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Wasserbeschaffenheit in Heizungsanlagen



Wasserbeschaffenheit in HeizungsanlagenBild: BTGA-Praxisleitfaden „Wasserbeschaffenheit in Heizungsanlagen (Anwendungshinweise zur VDI 2035)“
Bild: BTGA-Praxisleitfaden „Wasserbeschaffenheit in Heizungsanlagen (Anwendungshinweise zur VDI 2035)“ 
Bild: BTGA-Regel 3.002 
Bild: ZVSHK 

10. Mai 2024

Praktische Anwendungshinweise zur Umsetzung der Richtlinie VDI 2035
Moderne Heizungsanlagen werden durch energieeffiziente Technologien, Materialien und Randbedingungen immer leistungsfähiger – aber auch komplexer. So steigt beispielsweise der Wasserinhalt von Anlagen durch das Verwenden von Pufferspeichern. Die damit verbundene Vergrößerung des Kreislaufvolumens erhöht bei einer nicht härtefreien Betriebsweise das Risiko von Kalkablagerungen innerhalb der Wärmeerzeugung. Außerdem ist in einem großen Kreislaufvolumen auch die Gefahr der Sauerstoffkorrosion ungleich größer.

Die Richtlinie VDI 2035 soll die Wahrscheinlichkeit des Auftretens dieser Schäden minimieren; in ihr sind Maßnahmen beschrieben, die Korrosionsschäden und Steinbildung (Kalkablagerungen) vermeiden helfen. Eine Heizungsanlage nach der Richtlinie VDI 2035 muss deshalb grundsätzlich als atmosphärisch und korrosionstechnisch geschlossene Anlage geplant, errichtet und betrieben werden. Korrosionstechnisch offene Anlagen werden in der Richtlinie nicht betrachtet.
Auf folgende Grundsätze muss geachtet werden, um Korrosionsschäden und Steinbildung zu vermeiden:

  • konsequente Planung und damit einhergehendes Verwenden sauerstoffdiffusionsdichter Werkstoffe,
  • Überwachung und Begrenzung der Zusatzwassermenge während des Betriebs,
  • systemabhängige Druckhaltung
    und
  • Monitoring der relevanten Betriebsparameter.

Oftmals fehlen den beteiligten Akteuren jedoch notwendige Hintergrundinformationen, um die komplexen Anforderungen umzusetzen. In der Praxis kommt es dann zu Störungen durch Ablagerungen und/oder Korrosion.
Im Folgenden werden der Inhalt der Richtlinie VDI 2035 vorgestellt und ergänzend dazu Informationen für die Praxis gegeben.

Steinbildung
Grundlagen, Ursachen und Auswirkungen der Steinbildung sind in der VDI 2035 ausreichend beschrieben. Zusammenfassend und als Ergänzung sind nachfolgende Punkte zu beachten:

  • In der VDI 2035 wird die Kalkausfallwahrscheinlichkeit ausschließlich über den Parameter Gesamthärte (Summe der Erdalkalien-Konzentration – Calcium (Ca) und Magnesium (Mg)) definiert. In der Realität ist der Ausfall von Calciumcarbonat deutlich wahrscheinlicher als der von Magnesiumcarbonat. Außerdem nimmt bei vorhandener Gesamthärte die Kalkausfallwahrscheinlichkeit mit steigendem pH-Wert, mit steigender Temperatur und mit abnehmendem Systemdruck zu. Die reine Bestimmung der Gesamthärte führt dazu, dass die vor Ort durchgeführten Wasseranalysen auf die selektive Differenzierung zwischen Calcium und Magnesium verzichten können; somit wird die Gesamthärtebestimmung einfacher und günstiger.
  • Die Differenz zwischen der tatsächlichen Gesamthärte im Umlaufwasser und der Gesamthärte im Füll- und Ergänzungswasser wird als Härtedefizit bezeichnet. Beide Gesamthärten können schnell und einfach vor Ort bestimmt werden. Ein genaues Ermitteln des Härtedefizites wird dann schwierig, wenn Füll- und Ergänzungswasser nicht die gleiche Gesamthärte haben.
  • Kalkausfall tritt nicht gleichmäßig verteilt über die gesamte Oberfläche auf, sondern nur an den wärmsten Stellen im Kreislauf. Diese sind in der Regel die unmittelbar beheizten Wärmeübertragungsflächen.
  • Kalkablagerungen führen niemals zu Korrosion. Durch den Steinbelag wird der Wärmedurchgang reduziert (1 mm Kalkschicht vermindert den Wärmedurchgang um etwa 10 %). Insbesondere auf unmittelbar beheizten Wärmeübertragungsflächen kann es zu örtlicher Überhitzung und dadurch bedingter Rissbildung sowie zu Siedegeräuschen kommen.


