Das temperierte Haus: Sanierte Architektur – behagliche Räume – „Großvitrine“

Die „Temperierung“ ist eine alternative Methode der Wärme-Verteilung, die das Ziel der Raumbeheizung durch Temperierung der Gebäudehülle erreicht. Dazu werden zwei Heizrohre auf Putz (in Wandkontakt) oder unter Putz (Stärke 15 ± 5 mm) in allen Geschossen an den Außenwandsockeln und je ein Rohr beidseitig der Sockel der Trennwände montiert, die auf erd- bzw. außenluftberührten Böden stehen (Rohrdurchmesser im Regelfall 12 – 18 mm, in Großräumen 22 mm). Durch die kontinuierliche Beheizung der Rohre – in erdberührten Räumen ganzjährig, in anderen Räumen während der Heizperiode – entstehen drei Effekte (Abb. 1):

• im Bauteil im Rohrnahbereich ein Wärmestau,
• an der raumseitigen Bauteiloberfläche in der Rohrebene eine eng begrenzte, maximal 10 cm hohe, streifenförmige Zone mit höherer Oberflächentemperatur,
• von dort ausgehend eine starke Wärmestrahlung in Raumrichtung im Verein mit einem stetigen, minimalen Warmluftauftrieb entlang der Wandfläche.

Abbildung 1:
Die Temperierung. Wirkungsmechanismus in „historischer“ Situation: Bauteile ohne Wärmedämmung und Feuchtesperre, durch kontinuierliches Wärmeangebot trocken gehalten (s. Abb. 4)

• Rote Punkte:
  Heizrohrschleife (Vor- und Rücklauf, CU blank, 15 mm)
  im Innenputz bei max. 15 mm Überdeckung
  Bei erdberührten Böden: 1. Leitung (Vorlauf) knapp über dem Fertigfußboden
• Lange Pfeile:
  Wärmeverteilung durch Wärmeleitung: radial im Material der Wandbodenecke
• Rote Kreise:
  Wärmestau mit zylindrischen Isothermen (Hochtemperatur nur im Rohrnahbereich, s.Abb. 9)
• Rundpfeile:
  Wärmeverteilung durch Konvektion: Warmluft-Auftrieb, an der Wandoberfläche anliegend (Coanda-Effekt)
• Kleine Pfeile:
  Wärmeabstrahlung der Bauteiloberfläche (Hochtemperatur nur im Rohrnahbereich, s.Abb. 9)
• Blauer Pfeil:
  Bodenfeuchte. Thermische Horizontalsperre durch die radiale Wärmeausbreitung

Basierend auf einer Grafik von Miha Praznik, ZRMK, Ljubljana.

Nach einer ersten Betriebsphase bei maximaler Leistung der Anlage, die zur Temperierung der raumbegrenzenden Oberflächen dient und die je nach Feuchtegrad des Baukörpers einige Wochen bis zu zwei Monaten dauert, stellt sich unter fortschreitender Trocknung der Bausubstanz die gewünschte „Raumtemperatur“ ein. Im folgenden Dauerbetrieb wird der erreichte Zustand gehalten bei Wassertemperaturen im Vorlauf, die saisonal gleiten zwischen 27 und 40°C (bei rein konservatorischer Zielsetzung) bzw. 65°C (bei Raumbeheizung; durch Verdopplung der Rohrlänge kann die Maximaltemperatur des Vorlaufs auf unter 55°C beschränkt werden). Auf diesem bauphysikalisch sinnvollen Weg ergibt sich ohne Zusatzmaßnahmen die Lösung aller Aufgaben und Probleme, die durch die Oberflächentemperatur der Raumhüllflächen beeinflußbar sind, bei konventionellem Konzept aber mit aufwendigen Einzelmaßnahmen behandelt werden. Bei Temperierung der Gebäudehülle treten folgende Sekundäreffekte ein:

