Wasser ist für den Heizungsbauer

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1 Dipl.-Ing. Willibald Schodorf * Perfektes Wasser sichert die Verfügbarkeit und Energieeffizienz moderner Heizanlagentechnik BWT: Die wichtigsten Aspekte der Heizungswasser-Aufbereitung Die alte VDI 2035 Blatt 1 (Ausgabe 2005) machte eindeutige Vorgaben bezüglich der Wasserhärte in Abhängigkeit des spezifischen Anlagevolumens einer Heizung beim Kom - promisspapier des BDH (Bundesindustrieverband Deutschland Haus-, Energie- und Umwelttechnik) mit dem ZVSHK (Zentralverband Sanitär Heizung Klima) entfallen diese klaren Vorgaben. Um so wichtiger ist es, dass der Heizungsbauer bei der Erst - befüllung einer Heizanlage alle Stolperfallen der Chemie und Physik des Wassers kennt und weiß, wie man sie umgeht. Auf der sicheren Seite arbeitet der Installateur allein mit perfektem Wasser : Einer Wasserqualität also, die keine störenden Ablagerungen erzeugt. Wasser ist für den Heizungsbauer nun wirklich nichts Besonderes. Doch weiß er, mit welch besonderem Medium er da Tag für Tag umgeht? Es lohnt sich, einmal genauer hinzuschauen. Denn Wasser ist ein phänomenaler Stoff. Gemessen an ähnlich kleinen Molekülen müsste Wasser bei ca C schmelzen und bei - 93 C schon verdampfen. Wasser fällt hier völlig aus dem Rahmen. Sein Eis schmilzt erst bei dem phantastisch hohen Wert von 0 C, und es ist über volle 100 Grad flüssig. An diesen Eckwerten hat der Schwede Anders Celsius im Jahre 1742 die heute in Europa gebräuch - liche Temperaturskala geeicht. Auch die abnorm hohe Wärmespeicherkapazität ist ein Verstoß des Wassers gegen die guten Sitten der Chemie bewirkt aber entscheidende klimatische Vorteile für das Leben auf der Erde. Kurz: In fast allen * Dipl.-Ing. Willi bald Schodorf, Leiter Technische Ge schäfte, BWT Wassertechnik GmbH, Schriesheim. Fax: (06203) vkf@bwt.de physikalischen Eigenschaften ist Wasser somit entweder einzigartig oder liegt bei Extremwerten. Für den Menschen ist Wasser die Grundsubstanz des Lebens (je nach Alter der Person liegt der Flüssigkeitsanteil zwischen 52 und 80 %) selbst die Wärmeregulation des menschlichen Körpers auf die Körpertemperatur von ca. 37 C wird durch Wasser ermöglicht. Ein Wassermangel (z. B. beim Sport mit hohem Schweißverlust) kann schnell zu Problemen führen, denn der Thermostat, der die Körpertemperatur überwacht, ist viel wirksamer als der Mechanismus, der den Wasserhaushalt reguliert. Weitere besondere Eigenschaften von Wasser: ist ein ausgezeichnetes Lösemittel für Salze, Gase und andere Flüssigkeiten; besitzt eine überdurchschnittlich hohe Wärmeaufnahmekapazität (deshalb wird es in Heizungen und Kühlanlagen zum Wärme- bzw. Kältetrans - port genutzt); besitzt eine überdurchschnittlich hohe Schmelz- und Verdampfungswärme (diese Abb. 1 Steinbildung und Verlust an Wasserraum im Primärwärmeübertrager beim Befüllen einer älteren und einer neuen Heizanlage. Abb. 2 Mittlere Steindicke nach alter und neuer VDI HEIZUNGSJOURNAL 1/2 2011

2 Eigenschaften werden z. B. bei der Verdunstungskühlung bzw. Dampfproduktion in der Technik eingesetzt); ist in sauberer Form ungiftig für Menschen und mit Blick auf die Umwelt auch ökologisch völlig unbedenklich. Neben diesen allgemeinen Eigenschaften des Wassers bedürfen auch Besonderheiten von Wasserinhaltsstoffen einiger Erklärungen: der ph-wert (hat einen sehr großen Einfluss auf Korrosionsvorgänge), das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht (ist entscheidend bei der Steinbildung), der Mineraliengehalt des Wassers (beeinflusst ebenfalls die Korrosion). Bleibt die Frage zu klären: Wie gelangen diese Inhaltsstoffe ins Wasser? Chemisch reines Wasser (H 2 O) besteht aus den zwei Elementen Sauerstoff und Wasserstoff. In der Natur gibt es jedoch gar kein chemisch reines Wasser: Regenwasser nimmt bereits aus der Atmosphäre unter anderem Kohlendioxid (CO 2 ) auf. Und beim Durchfließen der Bodenschichten reichert sich das