Sachverhalt:
A. X._ ist Eigentümer des auf dem Grundstück Kat.-Nr. 3/5602 in der Kernzone III in Winterthur-Gotzenwil gelegenen Wohnhauses Helmweg 2. Bei diesem Haus handelt es sich um den westlichen Teil der Häuserzeile eines im einstweiligen Inventar der Schutzobjekte enthaltenen ehemaligen Vielzweckbauernhauses, das insgesamt vier Hausteile (Helmweg 2 - 8) umfasst. Das Haus Helmweg 2 steht in unmittelbarer Nachbarschaft zu weiteren inventarisierten Schutzobjekten und einem formell geschützten Speicher (Volumenschutz). In der Kernzone gilt ein Ortsbildschutz mit kommunaler/regionaler Bedeutung.
X._ liess Ende 2005 die Fassade seines Hauses ohne baurechtliche Bewilligung isolieren und die Fenster ersetzen. Nach seinen Angaben führte diese Sanierung zu einer Reduktion des durchschnittlichen Heizölverbrauchs für Heizung und Warmwasseraufbereitung von 1739 Litern auf 739 Liter pro Jahr. Am 29. Januar 2007 verweigerte der Bauausschuss der Stadt Winterthur die nachträgliche baurechtliche Bewilligung für die bereits ausgeführte Fassadensanierung. Zudem verfügte er, dass die ausgeführte Renovation innert sechs Monaten ab Rechtskraft des kommunalen Beschlusses wieder zu entfernen und im Einvernehmen mit der Abteilung Denkmalpflege der Stadt Winterthur durch eine kernzonentypische Ausführung zu ersetzen sei.
Gegen diesen Entscheid gelangte X._ an die kantonale Baurekurskommission IV. Diese hiess den Rekurs am 22. November 2007 teilweise gut und hob den angefochtenen Beschluss insoweit auf, als er die Wiederherstellung des rechtmässigen Zustands der Fenster verlangte. Im Übrigen wies sie den Rekurs ab.
Mit Beschwerde an das Verwaltungsgericht des Kantons Zürich verlangte X._, der Wiederherstellungsbefehl und der Entscheid der Baurekurskommission seien aufzuheben, soweit damit die Beseitigung der Fassadenrenovation angeordnet werde. Das Verwaltungsgericht wies die Beschwerde mit Urteil vom 23. April 2008 ab.
B. Mit Beschwerde an das Bundesgericht vom 13. Juni 2008 beantragt X._ insbesondere die Aufhebung des Beschlusses des kommunalen Bauausschusses sowie der Entscheide der kantonalen Rechtsmittelinstanzen, soweit diese den Wiederherstellungsbefehl schützten. Eventualiter sei der Beschwerdeführer zu verpflichten, nach Vorgaben der Baubehörde an der Aussenhaut seines Hausteils einen mineralischen Fassadenverputz anzubringen und das Giebelfeld mit einer Holzverschalung zu versehen, oder die Baubehörde sei anzuweisen, einen neuen Entscheid zu erlassen, der sich inhaltlich auf Auflagen betreffend das optische Erscheinungsbild der Aussenisolation beschränke. Subeventualiter sei auf die Entfernung der ausgeführten Renovation und den Ersatz durch eine kernzonentypische Ausführung nach den Vorstellungen der Abteilung Denkmalpflege zu verzichten.
Der Beschwerdeführer rügt eine Verletzung der Eigentumsgarantie (Art. 26 BV) und des Verhältnismässigkeitsprinzips (Art. 36 Abs. 3 BV).
C. Das Verwaltungsgericht und die Stadt Winterthur beantragen Abweisung der Beschwerde. Der Beschwerdeführer hält in einer Replik an seinen Anträgen fest.
D. Mit Verfügung vom 4. Juli 2008 hat der Präsident der I. öffentlich-rechtlichen Abteilung einem Gesuch des Beschwerdeführers um aufschiebende Wirkung entsprochen.
