Elektrotechnik für Architekten, Bauingenieure und Gebäudetechniker

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1 Elektrotechnik für Architekten, Bauingenieure und Gebäudetechniker

2 Ismail Kasikci Elektrotechnik für Architekten, Bauingenieure und Gebäudetechniker Grundlagen und Anwendung in der Gebäudeplanung 2., aktualisierte Auflage

3 Ismail Kasikci Weinheim, Deutschland ISBN ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Vieweg Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2013, 2018 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichenund Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag, noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Der Verlag bleibt im Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutionsadressen neutral. Lektorat: Karina Danulat Springer Vieweg ist ein Imprint der eingetragenen Gesellschaft Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH und ist ein Teil von Springer Nature Die Anschrift der Gesellschaft ist: Abraham-Lincoln-Str. 46, Wiesbaden, Germany

4 Vorwort zur zweiten Auflage In vielen Studiengängen ist heute ein elektrotechnisches Grundwissen unbedingt erforderlich. Dieses Lehrbuch vermittelt die Grundlagen der Elektrotechnik für Studierende nichtelektrotechnischer Fachgebiete wie Architektur, Bauingenieurwesen, Gebäudetechnik, Informationstechnik oder auch Maschinenbau und Wirtschaftsingenieurwesen. Es ist sowohl für das Studium als auch für die anschließende Berufspraxis konzipiert und erleichtert den Einstieg in das Fachgebiet Elektrotechnik und in die elektrotechnischen Anwendungsgebiete. Als begleitendes Handbuch unterstützt dieses Buch auch die Berufstätigkeit und macht elektrotechnische Zusammenhänge verständlich. Die Elektrotechnik spielt bei vielen Fragen der Gebäudetechnik eine wichtige Rolle wie beispielsweise bei der Gebäudeautomation und bei regenerativen Energiesysteme, deren Planung teilweise direkt mit der Gebäudeplanung verbunden ist. Das vorliegende Lehrbuch soll das Vor- und Nacharbeiten der vorgestellten Themenschwerpunkte und Lehrinhalte erleichtern sowie ergänzende Hintergrundinformationen liefern. Auch wenn elektrotechnische Berechnungen im Rahmen der Gebäudeplanung in der Regel von Fachingenieuren oder im Falle kleinerer Bauvorhaben von Fachfirmen ausgeführt werden, sind doch die Lehrinhalte dieses Buches als Wissen für Studierende von Fächern wie Gebäudetechnik und Klimatechnik unverzichtbar und auch für Architekten und Bauingenieure zum Nachschlagen geeignet, wenn es auf ein Verständnis der Grundlagen der Elektrotechnik ankommt. Dieses Lehrbuch behandelt schrittweise und verständlich zunächst die Grundlagen der Elektrotechnik und stellt sie in den Zusammenhang zur Technischen Gebäudeausrüstung und zur Energieumwandlung, Energieübertragung und Energieverteilung. Dabei wird die Bedeutung der Elektrotechnik für die gesamte gebäu-

5 VI Vorwort zur zweiten Auflage detechnische Anlagenplanung erkennbar. Am besten gelingt das Verstehen der elektrotechnischen Grundlagen und Zusammenhänge, wenn Sie das Buch durcharbeiten und die Beispielaufgaben durchrechnen. Um den Stoff zu verstehen, müssen Sie üben, denn Übung macht den Meister. Praxisnahe Beispiele in jedem Kapitel des Buches helfen, die Zusammenhänge zu erfassen. Im umfangreichen Literaturverzeichnis am Ende des Buches finden sich Empfehlungen für weiterführende Fachliteratur. Die zweite Auflage wurde überarbeitet, didaktisch verbessert, und neue Themen, wie beispielsweise die Elektromobilität und LED-Technik aufgenommen. Allen meinen Fachkollegen und Bekannten, die mich durch ihre Anregungen, Kritiken und Vorschläge unterstützt haben, möchte ich herzlich danken. Besonders danke ich den Firmen ABB STOTZ, Siemens, Dehn + Söhne, Trilux und Hager für die Überlassung der technischen Unterlagen. Dank gebührt auch dem Springer Vieweg Verlag und insbesondere Frau Karina Danulat für die Unterstützung bei der Veröffentlichung des Buches. Beim Verfassen eines Buches lassen sich an der einen oder anderen Stelle Schreibfehler nicht vermeiden, wofür ich Sie um Nachsicht bitte. Bei Fragen, Wünschen und Anregungen wenden Sie sich bitte gern an mich. Weinheim, im August 2018 Ismail Kasikci

