Heizungswasser

Wasser hat eine sehr hohe Wärmekapazität und eine hohe Verdampfungswärme (Verdampfungsenergie) bzw. Verdampfungsenthalpie. Verdampfungswärme und die Verdampfungsenthalpie sind im Wert identisch, haben aber unterschiedliche thermodynamische Bedeutungen. Auf Grund der hohen spezifischen Wärmekapazität ist Wasser der häufigste Wärmeträger. Nur für extreme Anwendungen werden Öle oder flüssige Metalle sowie in speziellen Fällen verflüssigte Gase verwendet. Reines Trinkwasser und VE-Wasser (sollte) darf nicht in Heizungs-, Solar- und Kühlsysteme (geschlossene Systeme) gefüllt werden. Die Anlagen müssen immer mit dem passenden Wasser (z. B. VE-Wasser, Trinkwasser) als Grundlage und einem passenden Vollschutzmittel bzw. Frostschutzmittel in richtiger Konzentration befüllt werden. Das gilt auch für das Nachfüll- bzw. Nachspeisewasser, besonders bei größeren Nachfüllmengen. Damit die richtige Flüssigkeit nachgefüllt werden kann, muss an jeder Nachfülleinrichtung ein Aufkleber (z. B. Heizungswasser) mit den entsprechenden Werten (z. B. pH-Wert, elektrische Leitfährigkeit, Gemischangabe) und die Daten der Wartungen vorhanden sein.

Die Flüssigkeiten in Heizungs-, Solar- und Kühlsysteme werden auch "Prozesswasser" genannt.

Die Grundlage für das Prozesswasser ist das Wasser, das für die richtige Wasseraufbereitung bzw. Wasserbehandlung eingesetzt wird. Hier muss man unbedingt die Wasserbeschaffenheit (Wasseranalyse) kennen, damit die richtige Maßnahmen durchgeführt werden können. Entsprechende Massnahmen müssen schon in die Anlageplanung mit einbezogen werden. Nur so kann ein störungsfreier Betrieb der Anlage sichergestellt werden. Die mit unaufbereitetem Füll- und Ergänzungswasser gefüllte Anlage wird früher oder später immer in irgendeiner Form zu Problemen (z. B. Verschlammung, Korrosion) führen.

Bei Heizungstausch pH-Wert prüfen
Die VDI-Richtlinie 2035 ist eine technische Regel, die beim Austausch einer Heizung den Installateur zur Prüfung des Heizungswassers verpflichtet, selbst wenn Korrosionsschutzmaßnahmen nicht vertragsgegenständlich sind. Das nahm auch das OLG Rostock als Grundlage für einen Beschluss (4 U 52/23 vom 14. Juli 2023),
Im vorliegenden Fall wurde die pH-Wert-Prüfung vom Installateur nicht durchgeführt, in der Folge kam es zu Korrosionsschäden an der neu installierten Heizungsanlage in Höhe von ca. 15.000 Euro. Obwohl die Prüfung nicht Vertragsgegenstand war, bestand für den Installateur die Pflicht, das Heizungsfüllwasser zu prüfen und gegebenenfalls auf notwendige Schutzmaßnahmen hinzuweisen.

Die notwendige Chemie sollte nur durch geschulte Fachfirmen angewandt werden und gehören nicht in "Laienhand", denn ein wenig zu viel oder zu wenig kann die Probleme noch vergrößern.

Grenzwerte für die Heizungswasserqualität
Wasserinhaltsstoffe, Wasserbeschaffenheit	Konzentrationsbereich (mg/l oder ppm)	Kupfer	Edel- stahl
pH-Werte	< 6,0	2	2
	6,0 - 7,5	2	1/2
	7,5 - 9,0	1	1
	> 9	2	1
elektrische Leitfähigkeit	<10 µS/cm	2	1
	10 - 500 µS/cm	1	1
	>500 µS/cm	2	1
HCO3- - Hydrogencarbonat	<70	2	1
	70 - 300	1	1
	>300	1/2	1
HCO3- / SO4- - Hydrogencarbonat / Sulfate	<1,0	1	1
	>1,0	2/3	1
SO42- -Sulfate	<70	1	1
	70 - 300	23	1
	>300	3	2
NH4+ -Ammonium-Ionen	<2	1	1
	2 - 20	2	1
	>20	3	1
CI- -Chloridionen	<300	1	1
	>300	1/2	2
CI2 -Chloridionen	<1	1	1
	1 - 5	2	1
	> 5	2/3	1/2
CO2 - Kohlenstoffdioxid, Kohlendioxid	< 5	1	1
	5 - 20	2	1
	>20	3	1
H2S - Schwefelwasserstoff	< 0,05	1	1
	> 0,05	2/3	1
NO3 -Nitrate	<100	1	1
	>100	2	1
Fe -Eisen	<0,2	1	1
	> 0,2	2	1
Al - Aluminium	<0,2	1	1
	> 0,2	2	1
Mn - Mangan	<0,1	1	1
	> 0,1	2	1
°dH - Wasserhärte	4,0 - 8,5	1	1
1 - gute Korrosionsbeständigkeit 2 - Korrosionsprobleme können entstehen, wenn mehrere Inhaltsstoffe mit "2" angegeben sind 3 - sollte nicht verwendet werden

