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Heizungswasser - Das unterschätzte Element?

Warum es so wichtig ist, dem Heizungswasser hinsichtlich der Korrosionsvermeidung mehr Beachtung zu schenken

Praktisch in jeder Heizungsanlage wird Wasser als Wärmeträger verwendet. Aus diesem Grunde ist es ratsam, die Eigenschaften dieses speziellen Wärmeträgers, seine Wechselwirkungen mit den Werkstoffen und andere Besonderheiten zu kennen. In dem folgenden Artikel - bestehend aus zwei Teilen - werden die wichtigsten Eigenschaften gebräuchlicher Wässer und deren Auswirkungen auf die Heizungsanlagen dargelegt sowie die wichtigsten Behandlungsverfahren vorgestellt.

Wasser ist eine ganz besondere Flüssigkeit. Schon die Tatsache, dass Wasser zwischen 0 und 100°C in flüssiger Form vorliegt, ist eine Besonderheit. Nach seinen verwandten Substanzen (z.B. Schwefelwasserstoff oder Ammoniak) müsste es eigentlich erst bei weit unter -50°C flüssig werden. Darüber hinaus ist Wasser die einzig bekannte Verbindung, bei der der Feststoff (Eis) leichter ist als der flüssige Aggregatzustand. Als ob das noch nicht genug wäre, besitzt Wasser eine sehr hohe Wärmekapazität, eine immense Verdampfungsenergie und ist ein hervorragendes Lösungsmittel für viele Substanzen.

Dieser besondere Mix der Eigenschaften und die Tatsache, dass es auf der Erde so viel davon gibt, macht das Wasser sowohl für das Leben, als auch für die Technik unverzichtbar. Vor allem seine Kompaktheit und die hohe spezifische Wärmekapazität machen Wasser zu dem häufigsten Wärmeträger.

Verschlammtes Heizungswasser - Vorbote von Problemen.

Behandeltes Heizungswasser erhöht die Funktionssicherheit und den Wirkungsgrad.

Entwicklung der Anlagentechnik

Aus Gründen der leichteren Verarbeitbarkeit kommen unterschiedliche Werkstoffe zum Einsatz: In den 60er-Jahren wurde fast ausschließlich schwarzes Stahlrohr und Messing verwendet. Bald darauf hielt Kupfer Einzug im Heizungsbau. Und als dann die Fußbodenheizungen vermehrt installiert wurden, kam es zum verbreiteten Einbau von Kunststoffen. Diese Kunststoffe waren zunächst nicht diffusionsdicht, sodass Sauerstoff leichter in das Wasser gelangte. Später kamen diffusionsdichte Kunststoffrohre und schließlich solche mit Aluminiumkernen auf den Markt, die die Sauerstoffdiffusion deutlich reduzierten. Im Zuge der Brennwerttechnik gelangen nun Leichtmetalllegierungen (Aluminium, Magnesium, Silizium) als neuer Werkstoff in den Heizkreislauf.

So findet man im Heizungswasser einen bunten Materialmix verschiedenster Werkstoffe. Erschwerend kommt noch hinzu, dass die Wasserqualitäten äußerst unterschiedlich sind: Sie reichen von extrem hart bis extrem weich und von salzarm bis sehr salzhaltig.

Flammentemperatur und Wasser

Auf die Heizfläche in einem Kessel wirken sehr hohe Temperaturunterschiede. Zum einen ist die Flamme weit über 1000°C heiß, zum anderen hat das Wasser bei Niedertemperaturanlagen eine Temperatur von max. 80°C. Ungeachtet dessen sind die Oberflächentemperaturen der wärmeübertragenden Flächen an der Wasserseite und damit die Flächenlast (kW/m²) über die Jahre gestiegen.

Daraus ergibt sich, dass eine Belagsbildung im Bereich der Flamm- und Rauchgasrohre starke Auswirkungen hat. Fachkreise sprechen von einem Wirkungsgradverlust von 9 - 15% je Millimeter Belag auf der Wasserseite.

