Kachelofen
Bei einem Kachelofen handelt es sich um einen im allgemeinen aus Schamottesteinen gesetzten Zimmerofen, der mit Briketts oder Holz geheizt wird und der mit Kacheln verkleidet ist.
Foto: Rainer Schwarz
Foto: Rainer Schwarz
Geschichte
Die Vorläufer der Kachelöfen sind die in kalten Gegenden, vor allem im Alpenraum, in die Häuser eingebauten Backöfen oder überwölbten Herdfeuerungen. Der Backofen wanderte mit seinem Ofenkörper in die sich im Mittelalter herausbildende Stube, die Beheizungs- und Beschickungsseite verblieb aber in der Küche. Dadurch entstand ein Raum, der beheizbar war und trotzdem sauber gehalten werden konnte.
Erbaut und Foto: Ralf Staufenbiel.
Foto: Ralf Staufenbiel.
Diese Öfen hatten meist eine Oberfläche aus Lehm und Kalk, es wurden aber, erst aus Gründen der leichteren Konstruktion, in diese Gewölbe Bauteile eingebaut, die der Töpfer (Hafner) zu diesem Zweck herstellte (konvexe oder konkave Schüsseln und Becher)- man merkte schnell, dass die Wärmeübertragung an den Stellen mit keramischen Bauteilen besser war. Es wurden immer mehr dieser Bauteile verwendet, bis die eigentlichen Kachelöfen entstanden. Durch die Entwicklung von Kachelbauteilen, die direkt aneinander „gesetzt“ werden konnten, entstand eine Vielzahl von Typ-Varianten und die frühere Berufsbezeichnung »Ofensetzer«.
Ab dem 14. Jahrhundert existieren gesicherte Quellen über Kachelöfen. Seit dieser Zeit hat sich das Handwerk weiterentwickelt. Vornehmlich in den nördlichen Ostalpen, dem Bodenseeraum und entlang der Donau war der Kachelofen als Wärmequelle geschätzt und verbreitete sich über Budapest auch weiter östlich. Ausbreitungsgebiet: südlich deutschsprachige Schweiz / Südtirol; südöstlich bis Bosnien aber auch Rumänien (Karpaten / Siebenbürgen); nordöstlich bis Moskau (Kreml) oder Sankt Petersburg; westlich bis zum Schloss von Versailles. Funde weisen darauf hin, dass der Kachelofen anfänglich wohl dem Adel und den Patriziern vorbehalten war. Er ist aber auch mit der Entwicklung der beheizbaren „Guten Stube“ untrennbar verbunden. Je ärmer die Menschen, desto weniger und einfacher die Kacheln.
Technische Weiterentwicklung
In der äußeren Gestaltung machten die Kachelöfen eine große kunstgeschichtliche Entwicklung durch, blieben aber in der Heiztechnik lange Zeit unverändert, bis man im 18. Jahrhundert begann, die Kachelöfen direkt an Schornsteine anzuschließen. Bis dahin wurden Kachelöfen mit ganz geöffneter Heiztüre meist von der Küche oder einem Nebenraum aus befeuert und entließen die Rauchgase ebenfalls dort in einen Kamin. Die Öfen waren mit einem niedrigeren Teil an die Zimmerwand an- und durchgebaut und wurden durch die Wand mit Holz beschickt (Hinterlader-Prinzip). Im höheren Teil bildete sich Stauhitze, die an die Kachelwände abgegeben wurde. Die im Strahlungsbereich des Feuers liegenden Kachelwände wurden stärker erwärmt. War das Feuer heruntergebrannt, wurden die Heiztüren geschlossen, und die Kachelwände gaben je nach Ausmauerungsstärke die gespeicherte Wärme an die Räume ab. Die Rauchgase traten während der Heizphase nach Abkühlung durch die Ofentür wieder aus und landeten im Idealfall in der Esse, die sich meistens in der Küche über der offenen Herdfeuerung befand, oder man ließ die Abgase einfach austreten und durch Undichtigkeiten in der Dachkonstruktion oder sonst irgendwie ins Freie gelangen. Diese Kachelöfen bedeuteten zwar gegenüber der Heizfähigkeit und Holz(Energie)-ausnutzung eines offenen Kamins einen erheblichen Fortschritt, waren aber immer noch sehr uneffektiv.
