IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 1/2/2004, Seite 24 ff.

HEIZUNGSTECHNIK

Druckhaltesysteme in Heizungsanlagen

Dietrich Uhlmann*

Jährlich werden mehrere hunderttausend Membran-Druckausdehnungsgefäße (MAG) in Heiz-, Kühl- und Trinkwassersystemen eingesetzt. Die Auswahl, der Einbau sowie die Inbetriebnahme und Wartung sind fundamental entscheidend für die Gesamtfunktion einer Anlage. In diesem Beitrag geht es um Druckhaltesysteme in Heizungsanlagen, in einem weiteren Beitrag in einem der nächsten Hefte werden Ausdehnungsgefäße in Trinkwasseranlagen behandelt.

Ohne Druckhaltung geht nichts

Ausdehnungs- und Druckhalteanlagen haben im Wesentlichen drei Aufgaben zu erfüllen:

  1. Konstanthaltung des Drucks an jeder Stelle des Anlagensystems in bestimmten Grenzen, d.h. keine Überschreitung des zulässigen Betriebsüberdruckes, aber auch Sicherstellung eines Mindestdruckes zur Vermeidung von Unterdruck.
  2. Kompensation von Volumenschwankungen des Heizwassers infolge von Temperaturschwankungen.
  3. Vorhalten von systembedingten Wasserverlusten in Form einer Wasservorlage.

Wird auch nur eine Aufgabe ungenügend erfüllt, sind die weithin bekannten Betriebsstörungen der Gesamtanlage mit Luftproblemen, ständigem Nachspeisen und erhöhtem Anlagenverschleiß unvermeidlich.

Bild 1: Ausschließlich Heizungsanlagen mit geschlossenen, tief liegenden Membran-Druckausdehnungsgefäßen sind Stand der Technik.

Der Klassiker

Prinzipiell unterscheidet man in offene und geschlossene sowie in Druckhaltesysteme mit und ohne Fremddruckerzeugung. Die geschlossene Ausführung mit Membran-Druckausdehnungsgefäß (MAG-H) ist Stand der Technik und hat den wesentlichen Vorteil, dass der direkte Zutritt von Luftsauerstoff verhindert und damit das Korrosionsrisiko minimiert wird (Bild 1). Durch die geringe Permeabilität (Gasdurchlässigkeit) der eingebauten Membrane wird das Eindringen von Gas in den Wasserraum fast vollständig unterbunden (Bilder 2 und 3). Zur Atmosphäre hin offene Systeme sind strikt abzulehnen.

MAG-H mit festem Gaspolster vereinen die Funktion der Druckhaltung sowie des Ausdehnungsgefäßes und sind ohne Hilfsenergie funktionsfähig. Die bewährte, einfache, robuste Bauweise favorisiert sie für den massenhaften Einsatz in Anlagen bis 150 kW.

Die Kombination mit zentralen Nachspeise- und Entgasungsstationen sowie Elektronikmodulen erschließt den vollautomatischen, auch fernüberwachten Betrieb bis in Leistungsbereiche über 1000 kW (1 MW). Begrenzt wird dies lediglich durch die Tatsache, dass das Nennvolumen im Schnitt nur zu etwa 30% genutzt werden kann und funktionsbedingt größere Betriebsdruckschwankungen meist im Bereich zwischen 1 und 3 bar auftreten.

Bild 2: Membran-Druckausdehnungsgefäße mit nicht tauschbarer Umstülpmembrane haben sich durchgesetzt.

Bild 3: Bauarten von Membran-Druckausdehnungsgefäßen (MAG-H).

Bild 4: Kompressorgesteuerte Druckhaltung; Ausdehnungsgefäß mit tauschbarer Blasenmembrane (Vollmembrane).

