TIP - Siemens Global Websitew3.siemens.com/powerdistribution/global/DE/consultant-support/... · 7....

Tota

lly

Inte

gra

ted

Po

we

r P

lan

un

g d

er e

lek

tris

chen

En

erg

ieve

rtei

lun

g

Tec

hn

isch

e G

run

dla

gen

siemens.de/tip-cs

Totally Integrated Power

Planung der elektrischen EnergieverteilungTechnische Grundlagen

TIP

http://www.siemens.de/tip-cs

Navigationsleiste

Auf jeder Seite finden Sie eine Navigationsleiste.

Klicken Sie auf die Kapitelbezeichnung/ -nummer in der Navigationsleiste, um auf die Startseite des jeweiligen Kapitels zu wechseln.

Klicken Sie ganz oben auf Inhalt, um zum Inhaltsverzeichnis zu gelangen.

1

2

Inhalt

Ein- leitung

Tipps zur Navigation

Fr Navigation Bildschirm berhren

Horizontal wischen, um zwischen den Einzel-seiten zu wechseln

Auf- und Zuziehen (Zoomen und Pinchen)

das Gebudemanagement entsprechend der Norm EN 15232 (siehe Tab. 2/9 vorgegangen werden. Allerdings ist zu beachten, dass die

Tab. 1/1: RZ-Leistungsbedarf in Abhngigkeit zurck zu Seite 18 von Redundanz- und Infrastrukturkonzept

Von einer Abbildung bzw. Tabelle kommen Sie wieder zurck auf die Seite der Erstnennung, wenn Sie in der Bildunterschrift den blau hinterlegten Link bettigen.

Wird im Text zum ersten Mal auf eine Abbildung (Abb.) bzw. Tabelle (Tab.) verwiesen, und befindet sich diese Abb./Tab. nicht auf der gleichen Seite, so ist dieser Verweis blau hinterlegt (Schaltflche).

Klicken Sie auf den Verweis, um zur entsprechenden Abb./Tab. zu springen.

Verweise auf Abbildungen und Tabellen

Kapitelinhalt

2.3 Abschtzung eines konkreten Werts fr den Leistungsbedarf aus den gegebenen Spannen 21

2.4 Betriebsspannungen in Versorgungs- und Verteilungsnetzen 25

2.5 Art der Einspeisung 27

2.6 Zentrale oder dezentrale Aufstellung in der Nieder spannungsversorgung 29

Auf der Kapitelstartseite finden Sie ein Verzeichnis der Unterkapitel.

Klicken Sie auf das Unterkapitel, um zum betreffenden Textabschnitt zu gelangen.

Editorial

Die Planung der elektrischen Energieverteilung fr Gebude und Infrastruktureinrichtungen ist einem fortwhrenden Wandel unterworfen. Die Suche nach einer aufgabengerechten und sicheren Lsung soll die blichen Anforderungen an Kostenoptimierung, Effizienz und Zeitbedarf erfllen. Dabei flieen stndig Neuerungen bei technischen Entwicklungen und Erkenntnisse aus der Praxis in den Planungsprozess ein. Mit unseren Bchern zum Thema Elektrische Energieverteilung wollen wir Sie als Planer in Ihrer Ttigkeit untersttzen und Ihnen ein stets aktuelles und verlssliches Werkzeug an die Hand geben.

Im Lauf der Zeit haben sich verschiedene Bnde unter dem Begriff Applikationshandbuch angesammelt. Um eine Strukturierung einzufhren, unterscheiden wir zuknftig Planungs- und Applikationshandbcher:

In den Applikationshandbchern werden die spezifischen Anforderungen der Infrastruktur-einrichtungen einzelner Branchen und Gebudetypen an die elektrische Energieverteilung herausgearbeitet. Hier sind Ihnen vielleicht bereits die beiden Ausgaben zu Hochhuser und Rechenzentren begegnet. Diese Reihe wollen wir in loser Folge fortsetzen. Gerne nehmen wir Ihre Anregungen dazu auf.

Die Planungshandbcher greifen strker die allgemein anzuwendenden Themen bei der Planung der elektrischen Energieverteilung auf. Sie orientieren sich am grundlegenden Know-how, das der Planungsttigkeit zugrunde liegt. Dazu starten wir eine neue Reihe, die zunchst aus zwei Bnden bestehen wird.

Bei dem nun vorliegenden, neu konzipierten ersten Band Planung der elektrischen Energieverteilung Technische Grundlagen wird das Augenmerk auf die allgemeinen Forderungen und Ausprgungen gerichtet, die bei der Planung der elektrischen Energieverteilung interessieren. Der Folgeband Planung der elektrischen Energieverteilung Produkte und Systeme ist in Vorbereitung. Darin werden wir die technischen Details und Beschreibungen konkreter Produkte und Systeme vorstellen, um die im vorliegenden Band beschriebenen Anforderungen erfllen zu knnen.

Um zuknftig die richtigen und aktuellen Themen aufzugreifen, sind wir fr Hinweise von Ihnen als fachlich interessiertem Leser besonders dankbar. Bitte schicken Sie uns eine Mail an: [email protected] mit dem Betreff: TIP-Planungshandbcher.

Detlef Lucius

Leiter Consultant Support fr Totally Integrated Power

2 Totally Integrated Power Inhalt

6 Dimensionierung von Energieverteilungen 98

6.1 Stromkreisarten und Grundregeln 99

6.2 Netzschutz und Schutzkoordination 102

7 Schutzgerte fr die Niederspannungsverteilung 110

7.1 Leistungsschalter mit Schutzfunktionen 112

7.2 Sicherungen 116

7.3 Schaltkombinationen 117

7.4 Leitungsschutzschalter 129

7.5 Selektivitt in Niederspannungsnetzen 134

7.6 Schutz von Niederspannungs kondensatoren 147

7.7 Schutz von Verteilungs transformatoren 148

8 Mittelspannungs-Schaltgerte und -Schaltanlagen 164

8.1 Mittelspannungs-Schaltanlagen 165

8.2 Schaltgerte der Mittelspannungstechnik 175

8.3 Mittelspannungsschutz 185

9 Transformatoren 194

9.1 Elektrische Bauart 194

9.2 Verluste und Wirtschaftlichkeits abschtzung 197

9.3 Aufbau von ltransformatoren 199

9.4 Gieharz trockentransformatoren GEAFOL 201

9.5 Stromrichtertransformatoren 203

9.6 Regelbarer Ortsnetz-Transformator FITformer REG 204

9.7 Betrieb von Transformatoren 206

9.8 Transformatorraum 209

10 Niederspannungs-Schaltanlagen und -Verteilersysteme 214

10.1 Kenngren und Formen von Niederspannungs-Schaltanlagen 214

10.2 Planungshinweise 220

10.3 Motor-Control-Center 224

10.4 Installationsverteiler 224

10.5 Schienenverteilersysteme 227

Integriert planen Kosten senken 6

1 Randbedingungen der Planung 10

1.1 Aufgaben des Planers 10

1.2 Inhalte der Leistungsphasen 10

1.3 Lasten-/Pflichtenheft 12

1.4 Grundberlegungen zur Energieverteilung 13

1.5 Normen, Normungsinstitute, Richtlinien 14

2 Grundlagen des Entwurfs elektrischer Energieverteilungen 16

2.1 Anforderungen an elektrische Gebudenetze 17

2.2 Abschtzung des Leistungsbedarfs 18




2.6 Zentrale oder dezentrale Aufstellung in der Niederspannungsversorgung 29

2.7 Netzstrukturen 30

2.8 Netzsysteme nach Art der Erdverbindung 32

3 Netzplanungsmodule 36

4 Planung von Mittelspannungsnetzen 44

4.1 Komponenten fr den Aufbau von Mittelspannungsnetzen 45

4.2 Mittelspannungs-Netzkonzepte 47

4.3 Aufbau der Schaltanlagen 50

4.4 Einrichtungen des Netzschutzes 51

4.5 Behandlung des Sternpunkts im Mittelspannungs-Kabelnetz 60

5 Versorgungsqualitt 68

5.1 Spannungsqualitt 69

5.2 Elektromagnetische Vertrglichkeit 75

5.3 Verfgbarkeit und Redundanz 78

5.4 Blindleistung und Kompensation 84

5.5 Schutz vor Blitzstrom und berspannung 92

Inhalt

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

Inhalt

Ein- leitung

11 Niederspannungs-Schutz- und Schaltgerte 234

11.1 Stromkreise und Gertezuordnung 236

11.2 Anforderungen an die Schutzgerte in den drei Stromkreisarten 237

11.3 Fehlerstrom- und Brandschutzschalter 240

12 Starten, Schalten und Schtzen von Motoren 248

12.1 Schtzen von Elektromotoren 248

12.2 Schalten von Elektromotoren 249

12.3 Schaltungsvergleich fr Motoranlauf 256

12.4 Sicherheit von Maschinen 258

13 Einspeisung ber Umrichter und Generatoren 262

13.1 USV-Anlagen 263

13.2 Eigenerzeugungsanlagen 266

14 Energiemanagement 278

14.1 Messgren fr die Energietransparenz 279

14.2 Grafische Darstellungen im Energiemanagement 281

14.3 Auswertungsprofile 284

14.4 Kennwerte 285

14.5 Strommarktbetrachtungen 286

14.6 Betriebsmanagement 291

14.7 Normative Grundlage fr ein Energiemanagementsystem 292

15 SIMARIS Planungstools fr eine effiziente Planung der Energieverteilung 296

15.1 Dimensionieren mit SIMARIS design 296

15.2 Platzbedarf ermitteln mit SIMARIS project 298

15.3 Kennlinien visualisieren mit SIMARIS curves 299

15.4 Effizienz der Tools 299

16 Beleuchtung im Gebude 302

16.1 Grundlagenermittlung 302

16.2 Gebudeanalyse 305

16.3 Normative Vorgaben 305

16.4 Beleuchtungskonzept 312

16.5 Lichtberechnung 318

16.6 Notbeleuchtung 329

17 Anhang 346

17.1 Charakteristika von Netzeinspeisungen 346

17.2 Liste der aufgefhrten Normen 347

17.3 Abkrzungsverzeichnis 357

17.4 Literaturverzeichnis 361

17.5 Umrechnungsfaktoren und -tabellen 362

Siemens in Ihrer Nhe 367

Ansprechpartner fr spezielle Themen 367

Impressum 368

Totally Integrated Power Inhalt 3

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

Inhalt

Ein- leitung

4 Totally Integrated Power Inhalt

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

Inhalt

Ein- leitung

EinleitungIntegriert planen Kosten senken

An moderne Gebude werden immer hhere Ansprche gestellt. Bereits bei der Planung mssen Forderungen nach hoher Sicherheit, groer Flexibilitt ber die ge-samte Nutzungsdauer, geringe Umweltbelastung, Einbin-dung erneuerbarer Energien und geringe Kosten berck-sichtigt werden, damit das volle Potenzial hinsichtlich Wirtschaftlichkeit und Erfllung der technischen Anspr-che ausgeschpft werden kann. Eine besondere Heraus-forderung ist dabei die Abstimmung der einzelnen Ge-werke untereinander. Dazu gehren im Wesentlichen Heizung, Lftung, Klima- und Kltetechnik, Brandschutz, Einbruchschutz, Gebudeleittechnik und elektrische Energieverteilung. Bei einer innovativen Planung werden die Anforderungen nicht einfach auf die einzelnen Ge-werke heruntergebrochen, sondern aufeinander abgestimmt.

