... ist der häufigste Grund für Fehlfunktionen in Heizungs-, Kühl- und Solarsystemen
Grundsätzlich sollte der Grund für "Luft (Gase) in der Anlage" gefunden werden, damit die Ursachen beseitigt werden können. Luftabscheider, Schlammfänger oder andere Maßnahmen beseitigen nur die Folgen einer nichtfachgerecht gebauten bzw. falsch betriebenen Anlage.

In einem geschlossenen System ohne Luftaufnahme rosten Heizungsrohre aus Stahl an den Innenwandungen nicht. Außerdem sinkt die Löslichkeit von Sauerstoff mit steigender Erwärmung des Wassers und ist bei 111,6 °C am geringsten. Aber bei einer weiteren Erwärmung steigt das Lösungsvermögen für Sauerstoff wieder erheblich an.
Aber es gibt keine luftdichte Anlagen, auch wenn die Industrie es uns immer wieder einreden will. Alle O-Ringe (in alten Anlagen > Stopfbuchsen) und Rohrgewindeverbindungen lassen Luft in die Anlage diffundieren bzw. einsaugen, weil "Viel" immer zu "Wenig" geht. Besonders dann, wenn das Wasser nicht behandelt wurde, weil die O-Ringe hart werden und bei ungünstigen Druckverhältnissen Luft durchlassen. Dass Stopfbuchsen von Zeit zu Zeit neu gestopft werden müssen, ist heutzutage auch nicht mehr jedem bekannt. Dazu kommt, dass Kunststoffrohre und Verbundrohre nicht wirklich "luftdicht" sind. Hier diffundieren auch Bestandteile der Luft (Sauerstoff, Stickstoff) durch die Wandungen. So sind nicht nur in Wärmeerzeugungsanlagen (Warmwasserheizung, Biogasanlagen, Wärme-Kraft-Kopplung) sondern auch in Kühlsystemen Korrosionsschutzmaßnahmen notwendig.

Außerdem können durch biologische, chemische und elektrochemische Vorgänge Gase entstehen, die dann als Luft wahrgenommen werden.
Einige Beispiele sind über die unten aufgeführten Links zu sehen. Nur eine richtig behandelte Anlage kann auf Dauer einen sicheren und effezienten Betrieb einer Anlage gewährleisten.
Brennbare Gase
Temperatur - Druck
Mikroblsen
Wasserstoff-Methangasbildung
Gasbildung
Entlüftung-Solaranlagen
CO2-Diffusion
CO2-Diffusion
Entlüftungsventile
Entlüftungsventile
Entlüftungsventile
Entlüftungsventile
 
Entlüftungsventile
Entlüftung-Solaranlagen
Entlüftung-Solaranlagen
Entlüftung-Solaranlagen
Unterrichtsunterlagen
 
Brennbare Gase
Zündung
Teillast
Volllast

Temperatur - Druck

Das Verhältnis von Temperatur und Druck bestimmt die Luftmenge, die aufgelöst im Wasser vorhanden sein kann. Das Henry’sche Gesetz bestimmt diese Zusammenhänge. Anhand der Kurven in dem Diagramm können die physikalischen Eigenschaften des Luftgehaltes im Wasser und dessen Freisetzung nachvollzogen werden.

Beispiel:
Bei einem konstanten absoluten Druck von 2 bar, wenn das Wasser von 20°C auf 80°C erwärmt wird, ist die abgeschiedene Menge Luft bei dieser Lösung 18 l pro m3 Wasser. Nach diesem Gesetz steigt die Menge der freigesetzten Luft bei steigender Temperatur und verringertem Druck. Die entstehenden Mikroblasen haben einem Durchmesser von 1/10 Millimeter.

 


Quelle: CALEFFI Armaturen GmbH
 
 
Mikroblasenbildung
In Wassersystemen, vor allen Dingen in Heizungs- und Solaranlagen, können sich Mikroblasen bilden. Wenn diese nicht ausgeschieden werden, dann sammeln sie sich in Anlagenteilen mit geringen Fließgeschwindigkeiten, so z. B. in Heizkörpern oder Rohren, die nicht oder nur langsam durchströmt werden, zu größeren Luftpolstern. Aber auch in Kühlsystemen können sich Mikroblasen bilden. Die Mikroblasen und die Luftpolster führen zu Funktionsstörungen in den Systemen, bis zum Totalausfall der Anlage. Außerdem wirken die Mikrobläschen wie Schmirgelpapier an den Laufrädern der Pumpen und Ventiltellern der Heizkörperventile.
Wenn die Rückschlagklappe über der Pumpe sitzt, dann kann sich bei abgeschalteter Pumpe dort ein Luftpolster bilden, dieses führt zum Trockenlauf der Pumpe. Sie fördert keine Flüsigkeit mehr. Deswegen sollte die Klappe unter der Pumpe angeordnet sein. Dadurch kann sie Anlaufen, das Luftpolster mitreißen, an einer geeigneten Stelle (Lufttopf - wenn vorhanden) sammeln und dort automatisch oder von Hand entweichen. In Wassersytemen reicht oft eine kleine Bohrung in der Klappe, damit die Luft entweichen kann. In Systemen mit Frostschutzmittel funktioniert das nicht immer.
Quelle: CALEFFI Armaturen GmbH

Mikroblasenbildung im Wärmeerzeuger

An der Oberfläche, die das Kesselwasser von der Brennkammer trennt, bildet sich durch die hohe Temperatur (160 bis 270 °C) an der Kesselwandung ständig eine Schicht mit Mikroblasen. Ein Teil dieser Luft (Dampf), die nicht wieder von dem kälteren Kesselwasser absorbiert wird, kommt in den Heizungskreislauf und muss im Kesselvorlauf entfernt werden, damit das lufthaltige Wasser nicht in die Anlage transportiert wird. Außerdem brennen sich Schlammteilchen an die Kesselwand, was zu einem schlechteren Wärmeübergang und zu Spannungen an dem Material führen kann. Hier hilft nur das richtige Füllwasser, damit es gar nicht erst zur Schlammbildung kommen kann.

