bautechnik bautechnik - Forum Wohnenergie

autechnik
Frank Hartmann / Klaus Siegele
Heizungsmodernisierung
in Wohngebäuden
Anlagentechnik für Architekten

Frank Hartmann, Klaus Siegele
Heizungsmodernisierung
in Wohngebäuden
Anlagentechnik für Architekten
Deutsche Verlags-Anstalt

Mix
Produktgruppe aus vorbildlich
bewirtschafteten Wäldern, kontrollierten
Herkünften und Recyclingholz oder -fasern
www.fsc.org Zert.-Nr. GFA-COC-001575
© 1996 Forest Stewardship Council
Verlagsgruppe Random House FSC-DEU-0100
Das für dieses Buch verwendete FSC-zertifizierte
Papier OpusPraximatt, hergestellt von Condat,
liefert Deutsche Papier GmbH.
1. Auflage
Copyright © 2009 Deutsche Verlags-Anstalt, München,
in der Verlagsgruppe Random House GmbH
Alle Rechte vorbehalten
Grafische Konzeption: Tina Hinkel, Stuttgart, www.hinkel-wahl.de
Grafische Umsetzung: Björn Maser, www.minimalist.cn
Grafiken: Michael Römer, www.roemer-grafik.de
Redaktion und Lektorat: Heiko Schwarzburger MA, Cortex Unit, Berlin und
frei04 publizistik, www.frei04-publizistik.de
Umschlaggestaltung: DVA/Monika Pitterle, unter Verwendung von Aufnahmen
von Tom Pischell (Fotos) und Michael Römer (Grafik)
Bildbearbeitung und Druckvorstufe: Florian Höch, Stuttgart, www.hoech.net
Druck und Bindung: Offizin Andersen Nexö Leipzig
Printed in Germany
ISBN 978-3-421-03716-9
www.dva.de

Inhalt
7 Zu diesem Buch
9 Wohnen und Heizen – eine unendliche Geschichte
Anlagentechnik
29 Wärmeerzeugung
71 Wärmenutzung
105 Warmwasserbereitung
Projekte
134 Wehrmühle in Biesenthal bei Berlin
142 Spätbarockes Bürgerhaus in Zeilitzheim
148 Reihenmittelhaus in Nürnberg
152 Scheunenumbau in Ihlow bei Strausberg
160 Bungalow in Durlach bei Karlsruhe
168 Fabrikumbau in Nürnberg
176 Wohnhaus mit Gewerbe in Poppenhausen bei Schweinfurt
Anhang
182 Checkliste für Bestandsaufnahme
186 Stichwortverzeichnis
189 Literatur- und Bildnachweis
190 Autoren
191 Forum Wohnenergie
192 DVA-Buchliste
INHALT

Zu diesem Buch
Es ist kein Geheimnis: Die meisten Architekten haben ein sehr gespaltenes Verhältnis
zur Anlagentechnik. Einerseits will man sich natürlich das energetische Konzept für
ein Gebäude nicht aus der Hand nehmen lassen, andererseits fehlt es vielen Planern
an entscheidenden Detailkenntnissen, um sicherzugehen, inwieweit die angepeilte
Heizungsanlage sich mit anderen Komponenten wie beispielsweise einer Solaranlage
verträgt oder sich diese am effizientesten einbinden lässt. Spätestens wenn der Termin
mit dem TGA-Fachplaner ansteht oder vom Installateur konkrete Rückfragen wegen
Unklarheiten in der Ausschreibung kommen, laufen viele Architekten Gefahr, mit ihrem
Fachwissen aufzuschwimmen und müssen sich binnen Sekunden entscheiden,
ob sie nun besser ihre Defizite offenlegen oder versuchen sollen, ihre Unsicherheit zu
überspielen und sich irgendwie durch das Fachgespräch zu mogeln. Letzteres ist sicher
der schlechteste Weg, um die beste anlagentechnische Lösung im Sinne des Bauherrn
zu finden, ohne dabei das ursprüngliche energetische Konzept aus den Augen zu verlieren,
das ja in der Regel darauf ausgerichtet sein muss, Architektur und Technik
optimal und nutzerbezogen aufeinander abzustimmen.
Während sich bei einem Neubau durch frühzeitige Einbindung der Fachplaner und
den infrage kommenden Handwerkern der Findungsprozess für das ideale energetische
Konzept eines architektonisch anspruchsvollen Gebäudeentwurfs recht einfach
gestalten lässt, funktioniert dies bei einem Altbau nicht so ohne Weiteres. Hier gilt
es zunächst in detektivischer Kleinarbeit herauszufinden, wie sich der Bestand darstellt,
sprich welche Qualitäten die Gebäudesubstanz einschließlich aller technischen
Einbauten aufweist. Das fachmännische Urteil über den Zustand der Gebäudehülle
geht Architekten dabei naturgemäß einfacher über die Lippen als das Resümee der
Eindrücke im Heizungskeller. Was sich dort hinter Kartons und Gerümpel so alles
versteckt, ist selbst für gestandene Installateure nicht immer auf den ersten Blick zu
durchschauen – der von Spinnweben überzogene Wirrwarr an Leitungen, Ventilen,
Schläuchen und Manometern erinnert oftmals eher an den Maschinenraum eines verlassenen
U-Bootes denn an die Technikzentrale eines Wohnhauses. Wie soll man in
dem Chaos erkennen, welchen Stand der Technik der Heizkessel repräsentiert und wie
das Prinzip der Warmwasserversorgung aufgebaut ist?
In solchen Situationen gilt es, mit Bedacht vorzugehen und das verschlungene Geheimnis
des Anlagenkonzeptes Stück für Stück zu entwirren. Dazu muss man natürlich
wissen, wie das Schema einer Heizanlage einer bestimmten Epoche grundsätzlich
aufgebaut ist, welche Komponenten autark sind, welche Funktionen die einzelnen Bestandteile
einer Anlage übernehmen und ob diese hierhin oder dorthin gehören. Um
Architekten zu etwas mehr hellseherischem Licht im technischen Dunkel eines antiquierten
oder auch neuzeitlichen Heizraumes zu verhelfen, ist dieses Fachbuch entstanden.
Ein kleiner Rückblick in die Welt des Wohnens und Heizens soll den Einstieg
in die darauf folgende, so umfassende wie detaillierte Übersicht der Anlagentechnik
erleichtern, die mit sieben vorbildlichen Projektbeispielen verschiedener energetischer
Sanierungen abschließt. Frank Hartmann, Klaus Siegele
7

