Grundlagenwissen Heizungswasser (Wasseraufbereitung)

Der Wärmeträger gehört zu den wichtigsten Bestandteilen einer Pumpenwarmwasser-Heizungsanlage. Wird das zur Verfügung stehende Trinkwasser ohne vorherige Wasseraufbereitung in die Heizungsanlage eingefüllt, rächt sich diese Sorglosigkeit immer häufiger: Heute gebaute oder durch Teilmodernisierung veränderte Heizungsanlagen funktionieren nur dauerhaft, wenn der Wärmeträger bestimmte Anforderungen erfüllt. Dieser Artikel beschreibt, wie man sie sicher und für eine lange Zeit erfüllt.

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Die Häufung zu Fragen nach der erforderlichen Wasserqualität zeigt, dass in der Praxis Anhaltspunkte zur richtigen Konditionierung des Heizungswassers fehlen. Im Folgenden wird aufgezeigt, welche Verfahren für einen konkreten Anwendungsfall einsetzbar und sinnvoll sind und warum sich eine Konditionierung des Heizungswassers stets empfiehlt. Dazu werden die natürlich vorkommenden bzw. angelieferten Wässer zur Vereinfachung in drei Klassen unterteilt:

Harte Wässer haben viele Salze des Calciums und Magnesiums gelöst. Im Wesentlichen gibt es zwei Arten:

Bild 2: Kesselglied aus AlSiMg mit Kalkbelag in zerstörender Wirkung (4,5 mm) aus Gewährleistungsgründen

Bild 2: Kesselglied aus AlSiMg mit Kalkbelag in zerstörender Wirkung (4,5 mm) aus Gewährleistungsgründen.

Die betreffenden Salze bestehen zum Großteil aus Karbonaten. Diese sind bei hohen pH-Werten schwerlöslich und bilden den gefürchteten Kesselstein aus Kalk (Bild 2).

Die anderen Salze sind nicht so schwerlöslich bzw. bilden keine dicken, porösen Schichten. Harte Wässer werden als Trinkwasser bevorzugt. Durch den hohen Gehalt an natürlichem Calcium wirken sie der Osteoporose entgegen, sie haben einen positiven Einfluss auf den Säure-Basenhaushalt im Körper und die Mineralien im Wasser sind Geschmacksbildner. Ein wichtiger positiver Nebeneffekt ist die sehr gute pH-Wert-Pufferwirkung des Kalks. Harte Wässer finden sich in der Regel in Gegenden mit großen Kalkgesteinlagerstätten. Das sind unter anderem das Schwäbisch-Fränkische Stufenland, die Kalkalpen, einige Bereiche der Mittelgebirge und Österreich. Weiche Wässer als natürliche Grundwässer sind generell arm an Mineralien. Sie kommen vor allem in den Granitstöcken der alten  Mittelgebirge vor und enthalten nur sehr wenig Härte. Im Schwarzwald, im Harz und im Bayerischen Wald muss oft sogar aufgehärtet werden, um die Vorgaben der Trinkwasserverordnung einzuhalten. Eine wichtige Ausnahme von dieser Regel (neben anderen) bilden die Grundwässer in Küstennähe. Hier ist zwar oft auch wenig Härte vorhanden, die Salzfracht aus dem Meerwasser ist jedoch oft merklich. Moorwässer werden in Gebieten gewonnen, die reich an Mooren sind. Sie sind oft braun durch Säuren, in der Regel härte- und mineralarm, jedoch sauer. Diese Wässer sind als Wärmeträger für die Heizung ungeeignet. Huminsäuren, wie sie beispielsweise im österreichischen Waldviertel vorkommen, müssen durch Sonderverfahren entfernt werden.

Die beschriebenen Wasserarten müssen durch verschiedene Maßnamen so beeinflusst werden, dass sie für technische Zwecke geeignet sind. Die Verfahren bezeichnet man als Wasseraufbereitung bzw. Konditionierung des Wassers. Art und Umfang der Anstrengungen richtet sich nach dem vorliegenden Wasser und den Erfordernissen der zu befüllenden Anlage.

