Изложим некоторые соображения о системе распределения электричества в жилых домах — не в виде подробного трактата, а лишь для выяснения требований к этому важному элементу строительства здания. Система разводки электричества во многом похожа на рисунок дерева (это сравнение уже использовалось при описании системы водоснабжения). Главным стволом служит подводимый к дому питающий кабель достаточно большого сечения, чтобы обеспечить питание всех ветвей, но не настолько большого, чтобы превысить сечение этих ветвей, вместе взятых. Каково же должно быть сечение этого кабеля?

Определить потребность в электроэнергии для фабрики легко. Следует сложить мощность всех двигателей, которые будут работать одновременно, всех осветительных приборов, которые при этом используются, учесть все другие дополнительные потребности в электричестве, известные заранее, а также фактор обеспечения надежности на случай непредвиденного расхода энергии, и тогда можно получить искомый результат. Жилище — другое дело. Сколько осветительных и бытовых приборов могут быть включено одновременно? Будут ли использоваться все розетки, причем важно знать, будут ли они включаться постепенно или внезапно все сразу? Имеются ли электроплиты, а если они имеются, то будут ли использоваться в то время, когда будут включены кондиционеры воздуха (ответ будет положительным)? Должна ли линия, обслуживающая сто квартир, быть в 100 раз мощнее, чем линия, обслуживающая одну квартиру (ответ будет отрицательным)?

Лучше всего на эти вопросы отвечает опыт. Обобщение практики и результаты экспериментов находят свое отражение в виде утвержденных минимальных стандартов, издаваемых для всех районов. Это не означает, что опытный проектировщик не может выбрать более мощную систему электроснабжения и большее сечение кабелей, чем этого требуют нормы. Нормы основаны на множестве отчетов и наблюдений с учетом более чем достаточных факторов надежности и сводят к минимуму вероятность выбора недостаточно мощной системы. Поэтому указанные в нормах минимальные стандарты обычно принимаются для определения сечения кабелей.

Рассмотрим процесс выбора мощности вводных кабелей для обычного жилого дома с помощью типичных норм для решения электроснабжения (Национальные электротехнические нормы, опубликованные Национальной ассоциацией пожарной безопасности Соединенных Штатов, широко используемые по всей стране). Сначала немного о напряжении. Ранее было указано, что обычное напряжение, используемое в жилище, 115 В. Наиболее экономичный метод подводки такого напряжения — трехфазная подводка, где два проводника идут от электрогенератора, а третий служит для заземления. Напряжение между двумя «живыми» проводниками составляют 230 В. Вследствие определенных явлений, объяснение которых выходит за рамки настоящего рассмотрения, напряжение между любым из «живых» проводов с проводом заземления составит ровно половину этого значения, или 115 В. Такое положение создает относительную безопасность, так как случайный контакт человека с электросистемой обычно связан с одним проводом, одним оборванным соединением, одним контактом розетки, и худшим результатом будет удар в результате заземления тока через тело пострадавшего от одного «живого» провода. В таком случае мы будем иметь дело с током 115 В. Более опасный инцидент может произойти, если жертва его сделает себя проводником между двумя «живыми» проводами. Имея это обстоятельство в виду, можно рекомендовать следующие параметры для жилища с общей площадью 230 м² (согласно Национальным электротехническим нормам):

ОЦЕНКА НАГРУЗКИ

• 230 м² при 33 Вт на 1 м²..... 7 500 Вт
• Два кухонных агрегата по 1 500 Вт каждый..... 3 000 Вт
• Всего..... 10 500 Вт

РЕАЛЬНАЯ НАГРУЗКА

• Первые 300 Вт — 100% использования..... 3 000 Вт
• Остальные 7500 Вт — 35% использования..... 2625 Вт

ПОСТОЯННАЯ НАГРУЗКА

• Электроплита кухонная с полной мощностью..... 12000 Вт.
• Максимальное использование, исчисляемое на любой момент..... 8000 Вт
• Электросушка одежды..... 4600 Вт
• Электрическое отопление..... 25000 Вт
• Кондиционирование воздуха..... 15000Вт

В связи с тем, что эти устройства не могут работать одновременно, используем только наибольшую величину..... 25000 Вт

Полная нагрузка..... 43225 Вт

Возвращаясь к исходной формуле, согласно которой напряжение, умноженное на силу тока, дает мощность, находим силу тока в амперах:

Сила тока =  мощность/ напряжение = 43 225 / 230 = 188 А

Отдавая дань консерватизму и надежности в решении электросистемы, нормы предусматривают, что ни одна линия не может быть нагружена более, чем на 80% ее расчетной мощности. В нашем примере это означает, что полная мощность системы должна быть 188:0,80, т.е. 235 А. К сожалению, в обращении нет сечений кабеля, рассчитанных на силу тока между 200 и 400 А, и приходится остановиться на сечении, соответствующем 400 А с защитой сети 250-амперным плавким предохранителем. Это решение наиболее приближенное к расчетной силе тока 235 А. Вся арматура проводки будет соответственно рассчитана на 250 А.

