Was passiert, wenn die Membran des Ausdehnungsgefäßes platzt? Symptome und Lösung

Das Ausdehnungsgefäß ist ein Druckbehälter, der mit einer flexiblen Membran das Wasser von einem komprimierbaren Luftpolster trennt und die Volumenänderung in der Anlage aufnimmt. Platzt die Membran, entfällt diese Trennung. Das Wasser gelangt in die Luftkammer; die Luft ist dagegen nach kurzer Zeit aufgebraucht, weil sie sich im Wasser löst oder über das Schraderventil entweicht. Zurück bleibt ein vollständig mit Wasser gefüllter, nicht komprimierbarer Stahlbehälter.

Die Tragweite des Ergebnisses bestimmt die Inkompressibilität des Wassers. Die volumetrische Kompressibilität von Wasser liegt in der Größenordnung von ca. 4,6 mal 10 hoch minus 5 geteilt durch bar; das heißt, 1 bar Druckanstieg verkleinert das Wasservolumen nur um 4,6 Hunderttausendstel. Ist ein 100-l-Behälter vollständig mit Wasser gefüllt, beträgt die für 2 bar Druckanstieg erforderliche Volumendifferenz 0,0092 Liter. Das ist weniger als ein Teelöffel. In der Praxis erfüllt der Behälter damit keinerlei Pufferfunktion mehr.

Bei der Druckerhöhungsanlage bedeutet das Folgendes: Die Pumpe läuft an, der Druck erreicht innerhalb von Sekunden die obere Schwelle, und sie schaltet ab. Bei der kleinsten Öffnung einer Zapfstelle fällt der Druck wiederum innerhalb von Sekunden auf die untere Schwelle, und die Pumpe läuft erneut an. Da das nutzbare Wasservolumen von der Größenordnung Liter auf die Größenordnung Milliliter sinkt, steigt die Zahl der Schaltspiele von etwa 20 pro Stunde auf 3–6 pro Minute, also auf 200–360 pro Stunde. Das ist ein Betriebszustand, den kein Motor auf Dauer verkraftet.

Auf der Heizungsseite fällt die Folge anders aus, folgt aber derselben Physik. Erwärmt sich das Wasser in einem geschlossenen Kreis von 10 °C auf 80 °C, nimmt sein Volumen um ca. 2,9 Prozent zu. In einer Anlage mit 500 Litern Wasser ist das eine Volumenzunahme von 14,5 Litern, und dieses Volumen muss irgendwohin können. Fällt das Ausdehnungsgefäß aus, wird versucht, diese 14,5 Liter allein durch die elastische Dehnung der Rohre aufzunehmen; der Druck steigt innerhalb von Sekunden auf den Einstellwert des Sicherheitsventils, und das Ventil öffnet.

Deshalb ist das erste sichtbare Gesicht der Störung häufig nicht der Behälter, sondern sein Nachbar: bei der Druckerhöhungsanlage ein Motor, der ständig an- und ausschaltet, in der Heizung ein tropfendes Sicherheitsventil. Statt den Behälter sofort zu beschuldigen, ist es die richtige Reihenfolge, zuerst das Symptom zu messen und dann den Behälter zu prüfen. Sehen Sie sich unser Sortiment an Komponenten für Heizung und Installationstechnik an. (Details: Heizung)

Das Ausdehnungsgefäß besteht aus einem Stahlgehäuse, einer im Gehäuse eingesetzten flexiblen Membran und einer Druckluftkammer hinter der Membran. Die Wasserseite wird über einen Flansch oder eine Verschraubung an die Anlage angeschlossen; die Luftkammer wird über das Schraderventil am gegenüberliegenden Ende des Gehäuses befüllt. Steigt der Anlagendruck, drückt das Wasser die Membran vor sich her und verdichtet die Luftkammer; sinkt der Druck, drückt die Luft die Membran zurück und gibt das Wasser an die Anlage ab.

Membrantypen lassen sich funktional in zwei Gruppen einteilen. Die Blasenmembran hält das Wasser vollständig in ihrem Inneren; das Wasser kommt nie mit dem Stahlgehäuse in Berührung, weshalb sie in Trinkwasserleitungen bevorzugt wird. Die Flächenmembran hingegen ist wie eine Platte, die das Gehäuse in zwei Hälften teilt; das Wasser füllt eine Hälfte des Gehäuses und steht in Kontakt mit der Stahlfläche. Die Flächenmembran wird in der Regel in geschlossenen Heizkreisen eingesetzt, weil dort das Wasser im geschlossenen Kreislauf läuft und keine Trinkwasseranforderung besteht.

Die Werkstoffwahl bestimmt die Lebensdauer unmittelbar. In Trinkwasserbehältern werden Membranen auf Butylkautschuk-Basis mit Nachweis der Lebensmitteleignung eingesetzt, und die Dauerbetriebstemperatur ist typischerweise auf 70 °C begrenzt. In Heizungsgefäßen sind Membranen auf EPDM-Basis verbreitet; sie bieten eine Beständigkeit in der Größenordnung von 70 °C im Dauerbetrieb und 100 °C kurzzeitig. Der Betriebsdruck der Membran richtet sich dagegen nicht nach dem Nenndruck des Gehäuses, sondern nach dem Wert auf dem Typenschild; bei einem Behälter mit 10-bar-Gehäuse ist eine niedrigere Membrangrenze nicht ungewöhnlich.

Auch die Anschlussart bestimmt die Wartbarkeit. Bei Behältern mit kleinem Volumen wird das Gehäuse aus zwei Teilen verpresst, und die Membran lässt sich nicht ausbauen; bei diesem Behälter ist ein Membrantausch nicht möglich. Bei Flanschbehältern dagegen kann die Membran hinter einem verschraubten Deckel entnommen werden. In der Praxis werden Behälter unter 60–80 Litern überwiegend mit fest eingebauter Membran gefertigt, größere überwiegend mit austauschbarer Membran. Alle Auswahlkriterien für Behälter finden Sie in unserem eigenen Ratgeber. (Details: Wie wählt man ein Ausdehnungsgefäß aus? Wo kommen Gefäße mit 24, 50, 100, 200 und 500 Litern zum Einsatz?)

