Letzte Bearbeitung:
13.12.2011 19:34
IBS /
HEIZUNG
.
Grundlagen der Wärme- und Heizungstechnik. Funktion von
Heizungsanlagen. Wärmeerzeugung durch Verbrennung.
Verbrennungsgrundlagen,
Schadstoffe, Emissionen, Wärmeerzeuger, Energieverluste, Wirkungsgrade,
Betriebsweise, Niedertemperaturtechnik, Kesselkonstruktionen, LowNOx-Brenner,
Regelungstechnik; Heizungswasseraufbereitung.
Grundlagen der Wärme- und Heizungstechnik
für jedermann.
Innenleben und Funktion von
Heizungsanlagen.
|
Wärmeerzeugung durch
Verbrennung
|
Verbrennungsgrundlagen - Chemie |
Die wesentlichsten
Energieträger von Heizöl, Erdgas, Holz etc. sind Kohlenstoff
(C) und Wasserstoff (H2),
bzw. Kohlenwasserstoffe (CxHy).
Die Verbrennungsluft
enthält als wichtigste Elemente Stickstoff (N 2)
Und Sauerstoff (O2).
Vollständige Verbrennung
Bei der Verbrennung reagieren die die einzelnen Bestandteile
vollständig miteinander:Der Kohlenstoff C reagiert
unter Energiefreisetzung mit
dem Luftsauerstoff O 2 zu
Kohlendioxyd CO2 und der
Wasserstoff H2 mit dem
Luftsauerstoff zu Wasser oder Wasserdampf H2O
(=Verbrennungswasser).
(stark vereinfachte Darstellung) |
Unvollständige
Verbrennung
Die Verbrennungsprodukte giftiges Kohlenmonoxyds (CO)
und Russ entstehen in d. R. bei einer unvollständige Verbrennung.
Bei Luftmangel
oder zu viel Verbrennungsluft kann der Kohlenstoff nicht vollständig mit dem
Luftsauerstoff O2 reagieren.
Ruß ist reiner
Kohlenstoff, bei Kohlenmonoxyd fehlt das zweite Sauerstoffatom.
Zusätzlich kann
der Stickstoff aus der Verbrennungsluft bei hohen Flammtemperaturen zu
umweltschädlichen Stickoxyden (NOx)
oxydieren.
Quelle:
Weishaupt-compact-Reihe) |
Wärmeerzeuger |
Als Wärmeerzeuger wird die Kesseleinheit mit Brenner und der
Warmwasserspeicher (Unit) bezeichnet.
Die Wärme entsteht
durch die Verbrennung des Brennstoffes (Öl, Gas, Holz etc.) im
Brenner. Verbrannt wird hauptsächlich der im Brennstoff enthaltenen
Kohlenstoff und Wasserstoff.
Die Heizgase
durchlaufen die Wärmetauscherflächen des Kessels und geben dabei über die
inneren Flächen die Wärmeenergie an das Heizungswasser ab.
Damit die Eigenverluste gering
sind, werden die Kesseleinheiten sehr gut wärmegedämmt.
Das Warmwasser
für Küche und Bad wird in d. R. über einen separaten Wassererwärmer
(Boiler/ Speicher) indirekt erwärmt.
Das Heizungswasser läuft dabei
über einen im Wassererwärmer eingebauten Wärmetauscher und erwärmt so das
Frischwasser.
Für Gebäude mit geringen
Platzangebot gibt es wandhängende Kesseleinheiten. Sie können sowohl als
Dachheizzentrale wie auch in bewohnten Räumen installiert werden. |
Nach den erzeugten Heizwassertemperaturen unterteilt man die
Wärmeerzeuger (Heizkessel) in Niedertemperaturkessel, Tieftemperaturkessel
und Brennwertkessel.
Niedertemperaturkessel
arbeiten mit einer
Vorlauftemperatur des Heizungswassers von max. 75°C. Aus konstruktiven
Gründen ist die Rücklauftemperatur auf ca. >40°C begrenzt.
Anwendung
für Öl, Gas und feste Biomasse.
Tieftemperaturkessel
analog
Niedertemperaturkessel, aber durch bessere Korrosionsschutzmaßnahmen können
diese Kessel total abschalten und auskühlen (Energieeinsparung).
Anwendung
in d. R.
für Öl und Gas.
Brennwertkessel
arbeiten mit einer
Vorlauftemperatur von max. 55°C. Sie haben einen Hochleistungswärmetauscher
aus Edelstahl oder Aluminium-Silizium-Guss, so dass sie auch dem im Abgas
enthaltenen Wasserdampf kondensieren können. Das spart zusätzlich
Brennstoff.
