Heizmedien — Wasser, Glykol und Verdünnungstabellen für Heizungsanlagen

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Was fließt in unseren Rohren, Heizkörpern — allgemein in Heizungsanlagen? Am häufigsten ist es natürlich gewöhnliches Wasser. Es gibt jedoch auch andere Flüssigkeiten, die in Heizsystemen eingesetzt werden. Dies sind vor allem Glykole, und früher auch Solen. Die Wahl des geeigneten Heizmediums hat einen direkten Einfluss auf die Anlagenleistung, die Pumpenauswahl, die Rohrdimensionierung und die Lebensdauer des gesamten Systems.

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Wasser

Die am häufigsten anzutreffende Flüssigkeit in Installationen. Das liegt daran, dass es die günstigste und am weitesten verbreitete Flüssigkeit ist. Zusätzlich hat Wasser eine hohe spezifische Wärmekapazität von 4,2 kJ/(kg·K) — ein Wert, der höher ist als bei Glykolen. Diese physikalische Eigenschaft bewirkt, dass für den Transport einer bestimmten Wärmeleistung ein geringerer Wasserdurchfluss als bei Glykol benötigt wird. Darüber hinaus hat Wasser eine geringere Viskosität als Glykole, was sich direkt auf die linearen und lokalen Druckverluste in Rohren und Armaturen auswirkt. Beide Eigenschaften wirken sich auf die Betriebskosten der Umwälzpumpen aus.

Zusätzlich ist Wasser umweltneutral und für die menschliche Gesundheit unbedenklich. Leckagen stellen somit in dieser Hinsicht kein Problem dar. Bei den Rohren und Armaturen selbst können bei hartem Wasser nach einiger Zeit Probleme auftreten. Glücklicherweise sind Wasserenthärter für Kesselwasser und Zusätze in Form von Korrosionsinhibitoren weit verbreitet, um Heizungsanlagen und -geräte zu schützen.

Der einzige Nachteil bei der Verwendung von Wasser als Heizmedium zeigt sich bei Anlagen, die sich außerhalb von Gebäuden oder in unbeheizten Räumen befinden, wo die Temperatur unter null Grad Celsius sinken kann und zudem Stillstandszeiten im Anlagenbetrieb auftreten. Das Wasser in den Rohren gefriert dann einfach. Dies wirkt sich zerstörerisch auf Armaturen und Rohrleitungen aus.

Um dies zu verhindern, gibt es zwei Lösungen. Man verwendet eine frostsichere Flüssigkeit bis zur erforderlichen Minustemperatur, z. B. bis -25°C, oder man umwickelt die Rohre mit elektrischen Heizkabeln und isoliert sie. Die Anwendung der zweiten Methode ist leider nicht zu 100% sicher — es können Stromunterbrechungen oder -ausfälle auftreten.

Propylenglykol

Eine organische chemische Verbindung aus der Gruppe der zweiwertigen Alkohole, also Diole. Bei Raumtemperatur ist es eine farblose, geruchlose, ölige Flüssigkeit mit süßlichem Geschmack und hoher Viskosität. Es gilt als gesundheitlich unbedenkliche Verbindung oder von sehr geringer Schädlichkeit. Es wurde nicht festgestellt, dass es Allergien auslöst, es zeigt keine Karzinogenität und ist nicht mutagen. Kontakt mit unverdünntem Propylenglykol kann Augen- und Hautreizungen verursachen, die jedoch harmlos und leicht abklingend sind, in der Regel mit dem Ende des Kontakts. Im Körper wird es schnell in Milchsäure umgewandelt (ähnlich der Umwandlung von Zucker in Energie in den Muskeln). In der Umwelt ist es leicht biologisch abbaubar. Es ist eine sichere Substanz selbst bei einer Konzentration von 50% im fertigen Präparat. In Anlagen werden Glykollösungen in entsprechender Konzentration verwendet, abhängig davon, bis zu welcher Temperatur unsere Lösung nicht gefrieren soll.