E. Eine Delegation des Bundesgerichts führte am 12. Dezember 2008 einen Augenschein durch. Anlässlich dieses Augenscheins hat der Beschwerdeführer ein neues Sanierungskonzept für die Fassadenrenovation vorgelegt und dieses an Ort und Stelle mit Mustern erläutert. Die Stadt Winterthur hat sich dazu am Augenschein geäussert und nach dem Augenschein eine schriftliche Stellungnahme der kommunalen Denkmalpflege eingereicht. Diese wurde den Verfahrensbeteiligten zur Kenntnisnahme zugestellt.
Erwägungen:
1. 1.1 Das angefochtene Urteil des Verwaltungsgerichts ist in Bezug auf die Pflicht zur Entfernung der ohne baurechtliche Bewilligung vorgenommenen Fassadenrenovation ein Endentscheid einer letzten kantonalen Instanz (Art. 90 und 86 Abs. 1 lit. d BGG). Diesem liegt eine öffentlich-rechtliche Angelegenheit zu Grunde. Das Bundesgerichtsgesetz enthält auf dem Gebiet des Bau- und Planungsrechts keinen Ausschlussgrund von der Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten (Art. 82 lit. a und Art. 83 BGG). Der Beschwerdeführer ist als zur Wiederherstellung des früheren Zustands verpflichteter, am vorinstanzlichen Verfahren beteiligter Grundeigentümer zur Beschwerde berechtigt (Art. 89 Abs. 1 BGG; vgl. BGE 133 II 249 E. 1 S. 251 ff.).
1.2 Nicht einzutreten ist auf die Beschwerde, soweit darin die (teilweise) Aufhebung der Entscheide der Stadt Winterthur und der Baurekurskommission beantragt wird. Diese Entscheide sind durch das Urteil des Verwaltungsgerichts ersetzt worden (Devolutiveffekt) und gelten als inhaltlich mitangefochten (Urteil des Bundesgerichts 1C_267/2007 vom 28. Februar 2008 E. 1.5; vgl. BGE 129 II 438 E. 1 S. 441; 125 II 29 E. 1c S. 33; mit Hinweisen).
1.3 Rechtsschriften haben nach Art. 42 Abs. 1 BGG unter anderem die Begehren und deren Begründung mit Angabe der Beweismittel zu enthalten. In der Begründung ist in gedrängter Form darzulegen, inwiefern der angefochtene Entscheid Recht verletzt (Art. 42 Abs. 2 Satz 1 BGG). Damit obliegt es den Beschwerdeführern, die behaupteten Rechtsverletzungen zu nennen und diese Rügen zu begründen (allgemeine Rüge- und Begründungspflicht).
Eine qualifizierte Rügepflicht gilt hinsichtlich der Verletzung von Grundrechten sowie von kantonalem und interkantonalem Recht. Bei solchen Rügen gilt der Grundsatz der Rechtsanwendung von Amtes wegen nicht. Vielmehr sind diese Rügen präzise vorzubringen und zu begründen (Art. 106 Abs. 2 BGG). Führt der Beschwerdeführer nicht zumindest in erkennbarer Weise an, welches Grundrecht seiner Meinung nach verletzt sei, und legt er nicht kurz dar, worin die behauptete Verletzung bestehe, unterbleibt die Prüfung durch das Bundesgericht (vgl. Botschaft zur Totalrevision der Bundesrechtspflege vom 28. Februar 2001, BBl 2001 4344 f.). Im Anwendungsbereich von Art. 106 Abs. 2 BGG wird demnach die Praxis zum Rügeprinzip gemäss Art. 90 Abs. 1 lit. b OG (vgl. dazu BGE 130 I 258 E. 1.3 S. 261 f.; 129 I 113 E. 2.1 S. 120) weitergeführt (BGE 133 II 249 E. 1.4.2 S. 254; 133 III 638 E. 2 S. 639).
1.4 Die übrigen Sachurteilsvoraussetzungen sind erfüllt. Auf die Beschwerde gegen den Entscheid des Verwaltungsgerichts ist unter dem Vorbehalt gehörig begründeter Rügen (Art. 42 und 106 BGG) einzutreten.