In der deutschen Honorarordnung fr Architekten und Ingenieure (HOAI) [1] werden die unterschiedlichen Gewerke wie folgt definiert:

1. Objekte sind Gebude, raumbildende Ausbauten, Freianlagen, Ingenieurbauwerke, Verkehrsanlagen, Tragwerke und Anlagen der Technischen Ausrstung

2. Gebude sind selbststndig benutzbare, berdeckte bauliche Anlagen, die von Menschen betreten wer-den knnen und geeignet oder bestimmt sind, dem Schutz von Menschen, Tieren oder Sachen zu dienen

3. Neubauten und Neuanlagen sind Objekte, die neu errichtet oder neu hergestellt werden

4. Wiederaufbauten sind vormals zerstrte Objekte, die auf vorhandenen Bau- oder Anlageteilen wieder-hergestellt werden; sie gelten als Neubauten, sofern eine neue Planung erforderlich ist

5. Erweiterungsbauten sind Ergnzungen eines vor-handenen Objekts

6. Umbauten sind Umgestaltungen eines vorhandenen Objekts mit Eingriffen in Konstruktion oder Bestand

7. Modernisierungen sind bauliche Manahmen zur nachhaltigen Erhhung des Gebrauchswertes eines Objekts, soweit sie nicht unter die Punkte 5, 6 oder 9 fallen

Integriert planen Kosten senken

Totally Integrated Power die zukunftssichere Energieverteilung als Basis fr Totally Integrated Automation und Total Building Solutions

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

Inhalt

Ein- leitung

6 Totally Integrated Power Integriert planen Kosten senken

8. Raumbildende Ausbauten sind die innere Gestal-tung oder Erstellung von Innenrumen ohne wesent-liche Eingriffe in Bestand oder Konstruktion; sie knnen im Zusammenhang mit Leistungen nach den Punkten 3 bis 7 anfallen

9. Instandsetzungen sind Manahmen zur Wiederher-stellung des zum bestimmungsgemen Gebrauch geeigneten Zustands (Soll-Zustands) eines Objekts, soweit sie nicht unter Punkt 4 fallen oder durch Manahmen nach Punkt 7 verursacht sind

10. Instandhaltungen sind Manahmen zur Erhaltung des Soll-Zustands eines Objekts

11. Freianlagen sind planerisch gestaltete Freiflchen und Freirume sowie entsprechend gestaltete Anla-gen in Verbindung mit Bauwerken oder in Bauwerken

Fr das Planungskonzept der elektrischen Energieversor-gung sind nicht nur die gltigen Normen und Bestim-mungen zu beachten, sondern auch wirtschaftliche und technische Zusammenhnge zu klren und zu errtern. Dabei werden die elektrischen Betriebsmittel, zum Beispiel Verteiler und Transformatoren, so bemessen und ausgewhlt, dass sie nicht als einzelne Betriebsmittel, sondern insgesamt ein Optimum darstellen. Alle Kompo-nenten mssen fr die Belastungen sowohl im Nennbe-trieb als auch fr den Strfall ausreichend dimensioniert werden. Bei der Erstellung des Energiekonzepts mssen auerdem folgende wichtige Punkte bercksichtigt werden: Art, Nutzung und Form des Gebudes (zum Beispiel

Hochhaus, Flachbau oder mehrgeschossiges Gebude) Ermitteln von Lastschwerpunkten, Feststellen von

mglichen Versorgungstrassen und Standorten fr Transformatoren und Hauptverteiler

Feststellen der gebudebezogenen Anschlusswerte nach spezifischen Flchenbelastungen entsprechend der Gebudenutzung

Bestimmungen und Auflagen der Baubehrden Auflagen des Verteilnetzbetreibers (VNB)

Das grte Optimierungspotenzial in einem Projekt liegt in der Planungsphase. Hier werden die Weichen gestellt, welche zustzlichen Kosten und Mehrungen im Laufe der Errichtung und spteren Nutzung entstehen.

Fr eine integrierte Planung wird ein Gebude ganzheit-lich betrachtet und die Funktionalitt entlang der darin ablaufenden Prozesse definiert, ohne die traditionelle Eingrenzung auf einzelne Gewerke vorzunehmen. Dafr ist es notwendig, die Spezifikationen bereits in der Planungsphase umfassend zu definieren. Nur so kann eine Lsung mit optimal aufeinander abgestimmten Systemen und Komponenten realisiert werden. Durch

eine nahtlose technische Integration der verschiedenen Systeme kann maximale Effizienz und Zuverlssigkeit der Prozesse erreicht werden. Gleichzeitig lassen sich durch Ausschpfung von Synergien die Kosten fr Investoren Betreiber und Nutzer des Gebudes reduzieren.

Integrierte Planung bedeutet, dass die Synergien von aufeinander abgestimmten, durchgngigen und intelli-genten Systemen und Produkten aus einer Hand genutzt und in kostengnstige Lsungen umgesetzt werden. Schnittstellen und aufwendige Abstimmungen zwischen unterschiedlichen Systemen und Produkten entfallen. Der Aufwand fr Ersatzteilhaltung und -beschaffung wird geringer. ber durchgngige Kommunikations-systeme knnen die Systeme und Produkte der Energieverteilung/-versorgung mit anderen Gewerken verbunden werden, zum Beispiel mit der Prozess- und Fertigungsautomatisierung oder der Gebudeautoma-tion. Der Verkabelungsaufwand kann durch eine abge-stimmte Konzeption und die so erzielbare bergreifende Nutzung der Kabel-Infrastruktur zur Datenbertragung bedeutend reduziert werden. Dies sind nur ausgewhlte Beispiele, wie das Kosten-Nutzen-Verhltnis durch integ-rierte Planung im Vergleich zu konventionellen Planun-gen entscheidend verbessert werden kann.

Die Komponenten der Energieverteilung werden mit Totally Integrated Power (TIP) integriert betrachtet und zu einem Ganzen zusammengebracht. TIP bietet alles, was man von einer zukunftsorientierten Energievertei-lung erwarten kann: Offenheit, Durchgngigkeit, effi-ziente Planungstools, vielfltige Kommunikationsmg-lichkeiten und damit eine deutliche Effizienzsteigerung. Bei Betrachtung der Anforderungen an die Energiever-teilung in Zusammenhang mit den Gewerken Gebude-automation, Brandschutz und Sicherheitssysteme wird schnell deutlich, dass mit zunehmendem Vernetzungs-grad zwischen den einzelnen Gewerken das Einspar-potenzial wchst. Kostenreduzierungen bis zu 25 % sind mglich. Investoren und Betreiber knnen damit ein kostengnstigeres Energieversorgungssystem zur Ver-fgung stellen und dessen Effizienz steigern.

Eine hhere Effizienz bringt dem Investor in der Regel Vorteile bei der Bewertung des Bauvorhabens, die sich durch Vereinfachungen bei Genehmigung und Finanzie-rung positiv fr ihn auswirken. Investoren und Betreiber knnen dadurch zudem ein kostengnstigeres und umweltfreundlicheres Energieversorgungssystem zur Verfgung stellen, fr das sich leichter Interessenten gewinnen und zuverlssig die gewnschten Ertrge erzielen lassen. Der Nutzer profitiert von einer hohen Versorgungsqualitt und -quantitt zu gnstigen Konditionen.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

Inhalt

Ein- leitung

7Totally Integrated Power Integriert planen Kosten senken

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

Inhalt

Ein- leitung

8 Totally Integrated Power Integriert planen Kosten senken

Kapitel 1Randbedingungen der Planung

1.1 Aufgaben des Planers 10

1.2 Inhalte der Leistungsphasen 10

1.3 Lasten-/Pflichtenheft 12

1.4 Grundberlegungen zur Energieverteilung 13

1.5 Normen, Normungsinstitute, Richtlinien 14

1 Randbedingungen der Planung

Der Planer hat es einerseits in der Hand, sich durch moderne, innovative Konzepte bei der Gestaltung der Energieversorgung und der Auswahl der Betriebsmittel Wettbewerbsvorteile und Alleinstellungsmerkmale zu verschaffen. Andererseits ist er fr seine Planung verant-wortlich, was bedeutet, dass er auch zu Schadenersatz herangezogen werden kann. Darum ist es wichtig, frh-zeitig mit dem Bauherrn den Projektrahmen und die wirtschaftlichen Randbedingungen abzuklren.

1.1 Aufgaben des Planers

Den ersten Leistungsphasen der Planung kommt bereits entscheidende Bedeutung zu. Hier werden die Grundla-gen und Richtlinien fr den weiteren Projektverlauf festgelegt. Fehlerhafte Annahmen und ungenaue Vorga-ben knnen zu berdimensionierungen fhren, die mit unntigen Kosten verbunden sind. Unterdimensionierun-gen knnen berlastungen und Ausflle zur Folge haben. Das vorliegende Handbuch zu den technischen Grundlagen der Planung soll dabei helfen, die berge-ordneten Komponenten der technischen Gebudeausrs-tung bereits in diesen ersten Projektphasen richtig zu dimensionieren. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf den Komponenten, Systemen und Prozessen in der elektri-schen Energieversorgung.

1.2 Inhalte der Leistungsphasen

Nach der Honorarordnung fr Architekten und Ingeni-eure (HOAI) werden die Leistungen des Planers in neun Leistungsphasen unterteilt:1. Grundlagenermittlung2. Vorplanung3. Entwurfsplanung4. Genehmigungsplanung5. Ausfhrungsplanung6. Vorbereitung der Vergabe7. Mitwirkung bei der Vergabe8. Objektberwachung (Bauberwachung oder

Bauoberleitung)9. Objektbetreuung und Dokumentation

Im vorliegenden Handbuch werden hauptschlich die ersten drei Planungsphasen und die zugehrigen Aufga-ben fr den Planer beschrieben.

Leistungsphase 1, Grundlagenermittlung

Klren der Aufgabenstellung Bestandsaufnahme Standortanalyse Betriebsplanung Aufstellen eines Raumprogramms Aufstellen eines Funktionsprogramms Prfen der Umweltvertrglichkeit Beraten zum gesamten Leistungsbedarf Formulieren von Entscheidungshilfen fr die Auswahl

anderer an der Planung fachlich Beteiligter Zusammenfassen der Ergebnisse

Leistungsphase 2, Vorplanung (Projekt- und Planungsvorbereitung)

Analyse der Grundlagen Abstimmen der Zielvorstellungen (Randbedingungen,

Zielkonflikte) Erarbeiten eines Planungskonzepts einschlielich der

Untersuchung alternativer Lsungen Integrieren der Leistungen anderer an der Planung

fachlich Beteiligter Erstellen eines Funktionsschemas beziehungsweise

Prinzipschaltbilds fr jede Anlage Klren und Erlutern der wesentlichen stdtebaulichen,

gestalterischen, funktionalen, technischen, bauphysi-kalischen, wirtschaftlichen, energiewirtschaftlichen (beispielsweise hinsichtlich rationeller Energieverwen-dung und der Verwendung erneuerbarer Energien) und landschaftskologischen Zusammenhnge, Vorgnge und Bedingungen sowie der Belastung und Empfind-lichkeit der betroffenen kosysteme

Vorverhandlungen mit Behrden und anderen an der Planung fachlich Beteiligten ber die Genehmigungsfhigkeit

Kostenschtzung (in Deutschland nach DIN 276 oder nach dem wohnungsrechtlichen Berechnungsrecht)

Zusammenstellen aller Vorplanungsergebnisse

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

Inhalt

Ein- leitung

10 Totally Integrated Power Randbedingungen der Planung

Leistungsphase 3, Entwurfsplanung (System- und Integrationsplanung)

Durcharbeiten des erstellten Planungskonzepts, wobei fachspezifische Anforderungen und durch die Objekt-planung integrierte Fachplanungen bercksichtigt werden

Festlegen aller Systeme und Anlagenteile Abstimmen von Durchfhrungen und Angabe von

Lasten, die fr die Tragwerksplanung ntig sind (aller-dings ohne Anfertigung von Schlitz- und Durchbruchsplnen)

Stufenweises Erarbeiten einer zeichnerischen Lsung bis hin zum vollstndigen Entwurf

Mitwirken bei Verhandlungen mit Behrden und ande-ren an der Planung fachlich Beteiligten ber die Genehmigungsfhigkeit

Kostenrechnung (in Deutschland nach DIN 276) und Kostenkontrolle durch Vergleich mit der zuvor erstell-ten Kostenschtzung

Besondere Leistungen mssen zwischen Auftraggeber und Planer einzeln ausgehandelt werden. Fr die ersten drei Leistungsphasen zur Planung der technischen Aus-rstung werden in der HOAI aufgefhrt:

Grundlagenermittlung: Systemanalyse unter verschiedenen Gesichtspunkten wie Durchfhrbarkeit, Aufwand, Nutzen, Wirtschaftlichkeit und Umweltvertrglichkeit

Datenerfassung Optimierungsmglichkeiten hinsichtlich Energiesparen und Umweltvertrglichkeit

Vorplanung: Durchfhren von Versuchen und Modellversuchen Anlagenoptimierung hinsichtlich Energieverbrauch und Schadstoffemissionen

Erarbeiten optimierter Energiekonzepte

Entwurfsplanung: Erarbeiten von Daten fr die Planung Dritter Detaillierter Wirtschaftlichkeitsnachweis Betriebskostenrechnungen Detaillierter Vergleich von Schadstoffemissionen Erstellen des technischen Teils eines Raumbuchs

Abb. 1/1 zeigt schematisch, welche Planungsschwer-punkte durch TIP abgedeckt werden.