• Optimale Raumbeheizung in Gebäuden aller Nutzungen, Konstruktionsarten und Raumhöhen (einschließlich Kirchen), da jede heizbedingte Luftbewegung und Staubverteilung in Einzelraum und Gebäude unterbleibt, abgesehen vom Auftrieb am Bauteil, der für die Temperierung der Oberflächen oberhalb der Rohre erforderlich ist, auf Grund der geringen Luftgeschwindigkeit aber keinen Staub transportiert.
• Schutz der Hüllflächen und der Ausstattung des Raumes vor Kondensat, Senkung von zu hoher relativer Luftfeuchte („Luftentfeuchtung“), kurzzeitstabiles Raumklima mit homogener Raumtemperatur und – bei Luftwechselkontrolle – homogener relativer Luftfeuchte, deren Höhe dank der geringen Raumlufttemperatur – je nach Höhe der gewählten „Raumtemperatur“ – ganz ohne oder mit nur geringem Bedarf an Luftbefeuchtung im mittleren Bereich gehalten wird.
• Ausschluß der Auskeimung von Pilzsporen bzw. des weiteren Wachstums vorhandenen Bakterien- und Pilzbefalls an der Gebäudehülle und an den Innenbauteilen. Bei Schwammbefall entfällt der Gifteinsatz an Bauholz und Mauerwerk, der Holzaustausch beschränkt sich auf den Befallsbereich. Im Depot nimmt ein mit höherer Feuchte eingelagerter Bestand durch die Wärmestrahlung der Raumhüllflächen bei langsamer Abgabe seiner überschüssigen Feuchte allmählich die Raumtemperatur an. Korrosion und Schimmelwachstum kommen kurzfristig zum Stillstand.
• Unterbrechung des Feuchtetransports durch aufsteigende Feuchte („thermische Horizontalsperre“), Inaktivierung der Schadsalze durch langsame Bauteiltrocknung von innen nach außen mit der Folge der Ausbildung fadenförmiger Kristalle im Porenraum der oberflächennahen Bauteilschicht und Unterbindung der zyklischen Umkristallisation (da diese Effekte unabhängig von der Salzart eintreten, sind weder Salzanalysen noch ein spezielles Mikroklima in Wandnähe erforderlich).
• Angleichung der Oberflächentemperatur ungedämmter erdberührter Bodenflächen an die Raumlufttemperatur durch bloße Randbeheizung, Trocknung und thermischer Feuchteschutz dieser Flächen ohne sperrende Schichten und ohne zusätzliche Leitungen.
• Energieeinsparung bei der Beheizung von Neu- und Altbauten, „thermische Gebäudesanierung“ von Gebäuden im Bestand in Ersatz für Wärmedämmmaßnahmen (Folge der Materialtrocknung: Senkung der Wärmeverluste durch Wärmeleitung der Gebäudehülle in Verbindung mit Erhöhung der Wärmespeicherfähigkeit des Baukörpers; Folge der geringen Lufttemperatur: Senkung der durch Lüftung bzw. durch Luftwechsel verursachten Wärmeverluste).

In Museen kann dann die mechanische Lüftung (abgesehen von Nachtlüftung im Hochsommer) auf die Zeiten der Anwesenheit von Personen beschränkt werden, bei Luftwechselraten von max. 1 V/h, wenn zur Vermeidung von Kühlungsbedarf besonnte Glasflächen eine außenliegende Beschattung erhalten und die Anschlußleistung des Kunstlichtes nicht höher als 15 W/m3 liegt. Die Homogenität des Raumklimas tritt unabhängig von der Raumhöhe ein (das Dachgeschoß des Regensburger Salzstadels am Brücktor zeigt auf 18 Meter Höhe einen Temperaturunterschied von 1 Grad). Hierin liegt die Bedeutung der Methode für Großräume. In Kirchen z. B. entfallen die regelmäßigen Intervalle der Innenrenovierung, da die für alle konventionellen Kirchenheizsysteme typische Raumverschmutzung durch Kondensation und Staubumwälzung unterbleibt. Wird die Orgel von der Emporenschleife durchfahren (zwei freie Rohre), minimieren sich die internen Wechsel der Materialfeuchte und Kondensationszyklen scheiden aus, so daß für die Stimmung der Instrumente kaum mehr Anlaß besteht.

