Druckhaltung und Expansion

Die Druckhaltung hält den Betriebsdruck in thermischen Netzen innerhalb sicherer Grenzen, indem sie die temperaturbedingte Volumenänderung des Wassers kompensiert und einen Mindestdruck gegen Kavitation und Verdampfung sicherstellt. Gängige Systeme sind das geschlossene Membranausdehnungsgefäß (statisch) und die Druckdiktierpumpe (dynamisch), wobei die Einbindung saugseitig (Vordruckhaltung), druckseitig (Nachdruckhaltung) oder als Mitteldruckhaltung erfolgen kann. Ein korrekter Druckverlauf im Netz setzt eine funktionierende Druckhaltung voraus — sie gehört zu den sicherheitsrelevanten Komponenten jedes Wärmenetzes.

Aufgaben der Druckhaltung

1. Druckbegrenzung: Den Druck an jeder Stelle des Systems in zulässigen Grenzen halten, um eine Überschreitung des maximal zulässigen Betriebsdrucks (MOP) zu verhindern
2. Volumenkompensation: Die temperaturbedingte Volumenänderung des Wärmeträgermediums ausgleichen
3. Mindestdruck sicherstellen: Zur Vermeidung von Kavitation, Verdampfung und Gaslöslichkeitsproblemen einen ausreichenden Mindestdruck gewährleisten

Druckhaltesysteme

Offenes Gefäß (historisch)

Bei der Druckhaltung mit offenem Hochgefäß wird ein offener Behälter an einem erhöhten Standort im Netz aufgestellt. Die Druckhaltung erfolgt durch den Luftdruck und die Gewichtskraft des Wassers.

Dieses System wird heute kaum noch eingesetzt, da das permanente Auftreten von Sauerstoff im System Korrosion begünstigt und ein geeigneter erhöhter Standort schwer zu finden ist.

Geschlossenes Gefäß (statische Druckhaltung)

Beim geschlossenen System wird ein komprimierbares Gaspolster als Druckhaltemittel genutzt. Bei Wasserverlusten drückt das Gas gegen die Wasseroberfläche im Ausgleichsbehälter und speist Wasser aus dem Behälter ins Netz nach.

Als Druckhaltetreibmittel wird ein inertes Gas (typischerweise Stickstoff) verwendet, um Korrosion zu vermeiden. Eine Membran trennt Gas und Wasser.

Dynamische Druckhaltung (Druckdiktierpumpe)

Die Druckdiktierpumpe ist zwischen Behälter und Netz eingebaut. Bei Wassermangel pumpt sie die fehlende Menge aus dem Behälter ins Netz. Ein Zurückströmen wird durch eine Rückschlagklappe verhindert. Bei steigendem Druck öffnet ein Überströmventil, damit Wasser aus dem Netz in den Behälter zurückfließen kann.

Einbindung der Druckhaltung

Die Position der Druckhalteanlage im System hat grundlegenden Einfluss auf den Druckverlauf. Es werden drei Varianten unterschieden:

Vordruckhaltung (Saugdruckhaltung)

Die Druckhaltung wird vor der Pumpe (saugseitig) eingebunden.

Vorteile:

• Geringes Ruhedruckniveau
• Einfachste und am häufigsten verwendete Variante
• Arbeitsdruck stets größer als Ruhedruck, keine Unterdruckgefahr

Nachteil:

• Bei hohem Pumpendruck (siehe Pumpenauslegung) kann der Arbeitsdruck im Netz hoch werden

Nachdruckhaltung

Die Druckhaltung wird nach der Pumpe (druckseitig) eingebunden.

Vorteil:

• Geringes Ruhedruckniveau, wenn nicht der gesamte Pumpendruck aufgebracht werden muss

Nachteil:

• Einhaltung des erforderlichen Zulaufdrucks für die Pumpe muss sichergestellt werden, sonst droht Kavitationsgefahr

Mitteldruckhaltung

Der Messpunkt für das Ruhedruckniveau wird durch eine Analogiemessstrecke in die Anlage “verlegt”. Ruhe- und Arbeitsdruckniveau können damit optimal aufeinander abgestimmt werden.

Vorteil:

• Optimale, variable Abstimmung von Arbeits- und Ruhedruck

Nachteil:

• Höherer apparatetechnischer Aufwand, nur für komplexe Anlagen gerechtfertigt

Expansionsvolumen

Das theoretische Expansionsvolumen eines thermischen Netzes ist das Nachspeisevolumen bei Energieabfuhr oder das Überströmvolumen bei Energiezufuhr:

mit:

• $V_0$: Gesamter Wasserinhalt des geschlossenen Systems [m³]
• $\rho_0$: Dichte bei Fülltemperatur [kg/m³]
• $\rho(T_1)$: Dichte bei maximaler Vorlauftemperatur [kg/m³]

Für die Berechnung des Expansionsvolumens muss der gesamte Wasserinhalt des Systems bekannt sein — einschließlich Wärmeübertrager, thermische Energiespeicher, Kessel und Rohrleitungen.

Die Wasservorlage kompensiert allfällige Wasserverluste im System und sollte ca. 0,5 % des Wasserinhalts $V_0$ betragen.

Nachspeisemassenstrom

Der Nachspeisemassenstrom ist abhängig von der zugeführten oder abgeführten Wärmeleistung, dem Volumenänderungskoeffizienten und der spezifischen Wärmekapazität des Mediums. Er ist relevant für die Auslegung des Überströmventils und der Druckdiktierpumpe.

Dimensionierungshinweise

Als ausreichende Regelgüte der Netzregelung gilt eine Druckschwankung von ± 0,2 bar. Innerhalb dieser Bandbreite muss die Nachspeisung sichergestellt werden.

Typische Nenndruckstufen für Komponenten:

Die Wahl der Nenndruckstufe hängt unmittelbar vom eingesetzten Rohrsystem ab. Rohrleitungen fallen nicht unter die Druckgeräteverordnung, wohl aber Komponenten wie Ventile, Sicherheitsventile, Filter, Wärmeübertrager und Behälter.

Fazit

Die Druckhaltung ist eine sicherheitskritische Komponente jedes thermischen Netzes. Eine sorgfältige Berechnung des Expansionsvolumens, die richtige Wahl des Druckhaltesystems und dessen korrekte Einbindung sind Grundvoraussetzungen für einen sicheren und störungsfreien Betrieb. Weitere Hinweise zur Umsetzung finden sich im AGFW-Arbeitsblatt FW 442.

Weiterführende Artikel: Druckverlauf im Netz und Druckschaubild — die Druckverteilung im Netz hängt unmittelbar von der Einbindung der Druckhaltung ab, Pumpenauslegung — Pumpe und Druckhalteanlage müssen aufeinander abgestimmt sein, Thermo-Hydraulische Simulation — Überprüfung der Druckverhältnisse durch gekoppelte Simulation.

Quellen und Normen

• AGFW FW 440 — Hydraulische Berechnung von Heizwasser-Fernwärmenetzen
• DIN 4747-1 — Fernwärmeanlagen — Sicherheitstechnische Anforderungen
• AGFW FW 442 — Druckhaltung in Heizwasser-Fernwärmenetzen