Finden Sie jetzt Ihren Energie-Experten! 2867 registrierte Profis direkt erreichen und kostenlos vergleichen!
Jetzt lesen: So funktioniert energie-experten.org

Technischer Ratgeber zu Membranausdehnungsgefäßen (MAG)

Was ist ein Membranausdehnungsgefäß und welche Aufgabe erfüllt es in der Heizungsanlage? Wie ist das Ausdehnungsgefäß aufgebaut und wie funktioniert es?

Wir erklären in diesem Artikel wie ein Membranausdehnungsgefäß aufgebaut ist und nach welchem Prinzip es funktioniert, um seiner Aufgabe als Druckhalter beziehungsweise Druckausgleicher innerhalb einer hydraulischen Heizungsanlage gerecht zu werden.

Kostenlos 5 Angebote für Ihren neue Heizung anfordern

Finden Sie jetzt Energie-Experten in Ihrer Nähe:
 

Funktionsprinzip des hydraulischen Druckausgleiches

Membranausdehnungsgefäße sind elementare Bestandteile einer Warmwasserheizung, um einen Überdruck bei Ausdehnung des Heizungswassers zu regulieren. (Foto: energie-experten.org)
Membranausdehnungsgefäße sind elementare Bestandteile einer Warmwasserheizung, um einen Überdruck bei Ausdehnung des Heizungswassers zu regulieren. (Foto: energie-experten.org)

Ein Membranausdehnungsgefäß, kurz: MAG, ist ein spezielles Ausdehnungsgefäß (ADG). Solche Ausdehnungsgefäße werden mitunter auch Expansionsgefäße oder Druckausgleichsbehälter genannt. Es handelt sich dabei um Bauteile innerhalb eines hydraulischen Systems wie es eine Heizungsanlage darstellt. Aufgabe des Membranausdehnungsgefäßes im speziellen und der Ausdehnungsgefäße im Allgemeinen ist es, die sich in Abhängigkeit von der Temperatur ändernden Volumina der Hydraulikflüssigkeit (auch Hydraulikfluid genannt) zwischen der niedrigsten und der höchsten Temperatur aufzunehmen. Somit hilft das Membranausdehnungsgefäß, den Druck im System weitgehend konstant zu halten (Druckhaltefunktion) beziehungsweise auszugleichen (Druckausgleichsfunktion).

Der Aufbau und die Funktionsweise des Membranausdehnungsgefäßes sind dem physikalischen Prinzip geschuldet, dass die Volumina von flüssigen Stoffen (Flüssigkeiten) sich ändern, wenn die Temperatur wechselt. So vergrößert sich das Volumen der Flüssigkeit, wenn die Temperatur steigt. Sinkt die Temperatur, verkleinert sich das Volumen entsprechend.

Da sich die Bauteile der Heizungsanlage, in denen die Hydraulikflüssigkeit (in herkömmlichen Heizungsanlagen Heizwasser, in Solarthermie-Anlagen Wasser oder ein spezielles Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel / Glykol) zirkuliert, materialbedingt nicht groß ausdehnen können (geringe Dehnungskapazität), führt ein sich infolge einer Temperaturerhöhung größeres Volumen der Hydraulikflüssigkeit zu einem höheren Druck im System. In Abhängigkeit von der Menge der Hydraulikflüssigkeit kann die Drucksteigerung schon bei kleinen Temperaturerhöhungen enorm sein. Ohne Membranausdehnungsgefäß handelt es sich um eine im geschlossenen Heizungssystem eingeschlossene Flüssigkeit, die mit höherem Druck die Anlage nachhaltig schädigen könnte: geplatzte Rohrleitungen und Druckbehälter wären eine Folge.

Die Volumenänderung Delta Volumen (δV) einer Flüssigkeit je Kelvin (K) Temperaturänderung Delta Temperatur (δT) beschreibt der medienabhängige sogenannte kubische Ausdehnungskoeffizient:

γ = δV / δT

Als Faustformel kann man sich für die Dimensionierung der Anlage merken: Pro Kilowatt Anlagenleistung muss man etwa einen Liter Ausdehnungsvolumen berücksichtigen.

Legt man das Ausdehnungsgefäß falsch aus oder ist es kaputt, kann der nicht ausgeglichene Druck, sprich: Druckunterschied, den Wirkungsgrad der Heizungsanlage, so sie denn noch läuft, beeinträchtigen. Effizienzverluste bis zu zehn Prozent sind mögliche Folgen eines falsch dimensionierten oder kaputten Ausdehnungsgefäßes.