Brennwerttechnologie

Hochempfindliche Technik, kleine Querschnitte und Wasservolumen zwischen 2,5 - 5 Litern schaffen eine neue Situation mit wenig Spielraum für Installationsfehler. Durch die Nichtbeachtung der richtigen Wasserqualität sind Probleme vorprogrammiert, vom Verschließen des Wärmetauschers über klemmende Ventile bis zum Totalausfall der Anlage.

Niedertemperatur-Großflächenheizungen

Fußbodenheizungen sind energetisch sehr günstig und schaffen ein angenehmes Raumklima, weil sie mit niedrigen Temperaturen arbeiten. Die oft eingesetzten Kunststoffrohre haben Poren im mikroskopischen Bereich, in denen sich Bakterien einnisten können. Bei 35 - 40°C finden diese Bakterien ihre optimalen Lebensbedingungen vor und vermehren sich sehr schnell. Es kann zu einem ausgeprägten Biofouling kommen. Darunter versteht man die Bildung eines Biofilms verschiedenster Zusammensetzung und Ausdehnung. Sie können zum Verschluss der Rohrleitungen oder auch zu deren völligen Zerstörung führen. Da wir hier ein extrem wandelbares Biosystem haben, ist ein solcher Biofilm nur sehr schwer zu beseitigen. Hierzu gibt es individuelle Behandlungsverfahren, mit denen eine starke Reduzierung oder gar Beseitigung schon oft erreicht wurde. Immer häufiger kommen Wandflächenheizungen zum Einsatz. Das Wasser fließt bei diesen Systemen durch kleinste Kanäle mit einem Innendurchmesser von Teilweise 1,4 mm, was man im Heizkreis auch als Kapillare bezeichnen kann. Die verwendeten Materialien sind vorwiegend nicht diffusionsdichte Kunststoffe. Ohne entsprechende Aufbereitungsmaßnahmen ist das Gewährleistungsrisiko für den ausführenden Fachbetrieb relativ hoch einzuschätzen.

Wasser - etwas genauer

Hier beschränken wir die Abhandlung auf wenige zentrale Problempunkte, die unmittelbar aus den Eigenschaften des Wassers, seinen gelösten Salzen und den in Kontakt stehenden Materialien folgen. Geruch und Aussehen des Heizungswassers lassen zwar die Probleme erahnen, konkrete Aussagen sind jedoch ohne Analyse schwer zu treffen.

Härte

Als Härte bezeichnet man die gelösten Salze des Kalziums und des Magnesiums. Früher bezog man in Deutschland die Mengenangabe auf 10 mg/l Kalziumoxid (CaO) und bezeichnete dies als deutsche Härtegrade (°dH). Seit der Einführung der SI-Einheiten in den 70er-Jahren sind diese Härteangaben zwar veraltet, wenn auch sehr verbreitet. Statt dessen gibt man die Stoffmenge der gelösten Kalzium- und Magnesiumionen direkt an. Die Stoffmenge in der Chemie ist das mol. Es bezeichnet die Anzahl von Molekülen, Atomen oder Ionen. Da man jedoch keine Atome bzw. Ionen zählen kann, wird deren Masse angegeben. Man spricht dann von der Molmasse. Im Fall des Kalziums hat ein mol die Masse von 40,08 g und des Magnesiums von 24,312 g.

Temporäre Härte

Die Gesamthärte wird auf die Ionen des Kalziums und des Magnesiums bezogen. Beide sind positiv geladen. Um die elektrische Neutralität der Lösung zu wahren, muss die gleiche Menge negativ geladener Ionen vorhanden sein. In Deutschland, mit seinen ausgesprochen mächtigen Kalklagerstätten, sind dies meist Karbonat bzw. Hydrogencarbonat. Man spricht dann von Karbonathärte (KH), Kalkhärte oder auch temporärer Härte.