Auf der Normenseite ist EN 13831 die Referenz; sie legt Auslegung, Werkstoffe und Prüfbedingungen für geschlossene Ausdehnungsgefäße mit Membran fest. Die allgemeine Planung geschlossener Heizungsanlagen fällt unter EN 12828, die Inbetriebnahme und der Betrieb von Trinkwasserinstallationen unter TS EN 806-3. Diese Normen geben das Behältervolumen nicht unmittelbar vor; sie legen fest, in welchen Grenzen die Berechnung zu erfolgen hat.

Eine geplatzte Membran an der Druckerhöhungsanlage erkennt man nicht an einem einzelnen Symptom, sondern an einem Bündel von Symptomen, die einander bestätigen. Das stärkste Anzeichen ist, dass die Pumpe bei einer geöffneten Zapfstelle in kurzen Abständen an- und ausschaltet. Das zweite starke Anzeichen ist, dass am Luftventil des Behälters statt Luft Wasser austritt. Treten diese beiden Symptome gemeinsam auf, ist die Diagnose praktisch eindeutig.

• Sehr häufiges Ein- und Ausschalten – Intakter Behälter: Bei einer geöffneten Zapfstelle läuft die Pumpe alle 30–90 Sekunden an; Geplatzte Membran: Die Pumpe läuft alle 5–20 Sekunden an und durchläuft mehr als einen Zyklus pro Minute
• Austritt am Schraderventil – Intakter Behälter: Beim Eindrücken des Ventilstifts kommt trockene Luft; Geplatzte Membran: Es kommen Wasser, feuchter Dunst oder rostige Tropfen
• Gewicht des Behälters – Intakter Behälter: Ein leeres 100-l-Gehäuse wiegt typischerweise 14–18 kg und lässt sich von einer Person anheben; Geplatzte Membran: Derselbe Behälter wiegt in der Größenordnung von 110 kg und lässt sich von Hand nicht bewegen
• Reaktion auf Klopfen – Intakter Behälter: Beim Klopfen auf das Gehäuse klingt der obere Teil hohl und satt; Geplatzte Membran: Überall ist ein voller, dumpfer Klang zu hören
• Verhalten des Manometers – Intakter Behälter: Beim Öffnen der Zapfstelle fällt der Druck langsam und linear; Geplatzte Membran: Der Druck fällt abrupt und steil
• Verhalten des Druckschalters – Intakter Behälter: Die Schalterkontakte schalten 15–25-mal pro Stunde; Geplatzte Membran: Die Kontakte schalten über 200-mal pro Stunde und brennen in kurzer Zeit ab
• Wasserschlag und Geräusche – Intakter Behälter: Anlauf und Stillstand verlaufen sanft; Geplatzte Membran: Bei jedem Stillstand sind ein Schlag in der Rohrleitung und Schlaggeräusche in der Größenordnung von 55–65 dB(A) zu hören

Die Membran ist nicht die einzige Ursache für die Beschwerde „Die Druckerhöhungsanlage schaltet zu häufig“, und diese Unterscheidung ist wichtig. Dasselbe Symptom zeigt sich auch bei einem Behälter mit abgesunkenem Vordruck, aber intakter Membran, bei einem undichten Rückschlagventil, bei einer Leckage in der Leitung oder bei einer zu eng eingestellten Schaltdifferenz des Druckschalters. Deshalb wird der Behälter nicht ohne Schraderventil-Test ausgetauscht. Die vollständige Abgrenzung der Fälle mit dauerlaufender Druckerhöhungsanlage finden Sie in unserem entsprechenden Ratgeber. (Details: Druckerhöhungsanlage läuft ständig und schaltet nicht ab: 10 mögliche Ursachen und Lösungen)

Die technische Antwort auf die Frage, wie oft eine Druckerhöhungsanlage pro Minute anlaufen darf, hängt von der Motorleistung ab. Bei einphasigen und kleinen dreiphasigen Motoren unter 4 kW gilt als Obergrenze 20–30 Schaltspiele pro Stunde, also höchstens ein halber Start pro Minute. Zwischen 4 und 7,5 kW gilt eine Grenze von 15–20, über 7,5 kW eine Grenze von 10–15 Schaltspielen pro Stunde. Mehr als ein Start pro Minute ist in keiner Leistungsklasse akzeptabel und zeigt, dass das Puffervolumen verloren gegangen ist.

Im Heizkreis zeigt sich eine geplatzte Membran im Unterschied zur Druckerhöhungsanlage nicht an der Zahl der Schaltspiele, sondern am Druckverhalten. Das unterscheidende Anzeichen ist, dass die Differenz zwischen dem Anlagendruck im kalten und im warmen Zustand ungewöhnlich groß wird. In einem gesunden geschlossenen Kreis liegt diese Differenz in der Größenordnung von 0,3–0,5 bar; ist die Membran außer Funktion, steigt die Differenz auf 1,5 bar und mehr und stößt sogar unmittelbar an den Einstellwert des Sicherheitsventils.

Das zweite Anzeichen ist die Beschwerde „Das Sicherheitsventil lässt Wasser ab“. Bei Kombithermen für Wohngebäude und Wandheizkesseln ist das Sicherheitsventil in der Regel auf 3 bar eingestellt, bei Etagenheizungen und Zentralheizungsanlagen auf 3–6 bar. Öffnet das Ventil in jedem Aufheizzyklus und lässt etwas Wasser ab, kann die Anlage die Volumenzunahme nicht anderweitig aufnehmen. Das erfordert zuerst die Prüfung des Ausdehnungsgefäßes; das Ventil auszutauschen bringt das Symptom nicht zum Verschwinden.

Das dritte Anzeichen ist, dass die Anlage beim Abkühlen Druck verliert. Das beim Aufheizen abgelassene Wasser kommt nicht zurück; kühlt der Kreis ab, schrumpft das Volumen, und das Manometer fällt unter 0,5 bar, manchmal in den roten Bereich. Der Nutzer füllt über den Füllhahn Wasser nach, und am nächsten Tag wiederholt sich derselbe Zyklus. Wenn man innerhalb einer Woche mehrmals Wasser nachfüllen muss, ist das ein klassisches Zeichen dafür, dass das Ausdehnungsgefäß geprüft werden sollte, bevor man nach einer Leckage sucht.