Tabelle 1. Eigenschaften von Propylenglykol in Abhängigkeit von der Konzentration

Ethylenglykol

Eine organische chemische Verbindung, die der einfachste mehrwertige Alkohol (Diol) und zugleich der einfachste Zuckeralkohol ist. Es wird weit verbreitet als Bestandteil von Kühlflüssigkeiten für Kraftfahrzeuge und als Vorläufer für Polymere verwendet. In reiner Form ist es eine farblose, geruchlose, sirupartige Flüssigkeit mit süßlichem Nachgeschmack. Ethylenglykol ist giftig, und sein Verschlucken kann zum Tod führen. Es ist ein schädlicher Stoff, der depressiv auf das zentrale Nervensystem wirkt. Es reizt die Schleimhäute der Nase und die Bindehaut. Der Körper absorbiert es über die Atemwege, die Haut und den Verdauungstrakt. Auf dem Verdauungsweg verursacht Glykol zunächst Symptome ähnlich einer Alkoholvergiftung, danach (nach einigen bis mehreren Stunden) führt es zu einer metabolischen Azidose. Beim Erhitzen von Glykol kann der entstehende Dampf zu Bewusstlosigkeit führen, während er in geringen Konzentrationen Reizungen der Nase und des Rachens sowie Kopfschmerzen verursacht. Es ist daher besondere Vorsicht im Umgang mit Glykol geboten.

Tabelle 2. Eigenschaften von Ethylenglykol in Abhängigkeit von der Konzentration

Vergleich der Heizmedien

Um die Auswahl des geeigneten Mediums für eine bestimmte Anlage zu erleichtern, werden nachfolgend die wichtigsten Parameter von Wasser, Propylenglykol und Ethylenglykol verglichen — beide Glykole in typischer Konzentration mit Frostschutz bis -25°C.

Tabelle 3. Vergleich der Heizmedien mit Frostschutz bis -25°C

Einfluss des Heizmediums auf den Durchfluss — Formel für die Wärmeleistung

Die vom Heizmedium transportierte Wärmeleistung wird durch folgende Formel beschrieben:

wobei:

• $\dot{Q}$ — Wärmeleistung [W],
• $\dot{m}$ — Massenstrom [kg/s],
• $c_p$ — spezifische Wärme des Mediums [kJ/(kg·K)],
• $\Delta T$ — Temperaturdifferenz zwischen Vorlauf und Rücklauf [K].

Aus dieser Formel ergibt sich eine entscheidende Abhängigkeit: Je niedriger die spezifische Wärme des Mediums, desto größer ist der erforderliche Durchfluss, um die gleiche Wärmeleistung zu übertragen. Für 42% Propylenglykol ($c_p$ = 3,70 kJ/(kg·K)) im Vergleich zu Wasser ($c_p$ = 4,19 kJ/(kg·K)) ist der erforderliche Massenstrom größer um:

Das bedeutet, dass beim Wechsel von Wasser auf 42% Propylenglykol der Durchfluss um etwa 13% erhöht werden muss, was sich direkt auf die Rohrdimensionierung und die Leistung der Umwälzpumpen auswirkt.

Nachteile von Glykolen

Glykole haben eine höhere Viskosität als Wasser und verursachen somit größere Strömungswiderstände in der Anlage. Außerdem zeichnen sie sich durch eine geringere spezifische Wärme aus, weshalb für die Übertragung einer bestimmten Heizleistung ein größerer Glykoldurchfluss als bei Wasser erforderlich ist. Diese Nachteile führen zu höheren Strömungswiderständen in der Anlage. Diese Alkohole sind zudem teurer als Wasser und erfordern einen anderen Ansatz bei der Ausführung der Befüllungsanlage.

Aufgrund seiner Toxizität wird Ethylenglykol eher als Kühlflüssigkeit für Kraftfahrzeuge als in Sanitäranlagen verwendet. In Wohn- und öffentlichen Gebäuden wird ausschließlich die Verwendung von Propylenglykol aufgrund seiner Sicherheit empfohlen.