Wasserseitige Korrosion
Korrosionsprozesse laufen immer nur bei Anwesenheit von Sauerstoff ab. Deshalb ist es von zentraler Bedeutung, dass der Eintrag von Sauerstoff in das Kreislaufwasser verhindert wird. Ursachen für den Eintrag von Sauerstoff können sein:

  • Verwendung nicht diffusionsdichter Materialien,
  • Diffusion über permeable Bauteile (z. B. Dichtungen, Membranen und Schläuche aus EPDM),
  • Nachspeisung von sauerstoffreichem Ergänzungswasser durch z. B. fehlerhafte Druckhaltung.

Füll- und Ergänzungswasser
Die Füll- und Ergänzungswassermenge soll während der Lebensdauer der Anlage das Dreifache des Wasserinhalts der Anlage nicht überschreiten. Wird diese Menge überschritten, erhöht sich die Wahrscheinlichkeit von Korrosionsschäden. In die Nachspeiseleitung muss daher in jedem Fall ein Wasserzähler eingebaut werden, um erkennen zu können, wenn Sauerstoff mit dem Ergänzungswasser eingetragen wird. Es ist in jedem Fall darauf zu achten, dass pro Jahr maximal 3 % des Kreislaufvolumens ergänzt werden (Annahme bei einer zu erwartenden Lebensdauer der Anlage von 30 Jahren). Dazu ist es erforderlich, in regelmäßigen Abständen – mindestens einmal im Jahr – den Zählerstand zu kontrollieren und zu dokumentieren. Eine deutliche Überschreitung des 3-%-Werts kann auf ein Problem in der Anlage hindeuten, beispielsweise eine mangelhafte Druckhaltung, eine Leckage oder ein defektes Überdruckventil. In diesem Fall ist die Ursache abzuklären und gegebenenfalls in Abstimmung mit dem Auftraggeber zu beseitigen.
Beim Einsatz von automatischen Nachspeiseanlagen ist darauf zu achten, dass diese über ausreichende Überwachungs- und Kontrollmechanismen verfügen, sodass unzulässig hohe Nachspeisemengen vermieden werden.
Aufgrund der inzwischen deutlich reduzierten Vorlauftemperaturen in Heizungssystemen von unter 50°C besteht ein sehr hohes Risiko von mikrobiologischen Aktivitäten. Bestimmte Mikroorganismen können unter nahezu vollständiger Abwesenheit von Sauerstoff saure Zersetzungsprodukte produzieren. Diese führen dann zu einer dramatischen Absenkung des pH-Werts im Kreislaufwasser. Sogar pH-Werte von unter 5 sind nicht selten. Bei derartig tiefen pH-Werten weit unterhalb der in der VDI-Richtlinie 2035 festgelegten Untergrenze kommt es bei schwarzem Stahl und Buntmetallen zu massiven Korrosionserscheinungen. Die sogenannte mikrobiologisch beeinflusste Korrosion (MIC) ist in Heizungssystem mit einer Vorlauftemperatur <50°C sicherlich die die häufigste Korrosionsursache. Konkrete Studien sind in diesem Zusammenhang leider nicht bekannt. Die Absenkung des pH-Wertes geht oft mit einer Verstoffwechslung von Sulfat und Nitrat einher – vergleichsweise einfach analytisch kann MIC detektiert werden. In diesen Fällen kann es notwendig sein, ein geeignetes Biozid beizumischen. In jedem Fall muss der pH-Wert durch die Zudosierung von Lauge in seinen Sollbereich angehoben werden.

