Sichere Wasseraufbereitung in modernen Heizungsanlagen

Die Erstauflage der VDI 2035, der Richtlinienreihe zur „Vermeidung von Schäden in Warmwasser-Heizungsanlagen“, ist in den 1950er-Jahren erschienen. Jeder sollte meinen, dass das Thema Heizungswasser und dessen Qualität nach dieser langen Zeit und verschiedenen Überarbeitungen im Markt angekommen ist. Jedoch gibt es aktuell kaum ein Thema, das die Fachleute mehr bewegt. Es scheint, als gäbe es noch immer große Herausforderungen und offene Fragen, die im Zusammenhang mit dem Heizungswasser stehen. Doch warum? Hat sich seit mehreren Jahrzehnten nichts verändert in der Heizungstechnik? Technologische Innovationen gab es ohne Zweifel, aber dieses Thema scheint nicht davon betroffen.

Beim Blick zurück in die 1960er- oder 1970er-Jahre wird klar, dass sich die Heizungstechnik und ihr Umfeld stark gewandelt haben. Wärmeerzeuger sind heute bei Weitem kompakter. So wurden großvolumige Gusseisenöfen, in denen die Schwebstoffe und Rußpartikel noch Raum hatten, sich überall abzusetzen, zu kompakten wandhängenden Brennwertgeräten, die nur einen Bruchteil des Platzes in Anspruch nehmen. Die Effizienz konnte und musste gesteigert werden, was aufgrund stetig steigender Brennstoffkosten und der notwendigen Reduzierung der Umweltbelastung mit Brennstoffrückständen notwendig war.

So wurden vor 25 Jahren Wärmeerzeuger mit einem Normnutzungsgrad von 88 % verbaut. Doch diese heute noch zu installieren, ist nicht mehr zulässig. Weiterer Fakt: Die Materialforschung brachte neue Werkstoffe und Werkstofflegierungen hervor. Durch die Entwicklung neuer Materialien konnte die Wärmeleitfähigkeit der Wärmetauscher verbessert und somit die Effizienz optimiert werden. Nicht zu vergessen ist hierbei die Umweltverträglichkeit im Betrieb sowie die Einhaltung der Grenzwerte der TA Luft, der „Technischen Anleitung zur Reinhaltung der Luft“. Zahlreiche weitere Neuerungen in anderen Teilbereichen der Heiztechnik haben ebenso zur maßgeblichen Entwicklung des Wirtschaftszweigs beigetragen.

Die Wärmetauscher sind heute ebenfalls viel kompakter. Auch die Veränderungen in der Anlagentechnik sind allgegenwärtig. So haben die Heizsysteme von heute ein vollkommen neues Erscheinungsbild. Das Anlagenvolumen ist durch die Einbindung von Flächenheizsystemen sowie Pufferspeichern für die Einbindung von Solarthermie und regenerativen Energien (beispielsweise Geothermie, Mini-BHKW, KWK) deutlich gewachsen. Ein Beispiel: Im Einfamilienhaus wurden aus 100 bis 200 l Kreislaufwasser vor 25 Jahren gut und gerne 1000 l Füllmenge und mehr. In größeren Systemen, so bei Mehrfamilienhäusern oder Bürogebäuden, auch 5 bis 10 m³ Heizungswasser. Damit sollte klar werden – nach dem Motto „Die Dosis macht das Gift“ –, dass in dem vorgenannten Beispiel alle wasserberührenden Bestandteile des Heizungskreislaufes mit der fünf- bis zehnfachen Menge der teilweise schädlichen Wasserinhaltsstoffe belastet werden.

Die Rolle der Härtebildner

Betrachtet der Fachmann von den im Wasser befindlichen Wasserinhaltsstoffen die Gesamthärte, so können je 1 m³ Wasser und je 1 °dH insgesamt 17,9 g an Härtebildner ausfallen. Bei 15 °dH Härte und 200 l sind dies wie im Beispiel 53,7 g. Bei einem modernen System und einem auf ca. 2 m³ Heizungswasser gestiegenen Systeminhalt sind dies in Form von Ablagerungen 537 g, die sich vorzugsweise an den Stellen der geringsten Fließgeschwindigkeit und der höchsten Temperatur bilden. Also in allen wasserberührten Komponenten einer Heizungsanlage. Neben einem erhöhten Energiebedarf von 10 bis 15 % sind veränderte Wärmeleitfähigkeiten und Materialtemperaturen, gegebenenfalls mit Gefügeveränderungen, Siedegeräusche und Spannungsunterschiede bis zur Rissbildung die Folgen.