Wohnen und Heizen –
eine unendliche Geschichte
von Klaus Siegele
9

1 Die Küchen in den Häusern von
Armenvierteln geben oftmals eine gute
Vorstellung davon, wie im Mittelalter
gekocht und geheizt wurde.
2 Der von Franz Lönholdt im Jahr
1880 patentierte „Lönholdt-Ofen“
war eine verbesserte Konstruktion des
amerikanischen Füllofens mit ununterbrochener
Feuerung. Dieser Ofentyp
war bis zum Aufkommen der Zentralheizungen
weit verbreitet.
10
Die Evolution der Wohnwärme
Am Anfang war das Feuer
„Der Landmann arbeitet Tag und Nacht, daß ihm
der Rücken krumm wird, liegt in einer räucherigen
Hütte, die wie eine Arche Noah ist, Hund
und Katzen, Kühe und Kälber, Rosse, Säue, Hühner
und Schafe, alle beeinander, bei einem Feuer.
Wenn er sich müde und krank gearbeitet und
heimkommt, so hat er nicht Holz genug für den
Frost. Er muß einen rohen stinkenden Speck und
Hartbrot wie Wetzstein nagen, Wasser trinken,
schlecht liegen, mit Sorgen schlafen, und was er
im Schweiße seines Angesichts erwirbt, muß er in
die Klöster geben …“.
So beschrieb der Reformator Urbanus Rhegius
(1489–1541) im Jahr 1532 das Wohnen der
Bauern im Fürstentum Lüneburg, das hier wie
anderswo zu jener Zeit kaum Erholung von des
Tages harter Arbeit versprach. Für den täglichen
Überlebenskampf aber war die Feuerstelle in den
damals noch vielfach schornsteinlosen „Rauchhäusern“
von zentraler Bedeutung, sorgte sie
doch für etwas Wärme an kalten Wintertagen
und erlaubte als Herdfeuer die Zubereitung zwar
karger, aber immerhin warmer Mahlzeiten. Man
hatte sich daran gewöhnt, dass der nur langsam
durch Ritzen und Fenster abziehende Rauch die
Tränen in die Augen trieb und chronischen Husten
provozierte, andererseits aber auch Ungeziefer
und Insekten fernhielt. Die hygienischen
Zustände in diesen bäuerlichen Urhäusern waren
fatal, Krankheiten an der Tagesordnung, und
doch bewahrte das Feuer die Bewohner vor dem
Hunger- und Erfrierungstod.
1

Die wenig erquicklichen Wohnqualitäten in den ärmlichen Bauernkaten
des Mittelalters waren hinsichtlich der Beheizung kaum
schlechter als hinter den dicken Mauern der herrschaftlichen Burgen
und Schlösser jener Epoche. Zwar hatte man im Burgenbau um 1200
bereits erkannt, dass ein Rauchabzug über den Koch- und Feuerstellen
für weitaus weniger „dicke Luft“ im Gemäuer sorgte, doch waren
größere Säle mit dem offenen Feuer nicht warm zu kriegen. Ganz
anders als es uns die Ritterfilme vorgaukeln, reichte die strahlende
Wärme der lodernden Flammen in den Wandkaminen kaum bis
zur gedeckten Tafel, zum Aufwärmen mussten sich die zähneklappernden
Burgfräulein schon direkt vor die brennenden Holzscheite
stellen. Weitaus besser hatten es jene Hofdamen erwischt, an deren
Wohnsitz der repräsentative Saal bereits mit einer „Heißluft-Kanalheizung“
ausgestattet war – einer Luftheizung, deren Wirkungsprinzip
bereits im Römischen Reich bekannt, aber in Europa mit dessen
Untergang in Vergessenheit geraten war. Erst im 10. Jahrhundert erlebte
die Hypokaustenheizung („Hypokaustum“, griech. „von unten
beheizt“) zunächst in Klöstern und Königspfalzen ihre Renaissance:
Wie bei den römischen Thermen durchströmten heiße Abgase eines
Holz- oder Holzkohlenfeuers einen Hohlraum zwischen dem tragenden
Unterboden und einem von kleinen Steinpfeilerchen getragenen
3
AM ANFANG WAR DAS FEUER
3 Schnittmodell einer Hypokaustenheizung, wie sie in
vielen römischen Thermen zu finden war. Der Hohlraum unter
dem Fußboden wurde von heißer Luft durchströmt, die
in einem oder mehreren zentralen Öfen mit einem Holzfeuer
erzeugt wurde.
2
11

4 Aufwendig verzierter Gussofen ohne Aufsatz für Holz-
und Steinkohlebrand, um 1884
5 Dieser amerikanische Gussheizkessel für Niederdruckdampfheizung
stammt aus dem Jahr 1893 und war bis 1972
in einem Wohnhaus in Wetzlar in Betrieb.
12
4
WOHNEN UND HEIZEN – EINE UNENDLICHE GESCHICHTE
Fußboden. Bevor die Abgase durch Öffnungen ins Freie abzogen,
wurden sie oftmals noch über vertikal verlegte Hohlziegelreihen die
Wände hochgeführt, um die Strahlungswärme möglichst effizient
zu nutzen. Während zur Zeit des Hellenismus’ und des Römischen
Reichs neben den vielen öffentlichen Baderäumen auch Privathäuser
wohlhabender Bürger mit derartigen Luftheizungen ausgestattet
waren, blieb im Mittelalter ein solcher Luxus eher rar und
war vorwiegend Klöstern, Burgen, Schlössern und repräsentativen
Stadtbauten vorbehalten. In den privaten Gebäuden blieb die offene
Feuerstelle das Maß der Dinge, wenngleich sie sich allmählich weiterentwickelte.
Auch wenn die unkontrolliert durch die Bauernhäuser
wabernden Rauchschwaden halfen, die Ernte schneller zu trocknen
und die Haltbarkeit von Fleisch und Wurst zu verlängern, so war
man doch des ewig geschwärzten Hausrats ebenso überdrüssig wie
der dicken Rußschicht an den Wänden und Decken, auch wenn
diese die Brandgefahr erheblich minderte. Mehr und mehr setzte sich
daher generell der gezielte Rauchabzug über Rauchfang und Kamin
5 6