Anwendung
in d. R.
für Heizöl und Gas, neuerdings auch für Holzpellets möglich. |
Schadstoffe und Emissionen |
Abhängig von der
Art des Brennstoffes und den daraus resultierende Anteilen an Kohlenstoff
und Wasserstoff sowie den Luftstickstoff, entstehen in den Abgasen für die
Atmosphäre unterschiedliche Mengen von Kohlendioxyd, Stickoxyden und
Wasserdampf.
Kohlendioxyd ist nicht giftig, aber mitverantwortlich
für den so genannten Treibhauseffekt (Erwärmung der Erdatmosphäre). Dieses
Problem verursachen nur die fossilen Brennstoffe (ÖL, Gas, etc.)
Eine Rußschicht von nur 1 mm Dicke auf der inneren
Kesseloberfläche würde die Abgastemperatur um ca. 55°C erhöhen und
gleichzeitig den Wirkungsgrad um 3 bis 4% absenken. |
Kohlenmonoxyds ist giftig und für Menschen und Tiere
gefährlich.
Ein weiteres
Verbrennungsprodukt sind die Stickoxyde (NOx),
die sich als saurer Regen schädlich auf die Umwelt auswirken.
Diese
Schadstoffemissionen können durch moderne Brennertechnik und optimale
Luftmengeneinstellung vermieden werden. Nur Spuren dieser Schadstoffe sind
zulässig.
Die
Brennereinstellung erfolgt deshalb mit einem sicheren Luftüberschuss, bei
dem praktisch nur geringste Emissionen entstehen und gleichzeitig eine hohe
Betriebssicherheit gewährleistet wird. |
Energieverluste, Wirkungsgrad,
Nutzungsgrad |
Energieverluste
Bei der Gewinnung von Wärme im Heizkessel treten aus
technischen Gründen unvermeidbare Energieverluste auf:
Abgasverluste am Schornstein, Auskühl- und Stillstandsverluste
während der Brennerstillstands- und Brennerlaufzeiten.
Diese Verluste sind
bei modernen Anlagen relativ gering (Abgasverluste <10%, Auskühl- und
Stillstandsverluste ca. 1%).
Feuerungstechnischer Wirkungsgrad
Energieausbeute aus dem Heizwert
des Brennstoffs (= 100%) bei Nennlast abzüglich der Abgasverluste.
(Heizwert=Energiegehalt des
Brennstoffs ohne Wasserdampfanteil in kWh/Einheit).
Der
feuerungstechnischer Wirkungsgrad wird z. B. bei der Emissionsmessung
durch den Schornsteinfeger ermittelt. Wesentlich realistischer ist aber
der Kesselwirkungsgrad.
Kesselwirkungsgrad
Energieausbeute
aus dem Heizwert des Brennstoffs (= 100%) bei Nennlast abzüglich der
Abgasverluste sowie Auskühl- und Stillstandsverluste. Beim
feuerungstechnischen und Kesselwirkungsgrad wird nur der Nennlastfall
berücksichtigt.
Eine
Heizungsanlage arbeitet jedoch nur wenige Tage im Jahr mit voller Leistung
(= Nennlast).
|
Bei wärmeren
Außentemperaturen geht die Heizungsanlage in einen Betrieb mit längeren
Brennerstillstandsphasen oder niedriger Leistung über.
Der
Kesselwirkungsgrad kann also nicht ausschließlich als Betrachtungsweise für
die Energiesituation verwendet werden.
Um die entsprechenden Zeiten, die
eine Heizungsanlage im Stillstand und im Brennerbetrieb verbringt, besser
berücksichtigen zu können, wird der Nutzungsgrad als Bewertungskriterium
ermittelt.
Nutzungsgrad (Jahresnutzungsgrad)
beschreibt die
energetische Situation - die für den Brennstoffverbrauch über ein Jahr
entscheidende Größe - deutlich besser.
Auf Grund vieler Einflussfaktoren
ist eine exakte Ermittlung des Jahresnutzungsgrad sehr schwierig (nur
optimierte Annäherung).
Normnutzungsgrad
Um verschiedene Kesseltypen vergleichen zu können,
werden 5 typische Teillast-Wirkungsgrade ermittelt und daraus ein Mittelwert
gebildet.
Der
Normnutzungsgrad wird in d. R. in den Druckschriften der Hersteller
angegeben und gibt recht gut den tatsächlichen Wirkungsgrad bei optimaler
Auslegung während einer Heizperiode wieder. |
Heizungsregelung |
1. Zentralregelung |
Grundlage ist in d. R. eine außentemperaturgeführte
(witterungsgeführte) Regelung der Heizungsanlage.
Anforderungen an eine moderne digitale Regeltechnik sind
einfache Bedienung, klar verständliche Funktionen und Erweiterbarkeit für
Nachrüstungen.
