Kalk in der Trinkwasserinstallation: Mit Enthärtung die Steinbildung verhindern

Der Artikel kompakt zusammengefasst

• Wasser neigt durch härtebildende Inhaltsstoffe wie Calcium und Magnesium generell zur Kalkabscheidung und damit zur Steinbildung.
• Mit steigender Temperatur, etwa bei der Trinkwasser­erwärmung, nimmt die Bildung von Ablagerungen signifikant zu.
• Steinbildung führt zu einem höheren Energieverbrauch. Bereits bei einer Kalkschicht von 1 mm Dicke auf Wärmeüber­tragungsflächen kann der Energieaufwand um bis zu 10 % steigen.
• Ist eine kritische Steinbildung zu erwarten, raten Experten zu einer Wasserbehandlung, um die Trinkwasser-Installation und die angeschlossenen Haushaltsgeräte vor Schäden zu schützen.
• Eine entsprechende Behandlung von Trinkwasser ist mittels Wasserenthärtung durch Ionenaustausch, mittels Dosierung härtestabilisierender Mineralstoff­lösungen oder mittels Kalkschutz­geräten möglich.

Wasser nimmt im natürlichen Kreislauf verschiedenste Inhaltsstoffe auf. Durch das Lösen von ­Calciumcarbonat (CaCO₃, auch Kalk genannt) bzw. Dolomit ­(Mischcarbonat aus Calcium und Magnesium) kommt es zur Anreicherung von im Wasser gelösten Hydrogencarbonaten (HCO₃-) (Bild B). Die natürlichen Wasserinhaltsstoffe Calcium, Hydrogencarbonat und Kohlenstoffdioxid liegen dabei in einem sensiblen Lösungsgleichgewicht vor, auch Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht genannt. Dieses ist stark temperaturabhängig und beschreibt die Neigung eines Wassers zur Kalkabscheidung und damit zur Steinbildung.

Mit steigender Temperatur, z.B. bei der Trinkwassererwärmung, nimmt die Bildung kristalliner Ablagerungen aufgrund der im Wasser gelösten Calcium- und Hydrogencarbonat-Ionen signifikant zu. Infolge dieser Steinbildung können innerhalb der Trinkwasser-Installation unterschiedliche Funktionsstörungen und Schäden entstehen, da sich die kristallinen, wasserunlöslichen Beläge z.B. auf Wärmeübertragungsflächen absetzen.

Steinbildung erhöht den Energieverbrauch

Mit zunehmender Steinbildung kommt es in Trinkwassererwärmungsanlagen durch die isolierende Wirkung zur Behinderung der Wärmeübertragung. Dies kann insbesondere an den Wärmeübertragungsflächen zu unerwünschten Temperaturerhöhungen führen, mit unterschiedlichen Folgen, die von der Bauart der Trinkwassererwärmer (Funktionsart und Beheizung) abhängen.

So kann etwa die Wärmeleistung abnehmen oder die gewünschte Austrittstemperatur und/oder der Auslegungsvolumenstrom können unterschritten werden. In Versorgungsgebieten mit sehr hartem Trinkwasser ist ein regelrechtes Zusetzen von Leitungen und Rohren durch Steinbildung möglich. Das führt dann zu einer Erhöhung des Strömungswiderstandes und zu Druckverlust im System, verbunden mit einer Verschlechterung des hydraulischen Abgleichs. Ebenso erhöht sich die Leistungsaufnahme der Zirkulationspumpe aufgrund von ablagerungsbedingt rauen Innenwänden der Rohrleitungen.

Steinbildung führt also an mehreren Stellen zu einem höheren Energieverbrauch. Bereits bei einer Kalkschicht von 1 mm Dicke auf Wärmeübertragungsflächen kann der Energieaufwand um bis zu 10% steigen, weil beispielsweise der Wirkungsgrad der Wärmeerzeugung durch höhere Temperaturen sinkt. Aus energetischen Gesichtspunkten ist ein verlustarmer Wärmeübergang deshalb unbedingt anzuraten.

