Wie wählt man ein Ausdehnungsgefäß aus? Wo kommen Gefäße mit 24, 50, 100, 200 und 500 Litern zum Einsatz?

Ein Ausdehnungsgefäß ist ein Druckbehälter, der in einem geschlossenen Wasserkreis die temperaturbedingte Volumenzunahme in seinem Gaspolster aufnimmt. Wasser ist praktisch ein inkompressibles Fördermedium; beim Erwärmen sinkt seine Dichte, und sein Volumen nimmt zu. Gibt es kein elastisches Volumen, das diese Zunahme aufnehmen kann, erreicht der Druck innerhalb von Sekunden den Ansprechwert des Sicherheitsventils, und die Anlage bläst Wasser ab.

Die Größenordnung lässt sich leicht erkennen. Die Dichte von Wasser bei 10 °C beträgt ca. 999,7 kg/m³, die von Wasser bei 80 °C dagegen ca. 971,8 kg/m³. Das Verhältnis entspricht einer Volumenzunahme von 2,87 Prozent. Steigt ein Heizkreis mit 1.000 Litern von 10 °C auf 80 °C, entstehen ca. 29 Liter zusätzliches Volumen. Diese 29 Liter müssen irgendwohin.

Das geschlossene Ausdehnungsgefäß erfüllt diese Aufgabe mit einem durch eine Membran abgetrennten Stickstoffpolster. Auf der einen Seite des Gefäßes befindet sich das Anlagenwasser, auf der anderen im Werk unter Druck gesetzter Stickstoff. Dehnt sich das Wasser aus, komprimiert die Membran den Stickstoff, und der Druck steigt kontrolliert an. Kühlt die Anlage ab, drückt der Stickstoff das Wasser zurück, und der Kreisdruck fällt nicht ab. Anders als bei den alten offenen Ausdehnungsgefäßen auf dem Dach hat das Wasser keinen Kontakt zur Atmosphäre; dadurch werden Sauerstoffeintrag, Korrosion und Magnetitbildung weitgehend unterbunden.

Das geschlossene Ausdehnungsgefäß ist in Heizungsanlagen ein zwingend erforderliches Sicherheitsbauteil, das nach EN 12828 und, was den Behälter betrifft, nach EN 13831 behandelt wird. Kessel, Sicherheitsventil und Ausdehnungsgefäß werden gemeinsam ausgelegt; fehlt eines davon oder ist es falsch dimensioniert, können auch die beiden anderen ihre Aufgabe nicht erfüllen. Für Komponenten von Heizungsanlagen können Sie sich unsere Produktgruppe ansehen. (Details: Heizung)

Das Heizungsgefäß ist dafür ausgelegt, die Ausdehnung des warmen Wassers aufzunehmen, der Druckbehälter der Druckerhöhungsanlage dagegen dafür, kaltes Klarwasser unter Druck zu speichern und so die Zahl der Schaltspiele der Pumpe zu begrenzen. Beide sind Druckbehälter mit Membran, unterscheiden sich aber in Druckklasse, Temperaturklasse, Membranwerkstoff und Hygienezulassung. Ein Heizungsgefäß in eine Trinkwasserleitung einzubauen, ist aus hygienischer Sicht ein nicht hinnehmbarer Fehler.

Die messbaren Unterschiede zwischen den beiden Produkten sind folgende:

• Aufgabe — Das Heizungsgefäß nimmt die Volumenausdehnung auf, der Druckbehälter der Druckerhöhungsanlage hält eine Wasserreserve vor
• Typische Gehäusefarbe — Rot auf der Heizungsseite, Blau auf der Klarwasserseite
• Klasse des Betriebsdrucks — 3-6 bar in der Heizung, 8-16 bar in der Druckerhöhungsanlage
• Betriebstemperatur — In der Heizung dauerhaft 70 °C, kurzzeitig 99 °C; in der Druckerhöhungsanlage 0-50 °C
• Membranform — In der Heizung meist feste Membran, in der Druckerhöhungsanlage austauschbarer Beutel
• Membranwerkstoff — In der Heizung SBR oder EPDM, bei Trinkwasser Butyl oder lebensmittelechtes EPDM
• Kontakt zwischen Wasser und Metall — In der Heizung kann das Wasser das Gehäuse berühren, beim Beutel-Typ berührt das Wasser nur die Membran
• Hygienezulassung — Beim Druckbehälter der Druckerhöhungsanlage wird ein Eignungsnachweis für Trinkwasser verlangt, bei der Heizung nicht
• Normaler Füllstand — Das Heizungsgefäß ist im Betrieb teilweise gefüllt, der Druckbehälter der Druckerhöhungsanlage je nach Druck unterschiedlich

Das praktische Ergebnis dieser Unterschiede ist Folgendes: Das Heizungsgefäß ist günstig und wird in der Regel nicht repariert; der Druckbehälter der Druckerhöhungsanlage ist eine teurere Bauart, kann aber wegen der austauschbaren Membran über die gesamte Lebensdauer des Gehäuses weiterverwendet werden. Zur Lebensdauer der Membran und zu Anzeichen eines Defekts haben wir einen eigenen Ratgeber. (Details: Was passiert, wenn die Membran des Ausdehnungsgefäßes platzt? Symptome und Lösung)

Die auf der Heizungsseite verwendete Beziehung lautet V gleich Klammer auf V-Anlage mal e plus V-Vorlage Klammer zu geteilt durch Klammer auf 1 minus Vordruck plus 1 geteilt durch maximaler Druck plus 1 Klammer zu. Die Drücke sind manometrische Werte in bar; die Terme „plus 1“ in der Formel rechnen diese Werte in absolute Drücke um. Der Nenner gibt an, welchen Anteil des Gesamtvolumens des Gefäßes man als Wasseraufnahmekapazität nutzen kann; dieses Verhältnis heißt Ausnutzungsfaktor.

Die Logik der Formel folgt dem Boyle-Mariotte-Gesetz. Bei leerem Gefäß entspricht das Volumen des darin enthaltenen Stickstoffs dem gesamten Gefäß, und sein Druck ist gleich dem Vordruck. Steigt die Anlage auf den maximalen Betriebsdruck, wird der Stickstoff komprimiert, und sein neues Volumen verkleinert sich im Verhältnis Vordruck plus 1 geteilt durch maximaler Druck plus 1. Die Differenz ist das Wasservolumen, das das Gefäß aufnehmen kann. Deshalb wächst das Gefäß rasch, je näher Vordruck und maximaler Druck beieinanderliegen.