Einfluss von Glykol auf die Auswahl der Umwälzpumpen

Die höhere Viskosität von Glykol im Vergleich zu Wasser bedeutet größere Druckverluste in Rohrleitungen und Armaturen. In der Planungspraxis wird angenommen, dass die Druckverluste in einer glykolbefüllten Anlage um 10–15% höher sind als bei Wasser — abhängig von der Glykolkonzentration und der Betriebstemperatur.

Bei der Auswahl einer Umwälzpumpe für eine Glykolanlage sind folgende Punkte zu berücksichtigen:

• Höherer erforderlicher Durchfluss — resultierend aus der geringeren spezifischen Wärme (wie oben gezeigt, bis zu 13% mehr).
• Größere Druckverluste — resultierend aus der höheren Viskosität des Mediums.
• Höhere Glykoldichte — die die hydraulische Belastung erhöht.

Infolgedessen muss die Pumpe für eine Glykolanlage eine um 15–25% höhere Leistung haben als eine Pumpe, die für eine identische, mit Wasser betriebene Anlage ausgewählt wurde. Dies sollte bereits in der Phase der Heizungsplanung berücksichtigt werden, um eine Unterdimensionierung zu vermeiden.

Einfluss von Glykol auf Wärmetauscher

Glykol beeinflusst auch die Leistung von Wärmetauschern — sowohl Platten- als auch Rohrschlangenwärmetauscher. Die geringere spezifische Wärme und die höhere Viskosität von Glykol verursachen:

• Verschlechterung des Wärmedurchgangskoeffizienten — um bis zu 15–20% im Vergleich zu Wasser.
• Die Notwendigkeit, die Wärmeübertragungsfläche zu vergrößern — um die gleiche Leistung zu erzielen, muss der Wärmetauscher mehr Platten oder eine längere Rohrschlange haben.
• Erhöhte Druckverluste auf der Glykolseite — was die Pumpe zusätzlich belastet.

Hersteller von Wärmetauschern geben in ihren Katalogen Korrekturfaktoren für verschiedene Glykolkonzentrationen an. Bei der Auswahl eines Wärmetauschers für eine Glykolanlage sollten diese Faktoren stets überprüft und das Gerät entsprechend überdimensioniert werden.

Glykol in Solaranlagen

In Solarkollektoranlagen ist die Verwendung von Glykol praktisch obligatorisch. Solarkollektoren und Rohrleitungen auf dem Dach sind im Winter Minustemperaturen und gleichzeitig im Sommer sehr hohen Temperaturen ausgesetzt (im Stagnationszustand sogar über 200°C).

In Solaranlagen wird Propylenglykol mit einer Konzentration verwendet, die Schutz bis mindestens -25°C bietet (in Polen — in den nordöstlichen Regionen sogar bis -35°C). Solarpräparate enthalten spezielle Korrosionsinhibitoren und thermische Stabilisatoren, die das Glykol vor Degradation bei hohen Temperaturen schützen.

Es ist zu beachten, dass Glykol in einer Solaranlage aufgrund der extremen Betriebsbedingungen schneller altert als in einer normalen Heizungsanlage. Hersteller empfehlen einen Austausch alle 3–5 Jahre bei Solaranlagen, während Glykol in typischen Heizungsanlagen 5–8 Jahre betrieben werden kann.

Auswahl der Glykolkonzentration

Die Glykolkonzentration wird auf Grundlage der minimal erwarteten Temperatur in der Anlage gewählt. Das Prinzip ist einfach: Die Kristallisationstemperatur der Lösung sollte mindestens 5°C niedriger sein als die niedrigste voraussichtliche Betriebstemperatur.

Praxisbeispiel

Wir planen eine Heizungsanlage in einer unbeheizten Garage in Zentralpolen. Die minimale Wintertemperatur kann auf -20°C sinken. Erforderliche Kristallisationstemperatur der Lösung:

Aus Tabelle 1 (Propylenglykol) lesen wir ab, dass für einen Schutz bis -25°C eine Konzentration von 42% erforderlich ist. Das bedeutet, dass für je 100 Liter Lösung 42 Liter reines Propylenglykol und 58 Liter Wasser benötigt werden. Das Volumen der Anlage kann mit dem Rohrvolumenrechner ermittelt werden.

