Wege zum perfekten Heizungswasser

Enthärten oder entsalzen?

Gäbe es im Heizungswasser nur Härte- und keine Korrosions­pro­bleme, wären sowohl die Ent­härtung wie auch die Entsal­zung bestens geeignet, um Härteausfällungen und damit Steinbildungen im Heizungssystem zuverlässig zu verhindern. Aber so ist es eben nicht – genau deswegen gibt es das Blatt 2 der VDI 2035. Und das ist der Grund, weswegen der Heizungsbauer in der Klemme steckt, wenn er sich lediglich zwischen Enthärtung und Entsalzung entscheidet, ansonsten aber keine weiteren Maßnahmen zum Korrosionsschutz trifft.

Zur Erläuterung sei hier noch einmal kurz auf die beiden unter­schiedlichen Verfahren einge­gan­gen – und darauf, welche Fol­gen ihre jeweilige Anwendung hinsichtlich der Korrosivität des Wassers mit sich bringt.

Ziel beider Verfahren ist die möglichst vollständige Entfernung der Härtebildner (dies sind die so genannten „Erdalkalien“ Calcium und Magnesium), die grundsätzlich in jedem natürlichen Wasser vorkommen. Diese Härtebildner sind die primäre Ursache für die Bildung von Ablagerungen im Heizungssystem (z.B. auf dem Wärmetauscher), wobei es sich hauptsächlich um Kalk (Calciumcarbonat, CaCO₃) und Magnesiumcarbonat handelt.

Je nach der Zusammensetzung des Rohwassers (in aller Regel ist dies das örtliche Trinkwasser) bilden sich jedoch auch Calciumphosphat (Ca₃(PO₄)₂ und Calciumsulfat (Gips, CaSO₄) bzw. die entsprechenden Magnesiumsalze. Der bekannte „Kesselstein“ ist also keineswegs nur Kalk, sondern ein Gemisch aus den oben genannten Verbindungen in unterschiedlichen Mengenverhältnissen.

Ablagerungen im Heizungssystem verursachen nicht nur große Verluste beim Wärmeübergang und beeinträchtigen so die Energieeffizienz ganz erheblich (Bild 1), sie können z.B. durch die Verengung von Rohrquerschnitten auch die Systemhydraulik kräftig durcheinander bringen und führen häufig auch zu Spannungsrissen an empfindlichen Bauteilen, wodurch zeitaufwändige und kostspielige Reparaturen verursacht werden.

Bei Einschluss von anfänglichen Korrosionsrückständen, die entweder produktionsseitig noch vorhanden sind (z.B. in Puf­fer­speichern) oder wie sie z.B. im Zuge von Druckproben mit an­schlie­ßendem Ablassen des Wassers entstehen können, ist außer­dem die Gefahr gegeben, dass  so genannte „Starterkristalle“ ent­stehen, die dann wiederum zu Spalt- oder Unterbelagskorrosio­nen führen können.

Enthärtung

Die Enthärtung ist vielen Verbrauchern bestens aus dem Trinkwasserbereich bekannt. Sie ist ein seit langer Zeit erprobtes, zuverlässiges und vor allem kostengünstiges Verfahren zur Erzeugung „weichen“ Wassers gemäß der Tabelle 1 aus der VDI 2035 Blatt 1: Die Gesamthärte würde mit einer Enthärtung zuverlässig auf <0,11 °dH reduziert.

Allerdings ist ein enthärtetes Trinkwasser noch lange kein gu­tes Heizungswasser – denn sämtliche anderen Inhaltsstoffe außer den erwähnten Härtebildnern Calcium und Magnesium bleiben bei der Enthärtung vollständig im Wasser erhalten und kön­nen zu erheblichen Korrosionsproblemen führen.