Die Berechnung des Ausdehnungsgefäßes erfolgt in drei Schritten. Im ersten Schritt wird das gesamte Wasservolumen der Anlage V-Anlage in Litern ermittelt. Im zweiten Schritt wird der zum Betriebstemperaturbereich passende Wasser-Ausdehnungskoeffizient e gewählt und durch Multiplikation das sich ausdehnende Volumen bestimmt. Im dritten Schritt werden Vordruck und maximaler Betriebsdruck festgelegt, der Ausnutzungsfaktor berechnet und das sich ausdehnende Volumen durch diesen Faktor geteilt. Die errechnete Zahl wird auf die nächsthöhere Standardgröße aufgerundet.

Der Term V-Vorlage wird meistens weggelassen, darf aber nicht weggelassen werden. Das ist das Wasserpolster, das stets im Gefäß verbleiben muss und verhindert, dass die Anlage durch kleine Leckagen oder beim Abkühlen an Druck verliert. Allgemein üblich ist der größere der beiden Werte aus 0,5 Prozent des Anlagenvolumens oder mindestens 3 Litern. Bei einem Kreis mit 1.000 Litern sind das 5 Liter, wodurch sich die endgültige Gefäßgröße um eine Stufe vergrößern kann. Für ausführliche Zahlenbeispiele finden Sie Informationen in unserem Ratgeber zur Berechnung des Ausdehnungsgefäßes. (Details: Berechnung des Ausdehnungsgefäßes)

Der Wasser-Ausdehnungskoeffizient e ist die verhältnismäßige Zunahme des Wasservolumens, wenn es von der Fülltemperatur auf die Betriebstemperatur steigt, und wird aus dem Dichteverhältnis abgeleitet. Bei einer angenommenen Referenz-Fülltemperatur von 10 °C beträgt der Wert für 80 °C ca. 0,029, also 2,9 Prozent. Diese Zahl ist der Ausgangspunkt aller Heizungsberechnungen und wächst mit der Temperatur nicht linear, sondern beschleunigt.

Die in der Praxis verwendeten e-Werte bei einer Fülltemperatur von 10 °C lauten:

• Von 10 °C auf 40 °C — e ca. 0,0076 (0,76 Prozent)
• Von 10 °C auf 50 °C — e ca. 0,0118 (1,18 Prozent)
• Von 10 °C auf 60 °C — e ca. 0,0168 (1,68 Prozent)
• Von 10 °C auf 70 °C — e ca. 0,0224 (2,24 Prozent)
• Von 10 °C auf 80 °C — e ca. 0,0287 (2,87 Prozent)
• Von 10 °C auf 90 °C — e ca. 0,0356 (3,56 Prozent)
• Von 10 °C auf 100 °C — e ca. 0,0432 (4,32 Prozent)

Bei der Auswahl wird nicht die Auslegungs-Vorlauftemperatur zugrunde gelegt, sondern die höchste Temperatur, die die Anlage erreichen kann. In einem Heizkörperkreis mit Brennwertkessel kann der Grenzthermostat des Kessels bis auf 85 °C ansteigen, auch wenn die Auslegung 70/50 °C beträgt; in diesem Fall wird der e-Wert für 80 oder 85 °C angesetzt. Bei der Fußbodenheizung liegt der Vorlauf im Bereich von 35-45 °C, und der e-Wert sinkt auf die Größenordnung 0,008-0,010, was das Gefäß deutlich verkleinert. Zur Funktionsweise von Fußbodenheizkreisen haben wir einen eigenen Ratgeber. (Details: Wie funktioniert eine Fußbodenheizung? Auswahl von Verteiler, Pumpe und Thermostat)

Enthält der Kreis Frostschutzmittel, wird der e-Wert erhöht. Eine Mischung mit 30 Prozent Ethylenglykol dehnt sich gegenüber Wasser um etwa 10–15 Prozent stärker aus; bei Propylenglykol fällt dieser Unterschied noch größer aus. Solarthermiekreise und Wärmepumpenkreise mit Außengerät benötigen deshalb ein größeres Gefäß als ein Kombithermenkreis gleicher Leistung in kW. Ist das Mischungsverhältnis nicht bekannt, ist es sinnvoll, den e-Wert um 15 Prozent zu erhöhen und so auf der sicheren Seite zu bleiben.

Das Wasservolumen der Anlage ist die Summe des Wassers in Kesselgehäuse, Rohrleitung, Heizkörpern oder Fußbodenheizungsrohren sowie, falls vorhanden, in der hydraulischen Weiche. Lässt es sich im Projekt genau zählen, wird es gezählt; andernfalls wird es über die installierte thermische Leistung anhand der Größenordnung Liter pro kW abgeschätzt. Diese Schätzung ist bei der Auswahl des Ausdehnungsgefäßes ein akzeptabler Ansatz, da die Fehlertoleranz die endgültige Gefäßgröße in der Regel nur um eine Stufe verschiebt.

Nach Anlagentyp werden folgende Größenordnungen verwendet:

• Wohnungsheizung mit Plattenheizkörpern — 10-14 Liter/kW, typischer Ansatz 12 Liter/kW
• Ältere Anlage mit Gussheizkörpern — 18-25 Liter/kW, der Wasserinhalt ist hoch
• Fan-Coil-Kreis — 5-8 Liter/kW, das Wasservolumen der Geräte ist gering
• Fußbodenheizung — 8-12 Liter/kW, das Wasser in den Rohren ist die dominierende Position
• Heizregister eines Klimazentralgeräts — 4-6 Liter/kW
• Hydraulische Weiche oder Pufferspeicher — die Kapazität wird direkt hinzugerechnet

Das Volumen in den Rohren lässt sich leicht überprüfen. Ein PE-Xa-Rohr 16x2 mm fasst pro Meter ca. 0,113 Liter Wasser; bei einer Fußbodenheizung mit 240 m² und einem Verlegeabstand von 15 cm liegen ca. 1.600 m Rohr, die allein 181 Liter ergeben. Kommen Verteiler, Verteilleitung und Kessel hinzu, steigt die Summe auf 220 Liter. Geteilt durch eine Wärmequelle von 24 kW ergeben sich 9,2 Liter/kW, und der Bereich der Tabelle ist bestätigt.

