Einleitung:
Seit Jahren und zunehmend häufiger werden Datennetzwerke in Büros mit strukturierter Verkabelung aus verdrillten Adernpaaren auch zur Stromversorgung von Geräten genutzt, die über ihre Netzwerkanschlüsse mit Strom versorgt werden. Dadurch entfällt die Notwendigkeit einer separaten Parallelverkabelung.
Im Juni 2003 wurde der IEEE-802.3af-Standard verabschiedet, der die Eigenschaften von PoE-Geräten und -Technologien festlegt. Obwohl einige Hersteller mit proprietären Protokollen dasselbe Ziel verfolgen – die Stromversorgung der angeschlossenen Geräte über das Netzwerkkabel (Remote Power Supply) –,
ist diese Technologie mittlerweile weit verbreitet, und zahlreiche Anwendungen und Geräte werden über ihre Netzwerkanschlüsse mit Strom versorgt.
Einige Beispiele sind unten aufgeführt:
- IP-Telefone
- IP-Kameras
- WLAN-Zugangspunkte
- Zutritts- und Überwachungssysteme
- Kassenterminals
- Beleuchtung
- Industrie- und Gebäudeautomation
Die Vorteile von PoE sind:
• Stromversorgung und Datenkommunikation über dasselbe Kabel
• Kein externes Netzteil erforderlich
• Bessere Kontrolle über das Gerät
• Das Gerät kann problemlos an einen anderen Standort versetzt werden
• Energiemanagement und -überwachung über SNMP
• Keine Notwendigkeit, die Verkabelung (Cat5 oder höher) aufzurüsten
Angesichts der zunehmenden Verbreitung dieser Geräte, die immer mehr Energie verbrauchen, ist der durch das Netzwerkkabel verursachte Spannungsabfall und der damit einhergehende erhöhte Stromverbrauch der Geräte ein entscheidender Faktor, insbesondere bei der Neuverkabelung. Die Eigenschaften der Kabel können einen höheren oder niedrigeren Spannungsabfall und somit einen höheren oder niedrigeren Stromverbrauch zur Folge haben, was sich letztendlich auf die Rentabilität (ROI) auswirkt. In den folgenden Abschnitten werden spezifische Umgebungen und Beispiele analysiert, in denen der Energieverbrauch je nach verwendetem Kabel variiert.
PoE-Geräte
Nahezu alle PoE-Protokolle, ob proprietär oder nicht, arbeiten mit ähnlichen Versorgungsspannungen, d. h. zwischen 36 und 60 V DC, mit einer durchschnittlichen Spannung von etwa 48 V DC. Der Stromverbrauch kann je nach Gerätetyp erheblich variieren. Um die verschiedenen Beispiele und Szenarien zu veranschaulichen, betrachten wir verschiedene Geräte mit sehr unterschiedlichem Stromverbrauch.
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Unterstützende Berechnungen
Wie bereits erwähnt, ermöglichen all diese Gerätetypen die Stromversorgung über Twisted-Pair-Netzwerkkabel (UTP oder FTP) mittels 
PoE oder ähnlicher Stromversorgungsprotokolle. Die Berechnungen werden mit zwei Kabeltypen durchgeführt. Zum einen mit einem SYSTIMAX Cat5E UTP-Kabel, Modell PowerSUM 3061A (Referenz 107573545), mit einem Leiterdurchmesser von AWG24 (0,511 mm) und einem Gleichstromwiderstand von 9,38 Ω/100 m. Zum anderen mit einem SYSTIMAX Cat6 UTP-Kabel, Modell GigaSPEED XL 3071E (Referenz 700216450), mit einem Leiterdurchmesser von AWG23 (0,573 mm) und einem Gleichstromwiderstand von 7,61 Ω/100 m.
Um den Spannungsabfall im Kabel zu bestimmen, müssen wir sowohl dessen Widerstand als auch seine Länge berücksichtigen. Wir betrachten eine Büroumgebung, in der strukturierte Verkabelung typischerweise eine durchschnittliche horizontale Kabellänge von 50 m aufweist, einschließlich Patchkabeln an beiden Enden.
Abschließend ist es wichtig zu berücksichtigen, wie die Stromversorgung über das Kabel erfolgt; das heißt, wie viele der acht verfügbaren Adernpaare (vier Paare) genutzt werden und wie. Die gängigsten PoE-Protokolle (802.3af, 802.3at) verwenden derzeit zwei Adernpaare, wobei ein Paar das positive Signal (DC+) und das andere das negative Signal (DC-) einspeist. Ein konkretes Beispiel ist in der folgenden Tabelle dargestellt.
Beispiel für in PoE verwendete Adernpaare: Da beide Adern des für die Stromeinspeisung verwendeten Paares am Netzteil und somit auch am angeschlossenen Gerät parallel geschaltet sind, ist der Gesamtwiderstand des Paares genau halb so groß wie der Einzelwiderstand jeder Ader. Addiert man jedoch die Längen aller Adernpaare, um den Gesamtwiderstand der Stromleitungen zu ermitteln, entspricht der zu berücksichtigende Widerstand exakt dem Einzelwiderstand jeder Ader, also 9,38 Ω/100 m für Cat5e-Kabel und 7,61 Ω/100 m für Cat6-Kabel. Bei einer angenommenen durchschnittlichen Länge von 50 m beträgt der zu berücksichtigende Gleichstromwiderstand 4,69 Ω für Cat5e-Kabel und 3,8 Ω für Cat6-Kabel.
