Dank seiner hohen spezifischen Wärmekapazität ist der Energieträger Wasser in pumpengesteuerten Heiz- und Kühlkreisläufen unverzichtbar. Moderne Anlagentechnik funktioniert jedoch nur dann dauerhaft optimal, wenn die Wasserqualität bestimmte Anforderungen erfüllt. Daher muss das Anlagenwasser ebenso als Systemkomponente betrachtet werden wie Wärmeerzeuger, Pumpen oder Ventile.
Luft im Anlagenwasser kann in einem schleichenden, langfristig wirkenden Prozess zu Betriebsstörungen führen, ohne dass die Ursachen auf den ersten Blick erkannt werden. Zu den negativen Auswirkungen zählen Strömungsgeräusche, Zirkulationsstörungen und eine ungleichmäßige Wärmeverteilung, aber auch die so genannte Rohrerosion und Korrosion sowie die hieraus resultierenden frei schwebenden Verunreinigungen und Materialschäden. Die Anforderungen an das Anlagenwasser sind in der VDI-Richtlinie 2035 „Vermeidung von Schäden in Warmwasser-Heizungsanlagen“ dargestellt.
Physikalisch bedingt befindet sich im Wasser immer eine bestimmte Menge an Luft, auch wenn die Anlage fachgerecht und sorgfältig installiert, befüllt und entlüftet wurde und das System geschlossen ist. Dabei muss begrifflich zwischen Luft und Gas unterschieden werden: Luft ist ein Gasgemisch, das aus Stickstoff, Sauerstoff und geringen Mengen anderer Gase besteht. Sowohl Stickstoff als auch Sauerstoff kommen in freier und in gelöster Zustandsform im Heizungswasser vor. Freie Luft wird üblicherweise in große, sichtbare Blasen sowie in kleine bis sehr kleine, als milchige Verfärbung sichtbare Mikroblasen mit einem Durchmesser von 0,05 bis 0,1 mm unterteilt. Die Konzentration der im Anlagenluft gelösten Luft ändert sich in Abhängigkeit von Druck und Temperatur. Diese physikalischen Zusammenhänge hat seinerzeit der englische Wissenschaftler William Henry (1774–1836) dargestellt. Er stellte fest, dass die Aufnahmefähigkeit des Wassers mit steigender Temperatur und fallendem Druck abnimmt und sich dadurch gelöste Luft freisetzt. Häufig werden die Löslichkeitswerte des Henryschen Gesetzes als konkrete Angaben über die Menge an gelöster Luft zugrunde gelegt. Henry beschrieb jedoch nicht den tatsächlichen Gas- bzw. Luftgehalt im Wasser, sondern lediglich den maximalen Löslichkeitsgrad im Gleichgewicht. Dieses wird erst nach einer ausreichend langen Kontaktzeit zwischen den Gasen und der Wasseroberfläche erreicht. Ein solcher Kontakt ist jedoch weder innerhalb einer geschlossenen noch einer offenen Installation uneingeschränkt gegeben. Unabhängig davon sollte jedoch grundsätzlich darauf geachtet werden, dass die Luftbeladung des Anlagenwassers möglichst gering ist und das System über eine fachgerecht ausgelegte und betriebene Druckhaltung verfügt.
Wie gelangt Luft in Heiz- und Kühlkreisläufe?
Als Füll- und Nachspeisewasser dient in den meisten Fällen Trinkwasser, in dem pro Liter etwa 11 mg Sauerstoff und 18 mg Stickstoff gelöst sind. Da dieser Lufteintrag kaum unterbunden werden kann, finden im System mit der Zeit verschiedene chemische und physikalische Prozesse statt, die Luft freisetzen. Dabei ist eine fachgerecht ausgelegte und betriebene Druckhaltung zur Vermeidung von Lufteintrag unerlässlich. Dennoch werden Membranausdehnungsgefäße häufig weder regelmäßig kontrolliert noch auf die jeweilige Anlagenhöhe eingestellt. Die richtige Druckhaltung wirkt der Blasenbildung entgegen und ist eine grundsätzliche Voraussetzung einer einwandfreien Systemfunktion. So hat eine Druckabsenkung die Freisetzung der im Füll- und Nachspeisewasser in gelöster Form enthaltenen Luft zur Folge. Hinzu kommt: Heizungsanlagen sind wasserdicht, aber nicht luftdicht. Durch Unterdruckbildung findet ein Einsaugen von Außenluft über Dichtelemente oder Verschraubungen statt. Die physikalisch bedingten Druckabfälle an Querschnittsverengungen von Rohrleitungen führen ebenfalls zur Freisetzung von Luft im Heiz- oder Kühlsystem. Auch zu klein bemessene Ausdehnungsgefäße können Unterdruck verursachen, etwa wenn das Anlagenwasser bei der Nachtabsenkung abkühlt.