Heizungswasser in größeren Anlagen

teppichservice / Pixabay

Das einheitlichste Regelwerk für größere Heizungsanlagen ist die Dampfkesselverordnung (bzw. neu die Betriebssicherheitsverordnung) mit den Technischen Richtlinien Dampf (TRD). Diese Rechtsnorm bezieht sich streng genommen nur auf Heizungswasseranlagen mit einer hohen Vorlauftemperatur (> 110 °C). Hierfür existieren einige Richtwerte (Tabelle 1). Der wichtigste Sachverhalt ist die Forderung nach Härtefreiheit des Kreislaufwassers und die Forderung eines pH-Werts von größer 9. Bei großen Anlagen sind die Anforderungen vergleichsweise einfach, da in diesem Temperaturbereich nur Eisenmetalle zugelassen sind (wegen der geforderten Druckschlagfestigkeit). Das Unterscheidungskriterium der einzelnen Fahrweisen ist die elektrische Leitfähigkeit des Wassers. Sie ist das Maß für den Gesamtsalzgehalt. Salzhaltige Fahrweise: Hierbei wird das Rohwasser über eine mit Salzsole regenerierbare Ionenaustauscheranlage befüllt. Diese Anlage kann beim Handwerker in der Werkstatt automatisch regeneriert werden. Vorteile sind der geringe Aufwand bei der Wasseraufbereitung, eine weitgehende Selbstregulation des pH-Werts, ein schlechtes Lösevermögen des aufbereiteten Wassers für Sauerstoff und die einfache Konditionierung zum Erzielen eines Korrosionsschutzes. Nachteilig ist, dass Rohwasser mit hoher Leitfähigkeit (> 1000 μS/cm) Korrosion begünstigt – sofern Korrosion auftritt, läuft sie etwas schneller ab.

Die salzarme Fahrweise ist ein Kompromiss zwischen salzhaltig und salzfrei. Nach den aktuellen Richtlinien gibt es diese Fahrweise nicht mehr. Darum wird sie hier nur zur Vollständigkeit aufgeführt. Häufig wird diese Fahrweise angestrebt, wenn bei alten Anlagen mit weitergehenden Wasseraufbereitungsverfahren weitergearbeitet wird. Diese Fahrweise ist in Heizungsanlagen selten anzutreffen. Vorteile sind eine etwas geringere Leitfähigkeit, eine garantierte Härtefreiheit, die Entfernung eines eventuell vorliegenden hohen natürlichen Salzgehalts und ein von Anlage zu Anlage einheitlicheres Inhaltswasser. Nachteilig sind eine höhere Löslichkeit von Sauerstoff im Wasser und ein großer Aufwand bei der Wasseraufbereitung.

Die salzfreie Fahrweise wird bei Großanlagen selten eingesetzt, da der Aufwand der Wasseraufbereitung zu groß ist. Es gibt jedoch Bereiche (Medizintechnik, Elektroindustrie, Lebensmittelindustrie…), wo die Vollentsalzung (salzfreie Fahrweise) häufig unabdingbar ist. Auch bei Kleinanlagen kann diese Fahrweise nur durch einen Mischbett-Ionenaustauscher eingehalten werden. Dieser kann nur von einem spezialisierten Fachbetrieb regeneriert werden. Vorteile sind eine geringe Leitfähigkeit (geringer Korrosionsstrom), das Wasser enthält keine störenden Salze und das Inhaltswasser ist von Anlage zu Anlage nahezu gleich. Zu den Nachteilen zählen der sehr hohe Aufwand, eine hohe Löslichkeit von Sauerstoff im kalten Wasser (Sommerbetrieb), die nicht vorhandene Pufferwirkung des Wassers (instabil, Überwachung erforderlich) und dadurch unumgänglich eine Konditionierung. Bei Fehlsteuerungen tritt Spannungsrisskorrosion (laugeinduziert) bei der salzfreien Fahrweise mit der größten Wahrscheinlichkeit der drei Fahrweisen auf.

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Tabelle 1 und Bild 3

Heizungswasser in kleinen Anlagen

Die Anforderungen an das Wasser in kleinen Heizanlagen gehen weit über die der Großanlagen hinaus, weil sie in der Regel nicht überwacht und verschiedenste Materialien verbaut werden (Bild 3). Dies sind:

  • Kunststoffe
  • Gummimaterialien
  • Eisenmetalle (Schwarzeisen, verzinkte Werkstoffe, Edelstähle)
  • Kupfer
  • Aluminium
  • Legierungen

Der rechtlich gesehen „regelarme“ Zustand liegt darin begründet, dass durch Niedertemperaturanlagen keine Gefahren für die Gesundheit ausgehen. Für eine kleine Heizung ist demnach fast alles zulässig – jedoch nicht immer wirklich sinnvoll. Grundsätzlich sollte die Wasseraufbereitung möglichst einfach durchgeführt werden können und möglichst zu stabilen Wasserqualitäten führen.

