IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 4/1996, Seite 30 ff.

HEIZUNG

Druckausdehnungsgefäße in Heizungsanlagen

Planung, Auswahlkriterien, Auslegung und Arbeitsweise

Dipl.-Ing. Jörg Spang

Ein wichtiges zentrales Kriterium in geschlossenen Heizungs- und Kühlanlagen ist die hydraulische Systemdruckhaltung. Mit steigenden oder sinkenden Temperaturen verändern sich nach Boyle-Mariotte die Volumina, die, um den Systemdruck konstant zu halten, von Membranausdehnungsgefäßen aufgenommen und bei Kontraktion wiederum an das System abgegeben werden müssen.

Wasser als Wärmeträger in Heizungs- und Kälteanlagen

Von großer Bedeutung sind zwei seiner beachtenswerten physikalischen Eigenschaften: Die spezifische Wärme des Wassers ist außerordentlich hoch und beträgt gegenüber vergleichbaren Flüssigkeiten das Zwei- bis Dreifache. Der Ausdehnungskoeffizient des Wassers ist außerordentlich niedrig und beträgt gegenüber vergleichbaren Flüssigkeiten nur ein Drittel bis ein Sechstel (Bild 1).

Bild 1: Vergleich der spezifischen Wärmekapazität und des Ausdehnungskoeffizienten verschiedener Flüssigkeiten.

Die durch die Erwärmung bedingte Ausdehnung des Wassers sowie seine Eigenschaft, praktisch nicht kompressibel zu sein, bedingen, daß Heizungs- und Kühlanlagen über Sicherheitseinrichtungen gegen Überdruck und Aufnahmegefäße für das Ausdehnungswasser verfügen müssen. Die folgenden Ausführungen zeigen die Vor- und Nachteile der bisherigen Lösungen sowie neuzeitliche Anwendungsmöglichkeiten geschlossener Warmwasserheizungen mit Druckausdehnungsgefäßen auf.

Das offene Ausdehnungssystem

Dieses System ist durch ein Ausdehnungsgefäß, das am höchsten Punkt der Anlage installiert ist, gekennzeichnet. Es weist ein Überlaufrohr zur freien Atmosphäre auf und ist mit der Heizungsanlage durch nicht absperrbare Sicherheitsleitungen verbunden. So ausgeführt erfüllt das System die beiden folgenden Hauptanforderungen: Verhindern eines Überdruckes in der Anlage und Aufnahme des beim Erwärmen des Wassers anfallenden Mehrvolumens mit Rückgabe beim Abkühlen.

Nachteile und technische Mängel

Die Korrosion im offenen Ausdehnungsgefäß ist bedeutend. Der sich stets ändernde Wasserspiegel benetzt die Oberflächen und setzt sie dem Luftsauerstoff aus. Die Korrosionsrückstände sammeln sich auf dem Gefäßboden, wo sie Anlaß zu elektrochemischen Korrosionen geben. Versuche, Gefäße durch Verzinken zu schützen, führten nicht zum Erfolg, da die Innenverzinkung nicht zuverlässig und kontrollierbar ist. Ist eine Eisenfläche nicht homogen verzinkt, sind ideale Voraussetzungen für eine elektrochemische Korrosion gegeben.

Eine Lebensdauer von nur drei bis fünf Jahren ist die Folge. Die Reparatur- und Wartungskosten sind erheblich.

Entgasung und Gasaufnahme

Das durch Erwärmung teilentgaste Wasser gelangt im Gefäß mit der Atmosphäre in Berührung und nimmt Luft auf, und zwar um so mehr, je kühler das Wasser im Gefäß ist. Die aufgenommene Luft wird bei Erwärmung wiederum abgegeben (Bild 2). Weitere Nachteile des offenen Systems sind:

Der Luftsauerstoff bewirkt heftige Korrosionen, die besonders bei hohen Anlagen in den Vorlaufleitungen festgestellt werden.
Der Stickstoff wird ebenfalls ausgeschieden und führt zu zirkulationshemmenden Ablagerungen in den Radiatoren.
Einfrieren des Überlaufes bei vollem Gefäß führt zu Überdruck und zu Heizkesselschäden.
Gebäude- und Wasserschäden entstehen, wenn Gefäße durchrosten und auslaufen.
Stetiger Wärmeverlust entsteht, weil Gefäße aus Frostschutzgründen beheizt sein müssen.
Wasserverlust entsteht durch Verdunstung.

