Heiz- und Kühlwasser aufbereiten: So verhindern Sie Korrosion und Steinbildung

Steinbildung, Korrosion und Magnetit sind häufige Schadensursachen bei Problemen an der Heizungsanlage. Die VDI 2035 gibt aus diesen Gründen Richtwerte für das Heizungswasser vor. Diese stellen die Grundlage vieler Garantiebedingungen dar - welche Planer, Installateure und Betreiber stets im Auge haben sollten. Werden die vorgegebenen Richtlinien nicht eingehalten, kann der Hersteller die Inbetriebnahme verweigern, ebenso den Garantieanspruch im Schadensfall. Außerdem drohen und Leistungs- und Effizienzverluste.

Die Heizwasseraufbereitung ermöglicht die Einhaltung der vorgegebenen Werte der VDI 2035. Diese unterscheidet zwischen Wasseraufbereitung und Wasserbehandlung. Aufbereitetes Heizungswasser ist enthärtet und/oder entsalzt und zusätzlich von Feststoffen und Magnetit befreit. Wasserbehandlung bedeutet, dass chemische Mittel, sogenannte Inhibitoren zugesetzt werden. Die VDI-Richtlinie sieht dies allerdings nur in Ausnahmefällen vor. 

So entstehen Korrosion und Steine im Heizwasserkreislauf

Für Korrosion und Steinbildung sind vier Komponenten im Heizwasserkreislauf maßgeblich verantwortlich: Wasserhärte, gelöste Gase, pH-Wert und Leitfähigkeit.

• Wasserhärte 
  Die Wasserhärte (Kaltgehalt) in Verbindung mit der Füll- und Ergänzungswassermenge sowie der Wandtemperatur des Wärmeerzeugers sind maßgeblich für die Steinbildung in der Heizanlage verantwortlich. Dabei gilt: Je höher die Temperatur, desto höher die Steinbildungsgefahr. 

• Gelöste Gase 
  Bei den gelösten Gasen hat Sauerstoff den mit Abstand größten Einfluss auf die Korrosivität. Tritt zu viel Sauerstoff in die Heizanlage ein, führt dies unweigerlich zu Rost. Hierbei ist jedoch nicht der Sauerstoff gemeint, welcher bei der Erstbefüllung über das Wasser eintritt und sich in der Regel am vorhandenen Metall verbraucht, sondern der Sauerstoff, welcher darüber hinaus immer wieder eintritt. Häufigste Ursache für unkontrollierten Sauerstoffeintrag ist ein falsch eingestelltes, zu klein dimensioniertes oder defektes Ausdehnungsgefäß und Druckhaltungssystem.

• pH-Wert 
  Der pH-Wert gibt an, ob das Wasser sauer, neutral oder alkalisch ist. Wasser mit einem pH-Wert von 7 enthält also 10-mal mehr Säure als bei einem pH-Wert von 8 und sogar 100-mal mehr als ein Wasser mit einem pH-Wert von 9. Auch wichtig zu wissen ist, dass ohne Sauerstoff die Zersetzung im sauren Bereich stattfindet und abhängig vom Material ist.

• Leitfähigkeit
  Je höher die Leitfähigkeit im Wasser, desto mehr steigt die Korrosionswahrscheinlichkeit. Dabei bestimmen die im Wasser gelösten Salze größtenteils die Leitfähigkeit. Ein hoher Salzgehalt verursacht eine hohe Leitfähigkeit. Auch Sauerstoffbindemittel und Korrosionsinhibitoren erhöhen die Leitfähigkeit. Eine elektrochemische Korrosion findet nur statt, wenn die verbauten Materialien mit einem elektrisch leitfähigen Medium in Kontakt kommen. Im Umkehrschluss bedeutet das: Eine geringe Leitfähigkeit verringert oder bremst Korrosion in der Heizanlage.

Maßnahmen zur Heizwasseraufbereitung

Als Maßnahmen zur Heizwasseraufbereitung schlägt die VDI 2035 Enthärtung oder Entsalzung vor. Die wesentlichen Unterschiede dabei sind: 

Enthärtung

Bei der Enthärtung wird das Wasser über einen Ionentauscher geführt. Dies entfernt die Härtebildner Calcium sowie Magnesium, ersetzt diese durch Natrium und verhindert dadurch die Steinbildung. Die Leitfähigkeit sinkt nicht. Die negativ geladenen Ionen wie z. B. Chlorid werden nicht entfernt. Durch die Gegenwart von Natriumionen steigt die Leitfähigkeit sogar bis zu 20%.