HEISSE ÖFEN
durch. Die offene Feuerstelle wandelte sich von der mit Steinen eingefassten
Kuhle in eine funktionale, zunächst kniehohe Kochstelle.
Immer mehr Ergänzungen und technische Raffinessen kamen hinzu:
So hatte der Küchenherd im 15. Jahrhundert bereits ideale Arbeitshöhe,
verfügte über eine schwere Eisenplatte zum Kochen und
war meist mit einem Backofen und einem Behälter zum Erwärmen
von Wasser ausgestattet. Allerdings war diese offene Herdstelle noch
immer fest eingebaut und diente überall dort zugleich zum Beheizen
der Wohnräume, wo noch kein Kachelofen Einzug gehalten hatte,
der seit dem 14. Jahrhundert vom Norden her zunehmend die kalten
Stuben zu erwärmen begann.
Heiße Öfen
Mit dem gezielten Ableiten der heißen Rauchgase über den offenen
Kochstellen reifte bei den Ofenbauern die Erkenntnis, dass
sich die Wärme dieser Abgase zusätzlich zum Beheizen der Räume
nutzen lässt, wenn man die Abzugswege durch entsprechende Ummauerungen
erweitert und die Rauchgaswärme in dem Steinmaterial
speichert. Dies war die Geburtststunde des Kachelofens, dessen
milde Wärmestrahlung auch noch dann anhält, wenn das Feuer
im Herd längst erloschen ist. Die Ofenbauer stellten weiterhin fest:
Je größer sie die Oberfläche des Kachelofens wählten, umso mehr
Wärme gab er ab. Da jedoch der Ofengröße Grenzen gesetzt waren,
experimentierten sie mit der Kachelform, indem sie diese becherförmig
ausbildeten, um mit diesem Trick die Ofenoberflächen zusätzlich
zu vergrößern.
7
6 Seit 1899 schmückt der Hase die Gasbadeöfen des
Remscheider Kupferschlägers und Pumpenmachers
Johann Vaillant. Seine Durchlaufgeräte machten die Warmwasserversorgung
nicht nur schneller, sondern auch sicherer.
7 Anders als in Amerika oder England setzte sich in
Deutschland die Zentralheizung nur allmählich durch – der
Einzelofen blieb lange Zeit die dominierende Wohnraumbeheizung.
Die erste industrielle Serienproduktion von gusseisernen
Gliederkesseln begann in Deutschland erst im Jahr
1895 in Lollar bei Gießen – drei Jahre später startete dort
nach amerikanischem Vorbild die Fertigung von gusseisernen
Heizkörpern, den Radiatoren. Das Bild zeigt frühe Exemplare.
8
8 Auf dem Kalorimeterprinzip
basierend, entwickelte Hugo Junkers
1894 seinen „Flüssigkeitserhitzer”, der
als Prototyp des Stand-Gasbadeofens
in die Geschichte der Heiztechnik
einging.
13

Anlagentechnik
Wärmeerzeugung
von Frank Hartmann
29

1 Die Energie der Sonne wird in
den oberflächennahen Schichten der
Erdkruste und in der Erdatmosphäre
gespeichert.
2 Vakuumröhrenkollektor. Diese
Bauform erzielt eine höhere Solarausbeute
als die Flachkollektoren und
kann höhere Temperaturen aushalten.
Allerdings sind Röhrenkollektoren
teurer.
58
WÄRMEERZEUGUNG
Zeitgemäß heizen:
Sonnenwärme vom Dach
Öl- oder Gaszentralheizungen stützen sich in der
Regel auf einen Wärmeerzeuger, den Kessel. Mit
erneuerbaren Energien werden bivalente oder
multivalente Systeme möglich. Bivalente Heizsysteme
kombinieren zwei Wärmeerzeuger. Das können
alternative und konventionelle Energien sein,
zum Beispiel eine Solaranlage und ein Gaskessel.
Bei einem multivalenten Heizsystem wird beispielsweise
neben einer Wärmepumpe und einem
wassergeführten Stückholzofen noch eine weitere,
alternative Wärmequelle genutzt, zum Beispiel
Sonnenwärme. Prinzipiell sollte man versuchen,
die Energie der Sonne bestmöglich zu nutzen, also
zur Erwärmung von Trinkwasser und zur Unterstützung
der Heizung. Denn die Sonne bietet ausreichend
Energie an.
Für viele Bauherren bedeutet eine Solaranlage auf
dem Dach den Einstieg in eine nachhaltige Mo-
dernisierung der Heizungsanlage, die sich dann
später bis hin zum Austausch des Kessels und der
Heizkörper fortsetzen kann. Denn Solarwärme
lässt sich problemlos mit fossilen Wärmeerzeugern
kombinieren. Solange die Kollektoren in den
heißen Monaten das Warmwasser bereiten, schonen
sie den Geldbeutel spürbar, denn der Kessel
bleibt in dieser Zeit ausgeschaltet. Mit einer fachgerecht
geplanten und installierten Solaranlage
kann auch im Winter die Energie der Sonne für die
Heizung genutzt werden. Entscheidend ist die regelungstechnische
Integration der Sonnenkollektoren:
Die Sonnenwärme vom Dach wird in einen
Speicher geladen, um den Heizkessel zu entlasten.
Die optimale Funktion der Solaranlage sollte man
regelmäßig überprüfen, auch bei der Bestandsaufnahme
der bestehenden Anlagentechnik.
Mehr Energie vom Dach
Solaranlagen kann man jederzeit erweitern, am
besten mit baugleichen oder sehr ähnlichen Kollektoren.
Das hat neben einer stringenten Anlagensteuerung
natürlich auch optische Vorteile.
2