6 Inhaltsverzeichnis Formelzeichen XXI Abkürzungen XXV Indizes XXVII 1 Einleitung 1 2 Einführung in die Elektrotechnik 5 3 Physikalische Größen und Einheiten Physikalische Größen Physikalische Gleichungen Maß- und Einheitensysteme Physikalische Grundbegriffe Aufbau der Materie, Ladungen Leiter, Halbleiter und Nichtleiter Elektrischer Strom Wirkungen des elektrischen Stromes Beispiele: Stromstärke

7 VIII Inhaltsverzeichnis Beispiel: Berechnung der Stromstärke Beispiel: Berechnung der Ladung Stromdichte Beispiele: Stromdichte Beispiel: Glühlampe Beispiel: Fundamenterder Elektrische Spannung Beispiele: Elektrische Spannung Beispiel: Arbeit Beispiel: Spannung Elektrischer Widerstand Beispiele: Elektrischer Widerstand Beispiel: Stromkreiswiderstand Beispiel: Leitwert Beispiel: Widerstand eines Leiters Strom- und Spannungzählpfeile Erzeuger- und Verbraucherzählpfeile Elektrische Leistung, Arbeit und Energie Wirkungsgrad Beispiele: Elektrische Leistung Beispiel: Pumpe Beispiel: Hebebühne Beispiel: Lampen parallel Beispiel: Lampen in Reihe geschaltet Beispiele: Strom, Spannung und Widerstand Beispiel: Widerstandswerte Beispiel: Glühlampe Analogiebetrachtungen

8 Inhaltsverzeichnis IX 5 Grundgesetze der Elektrotechnik Das Ohmsche Gesetz Die Kirchhoffschen Gesetze Erster Kirchhoffscher Satz (Knotenregel) Beispiel zum 1. Kirchhoff schen Satz Zweiter Kirchhoffscher Satz (Maschenregel) Beispiel zum 2. Kirchhoff schen Satz Berechnung von Gleichstromkreisen Reihenschaltung von Widerständen Beispiel: Reihenschaltung der Leitungen Beispiel: Reihenschaltung Beispiel: Berechnung der Quellenspannung Parallelschaltung von Widerständen Beispiel: Parallelschaltung aus der Praxis Beispiel: Parallelschaltung Stern-Dreieck-Umwandlung Wheatstonesche Brückenschaltung Thevenin-Theorem (Lineare Spannungsquelle) Norton Theorem (Lineare Stromquelle) Überlagerungssatz (Superpositionstheorem) Elektrische Quellen Ideale Spannungsquelle Reale Spannungsquellen Ideale Stromquellen Reale Stromquellen Zweipoltheorie Leistungsbilanz im Grundstromkreis

9 X Inhaltsverzeichnis 8 Messungen der elektrotechnischen Größen Messen der Stromstärke Messung der Spannung und des Spannungsfalls Spannungsquelle und Innenwiderstand Leistungsmessung bei Drehstrom Elektrische Felder Das elektrische Strömungfeld Das elektrostatische Feld Elektrische Spannung und Potential Elektrische Verschiebungsdichte D Verschiebungsstrom Kondensator und Kapazität Reihen- und Parallelschaltung von Kondensatoren Parallelschaltung von Kondensatoren Energie des elektrischen Feldes Ladung und Entladung eines Kondensators Anwendung von Kondensatoren Beispiel: Reihen- und Parallelschaltungen Beispiel: Gemischte Schaltung Elektromagnetische Felder Stationäres magnetisches Feld Kraftwirkungen im elektromagnetischen Feld Beispiel: Kräfte im magnetischen Feld Bestimmung der Stromrichtung Magnetische Feldgrößen Magnetische Feldstärke H Magnetische Flussdichte B