Über ein Display am Kessel wird der Anwender im Klartext über den
aktuellen Betriebszustand der Heizungsanlage informiert. Neben
Kesseltemperatur, Warmwassertemperatur oder Außentemperatur, können auch
aktuelle Heizzeitenprogramme abgefragt und angepasst werden. Bild >
Regelungen am Kessel
Zentraleinheit
Kernstück eines
Regelsystems ist die Zentraleinheit (CPU). Dort werden alle
Temperaturfühler angeschlossen, alle Daten verarbeitet und entsprechende
Ausgänge für die Heizungsanlage gesteuert.
Kesselschaltfeld
Das
Kesselschaltfeld beinhaltet alle wichtigen Elemente, die zu einem
sicheren Betrieb eine Heizkessels notwendig sind.
Fernbedienung
Wenn eine
Fernbedienung in einem Wohnraum installiert worden ist, wird auch der evtl.
integrierte Raumfühler genutzt.
Steigt die
Raumtemperatur z. B. durch solare Wärmegewinne an, erkennt dies der
Raumregler und korrigiert die Vorlauftemperatur nach unten.
|
Betriebsarten
Über den
Auswahlschalter Betriebsarten, kann direkt die Betriebsart geändert
werden.
Für jeden
Heizkreis stehen stehen unterschiedliche Heizzeiten-Programme zur Verfügung.
Zusätzlich können
dauernd abgesenktes Temperaturniveau sowie Stand-By-Betrieb (Heizung und
Warmwasser ausgeschaltet) oder Sommerbetrieb (Heizung ausgeschaltet,
Warmwasser eingeschaltet) angewählt werden.
Der Heizungsregler
schaltet nach Anwahl sofort in den gewünschten Heizungsbetrieb um.
Heizkennlinienfeld > Bild
In Abhängigkeit der Außentemperatur wird die Vorlauftemperatur des Heizkreises gesteuert.
Wird z. B. die Heizkennlinie 15 eingestellt, bekommt der Heizkreis bei einer
Außentemperatur von -15°C eine Vorlauftemperatur von 70°C oder bei
einer Außentemperatur von 0°C eine Vorlauftemperatur von nur 50°C.
Über diese Einstellung wird eine Raumtemperatur von 20°C erreicht.
Ist eine andere Raumtemperatur gewünscht, wird einfach die
Solltemperatur für den Raum geändert. Im Hintergrund wird über den digitalen
Heizungsregler die Vorlauftemperatur so verändert, dass die eingestellte
Raumtemperatur erreicht wird. |
Konstante Betriebsweise |
Gleitende Betriebsweise |
Ältere Kessel steuern die
Wärmeabgabe über eine konstante hohe Kesseltemperatur (=Vorlauftemperatur)
von ca. 80°C über das ganze Jahr bei jeder Außentemperatur.
Eine Regelung der Raumtemperatur
ist nur am Heizkörper über Regulier- oder Thermostatvenile möglich.
Durch ganzjährige
Einschaltzeiten der Heizung, auch wegen der Warmwasserbereitung im Sommer,
und damit verbundene kurze Brennerlaufzeiten in der Übergangszeit ergeben
sich relativ hohe Energieverluste.
In einigen Ländern
ist dies Betriebsweise allerdings immer noch Standard und die einfache
Technik demzufolge auch wesentlich billiger! |
Moderne Kessel werden
gleitend in Abhängigkeit der Außentemperatur über eine Heizkurve
(Temperaturkurve)
geregelt.
Dabei wird mit einem
Temperaturfühler die Außentemperatur erfasst und bei der Regelung
berücksichtigt >
Grafik.
Bei wärmeren
Außentemperaturen wird von der Regelelektronik eine niedrigere
Kesseltemperatur bestimmt.
Dadurch reduzieren sich erheblich
die die Kesselverluste.
Eine moderne Regelelektronik
verfügt neben der gleitenden Betriebsweise über weitere Betriebsarten:
Ferienprogramm, Nachtabsenkung, Sparbetrieb etc.
(Quelle:
Weishaupt-compact-Reihe) |
2. Dezentrale
Regelung über Thermostventile an den Heizflächen |
Die Regelung am
Heizkessel als Zentralregelung stellt natürlich je nach Außentemperatur für
alle Heizflächen (Heizkörper, Fußbodenheizung etc.) in den einzelnen Räumen
die gleiche Vorlauftemperatur (Wärme) zur Verfügung.
Der Zusammenhang
zwischen Raum-, Vorlauf- und Außentemperatur ist in der Steilheit Heizkurve
dargestellt und wählbar.
In d. R. wird die
gewünschte Temperatur für den wärmsten Raum eingestellt (z. B. Bad). Diese
Einstellung ist in d. R. nur einmal erforderlich.