Darüber hinaus führen hohe Temperaturen zur Freisetzung von gelöster Luft. Insbesondere an der wasserseitigen Kesselwand können Temperaturen oberhalb des Siedepunktes entstehen – ideale Verhältnisse für das Ausgasen von Luft. Es bilden sich Mikroblasen, die ohne geeignete Abscheidemaßnahmen im Volumenstrom verbleiben. Sie verfügen im Gegensatz zu großen Luftblasen über eine derart geringe Auftriebskraft, dass sie mit dem Volumenstrom mitgeführt werden, sich im System verteilen und daher besonders schwierig zu erfassen sind. Mikroblasen können überdies entstehen, wenn freie Luftblasen beispielsweise in Heizkörperventilen zerteilt werden. Zu den weiteren Faktoren für den Eintrag bzw. die Bildung von Luft gehören unter anderem chemische Reaktionen und Korrosion – etwa bei Werkstoffkombinationen und nicht langzeitbeständigen, vermehrt in Brennwertgeräten vorzufindenden Aluminiumlegierungen – oder permeable Anlagenteile wie Verbundrohre sowie Kunststoff- und Gummischläuche, die beispielsweise in Fußbodenheizungen vorkommen. Grundsätzlich gilt: Offene Systeme bieten Angriffsflächen für den Eintritt neuer Luft.
Warum ist die Luft im System so problematisch?
Enthält das Heizungswasser viel freie Luft, kommt es zu Zirkulationsstörungen und die Anlage kann nicht mehr alle Heizflächen gleichmäßig mit Wärme versorgen. Das beeinträchtigt die Effizienz des Gesamtsystems. Und da durch Diffusion oder Unterdruckbildung der Luftanteil stets erneuert wird, hilft eine manuelle Entlüftung immer nur kurzfristig. Gleiches gilt für einen hydraulischen Abgleich. Obwohl diese Maßnahme grundsätzlich sinnvoll ist, bietet sie bei luftreichem Heizungswasser keine befriedigende Lösung.
Luft im Verteilsystem zieht weitere Konsequenzen nach sich. Diese reichen von Strömungsgeräuschen über Pumpenkavitation bis hin zur Korrosion. Seit vielen Jahrzehnten werden im Heizungsbau unlegierte Eisenwerkstoffe eingesetzt, die nicht korrosionsbeständig sind. Zwar kann die Luft bzw. der im Wasser enthaltene und bei einer Erstbefüllung eingetragene Sauerstoffanteil reagieren und sich somit verbrauchen. Gelangt jedoch auf verschiedenen Wegen neuer Sauerstoff in das System, befeuert er die Oxidationsprozesse immer wieder. Die dadurch entstehenden Ablagerungen und der Rostschlamm werden mit dem Heizungswasser transportiert, reduzieren den Wärmeübergang und verursachen erhebliche Schäden an Umwälzpumpen, Thermostatventilen oder auch an Heizkesseln.
Lösungsansätze auch für kleine Anlagen
Ein möglichst luftarmes Wasser sowie eine fachgerecht ausgelegte und betriebene Druckhaltung sind zur Vermeidung von luftbedingten Problemen unerlässlich. Anlagen müssen zur Atmosphäre geschlossen sein, um vor allem die Sauerstoffaufnahme zu verhindern. Gleichzeitig gilt es, in jedem Betriebszustand und an jedem Betriebspunkt Unterdruck sicher zu vermeiden. Erst wenn diese Voraussetzungen erfüllt sind, kann eine sinnvolle Abscheidung von Luft sowie Ablagerungen aus dem Systemwasser erfolgen. Die Abscheidung erfolgt gezielt über geeignete Komponenten wie Entlüfter, Abscheider oder Vakuumentgaser. Freie Luft und Ablagerungen lassen sich zuverlässig mit mechanischen Entlüftungs- und Abscheidesystemen aus Heiz- und Kühlkreisläufen entfernen. Um darüber hinaus auch den Anteil gelöster Luft im Anlagenwasser dauerhaft zu minimieren, empfiehlt sich der Einsatz einer dynamischen Vakuum-Entgasung.
Insbesondere in kleinen Anlagen mit geringer statischer Höhe – etwa in Ein- und Zweifamilienhäusern – ist der Einsatz mechanischer Entlüftungs- und Abscheidesysteme unter technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten in der Regel ausreichend. Hier können bereits mit einem geringen Installationsaufwand sowie einem Investitionsvolumen von unter einem Prozent der Anlagenkosten hochwertige Abscheider für Luft, Mikroblasen, Schmutz und Schlamm eine zuverlässige Beseitigung von störenden Einflüssen gewährleisten. Der Einsatzbereich liegt je nach Ausführung bei Temperaturen von bis zu 100/110 bzw. 180 °C und einem Betriebsdruck bis zu 10 bar. Die Integration in das System kann dabei über Gewinde-, Klemmring-, Flansch- oder Schweißanschlüsse erfolgen und ist sowohl bei Neuinstallationen als auch im Bestand möglich.
Für eine bedingte Abführung der freien überstehenden Gasphase an die Atmosphäre im laufenden Betrieb oder bei Entleerungs- und Füllvorgängen sorgen automatische Groß- bzw. Schnellentlüfter, die in der Regel in Form eines T-Stückes auf ein Heizungsrohr aufgesetzt werden. Sie wirken demzufolge am Rand des Volumenstroms, wo sie große Luftblasen erfassen. Bestimmungsgemäß werden Großentlüfter an Anlagenhochpunkten eingesetzt, wo sich tendenziell die größte Zahl von Luftblasen sammelt. Sie können auch dort jedoch stets nur so viel Luft abführen, wie an dieser Stelle in freier Form und entsprechender Blasengröße vorhanden ist.