Wasser dann mit immer größeren Mengen an Mineralstoffen an. Je nach Region findet man im Trinkwasser örtlich stark unterschiedliche Mengen an gelöstem Calcium, Magnesium, Eisen, Mangan usw. Im Heizkreislauf führen diese Stoffe unter Umständen zu technischen Störungen. Und sie mindern die Effi zienz der Heizung. Abb. 3 Wärmeleitfähigkeit unterschiedlicher Materialien. Heizungsanlagen: Zunehmend kompakter und komplexer Die bekannteste Warmwasserheizung Europas ist der Golfstrom. Dessen Wasser fließt mit einer Geschwindigkeit von ca. 36 km pro Tag vom Golf von Mexiko in Richtung Arktisches Meer. Stunde um Stunde werden so 100 km 3 Wasser bewegt, was einem gigantischen Quader mit Kanten von 10 km und einer Länge von m entspricht. Über die gesamte Strecke kühlt das Wasser um rund 20 C ab, die dabei freiwerdende Energie erwärmt die Umgebung (die freigesetzte Energie entspricht einem Kohlekraftwerk, das die gesamte Weltjahresproduktion an Kohle in einigen Stunden verfeuern würde). Im Einfamilienhaus ist die Wär meerzeugung ein kleines, leistungsfähiges Kraftwerk. Nur Abb. 4 Primär-Wärmeübertrager aus Aluminium: Reduzierte Wärmeleitfähigkeit durch Kalkablagerungen. exakt geregelte und aufeinander abge stimmte Technik sorgt letztendlich für eine hohe Energieeffizienz. Wasserinhaltsstoffe im Wärmetransportmedium Heizwasser können bekanntermaßen Probleme verursachen, z. B. aufgrund von wärmedurchgangshemmenden Ablagerungen, Korrosionsvorgängen, mit Korrosionsschlamm verstopfte Komponenten. Dass die Heizungswasserqualität immer wichtiger wird in modernen Heizungssystemen wächst das Wasservolumen, während die Metalloberflächen und auch Wasserräume der Wärmeübertrager immer kleiner werden, bei überdies ver - änderten Werkstoffkombinati - onen ist mittlerweile selbst dem Verbraucherschutz bekannt. Bereits die Erstbefüllung des Heizungssystems kann entscheidend sein für den Wirkungsgrad der Anlage während der gesamten Lebensdauer. Der in Abb. 1 geführte Vergleich Verlust an Wasserraum im Primär-Wärmeübertrager beim Befüllen zeigt den Unterschied der Steinbildung zwischen einer älteren Niedertemperatur-Heizung und einem neuen Brennwertkessel mit Pufferspeicher. Es ist ein wesentlicher Unterschied, ob 0,21 % oder 13,5 % (das ist das 64-fache) schon beim ersten Befüllen verloren gehen. Die VDI 2035 Blatt 1 (Ausgabe 2005) machte deshalb eindeutige Vorgaben bezüglich der Wasserhärte in Abhängigkeit des spezifischen Anlagevolumens beim Kompromisspapier des BDH mit dem ZVSHK vermisst man diese klaren Vorgaben. Leider fällt der Kalk nicht gleichmäßig in einer Ecke des Abb. 5 Der Schlamm- und Luft-Abscheider AQA therm SLA schützt die Heizungsanlage vor Folgeschäden durch Lufteintritt und Schlamm ablagerungen. HEIZUNGSJOURNAL 1/

3 Abb. 6 Geschützte ph-bereiche verschiedener Werkstoffe. Abb. 7 Veränderung des ph-wertes je nach Aufbereitung des Heizungswassers. Primär-Wärmeübertragers aus, sondern lagert sich besonders intensiv an den Wärmeübergangsflächen Flamme / Wasser ab. Eine Berechnung der mittleren Steindicke nach der alten VDI 2035 Teil 1 (Ausgabe 1994) ergibt selbst bei angenom mener gleicher Heizfläche des Primär-Wärmeübertragers das in Abb. 2 aufgeführte Resultat. Diese mittlere Steindicke wurde unter der Annahme berechnet, dass sich die gesamte Kalkmenge gleichmäßig auf der wasserberührten Heizfläche nie - derschlägt (s. VDI 2035 Blatt 1 Pkt. 4.2 / September 1994). Der VDI führte damals aus, dass lediglich eine mittlere Dicke der Kalkschicht von 0,05 mm toleriert werden könne wobei davon ausgegangen wurde, dass bei dieser geringen mittleren Dicke in den Bereichen mit der höchsten Wandtemperatur Kalkbeläge mit einer Dicke bis zu 0,5 mm entstehen können (s. VDI 2035 Blatt 1 Punkt / September 1994). Der Befund, dass sich häufig die gesamte Kalkmenge nur auf einer verhältnismäßig kleinen Fläche ablagert, hängt damit zusammen, dass die Kalkabscheidung auf einer belagfreien glatten Fläche sehr stark