Das vierte Anzeichen zeigt sich auf der Seite der Kombitherme. Die Antwort auf die Frage, was passiert, wenn das Ausdehnungsgefäß der Kombitherme platzt, lautet: Innerhalb von 1–3 Minuten, nachdem das Gerät mit dem Aufheizen begonnen hat, stößt das Manometer an 3 bar, das Sicherheitsventil öffnet, und aus der Ablaufleitung fließt Wasser; bei einigen Modellen verriegelt das Gerät mit einer Hochdruck- oder Niederdruckstörung. Das werkseitige Gefäß in Kombithermen für Wohngebäude fasst typischerweise 6–10 Liter und ist bei Anlagen mit mehr als 120–150 Litern ohnehin am Limit; wird die Membran schwächer, fällt die Anlage sofort aus dem Grenzbereich.

Das fünfte Anzeichen ist das Geräusch. In einem Heizkreis ohne Puffer beansprucht die thermische Ausdehnung die Rohre; an Schellen und Durchführungen sind Knackgeräusche zu hören, beim Pumpenstillstand ein dumpfer Wasserschlag. Diese Geräusche sind für sich genommen kein Beweis für die Membran, verstärken aber die Diagnose, wenn sie zusammen mit den Druckschwankungen auftreten. Sehen Sie sich unsere Gruppe Anschlusselemente und Rohrleitungsmaterial für die Installation an. (Details: Installationstechnik)

Der Schraderventil-Test besteht darin, den Ventilstift in der Luftkammer des Behälters einzudrücken und zu beobachten, was aus der Kammer austritt; er ist der Goldstandard der Membrandiagnose. Kommt trockene Luft, ist die Membran intakt. Kommen Wasser, feuchter Dunst oder rostige Tropfen, ist die Membran durchlöchert; das Wasser ist in die Luftkammer gelangt, in die es nicht gehört. Das ist die Ein-Satz-Antwort auf die Frage, wie man erkennt, dass die Membran des Ausdehnungsgefäßes geplatzt ist.

Der Test wird in dieser Reihenfolge durchgeführt. Zuerst wird die Stromversorgung von Pumpe oder Heizkessel unterbrochen. Dann wird der Kugelhahn auf der Wasserseite des Behälters geschlossen und der Druck über den Entleerungshahn unter dem Behälter auf null abgelassen; man wartet, bis das Manometer null anzeigt. Anschließend wird die Ventilkappe abgenommen und der Ventilstift 2–3 Sekunden lang mit einer Stiftspitze oder einem geeigneten Ventilschlüssel eingedrückt. Das austretende Medium wird mit Auge und Hand beurteilt.

Es gibt drei Fälle, in denen der Test falsch durchgeführt wird, und alle drei liefern ein fehlerhaftes Ergebnis. Erstens: das Ventil zu drücken, während die Anlage unter Druck steht; dann ist das austretende Luftgeräusch so laut, dass die darin enthaltene Feuchtigkeit nicht auffällt. Zweitens: den Ventilstift nur eine halbe Sekunde zu drücken; im oberen Teil der Luftkammer kann eine kleine Luftblase verbleiben, sodass zunächst Luft kommt und das Wasser erst einige Sekunden später ankommt. Drittens: den Behälter aus seiner senkrechten Lage zu kippen und so zu testen; die Lage des Wassers ändert sich, und das Ergebnis ist irreführend.

Der Befund „Am Schraderventil des Ausdehnungsgefäßes tritt Wasser aus“ genügt für sich allein, aber es gibt noch zwei weitere Bestätigungsmethoden. Die erste ist die Wiegemethode: Ein wasserseitig entleerter Behälter sollte nahe dem Leergewicht auf seinem Typenschild liegen. Das Leergewicht eines 100-l-Behälters liegt je nach Baureihe in der Größenordnung von 14–18 kg; wiegt derselbe Behälter über 100 kg, ist er mit Wasser gefüllt. Die Beobachtung „Das Ausdehnungsgefäß ist schwerer geworden“ fällt besonders bei kleinen Behältern mit 24 Litern und weniger sogar dem Nutzer selbst auf; ein 24-l-Behälter wiegt dann 28–30 kg statt 4–6 kg.

Der Vordruck ist der Druck, der in der Luftkammer abgelesen wird, wenn der Behälter wasserseitig vollständig entleert ist, und er bestimmt das gesamte Verhalten des Behälters. Die Messung erfolgt unbedingt bei drucklos gemachter Wasserseite; steht die Anlage unter Druck, ist der am Schraderventil abgelesene Wert nicht der Vordruck, sondern ein Abbild des Anlagendrucks. Diese Unterscheidung wird vor Ort am häufigsten übersehen und führt dazu, dass intakte Behälter unnötig ausgetauscht werden.

Das Messergebnis weist auf drei verschiedene Bilder hin. Erstens: Liegt der Vordruck um mehr als 0,2 bar unter dem Zielwert und fällt er nach dem Aufladen innerhalb weniger Wochen erneut ab, liegt in der Luftkammer eine Leckage vor; die Leckage stammt entweder vom Ventileinsatz des Schraderventils, von der Schweißnaht oder von der Membran. Zweitens: Hält das Schraderventil überhaupt keinen Druck und tritt beim Messen Wasser aus, ist die Membran geplatzt. Drittens: Ist der Vordruck korrekt, bestehen die Symptome aber fort, liegt das Problem nicht im Behälter, sondern im Behältervolumen oder in der Einstellung des Druckschalters.

Um die Stelle der Leckage zu finden, wird der Schaumtest eingesetzt. Die Luftkammer wird auf den Zielwert aufgeladen, und Ventil sowie Schweißnähte des Gehäuses werden mit Seifenwasser benetzt. Bilden sich am Ventil Bläschen, wird der Ventileinsatz ausgetauscht; da dies derselbe Standard wie bei einem Autoreifenventil ist, dauert es nur wenige Minuten. Zeigen sich an der Schweißnaht Bläschen, ist das Gehäuse Schrott und der Behälter wird erneuert. Zeigen sich nirgends Bläschen und fällt der Druck dennoch ab, geht die Luft durch die Membran ins Wasser über.

