Druckhaltung? – Vielfach unterschätzt!

Die Druckhaltung ist ein unverzichtbarer Bestandteil einer jeden Heizungsanlage und entscheidend für eine störungsfreie Wärmeversorgung. Voraussetzung ist allerdings, dass die Auswahl und Auslegung der jeweiligen Lösung stets individuell und anlagenspezifisch erfolgen. Zudem bieten moderne Druckhaltestationen eine Reihe von Zusatzfunktionen sowie vielfältige Möglichkeiten für Fernsteuerung und Datenkommunikation. Der folgende Beitrag liefert eine Übersicht der verschiedenen Arten, Aufgaben und technischen Parameter einer Druckhaltung und zeigt auf, worauf bei der Planung und im Betrieb geachtet werden sollte.

Die Bedeutung der Druckhaltung für die einwandfreie Funktionsweise des Gesamtsystems wird leider viel zu oft unterschätzt. So kommen bei Problemen wie Geräuschbelästigungen durch eingeschlossene Luft oder unzureichende Wärmeabgabe häufig zunächst etwa ein Pumpentausch oder der hydraulische Abgleich zur Durchführung. Dass hier jedoch die Druckhaltung nicht anlagenspezifisch ausgelegt, fachgerecht gewartet oder gar defekt sein könnte, wird eher selten in Betracht gezogen.
Des Weiteren sind die zahlreichen technischen Möglichkeiten und zusätzlichen Funktionen moderner Druckhaltestationen nicht immer bekannt. So können dynamische Multifunktionsdruckhaltungen auch Nachspeisen, Entgasen, die Wasseraufbereitung überwachen sowie auf verschiedenen Wegen mit anderen Geräten, der Gebäudeleittechnik, dem Kundendienst und dem Betreiber „kommunizieren“. Dies bringt vor allem in größeren und komplexeren Anlagen sowie in Wärme-Kälte-Wechsellastsystemen große Vorteile mit sich.

Hauptaufgabe der Druckhaltung
Das primäre Aufgabengebiet einer Druckhaltung ist, den Druck in der Anlage jederzeit und überall in bestimmten Grenzen zu halten. Hierdurch werden Unterdruck und Kavitation vermieden sowie maximal zulässige Drücke nicht überschritten. Dafür muss das Druckhaltesys­tem genügend Volumen zur Kompensation des Ausdehnungswassers infolge von Temperaturschwankungen zur Verfügung stellen. Darüber hinaus ist ebenfalls wichtig, dass eine gewisse Menge an Wasser als Reserve für systembedingte Verluste vorgehalten wird.
Der Arbeitsbereich der Druckhaltung ist nach unten hin festgelegt durch den Anfangsdruck (p_a). Er sollte mindestens 0,3 bar über dem sogenannten Mindestdruck (p₀) und dieser wiederum mindes­tens 0,3 bar über dem statischen Druck (p_st), liegen. Damit wird sichergestellt, dass zur Vermeidung von Unterdruck an jeder Stelle des Systems ein Überdruck von mindestens 0,6 bar vorherrscht. Der Mindestdruck lässt sich dabei anhand der Formel p₀ = H_st/10 + 0,3 bar berechnen. Das Kürzel Hst bezeichnet die statische Anlagenhöhe und beschreibt die Höhendifferenz zwischen Einbindepunkt der Druckhaltung und dem höchsten Punkt der Anlage. Mit H_st/10 wird ausreichend genau der statische Druck, der durch die für diese Höhe auflastende Wassersäule entsteht, berechnet. Der Enddruck (p_e) ist der obere Wert der Druckhaltung und darf den Ansprechdruck des Anlagensicherheitsventils (p_svs) abzüglich dessen Schließdruckdifferenz nicht überschreiten. Bild 1 zeigt den Arbeitsbereich der Druckhaltung zwischen p_a und p_e sowie die begrenzenden Drücke.
Starke Schwankungen unter p_a und über p_e hinaus deuten auf eine nicht einwandfrei arbeitende Druckhaltung hin. Am einfachsten lassen sich entsprechende Unregelmäßigkeiten mithilfe eines externen Manometers mit Schleppzeigern identifizieren. Ein weiteres Indiz für das Überschreiten des Enddrucks ist etwa das Ansprechen des Sicherheitsventils sowie die damit verbundenen Wasserverluste im System. Generell sollte bei häufiger Nachspeisung des Anlagenwassers auch die Druckhaltung überprüft werden. Auch Geräuschbildung an Pumpen und Ventilen aufgrund von Kavitation oder eines hohen Luftanteils im Heizwasserkreislauf weisen auf eine unzureichende Druckhaltefunktion hin. Neben diesen „sanften“ Störungen zeigen sich Unterschreitungen des Anlagenmindestdrucks sehr direkt durch ein Abschalten des Heizkessels. Spätestens jetzt darf die Druckhaltung nicht mehr unbeachtet bleiben.