Im ausgehenden 17. Jahrhundert. und dann im 18. Jahrhundert machte man sich die ersten ernsthaften Gedanken über Sparöfen und beispielsweise Friedrich der Große organisierte einen Wettbewerb über Holzsparöfen. Dort gab es sogar Vorschläge zu Öfen, die sich über zwei Geschosse erstreckten. Aber erst der direkte Anschluss an einen Schornstein brachte die Möglichkeit, Rauchgaszüge in die Kachelöfen einzubauen. Es war ein allmählicher Erfahrungsprozess, mit dem im Schornstein und in der Feuerstätte entstehenden Unterdruck umzugehen, sodass auch fallende Züge (Sturzzüge) und andere Zugformen möglich wurden. Zeitlich genau ist das nicht einzuordnen. Es gab im Schwarzwald bis ins 20. Jahrhundert noch offene, ohne Schornstein betriebene Öfen. Durch die Umlenkungen und Abkühlung der Heizgase in den Zügen wurden die Öfen sehr effektiv und sparsam mit dem durch Abholzung inzwischen knapperen Brennstoff Holz. Rost, Aschekasten und eine gezielte Verbrennungsluftführung waren nun üblich.
Kacheln wurden allmählich als Massenware in Manufakturen hergestellt, die Baugröße dem jeweils benötigten Wärmebedarf angepasst und durch Handwerksregeln landsmannschaftlich standardisiert. Zum Teil gab es auch technische Rückschritte, als man sich im Historismus der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts auf alte Ofenformen besann und wieder die alten Hinterlader-Öfen baute.
Aus den Handwerksregeln und Erfahrungswerten zum Raumheizvermögen entstanden 1925 die DIN-Normen für den Kachelofen, die in die Reichsgrundsätze umgewandelt wurden und nach dem 2. Weltkrieg wieder DIN-Normen hießen. Diese DIN-Normen wurden aber 197? wieder zurückgenommen. Die DIN-Norm teilte je nach Stärke der Außenwand die Kachelöfen in eine leichte, eine mittelschwere und eine schwere Bauart ein und gab Planungswerte über Raumheizvermögen, Masse und Speicherdauer<ref>In Teilen sinngemäß übernommen, stark überarbeitet und dem Kontext angepasst aus Der Kachelofen von Rosemarie Franz ISBN 3-201-01172-X</ref>.
Foto: Rainer Schwarz
Die Entwicklung von Heizeinsätzen im Kachelofen
Das Aufkommen der Kohle als Brennstoff im 19. Jahrhundert führte zu Änderungen in den Kachelofenkostruktionen. Die Feuertür konnte kleiner sein. Das heiße Glutbett der Kohle hielt länger vor, weshalb ein direkter Wärmekontakt mit einer großen Masse Wärme speichernder Keramik nicht mehr zwingend erforderlich war (siehe auch Dauerbrandofen). Über verschiedene Entwicklungsstufen kam man zu kompakten, mit Schamotte ausgekleideten gusseisernen Heizeinsätzen, die alle Feuerungsbauteile (Rost, Aschekasten, Ofentüren) enthielten und revisionsfähig waren. Man konnte diese Feuerungen reparieren, ohne den ganzen Kachelofen abbauen zu müssen. Die Heizeinsätze wurden durch konvektive Luftführung gekühlt. Diese Luft brachte eine Erhöhung des Raumheizvermögens. So entstanden die ersten Warmluft-Kachelöfen. Sie vermochten die Räume schnell zu heizen und speicherten in der Kachel-Umbauung zugleich auch Wärme. Die Warmluft konnte mittels Jalousien an den Heizbedarf angepasst werden und auch in andere Räume oder Stockwerke geführt werden.
Auswirkungen auf die Umwelt -
Feinstaub
Problematisch diskutiert wird der produzierte Feinstaub. Dieser wird unter anderem von Holzfeuerungen produziert, also auch von Kachelöfen. In der Schweiz stammen rund 8 Prozent der Feinstaub-Emissionen von Holzfeuerungen, davon werden wiederum 12 Prozent von Kachelöfen produziert.[1]
Gliederung der Feinstaubbelastung im Kachelofen
Ruß und polyzyklische aromatische Verbindungen entstehen durch unvollständige Verbrennung im Kachelofen.
Salze zum Teil als Flugasche entstehen auch bei vollständiger Verbrennung.
Unvollständige Verbrennung im Kachelofen hat verschiedene Ursachen:
1. Abstoppen der Zündfähigkeit der Abgase in der Anheizphase durch Bauteile, die zu schnell Wärme entziehen oder durch kalte Verbrennungsluft.
Problemlösung: durch moderne Kachelofeneinsätze oder Grundofenfeuerungssysteme mit Verbrennungsluft-Vorwärmung und Nachverbrennungszonen.
2. Ungenügende Luftzuführung durch Bedienfehler oder Anlagenfehler.
Problembereich: Heizen mit Holz ohne Speichermedium
Salze sind im Kachelofen ein geringes Problem: Sie verklumpen bei den Betriebsbedingungen im Kachelofen zu makroskopischen Stäuben oder Flugasche und sind nicht mehr dem Feinstaub zuzuordnen und zum größten Teil auch nicht mehr lungengängig.
