Heizungswasseraufbereitung ohne Betriebsunterbrechung

In modernen Heizungsanlagen kommt schon alleine aufgrund der angestrebten besseren Wärmeübertragung und kompakteren Bauweise verstärkt der Werkstoff Aluminium zum Einsatz. Eine entscheidende Rolle für die Lebensdauer dieser zeitgemäßen Wärmeerzeuger spielt damit zunächst die Einstellung des richtigen pH-Werts im Heizungswasser. Aber auch der Gehalt an potentiell korrosiven Salzen, gemessen über die Leitfähigkeit, bestimmt die Art und die Geschwindigkeit der Korrosionsreaktionen, wenn Sauerstoff zum Heizungswasser hinzutritt. Um das Problemverursacher-Trio aus Säuren, Salzen und Sauerstoff mit geringem Aufwand auch in Bestandsanlagen unschädlich zu machen, sind clevere Aufbereitungsmethoden für die Praxis gefragt.

Die drei Korrosions-Verursacher (SSS)

Säuren im Heizungswasser fördern die Korrosion von Metallen, indem sie die Passivschichtbildung auf der Ober­fläche verhindern. Eisen beispielsweise verhält sich bei pH-Werten von < 9 im Wasser aktiv, das heißt: Eisen-Ionen gehen ungehemmt ins Wasser über. Sofern Sauerstoff ins Spiel kommt, bildet sich zunächst Rostwasser und in der Folge Magnetit (Fe₃O₄), der sogenannte "Schwarzschlamm".

Bei pH-Werten von > 9 bilden sich auf Eisen Passivschichten, die das darunter liegende Metall vor weiterer Auflösung schützen. Dadurch wird der Korrosionsprozess praktisch zum Stillstand gebracht – ein Passivzustand, der grundsätzlich für alle im Heizkreis verbauten Metalle/Legierungen erwünscht ist und angestrebt werden sollte. Allerdings tritt er jeweils bei unterschiedlichen pH-Werten ein. Außer bei Eisen wird dies bei den üblichen im Anlagenbau verwen­deten Metallen ab einem pH-Wert von 8,2 immer erreicht.

Nebenbei bemerkt führt massive Sauerstoffkorrosion an Eisenwerkstoffen grundsätzlich zur Absenkung des pH-Werts im Anlagenwasser, da die primären Korrosionsprodukte sauer reagieren. Eine noch stärke Absenkung des pH-Werts bewirken die Abbauprodukte von Frostschutzmittelresten. Sie gelangen immer wieder unbeabsichtigt über Spülpumpen und Schläuche ins System. Mit den gebildeten Säuren werden sogar pH-Werte von 5 im Anlagenwasser erreicht.

Eine Sonderstellung unter den im Heizkreis eingesetzten Metallen nimmt Aluminium ein. Bei diesem Werkstoff ergibt sich das Korrosionsproblem regelrecht von der anderen Seite. Bereits bei leicht basischen pH-Werten zwischen 8,5 und 9 beginnt sich die auf dem Metall befindliche Passivschicht aufzulösen. Das Metall korrodiert unter Bildung von Wasserstoff, der am Entlüftungsventil eines Heizkörpers entzündet werden kann.

Ein pH-Wert von 10 im heißen Anlagenwasser (LF 800 µS/cm) verursacht zum Beispiel eine Korrosionsrate von ca. 5 mm/Jahr. Anders gesprochen: Nach 1,5 bis 2 Jahren kann hier mit einem Wanddurchbruch am Kessel gerechnet werden.

Erhöhte pH-Werte werden allerdings keinesfalls nur durch Zusätze wie Trinatriumphosphat oder Natronlauge hervor­gerufen, sondern resultieren aus der Selbstalkalisierung enthärteter Füllwässer. Ursache ist die Umwandlung der gelösten Härte in Natron durch den Natrium-Ionentauscher sowie weiter beim Erhitzen in Soda. Enthärtete Altwässer stellen somit ganz klar ein Problem dar. Sie dürfen bei einem Kesseltausch keinesfalls ohne vorherige pH-Kontrolle im Heizkreislauf belassen werden.