Dass der Vordruck von selbst sinkt, ist unterhalb einer bestimmten Rate normal. Eine Gasdiffusion in der Größenordnung von 5–10 Prozent pro Jahr durch Butyl- und EPDM-Membranen ist ein erwartetes Verhalten; deshalb wird im Wartungsplan festgehalten, den Vordruck einmal jährlich zu messen und nachzufüllen. Ein Vordruck, der innerhalb eines Jahres auf die Hälfte fällt, ist dagegen keine normale Diffusion, sondern eine echte Leckage. Das gesamte Thema Vordruck und markenbezogene Einstellwerte finden Sie in unserem entsprechenden Ratgeber. (Details: Druckerhöhungsanlage: Wie viel bar Luftdruck muss das Ausdehnungsgefäß haben?)

Die Antwort auf die Frage, wie ein Ausdehnungsgefäß geprüft wird, ist ein in sich geschlossener Ablauf aus acht Schritten. Der Ablauf beginnt mit dem günstigsten und am besten umkehrbaren Schritt; ein Teiletausch kommt erst im letzten Schritt in Betracht. Am Ende jedes Schritts wird eine Entscheidung getroffen, und unnötige Schritte werden übersprungen.

• Schritt 1 – Das Symptom mit Zahlen festhalten: Notieren Sie, in welchem Abstand in Sekunden die Pumpe bei geöffneter Zapfstelle anläuft oder auf wie viel bar das Manometer beim Aufheizen steigt
• Schritt 2 – Strom abschalten: Schalten Sie bei der Druckerhöhungsanlage den Schalter am Schaltschrank aus, bei der Heizung die Versorgung von Heizkessel oder Kombitherme
• Schritt 3 – Den Behälter von der Anlage trennen: Schließen Sie den Kugelhahn auf der Wasserseite, öffnen Sie den Entleerungshahn und prüfen Sie, dass das Manometer null anzeigt
• Schritt 4 – Den Schraderventil-Test durchführen: Drücken Sie den Ventilstift 2–3 Sekunden lang und stellen Sie fest, ob trockene Luft oder Wasser austritt
• Schritt 5 – Den Vordruck messen: Lesen Sie den Luftkammerdruck mit einem kalibrierten Manometer ab und vergleichen Sie ihn mit dem Zielwert
• Schritt 6 – Gewichts- und Klangprüfung: Rütteln Sie den Behälter oder klopfen Sie von oben nach unten auf das Gehäuse, um die Grenze zwischen Wasser und Luft zu finden
• Schritt 7 – Schaumtest: Laden Sie auf den Zielwert auf und prüfen Sie Ventil und Schweißnähte mit Seifenwasser
• Schritt 8 – Entscheidung: Kam Wasser, ist es die Membran; bildeten sich Bläschen, ist es eine Leckage; gibt es beides nicht, liegt das Problem beim Volumen oder bei der Schaltereinstellung

Während des Tests ist die Sicherheit an zwei Punkten kritisch. Erstens ist zu bedenken, dass das Wasser beim Trennen des Behälters vom warmen Heizkreis 70–80 °C haben kann; die Entleerung zu öffnen, ohne die Anlage abzukühlen, birgt Verbrühungsgefahr. Zweitens werden die Flanschschrauben eines Druckbehälters niemals unter Druck berührt; ein Deckel, der geöffnet wird, ohne dass der Vordruck auf null abgelassen wurde, führt zu schweren Verletzungen. Alle Positionen der regelmäßigen Wartung finden Sie in unserem Ratgeber. (Details: Pumpenwartung)

Die Membran ist ein Element, das in einer korrekt installierten Anlage zehn Jahre und länger arbeitet. Ein vorzeitiges Platzen ist fast immer die Folge einer Beanspruchung von außen. Die Grundursachen lassen sich in sieben Punkten zusammenfassen, und sechs davon lassen sich durch Betriebsentscheidungen beseitigen.

• Falscher Vordruck – Ist der Vordruck zu niedrig, dehnt sich die Membran bei jedem Zyklus vollständig aus und stößt an die Gehäusewand; ist er zu hoch, öffnet sich die Membran nie und wird ständig an derselben engen Stelle geknickt. In beiden Fällen konzentriert sich die Ermüdung auf einen einzigen Punkt
• Übermäßige Schaltspielzahl – In einer Anlage, die statt 20 pro Stunde 200 Zyklen durchläuft, steigt die Gesamtzahl der Membranbewegungen auf das Zehnfache; die zehnjährige Lebensdauer sinkt auf ein Jahr
• Chemische Alterung – 0,2–0,5 mg/l freies Chlor im Leitungswasser und schwefelhaltige Verbindungen im Brunnenwasser lassen den Butylkautschuk mit der Zeit verhärten; eine verhärtete Membran dehnt sich nicht mehr, sondern reißt
• Überschreiten der Temperatur – Wird im Trinkwasserbehälter die Grenze von 70 °C und im Heizungsgefäß die Dauergrenze von 70 °C überschritten, sinkt die Zugfestigkeit der Membran rasch; eine Montage nahe dem Rücklauf des Warmwasserspeichers ist die klassische Form dieses Fehlers
• Falsche Einbaulage – Bei einem Behälter, der mit dem Ventil nach unten oder frei hängend in horizontaler Achse montiert ist, hängt die Membran unter dem Gewicht des eigenen Wassers dauerhaft in eine Richtung durch und reißt im Flanschbereich
• Überschreiten der Druckgrenze – In Leitungen, in denen der Netzdruck 6 bar übersteigt, oder in Anlagen, die ohne Druckminderer angeschlossen sind, arbeitet der Behälter oberhalb seines eigenen Nenndrucks
• Wasserschlag und Frost – Der Druckstoß von 10–15 bar, den eine schlagartig schließende Armatur erzeugt, kann die Membran mit einem Schlag zerreißen; in Außenbehältern, die im Winter nicht entleert werden, zerstört gefrierendes Wasser die Membran

Die Grenze beim Netzdruck muss gesondert betrachtet werden. In einigen höher gelegenen Stadtteilen Istanbuls erreicht der Netzdruck 6–8 bar; ein Behälter, der an dieser Leitung ohne Druckminderer angeschlossen wird, ist dauerhaft über seinem eigenen Nennwert belastet. Zur Auswahl des Druckminderers und zur Logik seiner Einstellung haben wir einen eigenen Ratgeber. (Details: Wie wählt man einen Honeywell/Resideo Druckminderer aus?)