Ein Blick auf diese Inhaltsstoffe und vor allem die Übersetzung ihrer zunächst einmal recht harmlos klingenden chemischen Bezeichnungen lohnt sich, um das im Wasser verbleibende Be­dro­hungs­potential zu erkennen: Im enthärteten Wasser finden sich noch jede Menge Chloride (Salze der Salzsäure), Sulfate (Salze der Schwefelsäure), Phosphate (Salze der Phosphorsäure) und Nitrate (Salze der Salpetersäure) - um nur die wichtigsten Protagonisten zu nennen. Kurz und gut: Sämtliche Wasserinhaltsstoffe, die durch eine Enthärtung nicht beseitigt werden können, werden in Blatt 2 der VDI explizit als Korrosionsverursacher genannt. Damit geht einher, dass weder der pH- noch der elektrische Leitwert des Wassers durch die Enthärtung beeinflusst werden – beides sind wichtige Parameter für die Korrosivität des Wassers. Hier blicken wir also geradewegs auf die, sozusagen unpolierte, zweite Seite der Medaille …

Nichtsdestotrotz wird die Enthärtung in Blatt 1 der VDI 2035 mehrfach als das „bevorzugte“ Verfahren zur Verhinderung von Schäden durch Steinbildung genannt. Daraus folgt jedoch zwingend, dass zusätzliche Maßnahmen nach Blatt 2 (Korrosionsschutz) fast immer notwendig sind!

Entsalzung

Im Gegensatz zur vorstehend beschriebenen Enthärtung werden bei der Entsalzung neben den bereits erwähnten Calcium- und Magnesium-Verbindungen auch alle anderen Wasserinhaltsstoffe aus dem Füll- und Ergänzungswasser entfernt – also auch Chlori­de, Sulfate, Phosphate und Nitrate. Theoretisch wären damit sowohl das Härte- wie auch das Korrosionsproblem gebannt, da bei einer Entsalzung des Wassers auch die Leitfähigkeit auf den geforderten Wert von < 100 µS/cm gebracht würde . Das gilt jedoch nicht unbedingt für den pH-Wert: Er liegt bei einer Entsalzung zunächst knapp im alkalischen Bereich, erreicht in aller Regel jedoch nicht den mindestens geforderten Wert von 8,2.

Die VDI verweist hier zu Recht auf die in fast allen Fällen stattfindende „Selbstalkalisierung“ des Wassers, die in korrosionsdichten Kreisläufen in aller Regel die Säurekorrosion weitestgehend verhindert. Sie tritt in entsalztem Wasser jedoch nur in deutlich geringerem Umfang auf, da ihr die Umwandlung von Kalk (Calciumkarbonat) in Natriumhydrogenkarbonat (Natron) zugrunde liegt, wie sie hauptsächlich bei der Wasserenthärtung vorgenommen wird. Beim Erwärmen zerfällt Natriumhydrogencarbonat (NaHCO₃) in Natriumkarbonat (NaCO₃, Soda) und Kohlendioxid (CO₂), welches nach und nach aus dem System ausgast. Das verbleibende Natriumkarbonat alkalisiert das Wasser.

Man kann also bei enthärte­tem Wasser durchaus davon ausgehen, dass sich über die Zeit höchstwahrscheinlich ein pH-Fenster von 8,2 bis 10,0 einstellen wird. Bei entsalztem Wasser ist das schon sehr viel weniger wahrscheinlich. In beiden Fällen ist dieser Prozess aber keinesfalls zwangsläufig und erst recht nicht genau steuerbar. Sind in der Heizungsanlage dann auch noch Aluminiumwerkstoffe verbaut (z.B. ein Aluminium-Silizium-Wärmetauscher im Heizkessel), wird es problematisch: Während Stahl- und Eisenwerkstoffe mit pH-Werten bis zu 10 keinerlei Probleme haben, gilt für Aluminium und alle weiteren Buntmetalle ein wesentlich kleineres Fenster: Nach VDI 2035 Blatt 2 Abschnitt 7.4 wird z.B. für Aluminium der Wertebereich auf 8,2 bis 8,5 eingeschränkt (für einige Al-Legierungen bis maximal 9). Diesen engen Bereich durch die nicht kontrollierbare Selbstalkalisierung des Füllwassers (Bild 2) sicherstellen zu wollen, ist in der Praxis schlechterdings nicht möglich.

