Muschelprinzip gegen KalkKatalysator-Verfahren zur Bildung von Kalkkristallen verhindert Kalkablagerungen in der Trinkwasserinstallation

Im fränkischen Herzogenaurach, wo schon 1924 die Produktion von Sportschuhen begann, befindet sich seit einem Jahr das PUMAVision Headquarters. Bei der Umsetzung des Bauobjekts setzte das Sportlifestyle-Unternehmen konsequent auf ressourcenschonende Technologien, um im Rahmen seines Unternehmensleitbildes „PUMAVision“ seinen Teil zur Erhaltung der Umwelt beizutragen. Mit einem Blick auf die Planung für das Gebäude inklusive der Trinkwasser-, Heiz- und Klimatechnik, zeichneten sich ehrgeizige Herausforderungen für das Bauprojekt ab.

PUMAVision Headquarters
Das PUMAVision Headquarters besteht aus drei Baukörpern: Einem sechsstöckigen Verwaltungszentrum für 650 Beschäftigte, einem sogenannten Brand-Center (Marken-Center) und einem PUMA Store. Dabei bietet das PUMAVision Headquarters nicht nur Präsentationsflächen für die Sportlifestyle-Kollektionen, sondern auch eine Multimedia-Halle, ein Mitarbeiter- und ein Besucherrestaurant sowie eine Dachterrasse. Insgesamt muss eine Fläche von 51700 m² zuzüglich des in der Mitte der Gebäude befindlichen Platzes von rund 4500 m² bewirtschaftet werden.
Um die Vision einer klimaneutralen Firmenzentrale zu verwirklichen, sah die Planung eine Photovoltaikanlage sowohl auf dem Dach als auch in der Fassade des PUMA Stores vor. Die Warmwasserbereitung wird überwiegend durch eine Solaranlage abgedeckt und eine Betonkerntemperierung sowie Wärmepumpen sorgen für die Erwärmung und Kühlung der Gebäude.

Zwei „KS 5 D“-Kalkschutzanlagen sorgen dafür, dass täglich bis zu 100 m³ Trinkwasser über den natürlichen Prozess der Biomineralisierung kalkablagerungsfrei dem Trinkwassernetz entnommen werden können.

Wasserbedarf
Für das Verwaltungsgebäude, die Restaurants und den PUMA Store wurde je nach Nutzung ein täglicher Wasserverbrauch zwischen 40 und 80 m³ bestimmt. Zusätzlich können noch täglich bis zu 20 m³ Wasser für die Bewässerung der Grünflächen hinzukommen. Um den Brauchwasserbedarf zu decken, kommt auch Regenwasser zum Einsatz. Da es nicht unbegrenzt zur Verfügung steht, nahm die Planung an, dass es teilweise notwendig sein kann, den gesamten Wasserbedarf über die Trinkwasserversorgung abzudecken.
Doch wo so viel Wasser fließt, lässt besonders in Regionen mit hohem Wasserhärtegrad ein starkes Kalkaufkommen nicht lange auf sich warten. Denn kalkhaltiges Wasser beinhaltet überschüssige Calcium- und Carbonat-Ionen, die insbesondere bei der Erwärmung auf über 60°C ausfallen und zu Kalkablagerungen führen. Bei der Warmwasserbereitung ist die Verkalkung der Wärmeübertragungsflächen von Boilern, Durchlauferhitzern, Wärmeüberträgern und ähnlichem vorprogrammiert: Die Kalkschicht wirkt isolierend, die Wärme­übertrager verlieren an Leistung, der Energiebedarf erhöht sich. Im schlimmsten Fall droht eine kostenintensive Entkalkung mit chemischen Mitteln wie Säure – ein Verlust für Unternehmen und Umwelt.
Um dieser Situation vorzubeugen und die Einbauten, insbesondere die solaren Warmwasserbereiter, vor Verkalkung zu schützen, beauftragten die Planer der PUMA-Firmenzentrale die Watercryst Wassertechnik GmbH & Co. KG. Der Haaner Hersteller vertreibt die „Biocat“-Kalkschutzgeräte, die im Hauswasser den natürlichen Prozess der Biomineralisierung nachahmen. Und hier kommen endlich unsere Muscheln ins Spiel.

