Effizienzbremse Kalk im Visier

Millionen von Haushalten in Deutschland werden mit hartem, kalkhaltigem Wasser versorgt. Das war schon immer so, hängt der Gehalt der hauptsächlichen Kalkbildner Calcium und Magnesium im Trinkwasser doch vom Mineralgehalt des lokal verfügbaren Wassers und den gegebenen Bedingungen ab. Zum Thema wurde hartes Wasser für das SHK-Handwerk jedoch erst in den vergangenen 20 bis 30 Jahren – als sich aufgrund unserer veränderten Lebensweise und gewachsener Komfortansprüche die Technik veränderte: Denn je komplexer die installierte Haustechnik wurde, desto anfälliger erweist sie sich heute. Selbst kleinste Abweichungen vom Soll-Zustand wirken sich auf die Funktionstüchtigkeit und Effizienz aus. Und Kalk im Wasser bewirkt solche Abweichungen vom Soll-Zustand in vielfältiger Weise. Auch die VDI 2035 Blatt 1 „Steinbildung in Trinkwassererwärmungs- und Warmwasser-Heizungsanlagen“ beschreibt, warum das Thema Kalk uns heute stärker als zuvor beschäftigt:

• Ein zunehmendes Steinbildungsrisiko ist mit Inkrafttreten der Energieeinsparverordnung bei gleichzeitiger Entwicklung der Heiztechnik zu kompakteren Wärmeübertragungsflächen zu verzeichnen.
• Verschärfung der Vorschriften zur Vermeidung des Legionellen-Infektionsrisikos in Richtung höherer Trinkwarmwassertemperaturen (erhöhter Kalkausfall).

Wichtig zu wissen für den Betreiber wie für den Installateur: Schäden durch Kalkablagerungen können auftreten, wenn Auslegung/Planung, konstruktive Gestaltung, Betriebsbedingungen und Wasserbeschaffenheit nicht sorgsam aufeinander abgestimmt sind.

Temporäre und permanente Härte

Die Neigung zur Steinbildung wird primär durch die Konzentration der Härtebildner Calcium und Magnesium im Wasser beeinflusst. Umgangssprachlich wird auch vom Kalkgehalt eines Wassers gesprochen. Wenn Trinkwasser im Gebäude ankommt, befindet es sich in der Regel im sogenannten Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht. In diesem Zustand findet weder eine Auflösung noch eine Ausfällung von Kalk statt. Zu Kalkablagerungen (Steinbildung, Abscheidung von CaCO₃) kann es immer dann kommen, wenn Wasser erwärmt wird, das Erdalkali- (Magnesium, Calcium) und Hydrogencarbonat-Ionen (HCO₃^–) enthält. Mit steigender Temperatur nimmt die Tendenz der Steinbildung zu. Entscheidend für das Ausmaß der Steinbildung sind die Wasserbeschaffenheit und die Betriebsbedingungen.

Die Gesamthärte eines Wassers setzt sich aus der temporären (vorübergehenden) Härte und der permanenten (bleibenden) Härte zusammen. Die Gesamthärte ist eine Angabe der Konzentration von Ca²⁺, Mg²⁺, Sr²⁺ und Ba²⁺ (Erdalkali)-Ionen. Wegen der üblicherweise geringen Konzentration werden die letztgenannten Ionen in der Regel vernachlässigt. Chemisch wird die Wasserhärte in mmol/l angegeben. Die gebräuchlichste Bezeichnung ist in Deutschland jedoch Grad deutscher Härte = °dH.

1°dH-Härte entspricht per Definition 10 mg CaO pro Liter. Da der Kalk als Calciumcarbonat und nicht als Calciumoxid ausfällt, gilt: 1°dH in einem Liter Wasser = 17,8mg/l Calciumcarbonat. Enthält ein Liter Wasser 10°dH und diese fallen aus, entstehen 178 mg/l Stein. In Deutschland wird zwischen drei Härtebereichen unterschieden: Eingeteilt in die Härteklassen I bis III, erhalten 30 bis 40 % der deutschen Haushalte hartes bis sehr hartes Wasser:

• Härtebereich I: unter 8,4°dH (weiches Wasser)
• Härtebereich II: 8,4 bis 14°dH (mittelhartes Wasser)
• Härtebereich III: über 14°dH (hartes Wasser).

