IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 21/1998, Seite 35 ff.
HEIZUNG
Bedarfsgerechte Druckhaltung in Heizungsanlagen
Ehrhardt Buscher; Klaus Walter* Teil 1
Der Sinn einer Warmwasserheizung ist es, zu jeder Zeit die richtige Wärmemenge, die zur Heizbedarfsdeckung entsprechend der Außentemperatur erforderlich ist, den Heizflächen zur Verfügung zu stellen. Zu beachten ist dabei die witterungsabhängig geregelte Vorlauftemperatur. Denn das bedeutet, daß sich das Heizungswasser mit seiner Erwärmung ausdehnt. Das Ausdehnungsvolumen muß durch eine geeignete technische Vorrichtung aufgenommen werden können.
1. Einleitung
Durch die Wasserausdehnung ergibt sich ein weiterer, positiv anzusehender Effekt: Im Heizungssystem entsteht ein Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck. Dieser verhindert das Eindringen von unerwünschter Luft in das Warmwasser-Heizungssystem.
Im Grundsatz kann man für Heizungsanlagen vier Arten von Gefäßen unterscheiden, die in der Lage sind, die gestellte Aufgabe, nämlich das Ausdehnungsvolumen aufzunehmen, zu erfüllen:
1. Offene Ausdehnungsgefäße,
2. Membran-Ausdehnungsgefäße mit festem Vordruck,
3. Pumpengesteuerte Ausdehnungsgefäße mit angepaßtem Vordruck und
4. Kompressorgesteuerte Ausdehnungsgefäße mit angepaßtem Vordruck.
Der Vollständigkeithalber sei noch auf
5. Membran-Ausdehnungsgefäße in Trinkwassersystemen hingewiesen, die ebenfalls genormt sind.
Als die am häufigsten im normalen Bereich des Wohnungsbaues eingesetzten Gefäße sollen nur die unter Punkt 2 aufgeführten Membran-Druck-Ausdehnungs-Gefäße = MAG (Bild 1) in dieser Betrachtung behandelt werden, wie sie in den Normen DIN 4751 und DIN 4807 dargestellt sind.
| Bild 1: Membrandruckausdehnungsgefäß nach DIN 4751. 1 Wasseranschlußstutzen; |
1.1 Vorschriften
Weil der Druckhaltung in Heizungsanlagen eine so große Bedeutung zukommt, wird sie in verschiedenen Vorschriften und Technischen Regeln ausführlich behandelt. Die nachfolgende Zusammenstellung von Zitaten soll auf die enorme Wichtigkeit dieses heizungstechnischen Teilbereichs aufmerksam machen.
1.1.1 Deutsche Normen
Die grundlegende Norm über die Sicherheitstechnische Ausrüstung von Wasserheizungsanlagen ist die DIN 4751 [1] . Der Abschnitt 10 behandelt ausführlich "Einrichtungen zum Ausgleich der Wasservolumenänderung". Über die Druckhalteeinrichtungen wird im Abschnitt 10.2 u.a. ausgeführt: "Die Druckhalteeinrichtungen gleichen temperaturbedingte Flüssigkeitsvolumenänderungen aus und müssen den erforderlichen Arbeitsdruck der Wasserheizungsanlage gewährleisten."
Weiter heißt es unter 10.2.1:
"Wasser- und Gasraum von Druckausdehnungsgefäßen müssen nach DIN 4807 Teil 2 berechnet und die entsprechende Gefäßgröße so gewählt werden, daß der Arbeitsdruck an der höchsten Stelle der Wasserheizungsanlage höher ist als der der zulässigen Vorlauftemperatur entsprechende Sattdampfdruck, mindestens aber dem atmosphärischen Druck entspricht."
Die hier erwähnte Norm DIN 4807 [2] weist einen umfangreichen Weg zur Größenbestimmung des Ausdehnungsgefäßes. Der Rechengang umfaßt insgesamt 11 mathematische Formeln. Um dem Praktiker diesen Rechenaufwand zu ersparen, werden wir später ausführliche Ergebnistabellen darstellen.