10 Inhaltsverzeichnis XI Magnetischer Fluss Φ Durchflutungsgesetz Magnetischer Kreis Magnetische Eigenschaften der Materie Wirkung des Ferromagnetismus Wirkung des paramagnetischen Stoffes Wirkung des Diamagnetismus Veränderliche magnetische Felder Das Induktionsgesetz Rotatorische Induktion Transformatorische Induktion Lenzsche Regel Induktivität und Selbstinduktion Gegeninduktivität und Gegeninduktion Zusammenschaltung von Induktivitäten Reihenschaltung Parallelschaltung Beispiele: Magnetische Felder Wirbelstrom und Skineffekt Wirbelstrom Skineffekt Auf- und Entladevorgänge bei Induktivität Magnetische Energie Anwendung von Spulen Grundbegriffe der Wechselstromtechnik Kenngrößen von Wechselstrom Einführung in das Rechnen mit komplexen Zahlen

11 XII Inhaltsverzeichnis Begriffe und Rechenregeln Rechenregeln für komplexe Zahlen Komplexe Größen der Wechselstromtechnik Einfache Sinusstromkreise Wechselspannung und -strom am Ohmschen Widerstand Wechselspannung und -strom an einer Induktivität Wechselspannung und -strom am Kondensator Berechnung von Sinusstromnetzwerken Reihenschaltung Parallelschaltung Leistungen im Wechselstromkreis Blindstromkompensation Leistungsfaktor Beispiel: Leistungen Drehstromtechnik Arten der Drehstromsysteme, Bezeichnungen Schaltungen der Drehstromsysteme Schaltungen des Verbrauchers Unsymmetrische Drehstromsysteme Verkettungsfaktor Leistungen in der Drehstromtechnik Beispiel: Verbraucherströme Normen und Vorschriften Begriffe, Definitionen und Normen Übersicht und Bedeutung über die Normen und Vorschriften DIN Deutsches Institut für Normung e.v

12 Inhaltsverzeichnis XIII DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik und Informationstechnik im DIN und VDE DKE-Normungsarbeit Arbeitsgruppen (Working Groups) VDE Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.v DIN-VDE-Normen Institutionen, Verordnungen, Gesetze, Normen und technische Vorschriften Planung von Elektroanlagen Art der Einspeisung Leistungsbedarfsberechnung Grundlagen der Elektromobilität Elektrische Anlagen in Wohngebäuden Begriffe Elektrische Anlagen in Wohngebäuden DIN Teil 1 - Planungsgrundlagen Elektrische Anlagen in Wohngebäuden DIN Teil 2: Art und Umfang der Mindestausstattung Elektrische Anlagen in Wohngebäuden DIN Teil 3: Leitungsführung und Anordnung der Betriebsmittel Elektrotechnische Anforderungen Installationstechnik Gesetzliche, behördliche und privatrechtliche Regelungen und Normen Betriebsmittelvorschriften Beleuchtung Elektrische Installationen Arbeitsplatzinstallationen

13 XIV Inhaltsverzeichnis 16.3 Starkstromanlagen Empfangs- und Verteilanlage für Ton- und Fernsehrundfunk Kommunikationsanlagen Installationsbus (KNX/EIB) Installationsplan Übersichtsschaltplan DIN Normen Haus-Anschlusseinrichtungen nach DIN Zählerplätze für Elektrizitätszähler Schutzpotentialausgleich Erdungsanlagen nach DIN VDE Auswahl und Errichtung von Erdungsanlagen Erdungsarten Fundamenterder nach DIN Leitfaden für die Gebäudeplanung Schutzkonzepte Begriffe und Benennungen Physikalische Einwirkungen Physiologische Einwirkungen Wirkungen des elektrischen Stromes Schutzkonzept Art der Erdverbindung, Schutz durch automatische Abschaltung TN-Systeme TT-Systeme Abschaltzeiten Schutzklassen Schutzart

14 Inhaltsverzeichnis XV Fehlerberechnung Berechnung eines TN-Systems Berechnung eines TT-Systems Niederspannungsschutzeinrichtungen Leitungsschutzschalter (MCB) Planungsgrundlagen von Schutzgeräten Schmelzsicherungen RCD (Fehlerstromschutzschalter) Auswahl und Installation von RCDs Anwendung der RCD in Wohngebäuden Hauptleitungs-Schutzschalter Fehlerlichtbogen-Schutzeinrichtung (AFDD) Leistungsschalter (MCCB) Auslöser/Schutzfunktion des Leistungsschalters Übertragungsmittel Freileitungen Kabel und Leitungen Kurzschlussbelastbarkeit von Kabeln Kenngrößen elektrischer Leitungen Wirkwiderstand Induktivität Kapazität Grundregeln der Kabeldimensionierung Schutz von Kabeln und Leitungen Allgemeine Anforderungen

