Wasser im geschlossenen hydraulischen System

Als Wärmeträgermedium findet in Wärmeerzeugungs- und Wärmeverteilungssystemen meist Wasser Verwendung. Dieses besitzt mit 4,19 kJ/kgK eine hohe spezifische Wärmekapazität und zeichnet sich durch eine hohe Verfügbarkeit sowie Umweltverträglichkeit aus. In der Natur vorkommendes Wasser ist allerdings regional von unterschiedlicher Qualität geprägt. Im Wasser sind häufig Metalle oder Salze, aber auch Gase wie O₂ und CO₂ gelöst.

Diese können im Heizungssystem Probleme und Schäden verursachen, weshalb das Wasser einer Wasseraufbereitung unterzogen werden muss. Die geforderte Qualität des Wassers ist abhängig von der Wärmeerzeugerleistung, der maximalen Systemtemperatur sowie den verwendeten Materialien im System.

Geforderte Wasserqualität

Die Werte für die Heizungswasserqualität für Großanlagen sind in der VDI 2035, sowie dem AGFW-Arbeitsblatt FW 510 (bzw. TECH 1466 vom VdTÜV) vorgeschrieben. Eine Übersicht zu den jeweiligen Werten ist in Tabelle Übersicht Wasserqualität zu sehen.

	VDI 2035		AGFW FW 510/TECH 1466 (VdTÜV)
Einsatzbereich	Heizwassersysteme		Heiz- und Heißwassersysteme
Temperaturbereich	Bis 100 °C		Ab 100 °C
Elektrische Leitfähigkeit bei 25 °C	Salzarm:	Salzhaltig:	Salzarm:		Salzhaltig:
	10 bis 100	100 bis 1.500	10 bis 30	30 bis 100	100 bis 1.500
Aussehen	Klar, frei von sedimentierenden Stoffen		Klar, frei von suspendierten Stoffen
pH- Wert bei 25 °C	Ohne Aluminiumlegierungen	Mit Aluminiumlegierungen	9,0 bis 10,0	9,0 bis 10,5	9,0 bis 10,5
	8,2 bis 10,0	8,2 bis 9,0
Härte (Erdalkalien) [mmol/l]	< 0,05		< 0,02
Sauerstoff [mg/l]	So niedrig wie möglich		< 0,1	< 0,05	< 0,02

Übersicht Wasserqualität (eigene Darstellung in Anlehnung an VDI 2035, 2021, S. 24 und TECH 1466, 2014, S. 11)

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Wasseraufbereitung

Die richtige Wasseraufbereitung, vor allem für das Befüllen und Nachspeisen, ist für den sicheren und langlebigen Betrieb eine der wichtigsten Grundvoraussetzungen.

Die häufig verwendeten Begriffe und ihre Synonyme für die unterschiedlichen Wasserströme werden im Folgenden kurz erläutert.

Frischwasser (Rohwasser)	Nicht aufbereitetes Wasser, das aus folgenden Quellen bezogen wird: Öffentliches Netz (Stadtwasser) Eigener Brunnen Quelle
Enthärtetes Wasser (härtefreies Wasser, Weichwasser)	Wasser, dem mittels eines Ionentauschers Calcium- (Ca2+) und Magnesiumionen (Mg2+) entzogen wurden.
Teilentsalztes Wasser (Permeat oder demineralisiertes Wasser)	Wasser, welches nahezu keine Salze mehr enthält. Es besitzt eine Leitfähigkeit von < 50 µS/cm und wird meist durch Umkehrosmose aus enthärtetem Wasser gewonnen.
Vollentsalztes Wasser (VE-Wasser, Deionat)	Wasser, welches keine Salze mehr enthält. Es besitzt eine Leitfähigkeit von < 1 µS/cm und wird meist durch die Kombination von Anionen- und Kationentauschern gewonnen.
Füllwasser	Aufbereitetes Wasser, mit dem die Erst-, Neu- oder Teilfüllung von Fernwärmeheizanlagen erfolgt.
Ergänzungswasser	Aufbereitetes Wasser, mit dem temperaturbedingte Volumenänderungen sowie die Verdunstungs- und Leckwasserverluste ausgeglichen werden.
Kreislaufwasser	Wasser, das in Fernwärmeheizanlagen durch den Wärmeerzeuger, das Rohrnetz und die Wärmeübertrager oder Wärmeübergabestationen fließt. Der Begriff gilt nicht nur für Primärnetze, sondern auch für Wasser in einem Sekundärnetz.