Eine besondere Würdigung verlangt aber der Abschnitt 3.5 dieser Norm, in dem die vorgeschriebene Einbau-, Betriebs- und Wartungsanleitung behandelt wird. Sie muß einen Hinweis darauf enthalten, "daß Ausdehnungsgefäße jährlich zu warten und die bei der Erstinbetriebnahme . . . festgelegten Anlagedaten (Vordruck, Anlagenfülldruck) bei der erneuten Inbetriebnahme wiederherzustellen sind."
1.1.2 VOB
Die VOB [3] definiert nicht in einem besonderen Kapitel die Handhabung von Ausdehnungsgefäßen. Doch die allgemeine Aussage im Abschnitt 3.5.1 gilt auch dafür, die besagt:
"Die Anlagenteile sind so einzustellen, daß die geforderten Funktionen und Leistungen erbracht und die gesetzlichen Bestimmungen erfüllt werden."
Kurz gefaßt heißt das: Eine Heizungsanlage, die nicht vor der Inbetriebnahme in allen Betriebspunkten sorgfältig einreguliert wurde, ist eine unvollständige Bauleistung.
1.1.3 Heizungsanlagenverordnung
Auch in der HeizAnlV [4] werden die Ausdehnungsgefäße und die Druckhalteeinrichtungen in allgemeiner Form einbezogen, indem im §2, Abschnitt (1) geschrieben steht:
"Zu den heizungstechnischen Anlagen und Einrichtungen gehören neben den Wärmeerzeugern auch Maschinen, Apparate, Wärmeverteilungsnetze, Rohrleitungszubehör, . . . sowie andere in funktionalem Zusammenhang stehende Bauteile."
Und in §9 (4) heißt es:
"Die Instandhaltung der Anlagen hat mindestens die Aufrechterhaltung des technisch einwandfreien Betriebszustandes . . . zu umfassen."
Wenn die Druckhaltung in einer Heizungsanlage nie gewartet wurde, befindet sich diese nicht in einem einwandfreien Betriebszustand.
1.1.4 Fazit
Heizungsanlagen leiden häufig unter unbekannten und unkontrollierten Druckhaltungs-Zuständen. Es treten dadurch unsichere Funktionsabläufe in der Anlagentechnologie auf. Die Auswirkungen sind vorwiegend in einem Fehlverhalten der Heizungsumwälzpumpe festzustellen. - Ein Vergleich mit Herzrhythmusstörungen bei Problemen im organischen System des menschlichen Körpers drängt sich förmlich auf.
Deshalb liegen in den Feldern
Druckhaltung und
Entlüftung von Heizungsanlagen
große Innovationschancen für Industrie und Fachhandwerk.
Diese beiden Themen bilden grundsätzlich eine unauflösbare Einheit für die Zuverlässigkeit einer Heizungsanlage. Dennoch sollen sie nachfolgend getrennt ausführlich behandelt werden.
| Bild 2: Membran-Druckausdehnungsgefäß nach DIN 4751. Links Lieferzustand; mitte Systemdruck vor dem Aufheizen: 0,5 bar über dem MAG-Vordruck; rechts maximale Wasseraufnahme bei maximaler Wasservorlauftemperatur. |
2. Druckhaltung
Ein Membran-Druckausdehnungs-Gefäß (MAG), wie es in der Norm DIN 4751 Teil 2 beschrieben ist, soll die temperaturbedingten Volumenänderungen des Heizungswassers ausgleichen. Der Wasser- und der Gasraum müssen nach der DIN 4807 so berechnet werden, daß alle auftretenden Betriebszustände sicher abgedeckt werden können. Denn es entstehen während des Heizungsbetriebs unterschiedliche Größenzuordnungen dieser beiden Räume (Bild 2).
2.1 Drücke im MAG
Im Auslieferungszustand hat das MAG einen stickstoffseitigen Vordruck von maximal 1,5 bar (Bild 2, links). Er ist auf dem MAG angegeben. In bezug auf den tatsächlichen Vordruck ist dieser Wert jedoch uninteressant. Das MAG muß in jedem Fall auf den richtigen Vordruck eingestellt werden (Bild 3). Für die statische Höhe der Heizungsanlage gilt die einfache Umrechnungsformel
10 m = 1 bar.