Hinzu kommt noch ein weiteres, vielfach vernachlässigtes  Problem bei der Verwendung vollentsalzten Wassers: Sowohl bei der Verwendung der üblichen Mischbett-Ionentauscher-Patronen wie auch bei dem Verfahren der Umkehrosmose entsteht ein „hungriges“ (d.h. völlig ungepuffertes) Wasser, welches immer das starke Bestreben hat, in ein Sättigungsgleichgewicht mit seiner Umgebung zu kommen. In einem Heizungssystem sind dies die Wandungen der verbauten Leitungen, Aggregate, Pufferspeicher usw. aus einer Vielzahl an Materialien. Hier kann vollentsalztes Wasser in hohem Maße korrosiv wirken, da es ein extrem hohes Potential zur Lösung von Ionen besitzt – es sind ja durch die Entsalzung keine mehr vorhanden.

Je geringer also die Leitfähigkeit des Wassers ist, desto höher ist – zumindest außerhalb von idealen Laborbedingungen – die Korrosivität des Wassers. Gelangt zum Beispiel Luft in das Wasser (etwa bei Nachspeisungen), so werden die Luftbestandteile „gierig“ vom Wasser aufgenommen und bilden als Ionen unmittelbar ein elektrolytisches, also korrosives Potential. Gleiches gilt für feinste metallische Rückstände, für so genannte „Starterkristalle“ aus Ablagerungen oder selbst kleinste bereits vorhandene Korrosionsherde im System (Bild 3). Einer oder mehrere dieser Faktoren sind in der Praxis fast immer vorhanden und lassen sich auch bei neu installierten Systemen kaum ausschließen.

Auch die Verwendung von vollentsalztem Wasser zur Heizungsbefüllung ist also ohne den Einsatz von Korrosionsinhibitoren bzw. ohne eine pH-Wert-Stabilisierung keinesfalls eine ideale Lösung im Hinblick auf tendenzielle Korrosionsprobleme nach Blatt 2 der VDI 2035. Nicht umsonst schreiben übrigens fast alle Kesselhersteller in ihren technischen Informationen den Einsatz von Inhibitoren bei der Befüllung mit VE-Wasser zwingend vor.

Beide Systeme, sowohl die Ent­härtung wie auch die Voll­ent­salzung, haben also ihre Tücken – deswegen sollte über eine sicherere, unkritische Alternative nachgedacht werden.

Härtestabilisierung plus Korrosionsschutz

Wer sich mit der VDI 2035 einmal genauer auseinandersetzt, dem wird auffallen, dass die Richtlinie sich weder in Blatt 1 noch in Blatt 2 explizit auf spezifische Maßnahmen zur Vermeidung von Schäden festlegt oder sogar einzelne Verfahren ausdrücklich vorschreibt. Sie gibt lediglich Empfehlungen, macht Vorschläge oder nennt „bevorzugte“ Verfahren.

In Blatt 1 ist es z. B. keinesfalls so, dass die Einhaltung der Härte-Höchstgrenze von < 0,11 °dH(und damit zwangsläufig auch eine Enthärtung oder Entsalzung) als die einzig mögliche und ausschließlich statthafte Maßnahme gegen Schäden durch Ausfällungen und Ablagerungen zwingend vorgeschrieben ist. Ausdrücklich zulässig ist nach Blatt 1 Abschnitt 4.4.2 auch eine Härtestabilisierung. Diese wird ohne Einschränkungen als gleichwertige Maßnahme neben der Verwendung „nullgrädigen“ Füll- und Ergänzungswassers genannt: „Unter Härtestabilisierung versteht man die Zugabe von Zusatzstoffen zum Heizwasser, durch welche die Kalkabscheidung derart beeinflusst wird, dass es nicht zur Steinbildung kommt.[…]“ ( VDI 2035 Bl. 1, S. 11).