Funktionsweise der Kalkschutzgeräte
Mit dem natürlichen Prozess der Biomineralisierung bilden Muscheln ihre Schalen. Zwar ohne Muschelschalen entstehen zu lassen, wurde dieses Verfahren technisch auf die Biocat-Kalkschutzgeräte übertragen, sodass mithilfe des katalytischen Verfahrens mikroskopisch kleine Kalkkristalle entstehen. Diese verhindern das Anhaften von Kalk an Wasserleitungen, Speichern und Wärmeübertragern. Stattdessen wird der überschüssige Kalk mit dem Wasser ausgespült. Der ursprüngliche Kalkgehalt im Trinkwasser, der unter anderem für den Geschmack sorgt, bleibt jedoch erhalten.
„In Herzogenaurach weist das Wasser eine Gesamthärte von 4,475 mmol pro l Wasser oder umgerechnet 25°dH* auf“, erklärt Alexander Piesche, Leiter Kalkschutz für das Projekt PUMAVision Headquarters, die speziellen Anforderungen. „Bei einer Wassertemperatur von 60°C können in 1000 l Wasser bis zu 68 g Kalk ausfallen. Deshalb war ein Kalkschutz dringend notwendig.“
Aufgrund des angenommenen Wasserverbrauchs von bis zu 100 m³ pro Tag wurde entschieden, den Kalkschutz mit zwei parallel geschalteten „Biocat KS 5D“ Einzelanlagen, jede in DN 50 verrohrt, zu realisieren. Die „KS 5D“ Anlage umfasst nicht nur einen thermisch isolierten und mit Katalysatorgranulat gefüllten 350-l-Edelstahlbehälter, sondern auch eine mikroprozessorgesteuerte Regelung. Dazu kommen motorgetriebene Drei-Wege-Kugelhähne, eine Zirkulationspumpe und eine Beheizung, um die Anlage regelmäßig vollautomatisch thermisch zu desinfizieren. Störmeldekontakte melden die ordnungsgemäße Funktion der Anlagen der zentralen Leittechnik. Die Parallelschaltung der Anlagen ermöglicht den Betrieb auch bei kurzzeitigen Durchflussspitzen von bis zu 30 m³ pro Stunde.
„Ohne eine solche Anlage wären die Warmwasserspeicher nach nur 2 bis 3 Jahren verkalkt“, weiß Piesche aus seinen Erfahrungen zu berichten und weiter: „Eine Entkalkung, etwa mit Ameisensäure, kostet pro Warmwasserspeicher oder Wärmetauscher mindestens 400 Euro. Die Verkalkung der Verrohrungen und sonstigen Anlagenteile der Trinkwasserinstallation dauert zwar länger, doch dafür können die Entkalkungskosten bei solch großen Anlagen schnell in die Zehntausende steigen.“

Betriebskosten
Wie das Unternehmen Watercryst Wassertechnik angibt, fallen an Betriebskosten für die Kalkschutzanlage neben einem Granulatwechsel, der alle fünf Jahre durchgeführt werden muss, nur die Kosten für die thermische Desinfektion an.
Die Anlagen sind so programmiert, dass die thermische Desinfektion jeweils zwei Mal in der Woche (= 104 Desinfektionen pro Jahr) in den Nachtstunden stattfindet. Pro thermischer Desinfektion einer „KS 5D“-Anlage werden 34 kWh an elektrischer Energie und 350 l an Spülwasser benötigt. Bei Stromkosten von rund 0,20 Euro pro kWh und insgesamt 208 thermische Desinfektionen pro Jahr sowie Wasserkosten von 3  Euro pro m³ und dem vorgeschriebenen Granulatwechsel nach fünf Jahren, verursachen beide Anlagen nach Angabe des Herstellers in einem Zeitraum von zehn Jahren monatliche Betriebskosten von rund 230 Euro.

