Kalk in Warmwasseranlagen - und was dagegen hilft

Maik Effenberger*

Kalkablagerungen in Heizungs- oder Warmwassergeräten sind eine ärgerliche Sache. Doch muss es überhaupt so weit kommen? Um solche unerwünschte Ablagerungen zu vermeiden, sind vielfältige Kenntnisse zur Kalksteinbildung unerlässlich. Ein Überblick über die Methoden, mit denen Steinbildung reduziert werden kann, liefert Maik Effenberger mit diesem Beitrag.

Weiches Regenwasser reichert sich in der Atmosphäre mit Kohlensäure an und löst dadurch - abhängig von der geologischen Bodenbeschaffenheit - Gesteine und Salze aus dem Boden. Die wichtigsten Bestandteile sind die Salze des Calciums und Magnesiums, insbesondere die Chloride, Sulfate und Hydrogenkarbonate, die man als so genannte Härtebildner bezeichnet. Die Gesamthärte des Wassers (°dH), setzt sich aus der Karbonathärte und der Nichtkarbonathärte zusammen.

Eine weitere, die Eigenschaften des Wassers bestimmende Größe, ist der pH-Wert. Er gibt an, ob das Wasser sauer, neutral oder alkalisch reagiert und wird durch das Verhältnis der im Wasser enthaltenen Mengen an Säuren und Alkalien, vor allem durch den Gehalt an Kohlensäure (CO₂), bestimmt. Der Neutralpunkt liegt bei pH 7,0 bei einer Karbonathärte von 20°dH. Bei diesem Idealwert spricht man vom "Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht". Liegt der pH-Wert unterhalb des Gleichgewichtszustandes, hat das Wasser eine "kalklösende Tendenz". Gleichzeitig verhindert aber die aggressive Kohlensäure eine natürliche Schutzschichtbildung mit der Folge, dass Schäden an den Rohrwandungen auftreten können. Ein pH-Wert oberhalb des Neutralpunktes führt zu einer "kalkabscheidenden Tendenz". Die Trinkwasserverordnung schreibt pH-Grenzwerte von mindestens 6,5 und maximal 9,5 vor.

Medizinisch gesehen ist hartes, kalkhaltiges Wasser sehr "gesund", weil die Mineralien Calcium und Magnesium bekanntlich für den menschlichen Organismus unentbehrlich sind. Aus technischer Sicht hingegen führt Kalk (CaCO₃) vor allem in Heizungs- und Warmwasseranlagen zu Funktionsstörungen. Bereits bei der Konstruktion von neuen Wärmeübertragern sollten Hersteller wichtige Einflussfaktoren für die Verkalkung wie Temperatur, Strömungsgeschwindigkeit, Strömungsverteilung und die Oberflächenbeschaffenheit der Rohrwandungen beachten. Generell gilt: Das Verkalkungsrisiko steigt mit zunehmender Wassertemperatur. Kalk lagert sich zuerst an den Stellen mit dem höchsten Temperaturniveau, also den Wärmeübertragungsflächen ab (Bild 1).

Bild 1: Schnitt durch einen Rohr-in-Rohr-Wärmeübertrager: eine Kalkschicht bildet sich.

Die Folgen dieser Ablagerungen: Die Anlage benötigt mehr Energie, um das Wasser aufzuheizen, da der Kalk wie eine Isolationsschicht wirkt. Es verschlechtert sich nicht nur der Wärmedurchgang, auch der Druck nimmt aufgrund der rauen Wände und des verringerten Strömungsquerschnitts drastisch ab (Bild 2).

Bild 2: Ein Schnitt durch einen Rohr-in-Rohr-Wärmeübertrager zeigt den verringerten Strömungsquerschnitt und die raue Oberfläche.

Durch schnelle Temperaturwechsel in Wärmeübertragern - zum Beispiel, wenn ein Bewohner Wasser zapft - können sich bereits entstandene Kalkablagerungen lösen und so innerhalb kurzer Zeit an anderen Stellen den Strömungsquerschnitt vollständig verschließen (Bild 3).

Bild 3: Durch abgelöste Ablagerungen verschlossener Rohrquerschnitt.

Der Anteil von Platten-Wärmeübertragern in kombinierten Heizungs- und Warmwassergeräten hat vor allem aus Kostengründen und durch die Möglichkeit, sie in verschiedenen Systemen flexibel einzusetzen, stark zugenommen. Nachteilig sind hier allerdings die geringen Strömungsquerschnitte (Bild 4).

Bild 4: Schnitt durch einen verkalkten Platten-Wärmeübertrager mit kleinem Strömungsquerschnitt.

Geräte mit ungeregelter Brauchwasserbereitung erreichen durch Kalkablagerungen die eingestellte Wassertemperatur nicht mehr. Bei modernen Kombi-Heizthermen wird die Auslauftemperatur gemessen und über die Heizungsvorlauftemperatur nachgeregelt (Bild 5).

Bild 5: Eine wandhängende Gas-Kesseltherme, die die Auslauftemperatur des Brauchwassers gradgenau regelt.

Wie Steinbildung reduziert werden kann

Die einfachste und effektivste Maßnahme ist die Begrenzung der Temperatur. Unter 60°C fällt deutlich weniger Kalk aus als bei wärmerem Wasser. Die Brauchwassertemperatur sollte deshalb bei ca. 55°C liegen. Bei Anlagen mit großen Warmwasserspeichern sollte die Temperatur allerdings regelmäßig für kurze Zeit auf 70°C erhöht werden, um so die Bildung von Legionellen zuverlässig zu verhindern*. Darüber hinaus werden verschiedene physikalische, chemische oder elektrochemische Kalkschutzverfahren angeboten, von denen einige allerdings nur für den industriellen Einsatz geeignet sind.