15 XVI Inhaltsverzeichnis 21.3 Überstromanwendungen Technische Anschlussbedingungen Anordnung der Schutz-Einrichtungen Strombelastbarkeit von Kabeln und Leitungen DIN VDE Beiblatt Kabeldimensionierung Funktionserhalt von Kabeln und Leitungen im Brandfall Grundlegende Anforderungen Funktionserhalt der Leitungen Dauer des Funktionserhaltes Kabelschottung Kabeltragsysteme Befestigungssysteme Montagesysteme Kabelrinnensysteme Überbelegung einer Kabeltrasse Brandschutz Akustik Spannungsfall in elektrischen Anlagen Spannungsfall im Gleichstromnetz Spannungsfall im Wechselstromnetz Spannungsfall im Drehstromnetz Erdungsanlagen Begriffe Erdungsarten Bedeutung des Schutzpotentialausgleichs Beispiele für Erdung

16 Inhaltsverzeichnis XVII Beispiel: Erdung des Transformatorgebäudes Beispiel: Erdung eines Gebäudes Blitzschutzanlagen Begriffe und Definitionen Planung von Blitzschutzanlagen Blitzschutzklassen Erdungsanlage Werkstoff, Form und Mindestmaße von Erdern Trennungsabstand EMV-Blitzschutzzonen-Konzept Planungsangaben zu Überspannungsableitern Anforderungsklassen für Überspannungsschutzeinrichtungen Prüfungsmaßnahmen Montagebeispiel Dokumentation Tages- und Kunstlicht Begriffe und Definitionen Beleuchtungskonzepte Lichttechnische Gütemerkmale Wartungswert der Beleuchtungsstärke Beleuchtungsstärken Begrenzung der Direktblendung Beleuchtungsarten Allgemeinbeleuchtung Arbeitsplatzorientierte Allgemeinbeleuchtung Einzelplatzbeleuchtung

17 XVIII Inhaltsverzeichnis 25.8 Lichttechnische Anforderungen Auswahl und Errichtung der Betriebsmittel Beleuchtungsplanung Berechnung mit der Lichtstärkemethode Lichtstrommethode (Wirkungsgradverfahren) Wirkungsgrade Richtwerte für die Beleuchtungsplanung Leuchten Tageslichtplanung Einführung in die LED Beleuchtung Schaltanlagen Transformatoren Hauptbauformen Belüftung von Tranformatoren Schaltanlagenräume Druckentwicklung in Schaltanlagenräumen Anordnung von Schaltfeldern Niederspannungsanlagen Verteileraufbau von NS-Schaltanlagen Checkliste für NS-Schaltanlagen Planung eines Wohngebäudes Einleitung Wohnsituation Einspeisung Übersicht des Verteilungssystems Hausanschluss Zählerplätze und Räume

18 Inhaltsverzeichnis XIX 27.7 Unterverteiler Stromkreisverteilung Festlegung des Ausstattungswertes Kommunikationstechnik Brandschutz und Sicherheitstechnik Anschlusswerte und Verbraucher-Tabelle Festlegung der Bemessungswerte von Leitungen Erdungsanlagen Blitzschutz Auslegung der Unterverteiler Zusätzlicher Schutz durch RCDs Vergleich der Berechnungen mit Simaris Ermittlung des Leistungsbedarfs Auslegung der Endstromkreise Dimensionierung der Anlage Berechnung des Spannungsfalls Berechnung der Abschaltbedingungen Selektivität Literaturverzeichnis 383 Stichwortverzeichnis 391

