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Optimierung der Qualität des Heizungswassers

Die Qualität des Heizungswassers hat einen sehr hohen Anteil an der Langlebigkeit sowie der Effizienz des gesamten Heizungssystems. Beim Thema Heizungswasser gilt es zwei Schutzziele zu beachten:

1. Schutz vor Steinbildung: Wahrung der Energieeffizienz

Unter Steinbildung bzw. umgangssprachlich „Verkalkung“ versteht man die Bildung festhaftender Beläge aus Kalziumkarbonat der Wasser berührenden Bauteile. Zur Steinbildung (Ausfällung von Kalziumkarbonat) kann es immer dann kommen, wenn Kalziumhydrogenkarbonat haltiges Wasser erwärmt wird (Veränderung des Kalk-Kohlensäure-Gleichgewichts). Die Kalkabscheidung wird in erster Linie durch die Menge des im Wasser gelösten Kalziumhydrogenkarbonats bestimmt, die normalerweise durch die sog. „Karbonathärte“ charakterisiert werden kann. Als Karbonathärte bezeichnet man den Anteil der „Gesamthärte“ (Gehalt an Kalzium- und Magnesium-Ionen), der an Hydrogenkarbonat-Ionen gebunden ist.

Im Gegensatz zur Korrosion spielen bei der Steinbildung die Eigenschaften des Werkstoffes nur eine untergeordnete Rolle. Entscheidend für das Ausmaß der Steinbildung sind die Wasserbeschaffenheit und die Betriebsweise.

Hier sei insbesondere die Betriebsweise von KWK bzw. BHKW-Heizsystemen erwähnt, die im Vergleich zu andern Wärmeerzeugern zu einem mit einem relativ hohen Temperaturniveau betrieben werden (Heizwasseraustrittstemperatur bei KWK-Anlagen mit Verbrennungsmotoren > 80 °C) und sinnvollerweise stets mit einem, zur thermischen Leistung passenden, Pufferspeicher betrieben werden sollten.

Durch das Erhöhen des Anlagenvolumens sowie durch das hohe Temperaturniveau ist die Gefahr der Steinbildung an den Wärmeübertragungsflächen speziell bei KWK-Anlage deutlich erhöht. Neben der Reduzierung der Effizienz durch eine schlechtere Wärmeübertragung – bereits eine 1 mm dicke Kalkschicht auf einer Heizfläche senkt die der Wärmeübertragung um bis zu 20 % – besteht die Gefahr von Schäden an der KWK-Anlage. Denn die Hauptaufgabe des durchströmenden Heizungswassers ist es, die Anlage auf ein thermisch gewünschtes Niveau zu kühlen.

Ist eine ausreichende Kühlung durch eine verminderte Wärmeübertragung, auch punktuell, nicht mehr möglich, kann dies zu einer Systemstörung und schlimmstenfalls zu einem Motorschaden führen. Aus diesem Grund gilt es, von Anfang an und während der gesamten Nutzungsdauer, die Steinbildung zu vermeiden.

Als Richtlinie zur Vermeidung von Steinbildung in Warmwasser-Heizungsanlagen gilt allgemein die VDI 2035 Blatt 1.

Hiernach richtet sich die zulässige Gesamthärte für das Füll- und Ergänzungswasser nach der Gesamtheizleistung und dem spezifischen Anlagenvolumen VA nach Tabelle 1.

Tabelle 1.: zulässige Gesamthärte des Heizungswassers gemäß VDI 2035 Blatt 1

Tabelle 1.: zulässige Gesamthärte des Heizungswassers gemäß VDI 2035 Blatt 1

Beachtenswert ist das spezifische Anlagenvolumen VA. Dieses ist immer gültig für den Wärmeerzeuger im Heizsystem mit der geringsten thermischen Leistung.

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2. Schutz vor Korrosion: Wert Erhaltung

Ist der Schutz vor Steinbildung durch entsprechende Eliminierung der Härtebildner noch relativ einfach zu realisieren, so ist der Schutz vor Korrosion um einiges komplexer.

