Für technische Systeme gilt die einfache Regel, was an Effizienz gewonnen wird, geht an Resilienz verloren. Wir leben in einer Zeit, wo der Zeitgeist, der Trend dahin geht, technische Systeme möglichst effizient zu gestalten. Wir streben letztlich Wirkungsgrade im hohen 90er-Prozent-Bereich an. Und dieses Streben nach Effizienz, dieses Optimieren, dieses letztlich auch Komplizieren dieser Systeme mit immer mehr Komponenten führt zwar einerseits tatsächlich dazu, dass die Systeme effizienter werden.

Heute geht es um Heizungssysteme, das heißt mit möglichst wenig Energieeinsatz möglichst viel Wärme im Raum produzieren, aber dafür bezahlt man einen Preis und das ist die Resilienz, die Widerstandsfähigkeit, die Sicherheit gegen Ausfälle, die Länge der Wartungsintervalle. Das ist der Preis dafür, was man für diese Effizienzgewinne letztlich zahlen muss. Und die Idee von Simple Smart Buildings bzw. die Idee der mittleren Technologien geht dahin, bis zu einem gewissen Grad auf Effizienz zu verzichten und dafür mehr Resilienz zu bekommen. Das ist natürlich eine Abwägung, wie viel gibt man auf der einen Seite her, wie viel gewinnt man, aber umgekehrt natürlich auch, wie viel verliert man dabei. Aber ich denke, dass wir in unserem Technikstreben, in unserem rezenten Technikstreben, schon an dem Punkt angelangt sind, wo die extrem hohe Effizienz der technischen Systeme bereits so weit fortgeschritten ist, dass wir dafür letztlich schon einen sehr hohen Preis bezahlen müssen.

Für mich war auch einer der Auslöser für diese Podcast-Episode der Terroranschlag in Berlin, wo über einige Tage der Strom ausgefallen ist und natürlich auch die meisten Heizungssysteme nicht mehr funktioniert habe, weil Heizungen, wenn sie auch auf anderen Wärmeträgern basieren, sei es Gas, sei es Öl, seien es Allesbrenner, für die Steuerung, aber vor allen Dingen für die Zirkulation, dafür, dass der Kreislauf des Wassers im Heizungssystem entsprechend aufrechterhalten wird, elektrisch betriebene Pumpen brauchen.

Dazu ist mir eingefallen, es gibt ja historische Systeme, die ebenfalls als Zentralheizungssysteme funktionieren, aber keinen Strom zum Betrieb brauchen. Und das sind die sogenannten Schwerkraftsysteme. Und wenn man jetzt die Technikgeschichte von den ersten Zentralheizungen, die letztlich schon im römischen Imperium bestanden, Die ersten Hypochaustenheizungen kennen wir etwa aus dem dritten vorchristlichen Jahrhundert und bis etwa Ende 19. oder Mitte 19. Jahrhundert, also fast 2200 Jahre lang, waren zentrale Heizungssysteme letztlich nur über Schwerkraft betrieben. Und dieses Prinzip ist ein relativ einfacher physikalischer Wirkmechanismus, dass Flüssigkeiten und Gase, wenn sie erwärmt werden, ihr Volumen vergrößern und dabei an Dichte verlieren. Und dass letztlich das erwärmte Gas, die erwärmte Flüssigkeit aufsteigen, während die kalten, dichten Gase bzw. Flüssigkeiten nach unten sinken. Dieses einfache Prinzip nutzen wir zum Beispiel immer noch im Rauchfang oder wie man in Deutschland sagt, im Schornstein. Im Schornstein entsteht die Zugdynamik nur durch Schwerkraft. Nur dadurch, dass der Rauch wesentlich wärmer ist als die Außenluft, steigt der Rauch im Rauchfang auf und es entsteht eine Dynamik. Es entsteht der sogenannte Zug. Und genau dieses Prinzip kann man natürlich auch auf warme oder heiße Luft anwenden.