Abb. 1/1: Totally Integrated Power durchgngige Lsungen fr die elektrische Energieverteilung

UIcos oPW

Substation Distribution Maintenance task

Hall 1 Air conditioning systemcheckup

Distribution 3 Replacing circuitbreaker contacts

Infeed II Replacing meters

central ONOFF

local ONOFF

trippedTOTAL HOURS

DATE

IN

OUT

IN

OUT

OVERTIME

SUN MON TUE WED THUR FRI SAT SUN TOTAL

TOTAL HOURS

DATE

IN

OUT

IN

OUT

OVERTIME


TOTAL HOURS

DATE

IN

OUT

IN

OUT

OVERTIME


DATE:

EMPLOYEE

COST CENTER

PAY PERIOD BEGINNING

PAY PERIOD ENDING

PROCESS FIELD

Eth

ern

et

Industrial

Energiemanagement/Energietransparenz

Produkte und Systeme

Prozess-/Fertigungs-automatisierung

Planungs-Softwaretools

Mittelspannung mit Schutztechnik

Netzdimensionierungmit SIMARIS design

Raumbedarfs- und Budgetermittlungmit SIMARIS project

TransformatorRegenerative Energien Niederspannung mit Schutz- und Messtechnik

Gertekennlinien visualisierenmit SIMARIS curves

Bedienen &Beobachten

Last-management

Ganglinien Prognosen Instandhaltung Meldungs-Strungs-management

Protokolle PowerQuality

Kostenstelle

Gebude-automation

110 kV

TIP0

4_1

3_0

01

_DE

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

Inhalt

Ein- leitung

11Totally Integrated Power Randbedingungen der Planung

Es beschreibt das vom Auftragnehmer erarbeitete Realisierungsvorhaben auf Basis einer Umsetzung des vom Auftraggeber vorgegebenen Lastenhefts

Die Fragen nach dem Wie und dem Womit eine Realisierung des Projekts erfolgen soll, werden im Pflichtenheft abgehandelt

Die Inhalte des zuvor ausgearbeiteten Lastenhefts werden przisiert, vervollstndigt und in ein nachvoll-ziehbares Durchfhrungskonzept umgesetzt sowie mit technischen Festlegungen der Betriebs- und Wartungs-umgebung verknpft

Gewhnlich knnen jeder Anforderung des Lastenhefts eine oder mehrere Leistungen des Pflichtenhefts zuge-ordnet werden. So wird auch die Reihenfolge der beiden Dokumente im Entwicklungsprozess deutlich: Die Anfor-derungen werden durch Leistungen erfllt.

Bei der Erstellung von Lasten- und Pflichtenheft ist zu beachten, dass sich Teilziele wie Investitionen, Verluste, Zuverlssigkeit, Qualitt und vieles mehr gegenseitig beeinflussen knnen. Eine tabellarische Aufstellung solcher Konkurrenzbeziehungen und deren projektspezi-fische Gewichtung untersttzen die Planungsentschei-dung und damit die Schwerpunktauswahl in Lasten- und Pflichtenheft.

Bei der Gewichtung ist dann fr Lasten- und Pflichten-heft von den unterschiedlichen Fragestellungen auszu-gehen. Tab. 1/1 ist eine einfache Beziehungstabelle, in der die Konkurrenzsituation einzelner Teilziele unterein-ander eingeschtzt wird. Zum Beispiel wird das Teilziel 2 Geringe Netzverluste stark von Teilziel 1 Inves-titionskosten beeinflusst, whrend das Teilziel 4 hohe Versorgungszuverlssigkeit keinen unmittel-baren Bezug zu den Netzverlusten hat.

1.3 Lasten-/Pflichtenheft

Wichtige Hilfsmittel in den ersten Leistungsphasen sind das Lastenheft und das Pflichtenheft.

Lastenheft

Das Lastenheft beschreibt das Was und Wofr und kennzeichnet die grundlegende Anforderungsspezifika-tion. Es dient dem Auftragnehmer als grobe Zielvorgabe fr den Auftrag. Es gibt die vom Auftraggeber festgelegte Gesamtheit

der Anforderungen an die Lieferungen und Leistungen eines Auftragnehmers innerhalb eines Auftrags vor

Es beschreibt die unmittelbaren Anforderungen und Wnsche an ein geplantes Projekt oder ein Produkt aus Anwendersicht

Es dient als Ausschreibungs-, Angebots- und Vertragsgrundlage

Die Anforderungen sollen quantifiziert werden und berprfbar sein

Der Ersteller des Lastenhefts ist der (externe oder firmeninterne) Auftraggeber, whrend die Auftragneh-mer die Adressaten sind

In der Softwaretechnik ist das Lastenheft das Ergebnis der Planungsphase und wird in der Regel von den Entwicklern als Vorstufe des Pflichtenhefts erarbeitet

Pflichtenheft

Das Pflichtenheft reprsentiert das Sollkonzept und wird bereits so weit fachspezifisch abgefasst, dass daraus eine Spezifikation erstellt werden kann. Es ist die vertraglich bindende, detaillierte Beschrei-

bung einer zu erbringenden Leistung, zum Beispiel fr den Aufbau einer technischen Anlage, die Konstruktion eines Werkzeugs oder auch fr die Erstellung eines Computerprogramms

Tab. 1/1: Konkurrenzsituation bei Planungsentscheidungen [2]

Teilziele 1 2 3 4 5 6 7 8 9

1 geringe Investitionskosten 1 1 1 1 p C p p

2 geringe Netzverluste 1 C C C C p C C

3 prozessgerechte Deckung des Leistungsbedarfs 1 C C C C 1 C C

4 hohe Versorgungs zuverlssigkeit 1 C C C C 1 C C

5 hohe Spannungsqualitt 1 C C C C p C C

6 geringe Personen- und Anlagengefhrdung p C C C C C C C

7 geringer Wartungs- und Instandhaltungsaufwand C p 1 1 p C p C

8 hohe Bedienerfreundlichkeit p C C C C C p C

9 hohe Umweltfreundlichkeit p C C C C C C C

1 starke Konkurrenz p Konkurrenz C keine oder unwesentliche Konkurrenz

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

Inhalt

Ein- leitung


1.4 Grundberlegungen zur Energieverteilung

Bezogen auf die elektrische Energieversorgung ist die wichtigste Aufgabe in der Phase der Grundlagenermitt-lung die Abschtzung der bentigten Leistung. Um eine hohe Effizienz zu erreichen, sollten die Komponenten mit einer Auslastung von etwa 70 bis 80 % der Maximalleis-tung arbeiten. Unterdimensionierung fhrt zu Fehlfunk-tionen, berdimensionierung zu berhhten Kosten.

Netzstruktur und Versorgungsquellen

Die bentigte Netzstruktur wird abhngig von den Anfor-derungen festgelegt, die sich aus der Gebudenutzung ergeben. Entsprechend den Vorgaben des Errichters und der Nutzung des Gebudes muss die bentigte Leistung auf verschiedene Versorgungsquellen aufgeteilt werden. Wird Redundanz gefordert, ist eine zustzliche Reserve einzuplanen. Neben dem Bedarf aus der allgemeinen Energieversorgung (AV) ist die bentigte Leistung aus der sicheren Energieversorgung (SV) abzuschtzen. Dieser Bedarf an sicherer Leistung wird aufgeteilt auf die Netz-ersatzanlage (NEA) und die unterbrechungsfreie Strom-versorgung (USV). Die USV soll bei Ausfall der AV ber die NEA versorgt werden. Hinzu kommt der Energiebedarf der Sicherheitseinrichtungen (IEC 60364-7-710 bezie-hungsweise VDE 0100-710 und IEC 60364-7-718 bezie-hungsweise VDE 0100-718), die an die SV angeschlossen werden mssen. Aus der Abschtzung der bentigten Energie, Leistung und der Aufteilung auf die unterschied-lichen Versorgungsquellen ergibt sich die Dimensionie-rung der einzelnen Komponenten.

Technikrume

Neben der richtigen Dimensionierung der Komponenten ist die Festlegung der Gre und Lage der fr die elektrische Energieversorgung bentigten Technikrume ein wesent-licher Punkt, der zu Beginn der berlegungen erfolgen sollte. Die Abmessungen der Technikrume ergeben sich aus den Abmessungen der bentigten Komponenten und den entsprechenden Sicherheitsvorschriften. Auch Rand-bedingungen wie zum Beispiel Raumbelftung, Druckaus-gleich im Strlichtbogenfall, Deckenbelastung und Trans-portwege sind bei der Raum- und Gebudeplanung zu beachten. Zu gro dimensionierte Rume mindern die Wirtschaftlichkeit eines Gebudes (Raumnutzung). Zu klein dimensionierte Rume knnen dazu fhren, dass eine Anlage nicht genehmigungsfhig ausgefhrt werden kann oder zumindest teure Sonderlsungen bei der eingesetzten Technik erzwingen. In diesem Planungshandbuch sind Hilfestellungen zur Ermittlung der bentigten Raumabmes-sungen fr die einzelnen Komponenten enthalten.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

Inhalt

Ein- leitung

13Totally Integrated Power Randbedingungen der Planung

1.5 Normen, Normungsinstitute, Richtlinien

Bei der Planung und Errichtung von Gebuden sind neben den spezifischen Vorgaben des Gebude- und Anlagenbetreibers (zum Beispiel Werksvorschriften) und des zustndigen VNB zahlreiche Normen, Vorschriften und Richtlinien zu beachten und einzuhalten. Wenn im Folgenden international gltige Normen und Schriften verwendet werden, werden diese gemeinsam mit spezi-fisch in Deutschland verwendeten Dokumenten im Anhang aufgelistet.

Zur Minimierung des technischen Risikos beziehungs-weise zum Schutz aller Beteiligten beim Umgang mit elektrotechnischen Komponenten sind die wesentlichen Planungsregeln in Normen zusammengestellt. Normen stellen den Stand der Technik dar und sie sind Grundlage von Beurteilung und Rechtsprechung. Technische Nor-

men sind Soll-Bedingungen von Fachverbnden, die durch rechtliche Standards wie zum Beispiel Arbeits-schutzgesetze verpflichtend werden. Des Weiteren ist die Einhaltung von technischen Standards bestimmend fr die Betriebserlaubnis oder den Versicherungsschutz. Whrend vor Jahrzehnten Normen vor allem national erarbeitet wurden und in den regionalen Gremien disku-tiert wurden, gilt heute, dass Initiativen zentral (IEC) eingebracht und anschlieend von der Region bezie-hungsweise vom Land in die nationale Normung ber-fhrt werden. Nur wenn die IEC an der Bearbeitung nicht interessiert ist beziehungsweise zeitliche Einschrnkun-gen vorliegen, wird ein Normenentwurf regional bear-beitet. Der Zusammenhang der verschiedenen Standardi-sierungsebenen geht aus Tab. 1/2 hervor. Eine komplette Liste der IEC-Mitglieder mit weiterfhrenden Links ist zu finden unter:

www.iec.ch/members_experts

Tab. 1/2: Darstellung nationaler und regionaler Standards in der Elektrotechnik

bersicht Normen und Normungsinstitute

Regional AmerikaPAS

EuropaCENELEC

Australien Asien Afrika

National USA: ANSICA: SCCBR: COBEI

D: DIN VDEI: CEIF: UTEGB: BS

AUS: SANZ: SNZ

CN: SACIND: BISJ: JISC

SA: SABS

ANSI American National Standards Institute

BIS Bureau of Indian Standards

BS British Standards

CENELEC Europisches Komitee fr elektrotechnische Normung; en: European Committee for Electrotechnical Standardization (fr: Comit Europen de Normalisation Electrotechnique)