Eine erhebliche Behinderung bei Projektierung großer Anlagen bedeutet das offene Gefäß, wenn eine Heizzentrale hohe, von der Zentrale entfernte Gebäude bedienen muß. Solche Anlagen werden mit geschlossenen, im Heizraum montierten Ausdehnungsgefäßen ausgerüstet, wobei ein Stickstoffpolster mit entsprechendem Druck als Drucküberlagerung dient. Bei höheren Anlagen nimmt jedoch das Wasser so viel Stickstoff auf, daß der Verbrauch an Stickstoff bedeutend wird und die Anlage stets entlüftet werden muß. Dieser Umstand ist besonders bei hohen Gebäuden unzumutbar.

Bild 2: Löslichkeit der Luft in Wasser in Abhängigkeit von Druck und Temperatur.

Daß diese Mängel während fast hundert Jahren einfach hingenommen wurden, ist erstaunlich. Die technischen Voraussetzungen für bessere Lösungen waren schon vor vierzig Jahren gegeben. Jedoch erst die Umwälzungen in der Heizungsbranche und das Aufkommen automatischer Feuerungen Anfang der 50er Jahre führten zu neuen Lösungen.

Das geschlossene Ausdehnungsgefäß

Im Jahre 1957 wurde das System zum Patent angemeldet und die ersten Gefäße auf den Markt gebracht. Im gleichen Jahr waren in Amerika, unabhängig von dieser Entwicklung, die ersten Membran-Druckausdehnungsgefäße erhältlich.

Funktion

Beim geschlossenen System tritt das durch Erwärmung entstehende Mehrvolumen in das Innere des Membrandruckausdehnungsgefäßes. Das sich darin befindliche Gaspolster - zum Wasserraum getrennt von einer Membrane - wird komprimiert. Das Gefäß erhält im Werk eine Gasfüllung, die auf das Äußere der Membrane wirkt und damit einen auf die Anlage abgestimmten Gegendruck erzeugt. Da Licht und Ozon im Gefäß fehlen, kann mit einer Lebensdauer der Blase von 15 bis 20 Jahren gerechnet werden, sofern die Temperaturgrenze von 70°C gemäß DIN 4807 Teil 3 eingehalten wird.

Vorteile:

einfachste Montage des Gefäßes im Heizraum,
Wegfall der Kosten für lange Sicherheitsleitungen und deren Wärmedämmung,
Baukosteneinsparung, keine Aufbauten bei Flachdächern,
kein Wärmeverlust (Gefäß wird nur handwarm),
Gefäß rostet nicht, da die Trennung von Wasser und Luft jede Korrosion ausschließt,
keine Entlüftungsprobleme, da absolute Trennung von Wasser und Luft,
frostfrei, da der frostgefährdete Dachüberlauf vollständig entfällt,
direkter Schutz der Kessel durch Sicherheitsventile,
Projektierung stark vereinfacht, besonders bei Mehrkesselanlagen.

Beispiel 1
Auslegung eines Membrandruckausdehnungsgefäßes (MAG) mit festem Vordruck
Daten der Anlage:

Zentralheizungsanlage mit Plattenheizkörpern; Temperaturspreizung 55/45°C
installierte Nennwärmeleistung _NL= 46 kW
maximale Vorlauftemperatur _VL = 90 °C
statische Höhe der Anlage h_A = 10,7 m
statische Höhe am MAG-Stutzen h_MAG = 10,1 m
Ansprechdruck des Sicherheitsventils p_SV = 3 bar
Ausdehnungsfaktor n 3,6%
Anlagenvolumen V_A = 500 l
Wasservorlage V_V = 0,5% · V_A

Berechnung der MAG-Größe

Ausdehnungsvolumen
V_e = V_A · n = 500 l · 3,6%
V_e = 18 l

Wasservorlage
V_V = 0,5% · V_A= 0,5% · 500 l
V_V = 2,5 l

Nach DIN 4807-1 beträgt die Mindestwasservorlage 3 l. Für den weiteren Berechnungsgang gilt also: V_V = 3 l.