Die römischen Hypochaustenheizungen, das war eine Kombination aus Fußbodenheizung und Wandheizung. Und auch hier wurden Öfen möglichst tief unten, möglichst im Keller des Gebäudes betrieben. Diese Öfen waren so konstruiert, dass sie doppelwandig waren. Und in dem Zwischenraum zwischen quasi Innenschale und Außenschale entstand warme bzw. heiße Luft, während die Rauchgase separat abgeführt werden, weil man will ja vermeiden, dass in den Raum aus gesundheitlichen Gründen, aus Geruchsgründen möglichst keine Rauchgase eindringen. Und diese warme Luft wurde nun einerseits unter dem Fußboden geführt, aber dazu brauchte man ein leichtes Gefälle. Diese Schwerkraft funktioniert relativ schlecht bei horizontalen Zügen, also erwärmte Luft strömt zwar vertikal, wie eben beschrieben im Rauchfang, im Schornstein, sehr gut und sehr leicht - aber horizontal strömt sie relativ schwierig. Deshalb waren diese Fußböden geneigt, sodass in der Schräge die warme Luft aufsteigen konnte. Die Fußböden waren auch doppelte Fußböden. Das heißt, es gab die Rohdecke, den rohen Boden. Da stand dann ein Raster an Säulen, sogenannte Pilae, die ja im englischen Wort Pillar für Pfeiler fortleben. Das waren etwa 8 Zoll in Durchmesser messende Ziegelsäulen und auf denen ruhten dann die Fußbodenplatten. Aber dieses System ging auch in der Wand weiter, in der Wand, auch die Wand war zweischalig, da waren Tonrohre mit Quadratquerschnitt, sogenannte Tubuli senkrecht angebracht und die hatten so eine leichte Kaminwirkung, also da strömte dann die warme Luft nach oben und die hatte auch einen gewissen Unterdruck entwickelt, wo auch die warme Luft unterhalb des Fußbodens bewegt wurde. Und mit diesem System wurden die römischen Villen beheizt, ein sehr, sehr hoher Standard. Aber mit Untergang des weströmischen Imperiums ging natürlich auch dieser Komfort verloren. Hier in Hallstatt, wo ich lebe, haben Archäologen eine römische Villensiedlung gefunden. Und da gab es um die Zeitwende Villen mit diesen Heizungssystemen und mit Untergang des römischen Imperiums ging dieser Standard an Lebensqualität verloren und es dauerte ja fast 2000 Jahre lang, bis man wieder auf diesen haustechnischen Standard kam. Die ersten modernen Zentralheizungen, Warmluftheizungssysteme entstanden erst wieder in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts. Da steht in Österreich die Person Meissner im Zentrum der Entwicklung. Professor Meissner war Professor am K&K Polytechnischen Institut, das ist das Vorgängerinstitut der heutigen Technischen Universität in Wien. Und dort entwickelte er ab 1821 ein Luftheizungssystem, das auch nach ihm benannt ist. Das ist die sogenannte Meissnerische Luftheizung. Und auch da war der Antrieb des ganzen Systems ein Mantelofen, in dem Fall aber schon aus Gusseisen. Und mit dem Begriff "Mantelofen" beschreibt er, glaube ich, schon sehr gut die Konstruktionsweise, dass dieser Ofen noch einmal einen Mantel besaß, dass er also zweischalig ausgeführt wurde, dass auch die Rauchgase wieder für die Bewohner gefahrlos über den Rauchfang, über den Schornstein abgeführt wurden und die mäßig erwärmte Luft über Kanäle im ganzen Haus verteilt wurde. Da war einerseits die Idee der Heizung, andererseits aber auch die Idee der Lufthygiene.

Die Heizung mit Luft hat einen ganz entscheidenden Nachteil und das ist die Wärmekapazität der Luft. Wenn man die Wärmekapazität, also wie viel Joule eine Volumseinheit, eine Gewichtseinheit eines Mediums braucht, um ein Grad erwärmt zu werden, beziehungsweise wie viel Energie dieses Medium transportieren kann, das nennt man die spezifische Wärmekapazität. Und diese spezifische Wärmekapazität unterscheidet sich zwischen Wasser und Luft um den Faktor 4000. Also man braucht 4000 Kubikmeter Luft, um genauso viel Wärme transportieren zu können, wie mit einem Kubikmeter Wasser. Und das ist natürlich ein entscheidender Faktor, weil für solche Luftheizungen braucht man Kanäle, braucht man Schächte mit entsprechend großen Querschnitten. Und natürlich, da sind wir wieder bei der Effizienzsteigerung.