Thermostatventile
Die
individuelle Anpassung der Raumtemperatur der einzelnen Räume, z. B. im
Wohnzimmer 22 °C, im Schlafzimmer 15 °C etc., erfolgt wiederum nur einmal am
Thermostatventil (= raumtemperaturgesteuertes Regelventil) des
entsprechenden Raumes. Der Temperaturfühler ist im Ventilkopf eingebaut oder
auch als Fernfühler separat zu installieren.
Das
Thermostatventil korrigiert auch automatisch Raumeinflüsse, z. B. durch
einen Ofen, Sonneneinstrahlung etc.
Die
Ventil-Voreinstellung (Kv-Werte) sollte nur vom Fachmann
vorgenommen werden (wird in der Praxis oft nicht durchgeführt).
|
Individuelle Einstellung der Raumtemperatur am Thermostatventil
ist in d. R. nach
der Inbetriebnahme der Heizungsanlage nur einmal erforderlich und kann auch
selbst vorgenommen werden.
Alle Thermostate
werden bei laufender Heizungsanlage zunächst voll geöffnet und dabei
mit einem Raumthermometer in ca. 1,50 m Höhe im vorwiegenden
Aufenthaltsbereich solange die Temperatur gemessen, bis diese sich nicht
mehr verändert.
Wenn die
Raumtemperatur zu hoch empfunden wird, ist das Ventil danach mit einer
angemessenen Wartezeit (bis die Temperatur sich nicht mehr verändert)
jeweils um einen Teilstrich zu schließen.
Der
Einstellvorgang ist in jedem Raum solange zu wiederholen, bis die
gewünschte Raumtemperatur erreicht ist.
Sofern danach die
Raumtemperatur immer noch zu hoch/zu niedrig ist (Ventilregelbereich ist
ausgeschöpft), muss am Zentralregler eine flachere/steilere Heizkurve
gewählt und die ganze Prozedur wiederholt werden.
Die
unterschiedlichen Außentemperaturen werden generell automatisch über den
Zentralregler in Verbindung mit der eingestellten Heizkurve angepasst, so
dass immer die gleiche Raumtemperatur erreicht wird.
|
Niedertemperaturtechnik |
Steuerung der Kesseltemperatur über die
Heizkurve
Ein wesentliches Kriterium zur Energieeinsparung ist der
Betrieb mit möglichst niedrigen Temperaturen.
Allerdings darf die Kesseltemperatur nicht unter ein
bestimmtes Niveau fallen, damit keine unerwünschten Korrosionserscheinungen
im Inneren des Wärmetauschers entstehen.
Die
Kesseltemperatur wird bei der Niedertemperaturtechnik in Abhängigkeit von
der Außentemperatur dem jeweiligen Wärmebedarf über die so genannte
Heizkurve angepasst.
Die Heizkurve wird so eingestellt, dass bei tiefen Außentemperaturen der
Kessel nicht über 75°C hochheizt und bei wärmeren Außentemperaturen der
Kessel auf das wirklich notwendige niedere Temperaturniveau gleitet
(gleitende Betriebsweise).
Durch eine teilweise vollständige Abschaltung wird zusätzlich
Energie eingespart. Auch während der Nachtstunden wird durch die Regelung
der Wärmetransport reduziert (Nachtabsenkung)
Kondenswasser und Korrosion
Bei der
Verbrennung entsteht Wasserdampf (s. Verbrennungsgrundlagen).
Der Anteil des
Wasserdampfgehaltes ist abhängig von Luftmengeneinstellung des Brenners.
Bei einem
Ölbrenner beträgt, bei einen über den Luftüberschuss eingestellten CO2-Gehalt
von 13%, der Wasserdampfgehalt im Heizgas ca. 11%.
|
Die entsprechende
Taupunktemperatur (= Temperatur, bei der das Verbrennungswasser vom
dampfförmigen in den flüssigen Zustand übergeht) liegt bei ca. 47°C.
Beim Brennstoff
Erdgas ist das bei gleicher Luftmengeneinstellung und einen CO2-Gehalt
von 10,5% eine Taupunkttemperatur
von ca.
55°C.
Unterschreitet die
Wandoberfläche des Kessels auf der Verbrennungsseite die Taupunkttemperatur,
kann Kondenswasser entstehen. Das sollte wegen der Korrosionsgefahr in jedem
Fall vermieden werden.
Ein
Reglersystem schützt den Kessel unterhalb der Taupunkttemperatur.
Abhängig von der
Temperaturanforderung an den Kessel wird der Brenner mit einer
Schaltdifferenz unterhalb des Kesselsollwertes eingeschaltet und oberhalb
des Kesselsollwertes ausgeschaltet.
Wird eine kleinere
Kesselsolltemperatur gefordert, schaltet der Brenner erst oberhalb der
Taupunkttemperatur ab.