Выбор сечения кабеля для крупного здания или комплекса ведется тем же путем с определенными вариациями. «Степень использования», которая отражает предположение о том, что не все электрооборудование в здании будет находиться под током одновременно, будет тем ниже, чем больше квартир обслуживается. Должны быть учтены мощности двигателей для лифтов, насосов, вентиляции и кондиционирования, а также для освещения общего коридора, вестибюля и наружного освещения. Рабочее напряжение вполне может быть 460 вместо 230 В при трехфазной проводке вместо однофазной, которая использовалась в примере, хотя это и не указывалось. Использование трехфазной сети значительно более экономично для выбора сечения проводов и в любом случае обязательно для крупных электродвигателей. Следует сказать также, что в конечном подсчете силы тока при трехфазной системе проводки напряжение в знаменателе увеличивается в 1,732 раза. Таким образом, если жилище, взятое в примере, обслуживалось бы трехфазной системой с напряжением 230 В, то подсчет силы тока должен был бы выглядеть так:

Сила тока = 43 225 / (233х 1,732) = 109 А

Такая сила тока требует 200-амперного кабеля. Однако технические затруднения приводят к тому, что квартиры, как правило, обслуживаются однофазной проводкой. В результате в многоквартирном доме используется общедомовая трехфазная проводка в сочетании с однофазными ответвлениями в квартиры. Различные виды электротехнических устройств в доме, требующие электроэнергии, могут работать при любых из трех возможных решений фазности тока.

Ранее уже упоминалось, что при каждом вводе электричества в здание должен быть главный кабель (или группа кабелей, в общем адекватная потребной силе тока). Остальная система состоит из заполнения «кроны дерева». В небольшой квартире может быть лишь несколько «ветвей».

Типичное решение размещения осветительных и электротехнических приборов в квартире: 1 — розетки для бытовых приборов; 2 — светильник над мойкой с кнопочным включением; 3 — варианты размещения панели с предохранителем-прерывателем; 4 — при наличии светильника над умывальником верхний свет может быть исключен или заменен облучателем; 5 — следует избегать совпадения места установки розеток с двух сторон перегородки

Для обеспечения безопасности и удобства эксплуатации выпуски комбинируют в группы — ветвевые цепи,— питаемые двумя проводами и защищенные одним прерывателем или плавким предохранителем. Эти группы разбиваются так, чтобы одна цепь не несла нагрузку более 1400 Вт в худших нагрузочных условиях. Может показаться, что это большая нагрузка. Телевизор, берущий 550 Вт, лампа в 300 Вт и пять 100-ваттовых ламп могут быть вполне логично подсоединены к одной цепи. С другой стороны, типовой кондиционер воздуха, требующий 2100 Вт, вызывает потребность в специальных прерывателях с повышенной устойчивостью и большего сечения проводов.

Все участки системы подсоединяют к одному распределительному щиту, где размещаются и обслуживающие их прерыватели. Щит представляет собой шкаф с достаточным количеством стояков, прерывателей и зажимов для соединения проводов в удобных для пользования устройствах.

В квартире небольшой площади на распределительном щите может быть также смонтирован и главный выключатель цепи. Распределительный щит размещают в том месте, откуда питание подводится к квартире; отсюда берут начало цепи, обеспечивающие током освещение, розетки для приборов, кухонное оборудование, кондиционеры, электроплиту, приборы для сушки одежды и отопления. Число цепей в жилище может колебаться от 4 (в квартире для пожилых) до 24 (в большом индивидуальном доме). Иногда удобно и экономично разделить систему, обслуживающую квартиру, на два или более распределительных щита; например, один для обслуживания зоны спален, другой для зоны дневного пребывания. Главный выключатель цепи, обслуживающий главный распределительный щит, располагают рядом с ним или монтируют в него. Главный распределительный щит в этом примере содержит два прерывателя, обеспечивающие защиту кабелей питания и достаточно емкие, чтобы обслуживать распределительные щиты. Распределительные щиты встраивают в легкодоступных местах, но так, чтобы они были незаметными (например в полых перегородках, в которых проходят защитные трубки с проводами или кабели, идущие к щиту или от него). Толщина перегородки должна быть такой, чтобы полностью скрыть коробки щитов глубиной около 10 см, оставив только фронтальную ее часть видимой и доступной.

В принципе такой же характер решения имеет и система распределения электрообеспечения в многоэтажных жилых домах: предусмотрена входящая линия от трансформаторов и один или более кабелей сравнительно высокого напряжения; основной распределительный щит, на котором смонтированы прерыватели или плавкие предохранители мощных насосов и вентиляционных моторов, приборов освещения мест общественного пользования, лифтов и стояков, направляющихся к квартирам, в этом случае имеет большие размеры. От главного распределительного щита могут также отходить стояки, ведущие к дополнительным распределительным щитам, размещенным в разных частях здания. От них получают ток различные сети, обеспечивающие служебные цели (моторы и освещение).