Auch auf der Seite der Plattenheizkörper lässt sich eine ähnliche Kontrolle durchführen. Ein Plattenheizkörper des Typs PKKP 600/1000 fasst ca. 8 Liter Wasser und gibt bei 75/65/20 °C etwa 1,7 kW ab; das sind allein für die Heizkörper 4,7 Liter/kW. Kommen Rohre und Kessel hinzu, erreicht man den Ansatz von 12 Liter/kW. In Zweifelsfällen ist die am Füllwasserzähler der Anlage abgelesene tatsächliche Füllmenge die zuverlässigste Angabe. Für Rohre und Installationsmaterial können Sie sich unsere Produktgruppe ansehen. (Details: Installationstechnik)

Der Vordruck ist der Druck, der im Stickstoffpolster gemessen wird, wenn die Wasserseite des Gefäßes leer ist, und wird anhand der statischen Last am höchsten Punkt der Anlage festgelegt. Die Regel lautet: statische Höhe in Metern durch 10 teilen und 0,3 bar Sicherheitszuschlag hinzurechnen. In einem Gebäude mit 18 Metern statischer Höhe ergibt sich ein Vordruck von 1,8 plus 0,3 gleich 2,1 bar.

Der maximale Betriebsdruck wird dagegen aus dem Ansprechdruck des Sicherheitsventils abgeleitet. Nach dem Ansatz der EN 12828 beträgt der maximale Betriebsdruck bei Sicherheitsventilen bis einschließlich 3 bar 90 Prozent des Ansprechdrucks, bei Ventilen über 3 bar wird ein Wert von 0,5 bar unter dem Ansprechdruck angesetzt. In einer Anlage mit einem 3-bar-Sicherheitsventil wird der maximale Betriebsdruck mit 2,7 bar angenommen, bei einem 4-bar-Ventil mit 3,6 bar und bei einem 6-bar-Ventil mit 5,5 bar.

Die Differenz zwischen diesen beiden Werten bestimmt den Wirkungsgrad des Gefäßes. In einer Anlage mit 2,7 bar Vordruck und 3,6 bar maximalem Druck ergibt sich der Ausnutzungsfaktor 1 minus 3,7 geteilt durch 4,6 gleich 0,196; das heißt, ein Gefäß mit 100 Litern nimmt nur 19,6 Liter Wasser auf. Könnte man in derselben Anlage den Vordruck auf 1,0 bar senken, läge der Faktor bei 0,565, und dasselbe Gefäß würde 56,5 Liter Wasser aufnehmen. Genau das ist der Grund, warum die Gefäße in hohen Gebäuden so groß werden.

Den Vordruck zu senken ist nicht immer möglich, denn sinkt der Vordruck unter die statische Last, fällt in den oberen Geschossen der Anlage der Druck auf null, und es wird Luft angesaugt. Dann bleiben zwei Möglichkeiten: den maximalen Betriebsdruck durch einen höheren Ansprechdruck des Sicherheitsventils zu vergrößern oder das Gefäß zu vergrößern. In hohen Gebäuden werden meist beide gemeinsam angewendet. Für Druckregelung und Sicherheitsarmaturen können Sie sich unsere Produktgruppe ansehen. (Details: Ventile & Armaturen)

In diesem Beispiel wird eine zweigeschossige Villa mit 280 m² Fläche betrachtet. Die Wärmequelle ist ein 40-kW-Brennwertkessel; die Verteilung erfolgt im Untergeschoss über Fußbodenheizung und im Obergeschoss über Plattenheizkörper. Das Sicherheitsventil ist auf 3 bar eingestellt, der höchste Punkt der Anlage liegt 8 Meter über Kesselniveau, und im Kreis befindet sich kein Frostschutzmittel.

Schritt 1, Anlagenvolumen. Beim Mischsystem werden durchschnittlich 11 Liter/kW angesetzt. V-Anlage gleich 40 mal 11 gleich 440 Liter. Schritt 2, Ausdehnungskoeffizient. Da die Grenztemperatur des Kessels auf 70 °C begrenzt ist, wird e gleich 0,0224 angesetzt. Sich ausdehnendes Volumen gleich 440 mal 0,0224 gleich 9,86 Liter.

Schritt 3, Wasservorlage. 0,5 Prozent des Anlagenvolumens ergeben 2,2 Liter; da die Untergrenze 3 Liter beträgt, wird V-Vorlage gleich 3 Liter angesetzt. Das insgesamt aufzunehmende Wasservolumen beträgt 9,86 plus 3 gleich 12,86 Liter. Schritt 4, Drücke. Vordruck gleich 8 geteilt durch 10 plus 0,3 gleich 1,1 bar. Maximaler Betriebsdruck gleich 0,9 mal 3 gleich 2,7 bar.

Schritt 5, Ausnutzungsfaktor und Ergebnis. Faktor gleich 1 minus Klammer auf 1,1 plus 1 Klammer zu geteilt durch Klammer auf 2,7 plus 1 Klammer zu gleich 1 minus 2,1 geteilt durch 3,7 gleich 0,432. Erforderliches Gefäßvolumen gleich 12,86 geteilt durch 0,432 gleich 29,8 Liter. In der Standardgrößenreihe ist der nächsthöhere Wert 35 Liter; gibt es im Kessel kein Werksgefäß und ist geplant, später einen Pufferspeicher zu ergänzen, ist die Wahl eines 50-Liter-Ausdehnungsgefäßes die richtige Entscheidung.

Befindet sich im Kessel ein 10-Liter-Werksgefäß, wird dieses Volumen nicht unmittelbar abgezogen, da der Vordruck des Werksgefäßes in der Regel fest bei 0,75-1,0 bar liegt und nicht zur statischen Last der Anlage passen muss. Der richtige Ansatz ist, das zusätzliche Gefäß nach der vollständigen Berechnung auszuwählen und das Werksgefäß als Sicherheitszuschlag zu betrachten. Bei Villen ist ein 50-Liter-Ausdehnungsgefäß deshalb in der Praxis die am häufigsten gewählte Größe.