Somit wird sichergestellt, dass
in keiner Betriebsphase ein kritischer Kesselzustand mit einer unerwünschten
Kondenswasser-Bildung entsteht.
Zusätzlich ergibt
sich zwischen der Kesselwasserseite und der Verbrennungsseite bei strömenden
Verbrennungsgasen ein Temperaturunterschied von 1 bis 4 Grad. Diese
Temperatur kann auf die Heizungswasser-Temperatur addiert werden. Damit wird
ein sicheres Überschreiten der Taupunktgrenze erreicht.
(Quelle:
Weishaupt-compact-Reihe) |
Moderne Kesselkonstruktionen
(Beispiel) |
Aufbau eines
Niedertemperaturkessels mit Sturzbrenner >
Bild
Es werden die
verschiedensten Kesselkonstruktionen angeboten. Für die Kaufentscheidung
sind weitergehende Informationen notwendig.
Im Mittelpunkt stehen aber immer
Wirtschaftlichkeit, lange Nutzungsdauer, umweltfreundlicher Betrieb sowie
Service- und Bedienfreundlichkeit.
Jede
herstellerspezifische Kesselkonstruktion bietet immer gewisse Vor- und
Nachteile, die im Allgemeinen nicht über zu bewerten sind, im Speziellen
aber manchmal Vorteile bringen können.
Vertikaltechnik >
Bild
Durch die vertikale Anordnung brennt die Flamme von oben in den
Wärmetauscher. Die strömenden Verbrennungsgase werden gleichmäßig und
ringförmig innerhalb des Wärmetauschers verteilt. Ein sehr gleichmäßiger
Wärmeübergang erhöht die Nutzungsdauer die Effizienz eines
Niedertemperaturkessels.
Durch den
Wärmetauscher geben die Verbrennungsgase die Wärme an das Heizungswasser ab
und werden in den oberen Bereich des Kessels, den Abgassammler geführt.
Würde durch einen ungünstigen Zustand Kondenswasser an der Kesselinnenseite
entstehen, fließt es durch die vertikale Anordnung des Kessels nach unten in
den Bereich heißer Verbrennungsgase. Somit kann es in
keiner Betriebssituation zu einer Ansammlung von Kondenswasser kommen. |
Wasserführung im Kessel >
Bild
Durch eine optimale Wasserführung
werden die vom Verbrennungsgas berührten Flächen vor zu kalten
Oberflächentemperaturen geschützt.
Die Wassermenge im Kessel wird in
einem inneren und äußeren Wassermantel aufgeteilt.
In den inneren Wassermantel kann
kälteres Heizungswasser vom äußeren Wassermantel eintreten und wird
gleichmäßig erwärmt.
Das erwärmte Wasser steigt im
inneren Wassermantel nach oben und wechselt im oberen Teil in den äußeren
Wassermantel.
Die Temperatur im inneren
Wassermantel ist immer höher, so dass der Kessel gut gegen
Kondenswasserbildung abgesichert ist.
Wenn der Kessel nach einer Nachtabsenkung mit kalten
Temperaturen startet, wird zuerst der innere Wassermantel aufgeheizt.
Nach
Überschreiten der Taupunktgrenze wird die Heizungsumwälzpumpe eingeschaltet.
Das kalte Heizungs-Rücklaufwasser tritt in den oberen Bereicht des äußeren
Wassermantels ein und erwärmt sich gleichmäßig.
Bei ausreichend hoher
Temperatur wird es über den Heizungsvorlauf entnommen.
Durch diese interne Rücklaufanhebung erhöht sich die
Betriebssicherheit eines Niedertemperaturkessels, da kein Kondensat
einstehen kann. Weiterhin
verlängert der vergrößerte Gesamtwasserinhalt durch die zwei Wassermäntel
die Brennerlaufzeit.
(Quelle:
Weishaupt-compact-Reihe) |
LowNOx-Brennertechnik
(Beispiel) |
Bei der Forderung nach möglichst niedrigen
Emissionsgrenzwerten geht es im Wesentlichen um einen niedrigen
Stickoxydanteil (NOx) im
Abgas. LowNOx-Brenner sind dafür
die geeignete Lösung.
Funktion (z. B.
Ölbrenner) > Bild
Durch einen digitalen Startimpuls
des Feuerungsmanagers startet der Brenner.
Nach einer Aufheizphase durch den
internen Ölvorwärmer bekommen der Brennermotor Spannung. Nach einer Vorbelüftungszeit, bei
der die Brennerkammer mit Luft gespült wird, erfolgt die Brennstofffreigabe
zur Öldüse. Das Zündgerät zündet das Öl-Luft-Gemisch - die Flamme entsteht. |
Der gesamte
Funktionsablauf wird vollautomatisch ausgeführt und durch mehrfache
Lichtsignale am digitalen Feuerungsmanagers angezeigt.