Hydraulische Einbindung
Eine wesentliche Rolle für eine einwandfrei arbeitende Druckhaltung spielt die korrekte hydraulische Einbindung. Grundsätzlich zu bevorzugen ist die sogenannte Saugdruckhaltung, die dementsprechend schätzungsweise in 90 % aller Anlagen zum Einsatz kommt. Hier wird die Druckhaltung im Rücklauf auf der Saugseite der Umwälzpumpe installiert. Dadurch liegt der Arbeitsdruck des Systems nahezu vollständig oberhalb des Ruhedrucks (Bild 2), was bei laufender Umwälzpumpe eine Unterdruckbildung am Hochpunkt der Anlage ausschließt. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich die geringen Temperaturen im Rücklauf positiv auf die Lebensdauer der Blase im Ausdehnungsgefäß auswirken. Aus diesen Gründen gilt die Saugdruckhaltung als besonders sicher und die Methode der Wahl.
Eine weitere Einbindemöglichkeit bietet die Nachdruckhaltung – auch bekannt als Enddruckhaltung. Sie wird vor allem als Lösung für Sonderfälle eingesetzt, beispielsweise für Solaranlagen oder in Altanlagen, in denen die Druckbelastung möglichst niedrig zu halten ist. Die Einbindung erfolgt hier auf der Druckseite der Umwälzpumpe, wodurch zur Vermeidung des Unterdrucks ein anlagenspezifischer Anteil des Umwälzpumpendrucks mitberücksichtig werden muss. Daher em­pfiehlt sich bei der Nachdruckhaltung stets die Durchführung einer detaillierten Druckverlaufsberechnung. Darüber hinaus gibt es die vorwiegend in Großanlagen und im Fernwärmebereich verwendete Mittendruckhaltung, die mithilfe einer Analogiestrecke flexibel zwischen Saug- und Nachdruckhaltung variieren kann. Hiermit lassen sich komplizierte hydraulische Verhältnisse beherrschen, was allerdings einen höheren Konstruktionsaufwand erfordert.

Volumenbestimmung
Wesentlich für eine korrekte Dimensionierung der Druckhaltung ist die Kenntnis des im Betrieb der Anlage maximal auftretenden Ausdehnungsvolumens (V_e). Das Ausdehnungsvolumen steht in direktem Zusammenhang mit dem Anlagenvolumen (V_s) und den hier auftretenden Minimal- und Maximaltemperaturen, die den Ausdehnungskoeffizienten definieren: V_e = V_s · e_{(tmin, tmax)}. Das Anlagenvolumen kann als Funktion der Heizleis­tung (Q_N) recht gut abgeschätzt und z. B. aus Diagrammen oder Tabellen abgelesen werden: V_s = f(Q_N). Wärmespeicher sind mit deren individuellen Volumina und Min-Max-Temperaturen zusätzlich zu berücksichtigen.
Zudem muss die Druckhaltung ein gewisses Volumen für systembedingte Wasserverluste vorhalten, die durch Wasserdampfdiffusion, Kleinstleckagen oder auch bei Reparatur- und Wartungsarbeiten gleichermaßen auftreten können. Hier schreiben sowohl die DIN EN 12828 „Heizungsanlagen in Gebäuden – Planung von Warmwasser-Heizungsanlagen“ als auch die VDI-Richtlinie 4708-1 „Druckhaltung, Entlüftung, Entgasung“ vor, dass die Wasserreserve (V_wr) mindestens 0,5 % vom Anlagenvolumen, auf jeden Fall jedoch mindestens 3 l betragen muss.
Neben der reinen Volumenbetrachtung ist aber auch der Volumenstrom (Ausdehnungsgeschwindigkeit) während des Aufheizvorgangs in Betracht zu ziehen, denn dieser ist entscheidend für die Dimensionierung der Ausdehnungsleitung. Prinzipiell muss vermieden werden, dass das Sicherheitsventil der Anlage während des Aufheizens anspricht, weil ein zu hoher Staudruck in Richtung Druckhaltung entstanden ist. Üblicherweise werden Ausdehnungsleistungen mit einem Gesamtdruckverlust von 5 kPa ausgelegt.