Man versucht natürlich im modernen Bauwesen die Quadratmeter, vor allen Dingen die, die man nicht fürs Wohnen, sondern für die Haustechnik braucht, möglichst zu reduzieren. Und ich habe ja schon einige Podcast-Episoden gemacht über die Luftbrunnenanlage des Wiener Burgtheaters, wo ja auch noch die Idee der Meissnerschen Luftheizung drinsteckt. Das sind ja riesige Gänge, Schächte, die natürlich sehr, sehr viel Platz brauchen.

Und daher kam schon relativ früh die Idee, nicht die Luft als Wärmeträger, als Wärmemedium zu verwenden, sondern Wasser. Diese Wasserheizungen, das passiert etwa gleichzeitig, also zu der Zeit, die erste Hälfte des 19. Jahrhunderts, kurz nach dem Napoleonischen Kriegen, als Meissner in Wien seine Luftheizung entwickelt, entwickelt Perkins in London die Warmwasserheizung. Das Problem bei diesen Warmwasserheizungen ist natürlich der Leitungsdruck. Man braucht Rohrsysteme, die in einem entsprechenden Druck standhalten können und das begann zu Beginn des 19. Jahrhunderts erst sich zu etablieren. Auch da war die Normung, die Qualität der Rohre, vor allen Dingen auch die Qualität der Rohrverbindungsstücke, anfänglich noch nicht so gut, sodass es immer wieder Leckagen gab, immer wieder Warmwasseraustritte, sodass sich letztlich dieses Warmwasserheizungssystem erst gegen Ende des 19. Jahrhunderts, Beginn des 20. Jahrhunderts durchsetzen konnte.

Parallel dazu gab es, das ist jetzt vielleicht ein kleiner Einschub, auch sogenannte Dampfheizungen, wo man Wasser über 100 Grad erhitzt, dadurch Wasser als Wasserdampf in gasförmiger Form durch die Leitungen strömt und das hat diesen charmanten physikalischen Vorteil: Die Wärmeabgabegeräte, die Wärmetauscher, die Heizkörper waren so konzipiert, dass der Dampf im Heizkörper kondensierte und natürlich werden bei diesem Kondensationsprozess, bei diesem Phasenübergang von dampfförmig auf flüssig, wird zusätzliche Wärmeenergie frei. Also das ist auch wieder ein System, das so wie die Schwerkraft ganz natürliche physikalische Prozesse nutzt, nutzt auch die Dampfheizung, die Kondensationswärme, die frei wird. Das ist quasi das Gegenstück zur Verdunstungskälte. Es gibt nirgends einen Vorteil, wo auch nicht ein Nachteil ist. Man ist bei dem Heizkörper da in Oberflächentemperaturen im 100-Grad-Bereich und natürlich das sind Heizkörper, die dann sehr heiß sind. Und man hat ja für ein angenehmes Raumklima wünscht man sich ja eine gleichmäßig verteilte Wärme. Also wenn Sie es schaffen, die Hüllflächen eines Raums so auf vielleicht nur plus 20 Grad zu erwärmen, Wände, Fußbühnen, dann empfinden Sie das schon als viel, viel angenehmere Wärme, als wie wenn Sie eine punktuell sehr heiße Wärmeabgabequelle haben und natürlich auch bei der Produktion der Wärme, um diesen Dampf zu erzeugen, müssen Sie natürlich entsprechende Energie hineinstecken. Natürlich müssen Sie dort auch dieses Wasser einmal verdampfen. Also da steckt natürlich auch sehr viel Energie drinnen und Rohrleitungen, in denen Dampf zirkuliert, die sind natürlich besonders druckbelastet und auch hier gibt es natürlich dieses Risiko der Leckage, das noch viel, viel größer ist.

Aber es gibt ein dazwischenliegendes System und das ist das System, das eigentlich der Kern der heutigen Episode ist, das ist die Schwerkraftheizung.

