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OldBo
23.11.2019
Wenn die Flüssigkeit in Erdwärmetauschern und Erdsonden auf der Kalt- oder Kühlwasserseite die Temperatur von +2 bis +3 °C unterschreiten, dann muss dem Wasser ein Frostschutzmittel beigemischt werden. Damit auch der Korrosionsschutz gewährleistet ist, werden Mischungen aus Wasser und Alkoholen (Glykole) verwendet. Diese Kühlflüssigkeit wird auch Sole genannt.
Kubischer Ausdehnungskoeffizient von GLYKOSOL N-Wasser-Gemischen
 Kubischer Ausdehnungskoeffizient von GLYKOSOL N-Wasser-Gemischen
Quelle: pro Kühlsole
Kubischer Ausdehnungskoeffizient von Pekasol L-Wasser-Gemische
 Kubischer Ausdehnungskoeffizient von Pekasol L-Wasser-Gemische
Quelle: pro Kühlsole

Wenn die Flüssigkeit in Erdwärmetauschern und Erdsonden auf der Kalt- oder Kühlwasserseite die Temperatur von +2 bis +3 °C unterschreiten, dann muss dem Wasser ein Frostschutzmittel beigemischt werden. Das Frostschutzmittel muss biologisch abbaubar sein (z. B. Glysofor L). Damit auch der Korrosionsschutz gewährleistet ist, werden Mischungen aus Wasser und Alkoholen (Glykole) verwendet. Diese haben unterschiedliche toxische und thermodynamische Eigenschaften. Heute wird für die Kühlflüssigkeit immer noch der Begriff "Sole" verwendet, obwohl es sich nicht um Wasser-Salz-Gemische handelt und somit falsch ist.

Glykole gibt es mit unterschiedlichen Eigenschaften. Die Art des Mittels und das Mischungsverhältnis wird von den Geräteherstellern vorgegeben. Auch darf später keine eine andere Glykolart nachgefüllt werden. Hier sollten schon gewisse Fachkenntnisse vorhanden sein, wenn der Betreiber es selber machen will. Außerdem schreiben einige Wärmepumpenhersteller bestimmte Frostschutzmittel vor und verlangen aus Gewährleistungsgründen eine Wartung durch einen Fachbetrieb.
Bei der Anwendung von Glykolen als Frostschutz sind folgende Punkte zu beachten:
  •  Glykolzumischung ergibt eine Erhöhung der Viskosität im Vergleich zu Wasser
  • Wasser-Glykol-Gemische haben eine schlechtere Wäremübergangszahl als Wasser
  •  Glykole verdunsten leichter als Wasser. Im Laufe der Zeit ändert sich der Glykolanteil in der Mischung
  •  Glykole sind (mehr oder weniger) toxisch
  • Wasser-Glykolgemische dürfen nicht in die Kanalisation abgeführt werden
  •  Zur Verringerung der Korrosionsgefahr müssen Wasser-Glykolgemischen Inhibitoren zugesetzt werden
  •  Angaben des BAG (Bundesamt für Gesundheitswesen [Schweiz]) auf den Gebinden zu berücksichtigen
  •  Verschiedene Glykolarten dürfen nicht vermischt werden
  •  Die Konzentration ist deshalb jährlich zu kontrollieren
Im Primärkreis von Sole/Wasser-Wärmepumpen werden Frostschutzmittel auf Glykol-Basis eingesetzt. Diese müssen einen Frostschutz bis mindestens -15 °C sicherstellen und geeignete Inhibitoren für den Korrosionsschutz beinhalten. Fertiggemische gewährleisten eine gleichmäßige Verteilung der Konzentration. Hier wird z. B. Wärmeträgermedium "Tyfocor" auf Basis von Ethylenglycol (Fertiggemisch bis -15 °C, grün) empfohlen. Wichtig ist eine genaue Dosierung, da besonders dieses Frostschutzmittel/Wasser-Gemisch zu einem Wachstum von Mikroorganismen (Biofouling) führen kann.
Da Wasser-Frostschutzmittel eine höhere Viskosität und Dichte besitzen, muß mit einem höheren Druckabfall beim Durchströmen der Anlage gerechnet werden. Zum Berechnen der Zuschläge gibt es Diagramme für die Wärmeübergangszahl und den relativen Druckverlust – im Vergleich mit reinem Wasser. Diese Kurven sowie weitere physikalische Daten befinden sich in den technischen Unterlagen der Hersteller. Außerdem hat ein Wasser-Glykol-Gemisch einen höheren Ausdehnungskoeffizient

