Technik mit Power

In einer geschlossenen Heizungsanlage ist ein störungsfreier Volumen- und Massenstrom die Grundlage für die bedarfsgerechte und effiziente Verteilung der Heiz- oder Kühlwasserströme. Gleichzeitig ist Wasser ein inkompressibles Medium, das einer temperaturbedingten Volumenausdehnung unterliegt. Damit die Volumenausdehnung in gewünschten Parametern erfolgt, kommen Druckhaltesys­teme zum Einsatz. Eine weitere wichtige Maßnahme ist die Entgasung des Heizungswassers.

Weil bei früheren offenen Heizungssys­temen, den sogenannten Schwerkraftheizungen, die Zirkulation alleine durch den Dichteunterschied des Wassers in den Steigsträngen erfolgte, sind diese Anlagen ohne Umwälzpumpe ausgekommen. Die Schwerkraftheizungen waren am höchsten Punkt lediglich mit einem zur Atmosphäre offenen Ausgleichsbehälter ausgestattet, der das sich ausdehnende Wasser aufnahm und bei Abkühlung wieder abgab.

Für jeden Zweck die passende Druckhaltung
Heutige Anlagen sind dagegen zur Atmosphäre hin geschlossen. Damit die temperaturbedingte Volumenausdehnung erfolgen kann, sind Systeme zur Druckhaltung erforderlich. Hersteller bieten hierzu sowohl statische als auch dynamische Druckhaltetechnologien an, wobei sich im Bereich der dynamischen Druckhaltesysteme pumpenunterstützte und kompressorunterstützte Systeme unterscheiden lassen.
Das MAG (Membran-Druckausdehnungsgefäß) beispielsweise ist ein mit einer Membrane ausgestatteter Druckbehälter. Die am meisten verbreitete Bauform hat eine Halbmembrane. Sie unterteilt das Gefäß in einen Gas- und einen Wasserraum, wobei gasseitig ein auf die jeweilige Anlage abgestimmter Druck vorherrscht. Die Halbmembrane ist fest in das Gefäß eingebunden und nicht tauschbar. Dimensioniert wird das MAG entsprechend des Ausdehnungsvolumens, das vom Gesamtvolumen abhängt. In einer anderen Variante gelangt das Anlagenwasser in eine Vollmembrane genannte Blase und hat somit keinen Kontakt zur Behälterwand. Die Vollmembrane kann tauschbar sein.
Membran-Druckausdehnungsgefäße werden meist mit einem Standardvordruck ausgeliefert, z. B. 1 bar oder 1,5 bar. Dieser Standardvordruck stimmt jedoch kaum mit dem in einer Anlage benötigten Druck überein. Bei der Inbetriebnahme ist deshalb der Vordruck auf den Mindestbetriebsdruck der Anlage anzupassen.
MAGs sollten einmal jährlich gewartet werden, um den Vordruck und damit die Funktionsfähigkeit der Druckhaltung sicherzustellen. Dabei wird der Vordruck kontrolliert. Verliert ein Membran-Druckausdehnungsgefäß an Vordruck, kann es sich komplett mit Wasser füllen und seine Funktion einbüßen.
Gleich dem MAG sind Kompressor­druckhalteanlagen mit einem druckfesten Ausdehnungsgefäß bestückt. Auch hier ist die innenseitig mit Heizungswasser gefüllte Membrane von einem Gaspolster umschlossen. Das Ausdehnungsvolumen im Gasraum wird bei der Kompressordruckhalteanlage von einem Sensor erfasst. Eine Steuereinheit regelt entsprechend dem Lastzustand im Gefäß den Druck, wobei der Kompressor entweder Umgebungsluft ansaugt, um den Druck im Ausdehnungsgefäß zu erhöhen, oder ein Magnetventil Luft ablässt.
Bei der ­Pumpendruckhalteanlage bringt dagegen eine Pumpe das Sys­temwasser auf den erforderlichen Sys­temdruck. Diese Anlage ist mit einem drucklosen Ausgleichsgefäß mit Mem­brane oder Blase ausgestattet, ­weshalb hier kein Überdruck im Gefäß vorherrscht. Der Sauerstoffeintrag erfolgt sowohl bei einer Kompressordruckhaltung, bei einer Pumpendruckhaltung oder auch einem Membran-Druckausdehnungsgefäß abhängig vom Material der Membrane oder der Blase. Diese bestehen beispielsweise aus Isobuten-Isopren-Kautschuk (Butyl). Neben diesem sehr gut geeigneten Werkstoff kommen auch die Werkstoffe Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) und Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) zum Einsatz.
Pumpendruckhalteanlagen können zwischen 90 % und nahezu 100 % des Volumens des Ausgleichsgefäßes für das Heizungswasser nutzen. Deshalb sind diese Anlagen bei steigender Anlagengröße und höherem Ausgleichsvolumen im Vergleich zu einem Membran-Druckausdehnungsgefäß meist kostengünstiger. Ein Beispiel: Wird für eine Anlage ein Ausgleichsvolumen von 10 000 l berechnet, sind beim Einsatz eines MAG mindestens 20 000 l Gesamtvolumen erforderlich. Eine Pumpendruckhalteanlage kommt dagegen mit einem 10 000-l-Gefäß aus.