Neue Heizung gesucht? Hier Kostenvoranschläge anfordern

Finden Sie jetzt Energie-Experten in Ihrer Nähe:
 

Wirkungsweise des Druckausgleichs zwischen Gaspolster und Membran

Ein Membranausdehnungsgefäß ist ein geschlossenes Ausdehnungsgefäß, das mit einem Zugang in den hydraulischen Kreislauf eingebettet ist. Es realisiert die Druckhalte- beziehungsweise Druckausgleichsfunktion mit einem vorgespannten Gaspolster, meist ein Stickstoffpolster (Vordruck: 0,5 bis 1,0 bar). Das wird auch Inertgas genannt. Zwischen der Hydraulikflüssigkeit und dem Gaspolster sitzt in einem Membranausdehnungsgefäß festgehalten von einem Klemmring eine flexible Gummimembran – die auch namensgebend ist. Die Gummimembran des Membranausdehnungsgefäßes sorgt weitestgehend dafür, dass sich die Hydraulikflüssigkeit und das Gas nicht vermischen.

Bei einer Erwärmung dehnt sich die Hydraulikflüssigkeit aus, die selbst als nahezu inkompressibel gilt, weil ihre Dichte nicht vom Druck abhängig ist. Mit der Ausdehnung drückt sie auf das Gaspolster auf der anderen Seite der Membran, das sich dabei verdichtet. Solange der Anlagendruck bei niedrigster Temperatur über dem Vorspanndruck der Membran liegt, findet dank der Flexibilität der Membran ein Druckausgleich zwischen Gaspolster und Membran statt.

Das Gas des Gaspolsters im Membranausdehnungsgefäß lässt sich durchaus als ideales Gas betrachten. Demzufolge ist die relative Druckänderung im System, die sich infolge einer Temperaturänderung ergibt, proportional zur relativen Volumenänderung der Hydraulikflüssigkeit. Diese Proportionalität wird auch als hydraulische Kapazität bezeichnet: Per definitionem ist sie das proportionale Verhältnis von Volumenstrom zu Druckänderung.

Nur der Vollständigkeit halber soll hier noch erwähnt werden, dass es auch geschlossene Ausdehnungsgefäße ohne Membran gibt, sowie offene Ausdehnungsgefäße. Außerdem lässt sich der Druck auch mit anderen Technologien innerhalb eines Systems halten / ausgleichen, zum Beispiel mit der sogenannten Pumpendruckhaltung.

Im kalten Zustand (links) wird die Membran durch das Gaspolster an die Gefäßwand gedrückt. Fließt Heizungswasser ein, so wird die Stickstofffüllung komprimiert (rechts). (Grafik: energie-experten.org)
Im kalten Zustand (links) wird die Membran durch das Gaspolster an die Gefäßwand gedrückt. Fließt Heizungswasser ein, so wird die Stickstofffüllung komprimiert (rechts). (Grafik: energie-experten.org)

Kriterien zur optimalen Größendimensionierung eines Ausdehnungsgefäßes

In größeren Mehrfamilienhäusern, insbesondere in Altbauten, kommen auch sehr große, mehrere hundert Liter fassende Ausdehnungsgefäße zum Einsatz. (Foto: energie-experten.org)
In größeren Mehrfamilienhäusern, insbesondere in Altbauten, kommen auch sehr große, mehrere hundert Liter fassende Ausdehnungsgefäße zum Einsatz. (Foto: energie-experten.org)

Aus dem bereits erwähnten Einfluss des Membranausdehnungsgefäßes auf den Wirkungsgrad der hydraulischen Anlage ergibt sich schon die Bedeutung der optimalen Dimensionierung des Membranausdehnungsgefäßes. Damit diese optimal gelingt, sind folgende Aspekte zu beachten: 

  • Menge der hydraulischen Flüssigkeit im System (Flüssigkeitsvolumen)
  • niedrigste und höchste Temperatur der hydraulischen Flüssigkeit, die zugleich als der Wärmeträger (Wärmeübertragungsfluid) fungiert
  • kubischer Ausdehnungskoeffizient der hydraulischen Flüssigkeit
  • höchst zulässige Anlagendruck

Es gilt, das Membranausdehnungsgefäß vom Ausmaß (Volumen) her so zu dimensionieren, dass der Druck sowohl bei der maximalen als auch bei der minimalen Temperatur im Heizungssystem weder unzulässig unterschritten noch überschritten wird.

Werden andere Flüssigkeiten als Wasser im System benutzt, zum Beispiel eine Mischung aus Ethylenglykol und Wasser, die typisch für Solarthermie-Anlagen ist, muss man den spezifischen Ausdehnungskoeffizient dieser Flüssigkeit beachten, der weitaus höher als der von Wasser ist. Entsprechend größer muss dann das Membranausdehnungsgefäß gewählt werden, so dass es auch den entsprechend größeren Volumenänderungen gerecht wird.

Expertentipp: Der Stickstoff diffundiert durch die Membran. Infolgedessen verringert sich der Vordruck, den das Gaspolster bringt. Deshalb muss dann Stickstoff beziehungsweise Luft aufgefüllt werden, wobei man sich streng an die vom Hersteller vorgegebenen Vordruckwerte halten sollte, da ein zu hoher wie ein zu niedriger Vordruck die Funktionstüchtigkeit des Membranausdehnungsgefäßes beeinträchtigen. Ein zu hoher Vordruck würde kein Wasser einströmen lassen, bei einem zu niedrigen stünde das MAG unter Wasser.