Frostschutzmittel enthalten Korrosionsinhibitoren, die die Metalle der Anlage, auch bei Mischinstallation, vor Korrosion dauerhaft schützen Zur Prüfung der Wirksamkeit der Inhibitorenkombination sollte die in Fachkreisen bekannte Korrosionsprüfmethode ASTM D 1384 (American Society for Testing and Materials) zur Anwendung kommen. Glykol-Wassergemische ohne Zusatz von Inhibitoren können wegen der korrosionsfördernden Eigenschaften, die stärker als bei Wasser allein sind, nicht verwendet werden.
Je nach Inhibitorzusammensetzung werden diese vollständig, teilweise oder gar nicht vom Medium wieder aufgenommen (Wasser und Propylenglykol sind verdampfbar; die Inhibitoren kristallisieren auf den Absorberrohroberflächen). Somit führen sie zu einer verminderten Kollektorleistung. Die Inhibitorkonzentration im Medium bzw. der Korrosionsschutz verringern sich. Deshalb wurden Wärmeträger, die auf flüssigen Inhibitoren basieren, auf den Markt gebracht (Tyfocor LS, Antifrogen SOL). Aus chemischer Sicht wird das Propylenglykol durch oxidative Prozesse abgebaut, wobei Reaktionsprodukte wie Milchsäure, Oxalsäure, Essigsäure und Ameisensäure nachweisbar sind. Es entstehen auch Aldehyde und diese führen zu einer Geruchsbildung.

Unterhalb einer vom Hersteller festgelegten Konzentration kann es zu einem Wachstum von Mikroorganismen (Biofouling) in der Sole kommen, welche zu organischen Ablagerungen führen können. Die Frostsicherheit sollte auf einen Stockpunkt von -34 °C (entsprechender Eisflockenpunkt: -27 °C) eingestellt werden. Wie Versuche ergaben, übt diese Einstellung unter mitteleuropäischen Winterbedingungen keine Sprengwirkung auf metallische Anlagenbauteile aus, da sich beim Abkühlen unterhalb des Kristallisationspunktes ein Eisbrei bildet. Bei Wasserzusätzen verringert sich natürlich die Frostsicherheit.
Ausdehnungsgefäße in Kühlanlagen
Transparenter Sole-Ausgleichsbehälter
 Transparenter Sole-Ausgleichsbehälter
Quelle: Vaillant Deutschland GmbH & Co. KG
Transparenter Sole-Ausgleichsbehälter
 Transparenter Sole-Ausgleichsbehälter
Quelle: Bernd_K/Bosy
Vor- bzw. Zwischengefäß in Kühlkreisläufen
 Vor- bzw. Zwischengefäß in Kühlkreisläufen
Quelle: Reflex Winkelmann GmbH + Co. KG

In Kühlanlagen sind Zwischengefäße vorzusehen, wenn Gefäßtemperaturen von unter 5 °C auftreten, die meisten Gefäßhersteller die niedrigste Temperatur mit + 5 °C angeben.

Der Ausdehnungsfaktor ist höher, wenn dem Wasser Frostschutzmittel zugegeben wurde. Die entsprechenden Werten sind von dem Mischungsverhältnis abhängig. Bei Kühlanlagen muss der Inhalt der Anlage rechnerisch ermittelt werden, denn Pauschalwerte aufgrund der Nennleistung des Kühlaggregates ergeben keine zuverlässigen Ergebnisse. Für die Bestimmung des Ausdehnungsvolumens muss mit der max. möglichen Umgebungstemperatur gerechnet werden, welche die Kühlflüssigkeit bei Ausfall des Kühlaggregates annehmen kann (ca. 30 – 35°C).
Der Vordruck in einem Membrandruckausdehnungsgefäß (MAG) sollte mindestens 1,5 bar betragen, damit die angeschlossenen Geräte nicht auf Grund eines zu geringen Druckes abschalten. Die Wasservorlage, d. h. der Fülldruck sollte entsprechend hoch über dem Vordruck liegen und bei der Auslegung berücksichtigt werden. Dies ist besonders wichtig, wenn das Kühlmedium stark unter die Fülltemperatur absinken kann.
Bei dem Einsatz offener Ausdehnungsgefäße muss darauf geachtet werden, dass es nicht zu Kavitationsschäden in den Pumpen kommt.