 

Mikroblasenbildung durch Kavitation

Durch eine sehr hohe Fließgeschwindigkeit mit gleichzeitiger Druckminderung, so z. B. in Rohrverengungen (nicht entgratetes Rohr, schlecht hergestellte Rohrabzweigungen) oder in Armaturen, können Mikroblasen entstehen. Eine Kavitation kann auch am Pumpenlaufrad durch einen zu niedrigen Zulaufdruck und zu hoher Temperatur entstehen. Aber auch in den neuartigen Fittings von Steck- und Presssystemen findet man extreme Querschnittsverengungen.

Diese Mikroblasen aus Luft und Dampf, deren Bildung sich in nicht entlüftetem Wasser steigert, können aufgrund des Phänomens der Hohlraumbildung implodieren. Diese Kavitation führt zum Abtrag des Materials an den Entstehungsstellen und zu störenden Geräuschen.

Kavitation in Pumpen

Quelle: CALEFFI Armaturen GmbH
 
 
Wasserstoff- und Methangasbildung
Wasserstoff (H) kann in Anlagen mit Stahlwerkstoffen nach der “Schikorr”-Reaktion gebildet werden und sich bis zur Übersättigung anreichern. Bei einer Dosierung von Natriumsulfit Na2SO3 kann sich dadurch Schwefelwasserstoff (H2S) bilden. Auch über sulfatreduzierende Bakterien kann Schwefelwasserstoff entstehen. Der gebildete H2S kann in Anlagen mit Kupferwerkstoffen (z. B. Rohrbündel von Wärmeübertragern, kupfergelötete Platten-wärmetauschern) durch Reaktion mit Kupferoxid Cu2O zu Kupfersulfid Cu2S umgebildet werden. Im Gegensatz zum Cu2O bildet das Cu2S keine schützende Deckschicht. Korrosionserscheinungen und Korrosionsschäden nach oft erst mehreren Betriebsjahren sind die Folge.
Vermutet wird auch die Wasserstoffbildung durch biologische Prozesse beim Abbau von Fetten. Diese werden bei der Herstellung von bestimmten Rohrsystemen verwendet.
Die Methangasbildung ist ein natürlicher Prozess bei dem organisches Material (Öle, Fette, Hanf, Schmutzteile) unter Luftabschluss durch natürlich vorkommende Mikroorganismen (Methanbakterien) im nichtbehandeltem Füllwasser zersetzt werden. Bei der bakteriellen Zersetzung entsteht Faulgas oder Sumpfgas (ca. 60 % Methan, 35 % Kohlendioxid sowie Stickstoff, Wasserstoff und Schwefelwasserstoff). Diese Gase sind am Geruch und durch ihre Brennbarkeit feststellbar.
 
 
Gasbildung durch Elektrolyse
Die Elektrolyse ist eine chemische Reaktion, die unter Aufwand von elektrischer Energie abläuft. In jedem Wassersystem sind verschiedene Metalle vorhanden, die in dem Elektrolyt (Heizungswasser, besonders dann, wenn im System eine Biofilmbildung vorhanden ist), kann es auf Grund der Unterschiede in der Spannungreihe zu eine Stromfluss kommen. Auch durch die Erdung von Metallleitungen ist ein Stromfluss möglich. Da der Schutzleiter betriebsmäßig Strom führt, kann auch durch vagabundierende Ströme eine Gasbildung entstehen, aber auch eine "Elektrokorrosion" ist möglich.
Spannungsreihe verschiedener Metalle
Quelle: Rudlf Ölmann
Bei der Wasserelektrolyse handelt es sich um den Vorgang, welcher Wasser (H2O) in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) spaltet. Es entsteht ein Knallgas, das eine explosionsfähige Mischung ist. Bei dem Kontakt mit offenem Feuer (Flamme, Glut oder Funken) erfolgt die so genannte Knallgasreaktion.
Da dieses Gas nicht aus der Anlage entweichen kann, bilden sich in beruhigten Anlagenteilen (z. B. Heizkörper) Gaspolster, die als Luftansammlungen wahrgenommen werden.
Elektrolyse
Quelle: Planet GbR
Knallgasherstellung  - ist auch in der Anlage möglich
 