Unterscheidung typischer Betriebszustände im Überblick

Man unterscheidet vier Zustände des Membranausdehnungsgefäßes:

1. Das Membranausdehnungsgefäß ist wasserseitig drucklos: Dann hat das Gaspolster, beispielsweise Stickstoff die flexible Membran komplett an die Wand des Behälters gedrückt. Der Druck lässt sich einstellen und kontrollieren, wobei man die diesbezüglichen Angaben der Hersteller von Membranausdehnungsgefäßen beachten sollte sowie die diesen Normwerten zugrunde liegenden Berechnungen.

2. Das Membranausdehnungsgefäß ist im kalten Anlagenzustand wasserseitig druckbelastet: In diesem Zustand halten sich das Gaspolster und das Wasser im Membranausdehnungsgefäß quasi die Waage. Oder anders ausgedrückt: Das in das Membranausdehnungsgefäß eingeströmte Wasser hat die Membran von der Behälterwand gelöst und sich in den so entstehenden Raum ergossen.

3. Das Membranausdehnungsgefäß ist im warmen Anlagenzustand wasserseitig druckbelastet: Das Gaspolster ist in diesem Zustand vom sich infolge der Temperaturerhöhung ausgedehnten und in das Membranausdehnungsgefäß geströmten Heizungswasser zusammengedrückt (komprimiert) worden.

4. Das Membranausdehnungsgefäß ist wasserseitig druckbelastet, ein Stickstoffpolster ist nicht (mehr) vorhanden: Aus welchen Gründen auch immer ist der Stickstoff aus dem Membranausdehnungsgefäß entwichen, so dass das MAG seiner Funktion nicht mehr gerecht werden kann.

Einbindung von Membranausdehnungsgefäßen in Heizungsanlagen

Membranausdehnungsgefäße gibt es zum direkten Einbau in den Heizkessel und auch als Ergänzungsgefäß, das außerhalb des Kessels, zum Beispiel auch an einer Wand, montiert werden kann. Ausdehnungsgefäße werden häufig in klassischen Heizungsanlagen eingesetzt. Sie kommen auch in vielen anderen hydraulischen Kreisläufen zum Einsatz, zum Beispiel Brauchwasserkreisläufen, Kaltwasserkreisläufen, Solarthermiekreisläufen und Hydraulikkreisläufen. Da die Membranausdehnungsgefäße wegen ihrer spezifischen Bauweise nicht gewartet werden müssen, verwendet man sie in modernen Heizungs- und Solarthermie-Anlagen nahezu ausschließlich.

Ausdehnungsgefäße wie das Membranausdehnungsgefäß gelten als Teile der sicherheitstechnischen Ausrüstung einer Warmwasserheizung. Für diese schreibt die europäische Prüfnorm DIN EN 12828 beziehungsweise DIN 4807-2 [2] eine alljährliche Wartung vor. Außerdem unterliegen sie der Zulassung gemäß der Richtlinie über Druckgeräte 97/23/EG.

Des Weiteren müssen hydraulische Kreisläufe, die einen Ausdehnungsbehälter als Komponente haben, mit einem Sicherheitsventil ausgestattet sein. Es dient dazu, einen Überdruck auszugleichen, der infolge eines kaputten Membranausdehnungsgefäßes (zerstörte Membran, Gasverlust) in der Anlage auftritt.

Die Membran im Membranausdehnungsgefäß ist nur bis zu einer bestimmten maximalen Betriebstemperatur voll funktionstüchtig (nach DIN 4807 T3). Meist sind das etwa 80 Grad Celsius. Wird ein solches Membranausdehnungsgefäß in einer Anlage eingesetzt, die auch mit höheren Temperaturen arbeitet, muss ein sogenanntes Vorschaltgefäß vor dem Membranausdehnungsgefäß integriert werden. Darin „schichtet“ sich die Temperatur, so dass sich das Wasser abkühlt.

Wird ein Membranausdehnungsgefäß in einer Anlage eingesetzt, die auch Brauchwasser / Trinkwasser erwärmt und wo das Trinkwasser selbst in das Membranausdehnungsgefäß strömt, muss ein Zwangsdurchlauf erfolgen, um der Bildung von Legionellen im Trinkwasser vorzubeugen.

Experten-Tipp: Bei der jährlichen Wartung der Heizungsanlage sollte auch das Ausdehnungsgefäß hinsichtlich des nötigen Vordrucks geprüft werden, da der Stickstoff zwar langsamer als Luft, aber dennoch durch die Membran diffundiert. Ist der Vordruck zu gering, sollte das Gefäß mit Stickstoff nachgefüllt werden. Kann nicht der benötigte Druck aufgebaut werden, so kann dies an einer über die Jahre porös gewordenen Gummimembran liegen. Dann sollte das Ausdehnungsgefäß ausgetauscht werden.

Hier finden Sie Heizungsexperten in Ihrer Nähe

Finden Sie jetzt Energie-Experten in Ihrer Nähe:
 

"Technischer Ratgeber zu Membranausdehnungsgefäßen" wurde am 12.02.2018 das letzte Mal aktualisiert.