Fazit
Das Sportlifestyle-Unternehmen PUMA macht sich mit dem Unternehmensleitbild „PUMAVision“ zum Ziel, sauberere, grünere und nachhaltigere Systeme in seinem Einflussbereich zu fördern. „Mit den Biocat Kalkschutzgeräten von Watercryst wählte das Unternehmen einen natürlichen und nachhaltigen Kalkschutz für die Trinkwasserinstallation – ganz im Sinne dieser Vision“, betont Piesche abschließend.
Für den privaten oder gewerblichen Bedarf bietet Watercryst eine Biocat „WS“-Serie für Warmwasser- und eine „KS“-Serie für Kalt- und Warmwasserinstallationen in unterschiedlichen Leistungsstärken an. Kalkschutzgeräte der Baureihe „KS 3000“ haben ein DVGW Baumusterprüfzertifikat, das die Einhaltung des technischen Regelwerkes und auch die Kalkschutzwirksamkeit nach DVGW Arbeitsblatt W512 bestätigt.

Bilder: Watercryst Wassertechnik GmbH & Co. KG, Haan

www.watercryst.com

Die Watercryst-Katalysator-Technologie

Biocat Kalkschutzgeräte verändern nicht die Wasserqualität sondern funktionieren mit der patentierten Watercryst-Katalysator-Technologie: Bei der Entwicklung des Katalysatorgranulates, nahmen sich die Forscher und Entwickler die Natur als Vorbild. Sie veredelten ein Granulat, indem sie Oberflächenstrukturen im mikroskopischen Maßstab nachbildeten, mit denen es beispielsweise Muscheln gelingt, ihre Kalkschale aufzubauen. Für die Verwendung im Trinkwasserbereich zugelassen, stellt das Granulat den Kern dieser Technologie dar. Jedes Kügelchen des Granulats trägt funktionelle Gruppen, die Calciumionen als Andockstellen dienen. Die Abstände der gebundenen Calciumionen zueinander werden so festgelegt, dass diese Abstände den Abständen der Calciumionen in einem Kalkkristall entsprechen (Kalk ist chemisch gesehen Calciumcarbonat und besteht aus Calcium- und Carbonationen, CaCO3). Kommt dann die in einer solchen Art modifizierte Oberfläche in Kontakt mit kalkhaltigem Wasser (denn Wasser enthält Calcium- und Carbonationen in gelöster Form) beginnen sich die negativ geladenen Carbonationen aus dem Wasser an die positiv geladenen Calciumionen der Granulatoberfläche anzulagern und es bildet sich eine negativ geladene Carbonationenschicht über den Calciumionen. Im nächsten Schritt lagern sich positiv geladene Calciumionen aus dem Wasser an die negativ geladene Carbonationenschicht an. Dieser Vorgang wiederholt sich, bis sich ein kleiner Kalkkristall an der Oberfläche des Granulats gebildet hat. So wächst der Kalkkristall ständig weiter, bis ihn die Scherkräfte der Wasserströmung von seinem Wachstumsort ablösen. An dieser Stelle wächst in Folge der nächste Kalkkristall. Den eigentlichen Kalkschutz bewirken die an das Wasser abgegebenen Kalkkristalle: Solange das Wasser kalkabscheidend ist, wachsen bevorzugt die im Wasser befindlichen Kalkkristalle und binden dadurch die überschüssigen Calcium- und Carbonationen, die das Wasser nicht mehr in Lösung halten kann. Für Kalkabscheideprozesse an Rohren und Boilerwänden bleibt nichts mehr über. Der ausgefallene Kalk wird in Form kleinster Kalkkristalle mit der normalen Wasserentnahme aus der Trinkwasserinstallation ausgespült.