Da für rein konservatorische Zwecke die Installation von maximal zwei Heizrohren mit geringem Durchmesser ausreicht, erlaubt die Methode – nach der zur Klimastabilisierung erforderlichen Abdichtung der Bau- und Öffnungsfugen – nicht nur die Konservierung von Bausubstanz und Raumausstattung von Baudenkmälern, sondern auch von Exponatgebäuden in Freilichtmuseen. Der hierfür erforderliche Energiebedarf übersteigt nicht den von Luftentfeuchtern, die bei konventionellem Konzept allein zur Senkung der rel. Luftfeuchte eingesetzt werden müssten, ohne die Schadsalzproblematik zu lösen. Es entfallen die üblichen materialersetzenden, den Schadensmechanismus aber nicht ausschaltenden Pflegemaßnahmen an historischer Substanz. In Exponatgebäuden genügt es in der Regel, je zwei Einrohr-Ringleitungen spiegelbildlich um die beiden
Hälften der Geschosse zu führen – ihre Vorlauf-Hälfte an den Außenwänden, ihre Rücklauf-Hälfte an den entsprechenden Trennwandsockeln.

Ähnliches gilt auch für behauste archäologische Ausgrabungen, die durch Temperierung auf einfachste und schonende Weise konserviert werden können. Nach Umfahrung der Ränder mit einer Ringleitung oder einer Schleife (gegebenenfalls ergänzt durch Leitungen an der Decke der Behausung bzw. – in hohen Schutzräumen – an Besichtigungsstegen) und Schließen der Fugen der Behausung sind die freigelegten Bauteile nämlich vor Bodenfeuchte, Schadsalzaktivität, Kondensation und Algenbefall geschützt. Ebenso können selbst große Bergkeller durch Materialtemperierung mit geringem Aufwand nutzbar gemacht werden, wobei sich die erste Betriebsphase entsprechend verlängert. Beide Beispiele belegen die überraschende Effizienz, die die Heizrohr-Temperierung in ihrer Das temperierte Haus: Sanierte Architektur – behagliche Räume – „Großvitrine“ Minimalform gerade im erdberührten Bereich hat. Die Diskrepanz zwischen den dort eintretenden großen Effekten und dem dafür erforderlichen geringen Instal lationsaufwand wird verständlich, wenn man bedenkt, daß bei Dauerbeheizung erdberührter Räume durch Akkumulation von Erd- und Heizwärme in den Außenbauteilen und dem angrenzenden Erdreich ein starker Wärmestau entsteht [1]. Daß unter Gebäuden schon zur Herstellung, erst recht aber zur Aufrechterhaltung einer höheren Bauteil- bzw. Raumtemperatur ein minimaler Energieaufwand ausreicht, wird deutlich, wenn man auf der Kelvin-Skala die absolute Temperatur des 10°C „kalten“ Erdreichs (283 K) mit der eines 20°C „warmen“ Raumes (293 K) vergleicht (Abb. 2).

Abbildung 2:
Vergleich der Temperaturskalen von Celsius und Kelvin
Die Celsius-Skala bezieht sich auf die Zustandsänderung von Wasser.
Die Absolute Temperatur in Kelvin (K) ist ein Maß für die Wärmeschwingung der Moleküle eines Stoffes.

Die direkte Temperierung der Bauteile bietet also nicht nur ein großes Potential für die Erhaltung von historischer Bausubstanz, sondern sie ist auch die ökonomisch sinnvolle Alternative zu den üblichen „kalten“ Konservierungs- und Sanierungsverfahren und bietet einen Ausweg aus dem durch die Energieeinsparverordnung entstandenen Dilemma: Der Jahresheizwärmebedarf von Wohnbauten in Massivbauweise verringert sich allein durch Temperierung der Gebäudehülle und Abdichtung vorhandener Alt-Doppelfenster bzw. entsprechende Ergänzung von Einscheibenverglasungen – also ohne gestaltverändernde „Wärmeschutz“-Maßnahmen wie Außen- oder Innendämmung und Neufenster – auf das in der Verordnung vorgegebene Maß („7 Liter pro m2“), obwohl die Feuchtesanierung – analog der Luftentfeuchtung mit Luftentfeuchtern – durch Energieeinsatz geschieht.