Die Wirkung des Vordrucks auf das nutzbare Wasservolumen ist nicht linear, und deshalb haben kleine Abweichungen große Folgen. Die Beziehung ergibt sich aus dem Gesetz von Boyle: Das Produkt aus Druck und Volumen in der Luftkammer ist konstant. Werden das Gesamtvolumen des Behälters Vt, der Vordruck p0, die untere Schwelle p1 und die obere Schwelle p2 in bar absolut angegeben, so ergibt sich das nutzbare Wasservolumen Vf gleich Vt mal p0 mal p2 minus p1 geteilt durch p1 mal p2.

Das Zahlenbeispiel beginnt mit der korrekten Einstellung. Ein 200-l-Druckbehälter einer Druckerhöhungsanlage sei so eingestellt, dass der Druckschalter bei 3,0 bar einschaltet und bei 5,0 bar ausschaltet. Die absoluten Entsprechungen sind p1 gleich 4,0 bar und p2 gleich 6,0 bar. Gemäß der Vordruckregel wird der Vordruck 0,2–0,3 bar unter der unteren Schwelle eingestellt, also auf 2,7 bar; die absolute Entsprechung ist p0 gleich 3,7 bar.

Ergebnis: Vf gleich 200 mal 3,7 mal 6,0 minus 4,0 geteilt durch 4,0 mal 6,0 gleich 200 mal 3,7 mal 2 geteilt durch 24 gleich 61,7 Liter. Das heißt: Der 200-l-Behälter liefert bei richtiger Einstellung 61,7 Liter nutzbares Wasser. Bei einer Pumpe mit 6 m³/h Volumenstrom entspricht das ca. 37 Sekunden ununterbrochenem Verbrauch, ohne dass die Pumpe läuft.

Senken wir nun den Vordruck statt auf 2,7 bar auf 1,0 bar; das ist ein üblicher Wert bei einem Behälter, der jahrelang nicht gemessen wurde. Es ergibt sich p0 gleich 2,0 bar, und Vf gleich 200 mal 2,0 mal 2 geteilt durch 24 gleich 33,3 Liter. Das nutzbare Volumen ist von 61,7 Litern auf 33,3 Liter gesunken, also um 46 Prozent. Bei gleichem Verbrauch verdoppelt sich die Zahl der Schaltspiele ungefähr, und auch die jährliche Zahl der Membranbewegungen verdoppelt sich.

Platzt die Membran, wird p0 praktisch 0, und Vf sinkt auf null; übrig bleibt nur ein Volumen in der Größenordnung von 0,018 Litern, das aus der Kompressibilität des Wassers stammt. Bei einem Puffer, der von 61,7 Litern auf 0,018 Liter fällt, vervielfacht sich die Zahl der Schaltspiele um mehr als das Dreitausendfache. Der Motor hält das einige Tage aus, die Kontakte des Druckschalters brennen dagegen meist früher ab.

Das Behältervolumen ist keine willkürliche Wahl, sondern das Ergebnis einer Rechnung, die vom Ziel für die Schaltspielzahl aus rückwärts gelöst wird. Zuerst wird die zulässige Schaltspielzahl z festgelegt, dann das erforderliche nutzbare Volumen Vf ermittelt, und zuletzt wird das Behältervolumen Vt berechnet. Kehrt man die Reihenfolge um, kauft also zuerst den Behälter und betrachtet danach die Schaltspielzahl, ist das Ergebnis fast immer ein kleiner Behälter.

Die Beziehung für das nutzbare Volumen lautet Vf gleich Q geteilt durch 4 mal z. Dabei ist Q der Pumpenvolumenstrom in m³/h, z die zulässige Schaltspielzahl pro Stunde und Vf in m³ angegeben. Die Division durch vier ist die mathematische Entsprechung des ungünstigsten Füll-Entleer-Szenarios bei einer Einpumpenanlage. Beispiel: Für Q gleich 6 m³/h und z gleich 20 ist Vf gleich 6 geteilt durch 4 mal 20 gleich 0,075 m³, also 75 Liter.

Das Behältervolumen wiederum ergibt sich aus der Beziehung Vt gleich Vf mal p1 mal p2 geteilt durch p0 mal p2 minus p1. Werden im selben Beispiel p0 gleich 3,7, p1 gleich 4,0 und p2 gleich 6,0 bar absolut angesetzt, ergibt sich Vt gleich 75 mal 4,0 mal 6,0 geteilt durch 3,7 mal 2,0 gleich 1800 geteilt durch 7,4 gleich 243 Liter. Aus dem Katalog wird das nächsthöhere Standardvolumen gewählt, also ein 300-l-Behälter.

Das zweite Beispiel ist eine kleinere Anlage für ein Wohngebäude. Es sei Q gleich 3 m³/h, das Ziel z gleich 15 Schaltspiele pro Stunde, der Schalter schalte bei 2,5 bar ein und bei 4,0 bar aus. Vf gleich 3 geteilt durch 4 mal 15 gleich 0,05 m³, also 50 Liter. Die absoluten Werte sind p1 gleich 3,5, p2 gleich 5,0, und bei einem Vordruck von 2,3 bar ist p0 gleich 3,3 bar. Vt gleich 50 mal 3,5 mal 5,0 geteilt durch 3,3 mal 1,5 gleich 875 geteilt durch 4,95 gleich 176,8 Liter; die Wahl fällt auf einen 200-l-Behälter.

Der stärkste Hebel der Rechnung ist der Druckbereich. Im selben Beispiel macht es p2 zu 5,5, wenn man die obere Schwelle von 4,0 bar auf 4,5 bar anhebt, und Vt sinkt auf 50 mal 3,5 mal 5,5 geteilt durch 3,3 mal 2,0 gleich 146,2 Liter. Das heißt: Die Schaltdifferenz von 1,5 bar auf 2,0 bar zu öffnen, verkleinert das erforderliche Behältervolumen um 17 Prozent. Der Preis für die Vergrößerung der Schaltdifferenz sind stärkere Druckschwankungen an der Zapfstelle; zwischen Komfort und Volumen wird bewusst ein Gleichgewicht hergestellt.