Dadurch ist aber nur gewährleistet, daß die Heizkörper im obersten Heizstrang des Bildes 3 einen Innendruck haben, der genau dem Außen-Luftdruck entspricht. Damit es auf keinen Fall zur Einschnüffelung von Luft über die Stopfbüchsen der Thermostatventile kommen kann, muß der Systemdruck der kalten Heizungsanlage um 0,5 bar über dem statischen Druck liegen (Bild 2, mitte und Bild 3, rechts). Diese zusätzliche Wasserfüllung im MAG wird in der Norm DIN 4807 als Wasservorlage VV bezeichnet und ist zwingend vorgeschrieben.
| Bild 3: Druckverhältnisse in Heizungsanlagen. Ruhedruck bei kalter Anlage und ausgeschalteter Umwälzpumpe; MAG-Vordruck = statische Höhe, 1 bar = 10 m. |
Der Hintergrund dieser Anweisung ist der, daß auch in den heizfreien Sommermonaten oder bei Pumpenstillstand am höchsten Punkt der Anlage noch ein Überdruck vorherrscht. Ein besonderes Risiko sind in diesem Zusammenhang automatische Entlüftungseinrichtungen, die bei Unterdruck zu Belüftern werden.
Es ist sinnvoll, die beschriebenen Druckzustände auf dem MAG zu vermerken. Bild 4 zeigt den Entwurf eines Aufklebers, der möglichst bald zum Standard werden sollte. Die sowieso vorgeschriebene MAG-Wartung ist ein günstiger Anlaß, auch Altanlagen mit dieser wichtigen Information nachzurüsten.
| Bild 4: Muster MAG-Aufkleber. Bei der Inbetriebnahme ist dieser auszufüllen und die Wartungsintervalle sind bei jeder Wartung zu aktualisieren; er zeigt übersichtlich alle relevanten Zustandsgrößen, auch bei wechselnden KD-Monteuren ist die Information gewährleistet. |
Bei dem Erreichen der maximalen Heizwassertemperatur wird das Ausdehnungsvolumen den Stickstoffraum soweit zusammendrücken, wie es im Bild 2, rechts dargestellt ist. Bei störungsbedingtem weiterem Druckanstieg spricht das Sicherheitsventil an.
2.1.1 Dachzentralen
Wenn bei eingeschossigen Gebäuden oder in Dachzentralen zwischen dem MAG und dem obersten Heizstrang nur geringe Höhenunterschiede existieren, so soll man mindestens einen MAG-Vordruck von 0,5 bar einstellen. Damit ist bei einem Systemdruck von ca. 1,0 bar die erforderliche Druckhaltung gewährleistet.
2.2 Anschlußpunkt des MAG
Zunächst spricht die Norm davon, daß das MAG vorzugsweise im Rücklauf der Heizungsanlage installiert werden soll, um die Membrane nicht unnötig hohen Temperaturen auszusetzen. Die Pumpe soll im Heizkreis dahinter eingebaut werden (Bild 5), so daß das MAG auf der Pumpen-Zulaufseite angeordnet ist. Die durch die Pumpe aufgebaute Druckdifferenz 
p bewirkt damit eine weitere Erhöhung des Systemdrucks. Die Abwehr eines ungewollten Lufteintrags wird dadurch unterstützt.
| Bild 5: Druckverhältnisse in Heizungsanlagen bei laufender Umwälzpumpe. MAG auf der Pumpen-Zulaufseite, der Pumpendruck unterstützt den Ruhedruck. |
Den schlechteren Einbaufall zeigt das Bild 6: Das MAG ist auf der Pumpendruckseite angeschlossen. Diese Anordnung sollte nicht gewählt werden, weil der Pumpendruck den Ruhedruck reduziert.