 

MAG-H mit kompressorgesteuerter Fremddruckhaltung

Bei kompressorgesteuerten Druckhalteanlagen (Bild 4) übernimmt das Membran-Ausdehnungsgefäß den Volumenausgleich und die "Druckspeicherung", während eine luftseitige Steuereinheit mit Kompressor und Magnetventil für den richtigen Betriebsdruck in engsten Grenzen von ± 0,1 bar sorgt. Das Nennvolumen des Ausdehnungsgefäßes kann bis ca. 90% zur Aufnahme des Ausdehnungswassers genutzt werden. Ein Vorteil, der auch den hervorragenden Einsatz in Großanlagen im Megawatt-Bereich erlaubt.

Als richtungsweisend für einen Rundum-Anlagenservice erweist auch hier die funktionale Verknüpfung mit Nachspeise- und Entgasungssystemen sowie Elektronikmodulen.

Bild 5: Pumpengesteuerte Druckhaltung mit Nachspeisung und Entgasung; Ausdehnungsgefäß mit tauschbarer Blasenmembrane (Vollmembrane).

MAG-H mit pumpengesteuerter Fremddruckhaltung

Im Gegensatz zu Kompressoranlagen übernimmt ein im Betrieb druckloses Membran-Ausdehnungsgefäß den Volumenausgleich, während eine wasserseitige Steuereinheit mit Pumpe und Überströmventil den richtigen Betriebsdruck in Grenzen von ca. ± 0,2 bar garantiert (Bild 5). Die Arbeitsweise ist nahezu trägheitslos, was dieses System auch für den Einsatz bei extrem großen Leistungen z. B. in Kraft- und Fernwärmeanlagen prädestiniert. Das drucklose Ausdehnungsgefäß kann zusätzlich zur Entgasung des Heizungswassers eingesetzt werden. Unbedingte Voraussetzung ist allerdings die konsequent geschlossene Ausführung. Wie bei Kompressoranlagen ist nahezu das gesamte Nennvolumen des Ausdehnungsgefäßes zur Aufnahme des Ausdehnungswassers nutzbar.

Elektronikmodule erweitern das Angebot. Direkt an die Standardschnittstellen der Steuerungen angedockt, ermöglichen sie verschiedene Möglichkeiten der Datenkommunikation.

Bild 6: Elektronikmodul als Bus-Lösung oder zur intelligenten Verknüpfung von Anlagen (z. B. Master-Slave-Betrieb).

Zukunftsweisende Komplettierung

Die Forderung nach einem automatisierten Anlagenbetrieb macht den Einsatz von Nachspeise- und Entgasungssystemen in Zukunft immer unentbehrlicher. Während pumpengesteuerte Druckhalteanlagen mit integrierter Nachspeisung und Entgasung am Markt sind (Bild 5), werden für MAG-H und kompressorgesteuerte Druckhalteanlagen ergänzende Systeme sowohl für Neu- als auch Altanlagen bereitgestellt. Dem Trend der Fernüberwachung und intelligenten Verknüpfungen von Anlagen folgend stehen Elektronikmodule zur Verfügung, die die Signale über Standardschnittstellen (digital oder RS 485) funktions- und kundenspezifisch aufbereiten (Bild 6).

Moderne Nachspeisesysteme überwachen die Druckhaltung und speisen bei Unterschreitung des Fülldrucks (siehe auch Tabelle 1) kontrolliert nach, d.h. die Nachspeisemengen oder auch die Nachspeisezeit und -häufigkeit werden registriert. Besteht der Verdacht auf eine Leckage durch Überschreiten der voreingestellten Werte, wird die Nachspeisung unterbrochen. Bild 7 zeigt eine Nachspeiseanlage für MAG-H ohne Pumpe.

Bild 7: Nachspeiseinrichtung ohne Pumpe.

Noch komfortabler gestaltet sich der kombinierte Anlagebetrieb mit innovativen Entgasungsanlagen. Diese können sowohl Nachspeisen als auch alle Gase aus dem Heizungssystem entfernen. Die Vorteile:

Entgasungsanlagen stehen für Groß- und Mittelanlagen und neuerdings auch für Kleinanlagen zur Verfügung (Bild 8).