Richtwerte zur Vermeidung von heizwasserseitigen Korrosionsschäden stehen in der VDI-Richtlinie 2035 Blatt 2 (Ausgabe Aug. 2009). Dort wird die Notwendigkeit eines Schutzes vor Korrosion damit eingeschränkt, dass die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Korrosionsschäden in Warmwasserheizungsanlagen gering ist, wenn

eine fachgerechte Planung und Inbetriebnahme erfolgt,

die Anlage korrosionstechnisch geschlossen ist,

eine ausreichend dimensionierte Druckhaltung integriert ist, die Richtwerte für das Heizwasser nach VDI 2035 Blatt 2 Abschnitt 7.1 eingehalten werden und eine regelmäßige Wartung und Instandhaltung durchgeführt wird.

Ob und in welchem Umfang ein Schutz vor Korrosion vorgenommen werden muss, hängt im Wesentlichen von den verwendeten Werkstoffen und insbesondere vom Sauerstoffgehalt des Heizungswassers ab.

Allgemeingültige Maßnahmen zur Vermeidung von Korrosion bzw. zur deutlichen Reduzierung der Korrosionsgeschwindigkeit stellen sich wie folgt dar.

Maßnahme 1: Reduzierung des Sauerstoffgehalts im Heizungswasser

Wird ein geschlossenes Heizungssystem nicht zu häufig entleert und neu befüllt, ist der dadurch eingetragene Sauerstoff durch Korrosion verhältnismäßig schnell verbraucht. Problematisch sind Anlagen, bei denen es zu einem permanenten Eintrag von neuem Sauerstoff kommt. Dies kann zum Einen durch früher verwendete Fußbodenheizsysteme aus nicht ausreichend diffusionsdichten Kunststoffrohren und zum Anderen an falsch ausgelegten, betriebenen oder defekten Ausdehnungsgefäßen liegen. Während das Problem mit einem permanenten Sauerstoffeintrag durch die

Fußbodenheizungsrohre kaum zu veränderbar ist, gilt es einen unnötigen Sauerstoffeintrag durch Unterdruckbildung im Heizsystem, bedingt durch ein nicht ordnungsgemäß funktionierendes Ausdehnungsgefäß (AG) in jedem Falle zu vermeiden.

Neben der ausreichenden Dimensionierung des AG spielt der richtige Vordruck und der Fülldruck eine entscheidende Rolle. So empfiehlt die VDI-Richtlinie den Fülldruck so einzustellen, dass am höchsten Punkt der Anlage und in allen Betriebszuständen ein Überdruck von 50 kPa (0,5 bar) anliegt. Der richtige Vordruck sowie der entsprechende Fülldruck sind fortlaufend innerhalb der jährlichen Wartung zu überprüfen und idealerweise zu dokumentieren.

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Bild 3.: Anwendungsbeispiel für den Anlagen Fülldruck

Bild 3.: Anwendungsbeispiel für den Anlagen Fülldruck

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Maßnahme 2: Befüllen des Heizsystems mit demineralisiertem Wasser

Im Unterschied zu konventionellen Enthärtungsanlagen sind bei der Erzeugung von demineralisiertem oder vollentsalztem Wasser (VE-Wasser) zwei Ionentauscher (Mischbett) am Werk. Hier werden Anionen (z.B. Hydrogencarbonat, Chloride, Sulfate) sowie Kationen (z.B. Kalzium, Magnesium) gegen Hydrogen- (H+) und Hydroxidionen (OH-) ausgetauscht, die sich zu Wasser verbinden. Dabei wird ein Härtegrad von 0,0001 °dH und eine Leitfähigkeit von weniger als 1 µS/cm erreicht. So ergibt sich bei der Befüllung der Anlage mit vollentsalztem Wasser der Vorteil, dass nicht nur Steinschäden durch eine zu hohe Wasserhärte vorgebeugt wird, sondern auch wichtige Parameter in Bezug auf Korrosionsprozesse berücksichtigt werden. Denn neben dem Sauerstoffgehalt im Heizungswasser sind vor allem der richtige pH-Wert und die Leitfähigkeit (Salzgehalt) für Korrosionsvorgänge und deren Geschwindigkeit ausschlaggebend.

Die VDI 2035 unterscheidet nach Tabelle 2 je nach Leitfähigkeit das Heizungswasser in salzarm und salzhaltig und gibt Richtwerte für einen pH-Wert Bereich des Heizungswassers.