Die Entfernung von Mikroblasen aus dem Systemkreislauf erfolgt hingegen in Bereichen, an denen druck- oder temperaturbedingt gelöste Luft in freie Luft übergeht – also am besten in Dachheizzentralen oder hochliegenden Technikzentralen. Mikroblasenabscheider können ihre Wirkung optimal entfalten, wenn sie in unmittelbarer Nähe des Wärmeerzeugers im Vorlauf installiert werden. Hier entstehen aufgrund der hohen Temperaturen und des vergleichsweise geringen Löslichkeitsgrades von Luft die meisten Mikroblasen. Die Abscheider wirken dabei mit ihren Einbauten im Volumenstrom und können auf diese Weise den Großteil der Mikroblasen bereits an ihrem Entstehungsort abführen. Mit Hilfe eines größeren Querschnitts wird die Fließgeschwindigkeit des Anlagenwassers reduziert und gleichzeitig der Volumenstrom durch ein Drahtgeflecht geführt. Dies begünstigt die natürliche Absetzbewegung der Mikroblasen, sodass diese über das Entlüftungsventil entfernt werden können. Diese Produkte sind nicht auf die Abscheidung von Mikroblasen begrenzt, sondern können zusätzlich die Funktion von Großentlüftern übernehmen.
Vermehrter Aufwand bei größeren Anlagen wirtschaftlich
In eine dritte und letzte Kategorie zur Entfernung von Luft fallen so genannte Entgaser. Im Gegensatz zu ihren mechanisch arbeitenden Pendants entfernen sie nicht nur die freie Luft in verschiedenen Blasengrößen, sondern mittels physikalischer Prinzipien auch den im Anlagenwasser gelösten Luftanteil. Die Installation erfolgt dabei im Bypass. Aus wirtschaftlichen Gründen werden Entgaser, die das gesamte Spektrum zur Entfernung von Luft – also das Entlüften, Abscheiden und Entgasen – abdecken, üblicherweise in größeren Anlagen eingesetzt.
Um Anlagenkomponenten vor Rostschlamm und anderen Ablagerungen zu schützen und ihre Wirksamkeit und Lebensdauer zu erhöhen, empfiehlt sich die Verwendung von Schmutz- und Schlammabscheidern. Diese Produkte werden im Rücklauf von Wärmeerzeugern und Wärmeüberträgern ebenso wie vor sensiblen Verbrauchern eingesetzt. Ihr Funktionsprinzip ist dabei mit dem der Mikroblasenabscheider vergleichbar. Moderne Schmutz- und Schlammabscheider gewährleisten eine zuverlässige Abschlammung im laufenden Betrieb. In der Rücklaufleitung von Kühlsystemen werden zudem kombinierte Mikroblasen-, Schmutz- und Schlammabscheider eingesetzt. Diese Produkte übernehmen die Luft- und Schlammabscheidefunktionen in einer kompakten Armatur. Verwendung finden sie darüber hinaus in hoch liegenden Heizräumen und in Heizzentralen mit geringer statischer Höhe.
Indviduelle Lösungen durch breite Produktspektren
Die zunehmend komplexere moderne Anlagentechnik stellt steigende Ansprüche an die Qualität des Heizungswassers. Es sollte daher stets als eigenständige Systemkomponente betrachtet werden und muss mindestens den Anforderungen der VDI- Richtlinie 2035 entsprechen. Eine unerlässliche Voraussetzung zur Vorbeugung von luftbedingten Problemen ist eine korrosionstechnisch geschlossene Anlage mit fachgerecht ausgelegter und betriebener Druckhaltung. Nur so lässt sich Unterdruck im Anlagenbetrieb nachhaltig vermeiden und die Luftbeladung des Heizungswassers weitestgehend minimieren. Geschieht dies nicht, kann ein zu hoher und vor allem kontinuierlicher Lufteintrag Korrosion hervorrufen (Sauerstoff) und Zirkulationsprobleme verursachen (Stickstoff), was langfristig sowohl zu Komponentenschäden als auch zu einem niedrigeren energetischen Anlagenwirkungsgrad führen kann.
Zur Entfernung von Luft und Ablagerungen aus kleineren Heiz- und Kühlkreisläufen bietet der Markt heute eine Reihe von Lösungen an, die sich seit vielen Jahren in der Praxis bewährt haben und auf das jeweilige Objekt sowie den konkreten Anwendungsfall zugeschnitten werden können. Einige Hersteller haben für diesen Aufgabenbereich ein breites Angebot von Anlagenkomponenten – von der Druckhaltung über die Nachspeisung bis hin zur Entgasung und Abscheidung. Ein gemeinsamer Entwicklungs- und Fertigungshintergrund sorgt hierbei für gut aufeinander abgestimmte Produkte.