Die Hauptbestandteile des sogenannten Kesselsteins sind Kalk (Calciumcarbonat CaCO₃), Calciumsilikat (CaSiO₃), Calciumphosphat (Ca₃(PO₄)₂) und Calciumsulfat (Gips CaSO₄) sowie die entsprechenden Magnesiumsalze. Dieses Gemisch sorgt in der gesamten Anlagentechnik für eine Reduzierung der Effizienz. So bewirkt ein harter Belag von 1 mm Stärke einen Mehraufwand an Primär- und Hilfsenergie von 10 bis 15 %. Hinzu kommen die Reduzierung der Dehnungsfähigkeit der Metalle, Spannungsrisse (bevorzugt an Edelstahl-Wärmetauschern) oder die Veränderung der Durchflussmengen durch verengte Rohrdurchmesser und verstopfte Thermostatventile, die für Probleme im hydraulischen System sorgen. Doch nicht nur harte Ablagerungen machen dem Heizsystem zu schaffen. „Weiche Ausfällungen“ wie z. B. Calciumphosphat legen sich in Form von Schlamm in den unteren Bereichen von Heizkörpern und Pufferspeichern, aber auch in Fußbodenheizungsrohren ab und führen zu Effizienzverlusten, hydraulischen Problemen – oder bei Stahlbauteilen sogar zu Korrosion. Bild 6 ist zu entnehmen inwieweit das Anlagenvolumen und der Härtegrad des Kreislaufwassers sich auf die Menge der ausfallenden Wasserinhaltsstoffe auswirken.

Betrachtet ein Experte beispielhaft ein mittleres Mehrfamilienhaus aus den 1990er-Jahren mit 110 kW Heizlast, ausgestattet mit Plattenheizkörpern, so erhält man einen Gesamtwasserinhalt der Anlage von ca. 1 m³. Wird im Zuge einer Modernisierung ein moderner Gasbrennwertkessel installiert (Wasserinhalt ca. 8 l), so ergibt sich ein Verhältnis Wasserinhalt Gerät zur Anlage von 1 : 140. Hier zeigt sich, mit welchen Wassermengen und den dazugehörigen Inhaltsstoffen die Kesselkörper belastet werden.

In den letzten 25 Jahren hat sich nicht nur die Energieeffizienz der Kesselanlagen verbessert. Auch die erforderliche Heizleistung ist aufgrund der höheren energetischen Qualitäten moderner Wohnbauten drastisch gesunken. Dieses mit der Folge, dass die Kesselgröße insgesamt kleiner geworden ist und das Problem des Schadstoffeintrages in die Kesselanlage sich verstärkt.

Während der Lebensdauer einer Heizungsanlage wird davon ausgegangen, dass das Zwei- bis Dreifache des Anlagenvolumens als Ergänzungswassermenge, bedingt durch Umbauten oder Undichtigkeit, nachgespeist werden muss. Die VDI 2035 spricht von einer zweifachen Ergänzungswassermenge für Undichtigkeiten, Ausgasungen und Umbau- bzw. Reparaturarbeiten zzgl. der Erstbefüllung innerhalb eines Lebenszeitraums von heute angenommenen 15 Jahren. Somit würde allein rechnerisch die doppelte Menge an Wasserinhaltsstoffen, die zu Ablagerungen, aber auch zu Korrosionen führen können, hinzukommen.

Die Realität sieht jedoch häufig erschreckender aus. Durch Entlüftungsmaßnahmen, nicht komplett diffusionsdichte Membranausgleichsgefäße, nicht diffusionsdichte Kunststoffleitungen diffusionsgefährdete Dichtungen, Pressfittinge, Gewindebereiche, Mischinstallationen und das unterschiedliche Alter der Installationen wird nicht selten das Vier- bis Sechsfache an Heizungswasservolumen ergänzt. Außerdem werden die Anlagen meist unkontrolliert über Schlauchverbindungen nachgespeist. Aus Gründen der Bequemlichkeit und eingeschränkten Wartungsintervalle werden oft automatische (differenzdruckgesteuerte) Nachspeiseeinrichtungen verbaut. Damit ist dann niemand mehr im Bild darüber, wie viel Ablagerungs- und auch Korrosionspotenzial tatsächlich nachgespeist wird.