2. Im bundesgerichtlichen Verfahren wird nicht bestritten, dass die vorgenommene Aussenisolation in der Kernzone der Baubewilligungspflicht unterliegt. Das Verwaltungsgericht weist im angefochtenen Entscheid zu Recht darauf hin, dass in Kernzonen strengere Bauvorschriften als in Wohnzonen gelten. Eine ganzflächige Abdeckung der historischen Fassade durch eine Aussenisolation ist hier von grosser Bedeutung für das geschützte Ortsbild. Auch dem Beschwerdeführer musste bewusst sein, dass eine solche bauliche Massnahme in der Kernzone ohne Konsultation der zuständigen Behörden nicht ohne Weiteres zulässig ist. Dass solche Isolationen mitunter in reinen Wohnzonen ohne Bewilligung durch die Baubehörde angebracht werden dürfen, ändert an der Bewilligungspflicht innerhalb der Kernzone nichts.
3. Der Beschwerdeführer macht geltend, die angeordneten Wiederherstellungsmassnahmen verstiessen gegen die Eigentumsgarantie (Art. 26 BV). Eine Eigentumsbeschränkung ist nur zulässig, wenn sie auf einer gesetzlichen Grundlage beruht, im öffentlichen Interesse liegt und verhältnismässig ist (Art. 36 BV; BGE 125 II 129 E. 8 S. 141 mit Hinweis). Der Beschwerdeführer bestreitet insbesondere die Verhältnismässigkeit der umstrittenen Anordnungen. Das Vorliegen eines öffentlichen Interesses und die Verhältnismässigkeit prüft das Bundesgericht bei der Beschränkung von Grundrechten frei (BGE 132 II 408 E. 4.3 S. 415 f.; 121 I 117 E. 3c S. 121; 119 Ia 362 E. 3a S. 366; s. auch BGE 134 I 153 E. 4.2 S. 157 f.). Es auferlegt sich aber Zurückhaltung, soweit die Beurteilung von einer Würdigung der örtlichen Verhältnisse abhängt, welche die kantonalen Behörden besser überblicken (BGE 132 II 408 E. 4.3 S. 415 f.; 126 I 219 E. 2c S. 222; 119 Ia 362 E. 3a S. 366; 117 Ia 434 E. 3c S. 437).
3.1 Der Beschwerdeführer hält die ihm auferlegte Pflicht zur Entfernung der Isolation für unverhältnismässig, weil sie für die Herstellung des rechtmässigen Zustands nicht nötig sei.
Das Gebot der Verhältnismässigkeit verlangt, dass eine behördliche Massnahme für das Erreichen des im öffentlichen oder privaten Interesse liegenden Ziels geeignet und erforderlich ist und sich für die Betroffenen in Anbetracht der Schwere der Grundrechtseinschränkung als zumutbar und verhältnismässig erweist. Es muss eine vernünftige Zweck-Mittel-Relation vorliegen. Eine Massnahme ist unverhältnismässig, wenn das Ziel mit einem weniger schweren Grundrechtseingriff erreicht werden kann (BGE 132 I 49 E. 7.2 S. 62; mit weiteren Hinweisen).