Die Salze des Magnesiums oder des Calciums und der Kohlensäure (Karbonate) sind sehr schwer löslich. Die Kohlensäure ist jedoch eine schwache Säure und eine flüchtige dazu. So können folgende Eigenschaften angegeben werden:

• Bei Gegenwart von Säuren (z.B. Kohlensäure) wird Kalk gelöst. Es bilden sich Hydrogenkarbonate, die leicht löslich sind.
• Wird die Kohlensäure ausgetrieben (durch z.B. Druckentlastung oder Hitzeeinwirkung) fällt der Kalk (die Härte) aus. Es bildet sich Kesselstein und weicheres Wasser.

Dauerhafte Härte

Alle anderen Ionen (z.B. Chlorid, Sulfat usw.) sind nicht flüchtig und bilden in kurzer Zeit keine schwer löslichen Verbindungen. Man spricht daher von permanenter Härte, weil diese durch Hitzeeinwirkung nicht entfernt werden kann. In Heizkesseln kann dies zur Verkrustung (Kesselsteinbildung) der wärmeübertragenden Flächen führen. Härte wird hier oft zum Bindemittel für Oxidschlämme.

Korrosion

Seit der Mensch baut, hat er auch mit dem Verfall der Werkstoffe zu tun. Diesen Vorgang nennt man Korrosion. Im Heizungsbau werden vorwiegend metallische Werkstoffe und zum Teil Kunststoffe eingesetzt. Alle diese Werkstoffe unterliegen der Korrosion. In der Regel geschieht das nur sehr langsam. Immer wenn Substanzen mit Sauerstoff reagieren, werden Elektronen ausgetauscht. Das bedeutet, es fließt ein elektrischer Strom, den man in diesem Zusammenhang als Korrosionsstrom bezeichnet. Wird der Stromfluss unterbrochen, bildet sich eine elektrische Spannung aus.

Einfluss des pH-Wertes

Für den Betrieb von Heizkesseln und anderen Wasser berührten Teilen ist es wichtig zu wissen, dass die tatsächliche Korrosionstätigkeit zu einem großen Teil vom pH-Wert abhängt. Da es auch einen alkalischen Angriff auf den Stahl gibt, existiert ein optimaler pH-Wertbereich, bei dem die Korrosionstätigkeit fast nicht mehr messbar ist. Dieser liegt zwischen ca. 8,5 und 10,5. Diese Angabe gilt für salzhaltiges Wasser (elektrische Leitfähigkeiten 100 - 1500 S/cm) und Temperaturen unter 100°C. Bei Aluminium ist der "optimale" pH-Wertbereich wesentlich schmaler und liegt bei etwa 6,5 - 7,5. Bei entsprechenden Legierungen lässt sich dieser Bereich auf ca. 9,5 erweitern.

Einfluss von Sauerstoff

Wie bereits in der Einleitung geschrieben, neigen alle gängigen Werkstoffe zur Reaktion mit Sauerstoff. Für diese Art der Korrosion ist Stahl bekanntlich besonders anfällig. Die Oxidschichten bei anderen Werkstoffen (Kupfer, Aluminium) sind zwar dicht und schützen das darunter liegende Material, sind aber bei ständigem Wasserkontakt sehr empfindlich, weil sie durch Schwankungen des pH-Wertes und andere Faktoren leicht angegriffen werden können.

Mischinstallation

Moderne Heizanlagen bestehen nicht selten aus ca. 20 verschiedenen Materialien. Die Auswahl an Produkten ist sehr groß geworden, wodurch unweigerlich vielschichtige Probleme auftreten können. Bei Mischinstallationen kommt es neben dem Kontakt von verschiedenen Metallen miteinander (Stromfluss) auch zum verstärkten Sauerstoffzutritt (Kunststoffrohre, Verschraubungen,...). Dadurch kommt es zu einer elektrochemischen Korrosion, dem unedle Metalle zum Opfer fallen. Dies kann z.B. Aluminium sein. Aber auch andere Materialien können betroffen sein. Eine Möglichkeit des Schutzes besteht darin, die betroffenen Bauteile elektrisch zu Isolieren, damit kein Strom fließen kann.

