Einfrierschutz für Rohrleitungen bis -50 °C

Die Einsatzgebiete für selbstregulierende Heizbänder in der Gebäudetechnik reichen vom winterlichen Frostschutz für Rohre und Dachrinnen bis zur ganzjährigen Temperaturhaltung von Flüssigkeiten. In der Warmwasserverteilung stellen Heizbänder eine ­Alternative zu Zirkulationssystemen dar, um Wärmeverluste bei Stillstand zu vermeiden.

Temperaturen bis zu -50 °C machen die Antarktis zu einem Kontinent der Extreme. Wer hier überleben will, wie die Wissenschaftler der deutschen Antarktis-Forschungsstation Neumayer III, ist auf moderne Gebäudetechnik angewiesen. Allein 15 000 l Wasser benötigen die Forscher pro Woche zum Trinken, Waschen und für die Luftbefeuchter der Klimaanlagen. Sie gewinnen es aus Schnee und Eis in einer Schneeschmelze und leiten es ins Trinkwassernetz. Der Raum, durch den die Wasserrohre verlaufen, wird bis zu -25 °C kalt. Unverzichtbar: Begleitheizungen der Hersteller Bartec und Pentair Thermal, die die Rohre eisfrei halten. „Ein Ausfall der Heizung wäre fatal. Innerhalb Minuten wäre das Rohr zugefroren“, berichtet Elektrotechniker Markus Eser im Blog der Antarktis-Station.

Frostrisiko wird oft unterschätzt
Es müssen keine arktischen Temperaturen herrschen, damit es bei wasserführenden Installationen wie Rohren, Armaturen und Heizkörpern zu Frostschäden kommen kann. Selbst in Deutschland, mit seinem gemäßigten Klima, lassen sich jedes Jahr mehr als 10 % aller Leitungswasserschäden auf Frosteinwirkung zurückführen. Nach Angaben des Gesamtverbands der Deutschen Versicherungswirtschaft (GDV) sind vor allem Räume und Gebäude betroffen, die wenig genutzt werden oder zeitweise leer stehen. Häufigste Schadensorte sind unbeheizte Dach- und Obergeschosse.
Durch den Einbau effizienter Heizkessel, die kaum noch Wärme an den Aufstellraum abgeben, nimmt auch das Frost­risiko in Heizungskellern zu. Rohrdämmungen können den Zeitraum bis zum Einfrieren zwar verlängern, bieten jedoch keinen dauerhaften Schutz. Auch die Frostschutzstellung an Heizkörperventilen sorgt lediglich dafür, dass der Heizkörper nicht einfriert. Rohre, die vom Heizkörper weiter entfernt verlaufen, sind nicht geschützt. In Gewerbe­immobilien entstehen frostbedingte Leitungswasserschäden häufig bei Sprinkleranlagen, die durch falsche Planung unzureichend beheizt sind.
Sinkt bei wasserführenden Leitungen die Temperatur unter den Gefrierpunkt bildet sich an einer zufälligen Stelle zunächst ein Eispropf, der sich nach beiden Seiten ausdehnt. Beim Gefrieren vergrößert sich das Volumen des Wassers um rund 9 %. Der Druck im Leitungssystem nimmt zu. Das Institut für Schadenverhütung und Schadenforschung der öffentlichen Versicherer (IFS) ermittelte bei Laborversuchen Werte von über 100 bar, denen keine Hausinstallation standhält.
Zum Schaden kommt es an der schwächsten Stelle. Rohre platzen, Press- oder Klemmverbindungen trennen sich. Kritisch wird es, wenn der Schaden erst lange nach der Frostphase entdeckt wird und bereits die Bausubstanz durch austretendes Wasser beschädigt hat. „Solche Fälle sind keine Seltenheit und werden regelmäßig von unseren Gutachtern vorgefunden“, sagt IFS-Geschäftsführer Hans-Hermann Drews. „Je mehr Wasser austritt und je länger die Einwirkzeit andauert, desto größer ist der angerichtete Schaden“, so Drews. Das Institut rät daher zur Vorsorge.