3.2 Nach § 341 des Planungs- und Baugesetzes des Kantons Zürich vom 7. September 1975 (PBG/ZH) hat die zuständige Behörde ohne Rücksicht auf Strafverfahren und Bestrafung den rechtmässigen Zustand herbeizuführen. Bei der Anordnung der Wiederherstellung des rechtmässigen Zustands ist die Behörde an die allgemeinen verfassungs- und verwaltungsrechtlichen Prinzipien gebunden. Dazu gehören die Grundsätze der Verhältnismässigkeit und des Schutzes des guten Glaubens (Art. 5 Abs. 2 und 3 BV). So kann die Wiederherstellung des rechtmässigen Zustands unterbleiben, wenn die Abweichung vom Erlaubten nur unbedeutend ist oder die Wiederherstellung nicht im öffentlichen Interesse liegt, ebenso, wenn der Bauherr in gutem Glauben angenommen hat, die von ihm ausgeübte Nutzung stehe mit der Baubewilligung im Einklang, und wenn ihre Fortsetzung nicht schwerwiegenden öffentlichen Interessen widerspricht (BGE 132 II 21 E. 6 S. 35; 111 Ib 213 E. 6 S. 221 mit Hinweisen). Ob der Beschwerdeführer gutgläubig davon ausgehen konnte, dass die Aussenisolation in der Kernzone keiner Bewilligungspflicht unterliege, ist zunächst nicht entscheidend. Der Beschwerdeführer beruft sich zwar auf seinen guten Glauben, indessen kann sich auch ein Bauherr, der nicht gutgläubig gehandelt hat, auf den Grundsatz der Verhältnismässigkeit berufen. Er muss aber in Kauf nehmen, dass die Behörden aus grundsätzlichen Erwägungen, namentlich zum Schutz der Rechtsgleichheit und der baulichen Ordnung, dem Interesse an der Wiederherstellung des gesetzmässigen Zustands erhöhtes Gewicht beimessen und die dem Bauherrn allenfalls erwachsenden Nachteile nicht oder nur in verringertem Masse berücksichtigen (BGE 132 II 21 E. 6.4 S. 39 f.; 111 Ib 213 E. 6b S. 224). Diesen Gesichtspunkten ist erst weiter nachzugehen, wenn sich im Rahmen der Verhältnismässigkeitsprüfung ergeben sollte, dass die umstrittenen Wiederherstellungsmassnahmen unter den Gesichtspunkten der Geeignetheit und Erforderlichkeit gerechtfertigt sind.
3.3 Neben den privaten Interessen am Erhalt der Investition für die umstrittene Fassadenisolation von rund Fr. 21'000.-- und an der Reduktion der Heizkosten sind insbesondere das öffentliche Interesse am Ortsbildschutz in einer Kernzone mit inventarisierten und denkmalgeschützten Objekten und die öffentlichen Interessen an der Schonung der Umwelt, der sparsamen und rationellen Energienutzung sowie der Reduktion des CO2-Ausstosses zu beachten. Der Zweck der Wiederherstellungsmassnahmen ergibt sich aus diesen öffentlichen Interessen. Eine Massnahme hat unter dem Gesichtspunkt der Erforderlichkeit zu unterbleiben, wenn eine gleich geeignete, aber mildere Massnahme für den angestrebten Erfolg ausreichen würde. Der Eingriff darf in sachlicher, räumlicher, zeitlicher und personeller Beziehung nicht über das Notwendige hinausgehen (ULRICH HÄFELIN/WALTER HALLER/HELEN KELLER, Schweizerisches Bundesstaatsrecht, 7. Auflage, Zürich 2008, S. 98 Rz. 322).
3.3.1 Das Verwaltungsgericht stützt sich im angefochten Entscheid in erster Linie auf die in § 238 Abs. 2 PBG/ZH zum Ausdruck gebrachte Pflicht zur besonderen Rücksichtnahme auf Objekte des Natur- und Heimatschutzes. In der Nachbarschaft von Schutzobjekten bzw. bei Änderungen an solchen werde daher mehr als eine bloss befriedigende Einordnung verlangt.
Die Objekte des Natur- und Heimatschutzes werden in § 203 Abs. 1 PBG/ZH näher umschrieben. Eine förmliche Unterschutzstellung wird nach der kantonalen Praxis für die Anwendung von § 238 Abs. 2 PBG/ZH nicht vorausgesetzt. Vielmehr genügt es, dass sich die Schutzwürdigkeit aus objektiven Anhaltspunkten ergibt, was insbesondere bei der Aufnahme des Objekts in ein Inventar im Sinne von § 203 Abs. 2 PBG/ZH der Fall ist (vgl. Christoph Fritzsche/Peter Bösch, Zürcher Planungs- und Baurecht, 4. Auflage, Zürich 2006, S. 10-12 ff.).
