Sie sind nicht unbedingt alte Freunde der Kälte- und Klimaanlagenbauer und die Hydraulik von Heizungsanlagen. Das liegt schlichtweg in der Historie begründet, die dem Handwerk bislang nicht die hier notwendigen technischen Kenntnisse und Fähigkeiten abverlangte. Durch die neuesten Modelle von Luft/Wasser-Wärmepumpen mit Splittechnologie eröffnen sich jedoch zahlreiche, interessante Perspektiven: Hocheffiziente Wärmepumpentechnik kann jetzt auch im sanierten Baubestand zum Einsatz kommen, ohne dass aufwendige Erdbohrungen durchzuführen sind oder großflächige Erdkollektoren verlegt werden müssen. 2010 werden nach Angaben des Bundesverbands Wärmepumpe (BWP) erstmals sogar mehr Luft- als Erdwärmepumpen verkauft. Der Trend für die neuen, hocheffizienten Systeme weist damit in einer der wichtigsten Wachstumsbranchen klar nach oben.
Neben dem SHK-Fachhandwerk wird dadurch jedoch auch der Kälte- und Klimaanlagenbauer zunehmend zum Ansprechpartner des Endkunden. Denn: Wärmepumpen sind Klimageräte. Diese Tatsache wird auch dem interessierten Endkunden immer deutlicher bewusst. Doch auf den Kälte- und Klimaanlagenbauer warten damit neue Aufgaben gerade in puncto Hydraulik. Bernd Lohbreier, Product Support Engineer bei Mitsubishi Electric, Living Environment Systems, gab deswegen der Redaktion Auskunft, welche Fragen die Kälte- und Klimaanlagenbauer in erster Linie bewegen.
1. Warum soll ich eine hydraulische Weiche setzen?
Die am häufigsten auftretenden Fragen drehen sich um die hydraulische Weiche, ihre Relevanz und ihre Funktion. Luft/Wasser-Wärmepumpen werden häufig im Baubestand eingesetzt. Gerade hier wurden im Laufe des Gebäudelebens oft Veränderungen an der Heizanlage vorgenommen z. B. Heizkörper und ihre Zuleitungen entfernt oder hinzugefügt. Zudem existieren kaum Unterlagen über das gesamte verbaute Rohrnetz mit seinen Rohrleitungsdurchmessern etc. Besteht somit keine Chance das gesamte Rohrnetz und die individuellen Druckverluste in der Heizanlage zu analysieren, sollte in jedem Fall eine hydraulische Weiche zur Entkopplung des Heizkreises und des Verteilerkreises eingesetzt werden.
Hydraulische Weichen trennen unterschiedlich große Volumenströme in einem Heizungsnetz voneinander. Rein physisch betrachtet ist die hydraulische Weiche ein Behälter mit mindestens vier Anschlüssen. Jeweils zwei Anschlüsse werden pro eingebundenen Volumenstrom wie z. B. Kesselkreis und Verteilerkreis benötigt. Die unterschiedlichen Kreisläufe sind dann miteinander verbunden, aber druckseitig entkoppelt und insofern nicht mehr voneinander abhängig. Jeder Kreis benötigt dann aber eine eigene Umwälzpumpe.
Ein typisches Beispiel gerade für den Einsatz einer Wärmepumpe ist die Versorgung einer Fußbodenheizung mit einem sehr großen Volumenstrom. Gleichzeitig ist der Volumenstrom des Wärmeerzeugers deutlich kleiner als der der Fußbodenheizung.
Grundsätzliche Vorteile beim Einsatz einer hydraulischen Weiche ergeben sich neben der druckseitigen Entkopplung der Wärmeträgerströme auch noch durch die einfache Dimensionierung der Kesselkreisumwälzpumpe und durch die Zusatzfunktion der hydraulischen Weiche als Schlammfang. Durch die geringen Strömungsgeschwindigkeiten von maximal 0,2 m/s und des großen Querschnittes können sich Verschlammungen leicht lösen und am Boden der hydraulischen Weiche sammeln. Dementsprechend kann auch jeder Pufferspeicher grundsätzlich als hydraulische Weiche betrieben werden. Wird z. B. der Volumenstrom im Heizkreis durch Thermostatventile reduziert, bleibt der Volumenstrom im Wärmepumpenkreis dennoch konstant.
