Elektrotechnik für Architekten, Bauingenieure und Gebäudetechniker

Transkript

1 Elektrotechnik für Architekten, Bauingenieure und Gebäudetechniker

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

3 Ismail Kasikci Weinheim, Deutschland ISBN DOI / 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 2013 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 Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Lektorat: Karina Danulat Annette Prenzer Korrektorat: Dr. Martin Feuchte Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Vieweg ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media.

4 Vorwort 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 detechnische Anlagenplanung erkennbar. Am besten gelingt des 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. Allen meinen Fachkollegen und Bekannten, die mich durch ihre Anregungen, Kritiken und Vorschläge unterstützt haben, möchte ich herzlich danken. Herrn Prof. Dipl.-Ing. Wolfram Pistohl, Herrn Prof. Dipl.-Ing. Franz Josef Krichenbauer, Herrn Karl-Heinz Kny und Herrn Volker Präuninger möchte ich meinen Dank für die kritische Durchsicht des Manuskriptes aussprechen. 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 Mai 2013 Ismail Kasikci

6 Inhaltsverzeichnis Formelzeichen Abkürzungen Indizes XXI XXV XXVII 1 Einleitung 1 2 Einführung in die Elektrotechnik 5 3 Physikalische Größen und Einheiten Physikalische Größen Physikalische Gleichungen Maß- und Einheitensysteme 13 4 Physikalische Grundbegriffe Aufbau der Materie, Ladungen Leiter, Halbleiter und Nichtleiter Elektrischer Strom Wirkungen des elektrischen Stromes Beispiele: Stromstärke

7 VIII Beispiel: Berechnung der Stromstärke Beispiel: Berechnung der Ladung 4.6 Stromdichte Beispiele: Stromdichte Beispiel: Glühlampe Beispiel: Fundamenterder 4.8 Elektrische Spannung Beispiele: Elektrische Spannung Beispiel: Arbeit Beispiel: Spannung Elektrischer Widerstand Beispiele: Elektrischer Widerstand Beispiel: Stromkreiswiderstand Beispiel: Leitwert Beispiel: Widerstand eines Leiters 4.12 Strom- und Spannungzählpfeile Erzeuger- und Verbraucherzählpfeile 4.14 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 4.18 Analogiebetrachtungen... Inhaltsverzeichnis

8 Inhaltsverzeichnis 5 Grundgesetze der Elektrotechnik 5.1 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 6 Berechnung von Gleichstromkreisen 6.1 Reihenschaltung von Widerständen Beispiel: Reihenschaltung der Leitungen Beispiel: Reihenschaltung Beispiel: Berechnung der Quellenspannung. 6.2 Parallelschaltung von Widerständen Beispiel: Parallelschaltung aus der Praxis Beispiel: Parallelschaltung. 6.3 Stern-Dreieck-Umwandlung Wheatstonesche Brückenschaltung 6.5 Thevenin-Theorem (Lineare Spannungsquelle ). 6.6 Norton Theorem (Lineare Stromquelle) Überlagerungssatz (Superpositionstheorem) 7 Elektrische Quellen 7.1 Ideale Spannungsquelle. 7.2 Reale Spannungsquellen 7.3 Ideale Stromquellen 7.4 Reale Stromquellen. 7.5 Zweipoltheorie Leistungsbilanz im Grundstromkreis IX

9 x 8 Messungen der elektrotechnischen Größen 8.1 Messen der Stromstärke Messung der Spannung und des Spannungsfalls 8.3 Spannungsquelle und Innenwiderstand 8.4 Leistungsmessung bei Drehstrom Inhaltsverzeichnis Elektrische Felder 9.1 Das elektrische Strömungfeld 9.2 Das elektrostatische Feld Elektrische Spannung und Potential Elektrische Verschiebungsdichte D Verschiehungsstrom Kondensator und Kapazität R.eihen- und Parallelschaltung von Kondensatoren Parallelschaltung von Kondensatoren Energie des elektrischen Feldes Ladung und Entladung eines Kondensators Anwendung von Kondensatoren Beispiel: R.eihen- und Parallelschaltungen 9.4 Beispiel: Gemischte Schaltung. 10 Elektromagnetische Felder 10.1 Stationäres magnetisches Feld Kraftwirkungen im elektromagnetischen Feld 10.3 Beispiel: Kräfte im magnetischen Feld 10.4 Bestimmung der Stromrichtung 10.5 Magnetische Feldgrößen Magnetische Feldstärke H Magnetische Flussdichte B