Tabelle 2.: zulässiger Sauerstoffgehalt in Abhängigkeit der Leitfähigkeit

Tabelle 2.: zulässiger Sauerstoffgehalt in Abhängigkeit der Leitfähigkeit

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Durch die Entfernung der Anionen bei der Erzeugung von vollentsalztem Wasser ergibt sich weiterhin der Vorteil, dass Sulfate und Chloride ebenfalls entfernt werden, welche Lochfraß sogar an Edelmetallen verursachen können. Die VDI 2035 gibt in Ihrer derzeitigen Ausgabe noch keine Grenzwerte für die Salze vor – hier waren die Österreicher mit der aktuellen Ausgabe der ÖNORM H 5105-1 schneller, wonach bereits ab einem Chloridgehalt von 30 mg/l mit einem verstärkten Korrosionsverhalten zu rechnen ist.

An dieser Stelle sei erwähnt, dass normales Trinkwasser bereits als „salzhaltig“ anzusehen ist. So wird z.B. die Leitfähigkeit des Wasserversorgers von Düsseldorf aktuell (2015) mit 709 und dem von Köln mit 794 µS/cm angegeben, wobei der Chloridgehalt bei 74 bzw. 62 mg/l liegt.

Der Vorteil einer salzarmen Betriebsweise (geringe Leitfähigkeit) wird aus Bild 3 deutlich. Danach bestimmt die Leitfähigkeit maßgeblich die Korrosionsgeschwindigkeit.

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Bild 4: Korrosionsgeschwindigkeit in Abhängigkeit der Leitfähigkeit

Bild 4: Korrosionsgeschwindigkeit in Abhängigkeit der Leitfähigkeit

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Neben einer möglichst geringen Leitfähigkeit (salzarme Betriebsweise) ist noch der pH-Wert von entscheidender Bedeutung. Hier ist ein pH-Wert im basischen Bereich (empfohlen 8,2 – 10) für Eisenhaltige- bzw. Kupferwerkstoffe günstig. Ist jedoch ein Bauteil aus Aluminium z. B. der Abgas-Wärmetauscher einer Brennwertheizung, so ist der zulässige pH-Wert nur im Bereich von 8,2 - 8,5 zulässig. Die Untergrenze von 8,2 resultiert aus dem Grund, dass oberhalb dieses pH-Wertes die Metalle in Kontakt mit Wasser stabile Deckschichten aufbauen und diese erhalten können.

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Bild 5: Korrosionsverhalten von Fe, Cu u. Al bei unterschiedlichen pH-Werten

Bild 5: Korrosionsverhalten von Fe, Cu u. Al bei unterschiedlichen pH-Werten

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Beachtenswertes zum Thema pH-Wert

Ausdrücklich zu beachten ist der pH-Wert. Wird das Füllwasser der Heizung enthärtet, kann die natürliche versteckte Alkalität zu einem pH-Wert Anstieg im Heizungswasser bereits nach einigen Wochen von über 8,5 führen. Für Eisen- oder Kupferwerkstoffe wäre dies, wie bereits beschrieben, ein erwünschter pH-Wert, für Aluminium Bauteile könnte dies jedoch schon zu Korrosionsprozessen führen (siehe Bild 4).

Bei der Befüllung der Anlage mit demineralisiertem Wasser ist im Hinblick auf den pH-Wert die korrekte Nutzung der Mischbettpatronen ausschlaggebend. Solange die Leitfähigkeit des aufbereiteten Wassers eine Leitfähigkeit von <10 µS/cm aufweist, befindet sich der pH-Wert im neutralen Bereich bei 7. Steigt die Leitfähigkeit an, so ist meist der Anionenteil des Mischbettharzes erschöpft. Als Folge bleibt zwar die Härte gering, der pH-Wert fällt jedoch in den sauren Bereich, da nun Kohlensäure teilweise nicht mehr entfernt wird.

Wird die Anlage mit korrekt erzeugtem demineralisiertem Wasser befüllt, stellt sich der pH-Wert nach kurzer Zeit in Abhängigkeit der in der Anlage vorhandenen Reststoffe ein, da diese sich in dem auch als Reinstwasser bezeichneten vollentsalzten Wasser lösen. Dies kann vor allem dann zu Problemen führen, wenn die Anlage vorher mit Säuren behandelt wurde. War die Anlage vorher mit Stadtwasser befüllt kann davon ausgegangen werden, dass sich noch Reste von Härtebildnern in der Anlage befinden, wodurch sich der pH-Wert im Bereich von 8,2 stabilisieren wird.

Zur Vereinfachung bieten einige Hersteller mittlerweile Patronen an, wo in einem Schritt das Wasser demineralisiert wird und gleichzeitig pH-Wert Stabilisatoren mit eingefüllt werden. Gerade in Verbindung mit Aluminium Bauteilen ist dies eine empfehlenswerte Wasseraufbereitung.