Bei Anlagen mit Frequenzumrichter ändert sich die Gleichung vollständig. Da eine drehzahlvariable Druckerhöhungsanlage den Volumenstrom so regelt, dass der Druck konstant bleibt, ist die Schaltspielzahl ohnehin niedrig; bei diesen Anlagen wird der Behälter nur eingesetzt, um den Wasserschlag zu dämpfen und kleine Leckagen auszugleichen, und mit 8–24 Litern gewählt. Integrierte drehzahlvariable Geräte wie die Grundfos SCALA2 sowie die Modelle der Wilo-Druckerhöhungsanlagen mit Umrichter gehören zu dieser Klasse. Die Funktionsweise des Frequenzumrichters finden Sie in unserem Ratgeber. (Details: Pumpe mit Frequenzumrichter: Was ist das? Spart sie wirklich Strom?)

Die Antwort auf die Frage, ob sich die Membran eines Ausdehnungsgefäßes austauschen lässt, hängt von der Bauart des Behälters ab. Bei Flanschbehältern, also Behältern mit verschraubtem Deckel, wird die Membran als gesondertes Ersatzteil geliefert und getauscht. Bei Behältern mit verpresstem, festem Gehäuse lässt sich die Membran dagegen nicht ausbauen; bei diesen Behältern ist die einzige Lösung die vollständige Erneuerung des Behälters. Die Grenze liegt in der Praxis bei ca. 60–80 Litern, die Entscheidung wird jedoch anhand des Gehäusetyps auf dem Typenschild getroffen.

• Anwendbarkeit – Membrantausch: nur bei Flanschgehäusen mit austauschbarer Membran möglich; Behältererneuerung: bei jedem Typ möglich
• Arbeitsdauer – Membrantausch: typischerweise 1–2 Stunden, nachdem der Behälter von der Anlage getrennt wurde; Behältererneuerung: einschließlich Anschluss- und Aufhängearbeiten ein halber Tag
• Kostenpositionen – Membrantausch: Membran, Flanschdichtung, Schraubensatz, Arbeitsleistung; Behältererneuerung: neuer Behälter, Anschlussarmaturen, flexible Verbindung, Transport, Montagearbeit und Entsorgung des alten Gehäuses
• Zustand des Gehäuses – Membrantausch: sinnvoll, wenn die Gehäuseinnenfläche korrosionsfrei ist; Behältererneuerung: zwingend bei Rost, Blasenbildung oder Leckage an der Schweißnaht
• Hygiene – Membrantausch: in der Trinkwasserleitung muss die Membran einen Nachweis der Lebensmitteleignung besitzen; Behältererneuerung: Der neue Behälter wird mit seinem Nachweis geliefert
• Änderung des Fassungsvermögens – Membrantausch: Das Volumen bleibt gleich, das Problem der Schaltspielzahl wird nicht gelöst; Behältererneuerung: bietet die Gelegenheit, das Volumen zu vergrößern; der Behälter wird nach dem Ziel für die Schaltspielzahl neu dimensioniert
• Passt zu wem – Membrantausch: Flanschbehälter über 100 Litern, deren Volumen bereits korrekt berechnet ist und deren Gehäuse intakt ist; Behältererneuerung: Behälter mit kleinem Volumen und festem Gehäuse, verrostete Behälter und Anlagen, deren Schaltspielzahl ohnehin hoch ist

Die Entscheidungsregel ist eindeutig. Ist der Behälter ein Flanschbehälter, das Gehäuse intakt und das vorhandene Volumen ausreichend für die Schaltspielrechnung, ist der Membrantausch die richtige Wahl; die Anlage kehrt innerhalb weniger Stunden zu ihrer früheren Leistung zurück. Hat der Behälter ein festes Gehäuse, liegt am Gehäuse Korrosion vor oder ist das vorhandene Volumen ohnehin unzureichend, verschiebt ein Membrantausch das Problem nur. Im zweiten Fall wird der Behälter erneuert, wobei die Volumenberechnung dieses Ratgebers erneut durchgeführt wird.

Bei den Marken ist ein Punkt ausdrücklich zu nennen: Pomeka Mekanik liefert die Marken Reflex und Zilmet nicht. Heizungsgefäße wie die Serie Reflex N und Zilmet Cal-Pro werden in der Branche häufig genannt; in unserem Sortiment sind ihre funktionalen Entsprechungen die Ausdehnungsgefäß-Serien von Wates und die geschlossenen Ausdehnungsgefäße aus Kodsan-Produktion, auf Seiten der Druckerhöhungsanlagen die eigenen Behälteroptionen der Druckerhöhungsanlagen von Grundfos und Wilo. Den technischen Vergleich beider Marken finden Sie in unserem entsprechenden Beitrag. (Details: Reflex oder Zilmet? Worauf bei der Auswahl eines Ausdehnungsgefäßes achten?)

Die Antwort auf die Frage, wie viel bar Vordruck das Ausdehnungsgefäß haben muss, unterscheidet sich je nach Anwendung. Bei der Druckerhöhungsanlage wird der Vordruck 0,2–0,3 bar unter dem Einschaltwert des Druckschalters eingestellt. In der Heizung wird der Vordruck dagegen bestimmt, indem zum Gegenwert der statischen Höhe von der Höhenlage des Behälters bis zum höchsten Heizkörper ein Sicherheitszuschlag von 0,3 bar addiert wird.

Beispiel Druckerhöhungsanlage: Ist der Schalter auf 3,0 bar Einschalt- und 5,0 bar Ausschaltwert eingestellt, muss der Vordruck 2,7–2,8 bar betragen. Wird die Schaltereinstellung später geändert, wird auch der Vordruck geändert; beide hängen voneinander ab und werden nicht einzeln eingestellt. Den Vordruck unverändert zu lassen und den Schalter auf 4,0 bar anzuheben, verschiebt das nutzbare Volumen des Behälters an einen anderen Punkt, als die Rechnung vorsieht.