 
Anlagenbefüllung

Das Füllwasser für Heizungs-, Kühl- und Solaranlagen wird schon angereichert mit den in der Luft befindlichen Gasen (Stickstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid) gesättigt vom Wasserversorger geliefert und kommt nun bei dem Befüllen eines Kreislaufsystems noch einmal mit der Umgebungsluft in den Rohren in Kontakt, da die Luft erst durch das Wasser zu den Entlüftungsventilen verdrängt bzw. bei falscher Befüllung zusätzlich durchmischt wird.
So befindet sich z. B. in einem System mit einem Volumen von 1.000 l zu Beginn des Befüllvorganges 1 m3 Luft (ca. 780.000 ml Stickstoff, ca. 210.000 ml Sauerstoff, ca. 9.620 ml Edelgase, ca. 380 ml Kohlendioxid).
Das Ziel einer fachgerechten Befüllung ist die "Luftfreiheit" bei der höchster Betriebstemperatur. Das Lösevermögen von Gasen bzw. Stoffen in Abhängigkeit der Temperatur ist unterschiedlich.
· Bei 10 °C befinden sich in 1 Liter Wasser bei Sättigung 11,1 mg Sauerstoff, 17,5 mg Stickstoff und 0,6 mg Kohlendioxid.
·  Bei 70 ° C befinden sich in 1 Liter Wasser bei Sättigung 3,8 mg Sauerstoff, 7,0 mg Stickstoff und 0,3 mg Kohlendioxid.
Es befinden sich also bei der maximalen Betriebstemperatur nur noch geringe Mengen an Gasen im System. In der Praxis sind die Betriebstemperaturen aber in der Regel im Laufe des Jahres niedriger. Heizungsanlagen kühlen in den Sommermonaten und thermische Solaranlagen in den Wintermonaten zeitweise auf die Umgebungstemperaturen ab. Das Anlagenwasser kann also durch Diffusion (Sauerstoffdiffusion, Stickstoffdiffusion, CO2-Diffusion) und Lufteinsaugung wieder Gase aufnehmen.

 

 
 
Permeation/Diffusion

Permeation bezeichnet den Vorgang, bei dem ein Stoff (Permeat) z. B. die Kunststoffwand eines Rohres durchdringt bzw. durchwandert. Das Permeat (Gase [Stickstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid]) geht immer in die Richtung der geringeren Konzentration (z. B. Heizungswasser, Kühlwasser, Solarflüssigkeit) bzw. des niedrigeren Partialdrucks (Bei dem Kontakt einer Flüssigkeit [z.B. Heizungswasser] mit einem Gas werden die Moleküle so lange von der Flüssigkeit aufgenommen [gelöst], bis sich die Partialdrücke angeglichen haben). Man spricht auch von einem Gleichgewichtsausgleich, bei dem die Triebkraft der Konzentrationsunterschied ist.

 

 

Der Permeationsvorgang verläuft in vier Teilschritten:
1. Adsorption an der Grenzfläche: Das Permeat wird an der Oberfläche der Rohrwandung aufgenommen
2. Absorption in das Material; Das Permeat dringt in das Material der Rohrwandung ein
3. Diffusion durch das Material: Das Permeat durchdringt (diffundiert) die Rohrwandung durch Poren bzw. molekulare Zwischenräume
4 . Desorption: Das Permeat entweicht als Gas auf der anderen Seite der Rohrwandung und wird von der Flüssigkeit oder dem Gas aufgenommen (gelöst)

Dieser Vorgang ist eine langsame Durchdringung und Mischung von Gasen oder Flüssigkeiten bis zur gleichmäßigen Durchmischung (Konzentrationsausgleich), bei der keine äußeren Kräfte einwirken. Höhere Temperaturen bewirken eine höhere Molekularwegung und eine größere Diffusionsgeschwindigkeit. Durch Diffusion geht ein geordneter Zustand in einen ungeordneten Zustand über.

Überschlägige Berechnung (Fikschen Gesetz) der Permeation von Gasen durch Rohrwände aus Kunststoff.

V - permeiertes Gasvolumen1) (cm3)
P - Permeationskoeffizient (cm3 / m · bar · Tag)
d - Außendurchmesser (mm)
L - Rohrlänge (m)
p - Partialdruck des Gases im Rohr (bar)
t - Zeit (Tage)
s - Wandicke des Rohres (mm)
1) Volumen bezogen auf Temperatur (23 °C) und Druck (1 bar)

Permeationskoeffizient (20 °C - [cm3 / m · bar · Tag]
Permeat

PE

PP
Luft
0,029
0,028
Stickstoff
0,018
0,017
Sauerstoff
0,072
0,076
Kohlendioxid
0,28
0,24
Erdgas
0,056
-
Methan
0,056
-
Argon
0,066
0,059

Die Diffusion ist ein Teil des Permeationsvorgangs
Der Diffusionskoeffizient (molekularer Diffusionskoeffizient) ist die Kenngrösse (Einheit - Fläche pro Zeit) für den Materialstrom durch molekulare Diffusion in flüssigen, gasförmigen und festen Phasen, die auf die Konzentrationsunterschiede basieren.  Der Teilchenstrom ist proportional dem Konzentrationsgradienten (ersten Fickschen Gesetz).
Der lokale Konzentrationsunterschied der diffundierenden Teilchen ist die treibende Kraft der Diffusion. Die Diffusion führt ohne Einwirkung von äußeren Kräften zum Abbau des Konzentrationsgradienten und findet in allen Aggregatzuständen statt.
Der Diffusionskoeffizient hängt von den Eigenschaften des Stoffes und des Transportmediums ab. Außerdem hat die Temperatur, der Druck und die Wechselwirkungen mit anderen Stoffen einen Einfluss. Die Proportionalitätskonstante ist der Diffusionskoeffizient. Die Diffusionskoeffizienten sind bei Gasen 5·10-6 bis 10-5 m2/s, bei Flüssigkeiten 10-10 bis 10-9 m2/s und bei Festkörpern 10-14 bis 10-10 m2/s.
Durch die Diffusion wird ein Konzentrationsgefälle innerhalb eines bestimmten Zeitraums ausgeglichen. Die Diffusionsgeschwindigkeit ist dabei um so größer, je größer der Unterschied der beiden Konzentrationen ist.

Diffusionskoeffizienten DABvon binären Flüssigkeitsgemischen
bei 101.325 kPa und 25 °C
Gemisch A-B

DAB 10-9m2s-1

Stickstoff - Wasser
2,34
Sauerstoff - Wasser
2,51
Kohlenstoffdioxid - Wasser
1,95

Umfangreiche Ausarbeitungen zur "Diffusion" - H. Föll, UNI Kiel

Permeationen gibt es in vielen Bereichen der Haustechnik und im täglichen Leben.