Unter rein technischen Aspekten ist ab 12 bis 14°dH ein Kalkschutz empfehlenswert. Vielfach wird jedoch das Enthärten des Wassers auf Werte des Härtebereichs I als eine deutliche Steigerung der Lebensqualität empfunden. Begründet wird dies durch das weichere Empfinden beim Duschen/Baden und den geringeren Putzaufwand.

Kalk hinterlässt hässliche Spuren

Kalkablagerungen sind für eine ganze Reihe von Prozessen in kommerziellen Gebäuden, z. B. Heizung, Dampferzeuger, Kühltürme, aus energetischen Gründen und hinsichtlich der Wirksamkeit der Systeme zu vermeiden. Mit hartem Wasser wird man aber auch im normalen Ein- und Mehrfamilienhaus auf eine harte Probe gestellt. Kalk hinterlässt seine Spuren auf Gläsern, Besteck, Duschabtrennungen, Perlatoren oder Oberflächen im Badbereich und in der Küche. Desgleichen werden Haushaltsgeräte sowie Rohrleitungen und Boiler von Kalkablagerungen beeinträchtigt.

Kalk beeinträchtigt die Effizienz der Heizungstechnik

Selbst im Einfamilienhaus ist der Wärmeerzeuger ein kleines, leistungsfähiges Kraftwerk, zunehmend auch mit integrierter Solarthermie-Nutzung. Nur exakt geregelte und aufeinander abgestimmte Kreisläufe, Pufferspeicher, Mischer, Wärmetauscher, Regelventile, Pumpen usw. sorgen für eine maximale Energieeffizienz. Wasserinhaltsstoffe im Wärmetransportmedium können in einem modernen Heizungssystem gleich mehrere Probleme verursachen:

• wärmedurchgangshemmende Ablagerungen
• Korrosionsvorgänge
• Korrosionsschlamm verstopft Komponenten.

Deshalb wird die Heizungswasserqualität immer wichtiger, da vor allem das Wasservolumen wächst und die Metalloberflächen und auch die Wasserräume in der Anlagentechnik immer kleiner werden. Eine Erstbefüllung des Heizungssystems kann entscheidend sein für den Wirkungsgrad der Anlage während der gesamten Lebensdauer. Insbesondere bedürfen neue hocheffiziente Heiz- und Kühlsysteme einer genauen Betrachtung. Da z.B. in Wärmepumpensystemen keine hohen Temperaturen gefahren werden, wird das Thema Vermeidung von Steinbildung häufig vernachlässigt. Wird bei niedriger Außentemperatur die elektrische Zusatzheizung zugeschaltet, kommt es zur Steinbildung. Und in Systemen, die als Heiz- und Kühlsysteme gefahren werden, kann es aufgrund der Temperaturen zu mikrobiellem Wachstum kommen. Diese Biofilme können eine mikrobiell induzierte Korrosion (MIC) verursachen.

Kalk reduziert die Solar-Ernte

Der klare Vorteil der Solarthermie – die Energiequelle ist praktisch unerschöpflich und sie kostet nichts – kann nur dann wirklich langfristig genutzt werden, wenn der Betreiber in die notwendige Ernte-Technik investiert. Die Gerätetechnik wird dabei intensiv diskutiert und bewertet, der Wärmeträger (Heizungswasser) und die zu erwärmende Trinkwasserqualität wird selten mit berücksichtigt. Es gilt jedoch: Verkalken Wärmetauscher, fällt die Ernte der Sonnenenergie deutlich bescheidener aus. Vergleichbar mit der Dämmwirkung unterschiedlicher Baustoffe kann die Wärmeleitfähigkeit verschiedener Werkstoffe (Materialien wie Kupfer, Aluminium, Edelstahl, Kalk, Zement-Putz u.v.m.) gesehen werden. Schon 1mm Kalkbelag reduziert den Wärmedurchgang um ca. 80 % – der Wirkungsgrad verringert sich um ca. 20 %.