Um Abhilfe zu schaffen und Schäden zu minimieren, ist eine Anlagenspülung sinnvoll. Die übliche Vorgehensweise sieht die Spülung mit Stadtwasser vor, was zwar die Verschlammung aus dem Systemkreislauf herausspült, nicht aber festsitzende Ablagerungen. Im Ergebnis erhält man wieder klares Heizungswasser und denkt, der Fachmann ist am Ziel angekommen. Doch das ist ein Trugschluss. Schon nach wenigen Wochen im Betrieb zeigen sich erneut die gleichen Probleme. Begründet ist das darin, dass mit dem Spülwasser neue Wasserinhaltsstoffe eingetragen werden und erneut zu Ausfällungen der Wasserinhaltsstoffe führen. Letztendlich werden die Ablagerungen mit solchen Spülungen weiter verstärkt.

Doch die Wasserqualität betrifft nicht nur den Wärmeerzeuger. Jedes Jahr streift der Hausmeister pünktlich zum Start der Heizsaison mit einem Hammer ausgestattet durch die Wohnungen eines Mehrfamilienhauses. Er befreit die Thermostatventile mit einem leichten, aber gezielten Schlag von Ablagerungen und Magnetit. Diese Ablagerungen haben die Komponenten vorübergehend stillgelegt. Denn die stecknadelkopfgroßen Durchlässe moderner Thermostatventile haben mit denen vergangener Jahrzehnte nichts mehr zu tun und zeigen, dass alle Komponenten im System zu betrachten sind.

Die Rolle der Korrosion

Betagte Heizungsinstallationen wurden meist in Schwarzstahl ausgeführt. Heute sind praktisch alle Materialien verbaut: Kupfer, Stahl, Schwarzstahl, C-Stahl, Edelstahl, Rotguss, Kunststoff oder Mischmaterialien sowie Legierungen. Hier ist es schwer, einen goldenen Mittelweg zu finden, der allen Materialien in der Installation gerecht wird.

Darüber hinaus herrscht in allen Bereichen massiver Preisdruck bei Material und Arbeitsleistung, was es in Hinblick auf den europäischen Binnenmarkt und sich daraus ergebende nationale Qualitätsunterschiede für den Fachhandwerker nicht einfacher macht. Die Auswirkungen einer schlechten Installation werden in der Regel erst dann erkannt, wenn der Schaden bereits sichtbar oder messbar ist. Hieraus ergeben sich auch im Hinblick auf die Vermeidung von Korrosionen die unterschiedlichsten Anforderungen an das Füll- und Ergänzungswasser wie auch an das Kreislaufwasser der Heizungsanlage.

Aber auch weitere Wasserinhaltsstoffe, wie z. B. Sulfate (Salze der Schwefelsäure), Nitrate (Salze der Salpetersäure) und Chloride (Salze der Salzsäure), tragen je nach Konzentration und der restlichen Wasserzusammensetzung zur Korrosion bzw. zur Erhöhung der Korrosivität gegenüber den installierten Materialien in der Heizungsanlage bei.

So ist z. B. Normalstahl gegenüber Wasser mit einem Chloridgehalt von bis zu 80 mg/l (bei Abwesenheit von Karbonathärte und Temperatur) beständig. Liegt jedoch eine Karbonathärte von > 5 °dH vor, reduziert sich die Beständigkeit bereits auf 50 mg/l. Wird zusätzlich die Temperatur auf 80 °C erhöht, reduziert sich die Beständigkeit des Normalstahls auf nur 5 mg/l.

Das Blatt 2 der VDI 2035 hat dem bereits in der überarbeiteten Version aus 2009 die notwendige Bedeutung zukommen lassen. Jedoch fehlte es bisher an lösungsorientierten und insbesondere qualitätsgesteuerten Produkten.

Die Rolle der Bakterien

Fußbodenheizungen werden mit niedrigen Vor- und Rücklauftemperaturen gefahren. Auch beim reduzierten Temperaturniveau dieser Heizungen muss umgedacht werden. Es schafft ein optimales Milieu für Bakterien. Bakterien und Keime sind in jedem Trinkwasser vorhanden. Gemäß der Trinkwasserverordnung sind 100 KBE (koloniebildende Einheiten) je 100 ml erlaubt. Finden diese Bakterien ausreichend Nahrung (z. B. organische Weichmacher aus Kunststoffmaterialien) und ein ideales Lebensumfeld (niedrige Temperaturen von 25 bis 40 °C), vermehren sie sich innerhalb von 24 bis 48 Stunden durch Zellteilung. Hierzu ist Sauerstoff nicht zwingend notwendig. Es gibt Arten von Bakterien und Keimen, die gänzlich ohne Sauerstoff, nur mit Sauerstoff oder sowohl mit wie auch ohne Sauerstoff leben können.