19 Formelzeichen A a B B b C c d d D E e e F f G H H c h I i j J κ L l m M Fläche, Querschnitt Beschleunigung, Abstand magnetische Flussdichte Blindleitwert Breite Kapazität oder Konstante Lichtgeschwindigkeit im Vakuum Durchmesser oder Abstand der Leiter Abstand der Ladung Q1 zu Q2 elektrische Flussdichte elektrische Feldstärke Elementarladung Basis des natürlichen Logarithmus Kraft Frequenz Wirkleitwert, Leitwert magnetische Feldstärke Koerzitivfeldstärke Höhe elektrische Stromstärke Augenblickswert des Stromes imaginäre Einheit Stromdichte spezifischer Leitwert Induktivität Länge Masse Drehmoment

20 XXII Formelzeichen N n P Q R r S S s T t U u V v W W m X Y Y Z Z α ɛ ɛ 0 ɛ r Windungszahl Drehzahl Wirkleistung Blindleistung, elektrische Ladung elektrischer Widerstand Radius Scheinleistung Querschnitt Streufaktor Periodendauer Zeit elektrische Spannung Augenblickswert der Spannung Volumen Geschwindigkeit Energie, Arbeit magnetische Feldenergie Blindwiderstand, Reaktanz Scheinleitwert komplexer Leitwert (Admittanz) Scheinwiderstand, Impedanz komplexer Widerstand (Impedanz) Winkel Permittivität elektrische Feldkonstante Permittivitätszahl Wirkungsgrad Durchflutung Temperatur Leistungsfaktor magnetischer Leitwert η Θ ϑ λ Λ µ Permeabilität µ 0 magnetische Feldkonstante µ r Permeabilitätszahl ρ ρ σ τ Φ ϕ Ψ ω Dichte spezifischer Widerstand Streuung Zeitkonstante magnetischer Fluss Potential, Phasenwinkel elektrischer Fluss Winkelgeschwindigkeit

21 Formelzeichen XXIII ω κ ρ m cos ϕ sin ϕ Kreisfrequenz spezifischer Leitwert, Stoßfaktor Dichte des Leitungsmaterials Verschiebungsfaktor, Wirkfaktor Blindfaktor

22 Abkürzungen Al Aluminium As Arsen ASR Arbeitsstättenrichtlinien B Bor BGV Berufsgenossenschaftliche Vorschriften BKZ Baukostenzuschuss CEE Commission on the Rules for the Approval of the Electrical Equipment (Steckersystem) Cl Clor CGP M Generalkonferenz für Maß und Gewicht DIN Deutsches Institut für Normung DS Dauerschaltung EM V Elektromagnetische Verträglichkeit ET SI European Telecommunications Standards Institute Ga Gallium G Generator HAK Hausanschlusskasten HEK Haupterdungsklemme HOAI Honorarordnung für Architekten und Ingenieure In Indium K, L, M, N Schale des Atommodels KN X Feldbus für die Gebäudeautomation LS Leistungsschalter LT S Lasttrennschalter LED Leuchtdioden LW L Lichtwellenleiter M CB Leitungsschutzschalter M LAR Muster Leitungsanlagen Richtlinie

23 XXVI Abkürzungen M SR Na N B N S NT C P T C P RCD Si Sb SI SA SK SP A SS U GR U SV Ü SE U W T N T T V V ds Mess,- Steuer- und Regelungstechnik Natrium Netzbetreiber Niederspannung Heißleiter Kaltleiter Phosphor Fehlerstrom-Schutzeinrichtung Silizium Antimon internationales Einheitensystem Schutzart Schutzklasse Schutzpotentialausgleich Sammelschiene Unified Glare Rating-Verfahren (Blendwert) Ununterbrochene Stromversorgung Überstromschutz-Einrichtung Umspannwerk Art der Erdung Art der Erdung Verbraucher Verband deutscher Sachversicherer

24 Indizes ac Wechselstrom (Alternating Current) dc Gleichstrom (Direct Current) e Elektron f fiktiv n Nennwert r Bemessungswert G Generator, Wirkleitwert, Gesamt HV Hochspannung (High Voltage) LV Niederspannung (Low Voltage) L Leitung K Kabel, Kurzschluss L1, L2, L3 Leiter des Drehstromnetzes N Neutralleiter M Motor MV Mittelspannung (Medium Voltage) N Neutralpunkt des Drehstromnetzes p Proton Q Anschlusspunkt der Netzeinspeisung str Strang T Transformator Gleichstrom Wechselstrom Dreieckschaltung Y Sternschaltung