Hausmüllverbrennung im Kachelofen ist ein Aufklärungsproblem. Vielen ist nicht bewusst, dass sie sich durch Verbrennung nicht zugelassener Brennstoffe strafbar machen. Es ist auch wenig bekannt, dass durch die Bezirksschornsteinfegermeister Rußproben entnommen werden können, die den Betrieb mit nicht zugelassenen Brennstoffen nachweisen können!
Schwefelverbindungen sind das nicht lösbare Problem der Kohlefeuerung, in dem im Kachelofen entstehenden Ausmaß aber vertretbar.
Feinstaub durch Staubversengung
Ein Warmluftkachelofen besteht außen aus einer zumeist keramischen Hülle, innen aus einem gusseisernen Einsatz. Dieser kann durch Holz, Kohle, Heizöl oder Gasbefeuerung auf 300 °C und mehr aufgeheizt werden. Zwischen dem Einsatz und der Hülle zirkuliert Luft, die sich erhitzt und infolgedessen aufsteigt. Vom Fußboden wird zudem ständig kalte Luft abgezogen. Mit dieser Luft wird der in dem Raum befindliche Staub in den Ofen gezogen und es kommt am heißen Einsatz zum Phänomen der Staubversengung. Es handelt sich dabei um den Zerfall großer Staubpartikel in unzählige kleinere Staubpartikel mit der Folge der Entstehung krebserregenden Feinstaubes welcher sich in der Raumluft befindet.
Bauformen
Grundformen des Kachelofens sind der Grundofen, der Warmluftofen, sowie der Kombiofen. Sonderformen sind die Kachelkunst, die Warmluftzentralheizung und der Hypokaustenofen.
Warmluftkachelofen
Dieser Kachelofentyp funktioniert nach dem Prinzip der Konvektionsheizung. Kalte Raumluft strömt über die untere Öffnung (meist ein Rundbogen im Sockel) ins Innere des Kachelofens, wird dort an den heißen Eisenteilen erwärmt und strömt als warme Luft in den Raum zurück. Diese Warmluft kann auch mittels Warmluftkanälen in angrenzende Räume oder darüberliegende Etagen geleitet werden. Die Warmluft hat einen Anteil von 60 bis 80 % an der abgegebenen Wärme, der Rest ist Strahlungswärme, die über die Kacheloberfläche abgegeben wird. Der Warmluftkachelofen gibt schnell und wirtschaftlich Wärme ab.
Kombi-Kachelofen
Der Kombi-Kachelofen ist eine Mischung aus Konvektionsofen (dem Heizeinsatz) und Strahlungsofen (gemauerte Züge). Dies ist zur Zeit die beste Ofenanlage, weil ein bei Bedarf austauschbarer Heizeinsatz mit moderner Verbrennungstechnik (raumluftunabhängige Verbrennungsluftzufuhr, Sonderarten für andere Brennstoffarten wie Pellets, Briketts, Öl oder Gas) eingebaut werden kann. Die gemauerten Züge werden an der Ofenwand entlang geleitet, damit ein möglichst gleichmäßiger und großer Wärmeanteil an den Raum abgegeben werden kann. Ein weiterer Vorteil ist eine schnelle Wärmeabgabe vom Heizeinsatz (ca. 15 bis 20 min) und eine Speicherzeit zwischen 6 und 12 Stunden des keramischen Zugs.
(Kachel-)Kunst oder Chust
Ob die Bezeichnung Kunst oder im Schweizerischen Chust vom lateinischen Hypokaustum herstammt, ist linguistisch nicht geklärt. Historisch-technisch gesehen haben beide Heizformen wohl nichts miteinander zu tun. Die Kachelkunst ist traditionell in Deutschland im Schwarzwald beheimatet aber auch in der Schweiz. Der genaue Ursprung ist nicht bekannt. Die Entwicklung der Kunst hängt auch von der Entwicklung des Herdes, von dem aus sie befeuert wird, ab. Ursprünglich wurde über offenem Feuer gekocht, über dem Herd befand sich eine Esse (oder auch gar nichts), daneben das Feuerloch des mit einem Backgewölbe ausgestatteten Stubenofens. Vor etwa 200 Jahren setzte sich die Benutzung eines Schornsteins allmählich durch, der Herd bekam eine eiserne Herdplatte und der Kachelofen einen Schornsteinanschluss. Die, wenn überhaupt vorhandenen, Essen wurden geschlossen nach unten verlängert und als Schornsteine benutzt.