Grundsätzlich kann eine hydraulische Weiche drei Betriebsarten haben:
- Die Volumenströme des Primär- und des Sekundärkreises sind gleich groß. Die Weiche ist außer Betrieb.
- Der Volumenstrom des Primärkreises ist kleiner als der des Sekundärkreises. Der Vorlauf des Sekundärkreises ist kälter als der des Primärkreises, weil ihm in diesem Fall kaltes Rücklaufwasser beigemischt wird.
- Der Volumenstrom des Primärkreises ist größer als der des Sekundärkreises. Die Rücklauftemperatur im Primärkreis steigt in diesem Fall an. Daher sollte ein Trinkwassererwärmer kesselseitig nicht nach der hydraulischen Weiche installiert werden, weil dieser für ein zügiges Aufheizen die Maximaltemperatur des Kesselkreises benötigt. Dies ist ein häufiger Fall bei Wärmepumpen, da dort der Primärkreis ein ΔT von 57 K aufweisen sollte.
2. Warum sollte die Heizanlage mit geimpftem Wasser befüllt werden?
Die Aufbereitung von Heizungswasser ist seit rund 40 Jahren in verschiedenen Regelwerken verankert. Heute hat sie einen höheren Stellenwert als je zuvor aus gutem Grund: Engere Rohrquerschnitte, dünne Übergänge an den Wärmeübertragern, empfindliche Stellorgane usw. stellen immer höhere Anforderungen an das Heizungswasser. Aus diesem Grund wurde auch die VDI 2035/1 novelliert. Hier sind klare Angaben zu den Notwendigkeiten der Wasserbehandlung abhängig von der Leistungsgröße der Heizanlagen aufgeführt.
Moderne Heizanlagen bestehen in der Regel aus ca. 20 verschiedenen Materialien. Die Produktauswahl in den Komponenten ist nahezu unüberschaubar, wodurch wiederum vielschichtige Probleme im Zusammenspiel auftreten können. Bei Mischinstallationen und der Sanierung von Altanlagen kommt es neben dem Kontakt verschiedener Metalle mit der Bildung von Elektrizität auch zum verstärkten Sauerstoffeintritt. Das Ergebnis ist eine elektrochemische Reaktion, der unedle Metalle zum Opfer fallen z. B. Aluminium. Eine Möglichkeit hier vorzubeugen besteht in der elektrischen Isolation der betreffenden Bauteile, um den Stromfluss zu unterbinden.
Grundsätzlich können bei nicht aufbereitetem Heizungswasser zwei Probleme entstehen: die Verkalkung der Medienträger wie in den Rohren und die wasserseitige Korrosion durch Rost sowie Schlamm. Der Prozess dahinter ist relativ einfach: Bei der Befüllung einer Heizanlage gelangt zusammen mit dem Wasser auch Sauerstoff in das System. Darüber hinaus enthält das Wasser auch in regional deutlich unterschiedlichen Zusammensetzungen beispielsweise Mineralien und Kleinstlebewesen. Diese Bestandteile können die verschiedensten Probleme in Heizanlagen verursachen von der Korrosion bis zur Algenbildung.
Wie lässt sich die Steinbildung bzw. Verkalkung verhindern?
Hierzu müssen die Härtebildner Calcium und Magnesium im Heizungswasser eliminiert werden. Die gängigen Verfahren dafür sind die Enthärtung oder Voll- bzw. Teilentsalzung des Wassers. Um diese Maßnahme mit dem gewünschten Ergebnis durchführen zu können, muss jedoch zuerst die Wasserbeschaffenheit analysiert werden. Dies lässt sich durch einfache Tests mit vorbereiteten Sets durchführen.
Wie lässt sich die Korrosion und Verschlammung vermeiden?
Korrosionsvorgänge innerhalb der Heizungsanlage werden in erster Linie durch die Konzentration der Wasserstoffionen bestimmt, die sich in Form des pHWertes abbilden lassen. In einem definierten pH-Bereich kann die Korrosion relativ sicher vermieden werden. Laut VDI 2035 liegt dieser pH-Korridor zwischen 8,2 und 9,5. Korrosionsschutzinhibitoren vermeiden Rost und Schlamm und erhöhen damit die Funktionssicherheit. Auch hier hält der Markt eine Vielzahl an Lösungen bereit.