In diesem Beispiel wird die Zentralheizungsanlage eines Mehrfamilienhauses mit 8 Geschossen und 24 Wohnungen und einer installierten Leistung von 120 kW berechnet. Die Verteilung erfolgt über Plattenheizkörper, der Heizraum liegt im Keller, und der Abgang der obersten Steigleitung liegt 18 Meter über dem Manometer des Kessels. Es wurde ein 4-bar-Sicherheitsventil gewählt.

Schritt 1, Anlagenvolumen. Bei einem Ansatz von 12 Liter/kW für eine Anlage mit Plattenheizkörpern gilt V-Anlage gleich 120 mal 12 gleich 1.440 Liter. Schritt 2, Ausdehnungskoeffizient. Da der Kessel mit 80 °C Vorlauftemperatur arbeitet, wird e gleich 0,029 angesetzt. Sich ausdehnendes Volumen gleich 1.440 mal 0,029 gleich 41,8 Liter.

Schritt 3, Wasservorlage. 0,5 Prozent des Anlagenvolumens ergeben 7,2 Liter und liegen über der Untergrenze von 3 Litern; V-Vorlage gleich 7,2 Liter. Das insgesamt aufzunehmende Wasservolumen beträgt 41,8 plus 7,2 gleich 49,0 Liter. Schritt 4, Drücke. Vordruck gleich 18 geteilt durch 10 plus 0,3 gleich 2,1 bar. Maximaler Betriebsdruck gleich 0,9 mal 4 gleich 3,6 bar.

Schritt 5, Ergebnis. Ausnutzungsfaktor gleich 1 minus Klammer auf 2,1 plus 1 Klammer zu geteilt durch Klammer auf 3,6 plus 1 Klammer zu gleich 1 minus 3,1 geteilt durch 4,6 gleich 0,326. Erforderliches Gefäßvolumen gleich 49,0 geteilt durch 0,326 gleich 150,3 Liter. In der Standardreihe ist die nächsthöhere Größe 200 Liter, und für diese Anlage wird ein 200-Liter-Ausdehnungsgefäß gewählt.

Wäre im selben Gebäude ein 3-bar-Sicherheitsventil gewählt worden, wäre der maximale Betriebsdruck auf 2,7 bar gesunken, und der Ausnutzungsfaktor hätte 1 minus 3,1 geteilt durch 3,7 gleich 0,162 betragen. Das erforderliche Volumen wäre auf 49,0 geteilt durch 0,162 gleich 302 Liter hochgeschnellt. Dieser Vergleich, in dem eine einzige Entscheidung zur Armatur die Gefäßgröße von 200 auf 300 Liter erhöht, zeigt, dass der Druck des Sicherheitsventils nicht beliebig gewählt werden kann. Für Ausrüstung von Heizräumen können Sie sich unsere Produktgruppe ansehen. (Details: Pumpensysteme)

Die Antwort auf die Frage, wie man einen Druckbehälter für eine Druckerhöhungsanlage auswählt, unterscheidet sich völlig von der Heizungsseite. Hier ist das Ziel nicht, Ausdehnung aufzunehmen, sondern die Zahl der Anläufe der Pumpe pro Stunde unter der Grenze zu halten, die die Motorwicklung verträgt. Die entscheidende Größe ist das Nutzvolumen, also die Wassermenge, die das Gefäß zwischen Einschaltdruck und Ausschaltdruck abgeben kann.

Der Zusammenhang zwischen Nutzvolumen und Schaltspielzahl lautet V-nutz gleich Q geteilt durch Klammer auf 4 mal Z Klammer zu. Q ist der Nennvolumenstrom der Pumpe in Liter/Stunde, Z die zulässige Zahl der Schaltspiele pro Stunde. Der Faktor 4 im Nenner ergibt sich daraus, dass der ungünstigste Fall dann eintritt, wenn der Verbrauch genau der Hälfte des Pumpenvolumenstroms entspricht; an diesem Punkt sind Füll- und Entleerungszeit gleich lang, und die Schaltfrequenz erreicht ihr Maximum.

Der zulässige Wert Z hängt von der Motorleistung ab und wird im Herstellerkatalog angegeben. In der Praxis verwendete Größenordnungen sind:

• Ein- oder Dreiphasenmotor bis 2,2 kW — 30 Anläufe/Stunde
• Motor 3,0-5,5 kW — 20 Anläufe/Stunde
• Motor 7,5-11 kW — 15 Anläufe/Stunde
• Motor ab 15 kW — 10 Anläufe/Stunde
• Anlage mit Sanftanlasser — der Katalogwert kann um etwa 50 Prozent erhöht werden
• Anlage mit Frequenzumrichter — die Anlaufgrenze ist nicht mehr maßgebend

Der Übergang vom Nutzvolumen zum Gesamtvolumen des Gefäßes erfolgt ebenfalls mit dem Boyle-Mariotte-Gesetz: V-Gefäß gleich V-nutz mal Klammer auf P-unten absolut mal P-oben absolut Klammer zu geteilt durch Klammer auf P-Vordruck absolut mal Klammer auf P-oben minus P-unten Klammer zu Klammer zu. Der Vordruck wird 0,2 bar niedriger als der Einschaltdruck der Pumpe gewählt. Dieser Wert ist die kritischste Einstellung des Druckbehälters und wird in einem eigenen Ratgeber ausführlich behandelt. (Details: Druckerhöhungsanlage: Wie viel bar Luftdruck muss das Ausdehnungsgefäß haben?)

In diesem Beispiel wird eine drehzahlkonstante Druckerhöhungsanlage mit zwei Pumpen für ein Mehrfamilienhaus mit 24 Wohnungen betrachtet. Der Spitzenvolumenstrom beträgt 8 m³/h, die Motorleistung 4 kW, der Einschaltdruck 3,5 bar und der Ausschaltdruck 5,0 bar. Da die Pumpen im Wechsel laufen, erfolgt die Berechnung über den Volumenstrom einer einzelnen Pumpe.

Schritt 1, zulässige Schaltspielzahl. Für einen 4-kW-Motor wird Z gleich 20 Anläufe/Stunde angesetzt. Schritt 2, Nutzvolumen. Q gleich 8 m³/h gleich 8.000 Liter/Stunde. V-nutz gleich 8.000 geteilt durch Klammer auf 4 mal 20 Klammer zu gleich 100 Liter. Das heißt, das Gefäß muss zwischen 3,5 bar und 5,0 bar 100 Liter Wasser abgeben.