Richtwerte und Empfehlungen
Für Warmwasser-Heizungsanlagen kann als Füll- und Ergänzungswasser nicht-aufbereitetes Trinkwasser verwendet werden, wenn die Gesamthärte die Anforderungen erfüllt. Andernfalls ist das Wasser vollständig zu enthärten oder zu entsalzen. Sind Aluminiumlegierungen vorhanden, ist grundsätzlich der salzarme Betrieb zu empfehlen.
Für den Fall, dass ein Füll- und Ergänzungswasser die Vorgaben in Bezug auf die Gesamthärte einhält, jedoch nicht in Bezug auf die elektrische Leitfähigkeit, so muss dennoch die elektrische Leitfähigkeit auf unter 100 μS/cm reduziert werden. In dem Zusammenhang wird auch proportional die Gesamthärte reduziert, obwohl dies nicht nötig gewesen wäre. Dies lässt sich nicht verhindern, hat aber auch keine negativen Auswirkungen auf den Betrieb der Anlage. Die Gesamthärte ist immer als Obergrenze zu verstehen. Tiefere Werte für die Gesamthärte führen immer eher zu einer Verbesserung der Füll- und Ergänzungswasserqualität. Eine Wasseraufbereitung die nur die elektrische Leitfähigkeit, nicht aber die Gesamthärte reduziert, ist nicht möglich.
Bei einer salzarmen Betriebsweise wird in vielen Fällen das Füllwasser über eine Mischbettpatrone in der Füllwasserleitung entsalzt. Am Ausgang dieser Mischbettpatrone ergibt sich verfahrensgemäß eine elektrische Leitfähigkeit von deutlich < 10 μS/cm. Diese liegt unterhalb des geforderten Bereichs von 10 – 100 μS/cm. Erfahrungsgemäß steigt die elektrische Leitfähigkeit des Wassers in der Anlage jedoch schnell an (z. B. durch Restwasser) und stabilisiert sich auf elektrische Leitfähigkeiten < 100 μS/cm.
Ein zu niedriger pH-Wert des Füll- und Ergänzungswassers ist nicht repräsentativ für den sich im Betrieb einstellenden pH-Wert des Heizwassers. Da infolge der Eigenalkalisierung der pH-Wert des Heizwassers in der Regel innerhalb weniger Wochen Betriebszeit ansteigt, ist bei zu niedrigen pH-Werten eine Alkalisierung des Füll- und Ergänzungswassers nicht erforderlich.
Drei Monate nach Inbetriebnahme und anschließend alle zwölf Monate ist das Heizwasser durch den Betreiber daraufhin zu kontrollieren, ob die vorgegebenen Werte eingehalten werden. Diese Kontrollen sind zu dokumentieren. Sollten die Ist- und Sollwerte voneinander abweichen, sind entsprechende Maßnahmen einzuleiten.

Folgende Maßnahmen werden bei Richtwertabweichung empfohlen:

  • Elektrische Leitfähigkeit zu hoch: Entsalzen des Umlaufwassers im ­Bypass-Verfahren,
  • pH-Wert (zu hoch): Dosieren einer ­Säure (z. B. Phosphorsäure),
  • pH-Wert (zu tief): Dosieren von Natronlauge,
  • Färbung: Einsatz eines Feinfilters im Bypass (Maschenweite < 10 µm),
  • Trübung: Einsatz eines Feinfilters ­gegebenenfalls mit Magnet im Bypass (Maschenweite < 10 µm).

Sachgerechte Planung und Installation

  • Der Schutz vor Steinbildung und ­Korrosion beginnt bereits bei der ­Planung und berücksichtigt die ­anlagen- und betriebsspezifischen
  • Eigenheiten:
  • Anlagenbauart,
  • Auslegung,
  • Werkstoffwahl,
  • Wasserbeschaffenheit des Füll-, ­Ergänzungs- und Umlaufwassers,
  • kurzer Übergang zwischen Druckprobe und Inbetriebnahme.