Dem
Servicetechniker stehen auf diese Weise viele Informationen über den
Brennerzustand zur Verfügung.
Die
Brennstoff-Luft-Mischeinrichtung sorgt im Wesentlichen dafür, dass in
Verbindung mit den Rezirkulationsöffnungen des Flammkopf-Aufsatzes ein Teil
der Verbrennungsgase zurückgeführt wird, um die Flamme zu kühlen und
damit die Emissionswerte (NOx)
zu verkleinern. |
Heizungswasseraufbereitung |
Grundlagen Heizungswasseraufbereitung
- Neue VDI 2035 Bl. 2 |
Die neue VDI unterscheidet zwischen einem "aufbereitenden
Wasser" (voll- oder teilweise enthärtet oder entsalzt) ohne Zusatz von
Chemikalien
und einen "behandelten Wasser" (mit Chemikalienzusatz).
Eine Aufbereitung ist dann erforderlich, wenn das Füll- und
Ergänzungswasser nicht den Anforderungen der VDI 2035 Bl. 1 entspricht.
Besondere Beachtung gilt auch Anlagen mit Pufferspeicher,
Mehrfamilienhäusern, Mehrkesselanlagen etc., also bei Anlagen mit
vergrößertem Wasserinhalt.
Bei einer Enthärtung werden die Steinbildner Calcium
und Magnesium gegen Natrium ausgetauscht. Der Salzgehalt verändert sich
dabei kaum.
Eine Entsalzung entfernt neben den Härtebildnern auch
fast alle Mineralien (Chloride, Sulfate, Nitrate, Natrium etc.)
Die Korrosionswahrscheinlichkeit steigt, wenn die Füll- und
Ergänzungswassermenge während der Lebensdauer einer Anlage das Dreifache des
Wasserinhaltes übersteigt.
Für die Korrosion ist die Zusammensetzung des Heizungswassers
von entscheidender Bedeutung:
1. Sauerstoffgehalt
im Heizungswasser ist eine entscheidende Größe.
Bei der Korrosion metallischer Werkstoffe ist neben pH-Wert
und Salzgehalt immer Sauerstoff beteiligt.
Für Werterhalt, Funktionstüchtigkeit, Effizienz und
Betriebssicherheit ist auf folgende Punkte besonders zu achten:
- Korrekte Systemauslegung durch Heizungsinstallateur/Planer
- je nach installierten Werkstoffen mit richtig
aufbereitenden
Wasser befüllen und ergänzen
- pH-Wert nach 8 bis 12 Wochen kontrollieren
- Ausdehnungsgefäß und Wasserqualität mindestens jährlich
kontrollieren
Fehler in der Druckhaltung können z. B. bei jeder
Nachtabsenkung
Luft-Sauerstoff in das System eintragen.
|
Bei der Inbetriebnahme ist zur Vermeidung von Gasblasen etc.
eine vollständige Entlüftung bei max. Betriebstemperatur durchzuführen.
Bei fachgerecht betriebenen Anlagen wird sich ein
Sauerstoffgehalt < 0,02 mg/l einstellen.
Grundsätzlich ist der Betreiber für die Verhinderung des
Sauerstoffeintrages in das Heizungssystem verantwortlich!
2. pH-Wert und Leitfähigkeit
Beispiel:
Für ein salzhaltiges Wasser mit einer Leitfähigkeit von 500 bis 1000 μS/cm
ist zur Vermeidung von Korrosion ein pH-Wert von 9 bis 9,5 und ein
Sauerstoffgehalt < 0,02 mg/l zu empfehlen.
Für ein gemischtes Aluminium-Stahl-System müsste aber ein pH-Wert von 8,2
bis 8,5 eingehalten werden. Bei
pH-Wert von > 8,5 kommt es hier selbst ohne Sauerstoff zur Korrosion.
Generell nimmt die Korrosionswahrscheinlichkeit mit steigender elektrischer
Leitfähigkeit (Salzgehalt) zu.
Bei höherer Leitfähigkeit muss deshalb der Sauerstoffgehalt geringer sein
und der pH-Wert für unlegierten (schwarzen) Stahl oder Kupfer höher.
pH-Wert Anstieg durch versteckte Alkalität
Wird z. B. das Heizsystem nach
VDI 2035 BL.1 mit aufbereitenden und enthärteten Wasser befüllt und der
gemessene pH-Wert beträgt z. B. 7,8 kann nach ca. 8 bis 12 Wochen der Wert
ansteigen. Für Systeme ohne
Aluminium wäre dann ein pH-Wert von 8,2 bis 9,5 akzeptabel, bei Aluminium <
8,5. Werden die Werte
überschritten, war das Füllwasser in diesem Fall nicht geeignet und es muss
voll entsalzt werden.