CEI Comitato Elettrotecnico Italiano

COBEI Comit Brasileiro de Eletricidade, Eletrnica, Iluminao e Telecomunicaes

DIN VDE Deutsche Industrie Norm Verband deutscher Elektrotechniker

EN European Norm

IEC International Electrotechnical Commission

JISC Japanese Industrial Standards Committee

PAS Pacific Area Standards

SA Standards Australia

SABS South African Bureau of Standards

SAC Standardisation Administration of China

SCC Standards Council of Canada

SNZ Standards New Zealand

UTE Union Technique de lElectricit et de la Communication

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

Inhalt

Ein- leitung


Kapitel 2Grundlagen des Entwurfs elektrischer Energieverteilungen

2.1 Anforderungen an elektrische Gebudenetze 17

2.2 Abschtzung des Leistungsbedarfs 18




2.6 Zentrale oder dezentrale Aufstellung in der Nieder spannungsversorgung 29

2.7 Netzstrukturen 30

2.8 Netzsysteme nach Art der Erdverbindung 32

2 Grundlagen des Entwurfs elektrischer Energieverteilungen

Fr die elektrische Energieverteilung sind durchgngige Lsungen gefragt. Totally Integrated Power (TIP) bietet bei der Erarbeitung von passenden Lsungen Unterstt-zung durch Softwaretools und Support bei der Planung und Projektierung sowie ein optimal aufeinander abge-stimmtes und vollstndiges Produkt- und Systemportfo-lio fr die durchgngige Energieverteilung von der Mittelspannungs-Schaltanlage bis zum Endstromkreis. Mit TIP untersttzt Siemens bei Anforderungen wie: Vereinfachung der Betriebsfhrung durch einen ber-

sichtlichen, einfachen Netzaufbau Geringe Netzverluste, zum Beispiel durch mittelspan-

nungsseitigen Energietransport in die Lastschwerpunkte Hohe Versorgungs- und Betriebssicherheit der Anlagen

auch bei Strung einzelner Betriebsmittel (Reserve-haltung, Selektivitt des Netzschutzes und hohe Verfgbarkeit)

Leichte Anpassung an sich ndernde Belastungs- und Betriebsverhltnisse

Niedrige Betriebskosten durch wartungsfreundliche Betriebsmittel

Ausreichende bertragungsfhigkeit der Betriebsmittel im Normalbetrieb und auch bei zu beherrschenden Strfllen

Gute Versorgungsqualitt, das heit geringe Span-nungsnderungen infolge von Belastungsschwankun-gen bei ausreichender Spannungssymmetrie und geringem Oberschwingungsgehalt in der Spannung

Einhaltung der gltigen IEC- / EN- / VDE-Bestimmungen sowie projektbezogener Bestimmungen fr besondere Anlagen

Die Effizienz einer elektrischen Energieversorgung steht und fllt mit der qualifizierten Planung eines Netzkon-zepts, das die oben aufgefhrten Punkte bercksichtigt. Die erstellten Netzkonzepte sind immer im Kontext der Randbedingungen und Projektziele zu bewerten.

Bei der Netzplanung und -projektierung (siehe Abb. 2/1) untersttzt Siemens TIP den Elektrofachplaner mit Service angeboten bei seinen Aufgaben. Unsere TIP Con-sultant-Support-Ansprechpartner (Kontaktdaten finden Sie im Internet unter www.siemens.de/tip-cs/kontakt) nutzen den persnlichen Kontakt auch zur Prsentation der Planungstools wie zum Beispiel SIMARIS design, SIMARIS project und SIMARIS curves.

Neben den Planungshandbchern bietet Siemens Appli-kationsschriften, die Planungsspezifikation bestimmter Objekttypen wie Hochhuser, Kliniken oder Rechen-zentren beschreiben und weitere Netzberechnungstools wie SINCAL oder Projektierungstools wie die Profix-Tools fr Mittelspannungs-Schaltanlagen.

Abb. 2/1: Aufgaben der Netzplanung und -projektierung

Konzeptfindung: Analyse Versorgungsaufgabe Wahl der Netzstruktur Wahl des Netzsystems Merkmale Technik festlegen

Berechnung: Leistungsbilanz Lastfluss (Normal/Strung) Kurzschlussstrme (unbeeinflusst/beeinflusst)

Dimensionierung: Auswahl der Betriebsmittel, Transformatoren, Kabel, Schutz- und Schaltgerte etc. Anforderungen hinsichtlich Selektivitt und Backup-Schutz

Gebudeart/-umfang Gebudenutzung Betriebsfhrung Ausfallreserve etc.

Verbraucherlisten Erweiterungsprognosen Temperaturen Betriebsmitteldaten etc.

Betriebsmitteldaten elektrische Daten Abmessungen etc. Selektivittstabellen Selektivittsgrenzwerttabellen Kennlinien, Einstelldaten etc. etc.

TIP04_13_002_DE

Randbedingungen erfassenEinflussfaktoren

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

Inhalt

Ein- leitung

16 Totally Integrated Power Grundlagen des Entwurfs elektrischer Energieverteilungen

2.1 Anforderungen an elektrische Gebudenetze

Bei der Planung von elektrischen Netzen sind die zumeist ambivalenten Anforderungen in den drei Lebensphasen des Projekts zu bercksichtigen: Investition Errichtung Betrieb Tab. 2/1 vermittelt eine Einschtzung des Aufwands in den unterschiedlichen Lebensphasen.

Weitere Einflussfaktoren

Die wesentlichen Eigenschaften eines Netzes werden von folgenden Anforderungen bestimmt:

Nutzung/Verbraucher beziehungsweise Zweck der Energieverteilung, das heit Leistungsbilanz, Leis-tungsdichte sowie Lastschwerpunkte (siehe Tab. 2/2)

Architektur, zum Beispiel Flachbau oder Hochhaus Betriebs- und Umweltbedingungen Behrdliche/gesetzliche Auflagen, zum Beispiel Arbeits-

schutzgesetze, Baumter Durch einspeisendes Energieversorgungsunternehmen

Technische Vorgaben bezglich Spannung, Kurzschlussleistung, Genehmigung der maximalen Anschlussleistung, zulssiger Technik

Einsatz von Power Management, um das Netz im Rahmen der Tarifoptionen wirtschaftlich betreiben zu knnen

Tab. 2/1: Relation zwischen Aufwand und Lebensphasen eines Projekts

Investition Errichtung Betrieb

Realisierungskosten minimal maximal irrelevant

Realisierungszeit minimal minimal irrelevant

Technik preisgnstig einfache Montage flexibler Betrieb

Platzbedarf fr Technik minimal maximal irrelevant

Nutzungsdauer maximal irrelevant maximal

Brandlast irrelevant irrelevant minimal

Betriebskosten (u. a. Versicherungsprmien) irrelevant irrelevant minimal

Tab. 2/2: Beispiele fr verschiedene Nutzungsrume und ihren Einfluss auf die elektrischen Netze und Betriebsmittel

Nutzungsart Merkmale Anforderung Konsequenzen

Wohnrume

Viele KleinverbraucherKleine Nennstrme bei vergleichs-weise groer Netzkurzschlussleistung

Backup-Schutz

Elektrotechnische LaienSchutz gegen direktes und indirektes Berhren

FI-Schutzschalter ist Pflicht

Brorume

Viele Arbeitspltze mit PCsSpannungsstabilitt und Versorgungssicherheit

Hoher Anteil kapazitiver Verbraucher

Gegenmanahmen bei Oberschwingungen

Verdrosselte Kompensationen

Allgemeine Fluchtwege Sicherheitsstromversorgung Generatoreinspeisung

ServerrumeKommunikationseinrichtungen (Netzwerk)

Gute elektromagnetische Vertrglichkeit (EMV)

TN-S-Netz, um vagabundierende Fehlerstrme zu minimieren

Hohe Versorgungssicherheit Redundanz, selektive Staffelung

Sicherheitsstromversorgung und unterbrechungsfreier Betrieb

leistungsstarke Sicherheitsstrom-versorgung, effziente USV

Medizinische Rume

Lebenserhaltende Maschinen Hohe VersorgungssicherheitRedundanz, selektive Staffelung, leistungsstarke Sicherheitsstrom-versorgung

Intensivmedizin, EKGGute elektromagnetische Vertrglichkeit (EMV)

TN-S-Netz, um vagabundierende Fehlerstrme zu minimieren

Fehlerstrme lokal begrenzen IT-Netz

Industriell genutzte Rume Hufig motorische Verbraucher Hoher Leistungsbedarf pro Flche Schienenverteiler

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

Inhalt

Ein- leitung

17Totally Integrated Power Grundlagen des Entwurfs elektrischer Energieverteilungen

bezugs an elektrischer Leistung. Neben dem Leistungs-bedarf von Groverbrauchern (Motoren, Pumpen etc.) muss der Bedarf der einzelnen Funktionsbereiche (Bro, Parkplatz, Ladengeschft etc.) ermittelt werden (Tab. 2/3 und Tab. 2/4).

2.2 Abschtzung des Leistungsbedarfs

Die Grundlage der Planung und Dimensionierung der Energieversorgung ist die Kenntnis der anzuschlieen-den Verbraucher und des daraus abgeleiteten Gesamt-

Gebude nach Nutzung

durchschnittlicher Leistungsbedarf 1)

[W/m2]

Gleichzeitigkeits-faktor 2)

g

durchschnittliche Gebudekosten umbauter Raum

[ / m3]

durchschnittliche Kosten fr das Gewerk Starkstrom

in umbautem Raum 2)

[ / m3]

Bank/Sparkasse 4070 0,6 300 500 25 50

Bibliothek 20 40 0,6 300 450 20 40

Bro 30 50 0,6 250 400 17 40

Einkaufszentrum 30 60 0,6 150 300 12 35

Hotel 30 60 0,6 200 450 10 35

Kaufhaus 30 60 0,8 200 350 20 45

Klinik (40 80 Betten) 250 400 0,6 300 600 18 50

Krankenhaus (200 500 Betten) *) 80 120 0,6 200 500 10 40

Lagergebude (keine Khlung) 2 20 0,6 50 120 3 18

Khlhalle 500 1.500 0,6 150 200 10 20

Mehrfamilienhaus (ohne Nachtspeicher/Durchlauferhitzer)

10 30 0,4 180 350 18 35

Einfamilienhaus (ohne Nachtspeicher/Durchlauferhitzer)

10 30 0,4

Museum 60 80 0,6 300 450 20 40

Parkhaus 3 10 0,6 100 200 7 15

Produktionsgebude 30 80 0,6 100 200 10 40

Rechenzentrum 3) 125 2.000 3) 0,4 0,9 3) 360 4.500 3) 60 2.200 3)

Schule 10 30 0,6 200 400 15 30

Turnhalle 15 30 0,6 150 300 8 25

Stadion (40.000 -80.000 Sitzpltze)

70 140 **) 0,6 3.000 5.000 **) 30 70 **)

Wohnheim/Altenpflege 15 30 0,6 200 400 10 25

Gewchshaus (knstliche Beleuchtung)

250 500 0,6 50 100 5 20

Labor/Forschung 100 200 0,6

Maschinenbau 100 200 0,4

Gummiindustrie 300 500 0,6

Chemische Industrie ***) 0,6

Nahrungs- und Genussmittelindustrie

600 1.000 0,8

1) Die angegebenen Werte sind Anhaltswerte zur Leistungsabschtzung und knnen keine exakte Leistungsermittlung ersetzen.2) Der Gleichzeitigkeitsfaktor ist ein Anhaltswert fr die Vorplanung und muss fr die einzelnen Projekte individuell angepasst werden.3) Fr Rechenzentren werden in Tab. 2/5 und den zugehrigen Erluterungen die Rahmenbedingungen und die einfachen Kalkulationen fr die

angegebenen Schtzwerte und deren weite Spannen gezeigt

*) pro Bett ca. 2.0004.000 W; **) je Sitzplatz; ***) Leistungsbedarf stark vom Prozess abhngig