Bild 8: Beispiel für eine Entgasungsanlage. Die Versprühung im Vakuumrohr garantiert höchste Effektivität. Das hier gezeigte Modell findet in Heizungsanlagen mit bis zu 1 m3 Wasserinhalt Anwendung.

Auswahl und Berechnung

Die Größenbestimmung von Ausdehnungsgefäßen in Heizungsanlagen war geregelt in der DIN 4807 - 2. Diese wird gemeinsam mit der DIN 4751 Teile 1 bis 3 von der DIN EN 12828 abgelöst. Obschon das neue Regelwerk bereits im Juni 2003 eingeführt wurde, gilt eine Übergangsfrist bis März 2004. Die DIN EN 12828 "Heizungssysteme in Gebäuden, Planung von Warmwasserheizungsanlagen" beschäftigt sich mit der Gesamtplanung von Warmwasserheizungsanlagen mit max. Betriebstemperaturen bis 105°C, einschließlich der Sicherheitstechnik. Die Berechnung von Ausdehnungsgefäßen ist allerdings nur beispielhaft behandelt. Es erfolgt ein Verweis auf gleichwertige Regelungen. Insofern steht also der weiteren Anwendung der DIN 4807 - 2 im Sinne des Standes der Technik nichts im Wege. Für Groß- und Fernwärmeanlagen gelten ohnehin abweichende Regeln (z.B. AGFW).

Unabhängig von der exakten Berechnung mittels spezieller EDV-Programme ist es für den Praktiker oft ausreichend, die Auswahl von MAG-H mittels Übersichtstafeln vorzunehmen. Tabelle 1 fasst wichtige Hinweise zur Auswahl, Inbetriebnahme und Wartung von MAG-H zusammen.

Herstellung, Betrieb, Wartung

Ausdehnungsgefäße sind in der Regel Druckgeräte, die bei Einbau innerhalb der EU den Anforderungen der europäischen Richtlinie 97/23/EG (Druckgeräterichtlinie) entsprechen müssen. Hinsichtlich der Vorschriften bei Installation, Betrieb, Wartung und Prüfung gelten die Hinweise der Montage-, Betriebs- und Wartungsanleitung der Hersteller sowie die gesetzlichen, nationalen Vorschriften. In Deutschland hat seit dem 1. Januar 2003 die Betriebssicherheitsverordnung, u.a. für überwachungsbedürftige Anlagen mit Druckgeräten, Gültigkeit. Bereits bei der Planung sind die neuen Vorschriften der DIN EN 12828 zu berücksichtigen. Da all diese Richtlinien und Verordnungen relativ neu sind, sollen die wesentlichen Forderungen an den Planer der Heizungsanlage, den Hersteller der Anlagenkomponenten, das Handwerk und den Betreiber an dieser Stelle zusammengefasst werden.

Hersteller

Planer

Handwerk

Betreiber/Bauherr

Zusammenfassung

Die Entwicklung von Ausdehnungs- und Druckhalteanlagen wird zunehmend von kombinierten und verknüpften Systemen, mit Entgasungs- und Nachspeisefunktion bestimmt. Hinsichtlich der Größenbestimmung und Konstruktion ist eine zunehmende Europäisierung zu beobachten, die mit Einführung der Richtlinie 97/23/EG auch eine Angleichung des nationalen Regelwerkes erforderlich machte. So regelt seit dem 1. Januar 2003 die Betriebssicherheitsverordnung den Betrieb von überwachungsbedürftigen Anlagen und löst mit Übergangsregelungen die entsprechenden Bestimmungen der Dampfkessel- und Druckbehälterverordnung endgültig ab.

 

*)   Dietrich Uhlmann, Leiter Produktmarketing bei Reflex Winkelmann GmbH + Co. KG, Ahlen

B i l d e r :   Reflex Winkelmann GmbH + Co. KG, Ahlen

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