Durch diese Anforderungen an das Füll- und Nachspeisewasser, werden folgende Schadens- und Fehlerursachen verringert oder vermieden:

• Korrosion
• Wasserseitige Ablagerungen
• Schlammbildung

Damit die Wasserwerte eingehalten werden und somit Schäden durch eine erhöhte Konzentration von problematischen Wasserinhaltsstoffen vermieden werden, muss das Frischwasser aufbereitet werden.

Hierzu werden abhängig von der Leistung der Kesselanlagen, der Größe des Heiznetzes und den Inhaltsstoffen im zur Verfügung stehenden Frischwasser verschiedene Maßnahmen in der Wasseraufbereitung eingesetzt.

Die folgende Abbildung gibt einen Überblick über die Inhaltsstoffe im Frischwasser und die sich daraus ergebenden Gefahren für das Heiznetz sowie die Maßnahmen, die in der Wasseraufbereitung getroffen werden müssen.

Die Grundlage der Auslegung einer Wasseraufbereitungsanlage sollte immer eine detaillierte Analyse der verfügbaren Frischwasserqualität sein.

Enteisenung und Entmanganisierung

Bei der Enteisenung und Entmanganisierung werden im Wasser gelöste Eisen-(II)-Ionen (Fe²⁺) und Mangan-(II)-Ionen (Mn²⁺) zunächst zu höherwertigen Ionen oxidiert. Die Oxidation kann mit Sauerstoff (O₂), mit anderen oxidierenden Chemikalien wie Kaliumpermanganat (KMnO₄) oder per Katalyse erfolgen. Die entstehenden Ausfällprodukte können im Anschluss über ein Filtergranulat abfiltriert werden.

Enthärtung

Unter den im Wasser gelösten Stoffen ist vor allem die Härte für den Betrieb einer Kesselanlage besonders schädlich. Unter Härte werden hauptsächlich Calcium- und Magnesiumionen (Ca²⁺; Mg²⁺) zusammengefasst. Wenn diese so genannten Erdalkalimetalle vorhanden sind, können sie durch die Beheizung im Kessel ausfallen und bilden dann den Kesselstein (CACO₃), der sich als Belag auf den Heizflächen ablagert.

Wird eine Schicht- oder Belagsbildung nicht frühzeitig erkannt, kommt es durch die Behinderung des Wärmeübergangs zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades. Nehmen die Schichtdicken weiter zu, kann dies zu einer Überhitzung der Heizflächen und zu folgenschweren Schäden bis hin zum Totalschaden des Kessels führen. Um dies zu verhindern, müssen die Härtebildner aus dem Wasser entfernt werden.

Funktionsweise Ionentauscher

Der Ionenaustausch ist das am häufigsten eingesetzte Verfahren zur Wasserenthärtung. Dabei werden die härtebildenden Stoffe Calcium und Magnesium gegen Natrium ausgetauscht. Der Ionenaustausch ist ein einfaches und effizientes Verfahren zur Wasserenthärtung, bei dem nur geringe Kosten für den Verbrauch von speziellem Regeneriersalz entstehen.

Betriebszustand A: Enthärtung des Wassers
Bei der Wasserenthärtung durch den Ionenaustausch läuft eine chemische Gleichgewichtsreaktion ab. An dem im Enthärter enthaltenen Austauscherharz haften Natriumionen. Sobald kalkhaltiges Wasser durch die Enthärtungsanlage strömt, werden die im Frischwasser enthaltenen Calcium- und Magnesiumionen an das Tauscherharz gebunden. Dieses gibt im Austausch Natriumionen ab.

Betriebszustand B: Beginn der Regeneration
Das Tauscherharz nimmt solange neue Härtebildner auf, bis es gesättigt ist. Dann muss das Ionenaustauscherharz regeneriert werden. Dazu wird spezielles Enthärtersalz (NaCl) benötigt, welches in Wasser zu Salzsole gelöst wird.

Bei der Regeneration wird das Tauscherharz mit der Salzsole durchspült. Durch den Überschuss an Natrium in der Salzsole gibt das Harz die Calcium- und Magnesiumionen wieder ab und nimmt Natriumionen auf.

Betriebszustand C: Ende der Regeneration
Da das Harz vorwiegend Calcium- und Magnesiumionen an sich bindet, kann es nicht komplett regeneriert werden. Deshalb wird empfohlen, nur Wasserenthärter mit einer sogenannten Sparbesalzung einzusetzen.

Betriebszustand D: Erneuter Beginn der Enthärtung des Wassers
Ist der Regenerationsvorgang abgeschlossen, ist der Ionentauscher bereit für einen weiteren Zyklus der Wasserenthärtung.