Tab. 2/3: Durchschnittlicher Leistungsbedarf von Gebuden nach Nutzung

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

Inhalt

Ein- leitung


Verfgbarkeitsanforderungen bestimmen Redundanz und Sicherheitssysteme

Fr die rechenzentrumsspezifischen Kostenabschtzun-gen sind folgende Annahmen zu treffen: Ein flchenspezifischer Leistungsbedarf von 125 bis

1.500 W/m2 wird fr ein eigenstndiges Rechen-zentrum (RZ in Tab. 2/5) angenommen. Beim niedrigen Wert wird ein groer Flchenbedarf fr die Informa-tionstechnik und die Infrastruktur angesetzt (zum Bei-spiel aufgrund groer Redundanzen), whrend beim hohen Wert eine hohe Packungsdichte der Server in den Racks und moderne Khl- und Energieversorgungs-systeme angenommen werden

2.2.1 Spezielle Betrachtung der Kosten-situation fr ein Rechenzentrum

Fr Rechenzentren gibt es eine Reihe von Faktoren, die unter anderem den spezifischen Leistungsbedarf beein-flussen. Wichtige Merkmale, die zu einer groen Spann-weite bei den Abschtzungen fr den Leistungsbedarf, den Gleichzeitigkeitsfaktor und die spezifischen Kosten fhren, sind: Unterscheidung zwischen einem eigenstndigen

Gebude (Rechenzentrum) oder IKT-Rumlichkeiten in einem Gebude

Unterschiedliche Techniken bei Klimatisierung und Energieversorgung beeinflussen Raumbedarf und Energieeffizienz

Tab. 2/4: Durchschnittlicher Leistungsbedarf verschiedener Funktionsbereiche und Rume im Gebude zurck zu Seite 18

Funktionsbereich/ Raum im Gebude


[W/m2]

Gleichzeitig-keitsfaktor 2)

g

Funktionsbereich/ Raum im Gebude

Gleichzeitigkeits-faktor 2)

g

Flur/Vorraum 5 15 0,3 Gebudetechnik

Treppenhaus 5 15 0,3 Fahrtreppe 0,5

Technik allgemein 5 15 0,3 Aufzug 0,3

Empfangshalle 10 30 1 Sanitr 0,5

Zuwegung (z. B. Tunnel) 10 20 1 Sprinkler 0,1

Aufenthaltsraum/Teekche 20 50 0,3 Heizung 0,8

WC-Bereiche 5 15 1 Raumlufttechnik 0,8

Reisezentrum 60 80 0,8 Khlwasseranlage 0,7

Broflchen 20 40 0,8 Klteerzeugung 0,7

Presse/Buchhandel 80 120 0,8

Blumen 80 120 0,8

Bcker/Fleisch/Wurst 250 350 0,8

Obst/Gemse 80 120 0,8 Funktionsbereich/ Raum im Gebude


[W/m2]

Bistro/Eiscafe 150 250 0,8

Imbiss 180 220 0,8

Gastronomie/Restaurant 180 400 0,8Fubodenheizung, Wohnraum, elektrisch

65 100

Tabak 80 120 0,8Fubodenheizung, Bad, elektrisch

130 150

Frisr 220 280 0,8Nachtspeicherheizung: Energiesparhaus

60 70

Reinigung/Wscherei 700 950 0,7Nachtspeicherheizung: Haus mit normaler Isolierung

100 110

Lagerflche 5 15 0,3 Kleinklimagert 60

Kchen 200 400 0,7Photovoltaik 3) (max. Leistung der Module)

100 130

1) Die angegebenen Werte sind Anhaltswerte zur Leistungsabschtzung und knnen keine exakte Leistungsermittlung ersetzen.2) Der Gleichzeitigkeitsfaktor ist ein Anhaltswert fr die Vorplanung und muss fr die einzelnen Projekte individuell angepasst werden. Fr Verbraucher in der

Sicherheitsstromversorgung (SV) ist bei deren Dimensionierung der Gleichzeitigkeitsfaktor gesondert zu betrachten (Erfahrungswert: g 0,8 fr SV-Schiene.3) Durchschnittlich zur Verfgung stehende Sonnenenergie in Deutschland pro Tag: 2,75 kWh/m2

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

Inhalt

Ein- leitung


441 Hoch- und Mittelspannungsanlagen (Schaltanlagen, Transformatoren)

442 Eigenstromerzeugungsanlagen 443 Niederspannungs-Schaltanlagen 444 Niederspannungs-Installationsanlagen 445 Beleuchtungsanlagen 446 Blitzschutz- und Erdungsanlagen

Der RZ-Gleichzeitigkeitsfaktor in Tab. 2/3 hat einen Spielraum zwischen 0,4 und 0,9, abhngig von der Infrastrukturumgebung und von den Redundanzkapazi-tten. Bei einer (2n+1)-Redundanz (siehe Kap. 5) wird der Gleichzeitigkeitsfaktor zwischen 0,4 (fr n = 2) und 0,5 (fr eine sehr groe Anzahl n) zu whlen sein. Dagegen ist ohne Redundanz ein sehr hoher Gleichzeitigkeits-faktor im RZ mglich.

Ein flchenspezifischer Leistungsbedarf von 500 bis 2.000 W/m2 fr Rume fr die Informationstechnik in Infrastrukturgebuden (IT-Raum in Tab. 2/5). Diese Werte unterscheiden sich leicht von den vorher genannten, da im Gebude gemeinsame Infrastruktur-komponenten genutzt werden knnen

Bei der Verfgbarkeit und den zugrunde liegenden Redundanzbedingungen wird die Tier-Struktur (Tier: englisch fr Stufe oder Rang; mit aufsteigenden Anfor-derungen von I nach IV) des Uptime-Institutes, wie in [3] beschrieben, als Grundlage genommen. Die (n+1)-Redundanz bei Tier IV fhrt, verglichen mit Tier I ohne Redundanz, zu den etwa 2,5-fachen Kosten fr die Infrastrukturkomponenten. Der Einfluss der Redundanz-anforderungen an den spezifischen Raumbedarf wird bereits in den ersten beiden Punkten bercksichtigt

Fr die Kostenaufstellung im zweiten Teil von Tab. 2/5 werden die Anlagenanteile entsprechend der in DIN 276-1 aufgefhrten Kostengruppe 440 Stark-stromanlagen aufsummiert. Es werden bercksichtigt:

Tab. 2/5: RZ-Leistungsbedarf in Abhngigkeit zurck zu Seite 19 von Redundanz- und Infrastrukturkonzept

Durchschnittliche Gebudekosten umbauter Raum [/m3]

durchschnittlicher Leistungsbedarf [W/m2]

Tier I Tier II Tier III Tier IV

RZ125 360 390 490 550

1.500 1.625 2.000 3.000 3.800

IT-Raum500 690 810 1.130 1.400

2.000 1.900 2.350 3.550 4.500

Durchschnittliche Kosten fr das Gewerk 440 Starkstrom in umbautem Raum* [/m3]

durchschnittlicher Leistungsbedarf [W/m2]

Tier I Tier II Tier III Tier IV

RZ125 60 75 130 160

1.500 740 940 1.500 1.900

IT-Raum500 240 300 470 620

2.000 900 1.100 1.750 2.300

* Kostenanteil fr Eigenstromerzeugungsanlagen (Generatoren und USV-Anlagen) etwa 70 % und Kostenanteil fr Hoch- und Mittelspannungsanlagen, Niederspannungs-Schaltanlagen, Niederspannungs-Installationsanlagen, Beleuchtungsanlagen und Blitzschutz- und Erdungsanlagen zusammen etwa 30 %

Tab. 2/6: Effizienzfaktoren (elektrisch) fr die zurck zu Seite 21 Gebudeautomation nach EN 15232 fr verschiedene Nichtwohn-gebude

Klasse D (C ) C (B) B (A) A (A+)

Bros 1,10 1 0,93 0,87

Hrsle 1,06 1 0,94 0,89

Bildungseinrichtungen (Schulen)

1,07 1 0,93 0,86

Krankenhuser 1,05 1 0,98 0,96

Hotels 1,07 1 0,95 0,90

Restaurants 1,04 1 0,96 0,92

Gebude fr Gro- und Einzelhandel

1,08 1 0,95 0,91

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

Inhalt

Ein- leitung


2.3 Abschtzung eines konkreten Werts fr den Leistungsbedarf aus den gegebenen Spannen

Die Werte fr den durchschnittlichen Leistungsbedarf in Tab. 2/3 und Tab. 2/4 decken eine weite Spanne unter-schiedlicher Voraussetzungen ab. Bei der Abschtzung des gesamten Leistungsbedarfs fr das geplante Projekt mssen die einzelnen Spannen der Gebudetypen, Funktionsbereiche und Rume konkretisiert werden. Dazu wird im Folgenden ein Schtzverfahren mit ver-schiedenen Kalibrierungsfaktoren als einfache Hilfe vorgestellt. Ein hnliches Vorgehen wird auch in der EN 15232 genutzt. Darin werden Effizienzfaktoren defi-niert, die die Klassifizierung der technischen Ausprgung von Gebuden und den Einsatz von Systemen zur Gebu-deautomation (GA) und zum technischen Gebudema-nagement (TGM) quantifizieren.

Diese Faktoren (Tab. 2/6) werden spter fr unser Schtzverfahren auf einen Wertebereich zwischen 0 und 1 kalibriert und fr eine Charakterisierung von GA/TGM und der technischen Ausprgung des Gebudes genutzt.

Fr unser einfaches Rechenmodell beschrnken wir uns auf sechs Merkmale, die als gleichwertig angesetzt werden: Gebudeplatzierung Raumstruktur Komfortausstattung Klimatisierungsmglichkeit Technische Ausprgung GA/TGM

Selbstverstndlich knnen durch eigene Faktoren zustz-liche Rahmenbedingungen bercksichtigt werden. In jedem Fall sollten sich Planer und Auftraggeber abstim-men, sodass die Berechnung nachvollzogen werden kann. Entsprechend den sechs Charakterisierungsmerk-malen sollen in unserem Modell sechs Kalibrierungsfak-toren den Leistungsbedarf des Gebudes kennzeichnen: Kalibrierungsfaktor kplc fr die Gebudeplatzierung Kalibrierungsfaktor kstruct fr die Raumstruktur Kalibrierungsfaktor kcomf fr die Komfortausstattung Kalibrierungsfaktor kclim fr die Klimatisierungs-

mglichkeiten Kalibrierungsfaktor ktech fr die technische Ausprgung Kalibrierungsfaktor kGA/TGM fr die GA/TGM

Da wir keine weitere Gewichtung der Faktoren vor-nehmen wollen, kann der Mittelwert der Kalibrierungs-faktoren als Gesamtwert bestimmt werden:

(kplc + kstruct + kcomf + kclim + ktech + kGA/TGM)ktot = 6

Fr die Ermittlung des spezifischen Leistungsbedarfs gehen wir vom niedrigsten Erwartungswert pmin und bestimmen einen Faktor ktot aus unseren Einschtzun-gen zu den sechs Teilfaktoren. Mit diesem Faktor wird die Differenz zwischen Minimalwert pmin und Maximal-wert pmax gewichtet und zum Minimalwert addiert. Der Gesamtfaktor ktot resultiert dann aus dem Mittel der Einzelfaktoren (Abb. 2/2) in der obigen Gleichung.

Platzierung des Gebudes Kalibrierungsfaktor kplc

Einen grundlegenden Einfluss auf die Planung der Ener-gieversorgung hat der Standort des Gebudes. Unter anderem knnen folgende Fragestellungen herangezo-gen werden, um eine Einschtzung zu ermglichen: Mssen Besonderheiten hinsichtlich benachbarter

Gebude beachtet werden? Welche Verkehrswege und -anbindungen knnen

genutzt werden? Welche Art der Energieversorgung ist mglich und in

welchem Umfang? Gibt es rechtliche Rahmenbedingungen, die bei der

Planung bercksichtigt werden mssen?

Anmerkung: Ohne lokale Besonderheiten kann der Platzierungsfaktor kplc = 0,5 gesetzt werden.