10 Inhaltsverzeichnis Magnetischer Fluss.p Durchflutungsgesetz Magnetischer Kreis Magnetische Eigenschaften der Materie Wirkung des Ferromagnetismus Wirkung des paramagnetischen Stoffes Wirkung des Diamagnetismus. 11 Veränderliche magnetische Felder 11.1 Das Induktionsgesetz Rotatorische Induktion Transformatorische Induktion Lenzsche Regel Induktivität und Selbstinduktion 11.3 Gegeninduktivität und Gegeninduktion 11.4 Zusammenschaltung von Induktivitäten Reihenschaltung Parallelschaltung 11.5 Beispiele: Magnetische Felder 11.6 Wirbelstrom und Skineffekt Wirbelstrom Skineffekt Auf- und Entladevorgänge bei Induktivität 11.8 Magnetische Energie Anwendung von Spulen 12 Grundbegriffe der Wechselstromtechnik 12.1 Kenngrößen von Wechselstrom Einführung in das Rechnen mit komplexen Zahlen XI

11 XII Inhaltsverzeichnis Begriffe und Rechenregeln Rechenregeln für komplexe Zahlen 12.3 Komplexe Größen der Wechselstromtechnik 12.4 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 Elektroteclurik Elektronlk 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 Elektrische Anlagen in Wohngebäuden (DIN ) 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 Starkstromanlagen

13 XIV Inhaltsverzeichnis 16.4 Empfangs- und Verteilanlage für Ton- und Fernsehrundfunk Kommunikationsanlagen Installationsbus (KNXjEIB) 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 17.8 Schutzklassen 17.9 Schutzart OFehlerberechnung

14 Inhaltsverzeichnis Berechnung eines TN-Systems Berechnung eines TT-Systems. xv Niederspannungs-Schutzeinrichtungen 18.1 Leitungsschutzschalter (MCB) Planungsgrundlagen von Schutzgeräten Schmelzsicherungen RCD (Fehlerstromschutzschalter) 18.5 Auswahl und Installation von RCDs 18.6 Anwendung der RCD in Wohngebäuden 18.7 Hauptleitungs-Schutzschalter 18.8 Leistungsschalter (MCCB) Auslöser /Schutzfunktion des Leistungsschalters Übertragungsmittel 19.1 Freileitungen Kabel und Leitungen Kurzschlussbelastbarkeit von Kabeln Kenngrößen elektrischer Leitungen 20.1 Wirkwiderstand Induktivität 20.3 Kapazität Grundregeln der Kabeldimensionierung 21.1 Schutz von Kabeln und Leitungen 21.2 Allgemeine Anforderungen Überstromanwendungen Technische Anschlussbedingungen

15 XVI Inhaltsverzeichnis 21.5 Anordnung der Schutzeinrichtungen Strombelastbarkeit von Kabeln und Leitungen 21.7 DIN VDE Beiblatt Kabeldimensionierung Funktionserhalt von Kabeln und Leitungen im Brandfall Grundlegende Anforderungen Funktionserhalt der Leitungen Dauer des Funktionserhaltes 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 Beispiel: Erdung des Transformatorgebäudes Beispiel: Erdung eines Gebäudes

