Heizwasser Wärmekapazität

Was ist Heizwasser? (1) – Warum Wasser Wärme weiterleitet

Ohne Wasser würde ein Großteil der Heizungen auf dem hiesigen Markt nicht laufen. Doch was ist das eigentlich für ein Wasser, das zwischen Wärmeerzeugern wie Pelletkesseln und Wärmeverteilern wie Heizkörpern & Co. die stete Runde macht? Warum eignet sich Wasser überhaupt zur Wärmeübertragung? Ist Heizwasser ein besonders aufbereitetes Wasser oder normales Wasser aus dem Hahn (Trinkwasser)? Ihr seht schon, es gibt viele Fragen zum Heizwasser. In einer kleinen Reihe versuchen wir, diese zu beantworten. Los geht’s mit Grundlagenwissen zu Wasser und seiner außerordentlichen Wärmeleitfähigkeit.

Über die Rolle von Heizwasser in der Heizungsanlage

In einer typischen Heizungsanlage gibt es einen Wärmeerzeuger, zum Beispiel einen Heizkessel, der mit Brennstoffen, darunter fossiles Heizöl oder Heizgas oder nachwachsendes Holz in Form von Holzpellets, befeuert wird, um Wärme zu produzieren. Diese Wärme wird über sogenannte Wärmetauscher an das Heizwasser übertragen, das sie durch die Heizrohre hindurch bis hin zu den Heizkörpern oder Flächenheizungen in Wand und Fußboden bringt, wo sie abgegeben wird, um den Raum zu erwärmen. Anschließend strömt das dabei abgekühlte Heizwasser zurück zum Wärmeerzeuger, der es erneut aufheizt. Dieser Prozess erfolgt stetig, so dass sich der sogenannte Heizkreislauf ergibt.

Das heißt, dass jede Heizungsanlage aus verschiedenen einzelnen Komponenten besteht, wobei

  • Wärmeerzeuger,
  • Heizungsrohre
  • sowie Wärmeverbraucher,

ihre technische und materielle Spezifik in die Anlage mitbringen und damit deren Funktionalität und Wirksamkeit begründen. Das alle Komponenten „verbindende“ Heizwasser spielt für Betrieb und Heizleistung eine bedeutende Rolle: Es sorgt für einwandfreien Betrieb und beste Heizleistung. Beide leiden, wenn das Heizwasser zum Beispiel verunreinigt ist. Dann kann

  • sich die Wärmekapazität des Heizwassers selbst verringern – und damit die Menge an Wärme, die das Heizwasser zu transportieren vermag.
  • es dazu kommen, dass sich in dem Heizwasser mitgeführte Verunreinigungen in der Heizungsanlage ablagern – und mit der Zeit somit lokale Schäden an der Ablagerungsstelle verursachen, die dort der reibungslosen Durchströmung Widerstand bieten, was den gesamten Durchfluss des Heizwassers stört.
  • sich Korrosion entwickeln.

Demnach steigt mit schmutzigem Heizwasser also das Risiko für

  • sowohl Betriebsstörungen
  • als auch Schäden an der Anlage.

Um das zu betonen: Die Rede ist hier also von Heizungsausfällen und kostenintensiven Reparaturen!

Doch es ist nicht nur der Anteil an Verunreinigungen, der die Wärmeübertragungsfähigkeit des Heizwassers beeinflusst. Auch

  • die Härte des Heizwassers,
  • der Anteil an Sauerstoff im Heizwasser
  • und der pH-Wert des Heizwassers

nehmen Einfluss darauf.