Besonders in Großanlagen ist eine regelmäßige Heizungswasseranalyse sinnvoll, weil sich je nach Anlagenart und Materialzusammenstellung (Materialmix) die Wasserinhaltsstoffe und dadurch die Qualtät verändern. Falsches Prozesswasser (Heizungs- und Kühlwasser) führt in vielen Fällen zu Betriebsstörungen bis hin zum Totalausfall der Anlagen. Die Sanierung dieser Anlagen kann mehrere Hunderttausend Euro kosten. Die Gründe sind  u. a. daran zu sehen, dass z. B. die Anlagen nicht in Zonen geplant bzw. gebaut wurden und die richtig dimmensionierten Spülstutzen fehlen.

Ein Langzeitversuch mit Heizungsfüllwasser zeigt, dass es nur auf das richtige Füllwasser ankommt, um keine Probleme mit Korrosion zu haben.

Man muss die Wasserbeschaffenheit kennen, damit die richtige Wasseraufbereitung und vor allem die Überwachung erfolgen kann, um einen störungsfreien Betrieb der Anlage sicherzustellen. Entsprechende Massnahmen müssen schon in die Anlageplanung miteinbezogen werden. Die mit unaufbereitetem Füll- und Ergänzungswasser gefüllte Anlage wird immer in irgendeiner Form zu Problemen führen. Eine Wasseraufbereitung ohne Wasseranalyse sollte nicht durchgeführt werden. Deswegen sollte man wissen, was in dem Trinkwasser vorhanden ist und zu welchen Problemen es führen kann. Die notwendige Chemie sollte nur durch geschulte Fachfirmen angewandt werden und gehören nicht in "Laienhand", denn ein wenig zu viel oder zu wenig kann die Probleme noch vergrößern.

Härte
Als Härte bezeichnet man die gelösten Salze des Kalziums und des Magnesiums. Früher bezog man in Deutschland die Mengenangabe auf 10 mg/l Kalziumoxid (CaO) und bezeichnete dies als deutsche Härtegrade (°dH). Seit der Einführung der SI-Einheiten in den 70er-Jahren sind diese Härteangaben zwar veraltet,. Die neue Bezeichnung ist 1mmol/l (= 5.6 °dH). Man gibt die Stoffmenge der gelösten Kalzium- und Magnesiumionen direkt an. Die Stoffmenge in der Chemie ist das mol. Es bezeichnet die Anzahl von Molekülen, Atomen oder Ionen. Da man jedoch keine Atome bzw. Ionen zählen kann, wird deren Masse angegeben. Man spricht dann von der Molmasse. Im Fall des Kalziums hat ein mol die Masse von 40,08 g und des Magnesiums von 24,312 g.

Temporäre Härte > Carbonathärte oder vorübergehende Härte
Die Gesamthärte wird auf die Ionen des Kalziums und des Magnesiums bezogen. Beide sind positiv geladen. Um die elektrische Neutralität der Lösung zu wahren, muss die gleiche Menge negativ geladener Ionen vorhanden sein. In Deutschland, mit seinen ausgesprochen mächtigen Kalklagerstätten, sind dies meist Karbonat bzw. Hydrogencarbonat. Man spricht dann von Karbonathärte (KH), Kalkhärte oder auch temporärer Härte.
Die Salze des Magnesiums oder des Calciums und der Kohlensäure (Karbonate) sind sehr schwer löslich. Die Kohlensäure ist jedoch eine schwache Säure und eine flüchtige dazu. So können folgende Eigenschaften angegeben werden:
• Bei Gegenwart von Säuren (z.B. Kohlensäure) wird Kalk gelöst. Es bilden sich Hydrogenkarbonate, die leicht löslich sind.
• Wird die Kohlensäure ausgetrieben (durch z.B. Druckentlastung oder Hitzeeinwirkung) fällt der Kalk (die Härte) aus. Es bildet sich Kesselstein und weicheres Wasser.

