Korrosions- und Hydraulikprobleme vermeiden

Der Einfluss des Energieträgers Wasser auf den reibungslosen Betrieb von Heizkreisläufen wird oft unterschätzt. So können z.B. Gase langfristig zu Betriebsstörungen des gesamten Systems führen. Zu den negativen Auswirkungen zählen vor allem Zirkulationsstörungen und Korrosion sowie die hieraus resultierende Schlammbildung. Um solche Situationen möglichst zu vermeiden, stellt die VDI-Richtlinie 2035 "Vermeidung von Schäden in Warmwasser-Heizungsanlagen" Anforderungen an die Füllwasserqualität.

Eintrag von Luft in Heizkreisläufe

Heizungswasser weist selbst in fachgerecht installierten Anlagen eine bestimmte Beladung mit freien und gelösten Gasen auf. So enthält bereits Füll- und Nachspeisewasser pro Liter einen Anteil von etwa 11 mg Sauerstoff und 18 mg Stickstoff in gelöster Form. Hingegen legt die VDI 2035 etwa für Sauerstoff einen Grenzwert von < 0,1 mg/l fest. Dieser Wert wird in der Praxis erstaunlicherweise regelmäßig unterschritten. Trotz dieses scheinbar unproblematischen Resultats besteht weiterhin Handlungsbedarf. Der Grund für die Differenz zwischen den gemessenen Werten und der Sauerstoffbeladung des Füllwassers liegt in der Reaktionsfreudigkeit dieses Gases. Sauerstoff "verbraucht" sich in Oxidationsprozessen, bevor es mit apparativen Einrichtungen aus dem System entfernt werden kann. Als Konsequenz daraus müssen Heizsysteme korrosionssicher geschlossen sein, um einen Neueintrag von Sauerstoff zu verhindern.

Stickstoff als Inertgas ist reaktionsträge und wird nicht durch chemische Reaktionen verbraucht, sondern reichert sich im Netzwasser an. Während Sauerstoff Korrosionsprobleme hervorruft, kommt es bei übermäßiger Beladung von Stickstoff zu hydraulischen Problemen. Feldmessungen haben hier Werte bis zu 50 mg/l ergeben. Diese Beladung liegt weit über der theoretischen Konzentration von 18 mg/l in Trinkwasser, wodurch Stickstoff in Form von Luftblasen bzw. als Mikroblasen mit Durchmessern von 0,05 bis 0,1 mm auftritt.Die Ursache für Gasproblematik liegt größtenteils in einer funktionell unzureichenden Druckhaltung. So sinkt nach dem Henryschen Gesetz die Löslichkeit von Gasen in Wasser mit steigender Temperatur und sinkendem Druck. Häufig werden die Löslichkeitswerte des Henryschen Gesetzes als konkrete Angaben über die Menge an gelösten Gasen zugrunde gelegt. Henry beschrieb jedoch nicht den tatsächlichen Gas- bzw. Luftgehalt im Wasser, sondern lediglich seinen maximalen Löslichkeitsgrad unter bestimmten Voraussetzungen, wie etwa einem ausreichend langen Kontakt von Luftsauerstoff an einer offenen Wasseroberfläche. Ein solcher Kontakt ist allerdings weder innerhalb einer geschlossenen noch einer offenen Installation gegeben.