Zu hohe Glykolkonzentrationen sollten nicht „auf Vorrat" verwendet werden. Eine Konzentration über 50% verursacht einen starken Anstieg der Viskosität (und damit der Strömungswiderstände), während die spezifische Wärme deutlich sinkt. Die optimale Konzentration ist diejenige, die den erforderlichen Frostschutz bei minimaler Verschlechterung der hydraulischen Eigenschaften gewährleistet.

Befüllung und Wartung von Glykolanlagen

Die Befüllung einer Anlage mit Glykol erfordert einen speziellen Ansatz, der sich vom Befüllen mit Wasser unterscheidet:

• Füllstation — Glykol wird mit Hilfe einer Hand- oder Elektropumpe mit einem entsprechenden Mischbehälter eingefüllt. Die fertige Lösung in der erforderlichen Konzentration wird vor dem Befüllen vorbereitet.
• Entlüftung — Glykol lässt sich aufgrund seiner höheren Viskosität schwerer entlüften als Wasser. Die Anlage muss in den ersten Tagen nach dem Befüllen mehrmals entlüftet werden.
• Fülldruck — Die höhere Dichte der Glykollösung muss bei der Druckeinstellung berücksichtigt werden. Bei der Auslegung des Membranausdehnungsgefäßes muss die erhöhte Ausdehnung von Glykol im Vergleich zu Wasser beachtet werden — der Ausdehnungskoeffizient von 42% Propylenglykol ist etwa 15–20% höher als der von Wasser.

Regelmäßige Kontrolle und Austausch

Glykol in einer Heizungsanlage hält nicht unbegrenzt. Mit der Zeit verliert es seine Schutzeigenschaften:

• Lebensdauer — in typischen Heizungsanlagen erfordert Glykol einen Austausch alle 5–8 Jahre. In Solaranlagen — alle 3–5 Jahre.
• Konzentrationskontrolle — alle 1–2 Jahre sollte die Glykolkonzentration mit einem Refraktometer überprüft werden. Ein Absinken der Konzentration unter das erforderliche Niveau bedeutet den Verlust des Frostschutzes.
• pH-Kontrolle — der pH-Wert der Lösung sollte 7,0–8,5 betragen. Ein Absinken unter 7,0 deutet auf die Erschöpfung der Korrosionsinhibitoren und die Notwendigkeit eines Glykolaustausches hin.
• Farbkontrolle — Nachdunkeln oder Trübung der Lösung signalisiert eine Degradation des Glykols.
• Korrosionsinhibitoren — fertige Glykolpräparate enthalten Inhibitoren, die die Anlage vor Korrosion schützen. Glykol sollte nicht mit normalem Leitungswasser verdünnt werden — es ist demineralisiertes oder enthärtetes Wasser zu verwenden.

Zusammenfassung

Anlagen, die keinen Kontakt mit Minustemperaturen haben, werden mit Wasser befüllt. Dies ist die optimale und einfachste Lösung — Wasser hat die höchste spezifische Wärme, die niedrigste Viskosität und ist am günstigsten. Bei Anlagen, die Frost ausgesetzt sind, empfiehlt sich die Verwendung von Propylenglykol — es ist sicher, wirksam und in gebrauchsfertigen Präparaten zum Verdünnen weit verbreitet.

Bedenken Sie, dass die Verwendung von Glykol die Berücksichtigung seiner Eigenschaften in jeder Planungsphase erfordert: von der Rohrdimensionierung über die Dimensionierung von Pumpen und Wärmetauschern bis hin zur Auslegung des Ausdehnungsgefäßes. Das Auslassen dieser Korrekturen ist ein häufiger Planungsfehler, der zu einer Unterbeheizung der Räume und einem erhöhten Energieverbrauch führt.

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