Das streitbetroffene Gebäude steht in einer Kernzone mit Ortsbildschutz von kommunaler/regionaler Bedeutung in unmittelbarer Nachbarschaft zu einem formell geschützten Speicher und ist inventarisiert. In dieser Umgebung erachtete das Verwaltungsgericht die Begründung des Wiederherstellungsbefehls, wonach die angebrachte Kunststoffverkleidungen bezüglich Wirkung und Detailgestaltung in der Kernzone äusserst fremd wirke und daher gemäss langjähriger Praxis der Baubehörde nicht bewilligt werde, als vertretbar. Auch wenn der Abschluss der Aussenisolation mit Natursteinen besetzt sei, bleibe die Disharmonie zwischen Bautyp und Fassadengestaltung auch aus der Entfernung erkennbar. Störend wirke dabei auch die Imitation einer Holzverschalung an der Giebelfassade. Da die gesamte historische Bausubstanz durch die Aussenisolation abgedeckt werde, ergebe sich gegenüber der ursprünglichen Gestaltung der verputzten Fassade ein nicht mehr nur geringfügig abweichendes Erscheinungsbild. Insbesondere gegenüber dem geschützten Speicher, der sich unmittelbar vor dem Hausteil des Beschwerdeführers befinde, trete die Aussenisolation erheblich störend in Erscheinung.
Dass beim Hausteil Helmweg 8 ebenfalls eine Aussenisolation besteht, lässt nach Auffassung des Verwaltungsgerichts nicht darauf schliessen, dass nur eine geringfügige Abweichung vom gesetzmässigen Zustand vorliege. Bei diesem Gebäude handle es sich um einen im Jahr 1991 rechtskräftig bewilligten Ersatzbau, dessen Detailgestaltung in Absprache mit den Baubehörden erfolgt sei. Dies zeige, dass ein Abweichen vom Grundsatz, dass keine Aussenisolationen in Kernzonen bewilligt würden, möglich sei, jedoch eine gestalterisch mehr als befriedigende Lösung im Sinne von § 238 Abs. 1 und 2 PBG voraussetze, was bei der vom Beschwerdeführer angebrachten Aussenisolation im Rahmen des nachträglichen Baubewilligungsverfahrens aus nachvollziehbaren Gründen verneint worden sei.
Das Verwaltungsgericht anerkannte überdies, dass der Beschwerdeführer mit dem Anbringen der Aussenisolation die Umwelt schonen und den CO2-Ausstoss seines Hauses reduzieren wollte. Das öffentliche Interesse an der Einsparung von Treibhausgasen sei in Zeiten des Klimawandels hoch einzustufen. Da im vorliegenden Fall jedoch ein erhebliches Abweichen vom bewilligungsfähigen Zustand vorliege, vermöge es das Interesse am Ortsbildschutz in einer Kernzone mit inventarisierten und denkmalgeschützten Objekten nicht zu überwiegen. Dies auch deshalb nicht, weil für inventarisierte Gebäude in Kernzonen andere bauliche Energiesparmassnahmen - wenn auch unter erschwerten Umständen - möglich seien.
3.3.2 Der Beschwerdeführer beruft sich auch vor Bundesgericht auf den bereits mit einer Aussenfassade sanierten Hausteil Helmweg 8, womit erwiesen sei, dass eine ortsbildschützerisch befriedigende Aussenisolation möglich sei. Mit dem angeordneten Totalabbruch seiner Aussenisolation sei nicht die vor dem Hintergrund des Verhältnismässigkeitsgrundsatzes einzig zulässige mildeste Massnahme ergriffen worden. Die Vorinstanz habe sich trotz entsprechender Vorbringen im kantonalen Verfahren geweigert, mildere Massnahmen zu prüfen, obwohl sie dazu nach dem Untersuchungsgrundsatz verpflichtet gewesen sei (§ 7 des kantonalen Verwaltungsrechtspflegegesetzes vom 24. Mai 1959 [VRG/ZH]). Schliesslich könne auch das Problem der beim Hausteil des Beschwerdeführers etwas hervorstehenden Fassade optisch befriedigend gelöst werden. Beim Übergang zum angrenzenden Hausteil habe nie eine gerade Gebäudeflucht bestanden. Es könne aber auch ein anderer (z.B. fliessender) Übergang geschaffen werden.