Statischer Druck am Anschlußstutzen des MAGs

Verdampfungsdruck
p_D bei 90°C = 0

Vordruck der Anlage (Fülldruck)
p₀ = p_St + p_D + 0,2 bar = 1 bar + 0 + 0,2 bar
p₀ = 1,2 bar

Enddruck bzw. maximaler Arbeitsdruck
p_e = p_SV - Dp_A= 3 bar - 0,5 bar
p_e = 2,5 bar

Druckfaktor

D_f = 0,37

Nennvolumen des MAGs

V_n = 57 l

Bestimmen der Gefäßgrößen

Früher wurde die Gefäßgröße mit Hilfe von Auswahltabellen bestimmt. Aus den Werten der Kesselleistung - basierend auf Erfahrungszahlen für den Wasserinhalt - und der Anlagenhöhe lassen sich die notwendigen Daten ableiten. Nach heutiger Praxis ist der Wasserinhalt der Anlage genauer zu bestimmen. Daraus läßt sich die Ausdehnungsmenge berechnen, die mit der möglichen Wasseraufnahmemenge des zu wählenden Gefäßes übereinstimmen muß. Gefäßhersteller bieten oftmals in ihren technischen Katalogen Formblätter, Diagramme und anderes Material für

die Ermittlung des Wasserinhaltes,
die Ermittlung des Ausdehnungsvolumens,
die Festlegung der Druckverhältnisse,
die Anordnung der Ausdehnungsgefäße,
die Ermittlung der Anschluß-Nennweiten für die Ausdehnungsleitung.

In anderen Katalog-Rubriken sind dann die möglichen Aufnahmevolumina der einzelnen Gefäßgruppen und -größen angegeben.

Die erforderliche Wasseraufnahme eines Ausdehnungsgefäßes resultiert aus zwei Faktoren:

Ausdehnung des gesamten Anlagenvolumens bei Aufheizung vom kalten Zustand (ca. 10°C) auf die zulässige Vorlauftemperatur.
Zuschlag als Reserve zum Ausgleich von Leckverlusten in der Anlage. Die Wasservorlage beträgt nach DIN 4807-2 bei Nennvolumen des Ausdehnungsgefäßes

< 15 Liter: mindestens 20% des Gefäßnennvolumens
> 15 Liter: mindestens 0,5% des Anlagenvolumens, mindestens jedoch 3 Liter.

Beim Einsatz von kompressorgesteuerten Anlagen ist nun der Rechenvorgang bereits abgeschlossen; der Behälterinhalt kann zu mindestens 95% als Wasseraufnahmeraum ausgenutzt werden.

Bei Blasenmembrangefäßen mit einmal aufgebrachtem Gaspolster ist die Wasseraufnahme von der Differenz zwischen dem aufgebrachten Vordruck, auch Anfangsdruck genannt und dem der Berechnung zugrunde gelegten Enddruck der Anlage, auch als maximaler Arbeitsdruck bezeichnet, abhängig. Der Vordruck eines Gefäßes sollte mindestens der statischen Höhe plus 0,2 bar der Anlage entsprechen.

Tabelle: Wasserausdehnung und Verdampfungsdruck

Temperatur	K	283	293	303	313	323	333	343	353	363	373	383	393	403	413	423	433	443	453	463	473
Temperatur	°C	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100	110	120	130	140	150	160	170	180	190	200
Wasserausdehnung in l/m³		0	2	4	8	12	17	23	29	36	43	52	60	69	80	91	102,2	114,5	127,5	141,5	156,5
Verdampfungsdruck in bar (Ü)		-	-	-	-	-	-	-	-	-	0,04	0,47	1,03	1,75	2,61	3,76	5,18	6,92	9,03	11,55	14,5

Bei der Wahl der Druckdifferenz zwischen Anfangsdruck (p₀) und Enddruck (p_e) sind die zulässigen Betriebsdrücke der übrigen Anlagenteile zu beachten. Außerdem ist die Forderung der DIN 3320 zu berücksichtigen, wonach der Enddruck bzw. maximale Arbeitsdruck der Anlage mindestens 0,5 bar unter dem Ansprechdruck des Sicherheitsventils liegen soll.