gehemmt ist und sehr viel leichter auf einer Fläche erfolgt, auf der bereits Kalk abgeschieden wurde. Erfahrungsgemäß sind das die Bereiche mit der höchsten Heizflächentemperatur. Kalk beeinträchtigt die Wärmeleitfähigkeit Sicherlich wird die Heizfläche nicht ganz so groß sein, wenn um möglichst kleine Primär- Wärmeübertrager einsetzen zu können Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie z. B. Alu- Legierungen, eingesetzt wurden (Abb. 3). Eine Veränderung der Wärmeleitfähigkeit in Abhängig keit vom Kalkbelag führt zwangs läufig zu stark veränderten Wand temperaturen (Abb. 4). Abgeplatzte Ablagerungen könnten mit Hilfe eines Schlammund Luft-Abscheiders (Abb. 5) aus dem Heizsystem entfernt werden die hohen Materialbeanspruchungen und der dadurch mögliche schnelle Ver- schleiß sind jedoch damit nicht behoben. Die hohen Wärme - stromdichten an frisch abgeplatzten Stellen sind im Vergleich zu den niedrigen Wärmestromdichten an Stellen mit noch anhaftenden Ablagerungen teilweise sogar als Siedegeräusche hörbar. Die Energie und die Kräfte, die dabei zu verarbeiten sind, sind in der Besonderheit des Wassers und seiner Verdampfungswärme begründet. Die Siedegeräusche sind Auswirkungen, die in etwa mit dem Aufbringen von Wassertropfen auf einer heißen Herdplatte vergleichbar sind. Der ph-wert und die Werkstoff-Frage Eine Beachtung der Qualität des Füllwassers ist aus den bisher genannten Gründen und den Vorgaben der Kesselhersteller, des VDI und des BDH notwendig. Perfektes Wasser ist ein Wasser, das keine stö - renden Ablagerungen erzeugt. Würde Wasser komplett enthärtet (also kleiner 0,1 dh, was im Dampfbereich schon immer gemacht wird), muss auf die Besonderheit des ph-wertes geachtet werden. In Niedertemperatur-Heizungen wurden vor allem Stahl und Kupferwerkstoffe verbaut; in modernen Anlagen werden auch Aluminiumverbindungen eingesetzt. Wichtig zu wissen ist: Jeder Werkstoff hat seine ph-besonderheiten, also ph- Bereiche, wo der Werkstoff geschützt ist (Abb. 6). Abb. 8 Typische ph-werte in SHK-Gewerken. Wird Heizungswasser aufbereitet, kann bezüglich des ph- Wertes das in Abb. 7 dargestellte Phänomen beobachtet werden. Diese Veränderungen sind für Chemiker leicht nachzu - vollziehen (Stichworte: versteckte Alkalität, freie Kohlensäure usw.) und laufen in jedem Heizungswasser ab. Das ist der Grund, warum die VDI 2035 Teil 2 eine Messung des ph- Wertes nach ca. 8 Wochen fordert. 46 HEIZUNGSJOURNAL 1/2 2011

4 Abb. 9 Korrosionsgeschwindigkeit in Abhängigkeit des Salzgehaltes. Dass ph-wert-veränderungen nicht nur für Werkstoffober - flächen (korrosions-chemisch) nach teilige Auswirkungen haben können, ist bekannt (Abb. 8). Auch für den Menschen ist der richtige ph-wert wichtig. So ist z. B. die Haut des Menschen zur Abwehr von Krankheitserregern leicht sauer (ph- Wert 5,5). Dieser Säuremantel kann durch Seifenwasser, das deutlich basisch ist, zerstört werden. Moderne Waschlo - tionen sind deshalb auf einen ph-wert von ca. 5 bis 5,5 eingestellt. Die Magenschleimhäute des Menschen sind bis zu einem ph-wert von 1 beständig, da dort unsere Magensäure (einer organischen Salzsäure vergleichbar) aktiv ist. Tritt Magensäure in die Speiseröhre aus (Sodbrennen), ist das schmerzhaft spürbar, denn die Speiseröhre ist für solche ph-werte nicht konzipiert. ph-werte, die für Aluminium unkritisch sind (z. B. ph- Wert 6,5 bis 8,5), sind für Stahl und auch für Kupferkomponenten manch mal kritisch. Dass aufgelöstes Kupfer (Kupferionen) bei Alumi niumkom po nen - ten zu einer ver stärkten kup - ferinduzierten Alumi niumkor - rosion führen kann und Stahl - komponenten nicht für einen ph-wert von 6,6 (das ist größer als 6,5) geeignet sind, ist bekannt. Jeder Heizungsbauer sollte sich also bei ph-wert-angaben von 6,5 bis 8,5 für den Kessel (z. B. BDH-Vorgaben bei Aluminiumkomponenten) vom Hersteller die Garantie geben lassen, dass bei einem ph-wert Abb. 10 Stromkreislauf des Korrosionsvorgangs.