Eine Druckabsenkung führt aufgrund der zuvor beschriebenen Abhängigkeit zur Freisetzung der im Netzwasser enthaltenen gelösten Gase. Unterdruck entsteht zudem durch zu klein bemessene Ausdehnungsgefäße, wenn das Anlagenwasser bei der Nachtabsenkung abkühlt. Dieses Druckgefälle kann wiederum zu einem "Einsaugen" von Außenluft in das Rohrnetz über Dichtelemente oder Verschraubungen führen.Auch mit steigenden Temperaturen sinkt die Löslichkeitsgrenze des Wassers. Insbesondere an der wasserseitigen Kesselwand können Temperaturen oberhalb des Normalsiedepunktes entstehen und zur Bildung von Mikroblasen führen, die ohne geeignete Abscheidemaßnahmen im Volumenstrom verbleiben. Sie verfügen über eine derart geringe Auftriebskraft, dass sie im Volumenstrom mitgeführt und im System verteilt werden. Dabei können sich freie Gase weit entfernt vom Ursprung des Gaseintrags bilden und die Ursachenforschung erschweren. Insofern konzentrieren sich die zuvor beschriebenen Zirkulationsstörungen nicht nur auf die Anlagenhochpunkte. Sie können an jedem Betriebspunkt auftreten. Mikroblasen entstehen ebenfalls, wenn freie Luftblasen beispielsweise Querschnittsverengungen wie Heizkörperventile durchlaufen (Venturi-Effekt). Verschiedene Entwicklungen der Heizungstechnik in den letzten Jahren begünstigen zudem die vermehrte Diffusion von Gasen. Insbesondere Verbundrohre, Kunststoff- und Gummischläuche in Flächenheizsystemen können im Vergleich zu klassischen Kupfer- oder Stahlinstallationen ein um den Faktor 1000 oder mehr höheres Diffusionspotenzial aufweisen (oberer Grenzwert für sauerstoffdichte Rohre laut DIN 4726: 0,1 mg/(l · d)). Mischinstallationen können hingegen durch ein Spannungsgefälle zwischen verschiedenen Metallen unterschiedliche Anforderungen an den pH-Wert sowie die unbeabsichtigte Wirkung weniger Metallstellen als eine Art Opferanode Korrosion hervorrufen oder beschleunigen. Auch andere chemische Reaktionen können zur Gasbildung beitragen. In Installationen aus eisenhaltigen Werkstoffen können sich nach der sogenannten Schikorr-Reaktion (formelle Beschreibung: 3 Fe(OH)₂ –> Fe₃O₄ + H₂ + 2 H₂O) aus vorhandenem Eisenhydroxid (Fe(OH)₂) Eisenoxid bzw. Magnetit (Fe₃O₄) sowie Wasserstoff (H₂) bilden, die bei ständigem oder zeitweisem Sauerstoffeintrag in die Anlage ebenfalls Korrosionsschäden begünstigen. Grundsätzlich gilt, dass offene Systeme Angriffsflächen für den Eintritt neuer Luft bilden.

Konsequenzen der Gasbeladung

Luft weist eine erheblich niedrigere spezifische Wärmetransportkapazität auf als Wasser. Insbesondere ein hoher Stickstoffanteil führt zu Zirkulationsstörungen, wodurch die Anlage nicht mehr alle Heizflächen gleichmäßig mit Wärme versorgen kann. Eine hohe Gasbeladung reduziert daher die Effizienz des Gesamtsystems und schlägt sich in steigenden Energiekosten nieder. Und da durch Diffusion oder Unterdruckbildung der Luftanteil stets erneuert werden kann, hilft eine manuelle Entlüftung in diesen Fällen nur kurzfristig. So ist beispielsweise ein hydraulischer Abgleich bei gasbeladenem Heizungswasser aufgrund instabiler Druckverhältnisse nicht durchführbar.

Zu den weiteren Konsequenzen einer hohen Gasbeladung zählen Strömungsgeräusche, Kavitation und Korrosion. Der vielfache Einsatz unlegierter und somit nicht korrosionsbeständiger Eisenwerkstoffe verlangt, dass solche Systeme korrosionstechnisch geschlossen ausgeführt werden. Gelangt jedoch auf verschiedenen Wegen immer wieder neuer Sauerstoff in das System, werden Metallteile durch die kontinuierlichen Oxidationsprozesse beschädigt. Dieser Vorgang kann bis zum Durchrosten einzelner Stellen (Lochkorrosion) führen. Vermehrt betroffen hiervon sind Mischinstallationen, deren Metallelemente Korrosionsprozessen durch die Konzentration der Oxidation auf einige wenige Stellen besonders stark ausgesetzt sind. Ablagerungen und Rostschlamm werden mit dem Heizungswasser transportiert und können Anlagenteile verstopfen sowie erhebliche Schäden an Umwälzpumpen, Thermostatventilen oder Heizkesseln verursachen.

Lösungsansätze zur Schadensprävention

Ein möglichst gasarmes Wasser sowie eine fachgerechte Druckhaltung sind zur Vermeidung von luftbedingten Problemen unerlässlich. Gleichzeitig muss in jedem Betriebszustand und an jedem Betriebspunkt Unterdruck sicher vermieden werden. Erst dann kann eine sinnvolle Abscheidung von Luft und Ablagerungen erfolgen. Sie können dabei gezielt und abhängig von ihrer Zustandsform über geeignete Komponenten wie Entlüfter, Abscheider oder Vakuumentgaser abgeführt werden. Freie Luft und Ablagerungen lassen sich häufig mit statischen Entlüftungs- und Abscheidesystemen aus Heizkreisläufen entfernen. Um in größeren Heizkreisläufen die von der VDI 2035 geforderten Grenzwerte zu unterschreiten, muss meist auch der Anteil gelöster Luft im Anlagenwasser dauerhaft gesenkt werden. Dazu ist eine atmosphärische oder dynamische Vakuum-Entgasung erforderlich. Nur sie erfüllen die Anforderungen hinsichtlich der Minimierung von Korrosion an eine zentrale Abscheide- und Entgasungseinrichtung in allen Druckbereichen, während die Wirksamkeit mechanischer Luftabscheider mit steigendem Druck deutlich sinkt.