Der Druckfaktor (D_f), der für die Wasseraufnahme eines Blasenmembrangefäßes bestimmend ist, berechnet sich unter Bezug auf Boyle-Mariotte nach folgender Formel:

Darin bedeuten:

D_f= Druckfaktor
p₀ = Vordruck der Anlage in bar.

Der Vordruck p₀, setzt sich aus statischem Druck (p_St) und Verdampfungsdruck (p_D) zusammen.

Er muß mindestens aus der Summe vom p_St und p_D bestehen. Es empfiehlt sich zudem ein Zuschlag von 0,2 bar.

p₀= p_St + p_D + 0,2 (bar)
p_St = statischer Druck am Anschlußstutzen des Membranausdehnungsgefäßes

p_D = Verdampfungsdruck (Tabelle)_e = Enddruck bzw. maximaler Arbeitsdruck in bar
p_e = pSV - DpA
p_SV = Ansprechdruck des Sicherheitsventils (bar)
Dp_A = Arbeitsdruckdifferenz: Dp_A = 0,5 bar; über 5 bar Ansprechdruck sollte der Wert auf Dp_A = 0,7 . . . 0,8 bar angehoben werden.

Das Ausdehnungs-Automatensystem

Die allgemeine Entwicklung zu immer größeren Heizungsanlagen bewirkte, daß in der Praxis häufig Heizzentralen mit mehreren Ausdehnungsgefäßen ausgerüstet werden mußten. Wie aus der vorhergehenden Beschreibung hervorgeht, ist das Nutzvolumen (Wasseraufnahme) immer nur ein Teil des Bruttovolumens (Gefäßgröße). Anstatt noch größere Gefäße zu bauen, wurde das Automatensystem entwickelt (Bild 3). Der Automat enthält wie die normalen Ausdehnungsgefäße eine Blasenmembrane, die das Ausdehnungswasser aufnimmt. Das den notwendigen Anlagedruck erzeugende Luftpolster wird durch Zuführen oder Ablassen von Luft vergrößert oder verkleinert. Dabei hält ein Kompressorautomat den Druck im Luftpolster konstant. Der Automat besteht aus einem Druckschalt- und Anzeigegerät, einem Kompressor und einem Luftablaßmagnetventil. Der Wasserinhalt kann also von 0 bis 100% des Gefäßinhaltes variieren.

Bild 3: Automatensystem mit Blasenmembrane und angebautem Druckschalt- und Anzeigegerät.

Ein weiteres Schalt- und Anzeigegerät zeigt den Wasserinhalt an, der beispielsweise von einer eingebauten Gewichtsmeßdose ermittelt wird. Eine Unter- oder Überschreitung des zulässigen Wasserinhalts sowie die Betriebsbereitschaft des Kompressors können optisch signalisiert und fern-signalisiert werden.

Zusätzliche Vorteile des Automatensystems sind: Freie Wahl des Druckes im System in Anlehnung an die Betriebstemperatur unter Beachtung der entsprechenden behördlichen Vorschriften. Der Rahmen von 0,3 bis 0,4 bar gleichbleibenden Druckes unter allen Betriebsverhältnissen erlaubt die genaue Dimensionierung der Anlage und verhindert wechselweise Entgasung und Gasaufnahme des Anlagewassers sowie druckwechselbedingte Beanspruchungen auf die Anlage.

Zwischengefäße zwecks Kühlhaltung des Ausdehnungsgefäßes

Jedes Elastomer altert. Je höher die Temperaturen liegen, um so schneller erfolgt diese Alterung. Anlagen mit Betriebstemperaturen 90/70°C ergeben normalerweise im Gefäß Durchschnittstemperaturen von unter 50°C, was für den Membranwerkstoff ideal ist. Selbst Dauerbelastungen von 60°C schaden der Blasenmembrane nicht. Voraussetzung ist, daß die Ausdehnungsleitung am Rücklauf des Wärmeerzeugers angeschlossen ist.