Um die Abgase des Herdes abzuleiten, wurde in der Stube die Kunst (Chust) mit einem eigenen Heizgaszug an den Kachelofen angebaut. Die damalige Kunst war eine manchmal zweistöckige beheizte Sitzbank mit Sandsteinabdeckung, die vom eigentlichen Kachelofen unabhängig beheizt wurde. Die historischen Kunst-Sitzbänke waren sehr hoch, da man sich damals noch nicht zutraute, Abgase nach unten zu leiten, ebenso waren die Herde sehr niedrig. Um auf den hohen Sitzbänken sitzen zu können, brauchte man oft ein aus Holz gefertigtes Kunst-Bänkchen zum Abstellen der Füße. Die heutigen Kachelkünste haben sich vom Kachelofen gelöst und bilden eigenständige Heizsysteme, die sehr effizient sind, da sie die Funktion Kochen mit der Funktion Heizen verbinden und sind vor allem in der Schweiz und im südlichen Baden-Württemberg sehr beliebt.
Warmluft-Zentralheizung
Die Warmluft-Zentralheizung war in Deutschland in den 50er und 60er Jahren, bevor die Warmwasserzentralheizungen aufkamen, eine Sonderform des Kachelofens. Sie nutzte die durch die Entwicklung der Heizeinsätze und Blechheizregister zur Verfügung stehende hohe Heizleistung und verteilte sie mittels Luftkanälen in den Räumen von Einfamilienhäusern.
Luft-Hypokausten-Anlagen
Sie sind eine Sonderform des Warmluft-Kachelofens. Mit einem geschlossenen Luftumwälzungssystem, das durch Schwerkraft oder mit Gebläse funktioniert, werden entferntere Bauteile z. B. Sitzbank eines Kachelkamins oder die Wände eines Zimmers beheizt. Die eingeschlossene, bis zu 200 °C heiße Sytemluft kommt dabei nicht mit der Raumluft in Berührung.
Gefahren
Durch Bedienungsfehler kann der Brennstoff unter Freisetzung explosiver Gase verschwelen. Eine Verpuffung oder Explosion führt zur Beschädigung oder Zerstörung des Ofens, zum Absprengen von Konstruktionsteilen sowie zum Herausschleudern von Glut oder Brennstoff. Die vom Brennstoff entwickelten brennbaren Gase können nach vorübergehendem Luftmangel verpuffen. Erst wenn diese restlos ausgetrieben und verbrannt sind (keine Flammen mehr), kann die Ofentür gefahrlos verschlossen werden. Nur der verbleibende Kohlenstoff (flammenlose Glut) kann auch unter Luftmangel brennen.
Solange Kohle oder Holz noch Flammen entwickelt, soll die Luftzufuhr nicht unterbrochen werden, ansonsten tritt unvollständige Verbrennung ein, u. a. entsteht Kohlenmonoxid, das in den zu beheizenden Raum gelangen kann.
Bei unvollständiger Verbrennung bilden sich im Schornstein Ruß- und Teerablagerungen, die einen Schornsteinbrand verursachen können.
Physikalische Grundlagen
Holz verbrennt zum größten Teil gasförmig in langen Flammen und hoher momentaner Heizleistung. Die Umwandlung des Holzes zu Gas beginnt schon bei ca. 80 °C und kann nicht gestoppt werden; d. h. das Gas muss bei Entstehung auch abgebrannt werden, um unvollständige Verbrennung zu vermeiden. Ein gestreckter Abbrand (Dauerbrand) ist bei (Scheit-)Holzfeuerungen in Öfen nicht möglich. In Öfen ohne Speichermassen wird immer wieder versucht, Holz verzögert abzubrennen, in dem Verbrennungsluft abgedrosselt wird, mit schlimmen Folgen für die Anlagen, Schornsteine und Umwelt. Der Kachelofen ist traditionell und heute wieder verstärkt ein Speicherofen, der die momentane sehr hohe Heizleistung eines Holzfeuers puffert und verzögert an die Räume abgibt, aber nur, wenn er die erforderlichen Speichermassen auch hat (siehe Kombi-Kachelofen, Grundofen, Kachelofen-Kunst).
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Leistungsdiagramm kleines Holzfeuer. CC: alle Bilder:Urheber Gerhard Philipp
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Heizleistung eines kleinen Grundofens
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Feuerungsleistung / Speicherleistung am Kachelgrundofen
Literatur
- Bundesamt für Umwelt: Positionspapier Feinstaub aus Holzfeuerungen. 17. März. 2006. [1]
- Rosemarie Franz:Der Kachelofen Akademische Druck und Verlagsanstalt, Graz 1981 ISBN 3-201-01172-X
Weblinks
- www.furnologia.de Die Website zur historischen Ofenkachelforschung
- Universität Göttingen Dissertation über die Geschichte des Kachelofens
- Der Kachelofen im Wandel der Zeit
- Kleine Kulturgeschichte des Kachelofens bei Monumente Online
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