Sauberes Heizungswasser – mehr Energieeffizienz
Was verbessert die Wasserqualität?
Die Trennung von festen und flüssigen Stoffen nimmt in der Technik seit jeher einen wichtigen Raum ein. Dieser Beitrag gibt einen Überblick über Probleme durch Ablagerungen in Heizungswasserkreisläufen und welche ergänzende Lösungsmöglichkeit Heizungsfilter dabei sind. Wasser wird als bevorzugtes Wärmeträgermedium eingesetzt. Ein wesentlicher Grund dafür sind die Verfügbarkeit und die geringen Kosten. Bis zur Quelle hat es bereits die vielfältigsten Filterstufen durchlaufen. Obwohl es von höchster Güte, sauber und klar ist, lässt es sich in diversen Anwendungsbereichen nicht ohne weitere Aufbereitungs- und Behandlungsmaßnahmen verwenden. Neben der Wasserhärte stellt Schmutz und Korrosion ein zentrales Problem in allen wassergeführten Kreisläufen dar. Der Wärmeträger – das Heizungswasser – unterliegt jedoch speziellen Anforderungen.
In einem „modernen“ Heizungswasserkreislauf finden wir heute einen bunten Mix verschiedener Werkstoffe mit unterschiedlichen Erfordernissen. Hinzu kommt, dass die Wasserqualität regional z.T. stark unterschiedlich ausfällt. Zu ca. 85 % findet sich in unseren Breiten hartes Wasser. Im Fall des Heizungswassers bereitet daher im Wesentlichen Kalkhärte (Calcium und Magnesium) Sorgen, weil diese zur Verkrustung (Kesselsteinbildung) an wärmeübertragenden Flächen führen kann und zum Bindemittel für Korrosionspartikel wird. Aber auch an mechanischen Regelorganen wie Pumpen entfaltet Kalk seine störende bis zerstörende Wirkung.
Korrosion
Im Heizungsbau werden vorwiegend metallische Werkstoffe und mit steigendem Anteil Kunststoffe eingesetzt. Alle diese Werkstoffe unterliegen einer Zerstörung. Das geschieht in der Regel nur sehr langsam. Bei Mischinstallationen haben verschiedene Metalle miteinander Kontakt. Es kommt häufig verstärkt zum Sauerstoffzutritt (Kunststoffrohre, Verschraubungen, Muffen, Verpressungen usw.). Daraus entsteht ein Spannungsgefälle in der Installation (siehe Spannungsreihe). Man spricht auch von einer galvanischen Korrosion. Merke: Heiz- und Kühlkreisläufe sind nur technisch wasserdicht, nicht gasdicht.
Probleme/Ursachen:
Flugrost frei Haus
Wer heute eine neue Heizungsanlage installiert, stellt nach der Befüllung häufig verwundert fest, dass das Wasser bereits braun gefärbt ist. Betrachtet man die Situation genauer, fällt auf, dass Pufferspeicher, Heizkörper und andere Aggregate äußerlich neu strahlen, jedoch durch Art und Dauer der Lagerung mit entsprechenden Temperaturschwankungen, bereits z.T. erhebliche Mengen an Rost mitbringen. Durch vorheriges Spülen gem. VOB-Richtlinien lässt sich die Rostmenge reduzieren, jedoch verbleibt meist ein Rest an den tiefsten Stellen im System. Lagert sich der Rost z.B. auf Wärmetauscherflächen mit nur 0,5 mm ab, so spricht man in Fachkreisen von einem Wirkungsgradverlust in Höhe von bis 9 %. Flugrost wirkt ebenso störend auf mechanischen Teilen.
Verblockung von Flächenheizungen
In modernen Häusern (Ein-/ Zweifamilienhaus) finden sich zu über 50 % Flächenheizungen. Häufig auch als Heiz- und Kühlkombination. Aufgrund der Verteilung des Hauptstrangs auf mehrere Heizkreise, ergibt sich eine minimale Strömung in den einzelnen Kreisen. Rost- und Schmutzpartikel können aufgrund der geringen Strömung einfach absinken und sich als isolierende Beläge ablagern. Bei ungünstigen Systembedingungen z.B. in Verbindung mit kalkhaltigem Wasser kommt es häufig zu starken Querschnittsverengungen in den Rohren. Nicht selten resultiert daraus ein Rohrinfarkt – die Verblockung der Leitungen. Bei der Sanierung im Bestand kommen immer wieder Spülkompressoren zum Einsatz, die in bereits verschlammten Systemen zu einer „Verschlimmbesserung“ führen können. Durch den pulsierenden Druck der Geräte werden die Beläge häufig stückig gelöst. Partikel mit einer Korn- bzw. Plättchengröße von >150µm (0,15mm) setzen sich gerne unter dem kompressiven Druck an Anschlussübergängen fest oder stellen sich quer und verursachen so sehr schnell eine Verblockung.