Technik vor Funktionsverlust schützen

Neben der fachgerechten Anlagenplanung und -installation, dem bestimmungsgemäßen Betrieb und der Instandhaltung der Trinkwasser-Installation nach DIN EN 806, DIN 1988 und DIN EN 1717 wird auch der örtlichen Trinkwasser­beschaffenheit und den langjährigen Betriebserfahrungen mit ebenjener Trinkwasserzusammensetzung ein hoher Stellenwert eingeräumt. Ist eine kritische Steinbildung zu erwarten, raten Experten explizit zu einer dezentralen Behandlung des Trinkwassers (Gebäudeinstallation), um Bauteile, Apparate und Geräte vor einem Funktionsverlust zu schützen.

Denn Steinbildung kann sich direkt negativ auf die Nutzungsdauer der Trinkwasserinstallation und der angeschlossenen Haushaltsgeräte auswirken. Deshalb wird eine Wasserbehandlung nicht nur für das Warmwasser, sondern auch für das Kaltwasser empfohlen. Werden entsprechende Maßnahmen an zentraler Stelle der Trinkwasser-Installation realisiert, so liegt der entscheidende Vorteil in der gleichzeitig durchgeführten Behandlung sowohl für kaltes als auch erwärmtes Trinkwasser.

Warmwasser neigt zwar stärker zur Steinbildung als Kaltwasser, bei technischen Anwendungen wird in der Regel das Kaltwasser jedoch erst im Gerät erwärmt (z.B. Wasch- und Spülmaschine, Wasserkocher, Dampfgarer) und erfordert deshalb ebenfalls Schutz vor Steinbildung. Weiterhin werden die in Waschmitteln enthaltenen waschaktiven Substanzen (Tenside) durch die Härtebildner Calcium und Magnesium gebunden. Deshalb wird während des Waschvorgangs umso mehr Waschmittel benötigt, je mehr Calcium- und Magnesiumionen im Wasser vorhanden sind. Dies führt zu einer unnötig hohen Dosierung an Wasch- und Reinigungsmitteln mit negativer Auswirkung auf die Umwelt.

Neben gängigen Planungsprämissen sollten Wasserbehandlungsmaßnahmen zur Verminderung schädlicher Ablagerungen auch in Betracht gezogen werden, wenn diese durch spezielle Herstellervorgaben (z.B. Sanitärarmaturen, Haushaltsgeräte etc.) oder vom Verbraucher oder Betreiber der Trinkwasserinstallation als erforderlich erachtet werden.

Vermeidung schädlicher Steinbildung

Die Behandlung von Trinkwasser zur Vermeidung schädlicher Steinbildung kann nach DIN 1988-200 entweder mittels Wasserenthärtung durch Ionenaustausch, mittels Dosierung härtestabilisierender Mineralstofflösungen (Bild C) oder mittels Kalkschutzgeräten erfolgen.

Bei der Enthärtung von Trinkwasser mittels Kationenaustausch werden die im Trinkwasser enthaltenen härtebildenden Calcium- und Magnesiumionen gegen Natriumionen ausgetauscht (Bild D). Dieser Austauschprozess findet so lange statt, bis das Kationenaustauscherharz erschöpft ist und keine Natriumionen mehr zur Verfügung stehen.

Zur Regeneration des Harzes lässt sich der Vorgang umkehren: Mittels Sole wird dem Austauscher eine hohe Konzentration an Natrium­ionen zugeführt. Die damit erzwungene Überzahl an Natriumionen verdrängt die Calcium- und Magnesiumionen. Nach der Regeneration ist das Kationenaustauscherharz wieder betriebsbereit.

Andere Wasserinhaltsstoffe, wie Sulfat-, Nitrat- oder Chloridionen sowie Parameter wie pH-Wert, Leitfähigkeit oder TOC (total organic carbon) werden verfahrensbedingt durch eine Enthärtungsanlage nach dem Kationenaustauschprinzip nicht beeinflusst. Der Grund: Die Enthärtung des Trinkwassers erfolgt hierbei mittels eines speziellen mit Natriumionen beladenen Harzes. Es handelt sich dabei um ein sogenanntes stark saures Kationenaustauscherharz in der Natriumform (SAC‑Na). Damit werden lediglich Natriumionen in das Trinkwasser abgegeben und gegen Calcium und Magnesiumionen ausgetauscht. Es kommt also zu keiner Veränderung des pH-Werts im Trinkwasser.