In der oft übersehenen Anmerkung zu Abschnitt 4.4.2. wird außerdem erlaubt, dass neben dem „bevorzugten“ Verfahren der Enthärtung auch andere Maßnahmen zum Einsatz kommen können: „Steht teil-/vollentsalztes Wasser zur Verfügung, so kann dieses eingesetzt werden, wenn entsprechende Maßnahmen zur Einstellung des pH-Wertes des Heizwassers getroffen werden.[…]“ (VDI 2035 Blatt 1 S. 11)

Das bedeutet: Wenn das Wasser so konditioniert wird, dass nur noch eine geringe Resthärte von z. B. 2 - 4 °dH vorhanden ist und diese zuverlässig und dauerhaft stabilisiert wird, wurden alle erforderlichen Maßnahmen zum Schutz vor Steinbildung getroffen und die oft einzig und allein im Fokus stehenden Tabellenwerte müssen nicht mehr zwingend eingehalten werden (diese beziehen sich ja ausschließlich auf die Maßnahme „Verwendung von enthärtetem Wasser als Füll- und Ergänzungswasser“).

Ähnliches gilt für die Maßnahmen zum Korrosionsschutz nach Blatt 2: Nach den Vorgaben für die Wasserbeschaffenheit ist ausdrücklich auch eine salzhaltige Fahrweise zulässig (vgl. Tabelle 2), und in Abschnitt 8.4.3. wird der Einsatz von Korrosionsinhibitoren explizit als mögliche Maßnahme zum Korrosionsschutz genannt. Allerdings wird hier erneut nur auf die Sauerstoff-Korrosion abgezielt – alle anderen möglichen Korrosionsursachen bleiben leider im Blatt 2 der VDI 2035 weitgehend unberücksichtigt.

Statt der einseitigen Fokussierung auf einzelne Wertevorgaben oder Teilaussagen der VDI 2035 (insbesondere auf die Wasserhärte), scheint es angesichts der Komplexität der Richtlinie und der Vielzahl der darin aufgeführten Vorschläge, Hinweise und Richtwerte sinnvoller, den eigentlichen Sinn und Zweck der Richtlinie in den Mittelpunkt der Überlegungen zu stellen, gewissermaßen also ihren „Geist“ zu erfassen:

„Heizungssysteme sind gegen Schäden durch Steinbildung und Korrosion zu schützen. Dies kann durch verschiedene zulässige Maßnahmen geschehen, die in der VDI 2035 Blatt 1 und 2 aufgeführt sind.“

Zusammenfassend kann festgestellt werden: Weder die Enthärtung noch die Entsalzung des Wassers stellen aus den genannten Gründen eine optimale Lösung dar. Ein ideales Heizungswasser sollte unter Berücksichtigung aller Aspekte der VDI 2035 ein möglichst weiches, aber nicht vollständiges ungepuffertes Wasser sein, in dem die Resthärte zuverlässig stabilisiert ist und gleichzeitig ein umfassender Korrosionsschutz für alle installierten Materialien gegeben ist.

Wie lässt sich die Verwendung eines solchen Wassers in der Praxis wirtschaftlich, sicher und dokumentierbar realisieren?

Wasseraufbereitung und -behandlung

In der Industrie gehören die Wasseraufbereitung und -behandlung zur täglichen Praxis. Dabei sind geschlossene Kühlkreisläufe in Industrieanlagen und Heizungskreisläufe in Immobilien prinzipiell gesehen das Gleiche, nur eben in anderen Dimensionen: Es handelt sich um geschlossene, wasserführende Systeme aus vorwiegend metallischen Werkstoffen, die vor Korrosionen und Ablagerungen geschützt werden müssen. Was liegt näher, als industrielles Know-how auch für weniger komplizierte Anwendungsgebiete zu nutzen und bewährte Verfahren auch im Heizungs- und Kältebereich einzusetzen?