3.4 Der vom Verwaltungsgericht bestätigte Totalabbruch der umstrittenen Aussenisolation stellt grundsätzlich eine geeignete und notwendige Massnahme zur Wiederherstellung des rechtmässigen Zustands dar. Vor dem Hintergrund des Verhältnismässigkeitsprinzips stellt sich jedoch die weitere Frage, ob mit der Anordnung der vollständigen Entfernung der ohne baurechtliche Bewilligung angebrachten Aussenisolation tatsächlich die mildeste Massnahme ergriffen wurde, um das angestrebte Ziel zu erreichen. Zu den öffentlichen Interessen, denen der Wiederherstellungsbefehl zu dienen hat, gehören nicht nur die ortsbildschützerischen Anliegen, sondern auch die Interessen an der Schonung der Umwelt, an einer sparsamen und rationellen Energienutzung sowie an einer Verminderung der CO2-Emissionen bei der energetischen Nutzung fossiler Energieträger (Brenn- und Treibstoffe). Diese Interessen werden insbesondere in den Art. 74 und 89 BV zum Ausdruck gebracht und im ausführenden Bundesrecht konkretisiert (vgl. Art. 1 und 9 des Energiegesetzes vom 26. Juni 1998 [EnG, SR 730.0] und Art. 1 und 3 des Bundesgesetzes über die Reduktion der CO2-Emissionen [CO2-Gesetz]). Nach Art. 9 EnG sind die Kantone insbesondere verpflichtet, im Gebäudebereich günstige Rahmenbedingungen für eine sparsame und rationelle Energienutzung zu schaffen. Auch wenn sich diese Vorschrift primär an den kantonalen Gesetzgeber richtet, sind die damit verfolgten Zielsetzungen ebenfalls im Rahmen der Beurteilung der Verhältnismässigkeit von baurechtlichen Wiederherstellungsanordnungen zu beachten. Massnahmen können im Übrigen nur soweit angeordnet werden, als sie technisch und betrieblich möglich und wirtschaftlich tragbar sind. Überwiegende öffentliche Interessen sind zu wahren (Art. 3 Abs. 4 EnG). Neben der Pflicht zur Wahrung der Verhältnismässigkeit bei Grundrechtsbeschränkungen wäre die Vorinstanz auch aufgrund der zitierten energierechtlichen Bestimmung verpflichtet gewesen, mildere Massnahmen als Alternative zur vollständigen Entfernung der Aussenisolation konkret zu prüfen.
3.5 Am bundesgerichtlichen Augenschein hat sich ergeben, dass die umstrittene Isolation aus einer Dämmschicht aus Steinwolle und einer mit Sand beschichteten Kunststoffverkleidung besteht. Die beschichteten Kunststoffelemente verlaufen in vertikalen Bahnen, die vom Betrachter wahrgenommen werden können. Der Beschwerdeführer schlägt anstatt einer völligen Entfernung der Aussenisolation als mildere Massnahme vor, die beschichtete Kunststoffverkleidung mit einem mineralischen Farbanstrich zu überdecken und auf die Holzimitation im Giebelbereich zu verzichten. Im Giebeldreieck soll anstelle der Holzimitation derselbe Farbanstrich wie bei der übrigen Fassade angebracht werden. Diesen Sanierungsvorschlag hat der Beschwerdeführer am Augenschein unter Beizug eines Architekten anhand eines Musters erläutert. Der Farbanstrich wird vorgeschlagen, weil das Aufbringen eines Verputzes (Rollverputz oder ähnliches) einen Haftanstrich und die Verankerung eines Netzes voraussetze, was insgesamt zu einer Überlastung der Tragfähigkeit des über 100-jährigen Mauerwerks des Hauses führen würde. Weiter präsentierte der Beschwerdeführer zwei Varianten zur optischen Verbesserung der Fenstereinfassungen. Die Kosten für diese Massnahmen bezifferte der Beschwerdeführer auf insgesamt rund Fr. 35'000.--.