2.2.1 Solar- und Brennwert-Heizungen
Die Auswirkungen der Anschlußart des Bildes 6 werden in der Solar- und Brennwerttechnik oft nicht erkannt. Häufig ist eine Situation anzutreffen, daß sich das MAG im Rücklauf des Systems auf der Pumpendruckseite befindet (Bild 7). Gerade bei Solaranlagen ist die statische Höhe recht gering.
| Bild 6: Druckverhältnisse in Heizungsanlagen bei laufender Umwälzpumpe. MAG auf der Pumpen-Druckseite, Gefahr des Unterdrucks im System; diese Anschlußart nicht wählen! |
Wie aus dem Bild 6 zu erkennen ist, wirkt sich der Umtriebsdruck der Heizungsumwälzpumpe reduzierend auf den Systemdruck aus. Deshalb wird empfohlen, den Systemdruck bei kalter Anlage noch um die Nullförderhöhe der Pumpe zu erhöhen (Bild 8).
2.3 Aufgaben des MAG
Diese Anschluß-Vorgaben (Bild 5) sollen bewirken, daß der Arbeitsdruck an der höchsten Stelle der Wasserheizungsanlage höher ist als der Sattdampfdruck bei der zulässigen Vorlauftemperatur und daß der Mindestzulaufdruck an der Heizungsumwälzpumpe höher ist als bei der zulässigen Vorlauftemperatur erforderlich.
| Bild 7: Installations-Sonderfall: Pumpe im Rücklauf und MAG auf der Pumpendruckseite. |
2.4 Vordruck-Prüfung
Die in der DIN und der VOB vorgeschriebene jährliche Wartung der Membran-Druckausdehnungsgefäße setzt voraus, daß das MAG über eine Absperrmöglichkeit verfügt. Dazu ist in der DIN 4751 Teil 2 im Abschnitt 10.2.1 zu lesen:
"Der Wasserraum von Ausdehnungsgefäßen muß über eine Entleerungseinrichtung entleerbar sein. Alle Ausdehnungsgefäße sind gegenüber der Heizungsanlage absperrbar anzuordnen. Absperreinrichtungen müssen ausreichend gegen unbeabsichtigtes Schließen gesichert sein (z.B. Kappenventil . . . mit entsprechender Sicherung)."
| Bild 8: Kennlinien zum Bild 7. Die Anhebung des MAG-Vordrucks verbessert die ungünstige Drucksituation des Bildes 6. |
Eine geeignete Anordnung zeigt das Bild 9: Bei einer statischen Höhe der Anlage von 10 m beträgt der Systemdruck links des Kappenventils ca. 1,5 bar. Es ist weder nötig, das Wasser der Anlage abzulassen noch den Druck zu reduzieren. Bei geschlossenem Kappenventil und geöffneter Entleerung ist die Wasserseite des MAG drucklos. In diesem Zustand muß der Stickstoffdruck im MAG 1,0 bar entsprechend 10 m statischer Höhe betragen.
| Bild 9: Jährlicher Wartungsdienst am MAG entsprechend der DIN-Vorschrift. |
Die Zubehör-Industrie liefert verschiedene vorgefertigte Einrichtungen, die die Funktionen des Kappenventils in sich vereinigen (z.B. Bild 10, links). Nach der Entfernung der Plombe durch einen Sachkundigen [1] kann das MAG mit dem Handschlüssel von der Heizung getrennt und über einen Schlauchanschluß entleert werden. Das Betriebsmanometer kann abgeschraubt werden, es eignet sich zur Prüfung des Stickstoff-Vordrucks (Bild 10, rechts).
| Bild 10: Kappenventil und Servicekupplung nach DIN 4751 (Meibes). Mögliche Wartungsarbeiten sind: Prüfung der Membrane; Prüfung des Vordrucks (rechtes Bild); Nachfüllung des Vordrucks; Austausch des MAG; Plombierung nach der Wartung gegen unbeabsichtigtes Schließen. |
2.5 Anlagen mit Vier-Wege-Mischer
Wenn in der Heizungsanlage ein Vierwegemischer eingebaut ist (Bild 11), so kann es zu einer hydraulischen Trennung des Heizkesselkreises von den Wärmeverteilungskreisen kommen. Es besteht unter bestimmten Betriebsverhältnissen die Gefahr, daß der Mischer gänzlich schließt. Falls nur ein MAG eingebaut werden soll, ist eine Verbindung zu beiden Teilkreisen herzustellen. Um Fehlzirkulationen des Heizungswassers zu verhindern, ist ein Drosselventil (wie dargestellt) einzubauen.