Ich habe für das eigene Haus einen Ofen entworfen, einen sogenannten Tischherd. Das ist ein Ofen, der genau für solche Situationen konzipiert ist, wenn Stromausfall ist, dass ich trotzdem eine Möglichkeit habe, den Raum zu heizen und zu kochen. Und ich bin dann beim Entwurf noch einen Schritt weitergegangen. Ich wollte auch noch die zentrale Warmwasseraufbereitung für das Haus, die in einem sogenannten Boiler, in einem Warmwasserspeicher stattfindet. Auch alternativ zum Standardbetrieb, der elektrisch erfolgt. Ich bin Mitglied einer Energiegenossenschaft und da wird in erster Linie solarer Überschuss-Strom dazu verwendet, das Warmwasser aufzubereiten, aber wenn eben dieses elektrische System ausfällt, habe ich ein zweites, quasi ein redundantes System, damit eben meine Warmwasseraufbereitung möglichst resilient ist. Und da ist in diesem Kochherd, in diesem Tischherd ein sogenanntes Druckschiff drin. Das ist ein länglicher Stahlbehälter, der ist etwa 15 Zentimeter breit, 80 Zentimeter lang, 40 Zentimeter hoch. Der steht senkrecht zwischen Sturz- und Steigzug. Also nachdem die Rauchgase, die Kochplatte erwärmt haben, stürzt der Rauch nach unten und geht dann in einem Steigzug wieder nach oben und dann über das Ofenrohr in den Rauchfang, in den Schornstein.

Als Zunge zwischen Sturz- und Steigzug ist dieses Druckschiff, diese Heiztasche positioniert. Dieser Kochherd steht vom Niveau tiefer als der Warmwasserspeicher. Also das ist bei diesen Schwerkraftheizungen immer notwendig. Die Erzeugung der Wärme muss räumlich tiefer stattfinden als der Wärmetauscher, als das Wärmeabgabegerät. Aus dieser Heiztasche, aus diesem Druckschiff kommen zwei Anschlüsse raus, ein Vorlauf und ein Rücklauf, Vorlauf oben, Rücklauf unten und wenn ich jetzt einheize, erhitzt sich das Wasser in diesem Druckschiff und beginnt an seinem oberen Ende, beim Vorlauf auszutreten, geht dort in eine Rohrleitung, von der Rohrleitung in den Boiler, in den Warmwasserspeicher, wo ein Wärmetauscher ist, wo eine Schlange ist, in der das Wasser zirkuliert und am unteren Ende des Warmwasserspeichers kommt die Rohrleitung wieder heraus, ist wieder verbunden und geht mit einem Rücklauf wieder zurück in die Heiztasche, in das Druckschiff beim Kochherd. Und der Trick dabei ist, oder die Notwendigkeit ist, damit entsprechend viel Wasser zirkuliert, weil das System keine elektrische Pumpe besitzt, ist der Querschnitt der Rohrleitung. Diese Rohrleitung ist 6 Viertel Zoll, also das ist schon ein relativ großer Durchmesser, da sind wir im Bereich von fast Dreieinhalb, vier Zentimetern und hier kann durch den entsprechend großen Rohrquerschnitt hinreichend viel Wasser strömen und das ganze System ist natürlich selbstregulierend. Je intensiv ich einheize, desto mehr erwärmt sich das Wasser in dem Druckschiff, desto schneller strömt es in den Warmwasserspeicher und ich brauche für das ganze System keine elektrische Pumpe. Das heißt, auch bei einem vollkommenen Blackout kann ich nur aufgrund dieser einfachen physikalischen Zusammenhänge, letztlich nur aufgrund des Gesetzes der Schwerkraft, das Warmwasser im Boiler aufbereiten.

Solche Systeme waren bis Mitte des 20. Jahrhunderts eigentlich die gängigen Systeme für Zentralheizungen. Die Wärmeerzeugung erfolgt im Regelfall über einen Allesbrenner, in dem konnte man Holz, Kohle etc. verbrennen und es entstand das warme Wasser, lediglich in einem größeren Maßstab, als ich das jetzt von meinem Küchenherd beschrieben habe. Und dann war aber der entscheidende Punkt das Fachwissen des, wie man in Österreich sagt, Installateurs, in Deutschland heißt es Klempner, und der musste, man nannte das ein guter Hydrauliker sein.