Statische Druckhaltung mit MAG
Für Anwendungen im kleinen und mittleren Leistungsbereich und damit Heizungsanlagen bis 300 kW bzw. Drücken von bis zu 3 bar ist die statische Druckhaltung die am meisten eingesetzte Druckhaltungsart. Es handelt sich hier um Membrandruckausdehnungsgefäße (MAG), die ohne Fremdenergie das Ausdehnungswasser mithilfe eines durch eine Gummimembrane (Halbmembran oder Vollmembran) getrennten Gaspolsters ausgleichen. Häufig wird übersehen, dass das Nennvolumen der Gefäße (V_N) nicht nur vom Wasserinhalt der Anlage und den Systemtemperaturen, sondern auch wesentlich von den zulässigen Anlagendrücken und dem daraus resultierenden sogenannten Druckfaktor (D_F) abhängig ist. Demzufolge muss die Auslegung des MAGs stets individuell und auf die jeweilige Anlage bezogen erfolgen (siehe Praxisbeispiel im Infokasten).
MAGs lassen sich problemlos mit externen Nachspeise- und Entgasungsanlagen kombinieren. Da allerdings als Effekt des Druckfaktors in der Regel nur etwa 30 % des Nennvolumens für die Wasseraufnahme genutzt werden kann, wird ab einer gewissen Anlagengröße aus Kosten- und Platzgründen die dynamische Druckhaltung bevorzugt. Dies gilt ebenso bei Anlagen, die sehr konstante Druckverhältnisse benötigen, da MAGs zur Druckhaltung grundsätzlich nahezu den komplett verfügbaren Arbeitsbereich – also von p0 + 0,3 bar bis p_svs – 0,5 bar – nutzen.

Regelmäßige Vordruckprüfung
Ein entscheidendes Kriterium für die Qualität eines MAGs ist die Qualität der Mem­brane hinsichtlich der Permeabilität (Gasdurchlässigkeit). Eine hohe Permeabilität führt in der Regel zu hohen Vordruckverlusten des MAGs. Ist der Vordruckverlust jedoch zu hoch, kann das schnell zur Fehlfunktion oder gar Ausfall der Druckhaltung mit Folgen für die Heizungsanlage wie Lufteintrag und Korrosion führen. Daher ist beim Einsatz eines MAGs eine regelmäßige Vordruckprüfung erforderlich. Die empfohlenen Prüfungsintervalle hängen dabei vom eingesetzten Membran­material ab. Ist diese aus Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), sollte der Vordruck mindestens einmal pro Jahr kontrolliert werden. Membranen aus Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) haben eine deutlich höhere Permeabilität als SBR, was in den Wartungsintervallen zu beachten ist. Hochwertige Lösungen aus Butyl-Kautschuk, wie sie z. B. IMI Hydronic Engineering anbietet, sind hingegen diffusionsarm. Hier genügt es in der Regel, alle drei bis fünf Jahre eine Vordruckprüfung durchzuführen.
Für die Durchführung wird – wie in der DIN EN 12828 gefordert – ein Kappenabsperrhahn zur separaten Entleerung von Ausdehnungsgefäßen benötigt. Flachform-MAGs, die bereits werkseitig in Wandbrennwertkessel integriert sind, haben in der Regel keine eigene Absperrvorrichtung. Hier muss dann die komplette Kesseleinheit abgesperrt und entleert werden, was mit einem entsprechend hohen Aufwand verbunden ist. Daher kommt es häufig vor, dass bei derartigen Anlagen auf Vordruckprüfungen verzichtet wird. Auf Dauer kann diese Vorgehensweise jedoch zu Druckproblemen und Wasserverlusten führen.
In der Wartungszwischenzeit kann eine zusätzliche Betriebsreserve eine optimale Druckhaltung absichern. Eine Möglichkeit für die Erzeugung einer Betriebsreserve ist, das System auf die Maximaltemperatur aufzuheizen und den Druck anschließend durch Nachspeisen auf den Wert pe (Enddruck) zu bringen. Auf diese Weise bleibt der Druck nach Abkühlen des Heizungssystems entsprechend oberhalb des minimalen Anfangsdrucks p0 + 0,3 bar. Alternativ kann das MAG größer als berechnet ausgewählt werden.