Einerseits wird eben dadurch erst über die Sanierung hinaus die ganzjährige Nutzung erdberührter Räume zu Wohn-, Ausstellungs- oder Lagerzwecken ohne weiteren Apparateeinsatz ermöglicht. Dies ist direkt aus dem Temperaturvergleich der Geschosse ableitbar (Abb. 3). Dabei beträgt die zu diesem Zweck erforderliche Heizleistung außerhalb der „Heizperiode“ in nicht unterkellerten Erdgeschossen zwischen 5 – 15 Watt pro laufenden Meter Wandsockel (Abschaltung während der Hochsommermonate möglich), in Kellern max. 30 W/m (bei Dauerbetrieb auch im Hochsommer). Andererseits verringert sich der Wärmebedarf in der Heizperiode durch diese „Sommertemperierung“. Durch sie wird nämlich eine nachhaltige „U-Wert-Verbesserung“ erreicht wird, so daß der Gesamtverbrauch in der Regel unter dem von konventionell und nur in der Heizperiode beheizten Massivbauten liegt. Die Energieeinsparung wird also im Wesentlichen durch Optimierung der Wärmeverteilung erzielt, so daß der Grund für die Befreiung von den Auflagen der EnEV vorliegt (Erreichung des Ziels „durch andere als in dieser Verordnung vorgesehene Maßnahmen“).

Abbildung 3:
Sommerfeuchte im unbeheizten Gebäude
Zeichnung Hans Stölzl, Bayer. Landesamt für Denkmalpflege, München.

Generell kann die Temperierung der erdberührten Bauteile also konventionelle Sanierungsmaßnahmen sinnvoll ersetzen, die im Sommer für sich allein den Kondensatschutz dieser Flächen und die Luftentfeuchtung der Räume nicht gewährleisten können: So entfallen Maßnahmen wie Schadsalzbehandlung, Außenisolierung, Wärmedämmung, Horizontalsperren, Tränkungen usw.; Sanier- statt Normalputz reicht aus. Oberflächliche Regenabführung vorausgesetzt, ist bei verdichteter Anfüllung des Erdreichs auch die Dränage nicht erforderlich. Zur Gewährleistung der thermischen Feuchtesperre ist folgende Voraussetzung zu erfüllen: Die Innenseite des Außen-Mauerwerks muß eine homogene Oberfläche erhalten, ohne größere Poren und ohne sichtbare Fugen, z. B. durch Verputzen bzw. durch Schließen der Lücken vorhandener, noch stabiler Putzflächen oder durch sorgfältiges Nachmörteln des Fugennetzes (bei Sichtmauerwerk); alle Fugen und Risse der Estriche müssen gefüllt werden. Um auch bei stark porösem oder ohne Mörtel gefügtem Mauerwerk auf die Außenisolierung im Erdreich verzichten zu können, ist eine ganzflächige Putzschicht auf der Innenseite zwingend. Im Sandbett verlegte Bodenbeläge, z. B. Ziegel, benötigen in der Regel nach Ausfugung mit Sand keine weitere Behandlung. Diese einfachen, auf empirischem Wege gefundenen Grundsätze werden bestätigt durch das historische Beispiel ganzheitlicher Heiztechnik, die Hypokaustenheizung. Bei näherer Betrachtung stellt man das Fehlen der heute als unverzichtbar angesehenenSchichten fest (Wärmedämmung, Feuchtesperre), deren Funktionen schon immer durch Wärme „an der richtigen Stelle“ erfüllt wurden. Dies gilt für den erdberührten Bereich wie für das Außenmauerwerk, das auch im Winter trotz hoher Wassertemperaturen in den Thermen (~ 45°C) kondensatfrei blieb (Abb. 4 und 5).