Raumstruktur Kalibrierungsfaktor kstruct

Kleinere Rume sind leichter zu belften und Licht wird durch Reflexionen an Wnden und Decke besser im Raum verteilt. Auerdem kann durch diesen Kalibrie-rungsfaktor die vorgesehene Raumhhe bercksichtigt

Abb. 2/2: Einfluss der Kalibrierungsfaktoren auf die spezifische Leistung

Spez. Leistungin W/m2

60

140130120110

908070

150

100

0,0 1,0 0,0 1,0 0,0 1,0 0,0 1,0 0,0 1,0 0,0 1,0

Kalibrierungsfaktoren

0,0 1,0

kplc kstruct kcomf kclim ktech kBA/TBM

ktot

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

Inhalt

Ein- leitung


werden. Bei unseren Einschtzungen, die wir in Abb. 2/3 als Kurve dargestellt haben, ist auch hinterlegt, dass kleinere Rume und Flchen hufig durch direkte Lf-tung und nicht durch Klimaanlagen belftet werden.

Grere Rume und Hallen werden im Allgemeinen einen hheren Kalibrierungsfaktor kstruct haben. An dieser Stelle sei nochmals vermerkt, dass fr die Bestim-mung der Faktoren und damit fr eine Leistungsabscht-zung immer die Erfahrung und Projektkenntnis des Planers sowie die Abstimmung mit dem Auftraggeber entscheidend sind. Die Siemens TIP Ansprechpartner untersttzen den Elektrofachplaner mit ihrem Hinter-grundwissen bei konkreten Projekten.

Komfort- und Sicherheitsausstattung Kalibrierungsfaktor kcomf

Hierfr lassen sich nur schwer allgemein gltige Aussa-gen treffen, da das Komfortempfinden wesentlich von den Nutzungsbedingungen des Gebudes abhngt. Whrend in einem Einkaufszentrum eine gute Ausleuch-tung, eine Audioanlage und eine berwachungsanlage Standard sind, knnen diese Ausprgungen im Brobe-reich zu den Komfortmerkmalen zhlen. Umgekehrt werden Jalousien fr die Schaufenster keine Rolle spie-len, sehr wohl aber im Hotelbereich und in Brorumen. Schnelle Aufzge fr groe Lasten erfordern mehr Leis-tung, ebenso wie besondere Bhnentechnik oder tech-nisch aufwendige medizinische Diagnosegerte. Leit- und berwachungssysteme machen das Gebude sicher und bieten die Grundlage fr eine hhere Anwender-freundlichkeit. Im Produktionsbereich wird dieser Faktor meist eine untergeordnete Rolle spielen. Wenn ein Faktor vernachlssigt wird, muss in der obigen Formel

die Anzahl entsprechend verkleinert werden. Fr eine einfache Abschtzung lohnt sich eine Wichtung der einzelnen Faktoren in der Formel nicht.

Klimatisierung Kalibrierungsfaktor kclim

Hinsichtlich der Klimatisierung eines Gebudes sind natrliche Belftung, die Effizienz der Khleinrichtungen und die Mglichkeiten zur Minderung der Sonnenein-strahlung ohne besondere Beeintrchtigung der Licht-verhltnisse in den Rumen zu beachten. In Deutschland hat sich der Verein Deutscher Ingenieure e. V. (VDI) in der Richtlinie VDI 3807-4 unter anderem mit dem gebu-despezifischen Energiebedarf der Luftfrderung und der Khlklte auseinandergesetzt. Die darin beschriebenen Daten fr die spezifische installierte Leistung von Bro-rumen, Hotelzimmern, Kchen, Rechenzentren, Thea-tern, Kaufhusern, Parkhusern etc. fr unterschiedliche Bedarfsklassen von sehr hoch bis sehr gering, haben wir in eine Kurve fr Kalibrierungsfaktoren umgesetzt (Abb. 2/4). Die berlagerung der vielen einzelnen Kurven hat gezeigt, dass nur die Nutzungen mit hohem Khlbe-darf, wie Rechenzentren und Kchen, einen etwas ande-ren Kurvenverlauf aufweisen.

In Rechnerrumen, die besser ohne Fenster geplant werden, ist in der Regel ein hoher Aufwand fr die Klimatisierung Konstanz der Temperatur und Luft-feuchte zu betreiben, obwohl nur eine geringe Beein-flussung durch die Sonneneinstrahlung erfolgt. Ebenso ist zu beachten, dass eine Abhngigkeit der Klimatisie-rung von der Raumstruktur und den Komfortanforderun-gen besteht.

Abb. 2/4: Schematische Abhngigkeit des Leistungsbedarfs von der Gebudeklimatisierung durch einen normierten Faktor kclim

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1kclim

sehr sehrgering gering mittel hoch hoch

Leistungsbedarf zur Klimatisierung

mittlere Kalibrierungsfaktoren kclim frRechenzentren und Kchen

mittlere Kalibrierungsfaktoren kclim fr Nutzungsarten wieBros, Kaufhuser, Hotelzimmer, Theater usw.

Abb. 2/3: Schematische Abhngigkeit des Leistungsbedarfs von der Gebudestruktur durch einen normierten Faktor kstruct

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1 kleinere, einzelne Rume, Hotelzimmer, Lftung durch Fenster2 grere Bros, Lftung durch Fenster3 Einzelhandel, Praxen, Groraumbros, Klima, Standardausstattung4 Groraumbros, Kaufhaus, ..., mit gehobener Ausstattung

1100 2.000 m2

2500 4.000 m2

32.000 8.000 m2

4> 6.000 m2

kstruct

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

Inhalt

Ein- leitung


Gebudemanagement Kalibrierungsfaktor kGA/TGM

Analog zur Energieeffizienz fr die technische Auspr-gung kann fr das Gebudemanagement entsprechend der Norm EN 15232 (siehe Tab. 2/9 vorgegangen werden. Allerdings ist zu beachten, dass die Energieeffizienz-klasse D aus der EN 15232 keine Rolle fr die Planung der GA/TGM-Systeme neuer Gebude spielt. Hier zeigt sich der Vorteil unseres Vorgehens mit skalierten Kali-brierungsfaktoren. Durch die Skalierung knnen Charak-terisierungsmerkmale dem Stand der Technik angepasst und die Klassifizierung stets durch die eigenen aktuellen Erfahrungswerte festgelegt werden.

Wir lassen also die Klasse D entfallen und whlen eine neue Klasse A+, die fr GA/TGM zustzlich zu den Eigen-schaften von Klasse A durch Fernberwachung, Fern-diagnose und Fernsteuerung sowie Analysetools und Inte gration im Sinne von Smart Grid gekennzeichnet ist. Fr die vier neuen Klassen C, B, A und A+ bernehmen wir dann entsprechend die Kalibrierungsfaktoren nach Tab. 2/8.

Technische Ausprgung Kalibrierungsfaktor ktech

Selbst wenn die Funktionalitt der technischen Gebude-ausrstung feststeht, unterscheiden sich die technischen Ausfhrungen zum Teil deutlich. Hochgeschwindigkeits-aufzge bentigen hhere Anlaufstrme als langsamere Aufzge, Lfter mit elektronisch gesteuerten (en: elec-tronically controlled) EC-Motoren arbeiten stromsparend, moderne Beleuchtungsmittel reduzieren den Strombe-darf und die Wirkungsgrade vieler elektrischer Verbrau-cher unterscheiden sich abhngig von der Ausfhrung deutlich.

Eine allgemeine Klassifizierung fr die Energieeffizienz entsprechend der Norm EN 15232 ist in Tab. 2/7 aufgelis-tet. Die Effizienzfaktoren aus der EN 15232 transformie-ren wir in Tab. 2/8 auf den gewnschten Kalibrierungsbe-reich zwischen 0 und 1.

Fr weitere Typen (wie Sporteinrichtungen, Lager, Indus-trieeinrichtungen etc.) wird keine Unterscheidung ange-geben, so dass der Faktor = 0,5 fr alle Klassen gewhlt wird.

Tab. 2/7: Klassifizierung der technischen Ausprgung eines Gebudes bezglich der Energieeffizienz nach EN 15232

Klasse Energieeffizienz

A

hoch energieeffiziente Gerte und Systeme (Leichtlauf-Drehstromantriebe, EC-Lfter, LED-Leuchten, Transistorumrichter, )

regelmige Wartung, eventuell mit Fernberwachung

umfassende Kommunikations- und Steuerungsmglichkeiten

B

effizienzverbesserte Gerte und Systeme

einfache Kommunikations- und Steuerungsmglichkeiten

C

Standardgerte und -systeme, die den aktuellen Stand der Technik im Betrieb kennzeichnen

keine Kommunikationsmglichkeiten, nur mechanische Verstellung mglich

D

Einfachgerte und -systeme, die nur die geforderte Funktionalitt erfllen sollen

nur Ein/Aus-Schalter

Tab. 2/8: Kalibrierungsfaktoren ktech fr die technische Ausrstung eines Gebudes nach EN 15232 fr verschiedene Nichtwohngebude

Effizienzklasse D C B A

Bros 1,0 0,57 0,26 0

Hrsle 1,0 0,65 0,29 0

Bildungseinrichtungen (Schulen)

1,0 0,67 0,33 0

Krankenhuser 1,0 0,44 0,22 0

Hotels 1,0 0,59 0,29 0

Restaurants 1,0 0,67 0,33 0

Gebude fr Gro- und Einzelhandel

1,0 0,53 0,24 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

Inhalt

Ein- leitung


Geschtzter Leistungsbedarf

Mit dem gefundenen Kalibrierungsfaktor ktot und den beiden Grenzwerten pmin und pmax lsst sich der ge-schtzte spezifische Leistungsbedarf pspez fr die ge-samte Nutzflche eines Gebudes bestimmen.

pspez = pmin + (pmax pmin) ktot

Fr den geschtzten Leistungsbedarf des Gebudes wird der spezifische Leistungsbedarf mit der Nutzflche fr das Gebude multipliziert.

Tab. 2/9: Effizienzklassifizierung fr die Funktionsausfhrung von Gebudeautomations- und technischen Gebudemanagement-systemen Energieeffizienz nach EN 15232 zurck zu Seite 23

Klasse Energieeffizienz und Gebudemanagement

A

entspricht hoch energieeffizienten GA-Systemen und TGM vernetzte Raumautomation mit automatischer

Bedarfserfassung regelmige Wartung Energiemonitoring nachhaltige Energieoptimierung

B

entspricht weiterentwickelten GA-Systemen und einigen speziellen TGM-Funktionen vernetzte Raumautomation ohne automatische

Bedarfserfassung Energiemonitoring

C

entspricht Standard-GA-Systemen vernetzte Gebudeautomation der Primranlagen keine elektronische Raumautomation,

Thermostatventile an Heizkrpern kein Energiemonitoring

D

entspricht GA-Systemen, die nicht energieeffizient sind. Gebude mit derartigen Systemen sind zu modernisieren. Neue Gebude drfen nicht mit derartigen Systemen gebaut werden keine vernetzten Gebudeautomationsfunktionen keine elektronische Raumautomation kein Energiemonitoring

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

Inhalt

Ein- leitung


Kraftwerksstandorte richten sich nach der Verfgbarkeit von Primrenergiequellen, Khlanlagen und anderen Umgebungsbedingungen und stehen deshalb meistens abseits der Verbrauchszentren. Die elektrischen bertra-gungs- und Verteilungsnetze verbinden Kraftwerke und Stromverbraucher. Die Netze bilden somit ein berregio-nales Rckgrat mit Reserven fr die Versorgungssicher-heit und fr den Ausgleich von Lastunterschieden. Um bei der Energiebertragung die Verluste gering zu hal-ten, bevorzugt man hohe Betriebsspannungen (und damit kleinere Strme). Erst in den Lastzentren nahe am Verbraucher wird die Spannung auf die im Niederspan-nungsnetz blichen Werte transformiert.

Die Randbedingungen fr die Wahl der Versorgungsspan-nung und die Ausfhrung der technischen Anschluss-rume werden in den Technischen Anschlussbedingun-gen (TAB) des Verteilnetzbetreibers (VNB) beschrieben. Abhngig von der Situation des VNB hinsichtlich Versor-gungsdichte, Netzkurzschlussleistung und Versorgungs-qualitt kann eine Anschlussleistung zwischen 150 und 1.000 kW bereits den Anschluss an die Mittelspannungs-ebene sinnvoll machen. Da es keine einheitliche Rege-lung gibt, ist dies bei der Planung mit dem zustndigen VNB zu besprechen.