Heizungsbeispiel: Liegt der Heizraum im Keller und der Heizkörper im obersten Geschoss 15 m über dem Gefäß, beträgt der Gegenwert der statischen Höhe 15 geteilt durch 10,2 gleich ca. 1,47 bar. Dazu wird ein Zuschlag von 0,3 bar addiert, und der Vordruck wird auf 1,8 bar eingestellt. Im selben Gebäude das Gefäß mit 0,5 bar zu betreiben, bedeutet Unterdruck in den Heizkörpern im obersten Geschoss, Ausgasen gelöster Gase und dauerhaft Luft im System. Zur vollständigen Volumenberechnung auf der Heizungsseite haben wir einen eigenen Ratgeber. (Details: Berechnung des Ausdehnungsgefäßes)

Das Einstellen erfolgt in sechs Schritten. Erstens wird die Stromversorgung der Anlage unterbrochen, und in der Heizung wird der Kreis abgekühlt. Zweitens wird die Armatur auf der Wasserseite des Behälters geschlossen und der Behälter durch Öffnen der Entleerung wasserseitig vollständig entleert. Drittens wird die Ventilkappe abgenommen und der aktuelle Wert mit einem kalibrierten Manometer abgelesen. Viertens wird, wenn der Wert zu niedrig ist, mit Kompressor oder Handpumpe bis zum Zielwert aufgeladen; ist er zu hoch, wird er am Ventilstift schrittweise abgelassen.

Der fünfte Schritt ist die Überprüfung: 10 Minuten nach Ende des Aufladens wird der Druck erneut abgelesen, und es zeigt sich, dass er nicht fällt. Der sechste Schritt ist die Inbetriebnahme: Die Entleerung wird geschlossen, die Armatur auf der Wasserseite langsam geöffnet, und die Anlage wird unter Druck gesetzt. Zum Aufladen kann eine Autoreifenpumpe verwendet werden, bei Werten über 4 bar reicht eine Handpumpe jedoch nicht aus, und es ist ein kleiner Kompressor nötig. Die Messung erfolgt unbedingt mit einem Manometer mit einer Auflösung von 0,1 bar; grobe Anzeigen wie an Tankstellen weisen Fehler von bis zu 0,5 bar auf.

Die Kontrolle nach dem Einstellen ist einfach. Bei der Druckerhöhungsanlage wird bei einer geöffneten Zapfstelle gemessen, in welchem Abstand in Sekunden die Pumpe anläuft; der Wert muss zum berechneten nutzbaren Volumen passen. In der Heizung wird die Anlage vollständig aufgeheizt und bestätigt, dass die Differenz zwischen kaltem und warmem Druck im Bereich von 0,3–0,5 bar bleibt. Liegt die Differenz weiterhin über 1 bar, ist das Behältervolumen unzureichend, und die Berechnung wird erneut durchgeführt.

Der Ausfall des Ausdehnungsgefäßes im Heizkreis ist kein Komfortproblem, sondern ein Problem der Sicherheitskette. Das letzte Glied der Kette ist das Sicherheitsventil, und wenn dieses Glied jeden Tag mehrfach anspricht, arbeitet die Anlage außerhalb der Auslegung. Das Sicherheitsventil ist nicht dafür ausgelegt, ständig zu öffnen und zu schließen, sondern dafür, den Heizkessel bei einem einmaligen Überdruckereignis zu schützen.

Die Größe des Druckanstiegs zeigt sich in der Rechnung. In einem Kreis mit 500 Litern Wasser ergibt die Erwärmung von 10 °C auf 80 °C eine Volumenzunahme von 2,9 Prozent, also 14,5 Liter. Da die Kompressibilität des Wassers 4,6 mal 10 hoch minus 5 geteilt durch bar beträgt, beläuft sich der Druckanstieg, der nötig wäre, um dieses Volumen allein durch Komprimieren aufzunehmen, auf 0,029 geteilt durch 0,000046 gleich ca. 630 bar. In Wirklichkeit begrenzen die elastische Dehnung der Rohre und Leckagen diesen Wert, aber das Ergebnis ändert sich nicht: Der Druck stößt innerhalb von Sekunden an den Einstellwert des Ventils.

Das richtige Behältervolumen ergibt sich im selben System wie folgt. Das Ausdehnungsvolumen Ve gleich 500 mal 0,029 gleich 14,5 Liter. Die Wasservorlage Vs wird mit 0,5 Prozent des Anlagenvolumens oder mindestens 3 Litern angesetzt; hier sind es 3 Liter. Der Vordruck beträgt 1,5 bar, also 2,5 bar absolut; der Enddruck liegt 0,5 bar unter dem Einstellwert des Sicherheitsventils, also bei 2,5 bar Überdruck und 3,5 bar absolut. Vn gleich 14,5 plus 3 mal 3,5 geteilt durch 3,5 minus 2,5 gleich 17,5 mal 3,5 gleich 61,3 Liter; die Wahl fällt auf einen 80-l-Behälter.

Der zweite, tückischere Preis des häufigen Ansprechens des Sicherheitsventils ist das Füllwasser. Eine Anlage, die bei jedem Zyklus 1,5 Liter Wasser ablässt und vier Zyklen pro Tag durchläuft, nimmt pro Monat ca. 180 Liter frisches Wasser auf. Der im frischen Wasser gelöste Sauerstoff bildet an der Innenfläche der Heizkörper Magnetit; die Wasserhärte hinterlässt Kalk an der Oberfläche des Wärmeübertragers. Jede 1 mm dicke Kalkschicht senkt die Wärmeübertragung um ca. 10 Prozent, und der Brenner läuft länger, um dieselbe Wärme abzugeben.

Das Risiko auf der Seite des Heizkessels hat drei Aspekte. Erstens erzeugen Druckschwankungen Ermüdungsrisse an den Schweißbereichen des Wärmeübertragers. Zweitens bleibt das Gerät an der Niederdrucksicherung hängen und verriegelt, sodass die Heizung mitten in der Nacht ausfällt. Drittens steigt wegen des angesammelten Kalks die Oberflächentemperatur des Wärmeübertragers, und der Wirkungsgrad sinkt, begleitet von lokalen Siedegeräuschen. Auf der Seite des Sicherheitsventils sind das Caleffi-Sortiment an Sicherheitsventilen und die Serien von Watts mit Membran-Ausdehnungsgefäßen häufig verwendete Lösungen.