Selbstregelnde Rohrbegleitheizungen
Die wirkungsvollste Maßnahme gegen Frostschäden ist die Beheizung. Dazu muss nicht das ganze Gebäude warmgehalten werden, sondern es genügt, frostgefährdete Rohre und Leitungen mit elektrischen Begleitheizungen auszustatten.
Selbstregulierende oder selbstlimitierende Heizbänder, die an Rohren und Leitungen verlegt werden, arbeiten energieeffizient. Sie sind so konstruiert, dass sie ihre Wärmeabgabe der Umgebungstemperatur anpassen. Die Bänder bestehen aus zwei parallel geführten Kupferleitern, zwischen die ein mit Kohlenstoffteilchen dotiertes Kunststoff-Heizelement eingebettet ist. Die Kohlenstoffteilchen bilden zwischen den stromführenden Kupferlitzen Strompfade. Bei steigender Umgebungstemperatur dehnt sich der Kunststoff im Halbleiter aus und unterbricht die vom Kohlenstoff gebildeten Strompfade. Dadurch steigt der elektrische Widerstand. Der Stromfluss und die Wärmeentwicklung sinken.
Bei sinkender Umgebungstemperatur zieht sich der Kunststoff zusammen, der elektrische Widerstand nimmt ab und die Wärmeabgabe steigt wieder. Kurz gesagt: Bei warmen Außentemperaturen vermindert das Heizband die Heizleistung, bei Kälte nimmt die Heizleistung zu. Dieser Effekt funktioniert an jedem beliebigen Punkt des Bands. Treten abschnittweise Temperaturunterschiede auf, passt sich die Heizleistung von Abschnitt zu Abschnitt an. So ist eine einheitliche Erwärmung gewährleistet.
Heizbänder können auch über Kreuz verlegt werden, da ein Überhitzen des Bands durch die Selbstlimitierung ausgeschlossen ist. Durch die parallele Stromführung lassen sich Heizbänder auf unterschiedliche Längen zuschneiden, ohne ihre Eigenschaften zu verlieren. Hersteller wie Hillesheim bieten Heizbänder deshalb nicht nur in vorkonfektionierten Längen, sondern auch als Rollenware an. Für kürzere Installationen sind auch steckerfertige Systeme erhältlich.

Eisfreie Dachrinnen
Manche Heizbänder sind speziell zur Beheizung von Dachrinnen bestimmt. Denn auch hier kommt es immer wieder zu Frostschäden. Durch die Wechselwirkung von Frost und Sonneneinstrahlung entsteht in Dachrinnen Schmelzwasser, das nicht abfließt und wieder gefriert. Die Folge: Dachrinnen können sich verbiegen oder abbrechen und Fallrohre platzen. Gefahren gehen auch von herabfallenden Eiszapfen aus. Sie können Passanten verletzen und Autos beschädigen.
In Dachrinnen und Fallrohren angebrachte Heizbänder sorgen dafür, dass das Schmelzwasser abfließen kann und Eiszapfen erst gar nicht entstehen. Durch die selbstregulierenden Eigenschaften lassen sich die Bänder auch in Kunststoffdachrinnen verlegen, da eine zu starke Erwärmung ausgeschlossen ist. Für den Einsatz im Freien sind die Heizbänder UV-beständig, z. B. durch einen Außenmantel aus Poly­olefin, beispielsweise das Heizband „EGT“ von Etherma. Halbrunde Standarddachrinnen kommen i.  d.  R. bis zu einer Meereshöhe von 1000 m mit einer Heizleis­tung von 30 W/m aus. Hersteller Defromat ­empfiehlt bei breiteren Rinnen, Dachkehlen, Shedrinnen oder Dachüberständen eine flächenbezogene Leistung von 200 bis 250 W/m2. Dachrinnenfrostwächter wie der „ETC 520“ von Bartec Bacab für kleine und mittlere Anlagen bis etwa 40 m Gesamtlänge schalten die Begleitheizung nur dann ein, wenn die Außentemperatur die Bildung von Eis und Schnee zulässt, was Betriebskosten spart.

Temperaturerhalt bei Warmwasserleitungen
Rohrbegleitheizungen kommen nicht nur in Wohn- und Gewerbegebäuden zur Frostfreihaltung von Installationen zur Anwendung, sondern auch im industriellen Bereich. Hier sind es beispielsweise Rohre mit Flüssigkeiten, die nicht auskondensieren oder aushärten dürfen, oder Medien, die auf eine bestimmte Temperatur gebracht werden sollen.
Ein weiteres Einsatzgebiet ist die Temperaturerhaltung in der Warmwasserversorgung. Verbraucher wünschen heute an jeder Zapfstelle sofort warmes Wasser, sobald sie die Armatur öffnen. Abgekühltes Wasser in der Leitung, das zuerst abgelassen wird, bringt nicht nur Einbußen beim Komfort, sondern verursacht auch vermeidbare Kosten. In der Regel sorgt ein Zirkulationssystem dafür, dass auch an Entnahmestellen, die weiter entfernt vom Warmwassererzeuger liegen, immer warmes Wasser zapfbar ist. Bei der Altbausanierung oder bei Platzproblemen, wenn ein Zirkulationssystem nicht infrage kommt, bietet sich alternativ die Nutzung eines Einrohrsystems in Kombination mit selbstbegrenzenden Heizbändern an, die die Wassertemperatur konstant auf einer eingestellten Temperatur halten. Sie verlaufen parallel zum Rohr und werden unter der Dämmung der Wasserleitung verlegt. Die Installation und Wartung von Umwälzpumpen und Zirkulationsrohren entfällt. Im Wohngebiet Seepark in Stutt­gart z. B. kommen seit 2013 bei 170 Wohnungen aufgrund von Platzmangel in den Steigschächten und zur Sicherung der Trinkwasserhygiene „HWAT“-Heizbänder der Marke Raychem zum Einsatz. Sie sparen laut Hersteller Pentair rund 55 % Energie gegenüber einem herkömmlichen Zirkulationssys­tem ein. Wie beim Frostschutz passen die Bänder ihre Heizleis­tung der benötigten Temperatur an.  
In Gebäuden, wo eine thermische Desinfektion der Warmwasseranlage zum Schutz vor Legionellen vorgeschrieben ist, z. B. in Kliniken, Hotels und Pflegeheimen, sollten nur Heizbänder mit einer Haltetemperatur von 70 °C zum Einsatz kommen. Die Heizbänder vom Typ „SLHW“ von Danfoss etwa sind wahlweise mit den drei Haltetemperaturen 45 °C, 55 °C und 70 °C erhältlich.