Die solarthermische Speicherladeleitung muss,
wie die übrigen Heizkreise auch, hydraulisch abgeglichen
werden. Dazu ist der Volumenstrom der
erweiterten Anlage anzugleichen. Kann sie nämlich
nicht ausreichend Wärme aufnehmen, werden
die Kollektoren zu heiß, die Anlage schaltet ab
und die nutzlosen Stillstandszeiten addieren sich.
Deshalb erfordert die Erweiterung der Kollektorfläche
immer auch die Anschaffung eines größeren
Solarspeichers. Zu überlegen ist außerdem die
Ausweitung der solarthermischen Trinkwassererwärmung,
um die Heizung mit dem solar erhitzten
Wasser zu unterstützen. Zuvor muss man aber
die Systemtemperaturen (Vorlauf und Rücklauf
im Heizkreis) und den Heizwärmebedarf auf ein
Minimum reduzieren.
Eine Heizungsunterstützung mit Sonnenkollektoren
ist nur bei Temperaturen von höchstens 55 °C
im Heizungsvorlauf zu empfehlen. Steigt die Vorlauftemperatur
über diesen Wert, steht der solare
Deckungsanteil in keinem vernünftigen Verhältnis
zum Aufwand. Je niedriger die Systemtemperaturen
sind, desto größer wird der solare Deckungsanteil.
Und je größer der Anteil an Sonnenwärme
in der Heizung ist, desto weniger Brennstoff muss
der Eigentümer oder Nutzer beschaffen und bezahlen.
Wichtig ist es, den Warmwasserbedarf während
der Sommermonate genau zu analysieren. Wenn
zu wenig Wärme für Warmwasser abgenommen
wird, brüten die Kollektoren in der sommerlichen
Hitze vor sich hin. Diese Stillstandszeiten belasten
nicht nur das Material der Kollektoren mit mehreren
100 °C, sondern verschlechtern auch den
ZEITGEMÄSS HEIZEN: SONNENWÄRME VOM DACH
3 4 5 6
Wirkungsgrad der Anlage. Erweitert man das Kollektorfeld,
um die Heizung zu unterstützen, steht
im Sommer wesentlich mehr Solarenergie bereit,
die abgeführt werden muss. Dies hat natürlich besagte
Konsequenzen bei der Speicher- und Bereitstellungstechnik.
Über die Sonnenkollektoren hinaus bieten erneuerbare
Energien eine Fülle sinnvoller Kombinationen.
Mit ihrer Hilfe sind individuelle, maßgeschneiderte
Wärmelösungen für jeden Gebäudetyp
und alle denkbaren Nutzeranforderungen
möglich. So kann man eine Wärmepumpe mit einem
Scheitholzkamin koppeln, unterstützt durch
eine Solaranlage auf dem Dach. Auch ein altes
Ölbrennwertgerät lässt sich in ein solch komplexes
Heizsystem integrieren. Es kann die Spitzenlasten
übernehmen, sein Betrieb wird damit auf
ein Minimum reduziert. Das spart beispielsweise
die Demontagekosten der Öltanks, wenn der Platz
nicht anderweitig benötigt wird. Bei gasbefeuerten
Anlagen bleibt der Gasanschluss bestehen wie
gehabt. Die Grundlast stellen zeitgemäße und umweltschonende
Wärmeerzeuger bereit: Pelletöfen
oder Wärmepumpen.
3 Solarstation einer solarthermischen
Anlage. Links im Bild befindet
sich der Vorlauf des Solarkreises.
Rechts ist der Rücklauf erkennbar, der
zur Absicherung mit dem Membranausdehnungsgefäß
verbunden ist. Zu
erkennen ist auch die Solepumpe im
Rücklauf.
4 Vorlauf (links) und Rücklauf des
Solarkreises einer solarthermischen
Anlage. Beide Temperaturfühler zeigen
den gleichen Wert an. Das deutet
darauf hin, dass die Solaranlage nicht
arbeitet.
5 Links im Bild erkennt man eine
Pumpengruppe für den Heizkreis,
rechts eine Solarstation mit Druckausdehnungsgefäß
und Solepumpe im
Solarrücklauf.
6 Im Vorlauf (rot) des Solarkreises
herrschen 54 °C, im Rücklauf (blau)
48 °C. Aus der Temperaturdifferenz,
der sogenannten Spreizung, kann man
schließen, ob die Wärme optimal an
den Pufferspeicher abgegeben wird.
7 Schnitt durch einen Flachkollektor
im Holzrahmen zur Indachmontage.
Man erkennt sehr gut die Rückwand
(unten), die Dämmschicht, den darüber
liegenden Absorber mit der
Tinox-Beschichtung und obenauf die
Abdeckung mit Solarglas.
59

1 Blick ins Innere einer Luft-Wasser-
Wärmepumpe. Rechts erkennt man
den Ventilator zur Ansaugung der Luft
und den Wärmetauscher zur Übergabe
der Umweltwärme an den Arbeitskreis
der Wärmepumpe. Links sitzt der
schwarz lackierte Verdichter.
2 Prinzip des Verdichters: Wie eine
Luftpumpe komprimiert der Verdichter
in der Wärmepumpe das verdampfte
Arbeitsgas, um seine Temperatur zu
erhöhen.
60
WÄRMEERZEUGUNG
Das neue Herz:
Wärmepumpen und Holzkessel
Wärmepumpen sind als moderne und zeitgemäße
Form der Wärmeerzeugung für Wohngebäude auf
dem Vormarsch. Sie nutzen die Verdampfungswärme
eines Arbeitsmittels mit sehr niedrigem Siedepunkt
aus, um Wärme aus dem Erdreich, der Umgebungsluft
oder dem Grundwasser anzuzapfen.
Das Arbeitsmittel verdampft schon bei wenigen
Grad Celsius. Anschließend verdichtet ein Kompressor
das Arbeitsgas, um seine Temperatur zu
erhöhen und für Heizzwecke nutzbar zu machen.
Um die Wärme aus der Umwelt nutzen zu können,
braucht die Wärmepumpe eine Wärmequel-
lenanlage. Luftmaschinen nutzen das thermische
Potenzial in der Umgebungsluft. Sie wird durch
die Sonne erwärmt. Im Jahresverlauf schwankt
die Temperatur in der bodennahen Atmosphäre
stark, von großer Hitze im Sommer bis zu etlichen
Minusgraden in der Heizperiode. Deshalb
sind Luft-Wärmepumpen nur begrenzt einsetzbar
oder benötigen einen zweiten Wärmeerzeuger für
kalte Winter.
2
1