Zur Veranschaulichung des Wandels in der Heiztechnik zeigt die Kreislaufwassertemperatur heute deutlich, was sich alles verändert hat. Noch vor 30 Jahren waren 60 bis 80 °C keine Seltenheit und der Fachmann sprach von totem Wasser im Heizungskreislauf.

Trinkwasser wird nach Vorgabe der Trinkwasserverordnung bei 26 und 36 °C bebrütet (die idealen Temperaturen für optimales Wachstum). Die Vorlauf- und Rücklauftemperaturen moderner Brennwertgeräte liegen auf einem ganz ähnlichen Temperaturniveau.

Das Tückische an einer zu hohen Keimbelastung im Heizungswasser sind die chemischen Reaktionen, die daraus resultieren. Bei der Nahrungsverarbeitung werden von den Bakterien Säuren abgeschieden, die in einem geschlossenen Kreislauf zwangsläufig zu einem Abfall des pH-Wertes im Wasser führen. Ein pH-Wert von ca. 5 ist dabei keine Seltenheit. Ein unangenehmer, stechender Geruch bei austretendem Kreislaufwasser ist ein Hinweis auf eine Bakterienbelastung.

Die Folge eines zu niedrigen pH-Wertes sind starke Korrosionsschäden, vor allem an Stahlinstallationen. Sichtbar wird eine schwarze Partikelbelastung in Verbindung mit einem Anstieg des Eisengehaltes im Kreislaufwasser. Hinzu kommt die Bildung eines sogenannten Biofilms. Liegt dieser vor, ist wie bei einem mineralischen Belag eine Reduzierung der Wärmeübertragung und somit ein Mehrverbrauch des Brennstoffs gegeben.

An dieser Stelle ist festzuhalten, dass es falsch ist, fortlaufend ein Biozid zu dosieren, was eine kompetente sowie verantwortungsbewusste Fachfirma auch nicht empfehlen würde. Dennoch ist eine kurzzeitige Stoßbehandlung mit einem Biozid zur Reinigung und zum Abtöten von Bakterien und Keimen mit anschließendem Ablassen und einer Neubefüllung oder kontrolliertem Wasseraustausch die richtige Lösung.

Die Rolle des Magnetits in Heizsystemen

Die schwarzen Partikel in Bild 11 bestehen aus Magnetit. Magnetitbildung erfolgt in jedem Heizungssystem, wenn es nach der Befüllung zu einem Sauerstoffmangel im Wasserkreislauf kommt. Schon bei der Neuinstallation, der abschnittsweisen Druckprobe mit Wasser und einer im Anschluss ausgebliebenen Spülung des Systems kommt es zu einem nicht unerheblichen Eintrag von Eisen. Über die Zirkulation im Heizkreislauf bildet sich das Eisenmischoxid Magnetit (Fe₃O₄) als schwarzer Schwebstoff. Die Teilchen sind überwiegend sehr klein (< 1 µm) und schlagen sich als schmieriger Belag nieder. Damit werden vor allem Störungen an Regelarmaturen und Pumpen sowie erhebliche Wärmeübertragungsverluste verursacht.

Insbesondere Hocheffizienzpumpen nehmen bei dieser Kreislaufwasserqualität relativ schnell Schaden. Aufgrund der aktuell geltenden Energieeinsparverordnung EnEV und des Energieeinsparungsgesetzes EnEG dürfen aber nur diese Pumpen verbaut werden. Anders als „alte“ Pumpen arbeiten die Hocheffizienzpumpen mit Dauermagneten, die ständig das Magnetit aus der Anlage „heraussammeln“ und infolgedessen bei schlechter Kreislaufwasserqualität nach kurzer Zeit den Dienst einstellen. Gewährleistungsübernahmen werden beim Ausfall durch Magnetitbelastung von den Pumpenherstellern oft abgelehnt. Das Fachhandwerk weiß sich aber heute mit Reinigungsmaßnahmen zu helfen.