Darüber hinaus kann es bei Mischinstallationen zu Lokalelementbildungen kommen. Das bedeutet, dass beispielsweise Kupfer gelöst wird und das gelöste Kupferion sich zum Beispiel am Aluminium anlagert. Kommen noch weitere Kupferionen hinzu, entsteht ein Lokalelement, bei dem Stahl gelöst wird.

Biologische Prozesse in der Heizung

Bakterien sind durchaus in der Lage, in Heizungskreisläufen zu existieren - schließlich kann dort Leben sein, wo Wasser ist. Der Einfachheit halber bezeichnen wir alles Biologische in einer Heizungsanlage als Bakterium, auch wenn es Pilze oder Algen sein können.

Bakterien benötigen eine Energiequelle. Das kann Wärme oder - was von ihnen bevorzugt wird - eine bestimmte chemische Reaktion sein. Sie nisten sich in Unebenheiten oder Poren ein, um dort Kolonien zu bilden. Hier sind vor allem ölige Oberflächen, Kunststoffe und Härtebeläge ein bevorzugtes Ziel. Bakterien benötigen eine gewisse Konstanz der Lebensbedingungen, vor allem zu Beginn der Ansiedlung. Stellvertretend werden hier zwei häufige Fälle aufgezeigt.

Sulfatreduzierende Bakterien

Das früher häufig zur Sauerstoffbindung im Heizungswasser eingesetzte Natriumsulfit verbindet sich mit Sauerstoff zu Natriumsulfat. Da ständig mit einem gewissen Eintrag an Sauerstoff zu rechnen ist, muss das Sauerstoffbindemittel ständig zugesetzt werden. Das hat drei Konsequenzen:

• Die elektrische Leitfähigkeit des Heizungswassers steigt, was den Fluss des Korrosionsstroms begünstigt.
• Die Sulfatkonzentration steigt, was zur Bildung von Gipskristallen führen kann, wenn Härte im Wasser vorhanden ist.
• Unter Umständen kann das Wasser umkippen. Darunter versteht man in diesem Zusammenhang die Bildung von Schwefelwasserstoff. Das Wasser versäuert, stinkt und ist giftig.

Die Verursacher sind sulfatreduzierende Bakterien, die Sulfat zu Sulfid umwandeln. Dabei entsteht Sauerstoff, der zur Oxidation von Metallen führt. Temperatur und Druck spielen für die Bakterien fast keine Rolle.

Biofouling in Heizungen

Eine andere Art von Problemen ist in der biologischen Filmbildung zu sehen. Sie tritt vorwiegend bei Niedertemperaturheizungen mit Kunststoffrohren auf. Dabei nisten sich zunächst Pionierorganismen in den Poren der Oberfläche ein und vermehren sich. Dadurch wird der Boden für andere Organismen bereitet, die sich dann dort einnisten. Dieser Prozess geht so weit, bis Teile des Biofilms abgestoßen werden und an anderer Stelle aufwachsen. Dabei sind die Bakteriengesellschaften in der Lage, ihr chemisches Milieu weitgehend selbst zu bestimmen. Das heißt, auch wenn das Wasser einen pH-Wert von 9 hat, kann an der Oberfläche des Metalls oder Kunststoffes ein pH-Wert von 4,5 vorliegen. Die biologischen Prozesse in diesen gallertartigen Schichten sind äußerst vielfältig und praktisch nicht zu beherrschen.

Auf Dauer kann hier nur durch eine spezielle und ggf. wiederkehrende Wasserbehandlung eine Verminderung oder gar Lösung des Problems erreicht werden, die zur langsamen "Verbrennung" des Biofilmes führt. Allerdings sollte man bei dieser Methode die Materialspezifikation der Heizungsanlage genau prüfen, um nicht unerwünschte Nebenwirkungen zu erhalten.