Maßgeblich werden die Eigenschaften des Heizwassers zudem von den Materialien bestimmt, die es während des Durchströmens der Anlage kontaktiert. Die Zahl unterschiedlicher Materialien, die im Heizungskreislauf verbaut sind, ist mit der Entwicklung moderner Heizungsanlagen gestiegen. Folgende Materialien sind heute häufig nebeneinander im Einsatz:

  • Kunststoffe
  • gummiartige Werkstoffe
  • Eisenmetalle (Sogenanntes Schwarzeisen, Verzinktes, Edelstahl)
  • Kupfer
  • Aluminium
  • Legierungen

Dazu muss man auch wissen, dass sich die Menge des Heizwassers, das tagtäglich seine Runden in unseren Anlagen dreht, im Laufe der Zeit deutlich erhöht hat. Das höhere Volumen (auch Anlagenvolumen genannt) ergibt sich beispielsweise aus der Einbindung neuer, moderner Anlagenkomponenten wie

in den Heizungskreislauf. Während durch die Anlage eines durchschnittlichen Einfamilienhauses vor 20, 25 Jahren zwischen 100 und 200 Liter Heizungswasser strömten, sind es dank der Weiterentwicklung heute 1.000 Liter und mehr. Daraus folgt, dass die Teile der Anlage, die mit dem ungünstigenfalls verunreinigten Mehr an Heizwasser in Berührung kommen, es auch mit einem Mehr an Schadstoffen darin zu tun bekommen.

Was macht Wasser zum Heizwasser?

Es klang schon an: Die Fähigkeit von Wasser, Wärme aufzunehmen und weiterzuleiten, macht es zum perfekten Wärmeüberträger. Grund genug, sich das mal genauer anzuschauen, oder? Die Frage ist: Wie gelingt es dem Wasser, seinen Wärmeüberträger-Job zu erledigen? Worauf beruht seine Wärmekapazität?

 Spezifische Eigenschaften von Wasser

  • Wasser ist anders als andere ihm homologe Stoffe über einen großen Temperaturbereich flüssig (bei Normalbedingungen zwischen 0 und 100 Grad Celsius).
  • Wasser hat unter Normalbedingungen bei plus 3, 98 Grad Celsius (sogenannte Anomalie) seine größte Dichte.
  • Wasser kommt als einziger Stoff auf der Erde in nennenswerter Menge in allen drei Aggregatzuständen (fest, flüssig, gasförmig) vor.
  • Flüssiges Wasser hat eine sehr hohe spezifische Wärmekapazität von 4.187 Joule pro Kilogramm mal Kelvin (J/(kg·K): Um einen Liter Wasser zum Kochen zu bringen, braucht’s 0,1 Kilowattstunde (kWh) Energie.
  • Reines Wasser leitet nicht (sogenannter Nichtleiter). Die Leitfähigkeit lässt sich steigern, indem man Salze in Wasser löst.
  • Wasser hat eine sehr große Oberflächenspannung.

Um die Wärmekapazität von Wasser zu begründen, lohnt ein Blick auf die molekulare Struktur flüssigen Wassers. Als kleinsten Grundbaustein desselben lässt sich ein sogenannter Wasser-Tetramer ausmachen. Wasser neigt zu einer räumlichen Vernetzung solcher Tetramere, wobei sich sogenannte Cluster, auch: Wassercluster, bilden. Diese autonomen Zusammenschlüsse sind meist von kurzlebiger Natur. Im Cluster bestehen große Zwischenräume zwischen den Molekülen, was sich auf die Dichte auswirkt. Gut zu wissen: Die Neigung zur Clusterbildung nimmt mit steigender Wassertemperatur ab. Bei steigender Temperatur zerfallen größere Wassercluster in kleinere.

Ohne allzu sehr in die Tiefe gehen zu wollen, lässt sich unser heutiges Wissen so zusammenfassen: Die Wärmekapazität von Wasser ist hoch, solange die Cluster weitgehend intakt und untereinander verschiebbar sind. Dieser Effekt nimmt bei Temperaturen oberhalb von 37 Grad Celsius schnell ab. Bei Temperaturen zwischen 38 und 42 Grad Celsius bricht Wassercluster für Wassercluster auf. Das heißt, dass immer weniger Wärmeenergie erforderlich wird, um die Wassertemperatur um ein Grad Celsius zu erhöhen.