Steinbildung in ­Trinkwasser­erwärmern

Mit zunehmender Inkrustation wird auch im Trinkwassererwärmer die Wärmeübertragung behindert. An den Wärmeübertragungsflächen kommt es deshalb zu unerwünschten Temperaturerhöhungen mit je nach Bauart der Trinkwassererwärmungsanlage unterschiedlichen Folgen:

• Wirkungsgradverschlechterung, Erhöhung der Abgastemperatur bis hin zu Materialschäden durch Überhitzung bei unmittelbar beheizten Anlagen
• Temperaturerhöhung der Heizelemente bis hin zum Durchbrennen bei elektrisch beheizten Anlagen
• Erhöhung des Strömungswiderstandes bei Durchfluss-Trinkwassererwärmern.

Generell führt die Steinbildung zu einer Abnahme der Wärmeleistung, sodass die geplante Austrittstemperatur und/oder der ausgelegte Volumenstrom nicht erreicht werden.

Kalk kann zu Hygieneproblemen führen

In allen mit Wasser betriebenen Systemen – Trinkwasser, Kühlwasser, Klimawasser, Schwimmbadwasser, Wasserattraktionen – muss auf Hygieneparameter wie pathogene Keime geachtet werden. Wichtig zu wissen ist: Kalk- und Salzbeläge sind ein hervorragender Nährboden für Keime und Biofilme und beeinträchtigen die Funktion von Anlagenkomponenten (z.B. Düsen, Tröpfchenabscheider usw.) und Dampferzeuger. Kalkbeläge entstehen in allen Befeuchtungssystemen durch Austragen (Versprühen, Verdüsen und Verdampfen) der Kohlensäure aus dem Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht. Verringert sich der Anteil der freien zugehörigen Kohlensäure, kommt es zur Steinbildung. Unter dem Gesichtspunkt der Hygiene ist deshalb der Einsatz von weichem, keimarmem Nachspeisewasser unverzichtbar – von Auswirkungen auf die Technik bzw. hygienischen Problemen durch Kalkablagerungen einmal abgesehen.

Kalkschutz: Stabilisierung oder Enthärtung

Das sind alles gute Gründe, warum immer mehr Menschen sich für das Thema Kalkvermeidung interessieren. Zum Erreichen dieses Zieles gibt es unterschiedliche Verfahren:

• Polyphosphat-Dosierung
• Ionenaustauschertechnik
• Membranverfahren (Nanofiltration, Umkehrosmose)
• geprüfte alternative physikalische Kalkschutzverfahren.

Die älteste Methode, Kalkabscheidungen zu minimieren, ist die Polyphosphat-Dosierung. Schon geringste Mengen – wenige Tausendstel Gramm je Liter Wasser – der verwendeten Mineralstoffe genügen, um die Härtebildner im Wasser zu stabilisieren. Beinahe ebenso alt und genauso bewährt ist die Ionenaustauschertechnik (Weichwasseranlagen); hierzu später mehr. Unter den Membranverfahren kommen im Ein- und Mehrfamilienhaus praktisch nur Osmoseanlagen zum Einsatz. Sie entfernen nicht allein die Kalkbildner, sondern alle Salze aus dem Wasser. Entsalztes Wasser wird zum Befüllen von Heizungsanlagen eingesetzt. Geprüfte alternative Kalkschutzanlagen schützen die Trinkwasserinstallation in Gebäuden dadurch, dass sie die Härte im Wasser durch eine gezielt herbeigeführte Kristallisation stabilisieren. Zu beachten ist, dass bei Härte-Stabilisierungsmaßnahmen – alternative Verfahren bzw. durch Dosieren von Polyphosphaten – die Steinbildung lediglich vermindert wird. Nur mit einer Enthärtung des Wassers kann die Steinbildung in jedem Fall weitestgehend verhindert werden.

Enthärtung per Ionenaustausch

Bei dieser Technik zur Wasserenthärtung werden durch ein spezielles Material (Ionenaustauscher) die Härtebildner Calcium und Magnesium gegen Natrium getauscht. Jeder Liter Ionenaustauscherharz hat eine festgelegte Austauschkapazität, das heißt, es können dem Wasser definierte Mengen an Härte entnommen werden und es werden ebenso definierte Mengen an Natrium dem Wasser zugefügt. Pro Grad deutscher Härte, das dem Wasser entnommen wird, erhöht sich der Natriumgehalt um 8,2 mg/l. Das Wasser wird durch den Austausch der Härtebildner Calcium- und Magnesium-Ionen gegen Natrium-Ionen weich. Die Menge der gelösten Salze bleibt bei diesem Austausch unverändert. Wird das Wasser als Trinkwasser verwendet, muss der Grenzwert für den Natriumgehalt von 200mg/l (Trinkwasserverordnung) beachtet werden.