Bei kontinuierlicher Nachspeisung von Ergänzungswasser müssen Doppelanlagen eingesetzt werden. Bei der Doppelanlage wird während des Betriebs des ersten Ionentauschers der zweite regeneriert.

Somit kann eine ständige Verfügbarkeit von enthärtetem Wasser gewährleistet werden.

Trenn­verfahren	Sieb-Filtration	Fein-Filtration	Partikel-Filtration	Mikro-Filtration	Ultra-Filtration (UF)	Nano-Filtration (NF)	Umkehr-Osmose (RO)
Trenn­grenzen	> 500 µm	5 ... 500 µm	1 ... 10 µm	0,1 ... 1 µm	0,01 ... 0,1 µm	0,001 ... 0,01 µm	< 0,001 µm
Abtrenn­bare Stoffe	Körner, Sand, Fasern	Größere Partikel, Algen	Kleine Partikel, Keime, Bakteri­en, Viren	Kleinst­partikel, Keime, Bakterien, Viren	Viren und molekulare Substanzen	Niedermole­kulare Sub­stanzen und Humin­stoffe	Ionen
Verfahren in der Wasser­technik	Siebung, Zyklone, Sedimen­tation, Klärung	Gewebe­filter, Tuchfilter	Mehr­schicht­Schnell­filter, Membran­Filtration (MF)	Mehr­schicht- Langsam­filter, Membran-Filtration (MF)	Membran-Filtration (UF)	Membran-Filtration (NF)	Umkehr-Osmose (RO)
Trenn­grenzen

Allgemeine Übersicht der Trenngrenzen und Trennverfahren in der Wasseraufbereitung

Das erzeugte Reinwasser steht kontinuierlich zur Verfügung und das entstandene Konzentrat kann ohne weitere Behandlung in die Kanalisation geleitet werden.

Voraussetzung für den Einsatz einer Umkehrosmoseanlage ist bei kleineren Leistungen eine vorgeschaltete Enthärtung des Wassers. Bei größeren Leistungen kann die Enthärtung als Polizeifilter nachgeschaltet sein, allerdings muss in diesem Fall die Härte im Vorfeld chemisch konditioniert werden, damit ein Verblocken der Membranen verhindert wird.

Weitere Voraussetzung für den Einsatz einer Umkehrosmose ist klares Wasser, frei von unlöslichen Fremdstoffen, insbesondere auch frei von organischen Verunreinigungen, um ein Verblocken zu vermeiden.

Das enthärtete Wasser wird mit hohem Druck in die mit einer Membran ausgerüsteten Module geleitet. Reines Wasser und ein minimaler Anteil von kleinen Salzionen diffundieren durch die Membran und bilden das Permeat (lateinisch: permeare = durchdringen), das als teilentsalztes Wasser zur Verfügung steht. Der Permeatanteil des eingesetzten Wassers beträgt 80 – 95 %. Der Rest (5 – 20 %) der ursprünglichen Wassermenge ist das salzreiche Konzentrat, auch Retentat genannt (lateinisch: retinere = zurückhalten), welches in der Regel verworfen wird, sofern sich keine andere Verwendung findet.

Der Umkehrosmose-Prozess verläuft im kontinuierlichen Anlagenbetrieb und es werden etwa 98 % der Salze zurückgehalten, sodass im Permeat eine Leitfähigkeit von weniger als ca. 20 μS/cm vorhanden ist (abhängig von der Leitfähigkeit des zugeführten Wassers). Die korrekte Funktion der Anlage wird dabei über eine Leitfähigkeitsmessung im Permeat überwacht. Um die Anlagen zur Umkehrosmose möglichst klein dimensionieren zu können, ist ein Permeatsammelbehälter sinnvoll. Aus diesem erfolgt dann die Nachspeisung.

Sauerstoffeliminierung

In Fernwärmenetzen kann ein Sauerstoffeintrag nicht ständig vermieden werden. Bei einem weitgehend geschlossenen Fernwärmenetz ohne erhöhten Ergänzungswasserbedarf ist im störungsfreien Betrieb der Sauerstoffeintrag so gering, dass keine Korrosionsschäden zu befürchten sind. Die Sauerstoffeliminierung ist hier nicht erforderlich. Es kann jedoch ein Sauerstoffbindemittel zugegeben werden.

Eine Sauerstoffeliminierung ist hingegen sinnvoll, wenn aufgrund besonderer Betriebsbedingungen ein erhöhter Sauerstoffeintrag nicht auszuschließen ist.

Die Eliminierung kann durch den Einsatz von Teilstromentgasungsanlagen, durch katalytische und elektrochemische Sauerstoffeliminierung und durch die Zugabe eines Sauerstoffbindemittels erfolgen.