Statement zur innovativen Heizungstechnik

Hersteller- und markenübergreifend kann man besonders für geschlossene Heiz- und Kühlkreisläufe festhalten: Die Anlagentechnik war noch nie so anspruchsvoll, die Systeme noch nie so komplex und die Anlagenvolumina noch nie so groß wie heute. Die aktuellen Heizungskomponenten lassen sich hinsichtlich der Technologie wie auch der Sensibilität gegenüber den vorgenannten Wasserinhaltsstoffen nicht mit den Komponenten von vor 20 oder 30 Jahren vergleichen.

Energieeinsparverordnung

Dem Thema Wasser wird immer mehr Bedeutung zugesprochen. Das geschieht zum Beispiel durch die Energieeinsparverordnung (EnEV). Die benötigte Wärmeenergie wurde im Neubau von heute drastisch reduziert – und zum Großteil durch eine moderne Gebäudehülle realisiert: Um die Transmissionsverluste zu verringern, wurde die Dämmung der Hüllfassade verbessert.

Hier ist technologisch wie wirtschaftlich ein maximal vertretbares Maß erreicht. Für eine weitere energetische Optimierung rücken somit weitere Bauteile des Hauses in den Fokus. Vor allem die Heizungstechnik ist hier beispielhaft zu nennen. Durch die starke Reduzierung der benötigten Heizenergie gewinnt die Hilfsenergie deutlich an Bedeutung. Bei der Bestimmung des Gesamtenergiebedarfs muss diese also mit in die Berechnung einfließen. Die Hilfsenergie versorgt in Form von elektrischer Energie die Pumpen, Lüfter, Brenner und die Steuerung der Anlagentechnik. Das Wärmeträgermedium Wasser hat in der Heizungsanlage die Aufgabe, die Wärmeenergie zu transportieren. Wenn jedoch Verschlammung und Ablagerungen dies erschweren, steigt zwangsläufig der Hilfsenergiebedarf. Die Folge: Der Gesamtenergiebedarf wird negativ beeinflusst. Hinzu kommt, dass durch Steinbildung an den Wärmeübertragerflächen die Verluste (und der Heizenergiebedarf) beachtlich steigen. Dieser schleichende Prozess reduziert die Effizienz aller Systemkomponenten. Die Antwort der EnEV ist zu diesem Thema einfach gehalten: Die Energieeffizienz der Anlage muss aufrechterhalten werden.

Ökodesign-Richtlinie

Die 2015 in Kraft getretene Ökodesign-Richtlinie (ErP) verändert die Situation in der gesamten Europäischen Union. Die Richtlinie stellt Mindestanforderungen an Energieeffizienz, Schallleistungspegel und Wärmeschutz für Wärmeerzeuger und Wärmespeicher. Somit dürfen keine Geräte vertrieben werden, die nicht den ErP-Mindestanforderungen an Energieverbrauch und Umweltentlastung entsprechen. Eine Einhaltung der EU-Richtlinie wird durch die CE-Kennzeichnung sowie durch Labormessungen bestätigt. Ziel der Richtlinie ist die Reduzierung von Energiekosten und schädlichen Kohlenstoffemissionen. Weiter soll der Ausbau energiefreundlicher Technik gefördert werden. Einen Beitrag dazu leisten Hocheffizienzpumpen, die Pflicht für jeden Wärmeerzeuger sind.

Wo wird also die Reise hingehen? Das Zurück zu größeren Kesseln oder Ähnlichem ist sicher keine Option. Vielmehr ist bei allen Beteiligten ein Umdenken in Hinblick auf die Anforderungen der Heizungswasserqualität, die Umsetzung dieser Anforderungen, ihre Einhaltung und Dokumentation nötig. Insofern sind Industrie, Planer, Fachhandwerk als auch Endkunden gefordert, gemeinsam eine praxisbezogene und umsetzbare Lösung zu erarbeiten.

Im zweiten Teil des Beitrags zeigt der Autor welche Herausforderungen den Installateur bei der Befüllung des Kreislaufes erwarten und wie sich die Umsetzung in der Praxis gestaltet?

Marcus Bernhardt ist Produktmanager für die Produktbereiche Wasseraufbereitung, Gasbrennwert (Entry Level), Mikro-KWK, Heizwert und Abgassysteme bei Brötje. E-Mail: info@broetje.de www.broetje.de