  •  Gasleitungen können ausgasen und müssen deshalb in Schächten immer belüftet werden.
  •  Wasserleitungen aus Kunststoff in Heizungs-, Solar- und Kühlanlagen können je nach Rohrart mehr oder weniger Luftsauerstoff aufnehmen, wodurch das Korrosionsrisiko steigt.
  •  PE-Rohre in Erdsonden können Kohlendioxid aufnehmen, da die Permeation bei diesem Gas etwa doppelt so hoch wie die von Sauerstoff. So kann sich in der Wärmeträgerflüssigkeit bei hohen Drücken eine große Menge Gas in der Sonde ansammeln.
  •  O-Ringe an Armaturen und Kunststoffdichtungen können Luftsauerstoff in Flüssigkeitssysteme durchlassen. Deswegen gibt es keine luftdichte Anlagen, auch wenn sie aus Metallleitungen bestehen.
  •  Kunststoffleitungen in Biogasanlagen können Gase aufnehmen und sich dichtsetzen.
  •  Kunststofffolienverpackungen können Luftsauerstoff durchlassen, was zum schnellen Verderben von Lebensmitel führen kann.
  •  Autoreifen verlieren Druck durch die Permeation.
 
 
CO2-Diffusion

Kohlendioxid ist im vom Versorger gelieferten Wasser und kann durch Diffusion (Permeation) in den Heizungs-, Kühl- und Solarkreislauf kommen. Es löst sich im Wasser nicht wie z. B. Sauerstoff oder Stickstoff durch die Einflüsse von Druck und Temperatur (Henry-Gesetz). Kohlendioxid löst sich im Wasser und reagiert chemisch mit dem Wasser. Reaktionsprodukte sind
• Hydrogencarbonate
• Carbonate (Eigen-Alkalisierung)
• Kohlensäure
Durch den Kohlendioxid wird in der Regel der richtige pH-Wert eingestellt.
Hydrogencarbonate zersetzen sich bei Temperaturen über 50 ° C.
Wenn ein hartes Wasser enthärtet (Austausch Ca / Mg-Ionen gegen Natrium-Ionen) wird, stellt sich durch den Zerfall der Hydrogencarbonate die versteckte Alkalität ein. Der pH-Wert im Heizungswasser steigt nach 2 bis 4 Wochen an.
So können sich z. B. aus 3,3 ° dH Carbonathärte (100 mg / l NaHCO33) bis zu 63 mg / l Soda (Na2CO3) bilden. Dadurch kann der pH-Wert auf Werte von teilweise über 9 ansteigen, was eine Gefahr für Aluminiumwerkstoffe (Wärmetauscher, Heizkörper) darstellen kann.
Wird ein salzarmes Wasser (VE-Wasser) über einen Mischbett-Ionenaustauscher bzw. über eine Umkehrosmose erzeugt, stellt der dann vorhandene Natriumhydrogen-Gehalt im Wasser nach einem Zeitraum von 2 bis 4 Wochen in der Regel den richtigen pH-Wert im Heizungswasser ein.
Die natürlichen Reaktionen des Kohlendioxids und seiner Reaktionsprodukte ermöglichen, dass die Vorgaben der VDI 2035 T2 eingehalten werden, wenn salzarmes Wasser (VE-Wasser) eingesetzt wird. Dies setzt eine Inbetriebnahme mit maximaler Betriebstemperatur (Vermeidung von Gasblasen und Gaspolstern) zur vollständigen Entlüftung, eine fachgerechte Druckhaltung und eine Minimierung der CO2-Diffusion voraus. Deshalb sollte der pH-Wert regelmäßig überprüft werden.

Erdwärmesonden werden meistens aus PE-Rohren hergestellt. Seit Jahren hat sich dieser Kunststoff aufgrund seiner guten Verarbeitbarkeit und seiner dauerhaften Haltbarkeit zum Bau von Erdwärmesonden durchgesetzt. Diese Rohrarten sind aufgrund ihres molekularen Gefüges für Gase durchlässig. PE-Rohre können besonders gut von Kohlendioxid (CO2) durchdrungen werden. Die Diffusion von Kohlendioxid ist etwa doppelt so hoch wie die von Sauerstoff. So kann sich in der Wärmeträgerflüssigkeit bei hohen Drücken eine große Menge Gas in der Sonde ansammeln.
Ein Luftabscheider an der Wärmepumpe kann die bei geringerem Druck ausgasende Kohlendioxidmenge nicht immer vollständig abscheiden. Der entstehende Schaum wandert zum Verdampfer der Wärmepumpe und reduziert erheblich dort die Entzugsleistung, was nach kurzer Zeit zu einer Störabschaltung der Wärmepumpe führt.

Die Ausgasung kann gering gehalten werden, wenn der Druck an der höchsten Stelle der Anlage möglichst hoch gehalten wird. Dies ist bei der Auslegung des MAG's zu beachten.

Quelle: Prof. Dr.-Ing. W. Ameling
 
 
Sauerstoff-Diffusion


Auch nach dem Umbau von offenen Anlagen in geschlossene Systeme wurde das Sauerstoffproblem nicht beseitigt. Es gibt keine luftdichte Anlagen, da an Verbindungsstellen (Gewindeverbindungen, Flanschverbindungen) immer Sauerstoff diffundieren (eindringen, einziehen) kann. Die Verwendung von Heizungsrohren aus Kunststoff hat die Aufnahme von Sauerstoff besonders begünstigt. Durch den zunehmenden Einbau von Fußbodenheizung aus Kunststoffrohren in Verbindung mit Metallanlagen- und Bauteilen (Stahl, Grauguss) Ende der 70er Jahre (ca. 30 % Marktanteil im Neubau) wurden Anlagenstörungen durch Schlammbildung bekannt. Heutzutage werden auch Wandflächen-, Decken- und Kühlsysteme aus Kunststoff hergestellt.