Chemische Dosierung

Um die geforderten Wasserqualitäten zuverlässig sicherzustellen und zu überwachen, können die Heizwassereigenschaften durch eine zusätzliche Behandlung mit Chemikalien verbessert werden. Die chemische Dosierung unterstützt die Sicherstellung folgender Punkte:

• Bindung von Restsauerstoff
• Verringerung von Korrosion durch Einstellung des pH-Wertes
• Stabilisierung der Resthärte
• Verhinderung von Ablagerungen und Kesselsteinbildung

Üblicherweise wird für die Sauerstoffbindung Natriumsulfit und für die Resthärtebindung und die pH-Wert-Anhebung Trinatriumphosphat eingesetzt.

Wasserentsorgung – Abgaskondensat

Abgaskondensat fällt zeitweise beim Anfahren der Kesselanlage aus dem kalten Zustand und ständig bei der Brennwertnutzung mittels Brennwert-Abgaswärmetauscher an. Dieses Kondensat ist sauer (ph-Wert < 4) und muss vor der Einleitung in den Kanal neutralisiert werden, um die Einleitbedingungen für Abwasser ins öffentliche Kanalnetz einzuhalten.

Abhängig von der anfallenden Kondensatmenge werden hierfür Granulat- oder Flüssigneutralisationsanlagen eingesetzt.

Frostschutz

In einigen Anwendungsfällen wird dem Kreislaufwasser Frostschutzmittel beigemischt, um ein Einfrieren des Kreislaufwassers im Winter zu vermeiden. Frostschutzmittel basieren meist auf Monoethylenglykol oder Prophylenglykol (Bsp.: Antifrogen N). Der Anteil des Frostschutzmittels bestimmt die Frostsicherheit.

Wichtig:

Aufgrund der geänderten wärmetechnischen Auslegung des Kessels ändert sich die maximal mögliche Leistung des Kessels.

Die Beimischung von Frostschutzmittel hat Einfluss auf die physikalischen Eigenschaften des Kreislaufwassers.

• Das Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch hat einen schlechteren Wärmeübergang als im Vergleich zu Wasser. Die Temperaturdifferenz zwischen der Mediumstemperatur und der Oberflächentemperatur des Flammrohres wird daher größer, was dazu führt, dass dieses bei konventionell befeuerten Kesseln mehr beansprucht wird.
• Das Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch hat eine kleinere spezifische Wärmekapazität als Wasser. Der Massenstrom des Wasser-Glykol-Gemisches, das bei gegebener Temperaturspreizung zwischen Vor- und Rücklauf durch den Kessel gepumpt werden muss, ist also größer als dies bei Wasser der Fall wäre.

Zudem hat es Auswirkungen auf die Auslegung der Gesamtanlage, z.B. Wasseraufbereitung, Armaturen oder Rohrleitungen.

• Größerer Druckverlust im Kessel bzw. in den Rohrleitungen.
• Auswirkungen auf die Pumpenauslegung (ggf. sind größere Pumpen notwendig)
• In Summe ergeben sich größere Wassermengen, größere Abgastemperaturen und ein etwas schlechterer Wirkungsgrad (Differenz kleiner 1 %).
• Die Kesselmindestwassermenge bleibt unberührt, da nur entscheidend ist, dass eine Durchströmung vorhanden ist.
• In Verbindung mit dem Frostschutzmittel kann in der Regel die vorgeschriebene elektrische Leitfähigkeit nicht eingehalten werden.
• Nur vollentsalztes Wasser mit Leitfähigkeit < 10 μS/cm als Füll- und Ergänzungswasser zugelassen.
• Glykol-Wassergemische können ohne Zusatz von Korrosionsinhibitoren (die allerdings bereits im Frostschutzmittel enthalten sein müssen) aufgrund der korrosionsfördernden Eigenschaften, die stärker als bei Wasser sind, nicht verwendet werden.
• Keine Verwendung zusätzlicher Dosiermittel erlaubt.
• Die maximale Einsatztemperatur von Frostschutzmitteln ist begrenzt, da die Frostschutzmittel zur chemischen Zersetzung neigen (maximale Einsatztemperatur für Glykole allgemein 110 °C und für Antifrogen: 150 °C).
• Verzinkte Leitungen im Heißwassernetz sind nicht zulässig, da die Frostschutzmittel Zink anlösen können.
• Frostschutzmittel besitzen einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten.
• Die Ausdehnungsgsanlage muss dementsprechend größer dimensioniert werden.
• Wasser-Frostschutzmittel-Gemische können zu vermehrter Schlammbildung in Verbindung mit Fremdstoffen und/oder gelösten Salzen führen.

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