Das funktioniert ganz ähnlich wie die Züge in einem Kachelofen. Die Züge in einem Kachelofen, in denen die Rauchgase zirkulieren, die verjüngen sich ja auch von der Feuerstätte bis zum Schornstein. Und ähnlich konzipiert muss ein solches hydraulisches System einer Schwerkraftheizung sein. Man muss erstens überlegen, wo wird das heißeste Wasser gebraucht? Das wird im Regelfall der Warmwasserspeicher sein. Also das Wasser, das frisch aus dem Heizungskessel kommt, geht zuerst in den Warmwasserspeicher. Und dann muss man natürlich ganz strategisch planen, einerseits mit Hilfe der Schwerkraft, wo ja das heiße Wasser aufsteigt, wohin steigt es auf? Wo sind die Wärmeverbraucher, die Wärmetauscher, die die höchste Temperatur brauchen? Und da habe ich entsprechend große Leitungsquerschnitte und je mehr sich das Wasser im Lauf seiner Zirkulation durch das System abkühlt, desto kleiner werden die Querschnitte und wenn das wirklich gut gemacht ist, aber das braucht natürlich sehr, sehr viel Erfahrungswissen, sehr viel handwerkliches Können des Installateurs. Unsere modernen Systeme mit Zirkulationspumpen, da kann man letztlich mit Gewalt einfach mit der Pumpleistung der Zirkulationspumpe das Wasser durch das System jagen, ohne sich Gedanken darüber zu machen, wie könnte ich das System von seinem hydraulischen Standpunkt her optimieren. Diese Rohre sind eben, wie beschrieben, oft Sechsviertel, oft Zweizollrohre zu Beginn, wurden traditionell geschweißt, also das wurde im Regelfall mit Autogenschweißzeug verschweißt. Da gab es dann die Kunst des sogenannten Spiegelschweißens, also auf der vom Schweißer abgewandten Seite wurde dann mit Hilfe eines Metallspiegels seitenverkehrt, spiegelverkehrt geschweißt und diese Rohre waren im Regelfall sichtbar weil auch diese Rohre, diese Stahlrohre muss man ja nicht wärmedämmen wenn man die geschickt durch Räume führt kann man die gleichzeitig als Heizkörper nutzen also auch noch diese Idee, auch die Rohrführung gezielt so zu wählen, dass nicht an einem Punkt viel zu viele Rohre sind, die man dann dämmen muss, damit dieser Raum nicht zu warm wird, sondern auch hier optimiert zu führen.

Und ich denke mir, das wäre aber ein ganz interessantes Einsatzgebiet für KI. Ich bin überzeugt davon, wenn man KI mit diesen Parametern entsprechend füttern würde und dann den Plan eines Hauses eingibt, die Räume definiert, den Wärmebedarf der Räume definiert, bin ich davon überzeugt, könnte man mit Hilfe von KI ein wirklich hochoptimiertes hydraulisches System entwickeln, das dann tatsächlich ohne Zirkulationspumpe funktioniert und daher natürlich extrem resilient ist. Da denke ich, das ist schon einen Gedanken wert, solche Systeme zu etablieren, um im Krisenfall wirklich auch entsprechend gerüstet zu sein. Eine andere Möglichkeit wäre, dass man vielleicht nicht das ganze System des Hauses so hoch hydraulisch optimiert. Natürlich, grundsätzlich ist aber eine hydraulische Optimierung des Heizungssystems immer gut, aber dass man quasi, wenn es nicht anders geht, ein Kernsystem, ein Herzsystem des Hauses für reinen Schwerkraftbetriebe auslegt. Und das, was darüber hinausgeht, was quasi Luxus ist, dass man hier dann, wo es gar nicht anders geht, mit Zirkulationspumpen arbeitet, dass es aber dann möglich ist, wenn eine Krisensituation vorherrscht, in der kein elektrischer Strom zur Verfügung steht, dass man dann den Kern, das Herz des Hauses, mit einer Schwerkraftheizung betreibt.