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Membranausdehnungsgefäss

Grundlagen

Bei Erwärmung vergrößert sich das Volumen des Heizungswassers im Rohrsystem von geschlossenen Heizungsanlagen. Ausdehnungsgefäße nehmen diese Volumenausdehnungen auf und gleichen die temperaturbedingten Druckunterschiede aus. Grundsätzlich fordert die DIN EN 12828, dass jeder Wärmeerzeuger durch mindestens eine Ausdehnungsleitung mit einem oder mehreren Ausdehnungsgefäßen verbunden ist.

Membrandruckausdehnungsgefäße in Heizungsanlagen werden als MAG-H bezeichnet, um sie von den MAG in Trinkwasseranlagen (MAG-W) zu unterscheiden. Sie werden mit einem Nennvolumen von ca. 8 Liter bis über 10.000 Liter angeboten. In der Praxis konzentriert sich der Einsatzbereich auf Gefäße < 1000 Liter, darüber werden meist dynamische Druckhaltesysteme mit Fremddruckerzeugung eingesetzt. Im Ein-, Zwei- und Mehrfamilienhausbereich werden meist MAG bis 400 Liter eingebaut.

Funktion

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Quelle: www.sbz-monteur.de

Das MAG besteht aus einem Metallbehälter mit einer eingesetzten Gummimembran. Die Membran trennt das Heizungswasser von einem Gasraum. Das sich bei Erwärmung ausdehnende Heizungswasser drückt gegen die Membran. Da sich Wasser im Gegensatz zum Gas nicht zusammendrücken lässt, bewegt sich die Membran in das Gaspolster hinein. Das Heizungswasser kann sich ausdehnen, ohne dass in der Anlage eine nennenswerte Druckerhöhung auftritt.

Auslegung

Grundlagen

Die Auslegung eines MAG erfolgt nach der DIN EN 12828 oder der DIN 4807-2. Hersteller bieten dazu ausführliche Softwareprogramme und zahlreiche Apps an. Eine schnelle und richtige Auswahl bieten dem Installateur die Unterlagen der Hersteller, aus denen das MAG ausgewählt werden kann. Es gibt diverse Möglichkeiten zur Berechnung und überschlägigen Auslegung von MAG. Nachfolgend stellen wir eine Option zur Auslegung vor.

Die Größe des MAG hängt ab von:

  • dem Wasservolumen der Anlage
  • der maximalen Vorlauftemperatur
  • dem Anfangsdruck
  • dem Ansprechdruck des Sicherheitsventils

Mit Hilfe dieser Größen kann das erforderliche Nennvolumen des MAG berechnet werden.

Anfangsdruck

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Quelle: BTZ-Osnabrück

Die Gefäße werden werkseitig mit Stickstoff gefüllt und mit einem Vordruck von 0,5; 1,0; 1,5; oder 3 bar geliefert. Dieser Vordruck sollte vor Ort kontrolliert und ggf. auf den erforderlichen Anfangsdruck einreguliert werden. Der Anfangsdruck hat die Aufgabe zu verhindern, dass bereits beim Füllen der Anlage mehr als das für die Wasservorlage erforderliche Wasser in das MAG eindringt. Der Anfangsdruck richtet sich nach dem statischen Druck. Bei Warmwassertemperaturen über 100°C ist zum statischen Druck der entsprechende Dampfdruck zu addieren.

Berechnung des Anfangsdruckes

Formel –> p0 = pst + pd

p0 Anfangsdruck in bar
pst Statischer Druck in bar
pd Dampfdruck in bar

Dampfdruck pd

bis 100°C0,0 bar
bis 110°C0,5 bar
bis 120°C1,0 bar

Statischer Druck pst

bis 5m0,5 bar
5m - 10m1,0 bar
10m - 15m1,5 bar
15m - 20m2,0 bar

Nach DIN EN 12828 sollte der Anfangsdruck mindestens 0,7 bar betragen.