2.4 Betriebsspannungen in Versorgungs- und Verteilungsnetzen

Fr die verschiedenen Aufgaben der elektrischen Ener-gieversorgung und -verteilung werden unterschiedliche Spannungen eingesetzt. Nach internationalen Regeln gibt es zunchst zwei Spannungsgruppen: Niederspannung (NS):

bis einschlielich 1.000 V AC (oder 1.500 V DC) Hochspannung (HS):

ber 1 kV AC (oder 1,5 kV DC)

Mit Niederspannung arbeiten die meisten elektrischen Gerte in Haushalts-, Gewerbe- und Industrieanwendun-gen. Mit Hochspannung wird elektrische Energie sowohl ber sehr groe Entfernungen transportiert als auch, regional feiner verstelt, bis in die Lastschwerpunkte verteilt. Fr Transport und regionale Verteilung sind unterschiedlich hohe Spannungen in Gebrauch, weil die Aufgaben und Anforderungen fr Schaltgerte und Schaltanlagen sehr unterschiedlich sind. So hat sich fr die Spannungen, mit denen elektrische Energie regional verteilt wird, der Begriff Mittelspannung (IEC 60050-601) herausgebildet (Abb. 2/5). Mittelspannung (MS):

ber 1 kV AC bis einschlielich 52 kV AC die meisten Netz-Betriebsspannungen liegen im Bereich 3 bis 40,5 kV (Abb. 2/5)

Abb. 2/5: Spannungsebenen vom Kraftwerk bis zum Verbraucher

1 2 1 3

Mittelspannung1 Hochspannung2 Niederspannung3

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

Inhalt

Ein- leitung


Industrienetzen Betriebsspannungen zwischen 3 kV und 15 kV zu finden.

Die jeweilige Versorgungsaufgabe, die Gebudeabmes-sungen, die Anzahl der Stockwerke ber/unter der Erde, die Gebudenutzung sowie die Ausstattung und Leis-tungsdichte bestimmen die erforderliche Netzstruktur. blicherweise erfordern Bereiche unterschiedlicher Leistungsdichte auch unterschiedliche Netzstrukturen. Dabei sollten besonders die Versorgungssicherheit und die Versorgungsqualitt der elektrischen Energievertei-lung beachtet werden. Eine optimale Netzstruktur sollte folgende Anforderungen erfllen: Geringe Investitionen Einfacher Netzaufbau Hohe Versorgungssicherheit und -qualitt Geringe Netzverluste Gnstige und flexible Erweiterungsmglichkeiten Geringe elektromagnetische Beeinflussung

Folgende Eigenschaften sind fr eine geeignete Netz-struktur zu bestimmen: Anzahl der Einspeisepunkte Gre und Art der Einspeisequellen Zentrale oder dezentrale Aufstellung der Einspeise-

quellen Art der Vermaschung und Gre der Ausfallreserve Art der Erdverbindung und Sternpunktbehandlung

Abhngig vom VNB kann zum Beispiel bei einem Leis-tungsbedarf von mehr als 150 kW (Hausanschluss mit 250 A) ein direkter Kundenanschluss an eine Transforma-torstation des VNB (Netzebene 6 in Tab. 2/10) mglich sein und bei der Neuerstellung eines Netzanschlusses ber 300 oder 400 kW die Anbindung in der Mittelspan-nungsebene (Netzebene 5) erlaubt werden. Meistens wird noch ein Leistungsfaktor cos vorgegeben (Tab. 2/10).

Im lokalen Niederspannungsnetz wird zudem zwischen Netzebene 7a und 7b unterschieden. Zur Netzebene 7a gehren Haushalte und kleinere Gewerbekunden mit einem Strombedarf bis etwa 300 A und 230/400-V-Ein-speisung. Industrie- und Gewerbebetriebe mit einem Strombedarf ber 300 A mit 400-V-Anschluss werden zur Netzebene 7b gerechnet.

In der ffentlichen Elektrizittsversorgung wird der grte Teil der Mittelspannungsnetze zwischen 10 kV und 30 kV betrieben. Die Werte sind in den einzelnen Lndern sehr unterschiedlich, bedingt durch die histori-sche Entwicklung der Technik und die rtlichen Gege-benheiten. Der rumliche Versorgungsradius eines Mittelspannungsnetzes liegt in der Stadt mit 10 kV Betriebsspannung bei etwa 5 bis 10 km und im lnd-lichen Bereich mit 20 kV Betriebsspannung bei etwa 10 bis 20 km. Dies sind lediglich Orientierungswerte. In der Praxis hngt der Versorgungsbereich sehr stark von rtlichen Gegebenheiten ab, beispielsweise von der Abnehmerstruktur (Last) und der geographischen Lage.

In Industriebetrieben mit Mittelspannungsnetzen gibt es, abgesehen von der ffentlichen Einspeisung, noch andere Spannungen, die sich nach den Verbrauchern richten. Meistens sind die Betriebsspannungen der installierten Motoren magebend. Sehr hufig sind in

Tab. 2/10: Netzebenenstruktur im UCTE-Netz (en: Union for the Co-ordination of Transmission of Electricity dt: Vereinigung zur Koordination des Elektrizittstransports)

Netzebene 1 bertragungsnetz Hchstspannungsnetz220/380 kV 3~, HG bis 800 kV DC

Grokraftwerke, Windparks, europisches Verbundnetz

Netzebene 2 Umspannwerk, Unterwerk Hchst- auf Hochspannung

Netzebene 3 berregionales Verteilnetz Hochspannung 110 kV 3~Mittelgroe Kraftwerke, z. B. Bio- und Wasserkraftwerke

Netzebene 4 Umspannwerk, Unterwerk Hoch- auf Mittelspannung HS/MS

Netzebene 5 Regionales Verteilnetz Mittelspannung 10/20/30 kV 3~Kleinkraftwerke, z. B. Windkraft- und PV-Anlagen

Netzebene 6 Transformatorstation Mittel- auf Niederspannung MS/NS

Netzebene 7Lokales Nieder-spannungsnetz

Niederspannung 230 V 1~ / 400 V 3~Kleinkraftwerke, z. B. PV-Anlagen, Brennstoffzellen

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

Inhalt

Ein- leitung


Allgemein gilt, dass Stromkreise fr Sicherheitszwecke, die durch brandgefhrdete Bereiche gefhrt werden, feuerbestndig ausgefhrt sein mssen. Sie drfen keinesfalls durch explosionsgefhrdete Bereiche gefhrt werden. In der Regel erfolgt bei Einrichtungen fr Sicher-heitszwecke eine automatische Stromversorgung, deren Einschaltung unabhngig vom Bedienpersonal erfolgt. Eine automatische Versorgung wird entsprechend IEC 60364-1 (VDE 0100-100) gem ihrer maximalen Umschaltzeit wie folgt klassifiziert: Unterbrechungsfrei: automatische Versorgung, die

whrend der Umschaltung eine fortlaufende Versor-gung innerhalb festgelegter Bedingungen, zum Beispiel hinsichtlich Spannungs- und Frequenzschwankungen, sicherstellen kann

Sehr kurze Unterbrechung: automatische Versorgung, die innerhalb von 0,15 s zur Verfgung steht

Kurze Unterbrechung: automatische Versorgung, die innerhalb von 0,5 s zur Verfgung steht

Mittlere Unterbrechung: automatische Versorgung, die innerhalb von 15 s zur Verfgung steht

Lange Unterbrechung: automatische Versorgung, die nach mehr als 15 s zur Verfgung steht

In der Norm IEC 60364-5-56 (VDE 0100-560) werden folgende Beispiele fr Einrichtungen fr Sicherheits-zwecke aufgefhrt: Notbeleuchtung/Sicherheitsbeleuchtung Feuerlschpumpen Feuerwehraufzge Gefahrenmeldeanlagen wie zum Beispiel Brandmelde-

anlagen, Kohlenmonoxid(CO)-Warnanlagen und Ein-bruchmeldeanlagen

Evakuierungsanlagen Entrauchungsanlagen Wichtige medizinische Systeme

2.5 Art der Einspeisung

Die Zufuhr der elektrischen Energie in das Netz kann auf verschiedene Arten erfolgen und wird bestimmt durch die primre Funktion (Tab. 2/11). Die Einspeisung erfolgt bei der allgemeinen Stromversorgung (AV) ber: Direkten Anschluss aus dem ffentlichen Niederspan-

nungsnetz: in Deutschland zum Beispiel bis zirka 300 kW (2-mal 250 A Hausanschluss) bei 400/230 V

bergabe aus dem Mittelspannungsnetz (bis 52 kV) ber ffentliche oder eigene Umspannstationen (in Deutsch-land zumeist mit Transformatoren von 0,5 bis 2,5 MVA)

Fr die Netzersatzeranlage (NEA) erfolgt die Auswahl der Stromquellen in Abhngigkeit von Vorschriften und Bestim-mungen sowie von der zulssigen Unterbrechungszeit: Generatoren fr allgemeinen Netzersatzbetrieb und/

oder zur Sicherheitsversorgung (SV) USV-Anlagen

Statische USV aus Gleich-/Wechselrichtereinheit und Batterie oder Schwungmassenspeicher fr die berbrckung von Spannungsausfllen

Rotierende USV bestehend aus Motor/Generatorsatz mit Schwungmassenspeicher oder mit einer Batterie samt Gleich-/Wechselrichtereinheit zur berbrckung

Im Infrastrukturbereich hat sich die in Abb. 2/6 darge-stellte Konstellation mit der zugehrigen Beschreibung in Tab. 2/11 bewhrt.

Da die Stromkreise fr Verbraucher der Sicherheitsstrom-versorgung getrennt zu verlegen sind, ist deren Platzie-rung im Gebude bei Budgetbetrachtungen von Rele-vanz. Ergnzend gibt es in Deutschland gesetzliche Vorschriften und Regelungen, die den Funktionserhalt von Kabeln und Leitungen im Brandfall fordern.

Tab. 2/11: Art der Einspeisung

Art Beispiel

Allgemeine Strom-versorgung (AV)

Versorgung aller im Gebude vorhandenen Anlagen und Verbraucher

Sicherheitsstrom-versorgung (SV)

Versorgung von Anlagen, die im Gefahrenfall Personen schtzen: Sicherheitsbeleuchtung Feuerwehraufzge Lschanlagen

Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV)

Versorgung empfindlicher Verbraucher, die bei AV-Ausfall unterbrechungsfrei weiterbetrieben werden mssen: Notbeleuchtung Server/Rechner Kommunikationstechnik

Abb. 2/6: Art der Einspeisung

TIP0

1_1

1_0

13

_DE

AV-Netz NEA-Netz

USV-VerbraucherSV-VerbraucherAV-Verbraucher

USV

T1 T2 T3G

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

Inhalt

Ein- leitung


Die in Abb. 2/7 skizzierte Vorgehensweise kann von Auftraggebern und/oder Planern genutzt werden, um eine nutzungsspezifische Einstufung unterschiedlicher Verbraucher und der zugehrigen unternehmenskriti-schen Aufgaben vorzunehmen zu knnen. Kriterien fr die Bestimmung geschftskritischer Prozesse knnen zum Beispiel sein: Auswirkungen auf Leben und Gesundheit Schutz wichtiger Rechtsgter Einhaltung von Gesetzen und Vorschriften Verlust des Ansehens der Institution beziehungsweise

Unternehmens

Abb. 2/7: Ablaufdiagramm zur Abschtzung von AV, SV und USV

Prozessdefinition/Beschreibung Fachaufgabe

Festlegung der zulssigenZeitdauer fr einen Stromausfall

Ist der Prozess/die Fachaufgabegeschftskritisch?

Nein

NeinNein

JaJa

Ja

Nein

Ja

Bercksichtigung aller elektrischenEnergieverbraucher,

die zum Prozess beitragen

Ist ein manuellerNotbetrieb

(eventuell teilweise)mglich?

Verbraucher an SVVerbraucher an USV,

die ber AV versorgt wird

Verbraucher ber USVdirekt an AV-Versorgung

Verbraucher an USV,die ber NEA versorgt wird

Verbraucher an USV berSV-Versorgung anschlieen

Gengt einekrzere berbrckungszeit,

z. B. fr einenShutdown-Prozess?