Abbildung 4 und 5: Feuchteschutz und Raumbeheizung vor 2000 Jahren: Temperierung der Gebäudehülle durch Hypokaustenheizung – Keine Putz- und Sockelschäden durch Feuchte

Abbildung 4:
Weißenburger Thermen, Schnittrekonstruktion der Nordwestecke des Caldariums aus: [2]

Abbildung 5:
Hypokaustenheizung, Funktionsschema: 1 Feuerungsraum, 2 Hypokaustpfeiler, 3 Wandheizungsziegel (tubuli)

In Großräumen wird je eine Heizrohrschleife in entsprechenden Höhen montiert, in Kirchen an den Sockeln der Umfassungswände, ggf. auf der Empore, bei großer Grundfläche Einrohrringleitungen um die Bankpodeste, unter Einbindung der Basen von Säulen und Pfeilern); in Glasfassaden erfolgt eine freie Führung angestrichener Rohre im Halteapparat; Trennwandsockel der nicht unterkellerten Räume erhalten beidseitig je ein Rohr. Bei Wohnraumanforderungen kann in Gebäuden mit starkem Mauerwerk (50 cm und mehr) der Rücklauf der einzigen Schleife in Brüstungshöhe montiert werden, bei Stärken unter 50 cm mit Umwegschleifen in den Leibungen. In Gebäuden mit geringeren Wandstärken wird eine zweite Schleife in Höhe der Brüstung montiert, in Fachwerkbauten längs der Brustriegel, wobei hier deren Rücklaufumwegschleifen beidseitig der Fenster zwingend sind; Leichtbauten erhalten eine analoge Rohrführung in einer Aufdopplung der inneren Schalung der Außenwand.

Bei höherer Temperaturanforderung in erdberührten Räumen bis hin zur Wohnraumnutzung können bei mineralischen Bodenbelägen zur Temperierung des Bodens anstelle einer Fußbodenheizung mit Wärmedämmung ein bis zwei Umwegschleifen der Trennwandleitung im Dickbett oder Ausgleichsestrich des Plattenbelages verlegt werden (Rohrabstand 50 bis 100 cm, Vorlauf im Dauerbetrieb ca. 30°C). Bei wechselnder Raumnutzung erlauben sie durch zeitweise Anhebung des Vorlaufs die rasche Herstellung höherer Bodentemperaturen (z. B. bei Wechsel zwischen Ausstellungsbetrieb und museumspädagogischer Nutzung). Bei Holzböden genügt die Rohrführung an den Wandsockeln (Abb. 6).

Abbildung 6:
Beispiele für die Rohranordnung

V Vorlauf, R Rücklauf, AS Außenwand-Schleife, 
TS Trennwand-Schleife (in Kellern: bei höherwertiger Nutzung; in EG-Räumen: bei nicht unterkellerten bzw. außenluftberührten Böden, über unbeheizten Kellerräumen)
Vorlauftemperatur-Angaben: Routinebetrieb im Jahresablauf, nach Trocknungsphase mit maximaler Vorlauftemperatur
Bei Verdopplung der Rohrführung nach 6d (Sockel- und Brüstungsschleife mit Leibungsumweg des oberen Rücklaufs) geringere Vorlauftemperaturen (< 50°C) und geringer Rohrdurchmesser möglich (15 mm).

Sichtbare Montage: Rohre in Wandkontakt, gestrichen
Unsichtbare Montage: Überdeckung nur mineralisch (max. 1,5 cm Putz oder gleichstarke SteinStoßleiste; bei Holzstoßleiste Rohre darüber anordnen)
Rohrabstand bei Schleifen = lichtes Maß des Löt-Fittings (Weich-Lötung)
Rohrmaterial: Optimale Leistung bei blankem Kupfer (bei CU-Heizrohren Korrosionsschutz nicht erforderlich)

Zeichnungen Rainer Köhnlein, Landesstelle für die nichtstaatlichen Museen in Bayern, München und Michael Kotterer, Regensburg.