Heizungsanlagen sind als korrosionstechnisch geschlossene Anlagen auszulegen. Ist das nicht für die gesamte Anlage möglich, müssen die korrosionstechnisch offenen Teilabschnitte durch eine Systemtrennung entkoppelt werden oder es dürfen nur korrosionsbeständige Materialien zum Einsatz kommen.
Grundlage für das Durchführen der Inbetriebnahme sind die Planungsdaten aus dem Anlagenbuch. Es ist sicherzustellen, dass die Planungsvorgaben eingehalten werden. Ansonsten sind Bedenken beim Auftraggeber anzuzeigen. Ferner ist dafür Sorge zu tragen, dass mit Abschluss der Inbetriebnahme der bestimmungsgemäße Betrieb beginnt, um durch Anlagenstillstand verursachte Korrosion zu vermeiden.
Die Inbetriebnahme einer Heizungsanlage besteht im Regelfall ausfolgenden Arbeitsschritten (die Reihenfolge kann je nach Verfahren variieren, siehe auch BTGA-Regel 3.002):

  • Analyse des Füllwassers (gemäß VDI 2035 Blatt 1),
  • Dichtheitsprüfung,
  • Belastungsprüfung,
  • Befüllen der Anlage bei Bestätigung der gewünschten Füllwasserqualität, unmittelbar vor Aufnahme des bestimmungsgemäßen Betriebs,
  • Spülen der Anlage.

Ist es erforderlich, die Heizungsanlage während des Betriebs zu entleeren, muss sie unmittelbar und vollständig wieder befüllt werden – spätestens innerhalb von drei Tagen. Zur einwandfreien Inbetriebnahme gehört auch die Entlüftung der gesamten Anlage. Nur bei einer vollständig entlüfteten Anlage kann die installierte Druckhaltung die Aufgabe des Korrosionsschutzes übernehmen.

Betrieb und Instandhaltung
Der Betreiber ist für den bestimmungsgemäßen Betrieb seiner Anlagen und somit auch für die Instandhaltung verantwortlich. Dazu zählen insbesondere die regelmäßige Inspektion und Wartung. Der Umfang und die Häufigkeit der Instandhaltungsmaßnahmen hängen entscheidend von der Anwendung und der Nutzung der Anlage ab. Da nicht allen Auftraggebern die einschlägigen Regelwerke vollumfänglich bekannt sind, sollte der Anlagenerrichter die Wartungs- und Instandhaltungszyklen der eingesetzten Bauteile und die dabei durchzuführenden Arbeiten im Anlagenbuch dokumentieren.
Zweckdienlich ist es auch, einen Wartungsvertrag anzubieten. Neben der Kontrolle der Parameter des Füll- und Ergänzungswassers nach Regelwerk ist auch die Funktionsfähigkeit aller Absperrventile zu überprüfen und zu dokumentieren. Ein besonderes Augenmerk muss auf dem Ergänzungswasservolumen liegen: Zum einen können so Leckagen an der Anlage oder Defekte an der Druckhaltung aufgedeckt und zum anderen die bereits eingespeiste Menge des Füll- und Ergänzungswassers der Anlage ermittelt werden.
Insbesondere bei Anlagenerweiterungen (Volumenvergrößerung) sind die einzuhaltenden Anlagenparameter zu überprüfen, beispielsweise beim Einbau von Pufferspeichern. Das gilt explizit für den Parameter „Gesamthärte“. Muss diese durch eine Anlagenerweiterung reduziert werden, ist ein Wasseraustausch nicht empfehlenswert. Die Gesamthärte sollte besser während des Betriebs im Bypass reduziert werden. Bei Eingriffen in Bestandsanlagen ist der Verlust von Umlaufwasser zu minimieren.

Autoren:
Dipl.-Ing. Jan Heckmann, Vorsitzender des Richtlinienausschusses VDI/BTGA 6044 und Geschäftsführer der Z&H Wassertechnik GmbH, St. Wendel
Dipl.-Ing. M.Eng. Stefan Tuschy, Technischer Referent des BTGA e.V.





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