In diesem Beitrag wird auf die Grundlagen der Trägermedien bei Kälte- und Heizungssystemen eingegangen. Betreffend der Qualität geben die VDI 2035 und VDI 6044  klare Vorgaben. Reines Wasser, das preiswerteste verfügbare Fluid für Kälte- und Heizungsanlagen, lässt sich nur bis zu einem ausreichenden Abstand (ca. 2 K) zu seiner Einfriergrenze von 0 °C als Wärmeträger verwenden.

Per Definition nach der Celsius-Skala ergeben sich folgende Kenngrößen:

► Schmelzpunkt: 0 °C

► Siedepunkt: 100 °C

► Dichte: 1,0 g/cm³ bei 4 °C, 0,998203 g/cm³ bei 20 °C.

Seine größte Dichte besitzt flüssiges Wasser bei 4 °C. Dies hat zur Folge, dass in den kalten Wintermonaten bei fallenden Temperaturen das Wasser in Seen zunächst bis auf 4 °C abkühlt. Bei weiterer Abkühlung führt der Dichteunterschied zu einer Schichtbildung mit Eis und kaltem Wasser an der Oberfläche und 4 °C kaltem Wasser in Grundnähe. Dies ist der Grund, weshalb Gewässer von oben nach unten gefrieren. Man nennt diese besondere Eigenschaft auch die Dichteanomalie des Wassers. Durch die Volumenausdehnung des Wassers beim Gefrieren kommt es auch zu Sprengwirkungen. Diese Sprengwirkung kann bei außenliegenden Wasserleitungen in der kalten Jahreszeit zu einem Bersten der Rohrleitungen führen. Bei mobilen Anwendungen mit flexiblen Schläuchen ist hier eine größere Toleranz festzustellen.

Die Wärmekapazität beschreibt das Verhältnis von zugeführter Wärme zu der dadurch verursachten Temperaturerhöhung. Einfacher ausgedrückt ist es die Energiemenge, die benötigt wird, um 1 kg eines Stoffes um 1 K zu erwärmen.

c = 4,18 kJ/(kg·K)

Wasser hat eine der höchsten spezifischen Wärmekapazitäten der uns bekannten Flüssigkeiten. Wasser-Glykol-Gemische besitzen immer eine geringere Wärmekapazität als Wasser. Je nach Art und Mischungsverhältnis beträgt die spezifische Wärmekapazität bei Frostschutz bis −20 °C zwischen 3,4 und 3,7 kJ/(kg·K).

Die Verdampfungswärme – präziser: Verdampfungsenthalpie – beschreibt diejenige Wärmemenge, die benötigt wird, um eine definierte Menge einer Flüssigkeit bei unverändertem äußeren Druck sowie konstanter Temperatur in den gasförmigen Zustand zu überführen. Bei der Überführung von 1 kg 100 °C warmen Wassers in 100 °C warmen Dampf wird folgende Wärmemenge benötigt:

∆HV = 2.257 kJ/kg

Damit liegt die spezifische Verdampfungswärme von Wasser deutlich über den Werten anderer Flüssigkeiten. Das ist unter anderem ein Grund dafür, dass ein Kühlturm, der mit Wasser betrieben wird, Wärme effektiv abführen kann.

Die Wärmeleitfähigkeit beschreibt den Transport von Wärme zwischen Systemen unterschiedlicher Temperatur. Sie ist temperaturabhängig und steigt mit zunehmender Temperatur an. Die Wärmeleitfähigkeit von Wasser ist im Vergleich zu anderen Flüssigkeiten sehr hoch, im Vergleich zu Metallen (10- bis 100-fach größere Werte) aber gering. Die Wärmeleitfähigkeit λ von Wasser bei 20 °C beträgt 0,60 W/(m·K).

Die pH-Skala reicht von pH 0 (sauer) über pH 7 (neutral) bis zu pH 14 (basisch), typische pH-Werte verschiedener Flüssigkeiten können Bild 1 entnommen werden. Bei den meisten industriellen Anwendungen, in denen Wasser als Kühlmedium oder Prozesswasser verwendet wird, bewegt sich der pH-Wert im leicht alkalischen Bereich.

In Wasser löslich sind viele Salze, Säuren, Laugen und Gase. In Wasser schlecht löslich sind unpolare Stoffe wie Fette und Öle. Sauerstoff (O₂) hat bei 20 °C eine Löslichkeit von 0,001 % = 10 mg/l, Kohlendioxid (CO₂) hat bei 20 °C eine Löslichkeit von 0,17 % = 1.700 mg/l.