Quelle:
HEIZUNGSJOURNAL 3/2010 |
Anforderungen nach VDI 2035 Bl. 1 |
Anforderungen hinsichtlich Gesamthärte
- |
Gesamthärte (°dH)
in Abhängigkeit vom spez. Anlagenvolumen |
Gesamtheizleistung |
Wasserinhalt |
< 20 l/kW |
≥ 20 <50 l/kW |
≥50 l/kW |
< 50 kW* |
≤ 16,8 °dH |
≤ 11,2 °dH |
< 0,11 °dH |
50 -200 kW |
≤ 11,2 °dH |
≤ 8,4 °dH |
< 0,11 °dH |
200 -600 kW |
≤ 8,4 °dH |
≤ 0,11 °dH |
< 0,11 °dH |
> 600 kW |
≤ 0,11 °dH |
< 0,11 °dH |
< 0,11 °dH |
*) bei Umlaufheizern und Systemen mit
elektr. Heizelementen |
|
Erlaubter Sauerstoffgehalt in Abhängigkeit
des Salzgehaltes
- |
Salzarm
|
Salzhaltig |
Elektrische Leitfähigkeit bei 25 °C |
< 100
μS/cm |
100 - 1.500 μS/cm |
Sauerstoff |
< 0,1 mg/l |
< 0,02 mg/l |
Aussehen |
frei von sedimentierenden Stoffen |
pH-Wert bei 25 °C |
8,2 - 10
°dH |
pH-Wert bei 25 °C |
8,2 - 8,5
°dH (max. 9)* |
*) bei Aluminium und
Aluminiumlegierungen ist der pH-Wert eingeschränkt |
|
1. Vermeidung von Steinbildung (Kalk) |
Bei NT-Anlagen mit Stahl-Heizkesseln ist seit 2005 ab einer
Heizleistung von 50 kW (vorher ab 100 kW), bei Thermen, Brennwertgeräte)
auch < 50 kW auf die richtige Wasserqualität zu achten.
Bei der Aufbereitung von Heizungswasser geht es grundsätzlich
1. um die Vermeidung von Steinbildung und
2. um die Vermeidung von wasserseitiger Korrosion.
Das Heizungswasser ist das Blut der Heizungsanlage.
Maßnahmen zur Vermeidung von Steinbildung
Durch das Entfernen von den
Härtebildern Calcium und Magnesium und Befüllen der Anlage mit kalkfreien
Wasser lässt sich die Kalkbildung durch verschiedene Maßnahmen (Enthärtung,
Voll- oder Teilentsalzung) vermeiden.
Bei allen Maßnahmen wird die Salzbildung zuverlässig vermieden.
1.1. Vollenthärtung
Alle Härtebildner werden hier durch Ionenaustauscher entfernt,
andere unproblematische Salze bleiben dabei im Wasser. Enthärtung ist in d.
R. das bevorzugte Verfahren.
Nachspeisung
kann im d. R. mit geringen Mengen Rohwasser vom Betreiber erfolgen.
1.2. Vollentsalzung
Alle Salze werden hier durch einen Mischbett-Ionenaustauscher
entzogen, wodurch das Wasser instabil und überwachungsbedürftiger wird.
Das
Lösungsvermögen für Gase (z. B. Sauerstoff) ist dabei höher und fördert
damit stärker die Korrosion.
Der Zeit- und
Kostenaufwand der salzfreien Fahrweise ist gegenüber der Entsalzung
wesentlich höher. |
Die Anwendung
ist nur sinnvoll bei Industrieanlagen, z. B. bei Dampferzeugern oder bei
sehr mineralreichen Wasser mit einer elektrischen Leitfähigkeit > 1.200 bis
1.500 μS/cm.
Nachspeisung
sollte nur mit gleichen Wasser erfolgen.
1.3. Teilentsalzung
Nur bestimmte Minerale oder Teile davon werden entfernt.
Nachspeisung
sollte nur mit gleichen Wasser erfolgen.
Besonderheiten bei Bauteilen aus
Aluminium-Legierungen
Aluminium ist in Verbindung mit
Wasser und anderen Metallen trotz Legierung (AlSiMg) unter bestimmten
Bedingungen nicht stabil.
Während Kupfer einen pH-Wert von > 7,3, Stahl > 8,5 benötigen, weicht bei
Aluminium die Schutzschicht schon langsam auf.
(Abtragung, Auswaschung, in Verbindung mit Kupfer Lochfraß).
Beim Erwärmen von
enthärteten Wasser wird die gelöste Kohlensäure ausgetrieben und Soda (Na2CO3)
gebildet.
Je nach Temperatur
steigt dann lokal der pH-Wert von ca. 8 an (schwach alkalischer Bereich).