Schritt 3, absolute Drücke. P-unten gleich 3,5 plus 1 gleich 4,5 bar absolut, P-oben gleich 5,0 plus 1 gleich 6,0 bar absolut. Vordruck gleich 3,5 minus 0,2 gleich 3,3 bar, absolut entspricht das 4,3 bar. Schritt 4, Gesamtvolumen. V-Gefäß gleich 100 mal Klammer auf 4,5 mal 6,0 Klammer zu geteilt durch Klammer auf 4,3 mal 1,5 Klammer zu gleich 100 mal 27 geteilt durch 6,45 gleich 418,6 Liter.

Das Ergebnis beträgt 418,6 Liter, und in der Standardreihe ist die nächsthöhere Größe 500 Liter. In dieser Anlage kommt entweder ein einzelnes 500-Liter-Ausdehnungsgefäß zum Einsatz oder zwei parallel geschaltete 200-Liter-Gefäße plus ein 100-Liter-Gefäß. Bei Parallelschaltung addieren sich die Gesamtvolumina, jedoch müssen die Vordrücke aller Gefäße exakt gleich eingestellt werden; andernfalls füllt sich das Gefäß mit dem niedrigeren Druck zuerst, und die anderen kommen nicht zum Einsatz.

Diese Zahl wirkt auf den ersten Blick groß, doch die Physik ist eindeutig: Bei einer drehzahlkonstanten Druckerhöhungsanlage ist das gespeicherte Wasservolumen der einzige Weg, die Pumpe zu schützen. Ein kleineres Gefäß erhöht die Schaltspielzahl unmittelbar. Würde man in derselben Anlage ein einzelnes 100-Liter-Gefäß verwenden, fiele das Nutzvolumen auf etwa 24 Liter, und die Schaltspielzahl stiege auf 8.000 geteilt durch Klammer auf 4 mal 24 Klammer zu gleich 83 Anläufe/Stunde; das ist ein Wert, der die Motorwicklung innerhalb einer Heizperiode aufbraucht. Zum Thema, dass die Druckerhöhungsanlage ständig läuft und häufig anläuft, haben wir einen eigenen Ratgeber. (Details: Druckerhöhungsanlage läuft ständig und schaltet nicht ab: 10 mögliche Ursachen und Lösungen)

In diesem Beispiel wird eine drehzahlkonstante Druckerhöhungsanlage für eine Villa mit einer Pumpe betrachtet. Der Spitzenvolumenstrom beträgt 3 m³/h, die Motorleistung 1,5 kW, der Einschaltdruck 2,5 bar und der Ausschaltdruck 4,0 bar. Da die Villa zweigeschossig ist, wurde der Druckbereich eng gehalten.

Schritt 1, Schaltspielgrenze. Für einen 1,5-kW-Motor wird Z gleich 30 Anläufe/Stunde angesetzt. Schritt 2, Nutzvolumen. Q gleich 3.000 Liter/Stunde, V-nutz gleich 3.000 geteilt durch Klammer auf 4 mal 30 Klammer zu gleich 25 Liter. Schritt 3, Drücke. P-unten gleich 3,5 bar absolut, P-oben gleich 5,0 bar absolut, Vordruck 2,3 bar, also 3,3 bar absolut.

Schritt 4, Ergebnis. V-Gefäß gleich 25 mal Klammer auf 3,5 mal 5,0 Klammer zu geteilt durch Klammer auf 3,3 mal 1,5 Klammer zu gleich 25 mal 17,5 geteilt durch 4,95 gleich 88,4 Liter. In der Standardreihe ist die nächsthöhere Größe 100 Liter; für diese Villa wird ein 100-Liter-Ausdehnungsgefäß gewählt. Wäre in derselben Berechnung der Ausschaltdruck von 4,0 bar auf 4,5 bar angehoben worden, würde sich das erforderliche Volumen, da der wirksame Druckbereich breiter wird, auf etwa 68 Liter verringern, und ein 80-Liter-Gefäß wäre ausreichend.

Das ingenieurtechnische Urteil daraus lautet: Den Druckbehälter der Druckerhöhungsanlage zu vergrößern ist nicht die einzige Lösung, auch eine Verbreiterung des Druckbereichs erfüllt denselben Zweck. Je breiter der Bereich wird, desto stärker schwankt jedoch der Druck an der Zapfstelle, und der Komfort sinkt. In Wohngebäuden liegt der akzeptable Bereich in der Regel bei 1,2-1,5 bar; wird er überschritten, schwankt die Duschtemperatur spürbar. Zur Auswahl einer Druckerhöhungsanlage für eine Villa haben wir einen eigenen Ratgeber. (Details: Druckerhöhungsanlage für die Villa: Empfehlung für leise, leistungsstarke und stromsparende Modelle)

Bei einer Druckerhöhungsanlage mit Frequenzumrichter besteht die Aufgabe des Gefäßes nicht darin, die Schaltspielzahl zu begrenzen, sondern bei kleinen Volumenströmen den Druck zu stabilisieren und durch Leckagen bedingte unnötige Anläufe zu vermeiden. Da die Pumpe dem Bedarf folgt, indem sie ihre Drehzahl ändert, entfällt die Notwendigkeit zum Ein- und Ausschalten; die Formel für die Zahl der Anläufe pro Stunde ist daher nicht mehr maßgebend. Aus diesem Grund sinkt das Gefäßvolumen für dasselbe Gebäude bis auf ein Zehntel.

Die übliche Praxisregel lautet, das Gefäßvolumen auf etwa 10 Prozent des Nennvolumenstroms der Pumpe pro Minute zu bemessen. Wäre die Anlage mit 8 m³/h aus Beispiel 3 mit Frequenzumrichter ausgeführt, sähe die Rechnung so aus: 8 m³/h gleich 133 Liter/Minute, 10 Prozent davon sind 13,3 Liter. In der Standardreihe ist die nächsthöhere Größe 18 Liter, und mit Sicherheitszuschlag wird ein 24-Liter-Ausdehnungsgefäß gewählt. Dieser Unterschied von 500 auf 24 Liter erklärt auch den Platz, den Anlagen mit Umrichter im Heizraum einsparen.