Phosphatierung

Stadtwasser ist meist mit geeigneten Phosphaten versetzt. Das Calcium- und Magnesiumkarbonat bleibt dadurch zum großen Teil auch bei der Erwärmung des Wassers in Lösung. Die Ablagerungen werden instabil und so teilweise wieder aus dem System ausgeschwemmt. Mit steigender Karbonathärte, Temperatur und Verweilzeit des Wassers nimmt die Wirksamkeit der Phosphatdosierung jedoch ab.

Ionenaustauschverfahren

Das Ionenaustauschverfahren bewirkt, dass die Härtebildner Calcium und Magnesium dem Wasser entzogen und gegen Natrium ausgetauscht werden. In einem Vorratsbehälter befinden sich das spezielle "Regeneriersalz", über das die Enthärtung erfolgt. Das weiche Wasser wird anschließend wieder mit Frischwasser vermischt, bis eine Wasserhärte von circa 8°dH entsteht. In der Regel reicht es aus, wenn der Vorratsbehälter 1 mal im Jahr mit frischem Regeneriersalz aufgefüllt wird (Bild 6).

Bild 6: Bei dem Ionenaustauschverfahren werden die zwei Härtebildner gegen Natrium ausgetauscht. Die Wasserhärte liegt beim Austritt in das Wasserverteilnetz des Gebäudes bei etwa 8°dH.

Der Einbau der Anlage sollte nach der Kaltwasserversorgung für die Küche (Lebensmittelzubereitung) und (sofern separat vorhanden) nach einem Abzweig für die Garage oder den Garten erfolgen.

Magnetfeldverfahren

Seit vielen Jahren diskutieren Fachleute über Verfahren, die durch die physikalische Wirkung von unterschiedlichen Magnetfeldern auf das Wasser Kalkablagerungen vermeiden sollen. Die Hersteller solcher Anlagen haben meist unterschiedliche Argumente für die Wirksamkeit ihrer Geräte, die sich zum Teil sogar widersprechen.

Bild 7: Beispiele für Geräte, die über die Ionisierung des Wassers den Kalk in Lösung halten.

Ionisierung

Das zu behandelnde Wasser wird einer elektrochemischen Reaktion unterzogen, indem ein schwacher elektrischer Strom durchgeleitet wird. Auf diese Weise bilden sich elektrisch geladene Kristalle, die aufgrund ihrer Ladung nicht zusammenwachsen, die Kristalle werden in Lösung gehalten. Hersteller sind beispielsweise BWT mit dem Gerät "AQA total", Judo mit "BiOSTAT 2000", Honeywell mit "kaltecpro" oder perma-trade mit "permasolvent primus" (Bild 7).

Bild 8: Mit diesen Anlagen kann ein Trinkwassernetz von Kalkablagerungen befreit werden.

Kalkentfernung mit Säuren

Bei fortgeschrittener Verkalkung ist der Einsatz von Säuren mit Hilfe von speziellen Geräten erforderlich (Bild 8). Nur sie können die Kruste einer Kalkschicht aufbrechen. Weder mechanische Verfahren noch Reinigungschemikalien können hier die Wirkung von Säuren ersetzen. Für jede Säure lässt sich anhand ihrer Säurestärke und ihres Molekulargewichtes ein "spontanes Kalklösevermögen" berechnen. Es bezeichnet diejenige Kalkmenge, die sich durch die in der Säurelösung frei vorliegenden Wasserstoff-Ionen unmittelbar nach Zugabe auflösen lässt. Das "hypothetische Kalklösevermögen" ist dagegen die Kalkmenge, die eine Säure im Höchstfall auflösen kann, sofern dazu unbegrenzte Zeit zur Verfügung steht (Tabelle 1).

Bei der Auswahl von Säuren für Entkalkungsvorgänge spielen neben dem Kalklösevermögen auch Kriterien wie Kosten und Gefährdungspotenzial eine wichtige Rolle. Die meisten Säuren sind in hohen Konzentrationen erhältlich. Sie müssen für Entkalkungsvorgänge zu einer 10- bis 20-prozentigen Lösung verdünnt werden. Aus Gründen des Arbeitsschutzes sind pulverförmige Säuren zu bevorzugen, da die Gefahren bei Transport und Anwendung wesentlich geringer sind. Unter Abwägung aller Kriterien (Leistungsprofil, Materialverträglichkeit und Arbeitssicherheit) ist Amidosulfonsäure für den praktischen Einsatz am besten geeignet, da sie trotz ihrer Stärke unproblematisch zu handhaben ist. Mit dieser Säure kann ein weites An-wendungsspektrum abgedeckt werden.

Bei allen Säuren sind geeignete Körperschutzmittel wie säurebeständige Schutzhandschuhe, Schürze, Schutzbrille oder besser ein Gesichtsschirm erforderlich. Sind die Rohrleitungen noch nicht vollständig verkalkt, können sie mit Hilfe eines Umlaufreinigungsgerätes von den Ablagerungen befreit werden. Dabei wird die Säurelösung über einen Sammelbehälter durch die ver-kalkten Leitungen gepumpt.

*) Maik Effenberger, Koordination Labor bei Junkers/Bosch-Thermotechnik, Wernau
*) Legionellen verursachen eine besonders schwere Form der Lungenentzündung, auch als Legionellose oder Legionärskrankheit bezeichnet.

Bilder 1 - 5: Junkers/Bosch-Thermotechnik, Wernau
Bild 6: Grünbeck Wasseraufbereitung GmbH, Höchstädt
Bild 7: BWT (Schriesheim), Judo (Winnenden), Honeywell AG (Mosbach), perma-trade (Leonberg)
Bild 8: SKS-Sotin GmbH, Bad Kreuznach

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