Entsalzung

Die Entsalzung entfernt aus dem Wasser mehrere Salze (Kationen und Anionen), welche korrosive und zersetzende Reaktionen in der Heizanlage auslösen. Dadurch verhindert die Entsalzung wiederum Steinbildung, da Calcium und Magnesium entfernt werden. Bei der Entsalzung sinkt die Leitfähigkeit enorm, da ein Großteil der leitenden Salze entfernt wird. 

Die Vorteile einer geringen Leitfähigkeit und somit der Entsalzung:

• Je geringer der Leitwert, umso höher die Wärmekapazität 
• Höhere tolerierbare Sauerstoffkonzentration 
• Erheblich verringerte Korrosionswahrscheinlichkeit 
• Vorgaben aller Hersteller werden erfüllt

Wie erfolgt die Heizwasseraufbereitung?

Vollentsalztes Wasser mit Mischbettharz

Um die in der VDI 2035 empfohlenen Werte (Härte von 0,3 °dH, Leitfähigkeit ≤ 100 μS/cm sowie ein pH-Wert von 8,2 - 10,0 in Edelstahlanlagen bzw. 8,2 - 9,0 bei Aluminiumbauteilen) erfüllen zu können, gibt es spezielle Mischbettharze (Ionentauscher). Diese liefern neben einer Entsalzung des Wassers auf < 100 µS/ cm auch einen pH-Wert des Füllwassers im geforderten Bereich. Der Einsatzbereich liegt je nach Gerät in einer Temperaturspanne von 3 °C bis 80 °C. Somit ist auch die Entfernung vorhandener Resthärte und gelöster Salze im Heizwasser einer Heizanlage im laufenden Betrieb (Bypass-Verfahren) möglich.

Es gibt Geräte, welche bivalent aufbereiten und im Bypass-Verfahren arbeiten, also gleichzeitig enthärten, entsalzen und zusätzlich filtrieren. Somit werden in einem Arbeitsgang die Normen VDI 2035, ÖNORM H 5195-1 und SWKI BT 102-1 eingehalten.

Aufbereitetes Ergänzungswasser mit vormontierter Nachspeiseeinheit

Heute gilt, dass sowohl das Füll- als auch das Ergänzungswasser aufbereitet werden müssen. Sinnvoll ist hier der Einbau einer fest installierten Nachspeisung, die das Ergänzungswasser automatisch absichert und entsprechend den Richtlinien aufbereitet.

Die EN 1717 schreibt zum Schutz des Trinkwassers den Einbau von Systemtrennern vor. Ist dieser nicht vorhanden, gibt es komplett vormontierte Nachspeiseeinheiten wie die UWS Heaty Complete Advanced, bei der sowohl Systemtrenner, Wasserzähler als auch Absperrungen integriert sind.

Entgasung

Wasser enthält Gase, welche sich je nach Druck und Wassertemperatur lösen oder als „Luftblasen“ ausgasen. Ist die Heizungsanlage für eine längere Zeit außer Betrieb, sinkt die Gaslöslichkeit. Das heißt: Es können mehr Luftblasen entstehen. Beim Austausch von einzelnen Teilen kann Restluft eingeschlossen werden. Durch defekte Dichtungen kann ebenfalls Luft in die Anlage gelangen. Die mobile Entgasung bietet dem Handwerk eine kostengünstige Möglichkeit, zeitaufwendige Entlüftungsarbeiten beim Kesseltausch mit mehrfachen An- und Abfahrtszeiten auf ein Minimum zu verkürzen. Das spart Zeit und Geld.

Die Vorteile

• Beseitigung aller gelöster Gase
• Hydraulischer Abgleich und Übergabe der Anlage gehen schneller vonstatten (schnellere Inbetriebnahme)
• Schnelle und einfache Installation
• Problemlöser für Kühldecken und Fußbodenheizungen
• Automatische Abschaltung, wenn keine Gase mehr abgeschieden werden
• Ideal geeignet für Niedrigtemperatursysteme wie Wärmepumpensysteme und Fußbodenheizungsanlagen
• Einsetzbar für alle gängigen Systeme

Filtrierung

Auch wenn mit Aufbereitung meist nur die Enthärtung oder Entsalzung gemeint ist, gehört auch die Filterung des Heizungswassers dazu. Diese befreit das Wasser von Schmutz, Feststoffen und anderen Ablagerungen, bei guten Geräten bis zu einer Größe von 1 µ. Dadurch wird die Zusetzung von Pumpen oder Wärmetauschern verhindert und eine gute Wärmeübertragung gefördert. Zusätzlich werden der Materialverschleiß sowie das Risiko der Keimbildung verringert.