Auch die Regel für den Vordruck ist bei Anlagen mit Frequenzumrichter eine andere. Angewendet werden etwa 70 Prozent des Einstelldrucks; bei 4,0 bar Solldruck beträgt der Vordruck 2,8 bar. Wird der Vordruck zu nah an den Einstelldruck herangeführt, nimmt das Gefäß kein Wasser auf, und die Pumpe wird bei nächtlichen Leckagen ständig aktiviert. Wird er zu niedrig belassen, wird die Membran bei jedem Zyklus voll gedehnt, und ihre Lebensdauer verkürzt sich.

Bei werkseitigen Anlagen wird das Gefäß meist am Gerät mitgeliefert. Kompakte Anlagen mit integriertem Gehäuse wie die Grundfos SCALA2 sind so ausgelegt, dass sie ohne separates Gefäß arbeiten; dagegen wird bei Anlagen mit Frequenzumrichter auf Basis der Grundfos CMBE-Baureihe und der Wilo Economy MHI ein Membran-Ausdehnungsgefäß im Bereich von 8-24 Litern in die Leitung eingefügt. Ist an der Anlage ein Werksgefäß vorhanden, ist ein zusätzliches Gefäß meist überflüssig; in Gebäuden mit langen Steigleitungen verringert ein kleines zusätzliches Gefäß die Druckschwingungen jedoch deutlich. Zur Funktionsweise einer Pumpe mit Frequenzumrichter haben wir einen eigenen Ratgeber. (Details: Pumpe mit Frequenzumrichter: Was ist das? Spart sie wirklich Strom?)

Die Standardgrößen sind nicht willkürlich; jede passt zu einem bestimmten Anlagengrößenbereich. Die folgenden Zuordnungen ersetzen die Berechnung nicht, ermöglichen aber eine Vorauswahl und eine schnelle Überprüfung vor Ort. Die Regel lautet: Fällt das Rechenergebnis zwischen zwei Größen, wird die größere gewählt, die kleinere niemals.

Das 24-Liter-Ausdehnungsgefäß ist das Gefäß für Anwendungen im Maßstab einer einzelnen Wohnung. Auf der Heizungsseite wird es im Kombithermenkreis einer Wohnung mit 60-80 m² ergänzend eingesetzt, wenn das 6-8-Liter-Werksgefäß in der Kombitherme nicht ausreicht. Auf der Klarwasserseite ist es das Standard-Pufferbehälter-Gefäß von Druckerhöhungsanlagen mit Frequenzumrichter und genügt bei Anlagen bis 8 m³/h. Außerdem ist es häufig in Solarkollektorkreisen und in kleinen Wärmepumpenkreisen zu sehen. Der Anschluss ist typischerweise ein 3/4-Zoll-Gewinde.

Das 50-Liter-Ausdehnungsgefäß ist das Gefäß für Villen und große Wohnungen. Auf der Heizungsseite entspricht es Mischanlagen mit Brennwertkesseln im Bereich von 30-60 kW, also der 40-kW-Villa aus Beispiel 1. Auf der Klarwasserseite wird es bei kleinen drehzahlkonstanten Druckerhöhungsanlagen mit 1,5-2 m³/h Volumenstrom und in Brunnenpumpenleitungen verwendet. Bei Wohngebäuden mit 200-300 m² und Fußbodenheizung genügt dank der niedrigen Vorlauftemperatur meist diese Größe.

Das 100-Liter-Ausdehnungsgefäß ist der Maßstab für kleine Mehrfamilienhäuser und gewerbliche Einheiten. Auf der Heizungsseite passt es zu Zentralanlagen im Bereich von 60-90 kW, zu Fan-Coil-Kreisen und zu Hotelgeschossinstallationen. Auf der Klarwasserseite ist es das Standardgefäß für drehzahlkonstante Druckerhöhungsanlagen von Villen und kleinen Mehrfamilienhäusern mit etwa 3 m³/h; das ist das Gegenstück zum Ergebnis von 88,4 Litern aus Beispiel 4. Ab dieser Größe werden die Gefäße stehend mit Standfüßen und vertikalem Gehäuse gefertigt.

Das 200-Liter-Ausdehnungsgefäß ist das Gefäß der mittelgroßen Zentralheizung. In diese Größe fallen Heizräume von Mehrfamilienhäusern im Bereich von 100-150 kW sowie Schul- und Bürogebäude; das Mehrfamilienhaus mit 120 kW aus Beispiel 2 passt genau hierher. Auf der Klarwasserseite wird es bei drehzahlkonstanten Anlagen mit 5-6 m³/h einzeln oder paarweise parallel eingesetzt. Der Anschlussdurchmesser beträgt in der Regel 1 Zoll oder 1 1/4 Zoll.

Das 500-Liter-Ausdehnungsgefäß ist das Gefäß für große gewerbliche und industrielle Maßstäbe. Auf der Heizungsseite wird es in Heizräumen mit Kesseln über 300-400 kW, in Unterstationen der Fernwärme und in Wärmepumpensystemen mit großem Pufferspeicher verwendet. Auf der Klarwasserseite begegnet es uns bei drehzahlkonstanten Druckerhöhungsanlagen für Mehrfamilienhäuser ab 8 m³/h; das ist das Gegenstück zum Ergebnis von 418,6 Litern aus Beispiel 3. Gefäße dieser Größe werden mit Flanschanschluss und austauschbarer Membran gefertigt, denn es ist unwirtschaftlich, das gesamte Gehäuse zu entsorgen, wenn die Lebensdauer der Membran abgelaufen ist.

Es gibt auch Zwischengrößen, die nicht übersehen werden dürfen. 8, 12, 18, 35, 80, 140, 300, 400, 600, 800 und 1.000 Liter sind gängige Fertigungsgrößen. Ergibt die Berechnung 150 Liter, ist es falsch, auf 140 Liter herunterzugehen, statt auf 200 Liter aufzurunden; ergibt die Berechnung dagegen 130 Liter, ist es richtig, 140 Liter zu wählen, und das spart Platz.