Zuverlässig arbeitende Anlagen
Damit eine Anlage effizient und störungsfrei arbeiten kann, ist es darüber hinaus erforderlich, Gase zuverlässig aus dem Heizungswasser zu entfernen. Freie Luft, Luftblasen und gelöste Gase erhöhen das Korrosionsrisiko und sind oftmals die Ursache für eine schlechte Wärmeübertragung und die Kavitation bei Pumpen.
Freie Luftblasen entstehen primär im Kessel. Dabei werden die im Heizungswasser befindlichen gelösten Gase bei hohen Temperaturen frei. Dort werden sie als Bläschen vom Systemwasser mitgerissen und gelangen in strömungsberuhigte Zonen und an Hochpunkte einer Anlage.
Über an Hochpunkten installierte Entlüfter ist eine manuelle Entlüftung möglich. Automatische Entlüfter vereinfachen den Vorgang deutlich, da hier ein Schwimmerschalter bei Bedarf ein Ventil öffnet, um die Luft abzulassen. Einfache Entlüfter aber bergen dabei das hohe Risiko einer Leckage.
Auch ist es möglich, Luftblasen mittels Luftabscheider zu einem frühen Zeitpunkt aus dem Wasser zu entfernen. Im Gegensatz zu einem reinen Entlüftungsventil kann der Luftabscheider die Luftblasen direkt aus dem fließenden Heizungswasser abtrennen. Um die im Kessel entstehenden Luftblasen bereits zu einem sehr frühen Zeitpunkt abscheiden zu können, bietet es sich an, den Luftabscheider im Vorlauf des Kessels zu installieren. Der Abscheidegrad kann 90 % betragen.
Jedoch sondern Entlüfter und Luftabscheider lediglich die Gase ab, die in Form von freier Luft und als Luftblasen im System vorhanden sind. Gelöste Gase werden dagegen nicht erreicht. Dabei können auch gelöste Gase unter bestimmten Betriebsbedingungen zu einer Luftblasenbildung führen. Dies ist insbesondere bei Gebäuden über 15 m Höhe der Fall. Durch den niedrigen Anlagendruck an den höchs­ten Stellen im Gebäude bilden sich erneut Luftblasen. Zuverlässig entfernen lassen sich die im
Wasser enthaltenen gelösten Gase, Luftblasen und freie Luft mittels einer Entgasung.

Verschiedene Entgasertechniken
Um Luft aus weitverzweigten Systemen und aus Systemen ohne große statische Höhe zu entfernen, erfolgt bei Erstinbetriebnahme ein Spülen mit hoher Wassergeschwindigkeit. Trotzdem können hier Restluftmengen aufgrund von Höhenunterschieden und Lufttaschen bleiben.
Gleichwohl ist auch hier eine nahezu vollständige Entgasung von Anlagenwasser möglich. Die Basis hierfür ist das physika­lische Verhalten von Gasen in Flüssigkei­ten. So steigt laut dem Henry-Gesetz, benannt nach dem englischen Chemiker William Henry, die Anzahl der in einer Flüssigkeit gelösten Teilchen, wenn der Par­tialdruck des Gases über der Flüssigkeit zunimmt. Sinkt der Partialdruck, so diffundieren Gasteilchen aus der Flüssigkeit aus.