  • Ablagerungen in Wärmeerzeugern führten zu Siedegeräuschen, die spezifische Heizflächenbelastung wurde zu groß. Es kam zu Spannungsrissen.
  • Rohrleitungen und Armaturen wurden durch die Ablagerungen verengt bzw. verstopft, der Wasserumlauf reduziert, was die Heizleistung gemindert, bis zum "Heizungsinfakt".
  • Die Einsätze in den Filtern der Wärmemengenzähler waren nach kurzer Zeit verstopft und mussten ständig gereinigt werden.

Die DIN 4726 "Rohrleitungen aus Kunststoffen für Warmwasser-Fussbodenheizunge" stellt bestimmte Anforderungen an Heizungsrohre aus Kunststoffen, so dass die Gefahr einer Verschlammung durch Sauerstoffdiffusionen bei den Rohrleitungen nicht mehr so extrem besteht, aber nach dem Prozentsatz von Stahlteilen in der Anlage nicht ausgeschlossen wird.

Wie kommt Sauerstoff in eine geschlossenen Anlage?
Es ist ein Naturgesetz, dass alle Kunststoffe mehr oder weniger gasdurchlässig, also auch sauerstoffdurchlässig sind. Deshalb sind z. B. auch Lebensmittel in Kunststoffverpackungen nur begrenzt haltbar. Bei der Fußbodenheizung muss der Sauerstoff der Umgebungsluft zunächst durch den Bodenbelag und den Estrich hindurch an den Rohrwerkstoff gelangen. Jeder Stoff hat eine unterschiedliche Sauerstoffdurchlässigkeit, sie wird durch die Diffusionszahl ausgedrückt. Den Vorgang selbst bezeichnet man als Sauerstoffdiffusion. Im Fall der Fußbodenheizung besitzt das Heizungsrohr stets eine geringere Durchlässigkeit als die übrigen Bauteile wie z. B. Estrich, Wärmedämmung. Die Menge an Sauerstoff, die diffundiert, ist abhängig vom verwendeten Kunststoffmaterial, dem Partialdruck des Sauerstoffes in der Luft und der Temperatur des Heizungswassers, der Wanddicke und der Oberfläche des Heizungsrohres. Mit steigender Betriebstemperatur vergrößert sich im Rohrwerkstoff der Abstand und die Bewegung der Moleküle, wodurch die Sauerstoffdurchlässigkeit zunimmt. Andererseits nimmt die Löslichkeit für Sauerstoff im Heizungswasser mit steigender Temperatur ab. Die durch Fußbodenheizungsrohre aus Kunststoff eindringenden Sauerstoffmengen sind jedoch in der Regel so gering, dass die temperaturbedingte Sauerstofflöslichkeit unberücksichtigt bleiben kann. Da aber der Sauerstoff ständig in geringer Menge von außen her eindringt, kommt es zu einer mehr oder weniger großen Verschlammung der Anlagen.

Um eine Verschlammung möglichst gering zu halten oder zu vermeiden, gibt es verschiedene Maßnahmen.

  • Das Kunststoffrohr (Verbundrohr) wird mehrlagig aufgebaut. Eine der Schichten besteht aus einer Metallfolie (Metallverbundrohr - Aluminium) oder einer Kunststofffolie (Mehrschichtverbundrohr - EVOH [statistisches Copolymer aus Ethylen und Vinylalkohol]).
  • Einsatz einer Systemtrennung. Der "undichte" Anlagenteil aus Kunststoffrohr wird vom Rest des Systems durch einen Wärmeübertrager getrennt.
  • Behandeln des Heizungswassers durch die Zugabe von korrosionsverhindernden Mitteln (Inhibitoren). Diese verhindern auch bei der Anwesenheit von Sauerstoff die Korrosion.

Sauerstoffbindemittel
Die oft empfohlene Zugabe von Sauerstoffbindemittel (z. B. Hydrazin, DEHA, MEKO) als Allheilmittel zur Beseitigung von Sauerstoff in "normalen" Heizungs- und Kühlanlagen ist nicht notwendig und nicht richtig. Derartige Mittel, die es in den unterschiedlichsten Ausführungen für verschiedene Anwendungen (Dampfkessel, Heißwasserkessel) gibt, gehören nur in das Nachspeisewasser von Großkessel- bzw. Heißwasseranlagen und in Dampfanlagen. Hier sollte nur eine Fachfirma tätig werden, die Erfahrung mit diesen Zusätzen hat. Das gilt auch besonders bei Kühlanlagen, da sie eine Biofilmbildung nicht verhindern, denn Biofilme können auch ohne Sauerstoff existieren.
Wichtig bei dem Einsatz von Sauerstoffbindemitteln ist eine vorherige Spülung und Reinigung der Anlage, was in der Praxis in den meisten Fällen nicht durchgeführt wird. Außerdem ist die Sauerstoffbindung nur unter Beobachtung anzuwenden, weil man regelmäßig nachdosieren muss und das Wasser je nach Produkt umkippen und eine verstärkte Korrosion zur Folge haben kann. Dies tritt besonders in Anlagen auf, in denen aus "Energiespargründen" einzelne Anlagenteile ständig bzw. längere Zeit abgeschaltet werden. Hier ist dann keine Kontrolle des Heizungswassers mehr möglich und die Dosierungen des Bindemittels stimmen nicht mehr. Deswegen ist eine ständige und regelmäßige Wasseranalyse des Heizungswassers vorzunehmen.