Eine andere Möglichkeit ist es, die beiden Teilkreise durch je ein eigenes MAG abzusichern. Bei 3-Wege-Mischern ist eine solche Gefahr der Drucktrennung nicht gegeben.
2.6 Konsequenzen
Wenn ein Verarbeiter die Installation eines Membran-Druckausdehnungsgefäßes nicht ordnungsgemäß durchführt, liefert er eine unfertige, gegen den Liefervertrag verstoßende Arbeit ab. Er ist nicht nur für die Nachbesserung in die Pflicht zu nehmen. Er trägt auch die volle Verantwortung für Störungen im Pumpenlauf und an anderen Stellen im System.
2.6.1 Einnahmeverluste
Es ist kaum zu verstehen, daß ein Heizungsinstallateur die jährlichen Wartungen der Druckhaltung gar nicht oder nur unzureichend durchführt. Denn die finanziellen Auswirkungen für den Fachhandwerker sind nicht zu unterschätzen, wenn er auf die Durchführung der verbindlich vorgeschriebenen Wartungsarbeiten verzichtet und damit für sich erhebliche Umsatzeinbußen in Kauf nimmt.
| Bild 11: Druckhaltung und Entlüftung in einer Heizungsanlage mit 4-Wege-Mischer. Das MAG nimmt das Ausdehnungsvolumen beider Teilkreise auf, ein Drosselventil vermeidet Fehlzirkulationen. |
2.6.2 Wartung und Gewährleistungsfristen
Die üblicherweise durchgeführte Kesselwartung ist keine Heizungsanlagen-Wartung!
Fest steht, daß die jährliche Wartung der Druckhaltung in der VOB und in der DIN vorgeschrieben ist. Dem Handwerker ist es also aufgetragen, dem Kunden einen Wartungsvertrag anzubieten. Wenn der Kunde das Angebot zur Wartung dann ausschlägt, obwohl gerade diese Wartung Einfluß auf die Sicherheit und die Funktionsfähigkeit der Anlage hat, so tritt die folgende Passage der VOB in Kraft:
Die allgemeine Gewährleistungsfrist für die Heizungsanlage verringert sich von 2 Jahren auf ein Jahr. Alle im zweiten Jahr auftretenden Funktionsstörungen muß der Betreiber der Anlage selbst bezahlen. Er muß allerdings zuvor darauf aufmerksam gemacht worden sein.
In diesem Zusammenhang ist auch zu bedenken, daß der Hersteller für Schäden innerhalb der Gewährleistungsfrist nur dann haftet, wenn der Auftraggeber nachweist, daß der Schaden auf einen Produktmangel zurückzuführen ist, der schon bei der Abnahme vorhanden war. Weil der Betreiber fast immer ein heizungstechnischer Laie ist, werden aufgrund dieser Rechtslage ungewollte, jedoch vermeidbare Konflikte entstehen.
6.2.3 Die Praxis
Eine bedauerliche Beobachtung ist es, daß weniger als 5% der eingebauten MAG auf ihren Vordruck bei der Inbetriebnahme oder bei einer Anlagenwartung geprüft werden. Weniger als 5% der in Betrieb befindlichen MAG sind absperrbar und entleerbar angeordnet, obwohl es sich dabei um eine verpflichtende Norm-Vorschrift handelt.
Die betreuenden Heizungsbau-Fachunternehmen unterlassen es meist, das MAG bei der jährlichen Anlagenwartung auf den erforderlichen Systemdruck entsprechend dem Bild 4 zu überprüfen und ggf. neu einzustellen.
(Fortsetzung folgt)
*) Ehrhardt Buscher, Leiter Marketing-Engenering, Wilo GmbH, Dortmund. Klaus Walter, langjähriger Schulungsingenieur bei heizungstechnischen Industrieunternehmen.
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