Mit steigender Temperatur nimmt die Löslichkeit von Gasen in Wasser ab. Aufgrund dieser Eigenschaft kann eine thermische Entgasung, wie sie beispielsweise bei Dampfkesselsystemen häufig angewandt wird, durchgeführt werden. Die elektrische Leitfähigkeit des Wassers ist ein ungefähres Maß für die Konzentration der im Wasser gelösten Salze und beschreibt die Fähigkeit, elektrischen Strom zu leiten. Sie wird in Siemens pro Meter ausgedrückt (S/m). Gebräuchliche Größenordnungen im Bereich der Wasseranalytik sind Millisiemens pro Meter (1 mS/m = 10⁻³ S/m) und Mikrosiemens pro Meter (1 µS/cm = 10⁻⁴ S/m).

Um Gefrieren von Wasser und somit nachhaltige Schäden an Rohrleitungen, Einbauteilen und am Aggregat zu vermeiden, sind die Empfehlungen der VDI-Richtlinie 2069 „Verhindern des Einfrierens von Wasser führenden Leitungen“ zu beachten. Bei Arbeitstemperaturen unter 1 °C müssen frostsichere Medien verwendet werden. Sind nur die Anlagen-Umgebungstemperaturen unter 0 °C, kann Frostsicherheit auch über Pumpendauerlauf, Rohrbegleitheizungen und/oder Containerheizungen realisiert werden. In erster Linie sind Wärmeträger Gemische, die auf Monoethylenglykol und Propylenglykol basieren. Diese werden mit Wasser in unterschiedlichen Konzentrationen gemischt, wodurch man genau definierte Einfriergrenzen erreicht. Diesen Mischungen werden in der Regel zusätzliche Korrosionsschutzadditive und Härtestabilisatoren verabreicht; durch diese Inhibitoren wird eine Hemmung chemischer und biologischer Reaktionen erreicht. Solche Wasser-Frostschutzmittel-Gemische nennt man umgangssprachlich oft Sole, obwohl dieser Begriff eigentlich nur für Salzlösungen zutreffend ist. Die DIN EN 14511-1 definiert den Begriff Sole jedoch als „Wärmeträger mit einem Gefrierpunkt, der tiefer als der von Wasser liegt.“ Generell gibt es eine Reihe von fertigkonfektionierten Wärmeträgen und Kühlmedien für alle Temperaturniveaus. Wichtig, insbesondere für den Einsatz in der Lebensmittelindustrie, ist auch deren ungiftigkeit.

Sole muss immer vorgemischt in das System gefüllt werden, um eine homogene Mischung zu gewährleisten und Mischungslücken zu vermeiden. Die Solekonzentration kann über eine Dichtespindel oder Refraktometer festgestellt werden. In jedem System, ob mit Wasser oder mit Sole gefüllt, muss ein Filter (idealerweise im Bypass zur Hauptleitung) vorgesehen werden. Sole wird im Allgemeinen verwendet

► bei Medientemperaturen unter 4 °C und

► bei Frostgefahr im Aufstellungsbereich (z. B. bei luftgekühlten Kältemaschinen

für Außenaufstellung, Rückkühler für Außenaufstellung, freiem Kühler, Kühlregister im RLT-Gerät, Air-Handler). Durch Beimischung von Frostschutzmittel ergeben sich gegenüber reinem Wasser in Abhängigkeit vom Mischungsverhältnis und der Temperatur folgende positive und negative Eigenschaften (Tabelle 1).

Tabelle 2 zeigt den Frostschutz in Abhängigkeit vom Mischungsverhältnis bei Ethylen und Propylen.

Um Schäden an Rohrleitungen, Komponenten und Wärmetauschern in Heizungs- und Kälteanlagen zu vermeiden ist es wichtig, die Eigenschaften vom Medium Wasser zu kennen. Durch Zugaben von Inhibitoren und/oder Frostschutz können negative Auswirkungen vermieden und ein sicherer und langfristiger Anlagenbetrieb erreicht werden. Wie die Wasseraufbereitung bei Wärmepumpen- und Kältesystemen gem. VDI 2025 durchgeführt wird, damit beschäftigen sich diese beiden Artikel mit Teil 1 und Teil 2. Noch tiefer wird in meinen „Leitfaden“ Fachbüchern darauf eingegangen, einen Überblick gibt es hier.