In allen anderen Fällen, insbesondere bei Heißwasseranlagen mit mittleren Betriebstemperaturen > 90°C, muß ein Zwischengefäß als kühlende Wasservorlage eingesetzt werden.

Diese aus der Erfahrung ausgesprochene Empfehlung wurde in die DIN 4807 übernommen, die in Teil 3 an Blasen und Membranen in Ausdehnungsgefäßen eine Dauertemperatur von maximal 70°C vorschreibt.

Beispiel 2
Auslegung eines Ausdehnungskompressorautomaten

Daten der Anlage:

Zentralheizungsanlage; Temperaturspreizung 110/70°C
installierte Nennwärmeleistung _NL = 500 kW
maximale Vorlauftemperatur _VL = 110°C
statische Höhe am Gefäßstutzen h = 18 m
Ansprechdruck Sicherheitsventil p_SV = 5 bar
Ausdehnungsfaktor n 5,1%
Anlagenvolumen V_A= 6000 l
Wasservorlage V_V = 0,5% · V_A

Berechnung der Gefäßgröße

Ausdehnungsvolumen
V_e = V_A · n = 6000 l · 5,1%
V_e = 306 l

Wasservorlage
V_V = 0,5% · V_A= 0,5% · 6000 l
V_V = 30 l

Statischer Druck am Anschlußstutzen des Gefäßes

Verdampfungsdruck
p_D bei 110°C = 0,47 bar

Vordruck der Anlage
p₀ = p_St + p_D + 0,2 bar= 1,8 bar + 0,47 bar + 0,2 bar
p₀ = 2,5 bar

Enddruck bzw. maximaler Arbeitsdruck
p_e = p_SV - Dp_A= 5 bar - 0,5 bar
p_e = 4,5 bar

Druckfaktor

D_f = 0,36

Nennvolumen des Gefäßes

V_n = 930 l

Hier müßten jetzt Gefäße mit festem Vordruck mit einem Gesamtinhalt von 930 l eingesetzt werden. Um die Gefäßgröße zu reduzieren, könnte man den Enddruck p_e entsprechend anheben, dies würde aber immer noch zu sehr großen Druckpolstergefäßen führen. Um hier eine technisch einwandfreie und preislich günstigere Lösung zu erarbeiten, bietet sich der Einsatz eines Kompressorautomaten an. Der Behälterinhalt des Automaten kann zu mindestens 95% als Wasseraufnahmeraum genutzt werden.
In diesem Beispiel wären dies
V_e + V_v = 306 l + 30 l = 336 l

Ein Automat mit einem Aufnahmevolumen von 336 l ist somit ausreichend. Bei der Gefäßauswahl wird man die nächstgrößere Handelsgröße, z.B. 400 l, wählen.

Bestimmung der Automaten und Kompressoren

Ausdehnungs-Automaten gibt es als Einzelgrößen von 200 bis 3000 Liter. Dabei ist bei Gefäßen bis 3000 Liter der Steuerkasten mit Kompressor direkt angebaut, während bei Anlagen ab 4000 Liter mit separat stehenden Kompressorstationen die Anpassung an die Laständerungen der Heizanlagen vorgenommen wird.

Es müssen drei Kriterien berücksichtigt werden:

Maximale Laständerung

Unter diesem Begriff verstehen wir die während des normalen Heizbetriebes zu erwartende maximale Laständerung. Sie kann durch Zuschalten von einzelnen großen Verbrauchern, oder Abschalten von einzelnen Wärmeerzeugern entstehen.

Mitteltemperatur der Anlage

Während zur Bestimmung der nötigen Ausdehnungsgefäßgröße die maximale Anlagetemperatur berücksichtigt wird, kann für die Bestimmung der richtigen Kompressorleistung die Durchschnitts- oder Mitteltemperatur der Anlage eingesetzt werden. Dies ist möglich, weil die maximale Kompressorleistung nie im Beharrungszustand der Heizungsanlage, sondern immer in der Abkühlphase benötigt wird. Als Mitteltemperatur kann der Mittelwert zwischen theoretischer Vorlauf- und Rücklauftemperatur bei Vollast der Anlage eingesetzt werden.