Salze erhöhen die Leitfähigkeit des Wassers und beschleunigen somit bei Sauerstoffzutritt die (galvanische) Korrosionsreaktion. Wesentlich entscheidender ist jedoch die Art des Salzes an sich. Chloride zum Beispiel lösen Lochkorrosionsvorgänge aus, auch bei Werkstoffen mit Passivschichten, wie etwa Edelstählen oder Aluminium. Nach DIN EN 14868 ist bereits ab einer Konzen­tration von 50 mg/l mit einer erhöhten Wahrscheinlichkeit dafür zu rechnen. Die TVO erlaubt hier 250 mg/l. Da eine Konzentration von 1 mg/l Chlorid einen Leitfähigkeitsbeitrag von ca. 3 µS/cm liefert, ist man bei der sogenannten salzarmen Fahrweise nach VDI 2035-2 mit einer Leitfähigkeit von ca. 100 µS/cm im Heizungswasser automatisch auf der sicheren Seite. Darüber hinaus können auch andere Korrosionsarten, wie beispielsweise Spannungsriss-Korrosion an Messing, gar nicht erst auftreten, wenn Salze als Versursacher fehlen.

Sauerstoff ist in der Regel der primäre Korrosionsauslöser in Heizsystemen, sofern diese nicht korrosionstechnisch geschlossen sind und keine – für die verbauten Metalle – schädlichen pH-Werte vorliegen. In der Regel wird der Sauerstoffgehalt des neuen Füllwassers innerhalb weniger Tage durch Korrosionsvorgänge an Eisenwerkstoffen aufgezehrt. Dabei entstehen bei guter Trinkwasserqualität (10 mg/lO₂) zunächst 36 g Magnetitschlamm pro m³ Füllwasser.

Durch weiteren Zutritt von Sauerstoff, zum Beispiel über defekte Ent­lüfter, diffusionsoffene Fußbodenheizungsrohre oder häufiges Nachspeisen von Ergänzungswasser, kann sich die Schlammbildung im System weiter erhöhen. Mit salzarmem Heizungswasser, das sich in einem pH-Wert im alkalischen Bereich (Aluminium max. 8,5 bis 8,8) bewegt, lässt sich hier die Schlammbildung deutlich reduzieren. Zudem ist auch das mikrobiologische Wachstum in einem chemisch nahezu leeren Wasser regelrecht auf Diät gesetzt.

Allein aus diesem Grund wäre es interessant, ein bereits sauerstoffgezehrtes Altwasser bei einem Kesseltausch in der Anlage belassen zu können, dieses dann in einem Arbeitsgang einfach von Salzen und Magnetit zu befreien und im pH-Wert entsprechend anzupassen.

Aufbereitung von Anlagenwässern

Zur Aufbereitung des Anlagenwassers nach einem Kesseltausch gibt es bislang mehrere Vorgehensweisen. Man kann das Wasser komplett ablassen, spülen und neu befüllen, was sich bei Anlagen mit größerem Schlammaufkommen anbietet. Auch eine Querspülung mit VE- oder Umkehrosmose-Wasser ist prinzipiell möglich, allerdings ist dies meist ein sehr langwieriges Unterfangen. Sofern der pH-Wert mit kor­rigiert werden muss, wird zudem viel Wasser benötigt.

Der Grund: Chemisch "leeres" Wasser kann überschüssige Säuren oder Basen nicht neutralisieren, sondern lediglich verdünnen. Beachtenswert ist hierbei, dass sich je pH-Stufe die Säurebeziehungsweise Basenkonzentration um den Faktor zehn verändert. Dies bedeutet: Bei einem pH-Wert von 10,0 im alten, enthärteten Heizungswasser ist die Basenkonzentration 100 mal größer als bei ­einem pH-Wert von 8,0.

Als äußerst smart erweist sich das Verfahren der sogenannten Inline-Auf­be­reitung, bei der das Heizungswasser vorzugsweise während des Heizbetriebes entsalzt und im pH-Wert korrigiert werden kann. Ein nennenswerter Zutritt von Sauerstoff erfolgt dabei nicht, es kommt zu keiner Betriebsunterbrechung und es muss wenig entlüftet werden, um nur ein paar Vorzüge zu nennen.