Strömungsgeräusche
In Rohrleitungen kann sich über die Wassersäule der Schall über die Rohwandungen ausbreiten. Verkrustungen bilden in Rohren einen Widerstand und führen zur Erhöhung der Schallfrequenzen. In der Hausinstallation werden Schallfrequenzen vorwiegend als Körper- und Wasserschall über die Rohrleitungen an das Bauwerk weitergeleitet. Die technische Entwicklung zu immer kleineren Rohrquerschnitten bringt höhere lineare Fließgeschwindigkeiten bei entsprechenden Druckdifferenzen mit sich. Einzelne Bauteile können dann schwingen und eine Art Orgelpfeifeneffekt erzeugen.
Schmirgel-Effekte
Neben Strömungsgeräuschen, ziehen zirkulierende Partikel in einem geschlossenen Kreislauf weitere problematische Effekte nach sich. Harte Partikel strömen mit entsprechender Geschwindigkeit abrasiv über die Metalloberflächen, wodurch die Schutzschichten durch Ritzungen bzw. Mikrozerspanen beschädigt werden. Die Abrasion kann somit als Form der mechanischen Korrosion betrachtet werden. Die ungeschützten Oberflächen leisten in diesem Teufelskreis der Korrosion weiteren Vorschub. Regelorgane wie Pumpen sind häufig von Kavitationsschäden aufgrund von Abrasionen betroffen.
Minderung der Energieeffizienz
Die Wärmedurchgangszahl, auch als Wärmeübergangskoeffizient W/(m²*K) benannt, beschreibt die Wärmeleitfähigkeit des Wärmeträgers durch den Werkstoff und die sich daraus ergebende Wärmeübertragung an die Luft. Kalk- und Rostinkrustierungen (Stoffe die ein Material überziehen) bilden einen Wärmeübergangswiderstand. Durch solche Wärmeübergangsverluste vermindert sich entsprechend die Energieeffizienz des Heizsystems. Bemerkenswerterweise findet die Qualität des Wärmeträgers in der Berechnung des Heizungslabels keine Berücksichtigung. Doch was nutzt die beste Technik, wenn die Wärme nicht effizient transportiert und übertragen wird?
Fest-Flüssig-Trennung: Sedimentation
Das Verfahren der Sedimentation beruht auf der Wasserberuhigung und dem Absinken der Partikel. In Abhängigkeit von der Dichte der Teilchen sinken diese entsprechend ab. Man spricht von Bodensatz oder Sediment. Dieses Verfahren eignet sich für die Abscheidung von Partikeln >1mm. Durch den Einbau im Volumenstrom des Heizungsrücklaufs sinken aufgrund der geringeren Strömung im Gehäuse die Teilchen ab. Beim Einsatz von Dispersionsmitteln sind Schwerkraftfilter jedoch unwirksam, da die Partikel in Schwebe bleiben.
Magnetismus
Bei der Magnettrennung werden die magnetisierbaren Teilchen an einem Magnetfeld vorbeigeführt und zurückgehalten bzw. separiert. Das Verfahren findet als Magnetsortierer u.a. im Bergbau Anwendung, um magetisierbares Material von nicht magnetisierbarem Material zu trennen. In den letzten Jahren werden auch Heizungsfilterkombinationen aus Sediment- und Magnetabscheider angeboten. Ein integrierter und entnehmbarer Magnet muss regelmäßig gereinigt werden, um eine Verblockung im Filter zu verhindern. Nicht alle Eisenoxide sind jedoch magnetisch (z.B. Rost) und so kann nur ein begrenzter Teil magnetisch getrennt/zurückgehalten werden.