Eine andere, vom Autor bereits selber mehrfach erfolgreich eingesetzte Möglichkeit, ist die Verwendung eines elector Korrosionsschutzgerätes. Hierbei wird der pH-Wert nicht durch Alkalisierungsmittel stabilisiert, sondern durch die elektrochemische Bildung von Magnesiumhydroxid auf einen optimalen Bereich (max. 9,5 in Verbindung mit vollentsalztem Wasser) stabilisiert. In Kombination mit vollentsalztem Wasser ist die äußerst geringe Löslichkeit von Magnesiumhydroxid in Wasser (0,009 g/l) von Vorteil, wodurch es zu keiner unnötigen und unkontrollierten Aufsalzung bzw. Steigerung der Leitfähigkeit kommt. Ein Betrieb der Heizung mit salzarmen alkalischen Wasser ist so möglich.

Die elector-Korrosionsschutzgeräte sind Reaktionsbehälter für den konstanten Einbau in Heizungsanlagen. In diesen wird die Qualität des Heizungswassers stetig durch eine elektrochemische Reaktion aufbereitet – pH-Wert und Leitfähigkeit werden stabilisiert, gelöste aggressive Gase (z.B. Sauerstoff) werden gebunden, gelöste Verunreinigungen und Schwebstoffe abgeschieden und sogar Roststellen und Verschlammungen in der Heizung abgebaut. Ein sauberes und klares Wasser mit optimalen pH-Wert ist so langfristig gewährleistet. Zur Absenkung der Leitfähigkeit und Härte gemäß VDI 2035 ist jedoch auch hier der Einsatz von demineralisiertem Wasser notwendig.

Bild 6: Funktionsschema des electors

Bild 6: Funktionsschema des electors

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Sonderfall: Zugabe von Korrosionsschutz-Inhibitoren.

Werden Korrosionsinhibitoren eingefüllt, so muss die genaue Dosierung beachtet werden. Unter- oder Überdosierung können dem Heizsystem eher Schaden (örtliche Korrosion, Bildung von Biofilmen, versagen von Elastomerwerkstoffen (z. B. Ausdehnungsgefäßen), Verstopfungen und Ablagerungen) als nützlich sein. Aus den vorgenannten Gründen empfiehlt die VDI 2031 Bl.2 die Zugabe nur in Sonderfällen z. B. bei ständigem Sauerstoffeintrag durch offene Ausdehnungsgefäße. Eine erhöhte Verschlammung der Anlage ist zu erwarten, da die Inhaltsstoffe Ablagerungen lösen und diese damit Richtung Kessel / Pufferspeicher „verlagert“ werden.

Fazit

Die Erhaltung der Energieeffizienz und die Werterhaltung durch geeignetes Heizungswasser ist ein wichtiges Thema. Gerade bei neuen hocheffizienten Wärmeerzeugern wie z.B. BHKWs oder Brennwertheizungen, ist es aus Kundensicht nur verständlich seine Anlage mit „optimalem Heizungswasser“ zu betreiben. Aus Kundensicht bedeutet, dass wenn dieser bereit ist sein Geld in eine hocheffiziente Technologie zu investieren, die Anlage nicht mit ungeeignetem Wasser befüllt werden darf. Ungeeignet heißt im konkreten Fall mit normalem Trinkwasser für ca. 2 € pro m³. Hier ist die Anlage durch geeignete Maßnahmen sowie durch geeignetes Füll- und Ergänzungswasser während der gesamten Nutzungsphase vor Verkalkung, Korrosion bzw. Korrosionsschlamm zu schützen. Demineralisiertes Wasser stellt hier eindeutig eine Empfehlung aus Sicht des Autors dar, wenn die vorgenannten Punkte beachtet werden. Die starren Werte der VDI 2035 in der Praxis zu erreichen ist vielfach schwer – dennoch geben sie Orientierung im Hinblick auf tolerable Grenzwerte bei der Aufbereitung von Füllwasser. Es sei jedoch abschließend ausdrücklich darauf hingewiesen, die Gewährleistungsbedingungen des jeweiligen Herstellers in Bezug auf die Heizungswasserqualität zu beachten.

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Haben Sie Fragen zum Thema Heizungswasser senden Sie mir hierzu bitte Ihr Anliegen per E-Mail zu.

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