Der sehr hohe Wärmekapazitätswert von Wasser heißt einerseits, dass vergleichsweise viel Energie nötig ist, um Wasser zu erwärmen. Andererseits heißt es aber auch, dass Wasser bei Abkühlung entsprechend große Energiemengen in Form von Wärme abgeben kann.

Nicht zuletzt ist Wasser aber auch deshalb ein beliebter Wärmeüberträger, weil es auf der Erde eine Menge davon gibt.

Nachhilfe bei der Wasserqualität für technische Zwecke

Wasser kommt in unterschiedlicher Qualität vor, hier werden drei Wasserklassen unterteilt:

Hartes Wasser

Hartes Wasser habe demnach viele Salze (Calcium und Magnesium) gelöst. Im Wesentlichen gebe es zwei Arten: Entweder bestünden die Salze Großteils aus Karbonaten, die bei hohen pH-Werten schwerlöslich seien und den gefürchteten Kesselstein aus Kalk bilden würden. Oder die Salze seien nicht so schwer löslich beziehungsweise bilden sie keine dicken, porösen Schichten.

Harte Wässer seien demnach als Trinkwasser beliebt. Wegen ihres hohen Gehalts an natürlichem Calcium sollen sie Osteoporose entgegenwirken. Außerdem sagt man ihnen einen positiven Einfluss auf den Säure-Basenhaushalt im Körper zu. Nicht zuletzt seien die Mineralien im Wasser Geschmacksbildner.

Ein wichtiger positiver Nebeneffekt bei hartem Wasser sei die sehr gute pH-Wert-Pufferwirkung des Kalks. Harte Wässer ließen sich demnach in der Regel in Gegenden mit großen Kalkgesteinlagerstätten finden. Das seien unter anderem das Schwäbisch-Fränkische Stufenland, die Kalkalpen, einige Bereiche der Mittelgebirge und Österreich.

Weiches Wasser

Weiche Wässer als natürliche Grundwässer seien generell arm an Mineralien. Sie kämen demnach vor allem in den Granitstöcken der alten  Mittelgebirge vor und enthielten nur sehr wenig Härte. Im Schwarzwald, im Harz und im Bayerischen Wald müsse oft sogar extra gehärtet (sozusagen aufgehärtet) werden, um die Vorgaben der Trinkwasserverordnung einzuhalten. Eine wichtige Ausnahme von dieser Regel (neben anderen) würden die Grundwässer in Küstennähe sein: Dort sei zwar oft auch wenig Wasserhärte vorhanden, die Salzfracht aus dem Meerwasser sei jedoch oft merklich.

Moorwasser

Moorwässer würden in Gebieten gewonnen, die reich an Mooren seien. Sie seien oft braun wegen der Säuren, in der Regel härte- und mineralarm, jedoch sauer. Diese Wässer sind als Wärmeträger für die Heizung ungeeignet. Huminsäuren, wie sie beispielsweise im österreichischen Waldviertel vorkommen, müssten demzufolge mit Hilfe von Sonderverfahren entfernt werden.

Die beschriebenen Wasserarten müssten mit verschiedenen Maßnahmen verändert werden, um sie in technischen Prozessen einsetzen zu können. Die Summe entsprechender Verfahren nennt man Wasseraufbereitung beziehungsweise Konditionierung des Wassers. Welcher Art und welchen Umfangs die Wasseraufbereitung ist, das hängt vom vorliegenden Wasser und den Anforderungen der damit zu befüllenden Anlage ab.

Welche konkreten Maßnahmen es gibt, um natürlich vorhandenes beziehungsweise angeliefertes Wasser für den technischen Einsatz in Heizungsanlagen aufzubereiten, das zeige ich euch im nächsten Artikel dieser Serie zu Heizwasser.

Foto: emanoo/photocase