Der Druckbehälter einer Druckerhöhungsanlage und das Ausdehnungsgefäß der Heizung sehen von außen ähnlich aus, erfüllen aber zwei verschiedene Aufgaben. Der Druckbehälter speichert nutzbares Wasservolumen, um die Schaltspielzahl der Pumpe zu begrenzen. Das Heizungsgefäß bietet dagegen leeres Volumen, um das durch die Erwärmung wachsende Wasservolumen aufzunehmen. Dieser Unterschied ändert alles, vom Membranwerkstoff bis zum Einbauort, und die beiden Behälter lassen sich nicht gegeneinander austauschen.

• Aufgabe – Druckbehälter: speichert nutzbares Wasservolumen und senkt die Schaltspielzahl; Heizungsgefäß: nimmt das thermische Ausdehnungsvolumen auf und begrenzt den Druck
• Membranwerkstoff – Druckbehälter: für Trinkwasser geeigneter Butylkautschuk, Nachweis für Lebensmittelkontakt zwingend; Heizungsgefäß: auf EPDM-Basis, kein Lebensmittelnachweis erforderlich
• Temperaturgrenze – Druckbehälter: typischerweise 70 °C im Dauerbetrieb; Heizungsgefäß: 70 °C im Dauerbetrieb, kurzzeitig in der Größenordnung von 100 °C
• Membrantyp – Druckbehälter: überwiegend Blasenmembran, damit das Wasser das Gehäuse nicht berührt; Heizungsgefäß: überwiegend Flächenmembran, das Wasser berührt das Gehäuse
• Typisches Volumen – Druckbehälter: im Wohngebäude 24–100 Liter, im Mehrfamilienhaus 200–500 Liter; Heizungsgefäß: in der Kombitherme 6–10 Liter, in der Etagenheizung 18–35 Liter, in der Zentralheizungsanlage 80–500 Liter
• Vordruckregel – Druckbehälter: 0,2–0,3 bar unter dem Einschaltwert des Schalters; Heizungsgefäß: Gegenwert der statischen Höhe plus 0,3 bar
• Einbauort – Druckbehälter: am Pumpenaustritt, nahe am Druckschalter; Heizungsgefäß: auf der Saugseite der Pumpe, in der Rücklaufleitung des Heizkessels und so, dass das Ventil oben liegt
• Eingangsgrößen der Dimensionierung – Druckbehälter: Pumpenvolumenstrom und Ziel für die Schaltspielzahl; Heizungsgefäß: Wasservolumen der Anlage, maximale Temperatur und Einstellwert des Sicherheitsventils

Der Unterschied beim Einbauort ist besonders wichtig. Das Heizungsgefäß wird auf der Saugseite der Pumpe angeschlossen, also auf der Seite, von der die Pumpe ansaugt; so fällt bei laufender Pumpe kein Punkt des Kreises in den Unterdruck. Wird das Gefäß auf der Druckseite der Pumpe angeschlossen, fällt in dem Moment, in dem die Pumpe anläuft, der Druck auf der Saugseite, und in den oberen Höhenlagen beginnt das Ausgasen. Dieser Fehler erzeugt dasselbe Symptom wie eine geplatzte Membran, nämlich ständig Luft und Druckschwankungen; bei der Diagnose werden die beiden verwechselt.

Auf der Seite der Druckerhöhungsanlage wird der Behälter dagegen immer hinter dem Rückschlagventil und so angeschlossen, dass er im selben Volumen wie der Druckschalter liegt. Befindet sich zwischen Behälter und Schalter eine absperrbare Armatur, lässt sie die Anlage im geschlossenen Zustand ohne Puffer und erzeugt dasselbe Störungsbild. Alternativen bei Marke und Sortiment finden Sie auf unserer Seite „Marken“. (Details: unsere Markenseite)

Die Lebensdauer der Membran verlängert sich weniger durch den Behälter selbst als dadurch, dass die Betriebsbedingungen kontrolliert werden. Ein korrekt installierter und einmal jährlich geprüfter Behälter arbeitet 8–12 Jahre; derselbe Behälter fällt, wenn er nie geprüft wird, in 3–5 Jahren aus. Die Wartungspositionen sind wenige und passen insgesamt in einen einstündigen Besuch.

• Einmal jährlich – Messen Sie den Vordruck bei entleerter Wasserseite, bestätigen Sie, dass er innerhalb von 0,2 bar um den Zielwert liegt, und füllen Sie ihn bei Bedarf nach
• Einmal jährlich – Prüfen Sie das Schraderventil mit Seifenwasser auf Leckage; der Ventileinsatz ist ein günstiges und schnell auszutauschendes Teil
• Einmal jährlich – Vergleichen Sie die Ein- und Ausschaltwerte des Druckschalters mit dem Manometer und stellen Sie sie bei Drift neu ein
• Alle sechs Monate – Messen Sie bei geöffneter Zapfstelle das Anlaufintervall in Sekunden und vergleichen Sie es mit dem früheren Eintrag; eine Verkürzung ist eine Frühwarnung
• Alle sechs Monate – Lesen Sie die Differenz zwischen kaltem und warmem Druck im Heizkreis ab; beginnt sie 0,5 bar zu überschreiten, überprüfen Sie das Fassungsvermögen des Behälters
• Einmalig bei der Installation – Liegt der Netzdruck über 6 bar, bauen Sie einen Druckminderer ein und bleiben Sie unter dem Nenndruck des Behälters
• Einmalig bei der Installation – Dämmen Sie den Behälter im Außenbereich und in frostgefährdeten Räumen oder legen Sie ein Entleerungsverfahren vor dem Winter fest
• Einmalig bei der Installation – Setzen Sie den Behälter auf eine eigenständige, sein Eigengewicht tragende Konsole und verhindern Sie, dass die Rohrleitung am Behälterflansch hängt

Die Wasserqualität ist ein eigener Hebel. In Gebieten mit hohem Gehalt an freiem Chlor in der Trinkwasserleitung verhärtet die Butylmembran schneller; ein Vorfilter mit Aktivkohlestufe verringert diesen Effekt. In geschlossenen Heizkreisen schützen die Enthärtung des Füllwassers und der Einsatz eines geeigneten Inhibitors sowohl die Membran als auch den Wärmeübertrager. Zu Sortiment und Markenvergleichen bei Druckerhöhungsanlagen finden Sie mehr in unserem entsprechenden Beitrag. (Details: Welche sind die besten Marken für Druckerhöhungsanlagen? Grundfos, Wilo, DAB, Lowara, Etna und Sumak im Vergleich)