Das erste Heizrohr einer Wandschleife liegt grundsätzlich möglichst in der Wand-Boden-Ecke direkt über der Oberkante des Bodenbelags. Der Durchmesser der Heizrohre beträgt 12 – 18 mm in normalen Raumgrößen, bis 22 mm in Großräumen. Der Rohrabstand in einer Schleife entspricht der lichten Weite des Paßstücks des Rohrbogens oder die Oberkante des Rücklaufrohres liegt in Höhe der Fensterbankunterkante. Bei zwei Schleifen wäre dies das Höhenmaß des Vorlaufs der zweiten Schleife. Die Montage erfolgt in der Regel knapp unter Putz oder Steinleiste (Stärke max. 15 mm), bei hölzernen Sockelleisten direkt über diesen. Bei Holzleisten über 5 cm Höhe in nicht unterkellerten Räumen wird zusätzlich eine Ringleitung in der Raumecke montiert (vor oder hinter der Leistenunterkante), bei Erneuerung des Bodenaufbaus in der Rohbodenecke. Das beste Material ist Kupfer blank. Korrosionsprobleme in Verbindung mit Putz oder Estrich treten nicht auf, weder bei frischem Material, wenn es bei handwarmen Rohren aufgebracht wird, noch nach dem Abbinden, da ein Heizrohr bei Nicht-Betrieb Umgebungstemperatur annimmt. Die spätere Betriebstemperatur der an der Wand verlegten Rohre ist nach oben nicht begrenzt, bei Rohren im Bodenaufbau genügen max. 35°C Vorlauf. Da Risse in Putz oder Estrich nicht durch die Rohrtemperatur, sondern durch Zwängspannungen entstehen, werden zu deren Vermeidung die kalten Rohre mit entsprechender Toleranz montiert und nach Putzauftrag kurz aufgeheizt (min. 60°C), so daß an den Richtungsänderungen im noch weichen Material Hohlräume entstehen (s. Kap. 6.3.2). Bei Aufputzmontage (Rohre in Wandkontakt und angestrichen) ist die Pufferwirkung des Mauerwerks für betriebsbedingte Leistungsschwankungen geringer. Dies gilt umso mehr bei Rohrverlegung auf Holz, da die freie Rohroberfläche bei Unterbrechungen auf Raumtemperatur abkühlt. Als Anstrichmaterial kann hier Klarlack aufgetragen werden.

Bei Neubau wie Sanierung sollte der Einbau der Temperieranlage gegen Ende der Rohbauphase abgeschlossen sein, so daß die Inbetriebnahme so bald wie möglich, ggf. noch bei provisorischen Fenstern erfolgen kann. Dadurch wird die Bauzeit verkürzt, da sich die Warte- und Trocknungszeiten bei den mit neuem Feuchteeintrag verbundenen Ausbaumaßnahmen verringern. Die erste ungeregelte Betriebsphase zur Trocknung der oberflächennahen Bauteilschichten, die die Voraussetzung für eine sinnvolle Einregulierung ist, endet dann mit der Bauzeit.

Die aus der Temperierung der Gebäudehülle folgende Raumklimaqualität wird auch durch Wandheizung und Betonkernaktivierung erreicht. Bei Temperierung ist der Aufwand jedoch wesentlich geringer: Die Rohrlänge pro laufendem Wandmeter ist wesentlich geringer und weder an den Rückseiten der Rohre, noch an den Bauteilen selbst wird eine Wärmedämmung benötigt, da sich deren Funktion aus der Materialtrocknung und der Optimierung des Wärmespeichervermögens ergibt. Durch Wärmeflußmessung wurde ein theoretisch angenommener erhöhter Wärmedurchgang im Rohrbereich im Vergleich zur übrigen Wandfläche nicht bestätigt; stattdessen wurde an einer baugleichen und gleich exponierten Wand bei Heizkörperheizung ein höherer Wärmedurchgang im Vergleich zur temperierten Wand festgestellt [3].