Die vom Beschwerdeführer vorgebrachten milderen Massnahmen vermögen nach Auffassung der kommunalen Denkmalpflege den ortsbildschützerischen Anforderungen in der Kernzone nicht zu genügen. Die Fugen der einzelnen Verkleidungsplatten seien auch mit einem mineralischen Farbabstrich noch sichtbar und könnten nicht den Eindruck einer massiven Fassade erzeugen. Auch der beim Übergang zum angrenzenden Hausteil Helmweg 4 ersichtliche Absatz lasse deutlich erkennen, dass dem Gebäude eine zusätzliche Schicht vorgebaut worden sei. Aus der Sicht der Stadt Winterthur lassen sich die Kosten für die vorgeschlagenen milderen Massnahmen nicht mit dem kaum verbesserten optischen Erscheinungsbild vereinbaren, weshalb sie auf dem Rückbau der Fassadendämmung besteht. Die Wärmedämmung von Dachstuhl und Keller sowie die dreifach verglasten Fenster könnten belassen werden. Über die Aussenwände eines Gebäudes gingen nur ca. 25 % der Energie verloren, was beim vorliegenden Objekt noch durch den Anbau an die Liegenschaft Helmweg 4 vermindert werde. Nach den von der Stadt Winterthur skizzierten Vorstellungen würde eine ordnungsgemässe Sanierung des Gebäudes Helmweg 2 das Anbringen einer direkt verputzten Wärmedämmung an der grossflächigen Giebelfassade umfassen. Bei einer wärmetechnischen Verbesserung einzelner Gebäudeabschnitte sei zugunsten der optischen Erscheinung auf eine sichtbare Aussenwärmedämmung zu verzichten. Stattdessen könne ein äusserer, dünner Wärmedämmputz angebracht oder aber die Aussenwand im Innenraum gedämmt werden. Die am Augenschein anwesenden Fachleute haben die von der kommunalen Denkmalpflege bevorzugte Lösung aus technischer Sicht als problematisch bezeichnet, da an den Gebäudeecken beim Übergang unterschiedlicher Dämmsysteme bauphysikalische Mängel auftreten könnten. Innenisolationen würden zudem zahlreiche Detailprobleme stellen und die in den kleinen Hausteilen ohnehin sehr beschränkte Nutzfläche stark vermindern. Die Kosten für die Entfernung der angebrachten Aussenisolation und anschliessende Wärmedämmung nach den Vorstellungen der Stadt Winterthur werden auf rund Fr. 60'000.-- bis 65'000.-- geschätzt.
3.6 Im Rahmen der Beurteilung der Zumutbarkeit der umstrittenen Anordnungen sind sämtliche in den vorstehenden Erwägungen genannte Gesichtspunkte gegeneinander abzuwägen. Aufgrund der am bundesgerichtlichen Augenschein gewonnenen Erkenntnisse ist der Stadt Winterthur und dem Verwaltungsgericht darin zuzustimmen, dass die vom Beschwerdeführer ohne Bewilligung angebrachte Aussenisolation den ortsbildschützerischen Anforderungen nicht genügt. Die von der Vorinstanz bestätigte Pflicht zur vollständigen Entfernung der Aussenisolation und die im kommunalen Wiederherstellungsbefehl enthaltene Anordnung, eine kernzonentypische Renovation vorzunehmen, vermag indessen angesichts der bereits getätigten Investitionen und deren positiven Auswirkungen in Bezug auf den Energieverbrauch und die Luftbelastung auch nicht vollauf zu befriedigen. Hinzu kommt, dass - wie am Augenschein glaubhaft dargelegt wurde - eine Wärmedämmung nach den Vorstellungen der Stadt Winterthur in bauphysikalischer Hinsicht mit Problemen behaftet wäre. Diese Aufwendungen sind für eine bauphysikalisch nicht in jeder Hinsicht befriedigende Sanierung, die zudem noch eine Verminderung der ohnehin schon sehr beschränkten Nutzfläche im relativ kleinen Hausteil bewirken würde, zu hoch.