Dynamische Druckhaltung mit Kompressor oder Pumpe
Im Gegensatz zu MAGs arbeitet die dynamische Druckhaltung mit Fremdenergie. Auf dem Markt sind in diesem Bereich Anlagen erhältlich, die entweder mit Kompressoren oder mit Pumpen gesteuert werden. Der Einsatz einer Kompressordruckhaltung erfolgt vor allem dort, wo Kompaktheit und Präzision gefragt sind. Der bevorzugte Anwendungsbereich liegt bei Anlagen bis 800 kW bzw. Nenndrücken von bis zu 6 bar. Durch die natürliche Elastizität des Luftpolsters kann der Druck bis auf ± 0,1 bar konstant gehalten werden (Bild 3). Selbst bei Stromausfall bleibt die Kompressordruckhaltung weitestgehend arbeitsfähig. Das Nennvolumen des Ausdehnungsgefäßes kann dabei fast vollständig zur Wasseraufnahme genutzt werden.
Die Pumpendruckhaltung gewährleistet ebenfalls einen konstanten Anlagendruck mit einer hohen Präzision von ± 0,2 bar (Bild 4). Eingesetzt werden die Systeme überwiegend in Großanlagen, in denen die Leistung der Kompressordruckhaltung nicht ausreicht, oder im mittleren Leistungsbereich als Kombigerät mit Nachspeisung und Entgasung. Zum Schutz der Pumpe gegen Trockenlauf kann das Nennvolumen des Ausdehnungsgefäßes allerdings nicht vollständig, sondern etwa zu 90 % genutzt werden. Darüber hinaus ist bei Stromausfall ein Notbetrieb als MAG nicht möglich.

Zusatzfunktionen und Datenkommunikation
Moderne Druckhaltestationen bieten zudem eine Reihe von Zusatzfunktionen. Vor allem im mittleren Leistungsbereich werden bevorzugt Multifunktionslösungen eingesetzt. So kombiniert z. B. die Station „Transfero TV Connect“ der Marke IMI Pneumatex Pumpendruckhaltung mit der Vakuumentgasung in einem Gerät. Auf diese Weise wird platzsparend in parallel verlaufenden Prozessen der Anlagendruck mit hoher Präzision konstant sowie das Anlagenwasser mindestens doppelt so effektiv wie bei alternativer Pumpendruckhaltung mit atmosphärischer Entgasung von gelösten Gasen befreit. Des Weiteren ist die Station mit einer automatischen Nachspeisung mit kontrollierter Überwachung der Nachspeisemenge sowie einer Vakuumentgasung des Nachspeisewassers ausgestattet. Optionale Enthärtungs- oder Entsalzungsmodule zur Wasseraufbereitung lassen sich ebenfalls integrieren und überwachen.
Zusätzlich bietet die Multifunktionslösung Möglichkeiten zur Datenkommunikation und Anlagenüberwachung. Über die serienmäßig integrierte „BrainCube Connect“-Steuerung lässt sich das System in Echtzeit von internetfähigen Geräten aus über eine webbasierte Benutzeroberfläche oder ohne Internetzugang über ein internes Serverinterface bedienen und überwachen. Auf diese Weise können Anlagenanalyse, Fehlersuche sowie Inbetriebnahme und Wartung aus der Ferne erfolgen und dadurch Zeitaufwand und Kosten reduziert werden. Darüber hinaus ist es möglich, die Steuerung über die Modbus-fähigen „RS-485“- und „Ethernet“-Schnittstellen nahtlos in die Gebäudeleittechnik einzubinden. Eine zusätzliche USB-Schnittstelle stellt zudem eine Verbindung für Datendownloads und Softwareupdates vor Ort sicher (Bild 5).

Wärme/Kälte-Wechsellastsysteme
Bei Wärme/Kälte-Wechsellastsystemen sind Druckhaltestationen mit umfangreichen Kommunikationsmöglichkeiten unverzichtbar. So werden im Objektbereich immer häufiger Systeme eingesetzt – beispielsweise in Verbindung mit Konvektoren – die gleichermaßen heizen und kühlen können. Dabei verfügt sowohl die wärmeerzeugende Anlage als auch das Kältesystem über eine eigene Druckhaltung. Sind diese beiden Stationen nicht miteinander vernetzt, wird unweigerlich das Wasser über die gemeinsamen Verbraucher nach und nach von der Kälteanlage in das Heizungssystem fließen, bis das Ausdehnungsgefäß auf der Wärmeseite überfüllt oder auf der Kälteseite komplett leer ist.
Eine zuverlässige Lösung bietet hier eine hydraulische Verbindungsleitung mit Motorkugelhahn, über die das Wasser aus dem Wärmesystem kontrolliert zurückgeführt wird (Bild 6). Voraussetzung hierfür ist, dass die beiden Druckhaltestationen untereinander und mit dem Systemverbindungsventil in der Zusatzleitung kommunizieren können. Auf diese Weise arbeitet die Druckhaltung im Kältesys­tem solange, bis das Ausdehnungsgefäß fast leer ist. Dann öffnet sich das Ventil automatisch und die Anlage wechselt in den Level-Control-Betrieb (Volumenausgleich), bis der gewünschte Füllstand im Ausdehnungsgefäß auf der Kälteseite wieder erreicht ist.

Autor: Christian Thesing,
IMI Hydronic Engineering Switzerland AG

Bilder, sofern nicht anders angegeben:
IMI Hydronic Engineering, Marke IMI Pneumatex

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