Anders sieht es bei schwach sauren Kationenaustauscherharzen in der H+-Form (WAC-H) aus, wie sie in der zentralen Wasseraufbereitung (Wasserversorger) zum Einsatz kommen. Hier werden bei der Wasserbehandlung Wasserstoffionen (H+-Ionen) ins Wasser abgegeben. Diese reagieren mit den im Wasser vorhandenen ­Hydrogencarbonat-Ionen zu Kohlensäure, ­welche sofort zu Kohlendioxid und Wasser ­zerfällt. Dies führt zu einer massiven Änderung des pH-Werts. Diese Art von Kationenaustauscherharzen finden jedoch in nach DIN EN 14743 bzw. DIN 19636-100 beschriebenen Enthärtungsanlagen für die Gebäudeinstallation (dezentral) keine Anwendung.

Neben der Abscheidung von Kalk als Calciumcarbonat können auch andere Ablagerungen aus den im Wasser enthaltenen Ionen entstehen, z.B.Calciumsulfat. Im Gegensatz zu Calciumcarbonat sind Ablagerungen von Calciumsulfat, wie sie beispielsweise bei der Vollverdunstung an Oberflächen entstehen (Badfliesen, Armaturen, Spülkästen …), mit Säuren oder säurehaltigen Reinigungsmitteln kaum zu entfernen.

Auch hier bietet sich eine Wasserbehandlung nach dem Kationenaustauschverfahren an. Die nach der Behandlung entstehenden Ablagerungen bestehen nun nicht mehr aus Calcium-, sondern aus Natriumsalzen. Ablagerungen aus Natriumhydrogencarbonat oder Natriumsulfat auf Oberflächen lassen sich leicht entfernen, da sie sehr gut wasserlöslich sind. Die Löslichkeit von Natriumhydrogencarbonat ist ca. 10.000-fach größer als diejenige von Calciumcarbonat. Die Löslichkeit von Natriumsulfat ist immer noch hundertmal größer als diejenige von Calciumsulfat.

Wasserbehandlung an zentraler Stelle

Grundsätzlich kann Steinbildung aufgrund der im Wasser enthaltenen Härtebestandteile nicht vollständig vermieden werden. Es können jedoch Maßnahmen zum Schutz von Bauteilen und Apparaten in der Trinkwasserinstallation ergriffen werden, um unerwünschte Nebeneffekte schädlicher Steinbildung zu verringern.

Neben der regelmäßigen Prüfung und Reinigung des Trinkwassererwärmers und von Wärmeübertragerflächen ist häufig auch eine Wasserbehandlung zu empfehlen. Diese sollte an zentraler Stelle der Trinkwasserinstallation realisiert werden, um auch Geräte zu schützen, in denen das Kaltwasser erst im Gerät selbst erwärmt wird (z.B. Wasch- und Spülmaschine). Hierbei ist beispielsweise eine Mineralstoffdosierung zur Härtestabilisierung des Trinkwassers oder eine Wasserenthärtung mittels Ionenaustauschs (dezentral) anzuraten.

Letzteres Verfahren bietet dabei nicht nur den Vorteil eines verlustarmen Wärmeübergangs durch Verringerung schädlicher Steinbildung. Ohne andere Wasserinhaltsstoffe oder Parameter wie den pH-Wert zu beeinflussen, wird durch den Austausch härtebildender Calcium- und Magnesiumionen gegen Natriumionen auch die Menge an benötigten Wasch- und Reinigungsmitteln deutlich verringert. Dies gilt sowohl während des Waschvorgangs in der Waschmaschine als auch beim Entfernen von Ablagerungen an Oberflächen, was neben energetischen Vorteilen auch positive Auswirkungen auf die Umwelt hat.

Dieser Artikel von Dr. Christina Höckner erschien zuerst in SBZ-Ausgabe 02/2023. Dr. Christina Höckner ist Abteilungsleiterin des ­Technischen Labors bei der Grünbeck ­Wasseraufbereitung GmbH.