Auch die Konditionierung sollte möglichst einfach sein und mit wenigen Kontrollen auskommen. Zudem sollte das Wasser die Korrosion, die praktisch in jeder Heizung abläuft, stark verlangsamen. Dabei muss man sich darüber im Klaren sein, dass jedes Wasseraufbereitungsverfahren unterschiedliche Konsequenzen und Auswirkungen hat, die unter Umständen auch problematisch sein können. Im Folgenden werden die wichtigsten Verfahren vor und gegenübergestellt. Tabelle 2 fasst die wichtigsten Aussagen (auch auf den häuslichen Bereich übertragbar) zusammen.

Wasseraufbereitung

Der Aufwand der Wasseraufbereitung steigt, je weiter sich die Qualität des aufbereiteten Wassers von der Rohwasserqualität unterscheidet. Im einfachsten Fall wird enthärtet: Das Wasser strömt durch eine Kartusche mit Harz, das die  Härtebildner aufnimmt. Ist die Anlage erschöpft, wird sie mit Kochsalz regeneriert. Diese Regeneration kann in der Werkstatt des Handwerkers erfolgen und ist in der Regel automatisiert. Als anderes Ende der Möglichkeiten ist die Vollentsalzung zu nennen. Auch hier wird das Wasser durch eine Kartusche geleitet, die jedoch mit einer Mischung verschiedener Harze befüllt ist. Ist die Anlage erschöpft, müssen die Harze vor der Regeneration getrennt werden, um dann mit Salzsäure und Natronlauge regeneriert zu werden. Dies ist für den Handwerker praktisch nicht möglich, sodass die beladenen Kartuschen zur externen Regeneration gebracht oder entsorgt werden müssen.

Konditionierung und Kontrolle2010- Fahrweisen für Heizungswasser

Grundsätzlich müssen alle aufbereiteten Wässer konditioniert werden. Dies gilt auch und vor allem für das vollentsalzte Wasser. Die Konditionierung kann mittels Korrosionsinhibitoren geschehen oder auch mittels Opferelektrode. Beide Verfahren schließen sich aber gegenseitig aus. Bei den Korrosionsinhibitoren gibt es unterschiedliche Verfahren. Die Verfahren mit der größten Verbreitung basieren auf der Schicht- bzw. Filmbildung, um so chemische Reaktionen wie Korrosion zu verlangsamen. Diese Eigenschaft darf wohl bei sachgerechter Anwendung allen Produkten zum „Heizungsschutz“ unterstellt werden. Aber Achtung: Die Herstellerhinweise zu Sollkonzentrationen bestimmter Wirkstoffe, beispielsweise Molybdat, Natriumsulfit, Triazol… (gemäß Sicherheitsdatenblatt) sind zwingend einzuhalten, da es bei Nichteinhaltung zu lokaler Korrosion und anderen unerwünschten Reaktionen kommen kann. Bei der Auswahl des Korrosionsschutzverfahrens ist darum unbedingt zu berücksichtigen, inwieweit die Kontrolle empfehlenswert oder zwingend ist. Kontrollintervalle laut Herstellerangaben sind schon aus Gewährleistungsgründen unbedingt zu beachten.