Magnetitabscheider

Eine spezielle Filtrierung sind Magnetitabscheider. Da Magnetitmagnetisch ist, kommt es in modernen Pumpen zu Schäden, da sich hier elektromagnetische Felder aufbauen, die das Magnetit (Eisenoxid) anziehen. Magnetit ist die Hauptursache für Ausfälle von Heizsystemen. Das Eisenoxid führt zu kalten Bereichen in Heizkörpern. Die gesamte Anlage wird ineffizient und der Kessel unnötig stark belastet.

Selbst geringe Mengen von Eisenoxid in einem modernen Brennwertkessel oder einer Wärmepumpe können erhebliche Wirkungsgradverluste und Energieverschwendung zur Folge haben. Magnetitabscheider schützen also nicht nur dauerhaft Heizungsanlagen Ihrer Kunden, sondern reduzieren auch deren Heizkosten und verlängern die Lebensdauer der Anlage.

Sonderfall Wärmepumpe

Bei Wärmepumpen werden in der Regel niedrigere Temperaturen als in anderen Heizsystemen gefahren. Die im Wasser enthaltenen Gase Sauerstoff und Kohlensäure führen aber wie oben beschrieben zu Korrosion. Deshalb werden die Heizsystemen auf die höchstmögliche Temperatur geheizt, denn ab ca. 70°C sind die Gase nicht mehr im Wasser gebunden und können entfernt werden. Bei Wärmepumpen wird diese Temperatur nicht erreicht, deshalb muss hier das Wasser über einen längeren Zeitraum zirkulieren damit die Gase aus dem Wasser entfernt werden. Die Wasseraufbereitung unterstützt den Prozess, da die Salze der Kohlensäure entfernt werden und diese wieder zu Kohlenstoffdioxid wird sowie durch die Anhebung des pH-Wertes die Reaktion des Sauerstoffs mit Eisen verlangsamt wird.

Alternativ gibt es mobile Vakuumentgaser. Diese beseitigen alle gelösten Gase und schalten sich automatisch ab, wenn keine Gase mehr abgeschieden werden.

Messtechnik zur Analyse des Heizungswassers

Messgeräte sind heute ein ständiger Begleiter für den Heizungsfachmann. Für die geforderte Dokumentation über Erstbefüllung, Nachspeisung und Wartung der Anlagen sind sie unverzichtbar. Damit analysiert der Handwerker Daten wie pH-Wert, Leitfähigkeit und Magnetitgehalt, bis hin zu Chlorid und Eisen und dokumentiert diese im Anlagenbuch. 

Auch der Systemtrenner zum Schutz des Trinkwassers muss 1x jährlich geprüft werden. Zu prüfende Funktionen sind Dichtheit, Öffnungsbeginn und Dichtheit des Entlastungsventils, Entlüftung der Mitteldruckzone auf Atmosphärendruck und die Dichtheit des ausgangsseitigen Rückflussverhinderers.

Welche Fehler sollten unbedingt vermieden werden?

Während des Betriebs von Aufbereitungsgeräten ist die Füllwasserkapazität wichtig und gegebenenfalls das Mischbettharz zu wechseln. Die Kapazität ist abhängig vom °dH. Ein praktisches Berechnungstool dazu finden Sie hier: https://www.uws-technologie.de/berechnungstools/

Als Faustformel gilt die doppelte Menge des Anlagenvolumens aufzubereiten, danach erfolgt die Messung der Werte (pH, Leitfähigkeit, °dH) und falls nötig eine weitere Aufbereitung. 

Befinden sich im System Zusätze wie Glykole, Säuren und Reiniger werden oft die von der VDI 2035 geforderten Werte nicht erreicht. Denn diese Zusätze beeinflussen die Werte im positiven oder im negativen Sinn. 

Auch der Feinfilter sollte regelmäßig gereinigt oder getauscht werden. 

Bei einer reinen Befüllung (Inbetriebnahme) tritt als häufiger Fehler auf, dass die Leitungen vorher nicht richtig gespült wurden und dadurch Verschmutzungen im Heizwasser enthalten sind. 

Ebenso ist bei der Nachspeisung die Fließrichtung zu beachten. Zudem muss nach EN 1717 die Nachspeisung immer mit einem Systemtrenner installiert werden. Ein Mischbettharzwechsle sollte spätestens nach 2 Jahren erfolgen, denn die Wirksamkeit lässt im Laufe der Zeit nach. 