3. Warum sollte ein Heizungsfilter eingesetzt werden?
Grundsätzlich sind Heizanlagen und ihre Rohrleitungen wasser- jedoch nicht gasdiffusionsdicht. Dies gilt insbesondere für Fußbodenheizungen aus den 80er Jahren, deren Wärmeerzeuger jetzt zur Erneuerung anstehen und bei denen sauerstoff-diffusionsundichte Kunststoffleitungen zum Einsatz gekommen sind. Dadurch wird ständig Sauerstoff in das System getragen, der dann mit den verbauten Metallen reagiert. Es kommt rasch zu einer deutlichen Verschlammung des Systems, das sich dann in einer geringeren Effizienz äußert.
Idealerweise sollte deswegen neben der Konditionierung des Heizungswassers auch ein Filter eingesetzt werden, in dem gelöste Feststoffe abgeschieden werden. Bevorzugter Platz dafür kann die hydraulische Weiche sein. Hier hält der Markt Produkte mit integriertem Schlammabscheideranschluss bereit, an denen der Grobschlamm einfach entnommen werden kann. Gleichzeitig kann hier ein entsprechender Filter gesetzt werden.
4. Warum ist der Einsatz eines Strömungswächters in der Heizanlage wichtig?
Um einen dauerhaften Mindest-Volumenstrom über den Plattenwärmeübertrager zu überwachen, ist der Einsatz eines Strömungswächters unabdingbar erforderlich. Sollte es beispielsweise während der Abtauphase des Außengerätes einer Luft/Wasser-Wärmepumpe mit Splittechnologie zu einem Ausfall der Umwälzpumpe kommen, kann der Wärmeübertrager bereits in wenigen Sekunden einfrieren. Frostschäden sind dann unausweichlich. Hersteller wie Mitsubishi Electric setzen deswegen in ihren Systemlösungen bereits Sicherheitsgruppen ein, zu denen neben dem Strömungswächter auch ein Sicherheitsventil, ein Schnellentlüfter und ein Manometer zählen.
5. Warum bauen nicht alle Hersteller von Wärmepumpen das Ausdehnungsgefäß direkt mit in die Wärmepumpe ein?
Wasser dehnt sich bei Erwärmung aus. Wird die Heizanlage z. B. mit 10 °C warmen Wasser befüllt und später auf 60 °C erhitzt, erfolgt eine Ausdehnung um 1,7 %. Weil sich Wasser jedoch nicht wie Gas komprimieren lässt, steigt der Druck in der Anlage zwangsläufig an. Ausdehnungsgefäße nehmen diese Volumenänderung in einer Heizanlage auf und halten dadurch den Druck konstant.
Je nach Anlagengröße, eingesetztem Pufferspeicher, der zur Überbrückung der Sperrzeiten benötigt wird, des Fassungsvermögens der hydraulischen Weiche im System etc. entstehen deutliche Unterschiede, die völlig andere Größen von Ausdehnungsgefäßen bedingen. Auch ein standardisiertes Ausdehnungsgefäß für bestimmte Heizleistungen von Wärmepumpen kann diese zahlreichen anlagen- und objektspezifisch bedingten Merkmale nicht ausgleichen.
Wird das Ausdehnungsgefäß zu groß ausgeführt, entsteht eine höhere Druckvorlage und es wird immer wieder Sauerstoff in die Anlage gezogen oder es entstehen zwangsläufig deutliche Druckverluste bzw. Druckunterschiede im System, die letztendlich zu einer geringeren Effizienz und einem verminderten Wohnwärmekomfort führen. Ist das Ausdehnungsgefäß dagegen zu klein dimensioniert, kann das Sicherheitsventil immer wieder auslösen und dadurch eine permanente Undichtigkeit der Heizanlage hervorrufen.
Deswegen kann eine pauschale Dimensionierung des Ausdehnungsgefäßes und der Vorabeinbau in die Wärmepumpe niemals die beste Lösung für den Anwender darstellen. Viele namhafte Hersteller von Wärmepumpen haben sich aus diesem Grund bewusst für Wärmepumpen ohne eingebautes Ausdehnungsgefäß entschieden.
Ausblick
In der nächsten Ausgabe der KK drehen sich die Fragen unter anderem um den hydraulischen Abgleich und hydraulische Grundschaltungen. -