Eine Weichwasseranlage besteht aus einer oder mehreren Harzflaschen mit dem Ionenaustauschermaterial, einem Steuerkopf, mit dem verschiedene Ventilstellungen ermöglicht werden, einer Steuereinheit und einem Solebehälter. Der Enthärtungsprozess läuft stets nach dem gleichen Schema ab:

Schritt 1: Das Ionenaustauscherharz befindet sich in der Natriumform, d.h., es ist regeneriert (frisch).

Schritt 2: Durchläuft das Wasser das Ionenaustauscherharz, absorbiert das Harz die Calcium- und Magnesium-Ionen; gleichzeitig wird eine adäquate Menge an Natrium-Ionen ins Wasser abgegeben (Ionenaustausch).

Schritt 3: Nach dem Verbrauch der Na⁺-­Ionen ist das Ionenaustauscherharz mit Cal­cium- und Magnesium-Ionen gesättigt.

Schritt 4: Die im Solebehälter bereitete Natrium-Lösung (aus Kochsalz [NaCl] und Wasser) wird anstelle des harten Wassers über das Ionenaustauscherharz geführt. Durch den Überschuss an Natrium-Ionen wird das Harz wieder in die Natriumform gebracht, d.h., das Ionenaustauscherharz absorbiert nun die Natrium-Ionen und gibt gleichzeitig die Calcium- und Magnesium-Ionen ins zu entsorgende Spülwasser ab.

Schritt 5: Das Ionenaustauscherharz (Harzbett) befindet sich in der Natriumform. Der Prozess kann wieder mit Schritt 1 beginnen, d.h., der Zyklus beginnt aufs Neue.

Da Weichwasseranlagen immer nur eine gewisse Menge Weichwasser produzieren können (abhängig von der Ionenaustauschermenge und der Kapazität) und dann regenerieren – also wieder ertüchtigt werden müssen – gibt es unterschiedliche Anlagenvarianten. Doch Achtung: Viele der am Markt angebotenen Varianten sind Industrieenthärter – und weil diese nicht eigensicher sind, ist das den Enthärter verlassende Wasser kein Trinkwasser mehr!

DIN 1988: Vorgaben für ­Trinkwasserenthärter

Gemäß DIN 1988–200 dürfen in Trinkwassersystemen nur Enthärtungsanlagen mit dem DIN DVGW-Prüfzeichen (Prüfgrundlage DIN EN 14743) eingebaut werden. Diese Weichwasseranlagen müssen folgende Kriterien erfüllen:

• maximaler Druckverlust bei Nenndurchfluss 1 bar
• PN 10 (Nenndruck)
• zusätzliche Desinfektion des Austauscherharzes bei jeder Regeneration
• der mengen- oder qualitätsabhängigen Steuerung ist eine Zeitsteuerung überlagert (vier Tage); die Kapazität der Anlagen ist so klein zu halten, dass sie im Zeitraum von drei Tagen erschöpft ist
• die Anlagen dürfen nur mit Sparbesalzung betrieben werden.

Die DVGW-Prüfungen beinhalten vor allem auch sehr strenge hygienische Kontrollen (z.B. Desinfektionsleistung bei verkeimten Ionenaustauschersäulen) bzw. hygienische Vorgaben für die eingesetzten Materialien. Ein im Ionenaustauschverfahren enthärtetes Wasser enthält nur noch Spuren von Calcium- und Magnesium-Ionen. Deshalb wird im Trinkwasserbereich durch Vermischen mit nicht enthärtetem Wasser eine Härte von 4 bis 8°dH eingestellt. So ist eine ausreichende Versorgung der Hausbewohner mit Mineralstoffen gewährleistet.