Filtration
Das gebräuchlichste Trennverfahren ist die Filtration. Das rein physikalische Verfahren gehört zu den mechanischen Trennverfahren. Um Partikel jeder Größe vom Wasser zu trennen, ist die Filtration sehr flexibel und effektiv einsetzbar. Man unterscheidet bei der Fest-Flüssig-Trennung in den Filtersystemen zwischen Klarfiltration und Trennfiltration. Bei der Klarfiltration werden die Partikel vom Heizungswasser getrennt und somit das Wasser gereinigt. Bei der Trennfiltration werden die Gemische voneinander getrennt und separiert. Um in Heizkreisläufen sauberes und klares Wasser zu erreichen wird hier das Augenmerk auf die Klarfiltration gelegt. Je nach Anforderung und Wasserbeschaffenheit sind die Ergebnisse des Filtrats (gefiltertes Wasser) steuerbar. Es funktioniert nahezu immer, insbesondere in Kombination mit Reinigungs- und Dispersionsmitteln.
Filtrationssysteme: Oberflächenfilter
Die abzufilternden Stoffe bilden auf der Filteroberfläche einen sog. Filterkuchen. Als Filtermedien werden häufig einlagiges Papier (Zellulosefasern), Textilgewebe oder Metall (Edelstahl) eingesetzt. Entgegen der verbreiteten Ansicht, dass nur Partikel zurückgehalten werden, die größer als die Porenweite sind, wirken noch weitere Mechanismen mit. Elektrostatische Effekte, Diffusions-Effekte, Partikelträgheit und auch Sperr-Effekte wirken bei der Abscheidung mit. Während der Filtration verringert sich die Porenweite durch abgelagerte Partikel, wodurch auch die Filtrationsrate erhöht wird. Es baut sich ein Filterkuchen auf, der bei entsprechender Dicke den Strömungswiderstand deutlich ansteigen lässt. In hydraulischen Systemen wie Heizungskreisläufen sind solche Filter nicht geeignet, da sie beim Verschließen die Hydraulik blockieren. Je nach Filtersystem ist eine periodische Reinigung durch Rütteln oder Rückspülen bzw. Filtertausch/Filterreinigung größtenteils mit Betriebsunterbrechung notwendig. Am Beispiel Schmutzfänger ist leicht nachvollziehbar, dass diese Art Filter nicht mehr zeitgemäß ist, insbesondere bei größerer Feststoffmenge.
Tiefenfilter
Die Tiefenfiltration wird auch als Raumfiltration bezeichnet und lässt sich in der Natur veranschaulichen, wenn das Oberflächenwasser durch den natürlichen Boden dringt und zu Grundwasser wird. In der Tiefenfiltration durchströmt das Wasser das Filtermedium. Die Filterkuchenbildung ist im Vergleich zum Oberflächenfilter unerwünscht, da das Filterelement dann keine weiteren Partikel aufnehmen kann und sofort getauscht werden muss. Neben verschiedenen Wirkmechanismen sind bei der Haftung von Partikeln in der Tiefenfiltration die Van-der-Waalsen Kräfte (zwischenmolekulare Bindungskräfte) und die Elektrostatik hervorzuheben.
Heute setzt man in der Regel Filterpatronen aus gebündelten, gewickelten oder verschmolzenen Glasfasern oder synthetischen Fasern ein. Die kompakte Bauform der Filterpatrone bietet einige Vorteile, insbesondere im Handling, der Lagerung und der großen Filteroberfläche auf kleinem Raumvolumen. Je nach Verschmutzungsgrad und Größe der Partikel stehen passende Filter zur Verfügung. Je nach Bauart des Filterelementes können Synergien aus statischer Filtration (Druckfiltration) und dynamischer Filtration (Membranfiltration) genutzt werden.
Bypass-Heizungsfilter
Neueste Filtersysteme bieten wählbare Filterfeinheiten von grob bis mikrofein. Das Filtersystem wird nicht mehr fest installiert, sondern nur für den Bedarf (1-6 Wochen) an einer im Rücklauf eingebauten Bypassarmatur angeschlossen. Über den hydrodynamischen Bypass lässt sich der Volumenstrom stufenlos zugunsten des Filtersystems umlenken. Es entstehen keine hydraulischen Probleme. Durch den Einsatz im hydrodynamischen Bypass entsteht keine Betriebsunterbrechung. Das Heizungswasser durchströmt je nach Filterpatrone eine ca. 2,5 cm dicke Filterschicht. Das Filtrat (das gefilterte Heizungswasser) ist im Ergebnis „sauber und klar“. Am Ende verbleibt nur die Bypassarmatur als Revisionsarmatur in der Anlage und kein wartungsbedürftiges Filtersystem.