Ein transparenter Ausgleichsbehälter wird eingesetzt, da sich der Wärmeträger (Wasser-Glykol-Gemisch bzw. Sole) im Kreislauf eines Erdkollektors oder einer Erdsonde im normalen Betrieb abkühlt. Hier ist es sinnvoll, den Füllstand im Ausgleichsbehälter beobachten zu können. Zumal eine Wärmepumpe bei zu niedrigem Druck auf Störabschaltung geht. Außerdem ist es normal, dass der Füllstand der Soleflüssigkeit im ersten Monat nach der Inbetriebnahme der Anlage etwas sinkt. Der Füllstand kann auch je nach Temperatur der Wärmequelle variieren. Im Gegenteil zu Heizungs- und Solaranlagen zieht sich die Flüssigkeit zusammen.

Wenn der Füllstand der Soleflüssigkeit so weit gesunken ist, dass er im Soleausgleichsbehälter nicht mehr sichtbar ist, muss die Soleflüssigkeit nachgefüllt werden. Im Gegensatz zu den Membrandruckausdehnungsgefäßen (MAG) haben diese Gefäße haben keine Membran, da das Luftpolster den Gegendruck aufrecht hält. Bei Anlagen, die keinen Mindestdruck benötigen, kann auf das Sicherheitsventil verzichtet werden. Dann kann die Anlage offen betrieben werden. Jedes Ausdehnungsgefäß sollte mit einem Kappenventil angeschlossen werden, damit es bei der Dichtheitsprüfung und dem Luftfreispülen von der Anlage getrennt werden kann.

Der Sole-Fülldruck sollte zwischen 1 und 2 bar liegen. Wenn er für die Dauer von 2 Minuten unter 0,6 bar oder einmalig unter 0,2 bar sinkt, wird die Wärmepumpe automatisch abgeschaltet und eine Fehlermeldung wird angezeigt

Auch bei der PC-Kühlung kommen transparente Ausgleichsbehälter zum Einsatz.

Messinstrumente und nützliches Werkzeug
Handrefraktometer
 Handrefraktometer
Quelle: Wagner & Co
Glykomat
 Glykomat
Quelle: Georg Pforr GmbH & Co. KG
Handfüll- und ImpfpumpeDruckerhöhung und Nachfüllen - Solar- und Kühlflüssigkeiten
 Handfüll- und ImpfpumpeDruckerhöhung und Nachfüllen - Solar- und Kühlflüssigkeiten
Quelle: RESOL - Elektronische Regelungen GmbH
Handfüll- und DruckprüfpumpeDruckprüfung, Druckerhöhung und Nachfüllen
 Handfüll- und DruckprüfpumpeDruckprüfung, Druckerhöhung und Nachfüllen
Quelle: Bosy
Diese Messinstrumente gehören zur Grundausstattung für die Wartung thermischer Solaranlagen und Kühlsystemen.

Frostsicherheit - Handrefraktometer
Das Handrefraktometer bestimmt die Frostsicherheit von Wasser-Propylen-glykol-, Wasser-Ethylenglykolgemischen und die Dichte von Wasser-Batterie-säuregemischen.

Messbereiche:

  • Propylenglykol 0 bis -50 °C
  • Ethylenglykol 0 bis -50 °C
  • Batteriesäure 1,15-1,30 g/cm³

Die Messung ist zwar weitgehend temperaturunabhängig, jedoch erzielen Sie den exaktesten Wert bei einer Mediumtemperatur von 20 °C.
Zur Schnellmessung kann auch ein "Glycomat" oder ein Aräometer eingesetzt werden.

Außerdem sind Messgeräte für den pH-Wert und zur Wasserhärtemessung der Flüssigkeit notwendig.

Eine Handfüll- und Impfpumpe mit Absperrkugelhahn wird zur Druckerhöhung und zum Nachfüllen von Kühlflüssigkeiten eingesetzt. Die Pumpleistung beträgt 2 l/min und baut einen Druck von max. 4,5 bar auf.

Eine Hand-Druckprüfpumpe wird zur exakten und schnellen Dichtigkeitsprüfung bzw. Druckprüfung von Rohrleitungssystemen und Behältern in der Sanitär- und Heizungstechnik, bei Pressluftanlagen und im Kessel- und Druckbehälterbau eingesetzt.
Der Prüf- und Druckbereich beträgt je nach Ausführung bis 60 bar und der Behälter hat ein Volumen (Wasser, Öl, Glycol, pH-Wert der Flüssigkeiten 7 - 12, Temperatur der Flüssigkeiten bis 60 °C) von 12 l.
Druckprüfpumpe soll nicht zum Füllen leerer Rohrleitungen und Behälter als Förderpumpe missbraucht werden.

Zum Füllen und Spülen ist der Einsatz einer Füll- und Spülstation (Spülgeräte) sinnvoll.

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