Die Einstellung des Vordrucks ist der Vorgang, bei dem der Druck des Stickstoffpolsters bei vollständig leerer Wasserseite des Gefäßes auf den Zielwert gebracht wird. Eine Messung bei vorhandenem Wasser liest den Anlagendruck ab, nicht den Vordruck des Gefäßes selbst; deshalb wird die Messung unbedingt erst durchgeführt, nachdem das Gefäß abgesperrt und das Wasser abgelassen wurde. Der häufigste Fehler vor Ort ist, diesen Schritt auszulassen.

Die Reihenfolge der Arbeitsschritte ist:

• Schritt 1 — Schließen Sie den Kugelhahn zwischen Gefäß und Anlage, setzen Sie die Anlage nicht außer Betrieb
• Schritt 2 — Lassen Sie das gesamte Wasser über das Entleerungsventil unten am Gefäß ab und warten Sie, bis das Tropfen aufhört
• Schritt 3 — Entfernen Sie die Kappe des oberen Schrader-Ventils und lesen Sie den Druck mit einem Füllgerät mit Manometer ab
• Schritt 4 — Zielwert in der Heizung: statische Höhe geteilt durch 10 plus 0,3 bar; bei drehzahlkonstanten Druckerhöhungsanlagen: Einschaltdruck minus 0,2 bar
• Schritt 5 — Zielwert bei Druckerhöhungsanlagen mit Frequenzumrichter: etwa 70 Prozent des Einstelldrucks
• Schritt 6 — Ist der Wert zu niedrig, füllen Sie Stickstoff oder trockene Luft mit einer Fußpumpe oder einem Kompressor nach, ist er zu hoch, lassen Sie am Ventil ab
• Schritt 7 — Führen Sie die Messung bei kaltem Gefäß durch; eine Temperaturdifferenz von 10 °C verschiebt die Anzeige um etwa 0,05 bar
• Schritt 8 — Öffnen Sie den Hahn, füllen Sie die Anlage und bringen Sie den Kreisdruck auf 0,2-0,3 bar über den Vordruck

Die Kontrolle erfolgt einmal pro Jahr und wird zusammen mit der Wartung vor der Heizperiode durchgeführt. Bei einem intakten Gefäß überschreitet der jährliche Druckverlust 0,1-0,2 bar nicht; dieser Verlust entsteht durch die sehr langsame Diffusion des Stickstoffs durch die Membran und ist normal. Fällt der Druck innerhalb einer Saison um mehr als 0,5 bar, ist entweder das Ventil undicht, oder die Membran ist durchlöchert. Tritt am Ventil statt Luft Wasser aus, ist die Membran mit Sicherheit geplatzt, und das Gefäß ist unbrauchbar.

Auf die Frage, wie viel bar der Vordruck eines Ausdehnungsgefäßes betragen sollte, gibt es keine einheitliche Antwort; er hängt von der Gebäudehöhe und vom Anlagentyp ab. Der Werkswert beträgt bei Heizungsgefäßen in der Regel 1,5 bar, bei Druckbehältern von Druckerhöhungsanlagen 1,5-2,0 bar, und dieser Wert ist in nahezu keiner Anlage korrekt. Jedes Gefäß muss vor der Montage neu auf die Gegebenheiten vor Ort eingestellt werden. Zum Umfang der regelmäßigen Wartung haben wir einen eigenen Ratgeber. (Details: Pumpenwartung)

Der Membrantyp bestimmt die Reparierbarkeit des Gefäßes. Bei Gefäßen mit fester Membran ist die Membran an der Schweißnaht des Gehäuses eingeklemmt und lässt sich nicht ausbauen; wird die Membran durchlöchert, wird das gesamte Gefäß ausgetauscht. Bei Gefäßen mit austauschbarer Membran, also Beutelgefäßen, wird die Membran durch den Flanschdeckel entnommen und eine neue eingesetzt; das Gehäuse bleibt an seinem Platz.

Der Vergleich der beiden Typen sieht so aus:

• Feste Membran — Geringe Anfangsinvestition, keine Reparaturmöglichkeit, typischer Größenbereich 8-300 Liter
• Austauschbare Membran — Hohe Anfangsinvestition, Membran erneuerbar, typische Größe ab 100 Litern
• Feste Membran — Das Wasser kann mit der Gehäuseinnenfläche in Kontakt kommen, es besteht Korrosionsrisiko
• Austauschbare Membran — Das Wasser berührt nur die Membran, das Gehäuse bleibt trocken
• Feste Membran — Wirtschaftliche Wahl in Heizkreisen und bei kleinen Volumina
• Austauschbare Membran — Zwingend erforderliche Wahl bei Trinkwasser und großen Volumina
• Feste Membran — Gewindeanschluss, typisch zwischen 3/4 Zoll und 1 1/4 Zoll
• Austauschbare Membran — Anschluss überwiegend mit Flansch, DN 50 und größer

Die Gehäuselage wird nach dem Montageort gewählt. Horizontale Gefäße werden an der Wand aufgehängt und in Heizräumen mit niedriger Decke sowie auf der Druckerhöhungsanlage bevorzugt; sie sind bis 24 und 50 Liter verbreitet. Vertikale Gefäße stehen auf Standfüßen, haben eine kleine Grundfläche und sind über 100 Liter Standard. Der entscheidende Punkt ist die Lage des Anschlussstutzens: Bei Heizungsgefäßen muss der Anschluss unten liegen, und das Gefäß muss auf dem Boden stehen und nicht an einer Aufhängung hängen, denn ein gefülltes 200-Liter-Gefäß wiegt etwa 250 kg, und diese Last trägt keine Wandschelle.

Die Berechnung des Anschlussdurchmessers hängt nicht von der Strömungsgeschwindigkeit ab, sondern vom kurzzeitigen Ausdehnungsvolumenstrom, und in der Praxis richtet man sich nach der Herstellertabelle. Gängige Zuordnungen sind 3/4 Zoll bei 8-24 Litern, 1 Zoll bei 35-80 Litern, 1 oder 1 1/4 Zoll bei 100-300 Litern sowie 1 1/2 Zoll oder ein DN-50-Flansch ab 400 Litern. Die Anschlussleitung sollte kurz, gerade und ohne Querschnittsverengung sein; das zwischen Gefäß und Anlage eingebaute Serviceventil muss unbedingt plombierbar sein und gegen versehentliches Schließen gekennzeichnet werden.