Betriebsdruck an der Automatik

Die Luftmenge wird um so kleiner, je höher die angesaugte Luft verdichtet werden muß. Einerseits nimmt der Wirkungsgrad des Kompressors ab, andererseits wird das nutzbare Volumen infolge der höheren Verdichtung kleiner. Aus diesem Grund muß der normale Betriebsdruck, auf den der Kompressorautomat eingestellt ist, berücksichtigt werden.

Bestimmen der Kesselsicherheitsventile

Grundsätzlich müssen Sicherheitsventile die gesamte Nennwärmeleistung eines Wärmeerzeugers in Dampfform abführen können. Dabei kann die Nennwärmeleistung auf maximal 3 Sicherheitsventile pro Wärmeerzeuger aufgeteilt werden. Sie sind unabsperrbar am höchsten Punkt des Wärmeerzeugers oder in seiner unmittelbaren Nähe am Vorlauf zu montieren.

Bei der Festlegung des Abblasedruckes der Sicherheitsventile sind die maximal zulässigen Betriebsdrücke aller übrigen Anlagenteile zu berücksichtigen. Nach DIN 3320 muß der Abblasdruck mindestens 0,5 bar über dem maximalen Arbeitsdruck der Anlage liegen.

Das pumpengesteuerte Transfero-System

Die frühen 70Jahre brachten eine enorm breite Anwendungsvielfalt für das kompressorgesteuerte Ausdehnungssystem. Immer größere Anlagen wurden damit ausgerüstet, immer höhere Druckfestigkeit der Behälter war gefordert. Die Überlegungen gingen dahin, die Vorteile der freien Einstellbarkeit des Betriebsdruckes, die freie Wahl des Aufstellungsortes und die Speicherung des Ausdehnungswassers frei von der dauernden Kontamination mit Sauerstoff zu kombinieren mit der Forderung, die stets aufwendiger werdenden Bauvorschriften für Druckbehälter nicht mehr berücksichtigen zu müssen. Deshalb wurden die Kompressoren durch Druckhaltepumpen ersetzt.

Flüssigkeiten sind bekanntermaßen praktisch nicht kompressibel, und schon ein geringer Temperaturanstieg im System einer vollständig mit Flüssigkeit gefüllten Anlage hat schnellen Druckanstieg zur Folge. Die umgekehrte Erscheinung tritt bei Temperaturrückgang auf. Damit werden hydraulische Systeme bezüglich ihres Druckes unelastisch. Mit der Einführung von Druckhaltepumpen anstelle der Kompressoren, die mittels Gaspolster im Ausdehnungsgefäß die Anlage in frei wählbaren Grenzen elastisch halten, ist es nötig, pumpengesteuerte Systeme mittels Druckspeichergefäßen, die ebenfalls Gas als Druckmedium enthalten, elastisch zu halten. Damit wird eine Überbeanspruchung des Heizungssystems in Form von Druckwechseln und daraus folgender Materialermüdung auf einfache Weise vermieden.

Eine pumpengesteuerte Ausdehnungs-Anlage besteht demnach mindestens aus folgenden Komponenten:

Druckspeichergefäß,
Regelgerät zur Steuerung von Druckhaltepumpe und Abströmventil,
drucklos arbeitendem Ausdehnungsgefäß mit Blasenmembrane.

Bezüglich der drucklos arbeitenden Seite der pumpengesteuerten Anlage zeigten Beobachtungen, daß es von großem Vorteil für die Betriebssicherheit der Pumpe ist, wenn das Ausdehnungsgefäß, statt vollständig drucklos, mit leichtem Überdruck betrieben wird. Damit können Kavitations- und Ausgasungsprobleme an der Pumpe elegant vermieden werden. Grundsätzlich kann jede Heizungs- oder Kühlanlage mit Wasser als Wärmeträger mit einem pumpengesteuertem System für die Ausdehnung und Druckhaltung versehen werden. Die Auswahlkriterien bezüglich Gefäßdimensionen sind dieselben wie bei kompressorgesteuerten Automaten.