Der Beschwerdeführer hat mit seinem Sanierungskonzept eine Lösung aufgezeigt, die zwar in ortsbildschützerischer Hinsicht nicht optimal ist, indessen insgesamt zu einer Verbesserung des ohne Bewilligung geschaffenen Zustands führt. Die energie- und umweltrechtlichen Vorteile können erhalten bleiben. Mit bauphysikalischen Problemen ist bei der Umsetzung dieses Sanierungskonzepts nach der Einschätzung der Baufachleute nicht zu rechnen. Die voraussichtlich erheblichen zusätzlichen Kosten von rund Fr. 35'000.-- für diese Sanierung sind gemessen an den bereits entstandenen Aufwendungen für die ohne Bewilligung angebrachte Aussenisolation in Anbetracht des eigenmächtigen Vorgehens des Beschwerdeführers und der verbesserten Gesamtwirkung in der Kernzone nach der Sanierung mit dem Verhältnismässigkeitsprinzip vereinbar. Daraus folgt, dass der Beschwerdeführer zu verpflichten ist, anstelle des vollständigen Abbruchs der angebrachten Aussenisolation eine Sanierung nach dem im bundesgerichtlichen Verfahren vorgelegten Konzept vorzunehmen.
Für den Beschwerdeführer wäre es vorteilhaft gewesen, vor der Ausführung der Isolationsarbeiten um eine baurechtliche Bewilligung nachzusuchen. Er hätte erhebliche Kosten (inkl. Prozesskosten) vermeiden können, wenn er vor der eigenmächtigen Isolation mit den zuständigen kommunalen Behörden in Kontakt getreten wäre und ihr Fachwissen in sein Sanierungsprojekt einbezogen hätte. Aufgrund der Äusserungen verschiedener Fachleute im bundesgerichtlichen Verfahren ergibt sich, dass die zeitgemässe Isolation der hier betroffenen Häuserzeile zahlreiche Fragen aufwirft, die in einem baurechtlichen Bewilligungsverfahren zu lösen sind, in welches unter Umständen auch angrenzende Hausteile miteinbezogen werden müssen. Solche Verfahren stellen hohe Anforderungen sowohl an die Bauherrschaft als auch an die zuständigen Behörden. Die kommunalen Fachbehörden haben am Augenschein ihre Bereitschaft erklärt, die Bauherrschaft bei der Lösung der Zielkonflikte zu unterstützen und zu beraten. Eine solche zweckmässige Beratungstätigkeit hat sowohl sämtliche massgebenden öffentlichen Interessen als auch die konkreten Anliegen und Bedürfnisse der Grundeigentümer zu berücksichtigen (vgl. BGE 120 Ia 270 E. 6c S. 284 mit Hinweis). Zu respektieren sind dabei auch die Verfahrensrechte von Einspracheberechtigten und anderen möglichen Verfahrensbeteiligten sowie die Pflicht der Behörden zur Wahrung ihrer Unabhängigkeit.
4. Zusammenfassend ergibt sich, dass die Beschwerde teilweise gutzuheissen und der angefochtene Entscheid aufzuheben ist. Die Sache wird zu neuer Beurteilung an die kommunale Baubehörde zurückgewiesen. Diese wird unter Berücksichtigung des vom Beschwerdeführer eingereichten Sanierungskonzepts die Einzelheiten der Sanierung der Fassade des Hauses Helmweg 2 festlegen.
Dem Ausgang des bundesgerichtlichen Verfahrens entsprechend sind dem Beschwerdeführer keine Gerichtskosten aufzuerlegen (Art. 66 Abs. 1 und 4 BGG). Angesichts der Umstände der Angelegenheit erscheint es gerechtfertigt, dem Beschwerdeführer keine Parteientschädigung zuzusprechen (Art. 68 Abs. 1 BGG). Dabei wird berücksichtigt, dass der Beschwerdeführer erst im Hinblick auf den bundesgerichtlichen Augenschein ein Sanierungskonzept vorlegte, das den Anforderungen des Verhältnismässigkeitsprinzips genügt.
Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird teilweise gutgeheissen und der angefochtene Entscheid aufgehoben. Die Sache wird zu neuer Beurteilung an den Bauausschuss der Stadt Winterthur zurückgewiesen.
2. Es werden keine Gerichtskosten erhoben.
3. Es wird keine Parteientschädigung zugesprochen.
4. Dieses Urteil wird dem Beschwerdeführer, dem Bauausschuss der Stadt Winterthur und dem Verwaltungsgericht des Kantons Zürich, 1. Abteilung, 1. Kammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 6. Februar 2009
Im Namen der I. öffentlich-rechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Der Gerichtsschreiber:
Féraud Haag