Ausdehnungsvolumen

Das MAG ist so zu bemessen, dass es mindestens das Ausdehnungswasser der Anlage einschließlich der Wasservorlage ( Vv ) aufnehmen kann. Das Ausdehnungsvolumen ist abhängig vom Wasservolumen der Anlage sowie der maximalen Vorlauftemperatur. Diese wird nach der maximal möglichen Überschwingtemperatur, das heißt unter Berücksichtigung des Ausfalls des Sicherheitstemperaturbegrenzers festgelegt. ( In der Regel 10 K über der angegebenen Systemtemperatur ). Dazu kommt ein Zuschlag + 5K für Temperaturschwingungen.

Beispiel: Systemtemperatur 70°C –> Überschwingtemperatur = 85°C

Den gesamten Wasserinhalt der Anlage erhält man aus den Inhalten der Rohrleitungen ( diese können mit Hilfe eines Tabellenbuches ermittelt werden ) und den Wasserinhalten des Wärmeerzeugers sowie der Heizkörper ( Datenblätter der Hersteller geben hierrüber Auskunft ).

Berechnung des Ausdehnungsvolumen V e

Formel –> Ve = n * Va

Ve Ausdehnungsvolumen in Liter
Va Wasservolumen der Anlage in Liter
nAusdehnungsfaktor

Wasservolumen Va von Heizungsanlagen

Radiatoren14 l / kW
Plattenheizkörper10 l/ kW
Konvektoren6 l / kW
Fußbodenheizung20 l / kW

Ausdehnungsfaktor n für Wasser bei 10°C Fülltemperatur ( Liter pro kW )

40°C0,0093
50°C0,0129
60°C0,0171
70°C0,0222
80°C0,0281
90°C0,0347
100°C0,0421
110°C0,0503
120°C0,0593

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Quelle: BTZ-Osnabrück

Wasservorlage

Für die Bestimmung des Nennvolumens ist zusätzlich zum Ausdehnungsvolumen auch eine Wasservorlage ( Vv ) zu berücksichtigen. MAG bis zu 15 Liter Nennvolumen müssen eine Wasservorlage von 20% ihres Nennvolumens aufweisen. Bei MAG mit mehr als 15 Liter Nennvolumen muss die Wasservorlage 0,5% des Wasservolumens der Anlage, mindestens jedoch 3 Liter betragen.

Formel –> Vv = 0,005 * Va (mindestens jedoch 3 Liter )

Vv Wasservorlage in Liter
Va Wasservolumen der Anlage in Liter

Enddruck p e

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Quelle: BTZ-Osnabrück

Wenn das MAG das errechnete Ausdehnungsvolumen aufnimmt, steigt dadurch der Druck im Gaspolster bis zum maximalen Wert an, dem Auslegungs-Enddruck. Dieser sollte etwa 0,5 bar unter dem Ansprechdruck des Sicherheitsventils liegen. Daraus ergibt sich:

Formel –> pe = psv - 0,5 bar

pe Enddruck in bar
psv Ansprechdruck Sicherheitsventil

Nennvolumen

Das mindestens erforderliche Nennvolumen Vnmin errechnet sich mit dieser Formel:

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Wenn das mindestens erforderliche Nennvolumen ermittelt ist, kann ein passendes MAG aus den Unterlagen des Herstellers herausgesucht werden. Ist ein genau passendes nicht im Angebot, wird das nächstgrößere MAG gewählt.

Beispiel: Soll-Arbeitsbereich

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Quelle: BTZ-Osnabrück


Anschluss - Inbetriebnahme und Wartung

Anschluss

Beispiel: Anschluss eines MAG

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www.sbz-monteur.de

MAG müssen nach DIN EN 12828 so installiert werden, dass die maximale Dauertemperatur des Herstellers ( meist höchstens 70°C ) nicht überschritten wird. Außerdem sollen sie am druckneutralen Punkt des Systems montiert werden. Daraus ergibt sich der Einbau im Rücklauf. In die Verbindungsleitung zur Heizungsanlage ist zu Revisions- und Kontrollzwecken eine Entleerungseinrichtung und eine Absperrung einzubauen, die gegen unabsichtliches Schließen gesichert ist. Ein Kappenventil.