16 Inhaltsverzeichnis 24 Blitzschutzanlagen 24.1 Begriffe und Definitionen 24.2 Planung von Blitzschutzanlagen Blitzschutzklassen Erdungsanlage Werkstoff, Form und Mindestmaße von Erdern 24.4 Trennungsabstand XVII EMV (Elektromagnetische Verträglichkeit) Blitzschutzzonen-Konzept Planungsangaben zu Überspannungsableitern Anforderungsklassen für Überspannungsschutzeinrichtungen Prüfungsmaßnahmen Montagebeispiel Dokumentation Tages- und Kunstlicht 25.1 Begriffe und Definitionen 25.2 Beleuchtungskonzepte Lichttechnische Gütemerkmale 25.4 Wartungswert der Beleuchtungsstärke 25.5 Beleuchtungsstärken Begrenzung der Direktblendung Beleuchtungsarten Allgemeinbeleuchtung Arbeitsplatzorientierte Allgemeinbeleuchtung Einzelplatzbeleuchtung Lichttechnische Anforderungen 25.9 Auswahl und Errichtung der Betriebsmittel

17 XVIII Inhaltsverzeichnis Beleuchtungsplanung Berechnung mit der Lichtstärkemethode Lichtstrommethode (Wirkungsgradverfahren) Wirkungsgrade Richtwerte für die Beleuchtungsplanung Leuchten Tageslichtplanung 26 Schaltanlagen 26.1 Transformatoren Hauptbauformen Belüftung von Tranformatoren 26.2 Schaltanlagenräume Druckentwicklung in Schaltanlagenräumen Anordnung von Schaltfeldern 26.3 Niederspannungsanlagen Verteileraufbau von NS-Schaltanlagen Checkliste für NS-Schaltanlagen 27 Planung eines Wohngebäudes 27.1 Einleitung Wohnsituation 27.3 Einspeisung Übersicht des Verteilungssystems 27.5 Hausanschluss Zählerplätze und Räume Unterverteiler Stromkreisverteilung 27.9 Festlegung des Ausstattungswertes

18 Inhaltsverzeichnis 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 Stichwortverzeichnis XIX

19 Formelzeichen A a B B b C c d d D E e e F f G H He h I i j J r;, L I m M Fläche, Querschnitt Beschleunigung, Abstand magnetische Flussdichte Blindleitwert Breite Kapazität oder Konstante Lichtgeschwindigkeit im Vakuum Durchmesser oder Abstand der Leiter Abstand der Ladung Ql 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 Fonnelzeichen N Windungszahl n Drehzahl p Wirkleistung Q Blindleistung, elektrische Ladung R elektrischer Widerstand r Radius S Scheinleistung S Querschnitt s Streufaktor T Periodendauer t Zeit U elektrische Spannung u Augenblickswert der Spannung V Volumen v Geschwindigkeit W Energie, Arbeit W m magnetische Feldenergie X Blindwiderstand, Reaktanz y Scheinleitwert y komplexer Leitwert (Admittanz) Z Scheinwiderstand, Impedanz Z komplexer Widerstand (Impedanz) oe Winkel E Permittivität EO elektrische Feldkonstante Er Permittivitätszahl Wirkungsgrad '" e Durchflutung f} Temperatur.A Leistungsfaktor A magnetischer Leitwert /1- Permeabilität /1-0 magnetische Feldkonstante /1-r Permeabilitätszahl p Dichte p spezifischer Widerstand u Streuung T Zeitkonstante q; magnetischer Fluss 'P Potential, Phasenwinkel i[t elektrischer Fluss w Winkelgeschwindigkeit

21 Formelzeichen XXIII w Kreisfrequenz I< spezifischer Leitwert, Stoßfaktor Pm Dichte des Leitungsmaterials cos cp Verschiebungsfaktor, Wirkfaktor sin cp Blindfaktor

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

23 XXVI Abkürzungen MSR Na NB NS NTC PTC P RCD Si Sb SI SA SK SPA SS UGR USV ÜSE UW TN TT V VdS Mess,- Steuer- und Regelungsteclurik 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 N eutralleiter M Motor MV Mittelspannung (Medium Voltage) N Neutralpunkt des Drehstromnetzes p Proton Q Anschlusspunkt der Netzeinspeisung str Strang T Transformator Gleichstrom ~ Wechselstrom t. Dreieckschaltung y Sternschaltung