Für eine bedingte Abführung der freien Gasphase an die Atmosphäre im laufenden Betrieb oder bei Entleerungs- und Füllvorgängen sorgen automatische Groß- bzw. Schnellentlüfter, die in der Regel in Form eines T-Stückes auf ein Heizungsrohr aufgesetzt werden. Sie wirken demzufolge am Rand des Volumenstroms, wo sie große Luftblasen erfassen. Bestimmungsgemäß werden Großentlüfter an Anlagenhochpunkten eingesetzt, an denen sich tendenziell die größte Zahl von Luftblasen sammelt. Sie können auch dort jedoch stets nur soviel Luft abführen, wie an dieser Stelle in freier Form und mit entsprechender Blasengröße vorhanden ist. Ihr Anwendungsgebiet ist auf die reine (Vorab)-Entlüftung beschränkt.

Die Entfernung von Mikroblasen aus dem Systemkreislauf erfolgt hingegen in den Bereichen, an denen physikalisch bedingt freie Luft entsteht, also am besten in Dachheiz- oder hochliegenden Technikzentralen. Mikroblasenabscheider können ihre Wirkung optimal entfalten, wenn sie in unmittelbarer Nähe des Wärmeerzeugers im Vorlauf installiert werden. Die Abscheider wirken dabei mit ihren Einbauten im Volumenstrom und können auf diese Weise den Großteil der Mikroblasen bereits an ihrem Entstehungsort abführen. Mithilfe eines größeren Querschnitts wird die Fließgeschwindigkeit des Anlagenwassers reduziert und gleichzeitig der Volumenstrom durch ein Drahtgeflecht geführt. Dies begünstigt die natürliche Absetzbewegung der Mikroblasen, sodass diese wirkungsvoll über das Entlüftungsventil entfernt werden können. Diese Produkte sind nicht auf die Abscheidung von Mikroblasen begrenzt, sondern können zusätzlich die Funktion von Großentlüftern übernehmen.Während sich der Einsatz der genannten Luftabscheider insbesondere für kleinere Anlagen als technisch sinnvoll erweist, sind ihre Grenzen bei Anlagen bis zu einer Nennweite von DN 125 bis 150 weitestgehend erreicht. Dabei ist besonders zu beachten, dass die Abgrenzung des Einsatzbereiches nach oben hin technisch unklar ist - hier besteht noch weiterer Forschungsbedarf. Oberhalb dieser Größenordnung empfiehlt sich der Einsatz von Entgasungsgeräten. Solche Geräte setzen die im Netzwasser gelöste Luft frei (entgasen) und decken das gesamte Spektrum zur Entfernung von Gasen - also das Entlüften, Abscheiden und Entgasen - ab. Um Anlagenkomponenten nicht nur vor Gasen, sondern ebenfalls vor Ablagerungen wie Rostschlamm zu schützen und ihre Wirksamkeit und Lebensdauer zu erhöhen, empfiehlt sich der Einsatz von Schmutz- und Schlammabscheidern. Die Produkte gewährleisten eine zuverlässige Abschlammung im laufenden Betrieb und werden im Rücklauf von Wärmeerzeugern und Wärmeüberträgern ebenso wie vor sensiblen Verbrauchern eingesetzt. Ihr Funktionsprinzip ist dabei mit dem der Mikroblasenabscheider vergleichbar.

Fazit

Gerade die zunehmend komplexere moderne Anlagentechnik stellt steigende Ansprüche an die Qualität des Heizungswassers. Es sollte daher stets als eigenständige Systemkomponente betrachtet werden und muss den Anforderungen der VDI-Richtlinie 2035 entsprechen. Eine unerlässliche Voraussetzung zur Vorbeugung von luftbedingten Problemen ist eine korrosionstechnisch geschlossene Anlage mit fachgerecht ausgelegter und betriebener Druckhaltung. Nur so lässt sich Unterdruck nachhaltig vermeiden und die Luftbeladung des Heizungswassers weitestgehend minimieren. Geschieht dies nicht, kann ein zu hoher und vor allem kontinuierlicher Lufteintrag Korrosion hervorrufen (Sauerstoff) und Zirkulationsprobleme verursachen (Stickstoff), was langfristig sowohl zu Komponentenschäden als auch zu einem niedrigeren Anlagenwirkungsgrad führen kann.