 
 
Stickstoff-Diffusion

Nicht die Luft sondern der Stickstoff führt in dn meisten Fällen in Heizungs-, Kühl- und Solarsystemen zu Problemen. Diese äußern sich in Geräuschen (Gluckergeräusche), kalte Heizkörper, Erosionsschäden und Lagerschäden in Pumpen und Erosionschäden in Armaturen und Rohrleitungen.
Stickstoff ist im Füllwasser und kommt durch die Diffusion in geschlossene Anlagen. Die kritische Stickstoffkonzentration an der höchsten Stelle einer Heizungsanlage ist z. B. bei 70 °C und 0,5 bar 15 mg/l. Wenn der Sättigungswert überschritten wird, werden Gasblasen frei. Diese sammeln sich in den Heizkörpern an der höchsten Stelle der Anlage und müssen durch ein nachhaltiges Entlüften bei maximaler Betriebstemperatur entfernt werden.

Der durch die Stickstoffdiffusion und durch Nachspeisewasser (Nachfüllwasser) eingetragene Stickstoff kann nach den Erfahrungen in der Praxis nicht durch Luftabscheider, die in der Regel an der tiefsten Stelle der Anlage eingesetzt werden, nicht abgeschieden werden. Eine wirkungsvolle Möglichkeit ist eine Vakuum-Sprührohrentgasung als Zusatzeinrichtung zur Druckhalteanlage (pumpengesteuertes oder kompressorgesteuertes MAG) einen Teilstrom des Anlagenwassers entgasen. Dabei wird das Anlagenwasser über eine Düse im Vakuumrohr versprüht und reduziert den Stickstoffgehalt auf ca. 3 mg/l.
Die Grenzwerte für den Stickstoffgehalt im Anlagenwasser sollten bei Temperaturen < 70 ° C - 15 mg/ l N2 und > 70 ° C - 10 mg/ l N2 sein.  Bei "Luftproblemen" sollte bei einer Wasseranalyse auch der Stickstoffgehalt ermittelt werden.

 
 
Zunder als Sauerstoffquelle
Solarfluid: Ausgangszustand (pH 8,2)
und stark gealtert (pH 6,8) - Zerstörtes Solarfluid mit unlöslichen Zersetzungsprodukten
Quelle: BDH
In einer thermischen Solaranlage kann es zu einer Sauerstoffbildung durch Zunder in den Kollektoren und an den Rohrwandungen der Kupferleitungen kommen. Zunder entsteht auf der einen Seite durch das Hartlöten der Kupfer-, Messing und Rotgussteile und auf der anderen Seite auch durch die Sonneneinstrahlung auf die leeren Kollektoren. Das ist dann der Fall, wenn die unbefüllten Kollektoren ungeschützt, also ohne Abdeckung über längere Zeit der Einstrahlung ausgesetzt sind. Die Gründe für entleerte Kollektoren können ein Flüssigkeitsverlust sein oder sie sind durch eine Stagnation leergedrückt. Hier sollte auf jeden Fall jede Anlage schon vor der Befüllung fachgerecht gespült und gereinigt werden. Außerdem ist die Solarflüssigkeit regelmäßig überprüft werden, um entsprechende Maßnahmen einleiten zu können.
Beide Belastungen, eine Überhitzung und Oxidation, können zusammen auftreten. Dadurch können die schützenden Bestandteile sehr schnell verbraucht werden und die Solarflüssigkeit überaltert bzw. crackt aus. Die Übersäuerung der Flüssigkeit ist korrosiv und  führt zur Bildung von teerartigen Zersetzungsprodukten, die nicht mehr löslich sind und zu Verklebungen innerhalb des Solarkreises bis hin zur Zerstörung der Solaranlage führen können.
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Fußbodenheizung (Erdkollektor) entlüften
Um Fußbodenheizungen, aber auch Erdkolletktoren, luftfrei zu bekommen, unterscheidet sich die Methode erheblich von den Entlüfungsvorgängen einer Heizkörperheizung. Eine Heizkörperheizung wird normalerweise am Wärmerzeuger im Vorlauf, z. B. durch ein automatisches Be- und Entlüftungsventil oder einen Luftabscheider, und an den einzelnen Heizkörpern an den Entlüftungsventilen durchgeführt, weil sich an diesen Stellen die Luft sammelt. Ein Rohrregister oder eine Rohrschlange, die nicht mt Steigung verlegt werden (können) und teilweise auch uneben verlegt sind, hat die in den Rohren vorhandene Luft keine Chance, im normalen Betrieb irgendwo gesammelt und entfernt zu werden. Außerdem sollte man zwischen einer Entlüftung bei der ersten Befüllung und eine Entlüftung bestehender Anlagen unterscheiden. Im Internet findet man Empfehlungen, die man aber genauer lesen und kritsch beuteilen sollte, bevor man sich als Laie selber an die Arbeit macht. Hier kann einiges falsch gemacht werden, weil es keine gleichen Anlagen gibt.
Bei der ersten Befüllung einer neuen Fußbodenheizung, und besonders bei Erdkollektoren, müssen alle Armaturen voll geöffnet sein. Also dürfen die Heiz- bzw. Kühlkreise noch nicht voreingestellt sein. Das alle Heizungsanlagen vor der Befüllung nach DIN EN 14336 gespült und gereinigt werden müssen, hat sich auch noch nicht überall rumgesprochen. In vielen Fällen werden diese Anlagen nicht mit normalen Leitungswasser befüllt. Heizungsanlagen müssen in den meisten Fällen nach den Herstellerangaben der Wärmeerzeuger nach der VDI 2035 befüllt werden. Hier wird also mit VE-Wasser und Vollschutzmittel gefüllt und diese Mischung lässt sich nicht so einfach auffüllen. Genauso wie bei thermischen Solaranlagen ist hier der Einsatz einer Füll- bzw. Spülstation sinnvoll.
Spülen von Fußbodenheizungen
Füllen und Spülen von Erdsonden und Erdkollektoren
Quelle: MS Schwarz GmbH
Ein Spülvorgang kann auch mit Trinkwasser über einen Wasserschlauch durchgeführt werden. Nur ist dann die Anlage mit Trinkwasser gefüllt, was in vielen Fällen nicht mehr sinnvoll bzw. zulässig ist. Außerdem fehlen meistens für diese Methode auch die richtig gesetzten Spülstutzen.
Um die einzelnen Kreise luftfrei zu bekommen, muss ein Kreis nach dem anderen durchgespült werden. Dabei sind alle anderen Kreise geschlossen. Die Luft wird im Behälter der Spülstation oder in einem zentralen Luftabscheider ausgetrieben. Natürlich kann man diese Vorgänge auch mit der vorhandenen Umwälzpumpe versuchen, was aber in vielen Fällen nicht möglich ist, weil die Fließgeschwindigkeiten nicht hoch genug sind. Egal ob mit einer Spülstation, mit einem Wasserdruck oder einer Umwälzpumpe gespült wird, müssen die Voreinstellungungen auf voll offen gestellt und nach dem Spülen wieder eingestellt werden.
Wenn bei einer älteren Fußbodenheizung einzelne Kreise nicht mehr warm werden, ist auch hier ein Luftfreispülen notwendig. Bei dieser Gelegenheit kann gleichzeitig eine evtl. vorhandene Verschlammung beseitigt werden. Eine Behandlung des Heizungswassers, um eine erneute Verschlammung vorzubeugen, kann hier sinnvoll sein.
 