DAS NEUE HERZ: WÄRMEPUMPEN UND HOLZKESSEL
Wird ein großflächiger Erdabsorber unterhalb der Frostgrenze im
Boden als Wärmequelle für die Wärmepumpe genutzt, greift die Anlage
auf im Boden gespeicherte Sonnenwärme zu. Denn bis zu einer
bestimmten Tiefe wird die Bodentemperatur maßgeblich vom Wärmeeintrag
durch Sonnenstrahlung und Niederschläge bestimmt.
Man spricht von oberflächennaher Erdwärme (Geothermie).
In tieferen Schichten gleichen sich die saisonal schwankende Beladung
der oberflächennahen Schichten und der thermische Wärmefluss aus
dem Erdinneren an. Mithilfe von Erdsonden kann man tiefer liegende
Wärmereservoire erreichen, die weitgehend unabhängig von
der Sonneneinstrahlung sind. Auch grundwasserführende Schichten
kann man als Wärmequelle für eine Wärmepumpenanlage nutzen.
Der effiziente Einsatz einer Wärmepumpe hängt vom genau und gut
durchdachten Zusammenspiel der Wärmequelle, der eigentlichen
Wärmepumpe und der Wärmenutzung ab. Je mehr Wärme der elektrisch
betriebene Verdichter der Wärmepumpe aus der Umwelt holt
und bereitstellt, desto geringer sind die Kosten für den Antrieb der
Wärmepumpe (Strom). Die folgende Grafik verdeutlicht dies mit -
hilfe der Leistungszahl. Die Leistungszahl ist ein Wert für die Wärmepumpe
als Maschine. Er wird auf dem Prüfstand ermittelt, unter
genormten Bedingungen. Die Leistungszahl beschreibt das Verhältnis
der abgegebenen Wärmeleistung zur zugeführten elektrischen
Leistung für den Verdichter und die Hilfsantriebe nach DIN EN 255.
Die Leistungszahl ist mit den Betriebstemperaturen der Wärmequellenanlage
und der Wärmenutzungsanlage in den technischen
Daten der Hersteller angegeben. Eine Leistungszahl von 4,0 besagt,
dass die vom System genutzte Wärmemenge viermal höher ist als die
Antriebsleistung der Wärmepumpe.
3 Die oberflächennahe Geothermie nutzt in den oberen
Bodenschichten gespeicherte Sonnenwärme. Die Temperatur
schwankt im Jahresverlauf. Holt man die Wärme aus tieferen
Schichten, wird vor allem der Wärmefluss aus dem heißen
Erdinneren angezapft. Die Schicht, in der sich beide Wärmeströme
zu einer konstanten Temperatur vereinen, nennt man
neutrale Zone.
Leistungszahl
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0
�=9,6
�=7,3
optimaler Bereich
grüner Bereich”
roter Bereich”
�=5,0
�=3,9
�=3,2
�=2,8
10 20 30 40 50 60 � T
Temperaturdifferenzen in Kelvin
4 Leistungszahl einer Wärmepumpe in Abhängigkeit von
der Temperaturdifferenz zwischen Wärmequellenanlage und
Wärmenutzung. Man erkennt, dass eine möglichst geringe
Differenz die Effizienz der Anlage wesentlich verbessert. Die
Wärmequelle sollte möglichst hohe Temperaturen anbieten.
Die Wärmenutzung sollte möglichst geringe Temperaturen
abfordern, beispielsweise durch Flächenheizungen.
61

Steckbrief:
Denkmalgeschütztes spätbarockes
Bürgerhaus in Zeilitzheim bei
Würzburg, Baujahr 1801; zwei Geschosse
und Dachgeschoss als Mansardendach
mit Biberschwanzeindeckung;
Grundwasserwärmepumpe
und Stückholzvergaserkessel als
bivalentes Wärmeversorgungssystem,
Warmwasserbereitung mit
Wellrohrwärmetauscher im Durchflussprinzip;
Wärmeübertragung:
Flächenheizung und Radiatoren
Bauherren: Familie Bach, Zeilitzheim
Architektur, Baubegleitung und
Wärmekonzept: Ulrike und Helmut
Bach, Zeilitzheim
142
PROJEKTE
Spätbarockes Bürgerhaus
nutzt Stückholz und Erdwärme
Das großzügige und mondäne Bürgerhaus gehört
zu den herausragenden Gebäuden in Zeilitzheim
und gilt als Paradebeispiel einer gelungenen Modernisierung
im Einklang mit dem Denkmalschutz.
Es zählt zur Stilepoche des Spätbarock und
wurde 1801 errichtet, mit zwei Geschossen und
einem Dachgeschoss unter dem schwungvollen
Mansardenschwalmdach. Nach Westen hin wurde
der Bau bereits im Jahr 1898 um einen Anbau
mit Satteldach erweitert, der am Nachbargebäude
anschließt. Der Weg ins Gebäude führt über drei
Sandsteinstufen durch ein korbbogiges Eingangsportal
und eine zweiflügelige Haustür mit Messingbeschlägen
und aufwendigem Schnitzwerk
in den Türfüllungen. Zu den ersten gewerblichen
Nutzern zählte um 1870 der Kolonialwarenhänd-
ler Johann Paul, im Jahr 1898 erweiterte es Lazarus
Gutmann um eine Drogerie im Anbau. So setzte
sich die Gebäudenutzung fort bis Mitte der 1980er
Jahre: 1985 schlossen die Gemischtwarenhandlung
Kohles und die Schusterwerkstatt von Otto Bille.
Anschließend stand das Gebäude zehn Jahre leer.
Die Familie Bach erwarb das Haus im Jahr 1995.
Den neuen Eigentümern lag daran, das zweihundert
Jahre alte, stilistisch unverfälschte Bürgerhaus
behutsam zu sanieren und seinen kulturhistorischen
Wert zu retten. Ganz bewusst im Einklang
mit den Auflagen des Denkmalschutzes und der
1995 gültigen Wärmeschutzverordnung, die später
von der Energieeinsparverordnung (EnEV)
abgelöst wurde. Kein einfacher Weg, denn oft las-
1