Die Definition der Druckhaltepumpe ist jedoch differenzierter. Hier muß nicht nur die Frage der Laständerung einer Anlage, sondern auch die verlangte Druckhöhe berücksichtigt werden. Laständerung mit dem damit geforderten Fördervolumen der Pumpe und Druckhöhe beim betreffenden Fördervolumen definieren den Arbeitspunkt der Pumpe und damit den Pumpentyp. Diese Tatsache macht die Auslegungsarbeit bei der Anlagenberechnung etwas komplexer und verlangt bei der Planung eine exaktere Arbeit.

Einbau von Ausdehnungsgefäßen in Heizungsanlagen

Jede Wärmeerzeugungsanlage muß mit mindestens einem Ausdehnungsgefäß verbunden sein. Ein oder mehrere Wärmeerzeuger können über eine gemeinsame Ausdehnungsleitung mit einem oder mehreren Ausdehnungsgefäßen verbunden sein.

Bild 4: Schaltschema (Beispiel)
1 Wärmeerzeuger
2 Ausdehnungsgefäß
3 Absperrorgane Vor- und Rücklauf
4 Gesicherte Absperrorgane in der Ausdehnungsleitung
5 Entleerungshahn
6 Kesselsicherheitsventil
7 Zwischengefäß als Abkühlbehälter bei Anlagenrücklauf-temperaturen >70°C

DIN 4751-2 fordert den Einbau von Absperrorganen in die Ausdehnungsleitung (Bild 4), um im Notfall den Betrieb der Anlage sowohl mit verminderter Wärmeleistung als auch mit vermindertem Ausdehnungsraum vorübergehend aufrechterhalten zu können. Die Absperrorgane müssen gegen unbeabsichtigtes Schließen gesichert sein (z.B. Kappenabsperrventile). Jeder Wärmeerzeuger ist separat mit einem oder evtl. mehreren Sicherheitsventilen gegen unzulässigen Überdruck abzusichern.

Bestimmung der Nennweite von Ausdehnungsleitungen

Die Nennweite der Ausdehnungsleitungen ist so zu wählen, daß der durch Strömungswiderstand in der Ausdehnungsleitung hervorgerufene Druckanstieg Sicherheitsventile oder Sicherheitsdruckbegrenzer nicht zum Ansprechen bringt. Es kann vorausgesetzt werden, daß in aller Regel bei einer Fließgeschwindigkeit 0,5 m/s die Summe der Widerstände in der gesamten Ausdehnungsleitung einschließlich der Armaturen so niedrig ist, daß diese Forderung erfüllt wird.

Ein Nachweis der Nennweite der Ausdehnungsleitung ist nicht erforderlich, wenn die Zuleitungen zum Ausdehnungsgefäß einen Innendurchmesser von 12 mm bis zu einer Nennwärmeleistung von 20 kW und 20 mm bis zu einer Nennwärmeleistung von 350 kW haben. Bei Nennwärmeleistung über 350 kW ist die Ausdehnungsleitung unter Berücksichtigung einer stündlichen Wasservolumenänderung von je 1 Liter je kW Nennwärmeleistung und einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,5m/s zu berechnen.

Man kann davon ausgehen, daß ein Gesamtdruckverlust oder Widerstand von 500 mm Ws = 0,05 bar in der Ausdehnungsleitung einen Sicherheitsdruckbegrenzer oder Sicherheitsventile in der Anlage nicht zum Ansprechen bringt, sofern die Forderung der DIN 3320 - Differenz zwischen maximalem Arbeitsdruck der Anlage und Ansprechdruck der Sicherheitsventile mindestens 0,5 bar - eingehalten wurden. Es empfiehlt sich daher, die Leitungsquerschnitte, Leitungslängen, Armaturen, Anzahl der Bogen etc. so zu wählen, daß der Gesamtdruckverlust Dp = 500 mmWs (= 0,05 bar) nicht übersteigt.

Ausdehnungsleitungen müssen in frostfreien Räumen angeordnet oder so beheizt sein, daß sie nicht einfrieren können. Die Installation der Ausdehnungsgefäße soll im Rücklauf vorgenommen werden, damit eine Dauertemperatur von 70°C an der Blase nicht überschritten wird.