Dauerhafte Härte
Alle anderen Ionen (z.B. Chlorid, Sulfat usw.) sind nicht flüchtig und bilden in kurzer Zeit keine schwer löslichen Verbindungen. Man spricht daher von permanenter Härte, weil diese durch Hitzeeinwirkung nicht entfernt werden kann. In Heizkesseln kann dies zur Verkrustung (Kesselsteinbildung) der wärmeübertragenden Flächen führen. Härte wird hier oft zum Bindemittel für Oxidschlämme.

pH-Werte
Für den Betrieb von Heizkesseln und anderen Wasser berührten Teilen ist es wichtig zu wissen, dass die tatsächliche Korrosionstätigkeit zu einem großen Teil vom pH-Wert abhängt. Da es auch einen alkalischen Angriff auf den Stahl gibt, existiert ein optimaler pH-Wertbereich, bei dem die Korrosionstätigkeit fast nicht mehr messbar ist. Dieser liegt zwischen ca. 8,2 und 10,5. Diese Angabe gilt für salzhaltiges Wasser (elektrische Leitfähigkeiten 100 - 1500 S/cm) und Temperaturen unter 100°C. Bei Aluminium ist der "optimale" pH-Wertbereich wesentlich schmaler und liegt bei etwa 6,5 - 7,5. Bei entsprechenden Legierungen lässt sich dieser Bereich auf ca. 9,5 erweitern.

Sauerstoff
Wie bereits in der Einleitung geschrieben, neigen alle gängigen Werkstoffe zur Reaktion mit Sauerstoff. Für diese Art der Korrosion ist Stahl bekanntlich besonders anfällig. Die Oxidschichten bei anderen Werkstoffen (Kupfer, Aluminium) sind zwar dicht und schützen das darunter liegende Material, sind aber bei ständigem Wasserkontakt sehr empfindlich, weil sie durch Schwankungen des pH-Wertes und andere Faktoren leicht angegriffen werden können.

Biologische Prozesse in der Heizung
Bakterien sind durchaus in der Lage, in Heizungskreisläufen zu existieren - schließlich kann dort Leben sein, wo Wasser ist. Alles Biologische in einer Heizungsanlage wird als Bakterium bezeichnet, auch wenn es Pilze oder Algen sein können.
Bakterien benötigen eine Energiequelle. Das kann Wärme oder - was von ihnen bevorzugt wird - eine bestimmte chemische Reaktion sein. Sie nisten sich in Unebenheiten oder Poren ein, um dort Kolonien zu bilden. Sie bevorzugen vor allem ölige Oberflächen, Kunststoffe und Härtebeläge. Bakterien benötigen eine gewisse Konstanz der Lebensbedingungen, vor allem zu Beginn der Ansiedlung. Hier zwei häufige Fälle:

Sulfatreduzierende Bakterien
Das früher häufig zur Sauerstoffbindung im Heizungswasser eingesetzte Natriumsulfit verbindet sich mit Sauerstoff zu Natriumsulfat. Da ständig mit einem gewissen Eintrag an Sauerstoff zu rechnen ist, muss das Sauerstoffbindemittel ständig zugesetzt werden. Das hat drei Folgen
• Die elektrische Leitfähigkeit des Heizungswassers steigt, was den Fluss des Korrosionsstroms begünstigt
• Die Sulfatkonzentration steigt, was zur Bildung von Gipskristallen führen kann, wenn Härte im Wasser vorhanden ist
• Unter Umständen kann das Wasser umkippen. Darunter versteht man in diesem Zusammenhang die Bildung von Schwefelwasserstoff. Das Wasser versäuert, stinkt und ist giftig

Die Verursacher sind sulfatreduzierende Bakterien, die Sulfat zu Sulfid umwandeln. Dabei entsteht Sauerstoff, der zur Oxidation von Metallen führt. Temperatur und Druck spielen für die Bakterien fast keine Rolle. Aus diesem Grunde verwendet man heute nur noch dann Sulfit als Sauerstoffbindemittel, wenn es unter ständiger Beobachtung ist.