SPÄTBAROCKES BÜRGERHAUS IN ZEILITZHEIM
sen sich die energetischen Vorgaben nicht mit denkmalpflegerischen
Forderungen in Einklang bringen, was die behutsame Modernisierung
denkmalgeschützter Gebäude nicht nur erschwert, sondern
hin und wieder auch unmöglich macht. Im Fall des spätbarocken
Bürgerhauses in Zeilitzheim fanden die neuen Eigentümer und das
zuständige Amt für Denkmalpflege einen Weg, vertrauensvoll zu
kooperieren. Die Behörde griff der Familie Bach tatkräftig unter
die Arme. Die Mühen der Modernisierung wurden 2003 mit dem
Denkmalpreis des Bezirks Unterfranken zur Erhaltung historischer
Bausubstanz belohnt. Das Preisgeld in Höhe von 50.000 Euro nahm
der Eigentümer natürlich gerne entgegen, um damit das Baubudget
aufzustocken. Es gingen insgesamt 15 Jahre ins Land, bis die Modernisierung
schließlich 2009 endlich abgeschlossen werden konnte.
Der Ablauf der Arbeiten erfolgte von innen nach außen: zunächst
die Wohnräume, dann die Fassaden und schließlich das Dach. Wie
bei vielen alten Gebäuden war die Substanz des Bürgerhauses gut
erhalten. Ganz anders als bei den meisten Gebäuden des sogenannten
Wirtschaftswunders, denen nach nur dreißig oder vierzig Jahren
Nutzung vielfach die Abrissbirne droht. Die Familie Bauch wohnt
dagegen in einem Haus – beileibe mit hohem Komfort – das nun ins
dritte Jahrhundert geht.
Früher: Einzelöfen mit Kohle
Bei seinem ersten Rundgang fand der neue Besitzer in einigen Wohnräumen
des leer stehenden Hauses einzeln stehende Kohleöfen vor,
in der Küche entdeckte er eine Kochmaschine, die als Ofen und Herd
zugleich funktionierte. Die Berechnung des Energiebedarfs vor der
Sanierung ergab, dass das Gebäude mit seinen rund 354 Quadratmetern
Wohnfläche etwa 152.00 kW Endenergie pro Jahr benötigte.
Das entspricht einem Äquivalent von rund 15.000 Litern Heizöl. Der
spezifische Energiebedarf pro Quadratmeter Wohnfläche und Jahr
lag damit bei 430 kW. Zum Vergleich: Neubauten der 1990er Jahre
kamen jährlich mit etwa 130 kW/m² aus.
Schuld an dem hohen Wärmebedarf war zweifelsfrei der fehlende
Wärmeschutz. Das Gebäude stammt aus einer Zeit, als von dem
heute üblichen Wärmekomfort oder Energiesparen noch keine Rede
war. Gemäß der damaligen Praxis wurden lediglich die Küche und
unmittelbar daran angrenzende Räume beheizt. Die übrigen Zimmer
erwärmte man mit Hilfe der Öfen nach Bedarf.
Unverfälschte Gebäudesubstanz
Von dem Gebäude ist nur ein kleiner Teil unterkellert, ansonsten
grenzt der Fußboden im Erdgeschoss direkt an das Erdreich. Die
1 Das spätbarocke Bürgerhaus gehört zu den prägenden
Gebäuden in Zeilitzheim.
2 Stückholzvergaserkessel zur Abdeckung der Spitzenlast,
im Hintergrund ist die Grundwasserwärmepumpe zu sehen.
Sie übernimmt die Grundlast und die sommerliche Warmwasserbereitung.
3 Manuelle Umschaltung von Winter- auf Sommerbetrieb.
Im Sommer wird nur ein Pufferspeicher genutzt, der andere
wird hydraulisch getrennt.
3
2
143