Fetthaltige Abwasserleitungen
Temperaturerhaltung ist auch ein Thema bei Leitungen, die fetthaltige Abwässer aus gewerblich genutzten Küchen oder Lebensmittelbetrieben führen. Fettabscheider sind vorgeschrieben, um Öle und Fette aus dem Abwasser zu entfernen, bevor sie das öffentliche Kanalnetz verstopfen und die Reinigungsfunktion von Kläranlagen blockieren. Bei niedrigen Abwassertemperaturen kann sich Fett auf dem Weg von der Einlaufstelle bis zum Fettabscheider an der Rohrinnenwand absetzen und Verstopfungen verursachen. Abhilfe schaffen auch hier selbstbegrenzende Heizbänder, wie das „FB-A-F-33“ von Bamaheat oder das „Eis-Ex-Tricer-60SB“ von Dynatherm. Sie halten das Abwasser auf eine Temperaturen von 40 °C und mehr. Fallen fetthaltige Abwässer nur zu bestimmten Zeiten an, kann die Installation einer Zeitschaltuhr Sinn machen.

Weitere Regelung mitunter sinnvoll
Durch ihre Konstruktionsweise schalten sich selbstlimitierende Heizbänder niemals ganz ab, auch wenn keine Heizwärme erforderlich ist. Sie befinden sich im Stand-by-Betrieb, um sofort auf Temperaturänderungen reagieren zu können. Dadurch findet ständig eine geringe Leistungsaufnahme statt. Um Betriebskosten zu sparen, empfehlen die Hersteller deshalb die Ansteuerung der Heiz-
bänder über einen Thermostaten. Zur Frostfreihaltung schaltet er das Heizband beispielsweise erst dann ein, wenn die Temperatur unter 5 °C sinkt.

Hinweise zur Verlegung
Selbstlimitierende Heizbänder werden parallel zum Rohr verlegt. Anschließend wird es isoliert, um Wärmeverluste zu begrenzen. Die Befestigung der Heizbänder erfolgt alle 30 cm mit Gewebe-Klebeband oder bei höheren Temperaturanforderungen mit Glasseidenband, das quer zum Rohr angebracht wird. Auch temperaturbeständige Kabelbinder kommen zum Einsatz.
Kunststoffrohre sollten zur optimalen Wärmeverteilung der Länge nach zuerst mit Alu-Klebeband unterklebt werden. Darüber wird das Heizband verlegt, mit dem Rohr befestigt und abschließend mit einer zweiten Schicht Alu-Klebeband abgedeckt. Alle 5 m ist auf der Dämmung ein selbstklebendes Warnschild mit dem Hinweis „Elektrisch beheizt“ anzubringen.
Selbstlimitierende Heizbänder müssen mit einem Fehlerstrom-Schutzschalter (Residual Current Circuit Breaker RCCB), auch bekannt als FI-Schalter, betrieben werden. Pro FI-Schalter (30 mA) dürfen maximal 500 m Heizband überwacht werden. Der elektrische Anschluss darf nur durch einen Elektrofachmann erfolgen.
Für die Verbindung einzelner Heizbandteile untereinander bieten die Hersteller verschiedene Systeme. Bei der Schrumpftechnik werden die Heizbandlitzen freigelegt, Isolierschläuche aufgeschoben, Verbinder aufgepresst, die Isolierschläuche erwärmt und dadurch aufgeschrumpft. Die Materialkosten sind niedrig und die Anschlüsse feuchtigkeitsdicht bis IP 67 (staubdicht und dicht gegen zeitweiliges Untertauchen). Ein Nachteil ist die lange Bearbeitungszeit. Einfach zu montierende Klicksysteme oder Schraubanschlüsse wie das System „Connecto“ von Danfoss, „Duo Clip“ von Bamaheat oder „Twisto B“ von Bartec Bacab sparen dagegen Montagezeit.

Schlussbemerkung
Die Einsatzbereiche von Begleitheizungen sind vielfältig, ob in der Gebäudetechnik zum Schutz vor Frostschäden oder in der Industrie. Für jeden Anwendungsfall gibt es eine passende Lösung.

Autorin: Almut Bruschke-Reimer,
freie Energiejournalistin