Technische Grenzen

Bei der Diskussion innerhalb der Branche wird bisher häufig vergessen, dass die Wässer lange in der Heizung bleiben sollen, sich also möglichst nicht verändern dürfen. Dabei gilt die aus dem Trinkwasser übernommene Tatsache, dass weiches Wasser aggressiv ist, für Heizungswasserkreisläufe nicht! Das liegt daran, dass beim Erwärmen der Großteil der Kohlensäure ausge trieben wird (je nach Temperatur) und so nach der ersten Erwärmung keine aggressive Säure mehr vorliegt. In der Praxis wird jedoch, insbesondere in Wohngebäuden, die Heizungsanlage über längere Zeiträume ausgeschaltet. Damit erhöht sich wiederum die Gaslöslichkeit des Heizungswassers. Durch Reparaturen, Umbauten (sind in Kleinanlagen wesentlich häufiger) und Nachspeisewasser, kommt es zu unvorhersehbaren Veränderungen der Wasserqualität. Es ist deshalb notwendig (und möglich), die negative Veränderung in Bereichen zu halten, wo es für die Anlage weitgehend unproblematisch ist, indem das Wasser mit bestimmten Eigenschaften konditioniert (eingestellt) wird. Dies ist vor allem über die Einstellung eines leicht alkalischen pH-Werts und andere Maßnahmen zu erreichen (Bild 4). Der pH-Wert ist extrem von den eingesetzten Materialien und Umwelteinflüssen abhängig. Liegt eine Anlage vor, die praktisch kein Aluminium enthält, kann in der Regel ein pH-Wert zwischen 8,5 und 9,5 eingestellt werden. Wurde Aluminium verbaut, kann der pH-Werte nur noch maximal auf 8,5 angehoben werden, weil sich sonst das ungeschützte Aluminium bei höheren ph-Werten (auf)löst. In der letzten Zeit wird von einigen Seiten das vollentsalzte Wasser als das sicherste Mittel für lange Lebensdauer empfohlen. Das ist leider nicht der Fall. Es stimmt zwar, dass Korrosionsvorgänge wegen der geringen elektrischen Leitfähigkeit im vollentsalzten Wasser zumeist langsamer ablaufen als in salzhaltigem Wasser. Dafür treten im vollentsalzten Wasser kritische Effekte auf, die in salzhaltigem Wasser praktisch unbekannt sind, beispielsweise Spannungsrisskorrosion. Entscheidend ist aber, dass vollentsalztes Wasser wegen seines enormen Gas-Lösungsvermögens nicht auf Dauer stabil ist. Und wer garantiert bei einer kleinen Anlage, dass nicht doch mit hartem, unaufbereitetem Wasser nachgefüllt wird? Darum muss vollentsalztes Wasser konditioniert und überwacht werden, um die Qualität „künstlich“ zu stabilisieren. Da für Kleinanlagen jedoch lediglich eine Überwachungsempfehlung und keine Überwachungspflicht besteht, ergeben sich eventuell sogar rechtliche Probleme. Die einfachste Art zur stabilen Anlage Wie in praktisch der gesamten Literatur nachzulesen ist, kann mit wenigen grundsätzlichen Maßnahmen den häufigsten Schadensursachen entgegengewirkt werden:

Bild 4: PH-Teststreifen

Bild 4: PH-Teststreifen

  • möglichst wenige Materialien verwenden und wenn mehrere, dann  zusammenpassende
  • Kupfer und Aluminium (außer Legierungen zwischen Aluminium und Silizium) vertragen sich häufig nicht
  • die Anlage sollte immer unter Druck stehen, auch am höchsten Punkt und bei ausgekühlter Anlage
  • die Anlage sollte möglichst gasdicht sein
  • >das Wasser muss härtefrei sein (Ausnahme: Bei Aluminiumbauteilen 6 bis 8° dH!)
  • das Wasser muss konditioniert werden
  • nach der 1. Heizperiode muss das Wasser einen pH-Wert größer 8 haben
  • Kontrollanalyse zur Feinabstimmung nach ca. sechs bis acht Wochen als Nachweis für den Kunden und für das Betriebsprotokoll im Gewährleistungsfall

Fazit

Die Praxiserfahrungen bestätigen die Forderungen in verschiedenen Normen, dass im Heizungsbereich der Enthärtung der Vorzug zu geben ist – auch weil sich der Mehraufwand mit Vollentsalzungspatronen für die Regeneration, Logistik etc. nicht durch einen Qualitätsgewinn rechtfertigt. Erst bei sehr salzhaltigen Wässern (> 1000 μS/cm) oder bei Wässern, die sehr viele korrosive Elemente enthalten, ist eine Vollentsalzung anzuraten. Diese Wässer sind in Deutschland, Österreich sowie der Schweiz sehr selten. Wer Aluminiumlegierungen einbaut, kann durch die Befüllung mit teilenthärtetem Wasser von 6 bis 8° dH einfach und sicher die Eigenalkalisierung im pH-Wert-Bereich auf ca. 8 bis 8,5 abpuffern und das Aluminium stabilisieren. Heizungswasseraufbereitung kann als proaktiv (vor dem Schaden klug) bewertet werden, um nicht im Nachhinein mit erheblichem Mehraufwand auf Probleme mit Gewährleistungsansprüchen reagieren zu müssen. Für das Prinzip „Hoffnung“ gibt es in modernen Heizsystemen heute nur noch wenig Spielraum, besser ist deshalb das Prinzip „ökonomische Sicherheit“. Aber Aufwand zu Nutzen muss ebenfalls stimmig sein.

Vergleich von verschmutztem und sauberen Heizungswasser

Bild 5: Heizungswasser behandelt und unbehandelt.
Eine sorgfältige Heizungswasseraufbereitung empfiehlt sich schon aus Gewährleistungsgründen.

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