Vakuumentgasung
Ein Effekt, den sich die Vakuumentgasung zunutze macht. Hierzu fördert eine Pumpe Heizungswasser in einen Entgasungsbehälter. Da die Pumpe mehr Wasser aus der Wassersäule zieht als Wasser zulaufen kann, lässt sich bis zum Siedepunkt ein Vakuum erzeugen. Im Wasser enthaltene Gase werden dadurch freigesetzt und sammeln sich über dem Wasserspiegel. Durch das Herunterfahren der Pumpe erhöht sich kurzzeitig der Druck und die freigesetzten Gase werden über ein Ventil abgelassen.

Vakuum-Sprührohrentgasung
Eine weitere Variante ist die Vakuum-Sprührohrentgasung. Bei diesem Verfahren wird in einem Sprührohr ein Vakuum erzeugt. Durch das Einsprühen und die große Kontaktfläche innerhalb der erzeugten Sphäre lösen sich die enthaltenen Gase nahezu vollständig aus dem Fluid. Während das entgaste Wasser anschließend zurück in die Anlage gepumpt wird, wird das frei gewordene Gas über ein Ventil entfernt.

Pumpendruckhaltung
Bei einer traditionellen Pumpendruckhalteanlage erfolgt die Entgasung dadurch, dass der Druck im Medium auf Umgebungsdruck abgesenkt wird. Dazu wird das Heizungswasser mit einem Systemdruck von beispielsweise 3 bar in den drucklosen Ausgleichsbehälter geleitet, wo es bei der Druckentspannung auf Atmosphärendruck entgast. Damit das Ausdehnungsgefäß eine dem Rücklauf entsprechende Temperatur aufweist, kommt bei dieser Technologie ein gedämmtes Gefäß zum Einsatz.

Entgasung und Druckhaltung gehören zusammen
Durch die Entgasung wird das Heizungswasser untersättigt. Deshalb nimmt das entgaste Heizungswasser nach Wiedereinspeisung in den Heizkreislauf befindliche Gase auf. Dieser kontinuierliche Kreislauf ermöglicht die Entgasung des gesamten Systemwassers auch bei komplexen Heizungssystemen.
Reine Entgasungsstationen haben nicht die Funktion einer Druckhaltung, weshalb sie häufig mit einem Druckhaltesystem kombiniert werden. Um auch das Nachspeisewasser mit möglichst hoher Qualität einzuspeisen, bietet es sich an, die Wasseraufbereitung, die Nachspeisung und die Entgasung miteinander zu kombinieren. So könnte beispielsweise ein Vakuumentgaser automatisch enthärtetes oder voll­entsalztes Wasser nachspeisen, sobald der Mindestbetriebsdruck unterschritten ist.

Moderne Leittechnik
Viele Anlagen lassen sich inzwischen auch in eine Gebäudeleittechnik einbinden. Eine Option, die vor allem im industriellen Bereich nachgefragt wird. Für die Einbindung von Großanlagen in die Gebäudeleittechnik stellen die Hersteller unterschiedliche Ausbaustufen zur Verfügung. Angefangen bei der einfachen Schnittstelle über die Sammelsteuerung bis hin zu Systemen, auf die von einer Leitwarte aus lokal zugegriffen werden kann, um Betriebs- und Störungsmeldungen zu quittieren, Geräte zu parametrieren und Betriebsparameter auszulesen.
Es ist möglich, Systeme in Netzwerke einzubinden und über ein Smartphone, ein Tablet oder einen PC zu steuern. Eine Fernüberwachung bietet sich besonders für Großanlagen an. Diese bestehen meist aus zentralen Heizstationen, die nicht permanent personell überwacht sind. Hier werden über webbasierte Benutzeroberflächen oder über ein Serviceinterface das Anlagenschema und weitere umfangreiche Parameter angezeigt. Steuereinheiten ermöglichen zudem den maßgeschneiderten Datenaustausch. Die Einbindung großer Anlagen über einen Störmeldekontakt in die Gebäudeleittechnik ist daher sehr sinnvoll.

Fazit
Moderne Anlagen bieten vielfältige Möglichkeiten der Druckhaltung und Entgasung. Aufeinander abgestimmte Systeme steigern die Effizienz einer Heizanlage und sorgen zudem für eine störungsfreie Wärmeversorgung.

Autorin: Carola Tesche, freie Journalistin