4 Zellulosefüllung zwischen den
Dachsparren
5 Wärmedämmplatten unterm Dach
zur Dämmung
144
PROJEKTE
durchschnittliche Raumhöhe liegt bei 2,8 Metern, das Gesamtvolumen des Hauses
beträgt annähernd 2.000 Kubikmeter. Die straßenseitigen Außenwände des Erd- und
Obergeschosses bestehen aus 55 Zentimeter dickem Bruchsteinmauerwerk. Die Fassade
zum Hof hin ist eine Fachwerkkonstruktion, ausgefacht mit Stroh und Lehm. Diese
Außenwand weist die geringsten Wärmeverluste des gesamten Gebäudes auf – auch
gegenüber den 30 Zentimeter dicken Vollziegelsteinwänden des Anbau aus dem Jahr
1898. Alle Außenwände waren innen und außen verputzt. Ein bemerkenswertes Detail
fand sich an den Außenwandecken, die innenseitig als Hohlkehlen ausgebildet waren
– dieser Kniff war allein dem Wärmeschutz geschuldet, um die Oberfläche zu vergrößern
und so Wärmebrücken zu vermeiden. Ein echtes Original, aber wahrlich nicht
mehr zeitgemäß, waren die vorgefundenen Fenster: einfach verglast und fugenundicht
lag deren Wärmeübergangswert bei 5,2 W/m²K zwischen Innenraum und Außenwelt.
Im Keller fand sich ein ungefähr vier Meter tiefer Brunnen, von dem noch später die
Rede sein wird.
Gezielt gedämmt
Aufgrund der Gebäudetypologie, der denkmalpflegerischen Auflagen und der bauhistorischen
Ansprüche der Bauherrschaft – Ulrike Bach ist Innenarchitektin und
selbst in der Denkmalpflege tätig – war von vorneherein klar, dass hier ein solides und
durchdachtes Wärmekonzept vonnöten war. Eine außenseitige Dämmung der denkmalgeschützten
Fassade stand zu keinem Zeitpunkt zur Debatte. Auf die Innendämmung
wurde gleichfalls verzichtet, weil keiner der angefragten Experten ein schlüssiges
Konzept vorzulegen vermochte, das Tauwasserbildung und Schimmelgefahr mit letzter
Gewissheit ausschloss. Bei den Baustoffen achteten die Bauherren darauf, vorzugsweise
ökologische Materialien zu verwenden – so zum Beispiel Zellulose für die Zwischensparrendämmung
und die oberste Geschossdecke, Kork und Holzfaserdämmplatten
für die innenseitige Dämmung des Daches oder Lehm für die Innenwände. Der alte
Dachstuhl war noch gut erhalten und sogar mit originalen Holzkeilen verzapft. Passend
dazu entschied man sich, die Dachfläche mit alten Schindeln neu einzudecken.
Obwohl die Gebäudehülle nicht umfassend, sondern sehr gezielt und punktuell gedämmt
wurde, sank allein dadurch der Heizwärmebedarf um rund ein Viertel.
Im Dachgeschoss entstanden zwei Wohnräume mit je 45 Quadratmetern, weitere 80
Quadratmeter bleiben vorerst ungenutzt. In den beiden Obergeschossen wohnt die Familie
Bach mit drei Kindern, das Erdgeschoss ist zwei Ferienwohnungen vorbehalten.
Die Modernisierungsarbeiten an Dach und Fassade waren 2006 und 2007 abgeschlossen.
Das Gebäude erhielt damit das heutige Erscheinungsbild.
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SPÄTBAROCKES BÜRGERHAUS IN ZEILITZHEIM
Ein Knackpunkt: die Fenster
Natürlich ließ sich die alte Einscheibenverglasung der original erhaltenen Fenster
nicht mit den heutigen Anforderungen an Wohnwärmekomfort und Energiekosten
unter einen Hut bringen. Um das vertraute Bild der Fassade nicht zu beeinträchtigen,
wurden neue, luftdichte Kastenfenster angefertigt, die ihren Vorgängermodellen
aufs Haar gleichen und sich nahtlos in die Hausfassade einfügen. Nebenbei wirkt
der Luftraum zwischen den beiden Scheiben wärmedämmend. In der Folge sank
nicht nur der Wärmebedarf, auch die thermische Behaglichkeit verbesserte sich, da
die unangenehme Zugluft unterblieb. Der Anschluss an das Bruchsteinmauerwerk
erfolgte mit Fenstergewände aus Sandstein, bei der Fachwerkwand sind dies Blendbretter
aus Holz.
Problematisch war, dass die 1995 gerade in Kraft getretene Wärmeschutzverordnung
(WSchVO 95) den Einbau von Kastenfenstern mit originaler Anmutung nicht zuließ.
Die Berechnung nach der alten Wärmeschutzverordnung von 1984 erlaubte einen
mittleren Wärmeübergangswert von 1,70 W/m²K. Die WSchVO 95 ließ aber nur 0,66
zu. Nach § 14 der Verordnung kann der Bauherr allerdings bei besonderen Umständen
wie dem Denkmalschutz und unvertretbar hohem Aufwand um Befreiung von dieser
Vorgabe bitten. Im Fall des Zeilitzheimer Bürgerhauses kam die Behörde diesem
Antrag nach, um den Einbau der Kastenfenster zu ermöglichen. Die neuen Sprossenfenster
bestehen aus einfachen Rahmen mit Zweifachverbundglas. Allerdings war eine
hochwertige Wärmedämmung der Glasscheiben nicht möglich. Ein weiteres Beispiel
dafür, dass der Schutz der historischen Bausubstanz nur dann mit den gesetzlichen
Vorgaben zur Energieeinsparung in Deckung zu bringen ist, wenn sich Bauherr und
Denkmalschutzbehörde auf einen sinnvollen und praxisgerechten Kompromiss einigen
können. Ebenso war ausgeschlossen, eine moderne Haustür einzubauen. Die Tür
wurde original nachgeschnitzt. Auch die Straßenlaterne am Haus und die Fensterläden
nebst Verankerungen sind dem Original weitgehend nachempfunden. Es bedurfte erheblicher
Handwerkskunst, diese anspruchsvollen Arbeiten fachgerecht auszuführen.
Die Lüftung der Räume und der hygienisch notwendige Raumluftwechsel erfolgt ausschließlich
über die Fenster. Auf den Einbau einer Wohnungslüftungsanlage wurde
verzichtet. Lediglich die Badezimmer und Nassbereiche (Duschen und Bäder) sind mit
Abluftventilatoren ausgestattet, um die Feuchte abzuführen.
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6, 7 Denkmalgerechte Doppelfenster für Fensterlüftung.
Der Lufthohlraum wirkt als Wärmedämmung.
8 Lediglich die Badezimmer und Nassbereiche (Duschen
und Bäder) wurden mit Abluftventilatoren ausgestattet, um
die Feuchte abzuführen.
9 Der Badehandtuchheizkörper sorgt zusätzlich zur Fußbodenheizung
in den Badezimmern im Erdgeschoss für individuellen
Wärmekomfort.
9
8
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9 Helmut Bach spaltet die Holzscheite
selbst und bestückt den Vergaserkessel
von Hand.
10 Auch die Entnahme der Asche
und der Schlacke erfolgt manuell.
11 Wohnsituation nach der Modernisierung
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PROJEKTE
Der alte Brunnen: Wärme statt Wasser
Selbstredend wurde im Zuge der Modernisierung
eine neue Heizungsanlage mit Versorgungsnetz
und Verteilleitungen installiert. Fossile Energieträger
kamen für die Bauherren nicht infrage.
Sonnenkollektoren waren aber dem Denkmalschutz
ein Dorn im Auge. Der Ausweg fand sich
in dem alten, gemauerten Brunnen im Keller. Es
wurde eine Zentralheizungswärmepumpe eingebaut,
die das Grundwasser als Wärmequelle nutzt.
Der alte Brunnen mit hohem Grundwasserspiegel
dient als Förderbrunnen, im Nebengebäude wurde
ein neuer Schluckbrunnen gebohrt.
Die Wärmepumpe deckt die Grundlast ab, erwärmt
im Sommer das Trinkwasser und verhindert die
Auskühlung des Gebäudes. Um Warmwasser zu
bereiten, wird die Wärme in zwei Pufferspeicher
mit je 1.000 Litern Inhalt geladen. Rechnet man
den Heizwasserinhalt der Wärmeversorgungsleitungen
hinzu, reicht dieses Volumen aus, um die
Wärmeleistung des Stückholzvergaserkessels zu
9 10
puffern. In einem der Speicher ist ein Wellrohrwärmetauscher
integriert, der das Trinkwasser im
Durchflussprinzip erwärmt. Während des Sommers
wird nur dieser Pufferspeicher aufgeheizt.
Im Winter geht die Wärme selbstredend in beide
Speicher, die in Reihe geschalten sind.
Den Wohnwärmekomfort garantiert ein Vergaserkessel,
der Stückholz verfeuert. Er liefert zwischen
28 und 42 kW Nennwärmeleistung und deckt
damit auch die Spitzenlast ab. Dazu müssen zur
Pufferung mindestens 50 Liter Wasser im Speicher
pro Kilowatt Nennwärmeleistung bereitstehen.
Ausreichend Scheitholz in entsprechender Qualität
zu beschaffen, betrachtet Hausherr Helmut
Bach als Teil der gesunden Lebensführung. Er
richtet die Scheite im Wald selbst her und spaltet
sie für den Kessel. Gelegentlich wird Altholz
aus einem Dachstuhl verbrannt, oder im Sommer
auch minderwertiges Holz. Überwiegend jedoch
11