5 Abb. 11 Eine ZVSHK-Konjunkturbefragung zur aktuellen wirtschaftlichen Lage zeigt die Stimmungs werte für die einzelnen Geschäfts felder. Unangefochten an der Spitze stand die positive Prognose für Kundendienst und Wartung mit + 16,3 %. Abb. 12 HBA bzw. HBA VE, MoRo und AQA therm BWT offeriert ein komplettes Programm zur Teil- und Vollenthärtung sowie zur optimalen Vollentsalzung. von 6,6 dem ge samten Heizsystem mit all seinen Werkstoffen nichts passiert. Die gültige VDI 2035 Teil 2 sowie die Vorgängerversion gehen per Definition von einem Mindest-pH-Wert von 8,2 aus. Bei diesem ph-wert gibt es kaum noch Kohlensäure im Wasser. Somit kann der Transport von Korrosionsprodukten (Kohlensäure löst Metalle Sie finden uns auf der ISH in Frankfurt ( März) in Halle Stand B 21. Wir freuen uns auf Ihren Besuch! außer Aluminium) aus dem gesamten Heizkreis zu den Heizflächen verhindert werden (dort fallen die gelösten Produkte ähnlich dem Kalk aus). Ein perfektes Wasser im Sinne des Gesamtsystems (auch bei Aluminiumkomponenten) ist reines Wasser ohne Mineralien und Gase. Dabei ist es wichtig, dass auch die gelösten Gase (Sauerstoff, Stickstoff und Kohlendioxid) entfernt werden. Dies geschieht, wenn bei Betriebstemperatur (also Heiztemperatur) entlüftet wird was bei jeder Inbetriebnahme selbstverständlich ist. Dass der Mineraliengehalt einen wesentlichen Einfluss auf die Korrosion bzw. auch die Korrosionsgeschwindigkeit hat, zeigt Abb. 9. Die VDI 2035 Teil 2 sowie schon zuvor alle relevanten Normen, die sich mit dem Wärmetransportmedium Wasser beschäftigen, empfehlen daher salzarmes Wasser zum Schutz der Werkstoffe (Abb. 10). Selbst geringe Sauerstoffkonzentrationen können so toleriert werden. Wird bei der obligatorischen Wartung moderner Brennwerttechnik diese zu beauftragen ist Aufgabe des Betreibers, der Heizungsbauer muss ein entsprechendes Angebot erstellen nicht nur die Rauchgasseite und der Kondensatablauf gesäubert, sondern auch das Ausdehnungsgefäß bzw. die Druckhaltung fachmännisch kontrolliert, ist auch das sichergestellt. Fazit: Heizungsbauer sind für den Endkunden die Experten für Energieeffizienz und Nachhaltigkeit, und sie werden im Markt der Gebäude- und Energietechnik zukünftig eine immer wichtigere Rolle spielen. Sie entscheiden über die Qualität des Transportmediums Hei- zungswasser für die Wärme in einem Gesamtsystem. Zur Vermeidung von energieverschwendenden Ablagerungen und Korrosionsproblemen sind ein perfektes Wasser (Abb. 12) und die jährliche Kontrolle des Systems notwendig (Abb. 11). Salzarmes Wasser ist für alle Systeme richtig; für Systeme mit Aluminiumkomponenten ist das sogar eine Notwendigkeit. Eine ZVSHK-Konjunkturbefragung zur aktuellen wirtschaftlichen Lage zeigt die Stimmungswerte für die einzelnen Geschäftsfelder. Unangefochten an der Spitze stand die positive Prognose für Kundendienst und Wartung mit +16,3 %. Das zeigt: Fachunternehmen für Wasser und Wärme können grundsätzlich positiv nach vorne schauen. Mit perfektem Wasser und Wartungsverträgen sind diese Handwerksunternehmen stets auf der richtigen und sicheren Seite. 48 HEIZUNGSJOURNAL 1/2 2011