Beispiel: Kappenventil

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Quelle: www.flamcogroup.com

Die Verbindung zwischen MAG und Wärmeerzeuger ist bis 20 kW Nennwärmeleistung mit 12 mm Innendurchmesser, bis 300 kW bis 20 mm Innendurchmesser zu bemessen.

Inbetriebnahme

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Quelle: www.shk-profi.de

Damit das MAG seine Funktion erfüllen kann, ist es bei der Inbetriebnahme auf die anlagenspezifischen Gegebenheiten abzustimmen.

  1. Das MAG muss auf den bei der Berechnung ermittelten Vordruck eingestellt werden.
  2. Die korrekte Wasservorlage ist in das MAG einzubringen. Die richtige Wassermenge erhält man, wenn die Heizungsanlage auf die maximale Vorlauftemperatur aufgeheizt, entgast und entlüftet wird. Es wird bis auf den Enddruck Wasser nachgefüllt.
  3. Wieder im kalten Zustand wird der Fülldruck am Manonmeter kontrolliert.

Wartung

Die DIN EN 12828 fordert eine jährliche Wartung von MAG. Diese sollte im Wesentlichen folgende Arbeitsschritte beinhalten:

  • Heizungsanlage ausschalten
  • Äußere Sichtprüfung des MAG
  • Kappenventil schließen
  • Wasservorlage am Entlüftungsventil des Kappenventils entleeren
  • Mit Luftmanometer Vordruck des Gefäßes messen
  • Bei Bedarf Stickstoff nachfüllen
  • Kappenventil wieder öffnen
  • Wasservorlage nachfüllen
  • Heizungsanlage wieder einschalten
  • Anlage auf Maximalvorlauftemperatur aufheizen
  • Enddruck kontrollieren

Inbetriebnahme- und Wartungsarbeiten sind auf dem Typenschild oder dem Servicepass einzutragen.

Leider werden MAG häufig überhaupt nicht gewartet. Nicht selten rückt das MAG erst nach Betriebsstörungen der Anlage ins Blickfeld. Solche Störungen machen sich wie folgt bemerkbar:

  • immer öfter notwendig werdendes Nachspeisen ohne erkennbare Leckagen (Wasser entweicht über Sicherheitsventil)
  • immer wieder Luftansammlungen in den höherliegenden Heizkörpern, verbunden mit Zirkulationsstörungen und -geräuschen
  • Umwälzpumpen, die nicht mehr fördern (Luft in der Pumpe) bzw. defekt gehen (besonders bei Flachbauten und Dachzentralen)

Wichtige Begriffe

FachbegriffeErklärung
AusdehnungsleitungVerbindungsleitung zwischen Ausdehnungsgefäß und Wärmeerzeuger
AusdehnungsvolumenDie Volumenänderung des Heizwassers, die durch Aufheizen auf max. zulässige Vorlauftemperatur entsteht
druckneutraler Punkt
statischer Druck oder Enddruck ist hier immer konstant, unabhängig vom Betrieb der Umwälzpumpe ( auf der Saugseite der Umwälzpumpe )
EnddruckDruck im MAG, der sich nach dem Einbringen der Wasservorlage und dem Aufheizen der Anlage auf die max.zulässige Vorlauftemperatur einstellt. Liegt 0,5 bar unter dem Ansprechdruck des Sicherheitsventils
FülldruckDurch Einbringen der Wasservorlage, mit einem Fülldruck, der 0,3 bis 0,5 bar über dem Vordruck liegt und durch Entlüften der Anlage in kaltem Zustand bildet sich der Fülldruck.
NennvolumenGesamtinhalt eines Ausdehnungsgefäßes
Soll ArbeitsbereichDer Arbeitsbereich liegt in Abhängigkeit der Anlagentemperatur zwischen dem Fülldruck und Enddruck
statischer DruckÜberdruck, der sich aus der Höhendifferenz zwischen dem Ausdehnungsgefäß und dem höchsten Punkt der Anlage ergibt
VordruckGasüberdruck im MAG im wasserlosen Zustand (Anlieferung)
WasservorlageBevorratungsmenge im Ausdehnungsgefäß zur Deckung von Wasserverlusten