Kompressor- oder pumpengesteuerte Druckhaltesysteme?

Kompressorgesteuerte Druckhaltesysteme (Bild 5) sind robust, wartungsarm und lassen sich veränderten Betriebsverhältnissen, z.B. dem Anlagendruck, problemlos anpassen. Sie haben ein elastisches Betriebsverhalten und sind unempfindlich gegenüber Gaseinflüssen. Die Gefäßvolumina sind im Gegensatz zu Festfüll-Gefäßen voll nutzbar. Ihr ideales Einsatzgebiet sind mittlere bis große Heizungsanlagen, wobei sich die obere Leistungsgrenze aus den Anlagenparametern ergibt. Anlagenleistungen 10 bis 25 MW stellen hier einen Richtwert dar.

Bild 5: Kompressorstation

Pumpengesteuerte Druckhaltesysteme (Bild 6), deren Einsatzbereich praktisch unbegrenzt ist, unterliegen anderen Kriterien: Das Ausdehnungsvolumen wird drucklos gelagert. Damit sind Ausgasungen physikalisch gegeben, die, wenn sie nicht durch geeignete Maßnahmen eliminiert werden, unweigerlich zu Problemen auf der Pumpensaugseite führen. Anpassungen an sich verändernde Betriebsparameter, z.B. Anlagendruck, sind nur sehr begrenzt möglich, da die korrekte Pumpenfunktion den Betrieb innerhalb der Pumpenkennlinie voraussetzt. Pumpengesteuerte Systeme sind also sorgfältig zu projektieren. Auf die Entgasung des Ausdehnungswassers ist größter Wert zu legen. Hierzu stehen eine Vielzahl von Erkenntnissen und Maßnahmen zur Verfügung. Häufige Pumpenschaltungen werden durch Druckspeicher vermieden. Pumpen sind geräuschärmer als Kompressoren. Dieser Umstand ist in Lärmschutzzonen wichtig. Große Schaltdifferenzen, bisher ein Nachteil, sind durch den Einsatz von Magnetventilen vermeidbar.

Beide Systeme, kompressorgesteuert und pumpengesteuert, haben ihre Vor- und Nachteile. Die Auswahl muß sich an den Anforderungen, die eine Heizungsanlage stellt, orientieren.

Kompressorgesteuerte Ausdehnungssysteme geraten wegen ihrer angeblich großen Sauerstoffdiffusion durch die Membrane von Zeit zu Zeit in die Kritik. Hierzu ist grundsätzlich zu sagen, daß Gasdiffusion durch jeden Membran-Werkstoff stattfindet. In welcher Größenordnung dies allerdings geschieht, ist einzig und allein vom verwendeten Membran-Material abhängig.

Bild 6: Pumpenstation

Kompressorgesteuerte Druckhaltesysteme sind dank ihrer elastischen Druckregelung ideal für mittlere und große Anlagen, soweit die Betriebsdrücke nicht übermäßig hoch liegen und abrupte Temperaturstürze mit entsprechender Wasservolumenkontraktion ausgeschlossen werden können. Das ihnen nachgesagte Korrosionsrisiko hat sich nicht bestätigt.

Die Vorteile pumpengesteuerter Anlagen sind:

wirtschaftlicher Betrieb in Anlagen mit großen Wasservolumina, hohen Betriebsdrücken, hohen Vorlauftemperaturen und Nennleistungen,
geringer Geräuschpegel,
schnelles Regelverhalten in Anlagen mit starken, spontanen Abkühlungen.

Zusammenfassung

Ausdehnungsgefäße, ob mit festen Gaspolstern oder automatisiert, sind wichtige Regel- und Sicherheitsorgane. Sie unterliegen den einschlägigen Bauvorschriften und Prüfungen.

Fehler bei Auslegung, Einbau und Betrieb haben häufig fatale Konsequenzen und können zu erheblichem Kostenaufwand führen. Geringe Mehrpreise für Qualitätsprodukte sind hier dann am Ende allemal die kostengünstigere Lösung.

B i l d e r : Pneumatex GmbH

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