Trinkwasser-Pendelenthärter mit alternierender Fahrweise

Um die Standzeiten in den Enthärtersäulen ­signifikant zu verkürzen, hat BWT die alternierende Betriebsweise für Duplex-Enthärter entwickelt: Bei dieser Betriebsweise wird in kurzen Intervallen jede Säule mikroprozessorüberwacht separat angesteuert. Das zu enthärtende Wasser wird dadurch bei Betrieb im Wechsel über beide Säulen geführt. Sobald die vorgegebene Restkapazität erreicht ist, übernimmt die eine Säule den Betrieb, während die andere Säule in den Regenerationsmodus schaltet. Dadurch steht das Wasser nie lange in einer Säule, sondern ist immer in Bewegung und bleibt hygienisch frisch. Die Entwickler konnten mithilfe dieses Kurzzeit-Wechselbetriebs die bislang kürzeste Standzeit realisieren – und das verschafft maximale hygienische Sicherheit. Selbstverständlich verfügt die Anlage zudem über eine separate Hygieneschutzvorrichtung, die während der Regenerationszeit die Enthärtersäulen desinfiziert.

Fazit

Hartes, also mineralienhaltiges Wasser ist gesund, unter technischen, hygienischen und wirtschaftlichen Aspekten überwiegen aber die Schattenseiten. Kalkablagerungen bremsen die Effizienz moderner SHK-Technik aus. DIN DVGW-geprüfte Enthärter sind die Technik der Wahl, um eine Steinbildung weitestgehend zu verhindern.

Lesen Sie mehr zu diesem Thema auch im nachstehenden Interview.

Eine Übersicht der zurzeit mit dem DVGW-Zeichen zertifizierten Enthärtungsanlagen für die Trinkwasserinstallation können Sie als PDF-Datei bei den SBZ-Extras herunterladen:

https://www.sbz-online.de/tags/extras-zum-heft

Das sollten Installateure beachten

Die Anlage sollte so dimensioniert sein, dass aufgrund des Durchsatzes mindestens einmal täglich eine Regeneration erfolgt. Ist die Wasserentnahme z.B. in Ferienzeiten geringer, sollte eine Absperrarmatur für mindestens fünf Minuten voll geöffnet werden, bevor das Wasser wieder genutzt werden kann.

Für die Aufstellung der Anlage sollte der Installateur einen Ort wählen, der ein einfaches Anschließen an das Wassernetz ermöglicht. Ein Kanalanschluss (min. DN 50), ein Bodenablauf und ein separater Netzanschluss (230 V/50 Hz) in unmittelbarer Nähe sind erforderlich. Ist kein Bodenablauf und/oder Bauwerksabdichtung gemäß DIN 18195-5 vorhanden, muss eine separate Sicherheitseinrichtung (z.B. Wasserstopp) eingesetzt werden. Der Einbauort muss frostsicher sein und darf auch keine höheren Umgebungstemperaturen (>25°C) aufweisen.

Der Schlauch am Sicherheitsüberlauf des Solebehälters und der Spülwasserschlauch müssen mit Gefälle zum Kanal geführt oder in eine Hebeanlage eingeleitet werden. Nach DIN 1988 muss der Spülwasserschlauch mit mindestens 20mm Abstand zum höchstmöglichen Abwasserspiegel befestigt werden (freier Auslauf). Wird das Spülwasser in eine Hebeanlage eingeleitet, muss diese für eine Wassermenge von min. 2m³/h bzw. 35l/min ausgelegt und salzwasserbeständig sein.

Zum Einbau sind korrosionsbeständige Rohrmaterialien zu verwenden. Die korrosionschemischen Eigenschaften bei der Kombination unterschiedlicher Rohrwerkstoffe (Mischinstalla­tion) müssen beachtet werden – auch in Fließrichtung vor der Enthärtungsanlage. In Fließrichtung maximal 1m vor der Anlage muss ein Schutzfilter installiert sein – und dieser Filter muss funktionsfähig sein, bevor die Enthärtungsanlage installiert wird. Nur so ist gewährleistet, dass kein Schmutz oder Korro­sionsprodukte in den Enthärter gespült werden. Es ist auf jeden Fall auch zu prüfen, ob der Anlage ein Mineralstoff-Dosiergerät zum Schutz vor Korrosion nachgeschaltet werden muss.

Dipl.-Ing. Willibald Schodorf ist Prokurist und Leiter Technische Geschäfte bei der BWT-Wassertechnik GmbH in 69198 Schriesheim. Telefon (0 62 03) 73 73, willibald.schodorf@bwt.de, http://www.bwt.de