarmatur mit einem Rückflussverhinderer ausgestattet. Der nach DIN EN 12729 zertifizierte Systemtrenner mit kontrollierbaren, druckreduzierten Zonen (Typ BA) verhindert, dass Wasser aus dem Heizkreislauf in das Trinkwassernetz zurückfließen kann. Die Füllarmatur wird mit einem ab Werk voreingestellten Druck von 1,5 bar ausgeliefert, hat einen Einstellbereich von 0,2 bis 4 bar und ist DVGW-zertifiziert, die vorgeformte Dämmschale ist obligatorisch.

Das Nachfüll- und Aufbereitungssystem von Caleffi (mit ½“-Anschluss) ist für einen maximalen Betriebsdruck von 8 bar ausgelegt. Die Kapazität der Kartusche (Inhalt Mischbettharz 0,75 l) hängt u. a. vom Härtegrad des Wassers und der Wasser­temperatur ab. Bei einer Wasserhärte von 12 °dH können beispielsweise ca. 120 l Heizungswasser, entsprechend der Vorgaben der VDI 2035, mit der FüllKombi „BA Plus“ aufbereitet werden. Dabei beträgt der maximale Durchfluss 2 l/min.

TGA-Fachingenieure und Betreiber in der Pflicht

Um sich vor Haftungsansprüchen schützen zu können, muss das Heizungswasser den VDI-Vorgaben entsprechend aufbereitet sein und darf nur mit dementsprechend aufbereitetem Heizungswasser nachgefüllt werden. Doch damit ist es noch lange nicht getan. Der Betreiber ist zwar für den ordnungsgemäßen Zustand des Heizungswassers verantwortlich, aber: Selbst der VDI geht davon aus, dass der Betreiber als Nichtfachmann (Laie) dieser Pflicht nicht allein gerecht werden kann. Deshalb müssen sowohl der Fachplaner als auch der SHK-Betrieb den Betreiber entsprechend beratend unterstützen. Das hat auch einen rechtlichen Hintergrund, da im Ge­währ­leis­tungs­fall der ordnungsgemäße Zustand des Wasser geprüft wird. Tatsächlich hat der Installateur zur eigenen Sicherheit als Anlagenersteller, und natürlich auch für den Betreiber, eine Dokumentationspflicht.

Dazu schlägt die VDI 2035 die Führung eines Anlagenbuches vor. Es soll dokumentieren, welche Maßnahmen erforderlich sind bzw. durchgeführt wurden. Dazu muss Füll- und Ergänzungswasser hinsichtlich seiner Gesamthärte, seines pH-Werts und seiner Leitfähigkeit kontinuierlich gemessen werden. Die Ergebnisse sind in das Anlagenbuch einzutragen, genauso die nachgefüllten Mengen an Ergänzungswasser. Das Anlagenbuch ist als Musterbeispiel aufgebaut und fasst alle wichtigen Parameter beider Richtlinienteile praktisch zusammen.

Sauberes Heizungswasser

Es liegt in der Natur der Sache, dass Heizungsanlagen nur mit „gesunden Kreisläufen“ unter optimalen Bedingungen arbeiten können. Kommt es zu Verunreinigungen – oder ändert sich die Zusammensetzung des Mediums –, sind Störungen vorprogrammiert. Gleichzeitig nimmt die Leistung ab, im schlimmsten Fall droht sogar der Anlageninfarkt. Somit sind im hohen Maße die reibungslose Funktion und die Prozesssicherheit einer Anlage vom Zustand der Trägerflüssigkeit abhängig.

Heizungswasser hat einige natürliche Feinde: Sauerstoff, Schlamm- und Sandpartikel sowie kleine, eisenhaltige Schwebstoffe. Sie können, je nach Konzentration und Größe, die Funktion der Anlage erheblich beeinträchtigen und viele Problemen verursachen. Es empfiehlt sich grundsätzlich, Mikroblasen- und Schlamm­abschei­der in die Anlage zu integrieren, um Störungen und Schäden vorzubeugen.

Noch mehr Sicherheit bieten Schlammabscheider mit magnetischer Wirkung, da sie auch ferromagnetische Verunreinigungen abscheiden. Magnetit stellt für moderne Heizungsanlagen tatsächlich eine Bedrohung dar, da sie in aller Regel mit einer elektronisch gesteuerten Hocheffizienz-Umwälzpumpe betrieben werden. Diese arbeitet praktisch ohne mechanische Bauteile. So besteht die Möglichkeit, dass sich ferromagnetische Bestandteile in der Pumpe ablagern. In Folge dieses Vorgangs können die Eigenschaften von Hocheffizienzpumpe negativ beeinträchtigt werden, insbesondere deren Wirkungsgrad.

Daher beugt die Fachperson mit dem Einbau von Mikroblasen- und Schlammabscheidern mit magnetischer Wirkung nicht nur Störungen und Schäden vor, sondern sichert auch den effizienten Betrieb der Anlage unter allen erdenklichen Betriebsbedingungen.