Verbraucher an AV

Ist eine kurzeUnterbrechung

der Stromversorgungzulssig?

TIP0

1_1

1_0

14

_DE

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

Inhalt

Ein- leitung


2.6 Zentrale oder dezentrale Aufstellung in der Nieder-spannungsversorgung

Bei der Gestaltung der Einspeisung wird ab-hngig von den rumlichen Gegebenheiten und den zugehrigen Lastanforderungen zwischen zentraler und dezentraler Einspei-sevariante unterschieden. Bei einer zentralen Aufstellung speisen die Transformatoren von einem Ort in die verschiedenen Energievertei-lungszweige ein. Bei dezentraler Aufstellung werden die einzelnen Transformatoren an Lastschwerpunkten aufgestellt, sodass eine grere rumliche Verteilung ntig ist. Abb. 2/8 zeigt die wesentlichen Vorteile einer dezentralen gegenber einer zentralen Einspeisung.

Knnen oder sollen zum Beispiel im industriel-len Umfeld keine eigenen Stationsrume gebaut werden, bieten die Transformator-Schwerpunktstationen (S-Stationen, siehe Abb. 2/9) eine kompakte und einfach installier-bare Lsung fr die dezentrale Strom-versorgung.

Abb. 2/8: Vergleich von Einspeisevarianten hinsichtlich Kurzschlussstrom Ik und Spannungsfall u

Dezentrale Stromversorgung Zentrale Stromversorgung

TIP0

1_1

1_0

20

_DE

T1

bessere Spannungsstabilittgeringere Netzverlusteerleichterte Einhaltung der Abschaltbedingungennach IEC 60364-4-41 (VDE 0100-410)

schlechtere Spannungsstabilitthhere Netzverlusteerschwerte Einhaltung der Abschaltbedingungennach IEC 60364-4-41 (VDE 0100-410)

EV1

kA

u%

kA

u%

EV2 EV3 EV4 EV5 EV6 EV7 EV8

T2 T3 T4

EV1

EV2

T1

T2

T3

T4

EV3

EV4

EV5

EV6

EV7

EV8

Ik Ik

Abb. 2/9: Transformator-Schwerpunktstation SITRABLOC

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

Inhalt

Ein- leitung


Mit einer Ringleitung als Erweiterung des Stichnetzes (Abb. 2/10) kann ein Ringnetz aufgebaut werden. Abhn-gig von den rumlichen Strukturen knnen die Investitio-nen fr ein offenes Ringnetz niedriger oder hher sein als fr ein Stichnetz. Ein Stichnetz bietet Vorteile, wenn einzelne Transformatoren die Niederspannungsversor-gung auf engem Raum bewerkstelligen sollen. Bei einer groflchigen Verteilung mit einzelnen Schwerpunkten von mehreren Transformatoren kann ein Ringnetz Vor-teile bei den Investitionskosten haben.

In Bezug auf Platzbedarf, Leistungsbedarfsdeckung, Umweltfreundlichkeit und Kabelkosten sind die Unter-schiede zwischen den beiden Netzformen gering. Zwar werden im Ringnetz hufig krzere Leitungslngen vorkommen, aber wegen der bertragung hherer Leistungen von einem Ringendpunkt zum anderen muss ein grerer Leitungsquerschnitt eingesetzt werden.

Bei den Netzverlustkosten unterscheiden sich das Stich-netz und das offen betriebene Ringnetz nur unwesent-lich voneinander. Minimale Vorteile ergeben sich beim geschlossen betriebenen Ringnetz. Allerdings ist dabei

2.7 Netzstrukturen

Ausgehend von den Einspeisungen unterscheiden sich die elektrischen Energieverteilungsnetze nach Art der Vermaschung. Folgende Grundstrukturen werden unter-schieden: Strahlennetze Ringnetze Maschennetze

Das stichgespeiste Strahlennetz (Abb. 2/10) ist die ein-fachste Form. Vorteile sind eine einfache Netzberwa-chung und Netzschutz sowie eine schnelle Fehlerlokali-sierung und eine einfache Betriebsfhrung. Verdoppelt man den Aufwand, gelangt man zum Doppelstichnetz. Jeder Lastschwerpunkt kann ber zwei verschiedene Pfade erreicht werden. Die Schaltgerte werden nur bei Bedarf geschlossen. Bei hohen Anforderungen an die Versorgungssicherheit kann jede Einspeisung von einem unabhngigen Versorgungsnetz gespeist werden. Durch die Unabhngigkeit der Netze wirkt sich eine Strung in einem der beiden Netze nicht auf das jeweils andere Netz aus.

Abb. 2/10: Strahlen- und Ringnetz fr den Anschluss dezentraler S-Stationen

Hauptschaltanlage

EinspeisungEinspeisungTIP04_13_003_DE

Hauptschaltanlage

Ringnetz normalerweise offen (n.o.)Strahlennetz (Stichnetz)

Station 1Station 4

Station 3

Station 2

Station 1

Station 6

Station 4

Station 5

Station 3

Station 2Station 5

Station 6

n.o.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

Inhalt

Ein- leitung


der Schutz des geschlossenen Rings mit Leistungsschal-tern und Leitungsdifferentialschutz beziehungsweise Richtungsschutz ntig. Die zustzlichen Kosten machen sich bei den Investitionen bemerkbar.

Bei einem Kabelfehler im offenen Ringnetz fallen alle Stationen nach dem Ort des Fehlers bis zum normaler-weise offenen Lastschalter aus. Bei einer niederspan-nungsseitigen Vermaschung der Ringstationen knnte der Ausfall eines groen Teilrings zur berlastung und Abschaltung auch nichtbetroffener, noch betriebsfhiger Transformatoren fhren. Der Kabelfehler im Stichnetz fhrt hingegen nur zum Ausfall einer Station.

Nur mit einem geschlossenen Ringnetz und dem ent-sprechenden Schutzaufwand liee sich eine solche Zuverlssigkeit auch im Ringnetz bewerkstelligen. Dar-ber hinaus bietet das geschlossene Ringnetz eine Sofort-reserve beim Kabelfehler, whrend das Stichnetz nur eine Umschaltreserve ermglicht. Ein einfacher Fehler mit Transformatorausfall kann in beiden Netzen unter-brechungsfrei beherrscht werden, wenn die (n-1)-Redun-danz (siehe Kap. 5) fr die Transformatoren gegeben ist.

Des Weiteren sind beim Betrieb eines Ringnetzes immer dezentrale Schalthandlungen erforderlich, welche die Bedienungsfreundlichkeit mindern. Schaltungen zur Fehlereingrenzung und Schalteingriffe, um einen defi-nierten Schaltungszustand im Havariefall zu erreichen, sind komplizierter als bei einem strahlenfrmigen Netz. Die witterungsabhngige elektrische Energieeinspeisung der Solar- und Windkraftwerke belastet zunehmend die Netze wegen nur unzureichend planbarer Schwankun-gen. Entsprechend werden eine sichere Zu- und Abschal-tung von Teilen der Netze und eine zugehrige Situati-onserkennung immer wichtiger.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

Inhalt

Ein- leitung


elektromagnetische Vertrglichkeit (EMV). Erfahrungs-gem hat das TN-S-System das beste Aufwand-Nutzen-Verhltnis fr elektrische Netze in der Niederspannung.

Im TN-System wird bei Krperschluss der wesentliche Anteil des 1-poligen Fehlerstroms nicht ber Erde, son-dern ber den Schutzleiter zur Stromquelle zurckge-fhrt. Der verhltnismig hohe 1-polige Fehlerstrom ermglicht den Einsatz einfacher Schutzgerte wie Sicherungen oder Leitungsschutzschalter, die den Fehler

2.8 Netzsysteme nach Art der Erdverbindung

Die in Betracht kommenden Netzsysteme nach Art der Erdverbindung werden in der Norm IEC 60364-1 (VDE 0100-100) beschrieben. Die Art der Erdverbindung des Mittel- beziehungsweise Niederspannungsnetzes ist mit Bedacht zu whlen, da sie mageblich den Aufwand fr die Schutzmanahmen bestimmt (Abb. 2/11). Des Weiteren beeinflusst sie niederspannungsseitig die

Abb. 2/11: Systeme nach Art der Erdverbindung gem IEC 60364-1 (VDE 0100-100)

TIP0

1_1

1_0

19

_DE

TN-System: Im TN-System ist ein Betriebsleiter direkt geerdet; die Krper der elektrischen Anlage sind ber Schutzleiter mit diesem geerdeten Punkt verbunden. Man unterscheidet in Abhngigkeit von der Anordnung der Schutz- (PE) und Neutralleiter (N) drei Systeme:

TT-System: Im TT-System ist ein Betriebsleiter direkt geerdet, die Krper der elektrischen Anlage sind mit Erdern verbunden, die elektrisch unabhngig vom Erder des Systems sind.

IT-System: Alle aktiven Beriebsleiter sind im IT-System von Erde getrennt, oder ein Punkt ist ber eine Impendanz mit Erde verbunden.

Erster Buchstabe = Erdungsbedingung der speisende StromquelleT = direkte Erdung eines Punktes (aktiver Leiter)I = kein Punkt (aktiver Leiter) oder ein Punkt der Stromquelle ist ber eine Impendanz mit Erde verbunden

Zweiter Buchstabe = Erdungsbedingung der leitfhigen Krper in der elektrischen AnlageT = Leitfhige Krper sind einzeln, in Gruppen oder gemeinsam mit Erde verbundenN = Leitfhige Krper sind ber Schutzleiter direkt mit dem geerdeten Punkt der elektrischen Anlage (in der Regel N-Leiter in der Nhe der Stromquelle) verbunden

Weitere Buchstaben = Anordnung des Neutral- und des SchutzleitersS = Neutralleiter- und Schutzleiterfunktion sind als getrennte Leiter verlegtC = Neutralleiter- und Schutzleiterfunktion sind kombiniert in einem Leiter verlegt (PEN)

Strom-quelle

Elektrische Anlage

a) TN-S-System: Im gesamten System werden Neutral- (N) und Schutzleiter (PE) getrennt verlegt.

b) TN-C-System: Im gesamten System sind die Funktion des Neutral- und die des Schutzleiters in einem Leiter kombiniert (PEN)

c) TN-C-S-System: In einem Teil des Systems sind die Funktion des Neutral- und die des Schutzleiters in einem Leiter kombiniert (PEN)

Strom-quelle Elektrische Anlage

Strom-quelle

Elektrische AnlageStrom-quelle

Elektrische Anlage

Strom-quelle Elektrische Anlage

1

2

3

4

leitfhiger Krper

hochohmige Impendanz

Betriebs- oder Systemerdung RB

Krpererdung RA (einzeln, in Gruppen oder gemeinsam)

L1

N

L2L3

PE

13

1 13

1 13

1

L1

PEN

L2L3

L1

PEN PEN

L2L3

13 4 1

2

3 4

L1

N

L2L3

RB RA

L1

N

L2L3

RB RA

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

Inhalt

Ein- leitung


in der zulssigen Fehlerabschaltzeit abschalten. In der Gebudetechnik werden heute Netze mit TN-System bevorzugt. Bei Einsatz eines TN-S-Systems im ganzen Gebude knnen Gebudestrme und damit eine elek-tromagnetische Beeinflussung durch galvanische Kopp-lung bei Normalbetrieb verhindert werden, da der Rck-fluss von Betriebsstrmen ausschlielich ber den sepa-rat verlegten isolierten N-Leiter erfolgt (Tab. 2/12). Bei zentraler Anordnung der Stromquellen ist grundstzlich das TN-System zu empfehlen. Dabei wird die Betriebser-dung fr alle Quellen an einem zentralen Erdungspunkt (ZEP), zum Beispiel in der Niederspannungs-Hauptvertei-lung durchgefhrt.

Zu beachten ist, dass weder PEN noch PE geschaltet werden drfen. Wird ein PEN-Leiter genutzt, so ist dieser in seinem gesamten Verlauf, auch in der Vert

TIP - Siemens Global Websitew3.siemens.com/powerdistribution/global/DE/consultant-support/... · 7....

Documents

Transcript of TIP - Siemens Global Websitew3.siemens.com/powerdistribution/global/DE/consultant-support/... · 7....