Geschlossene Kühlanlagen

Bei der Kühlwasserbehandlung und -aufbereitung geht es für das komplette System um vier Ziele:

• Schutz vor Korrosion,
• Vermeidung von Ablagerungen (Kalk),
• Eingrenzung biologischen Wachstums,
• Minimierung von Verschmutzungen (Feststoffe)

Kühlanlagen (Kaltwassersatz) senken die Temperatur von Wasser, um Räume, große Hallen oder technische Prozesse mit Prozesskälte zu kühlen. Über Kältemittel wird Prozesswärme an Luft oder Wasser abgegeben und Wasser in einem geschlossenen Kreislauf abgekühlt. Große Kühlwassererzeuger mit bis zu 2000 kW Leistung kühlen komplette Industrieanlagen und führen riesige Wärmemengen ab. 

Ein Kühlkreislauf agiert grundsätzlich wie ein Heizkreislauf. Die Pumpe schickt kaltes Wasser durch Rohrleitungen zu verschiedenen Wärmeüberträgern. Diese nehmen thermische Energie aus Räumen oder von Prozessen auf. Während sich Prozess-Wärmeüberträger in die technischen Geräte integrieren lassen, kann das Kühlwasser auch durch eine Kühldecke oder durch den Wärmeübertrager einer Lüftungsanlage strömen.

Anforderungen an Kühlanlagen

Besondere Anforderungen bezüglich der Beschaffenheit und Sauberkeit von Prozesswasser schützen das System vor Korrosion und Ablagerungen. Die Anforderungen definiert die VDI/BTGA 6044 (Vermeidung von Schäden in Kaltwasser- und Kühlkreisläufen). Die Norm beschreibt probate Lösungen, um Korrosionsschäden zu verhindern. Die VDI bietet Hilfestellung für Betreiber, Planer und Anlagenbauer. Sie vereinheitlicht verschiedene Richtlinien und Normen und ergänzt diese. Das gilt besonders für die vorgegebenen Maximal- und Minimal-Werte für Inhaltsstoffe und physikalische Parameter des Wassers. Sie findet Anwendung bei Kalt- und Kühlwasserkreisläufe mit einer Umlaufwassertemperatur von < 40 °C.

Aufbereitung von Füll- und Umlaufwasser 

Für eine Inbetriebnahme muss das Füllwasser vorher wasserchemisch analysiert und die Ergebnisse dokumentiert werden. Einen weiteren Schutz bietet die Kontrolle des resultierenden Umlaufwassers nach der Befüllung und vor der Abnahme der Anlage. 

Alle geforderten Richtwerte führt die Norm tabellarisch auf. Beispielsweise fordert die Regel pH-Wert Bereiche, eine maximale Gesamthärte und Leitfähigkeit. Eine salzarme Fahrweise ist aus korrosionstechnischer Sicht zu empfehlen. Betreiber der Anlagen müssen:

• den bestimmungsgemäßen Betrieb,
• die Instandhaltung, um die Funktionsfähigkeit aufrechtzuerhalten und
• das Wahrnehmen der Verkehrssicherungspflichten sicherstellen.

Die Kontrolle der Umlaufwasserqualität muss spätestens 48 Stunden nach der Befüllung erfolgen. Hier gilt es mindestens die elektrische Leitfähigkeit und Gesamthärte zu messen. Drei Monate nach der Inbetriebnahme ist dann eine vollständige Analyse des Umlaufwasser durchzuführen und zu dokumentieren.

Kreislaufwasseraufbereitung im Bypassverfahren

Eine professionelle Kühlwasseraufbereitung verhindert Korrosion mit Hilfe von Entsalzung, Enthärtung und Filterung. 

Um die Wasserqualität in geschlossenen Systemen gemäß VDI 6044 zu gewährleisten, kann das Kreislaufwasser kontinuierlich im Bypassverfahren aufbereitet werden. Der Betreiber hält damit die Vorgaben zuverlässig ein und verhindert Korrosion. 

Planung, Installation und Betrieb sind die drei wichtigsten Lebenszyklusphasen eines gebäudetechnischen Systems. Die VDI 6044 enthält Hinweise für alle drei Bereiche. Besonderen Wert legt die Regel auf die umfangreiche Prüfung von Füll- und Umlaufwasser während der Inbetriebnahme.

Dipl.-Ing. Lars Keller ist Schulungspartner und Referent für die VDI 4645 Wärmepumpenanlagen, freier Autor TGA für diverse Fachmedien und hat bereits mehrere Fachbücher veröffentlicht. Außerdem betreibt er die Homepage www.hitz-koepfe.de.
www.tga-lars-keller.de