Решение подводки питания к квартирам в многоэтажных зданиях зависит от типа дома. В зданиях до шести этажей более экономично подводить стояки в квартиры. Распределительные щиты квартир размещают в этом случае во встроенных шкафах на кухнях или в коридорах один над другим. В нижних щитах предусматривают сквозной проход для питательных кабелей в верхние квартиры. В одном месте поднимается столько стояков в защитных трубках, сколько квартир обслуживается этим каналом вертикальной разводки.

В более высоких зданиях экономичнее устраивать единый короб вертикальной проводки, проходящий через электрощитовые помещения в общих коридорах на каждом этаже. В зданиях не только с большим количеством этажей, на и с большой площадью этажа может быть несколько вертикальных узловых коробов (каждый из которых рассчитывается на обслуживание 8—12 квартир на этаже), что требует устройства такого же количества поэтажных электрощитовых помещений. Если структура здания сложная и невозможно вести питание ко всем квартирам этажа из одного узла, иногда бывает целесообразно предусмотреть несколько вертикальных стояков, даже если каждый из них будет обслуживать только одну или две квартиры на этаже. В этом случае в зависимости от потребной мощности оборудования квартир может быть достигнут экономический эффект за счет применения стояков в защитных трубках вместо коробов.

а — центральная электрощитовая комната (вверху для небольшого здания, внизу для крупного здания); б — поэтажный электрощитовой шкаф (вверху для небольшого, внизу для крупного здания); 1 — аварийная панель; 2 — счетчик; 3 — основное оборудование распределения и обслуживания; 4 — аварийный генератор; 5 — управление генератором; 6 — выключатель трансформатора; 7 — трансформатор для переведения тока на напряжение 120 или 240 В; 8 — главные квартирные выключатели и счетчики; 9 — отключатели тока; 10 — вертикальная подводка в защитных трубках; 11 — вентиляционные отверстия в нижней и верхней части двери; 12 — трансформаторы через этаж; 13 — главные квартирные выключатели и счетчики через этаж; 14 — вертикальная подводка в защитных трубках для коридора, лифтов, аварийного освещения; 15 — отключатель тока для квартир через этаж; 16 — вертикальная проводка в коробе

Возможно различное решение электрощитовых шкафов и помещений. Основные их элементы — стояк, выключатель цепи или прерыватель для питательного кабеля, который отходит от стояка, обеспечивая квартиры данного этажа и главные выключатели, защищающие кабели каждой квартиры. Подводка к квартирам ведется скрыто (в конструкциях) от электрощитовой до квартирных электрощитовых панелей с выключателями. При устройстве одного электрощитового шкафа все эти элементы находятся в нем на каждом этаже.

В зданиях, где подведен ток с напряжением 460 В, необходимы трансформаторы для обслуживания питания квартир. Место для трансформаторов во многих случаях может быть удобно выделено через этаж с чередованием их со щитками главных квартирных выключателей. Так, на втором, четвертом, шестом и всех следующих четных этажах трансформаторы, достаточно мощные для обслуживания двух этажей, могут быть встроены в электрощитовые шкафы. Соответственно на третьем, пятом, седьмом и всех последующих нечетных этажах размещают щитки главных выключателей для обслуживания квартир двух этажей. Кроме этого, возможны и другие приемы решения в зависимости от числа квартир, размеров электрощитовых шкафов и других подобных факторов. В некоторых зданиях, в которых предусмотрено электроотопление, основной питательный кабель несет ток напряжением 12000 В. Этот кабель и соответствующие трансформаторы нельзя размещать в одних шкафах с квартирными выключателями, так как существует опасность контакта с током высокого напряжения, и поэтому чаще их размещают в примыкающих к электрощитовым шкафам специальных закрытых помещениях, доступ в которые имеет только административный персонал.

Рассматривая системы распределения электроэнергии, мы пока не касались подсчета количества электроэнергии, используемой жильцами. Если в жилом комплексе предусматривается собственное производство электроэнергии и на каждую квартиру выставляются счета за использованную ими энергию или электрообслуживание возлагается на электроэнергетическую компанию и жильцы платят владельцу комплекса или компании за потребляемую энергию, то распределительная система электроснабжения должна включать счетчики для каждой квартиры. Счетчики обычно монтируют в блоки при заводском изготовлении вместе с главными квартирными выключателями; они требуют немного больше места, чем блок главных выключателей.

Энергия на освещение мест общественного пользования и общественных нужд должна измеряться отдельно, обычно в главном распределительном центре, где разделяются линии питания квартир и общественных нужд. Если оплата электроэнергии, затрачиваемой на общественные нужды, должна распределяться между жильцами, главный счетчик может измерять полный расход энергии, и разница между этим значением и суммой расхода всех квартир даст затраты энергии на общественные нужды. Если квартиры в комплексе продаются жильцам или принята кооперативная форма собственности, стоимость на общественные нужды распределяется по соглашению между жильцами.

Автор: Harry S. Nachman / Гарри Нахман. Источник: "Housing". John Wiley & Sons. New York. 1976 / «Проектирование жилых зданий». Стройиздат. Москва. 1979