 

Entlüftungsventile

Die Entlüftungsventile müssen immer so angebracht werden, dass die Luft aus den Heizkörpern oder Lufttöpfen bzw. Luftabscheidern möglichst vollständig entfernt werden kann. Um das zu erreichen, gibt es verschiedene Armaturen. (Handventile, automatische Ventile) Jedes Luftpolster wirkt wie ein kleines Ausdehnungsgefäß und kann den Nullpunkt in der Anlage verschieben. Außerdem werden die Flächen, die luftbelastet sind, nicht richtig warm und mindern die Wärmeabgabe des Heizkörpers. Dass Luft auch zur Korrosion führen kann, ist ein weiterer Nebeneffekt.
Entlüftungsventile mit Handrad (Luftschrauben) sollten in Mietwohnungen nicht eingebaut werden, damit die Mieter nicht unkontrolliert "Wasser zapfen" können. Aus diesem Grund sollten sie auch keine Luftschraubenschlüssel bekommen. Wenn der Mieter keinen Zugang zur Fülleinrichtung im Heizraum hat, kann der Wasserverlust nach dem Entlüften zu Schwierigkeiten mit der Druckhaltung in der Anlage kommen.
Entlüftungsstopfen - HK-Entlüftungsventile - Luftschraubenschlüssel - Ventil mit Handrad
Radiatoren-Entlüftungsstopfen
Automatische Entlüftungsventile
Diese Ventile mit hygroskopischer Quellscheibe entlüften wasserführende Systeme automatisch. Sie werden an Heizkörper, Rohrregister, Wärmeerzeuger, Pufferspeicher und Fußbodenheizungsverteiler eingesetzt.

Die automatische Funktion des Ventils basiert auf der Quellfähigkeit einer Scheibe im Ventileinsatz. Die trockene Quellscheibe lässt Luft und Gas entweichen. Sobald Wasser an die Scheibe kommt, quillt sie auf und verschließt den Ausgang. Eine Handentlüftung kann durch das Lösen der Schraube erfolgen. Das Anlagenwasser sollte frei von chemische Zusätzen sein, da diese die Lebensdauer der Quellscheibe reduzieren oder aufheben. Durch eine im Entlüfter eingebaute Rückschlagautomatik kann der Ventileinsatz, die Dichtung und Quellscheibe ausgewechselt werden.

 
Öffnungsadapter mit Entlüftungsschlach
Quelle: Wilhelm Schauerte GmbH & Co. KG
Dieses automatische Entlüftungsventil arbeitet mit einer Membran und ist dadurch wartungsfrei. Durch den Einsatz einer Membran ist das Ventil wartungsfrei. Undichtigkeiten durch Verklebungen treten nicht auf und damit entsteht keine Verschmutzungsgefahr für die Umgebung.
Quelle: Wilhelm Schauerte GmbH & Co. KG
Dieses Ventil kann auch ohne Membran als Heizkörper-Entleerungsventil eingesetzt werden.
Automatische Be- und Entlüfter mit Schwimmer
Die automatischen Schwimmerentlüfter bzw. Schnellentlüfter entlüftetn automatisch und kontinuierlich wasserführende Systeme (Heizungs-, Kühl- und Solaranlagen). Sie haben leider in den meisten Fällen auch eine Belüftungsfunktion. Diese führt in der Praxis ofmals zu Problemen bezüglich der Luftansaugung in die Anlage und sollten immer eine Absperreinrichtung vorgeschaltet haben.
Die Be- und Entlüftungsfunktion wird zusammen mit einem Luftabscheider optimal ausgeführt. Eine selbstdichtende Absperrautomat verhindert beim Ausbau des Schwimmerentlüfters den Wasseraustritt aus dem Netz. Ein schwimmergesteuertes Ventil öffnet mit steigendem Luftvolumen und entläßt die im Becher angesammelte Luft kontinuierlich. Der Verbindungskanal leitet das Wasser sowie die Luft ungehindert in den Luftbecher.
Schwimmentlüfter für Solaranlagen sollten aus Edelstahl hergestellt sein und Temperaturen bis 150 °C aushalten können und außerdem einen Nenndruck von 16 bar haben.
 