Das Inline-Aufbereitungsverfahren

Bei der Inline-Aufbereitung von Heizungswasser wird die Aufbereitungs­anlage in der Regel temporär über eine Bypass-Leitung vom Rücklauf her kommend in den Heizkreislauf eingebunden. Das Kreislaufwasser (max. 65 °C, bei höheren Betriebstemperaturen lässt sich das Mischbettharz nicht mehr regenerieren) durchströmt dabei zunächst einen feinporigen Tiefenfilter zur Entfernung von Trübstoffen und Magnetit und im Anschluss daran ein spezielles Mischbettharz zur Entfernung aller gelösten Salze wie Härtebildner und anorganischen Korrosionsinhibitoren.

Gesteuert wird das Ganze über verschiedene Leitfähigkeits- und Durchfluss-Sensoren, eine eigene Pumpe sowie ein Magnetventil, das bei Erreichen der Zielleitfähigkeit oder der Patronenkapazität den Durchfluss automatisch unterbricht. Die Steuerung ermöglicht es, den vorhandenen pH-Wert etwas ­anzuheben oder auch deutlich zu senken. Besonders Letzteres ist von großem Interesse, wenn es in einer Anlage im Bestand, die mit enthärtetem Wasser gefüllt wurde, zu ­einem Kesseltausch kommt und dieser Aluminiumbauteile enthält.

Neuanlagen können für die Dichtheitsprüfung mit Trinkwasser gefüllt und nach erfolgreicher Prüfung, ohne er­neute Entleerung des Systems, während des Betriebs entsalzt werden. Eine pH-Wert-Messung wird vom Aufbereitungssystem selbst nicht übernommen. Sie muss nach Erreichen der Zielleitfähigkeit (50/100 µS/cm) mit einer externen pH-Elek­trode durchgeführt werden. Basierend auf diesem Mess­ergebnis wird dann gegebenenfalls nach Entfernen der Mischbettpatrone eine entsprechende Menge ­eines anorganischen pH-Stabilisators in das Heiz­system eingespült.

Die erforderliche Anzahl der für die Aufbereitung benötigten Mischbettpatronen ergibt sich aus dem (geschätzten) Anlagenvolumen und der gemessenen elektrischen Leitfähigkeit des vorliegenden Heizungswassers. Berechnet wird zunächst der Gesamtsalzgehalt (°GSG) des Anlagenwassers, indem dessen elektrische Leitfähigkeit (in µS/cm) durch den Faktor 30 dividiert wird. Anschließend wird mit dem Anlagenvolumen multipliziert, so dass man als Ergebnis die Gesamtsalzmenge (L x °GSG) des Anlagenwassers erhält. Mit einer 20-Liter-Patrone (bis zu drei sind gleichzeitig anschließbar!) können so bei 600 µS/cm im Anlagenwasser etwas mehr als 1.000 Liter auf salzarmen Betrieb umgestellt werden, und das ganz ­nebenbei.

Einbinden in den Heizkreislauf

Die Aufbereitungseinheit wird vorzugsweise zwischen dem Verteiler des Heizungsrücklaufs und dem Vorlauf (saugseitig) mit temperaturbeständigen flexiblen Schläuchen eingebunden. So kann sich das aufbereitete Wasser über die Heizungspumpe des Gebäudes in den einzelnen Heizkreisen optimal verteilen.

Ist ein Pufferspeicher vorhanden, kann auch über diesen zum Vorlauf hin zirkuliert werden. Oder alternativ vom ­Vorlauf zum Pufferspeicher, unterstützt durch die eingebaute Pumpe. Allerdings nur, sofern die Vorlauftemperatur nicht zu hoch ist.

Bei komplexen Anlagen mit hydraulischen Weichen sollte der optimale Einbauort direkt vor Ort sachkundig entschieden werden.

Fazit

Mit der Inline-Methode hat man ein smartes Verfahren an der Hand, um Heizungswässer ohne Betriebsunterbrechung aufzubereiten. Das Besondere dabei ist, dass auch Altwässer neben deren Entsalzung und Reinigung im pH-Wert relativ einfach angepasst werden können.

Mit dieser Methode, die als "permaLine" weitgehend automatisiert am Markt erhältlich ist und geräuschlos nebenher läuft, lässt sich nicht nur bei großen Anlagen viel Zeit sparen.