Bei
AlSiMg-Wärmetauschern kann dann durch die hohe Oberflächentemperatur die
dünne Schutzsicht angelöst werden.
Es empfiehlt sich
zur Stabilisierung der Schutzschicht z. B. auf der Oberfläche des WT die
Heizungsanlage mit teilenthärtetem Wasser (6 bis 8° dH) zu befüllen und ca.
2 bis 3 Tage aufzuheizen.
Da der pH-Wert
auch oft schwankt, sollte er mit einem Inhibitor* in einem stabilen
Bereich eingestellt werden (Pufferung).
*) = Hemmstoffe
zum Korrosionsschutz im technischen Bereich, die chemische
Vorgänge einschränken oder verhindern
|
2. Vermeidung von wasserseitiger Korrosion
(Rost und Schlamm) |
Grundsätzlich unterscheidet man zwei Verfahren:
1. Überwachungspflichtige Korrosionsschutzverfahren
Überwachungspflichtige Korrosionsschutzmittel (z. B. Molybdat,
Natriumsulfit, Amine, Amide und Kombinationen) müssen zur Wirksamkeit in
einer bestimmten Sollkonzentration eingestellt sein.
Diese Wirkstoffe müssen je nach Anlage zwischen ein und sechs Monate auf
ihre Sollkonzentration hin überprüft werden.
(Unterschreitung -> verstärkte Korrosion, Überschreitung -> isolierende
Schichtbildung oder Umkippen des Heizungswassers)
2.
Überwachungswürdige Korrosionsschutzverfahren
Überwachungswürdige Korrosionsschutzmittel (z. B. Mikopolymer-fimbildner,
Phosphate etc.) bilden hauchdünne Filme, ohne dabei Schichten aufzubauen.
Es genügt ca. alle 12 Monate bei der Heizungswartung die Wirksamkeit zu
überprüfen. Wird
dann kein Korrosionsschutz nachgefüllt, löst sich der Schutzfilm mit der
Zeit wieder auf, es entsteht aber keine negative Reaktion (z. B. Lochfraß).
Konditionierung des Heizungswassers
Konditionierung ist die gezielte
Beeinflussung der Eigenschaften einer Lösung durch Zugabe geeigneter
Substanzen zur Unterdrückung unerwünschter Nebenreaktionen.
Gründe für die Konditionierung:
1. Eine Anlage ist immer nur wasserdicht, nie gasdicht. Durch den ständigen
Eintrag von Luft kann es zur Korrosion in Verbindung mit Sauerstoff und
verschiedenen Metallen kommen.
2. Die in Heizungsanlagen eingebauten unterschiedlichen Materialien können
miteinander reagieren. Die dabei entstehenden Oxydschlämme verursachen
Schäden und Funktionsstörungen. |
3. Der pH-Wert
wird auf den optimalen Stabilitätsbereich für die Werkstoffe in der
Heizungsanlage eingestellt und im Nachspeisewasser wird der Kalk in Lösung
gehalten.
Wasseraufbereitung bei Neuanlage und Kesseltausch
Grundsätzlich ist bei jeder
Neuanlage und bei jedem Kesseltausch die Anlage mit kalkfreiem Wasser gegen
Steinbildung zu befüllen und mit Korrosionsschutz vor Rost und Schlamm zu
schützen (Nachweis mit Betriebsprotokoll Heizungswasser).
Zusätzlich ist beim Kesseltausch eine Reinigung des gesamten Systems zu
empfehlen.
In 15 bis 20 Jahren sammeln sich ca. 3 bis 5 kg Rost und Oxydschlämme an,
die wie Schleifpapier wirken und Ventile und Stellorgane Verstopfen können.
Außerdem sind die Beläge wärmeisoliernd und kosten somit zusätzliche
Energie.
Systemtrennung mit WT für Fußbodenheizkreis? - Pro
und Contra
In d. R. fordern die
Kesselhersteller zum Schutz des Kessels eine hydraulische Trennung bei einer
Fußbodenheizung, die evtl. nicht diffusionsdicht ist.
Nachteile:
- 2 hydraulisch
unterschiedliche Heizkreise.
- Thermischer
Widerstand durch den WT, Wirkungsgradverlust.
- Höhere Energie-
und Installationskosten (zusätzliche Pumpe).
- Die wenigen im
Sekundärheizkreis verbleibenden Metalle werden
mangels
Reaktionsfläche um so stärker korrodiert.
- Verstopfung des
WT mit Korrosionspartikeln und/oder Kalk auf der
Sekundärseite.
- Die
Heizungswasseraufbereitung erübrigt sich durch die
Systemtrennung nicht, sondern kommt noch hinzu.
Quelle: IKZ-HAUSTECHNIK 22/2009,
www.hannemann-wassertechnik.de
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