Ein Gefäß, das in eine Trinkwasserleitung eingebaut wird, muss eine Membran aus einem für den Lebensmittelkontakt geeigneten Werkstoff haben und über den entsprechenden Hygienenachweis verfügen. Die in Heizungsgefäßen verwendete SBR-Membran ist bei Trinkwasser nicht zulässig; bei diesen Gefäßen entstehen Geschmacks-, Geruchs- und mikrobiologische Risiken. Bei Klarwassergefäßen besteht die Membran aus Butylkautschuk oder lebensmittelechtem EPDM.

Zu beachtende technische Eigenschaften sind:

• Membranwerkstoff — Butyl oder trinkwassergeeignetes EPDM, SBR ist nicht zulässig
• Hygienenachweis — Konformitätserklärung der Klasse WRAS, ACS oder KTW-BWGL
• Inländische Vorschriften — In der Türkei eine Konformitätserklärung zur türkischen Trinkwasserverordnung (Verordnung über Wasser für den menschlichen Gebrauch)
• Gehäuseinnenfläche — Beim Beutel-Typ berührt das Wasser das Gehäuse nicht, beim Typ mit fester Membran wird eine Epoxidbeschichtung verlangt
• Anschlussnippel — Edelstahl oder Messing, verzinkter Stahl wird nicht bevorzugt
• Druckklasse — Mindestens 10 bar, um Druckstöße im Netz aufzunehmen
• Temperaturklasse — Der Bereich 0-50 °C genügt, an Orten mit Frostgefahr ist eine Dämmung erforderlich
• Totvolumen — Um Wasserstagnation zu verringern, sollte die Gefäßleitung in Strömungsrichtung angeschlossen werden

Stagnation muss aus hygienischer Sicht zusätzlich betrachtet werden. In einem überdimensionierten Druckbehälter einer Druckerhöhungsanlage kann das Wasser tagelang stehen, und es entsteht ein günstiges Umfeld für Bakterienwachstum; das ist nicht nur ein Kostengrund, sondern auch ein gesundheitlicher Grund, das Gefäß nicht unnötig zu vergrößern. Bei selten genutzten Ferienhaus- und Baustelleninstallationen wird empfohlen, das Gefäß regelmäßig zu entleeren und wieder zu füllen.

Auf der Heizungsseite fällt die Werkstoffentscheidung dagegen anders aus. Da der Sauerstoffeintrag im geschlossenen Kreis begrenzt ist, steht die Innenbeschichtung des Gehäuses an zweiter Stelle; das entscheidende Kriterium ist die Temperaturbeständigkeit der Membran. Die Werte dauerhaft 70 °C und kurzzeitig 99 °C werden im Katalog gesucht. In Kreisen mit Anschluss an einen Festbrennstoffkessel oder Ofen kann die Temperatur unkontrolliert ansteigen; deshalb wird das Gefäß nicht nahe am Kessel, sondern in der Rücklaufleitung und möglichst an einer kalten Stelle platziert. Für Wasserqualität und Aufbereitungslösungen können Sie sich unsere Produktgruppe ansehen. (Details: Wasseraufbereitung)

Ein Ausdehnungsgefäß ist ein Druckbehälter ohne bewegliche Teile; Markenunterschiede zeigen sich nicht in der Leistung, sondern in der Lebensdauer der Membran, in der Schweißqualität, in der Lackbeständigkeit und in der Verfügbarkeit von Ersatzmembranen. Deshalb ist das Auswahlkriterium nicht die Kennlinie im Katalog, sondern Zertifizierung und Servicekontinuität. Die folgenden Urteile sind nach Einsatzart gegliedert.

Die klaren Zuordnungen nach Einsatzart lauten:

• Wohn-Kombithermenkreis, 8-50 Liter — Ein Heizungsgefäß mit fester Membran, Druckklasse 3 bar und EPDM-Membran genügt
• Zentralheizung, 100-500 Liter — Stehendes Gefäß mit Standfüßen, Druckklasse 6 bar, vorzugsweise mit austauschbarer Membran
• Druckerhöhungsanlage für Trinkwasser, 24-100 Liter — Klarwassergefäß mit Butylmembran, Druckklasse 10 bar, mit Hygienenachweis
• Druckerhöhungsanlage für Trinkwasser, 200 Liter und mehr — Gefäß mit Flansch, austauschbarem Beutel und Edelstahlnippel
• Solarkollektorkreis — Solargefäß mit Spezialmembran und hoher Temperaturbeständigkeit, ein Standard-Heizungsgefäß wird nicht verwendet
• Jockeyleitung der Feuerlöschpumpenanlage — Gefäß mit kleinem Volumen, Druckklasse 16 bar, vom Hersteller der Löschanlage freigegeben

Im Sortiment von Pomeka Mekanik werden Gefäße und Installationstechnik überwiegend mit Kodsan und Wates abgedeckt, die Armaturen mit Caleffi, Watts und Danfoss. Bei Druckerhöhungsanlagen kommt das Gefäß meist werkseitig mit der Anlage: Die Grundfos SCALA2 benötigt dank ihres integrierten Gehäuses kein separates Gefäß, bei Anlagen auf Basis der Grundfos CMBE und der Wilo Economy MHI wird dagegen ein 8-24-Liter-Gefäß in die Leitung eingefügt. Bei der Luft- und Schlammabscheidung werden Abscheider der Caleffi-Discal-Baureihe vor dem Gefäß positioniert und verlängern die Lebensdauer der Membran. Alle geführten Marken finden Sie auf unserer Markenseite. (Details: unsere Markenseite)

Auf dem Markt häufig nachgefragte Produkte wie die Reflex-N-Baureihe und Zilmet Cal-Pro sind bekannte Referenzen der Heizungsseite; auf der Trinkwasserseite werden dagegen die Klarwasserbaureihen derselben Hersteller mit Butylmembran genannt. Pomeka Mekanik liefert diese beiden Marken nicht; die gleichwertigen Entsprechungen im geführten Sortiment sind auf der Heizungsseite die Kodsan-Gefäße, auf der Klarwasserseite Wates und die Werksgefäße der Hersteller von Druckerhöhungsanlagen. Für den technischen Vergleich der beiden Marken gibt es einen eigenen Beitrag von uns. (Details: Reflex oder Zilmet? Worauf bei der Auswahl eines Ausdehnungsgefäßes achten?)