Biofouling in Heizungen
Es gibt eine Menge von Lebensformen die mit dem Wasser in die Anlagen hineinkommen und diese greifen die Materialien an. Diese als „Biofouling“ oder „MIC“ (microbially influenced corrosion) bekannten Schadensursachen nehmen deutlich zu. Sie sind noch weitgehend unbekannt, weil die analytischen Nachweise schwierig sind. Einige der Spezies sind vermutlich noch gar nicht mit der Laborwissenschaft in Kontakt gekommen. Eines allerdings haben sie gemeinsam: Dort, wo sie wachsen, verändern sie lokal den pH-Wert (nachgewiesen bisher Veränderungen bis zu pH 2!), das Redoxpotential, die Konzentration an Sauerstoff und gelösten Salzen, die Parameter, die aus chemischer Sicht für Korrosionen verantwortlich sind. „MIC“ bewirkt mithin keineswegs „neue“ Korrosionsmechanismen, sondern beeinflusst die chemischen bzw. elektrochemischen Prozesse an Grenzflächen zwischen Wasser und dem Material.

Diese biologische Filmbildung tritt vorwiegend bei Niedertemperaturheizungen und Kühlsystemen mit Kunststoffrohren auf. Dabei nisten sich zunächst Pionierorganismen in den Poren der Oberfläche ein und vermehren sich. Dadurch wird der Boden für andere Organismen bereitet, die sich dann dort einnisten. Dieser Prozess geht so weit, bis Teile des Biofilms abgestoßen werden und an anderer Stelle aufwachsen. Dabei sind die Bakteriengesellschaften in der Lage, ihr chemisches Milieu weitgehend selbst zu bestimmen. Das heißt, auch wenn das Wasser einen pH-Wert von 9 hat, kann an der Oberfläche des Metalls oder Kunststoffes ein pH-Wert von 4,5 vorliegen. Die biologischen Prozesse in diesen gallertartigen Schichten sind äußerst vielfältig.
Die Dosierung von Chemikalien und anderen Bioziden ist in der Regel nachträglich nicht erfolgreich, weil nur die oberste Schicht der Bakterien abgetötet wird. Die darunterliegende Schicht hat nun genügend Zeit, sich an die giftige Substanz zu gewöhnen. Man spricht hier von Resistenzbildung. Deshalb muss ausgeschlossen werden, das diese Lebewesen gar nicht erst in die Anlage kommen.
Auf Dauer kann hier nur durch eine spezielle und wiederkehrende Wasserbehandlung bzw. Reinigung durch Beizen eine Verminderung oder gar Lösung des Problems erreicht werden, die zur langsamen "Verbrennung" des Biofilmes führt. Allerdings sollte man bei dieser Methode die Materialspezifikation der Heizungsanlage genau prüfen, um nicht unerwünschte Nebenwirkungen zu erhalten. deshalb sollten diese Behandlungen nur Spezialfirmen überlassen werden.

Moderne Heizanlagen bestehen nicht selten aus ca. 20 verschiedenen Materialien. Die Auswahl an Produkten ist sehr groß geworden, wodurch unweigerlich vielschichtige Probleme auftreten können. Bei Mischinstallationen kommt es neben dem Kontakt von verschiedenen Metallen miteinander (Stromfluss) auch zum verstärkten Sauerstoffzutritt (Kunststoffrohre, O-Ringe und Stopfbuchsen, Verschraubungen,...). Dadurch kommt es zu einer elektrochemischen Korrosion, dem unedle Metalle zum Opfer fallen. Dies kann z.B. Aluminium sein. Aber auch andere Materialien können betroffen sein. Eine Möglichkeit des Schutzes besteht darin, die betroffenen Bauteile elektrisch zu Isolieren, damit kein Strom fließen kann.
Darüber hinaus kann es bei Mischinstallationen zu Lokalelementbildungen kommen. Das bedeutet, dass beispielsweise Kupfer gelöst wird und das gelöste Kupferion sich zum Beispiel am Aluminium anlagert. Kommen noch weitere Kupferionen hinzu, entsteht ein Lokalelement, bei dem Stahl gelöst wird.