Heizkörper-Schwimmerentlüfter mit hygroskopischer Kappe
Quelle: Caleffi Armaturen GmbH
 
 


Untere Verteilung mit zentraler Entlüftung über Luftleitungen

Zentrale Entlüftung
Bei der unteren Verteilung, die bei den heutigen Pumpenheizungen üblich ist, sind die Vorlauf- und Rücklaufleitungen an der Kellerdecke verlegt. Die Heizkörper werden von hier durch Vorlaufsteigleitungen mit Heizwasser versorgt, das durch die Rücklaufleitungen zum Kessel zurückgeführt wird, An den höchsten Stellen sind zentrale oder örtliche Entlüftung vorgesehen, die aber nie ein automatischen Schwimmentlüfter haben sollten.
Größere und weitverzweigte Anlagen werden/wurden mit einer zentralen Entlüfung über Luftleitungen (DN 10) ausgeführt. Hier muss bei einer Entlüftung nicht an Entlüftungsventilen in den einzelnen Wohnungen entlüftet werden. Die Heizkörpervorlaufanschlüsse haben Steigung vom Heizkörper weg und die Anschlüsse an der Luftleitung müssen genau berechnet werden, damit die Pumpe das Wasser nicht durch die Luftleitung drückt.
Die untere Verteilung kann kostengünstiger gegenüber einer oberen Verteilung erstellt werden. Nachteilig kann die Erwärmung des Kellers, trotzt guter Wärmedämmung, sein.

Bei der oberen Verteilung wird das Heizwasser in einer Steigeleitung in das Dachgeschoss gefördert und hier durch Verteilungsleitungen auf die Fallstränge (Vorlaufleitungen) mit den angeschlossenen Heizkörpern verteilt. Durch Rücklauffallleitungen kehrt das Heizwasser zum Kessel zurück. In diesen Anlagen ist eine zentrale Entlüftung an der höchster Stelle zwingend notwendig. Dieses Systems wird besonders dann eingebaut, wenn kein Keller, aber ein Dachraum, vorhanden ist. Bei diesem System sind die Wärmeverluste erheblich größer gegenüber der unteren Verteilung.

 
 

Entlüften und Spülen von thermischen Solaranlagen
Das Entlüften von Solarkreisen kann ein Problem sein, wenn bei der Befüllung Pumpen mit geringer Leistung verwendet werden. In diesem Fall muss die Luft an der höchsten Stelle entweichen können. Dies kann durch Handentlüfter aus Metall oder mit thermisch belastbaren Automatik-entlüfter mit Absperrhahn erfolgen. Diese müssen aber für die Druckprobe und nach der Inbetriebnahme zugedreht werden. Außerdem ist der Einsatz eines Luftabscheiders zur Abscheidung von Mikroblasen sinnvoll.
Heutzutage hat sich das Entlüften mit einer Spül- und Befülleinheit mit einer leistungsstarken Pumpe und großem Vorratsbehälter durchgesetzt. Bei diesem Verfahren kann auf eine Entlüftung an höchster Stelle verzichtet werden. Wichtig ist aber, dass in waagerechten und fallenden Anlagenteilen des Solarkreises die Strömungsgeschwindigkeit > 0,4 m/s ist, damit die Lufteinschlüsse mit der Strömung mitrissen werden können.
Diese Art der Spülung und Entlüftung wird auch in Fußboden-, Wand- und Deckenheizungen angewendet.
Das Leitungssystem sollte langsam mit gedrosseltem Volumenstrom gefüllt werden, damit das Solarfluids nicht zu stark aufschäumt. Danach wird der Volumemstrom schrittweise erhöht. Außerdem ist bei dem Zurückfließen in den Befüllbehälter darauf zu achten, dass keine Verwirbelungen entstehen. Dabei sollte die Oberfläche im Befüllbehälter immer ruhig sein.

Bei Anlagen mit großer statischer Höhe kann sich an hoch gelegenen Stellen aufgrund der dahinter fallenden Wassersäule ein Unterdruck bilden und der Siedepunkt des Fluids sinkt stark ab und es kann auch bei einer geringen Temperatur zur Dampfbildung kommen. Dadurch kann die Anlage nicht korrekt befüllt werden. Durch die Drosselung des Auslaufs am FE-Hahn kann der austretende Volumenstrom so weit reduziert werden, dass immer der notwendige Anlagenbetriebsdruck am Manometer erhalten bleibt.

Wenn der Solarkreis inkl. der Kollektoren mit dem Wärmeträger gefüllt ist, werden durch das Spülen, dass alle Verunreinigungen (Zunder, Späne), Lufteinschlüsse und Mikroblasen entfernt. Der Spülvorgang sollte mindestens 15 Minuten dauern.

 

 
 

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Unterrichtsunterlagen geschrieben 1985 für die praxisbezogenen Technologie für Zentralheizungs- und Lüftungbauer in der Landesberufsschule Garding und der BS Husum (Bruno Bosy, Fachlehrer)

 
 
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