Wenn es dabei gelingt, das Prinzip der industriellen Wasseraufbereitung und -behandlung in wirtschaftlich wie auch technologisch deutlich kleineren Dimensionen, aber genauso zuverlässig und sicher zu realisieren, ist dies ein gangbarer Weg, die Heizungswasseraufbereitung nach VDI 2035 unproblematisch und vor allem gewährleistungssicher umzusetzen. Dies war vor mittlerweile fast vier Jahren der Ausgangspunkt und die Herausforderung für die Techniker und Entwickler der Firma AEW Wassertechnologie: Sie entwickelten und konstruierten ein kompaktes, vollautomatisches und qualitätsgesteuertes Modul zur Heizungswasseraufbereitung, das unter dem Namen „Aguasave“ seit Mitte 2013 auf dem Markt erhältlich ist. Für Entwicklung, Produktion und Vertrieb wurde die Tochterfirma AFS Solutions GmbH gegründet.

Industrielle Technologie im Immobilienmaßstab

Das „Aguasave“-Modul kann sowohl für Neu- als auch Ergänzungs­befüllungen eingesetzt werden und bietet unabhängig vom Rohwasser (und damit auch standortunabhängig) eine optimale Hei­zungswasserqualität nach VDI 2035 unter Berücksichtigung von Blatt 1 und Blatt 2. Das Verfahren und die technologische Umsetzung sind schnell erklärt: Das Rohwasser wird zunächst in einer Aufbereitungseinheit vollentsalzt und dann mit einem geringen Anteil Rohwasser wieder verschnitten, also gepuffert. Diese Verschneidung erfolgt in Abhängigkeit von der jeweils vorliegenden Rohwasserqualität. Durch diese Maßnahme wird unabhängig von der örtlichen Rohwasserqualität zunächst eine definierte Wasserqualität bezogen auf die Salzfracht hergestellt: Der Leitwert des aufbereiteten Wassers beträgt 120 bis 150 µS, die Härte liegt zwischen 2 bis 3 °dH, der pH-Wert ist annährend neutral bis leicht basisch (ca. 7,5 bis 8). Diese definierte Wasserqualität wird im Modul „Aguasave“ laufend sensorgesteuert überwacht und damit vollautomatisch sichergestellt.

Das so entstandene „sanfte“ (teilentsalzte) Wasser wird in einem zweiten Schritt mit einem seit Jahren in der Industrie bewährten Vollschutzprodukt behandelt. Dieses wird dem aufbereiteten Wasser über eine Dosierpumpe ebenfalls vollautomatisch mengenproportional zugesetzt, d. h. es ist immer in der gleichen Konzentration im Speisewasser enthalten und Über- oder Unterdosierungen werden vermieden. Durch die hohe Wirksamkeit des Produktes kann die Konzentration mit nur 0,3 % (also nur 3 kg auf 1000 l Wasser) gering gehalten werden. Das eingesetzte Vollschutzprodukt stabilisiert die Wasserhärte (verhindert also Ablagerungen), bietet einen Korrosionsschutz für Stahl-, Eisen- und alle Buntmetallwerkstoffe einschließlich Aluminium und hält gleichzeitig nicht gelöste Wasserbestandteile (also z. B. Rückstände und vorhandene Ablagerungen in Bestandssystemen) in der Schwebe, so dass sie durch Filtration des Heizungswassers entfernt werden können.

Besonders wichtig ist die Dispersion auch im Hinblick auf Magnetit: Dieser ultrafeine, schwarze, klebrige Schlamm be­steht aus mehrfach oxidiertem Eisen (Fe₃O₄). Magnetit führt zu Wärmeübertragungsverlusten sowie Fehlfunktionen in Steuer- und Regelaggregaten und kann nur durch eine magnetische Ab­scheidung aus dem Wasser ent­fernt werden. Ergänzt wird die Wasserauf­bereitung daher durch das Filtra­tions­modul „Aguaclean“, das zur sicheren Entfernung von Rück­stän­den und Feststoffen dient und mit einer integrierten und zum Patent angemeldeten Magnetitabscheidung ausgestattet ist.

Fazit

Bei vorausschauender Planung und Installation gewährleisten beide Module im Zusammenspiel eine optimale Wasserqualität nach VDI 2035 sowie bei Bestands­sys­temen eine sanfte, schonende Rei­nigung im laufenden Betrieb.