wird luftgetrocknetes Hartholz verbrannt. Das Grundstück ist groß genug, um einen
ausreichenden Holzvorrat für mindestens eine Heizperiode zu lagern. Der Holzverbrauch
liegt bei etwa 25 Ster pro Jahr, was kaum Kosten verursacht. Helmut Bach
kann es sich durchaus vorstellen, das Brennholz zumindest teilweise von regionalen
Dienstleistern zu beziehen.
Die Wärmepumpe als erste und zweite Geige
Die Wärmepumpe ist das Back-up-System der Wärmeversorgung schlechthin. Mit
rund 300 Betriebsstunden pro Jahr dient sie vornehmlich der Absicherung des Komforts
und der Warmwasserbereitung im Sommer. In der Stromrechnung fällt der Posten
für den Antriebsstrom des Verdichters kaum auf. Die Maschine kann bei Bedarf ihre
Leistung aber erheblich steigern: Mit bis zu 53 Kilowatt bietet sie sich hervorragend
als Tandem (bivalenter Wärmeerzeuger) zum Scheitholzvergaserkessel an. Damit lässt
sich die Bedarfsabdeckung sogar umkehren. Die Wärmepumpe kann also ohne Weiteres
die erste Geige spielen, um von der Stückholzfeuerung lediglich die Spitzenlast
abzufordern. Die Heizungsregelung ist so eingestellt, dass die Wärmpumpe in Aktion
tritt, wenn der Holzkessel nicht angeschürt wird, beispielsweise in der Urlaubszeit.
In den beiden Ferienwohnungen im Erdgeschoss wurden in den Bädern Fußbodenheizungen
verlegt, die vom Rücklauf der Badezimmerradiatoren versorgt werden. Alle
anderen Räume erhielten Röhrenradiatoren, die vornehmlich unter den Fenstern positioniert
sind. Bei einer Ferienwohnung reichte die Aufbauhöhe für den Einbau einer
Fußbodenheizung. Die Temperatur im Vorlauf der Radiatoren beträgt in der Spitze 60
bis 65 °C, bei einer Auslegungstemperatur von minus 16 °C.
SPÄTBAROCKES BÜRGERHAUS IN ZEILITZHEIM
12
12 In den oberen Geschossen wurden
in allen Räumen moderne Radiatoren
eingebaut.
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AUTOREN
Klaus Siegele (Autor) studierte nach einer
Schreinerlehre Architektur in Karlsruhe. Er war
als Redakteur bei verschiedenen Architekturzeitschriften
tätig und ist Mitbegründer der Partnerschaftsgesellschaft
frei04 publizistik, Stuttgart.
Zuletzt war er Chefredakteur der Fachzeitschrift
greenbuilding. Neben seiner freiberuflichen
Tätigkeit als Fachjournalist und Buchautor führt
er ein Architekturbüro in Stettfeld (Baden).
www.frei04-publizistik.de
Frank Hartmann (Autor) ist Gas-Wasser-
Installateur, Heizungs- und Lüftungsbauer,
Elektro installateur und Energietechniker. Nach
langjähriger Erfahrung im Handwerk, Schwerpunkt
erneuerbare Energien, gründete er 2002 in
Zeilitzheim bei Würzburg das Forum Wohnenergie
als Dienstleistungszentrum für energieeffizientes
Bauen und Modernisieren. Darüber hinaus ist
Frank Hartmann sowohl im Projektmanagement
als auch in der Weiterbildung, Qualifizierung und
Beratung tätig. Er ist Mitbegründer der Solarteur-
Schule in Nürnberg, Buchautor und schreibt Artikel
für Zeitschriften rund um das Thema Energieeffizienz
und zeitgemäßer Wohnwärmekomfort.
www.forum-wohnenergie.de
Heiko Schwarzburger (Lektor) begann seine
berufliche Karriere mit einer Lehre zum Facharbeiter
für Zerspanungstechnik. Anschließend
studierte er Maschinenbau an der Technischen
Universität in Dresden; ein Studium der Publizistik
in Berlin schloss sich an. Seit 1996 ist er als
Autor und Redakteur in verschiedenen Zeitungen
und Zeitschriften für Forschung und Wissenschaft
tätig, seit 1998 verstärkt über die Themen Energie
und Umwelt. 2007 gründete er den Berliner Verlag
Cortex Unit, in dem unter anderem die Buchreihe
„Edition Wohnenergie“ erscheint.
www.cortexunit.de