Ergebnispräsentation– AVAYA 1608 IP-Tischtelefon
Das AVAYA IP-Telefon verbraucht 4,93 W, wenn es ohne Twisted-Pair-Kabel direkt an die Stromversorgung angeschlossen ist. Bei einer durchschnittlichen Versorgungsspannung von 48 V DC beträgt die Leistungsaufnahme des Geräts (P = V * I) 0,1027 A. Der Stromfluss durch das Kabel beträgt somit 0,1027 A, was bei einem Cat5e-Kabel mit einem Widerstand von 4,69 Ω eine Leistungsaufnahme von (P = R * I²) 0,05 W zur Folge hätte. Das Cat6-Kabel hat einen Widerstand von 3,8 Ω, daher beträgt die Leistungsaufnahme 0,04 W. Die Gesamtleistungsaufnahme des AVAYA IP-Telefons beträgt somit 4,98 W mit Cat5e-Verkabelung und 4,97 W mit Cat6-Verkabelung.
Ergebnispräsentation – CISCO Unified IP Konferenzstation 7937G
Das Cisco IP-Telefon verbraucht 7,85 W, wenn es ohne Twisted-Pair-Kabel direkt an die Stromversorgung angeschlossen ist. Bei einer durchschnittlichen Versorgungsspannung von 48 V DC beträgt die Leistungsaufnahme des Geräts (P = V * I) 0,1635 A. Der Stromfluss durch das Kabel beträgt somit 0,1635 A, was bei einem Cat5e-Kabel mit einem Widerstand von 4,69 Ω eine Leistungsaufnahme von (P = R * I²) 0,125 W zur Folge hätte. Das Cat6-Kabel hat einen Widerstand von 3,8 Ω, daher beträgt die Leistungsaufnahme 0,101 W. Die Gesamtleistungsaufnahme des Cisco IP-Telefons beträgt somit 7,97 W mit Cat5e-Verkabelung und 7,95 W mit Cat6-Verkabelung.
Ergebnispräsentation - CISCO Aironet 1600 802.11N 3x3
Der Cisco WLAN-Access Point verbraucht 12,95 W, wenn er ohne Twisted-Pair-Kabel direkt an die Stromversorgung angeschlossen ist. Bei einer durchschnittlichen Versorgungsspannung von 48 V DC beträgt die Leistungsaufnahme des Geräts (P = V * I) 0,27 A. Der Stromfluss durch das Kabel beträgt somit 0,27 A, was bei einem Cat5e-Kabel mit einem Widerstand von 4,69 Ω eine Leistungsaufnahme von (P = R * I²) 0,342 W zur Folge hätte. Das Cat6-Kabel hat einen Widerstand von 3,8 Ω, daher beträgt die Leistungsaufnahme 0,277 W. Die Gesamtleistungsaufnahme des Cisco WLAN-Access Points beträgt somit 13,29 W mit Cat5e-Kabel und 13,23 W mit Cat6-Kabel.
Ergebnisanzeige - SONY Full HD PTZ 1080 HD, 1920x1080
Die Sony IP-Kamera verbraucht 25 W, wenn sie ohne Twisted-Pair-Kabel direkt an die Stromversorgung angeschlossen ist. Bei einer durchschnittlichen Versorgungsspannung von 48 V DC beträgt die Stromaufnahme des Geräts (P = U * I) 0,521 A. Der Stromfluss durch das Kabel beträgt somit ebenfalls 0,521 A, was bei einem Cat5e-Kabel mit einem Widerstand von 4,69 Ω zu einer Leistungsaufnahme von (P = R * I²) 1,27 W führt. Das Cat6-Kabel hat einen Widerstand von 3,8 Ω, daher beträgt die Leistungsaufnahme hier 1,03 W. Die Gesamtleistungsaufnahme der Sony IP-Kamera beträgt somit 26,27 W mit Cat5e-Kabel und 26,03 W mit Cat6-Kabel.
Ergebnispräsentation - MHTL-PAN-2x2
LED-Leuchten, die über verdrillte Adernpaare mit Strom versorgt werden können, sind zunehmend auf dem Markt erhältlich. Eine der kommerziell verfügbaren Lösungen, RedWood, wird später genauer betrachtet. Die MHT-Leuchte verbraucht 48 W, wenn sie direkt an das Netzteil angeschlossen ist, also ohne verdrilltes Adernpaar. Bei einer durchschnittlichen Versorgungsspannung von 48 V DC beträgt der Stromverbrauch dieses Geräts (P = V * I) 1 A. Der Stromfluss durch das Kabel beträgt somit 1 A, was bei einem Widerstand von 4,69 Ω für das Cat5e-Kabel zu einem Stromverbrauch von (P = R * I²) 4,69 W führt. Das Cat6-Kabel hat einen Widerstand von 3,8 Ω, der Stromverbrauch beträgt also 3,8 W. Daraus lässt sich schließen, dass der Gesamtverbrauch der MHT-Leuchte 52,69 W beträgt, wenn das Verkabelungssystem Cat5e ist, und 51,8 W, wenn das Verkabelungssystem Cat6 ist.
Ergebnisanzeige - LED 600 x 1200 mm Einbauleuchte Davis
Die DAVIS-Leuchte verbraucht 80 W, wenn sie ohne verdrilltes Adernpaar direkt an das Netzteil angeschlossen ist. Bei einer durchschnittlichen Versorgungsspannung von 48 V DC beträgt die Stromaufnahme des Geräts (P = U * I) 1,67 A. Der Stromfluss durch das Kabel beträgt somit ebenfalls 1,67 A, was bei einem Widerstand von 4,69 Ω für das Cat5e-Kabel zu einer Leistungsaufnahme von (P = R * I²) 7,83 W führt. Das Cat6-Kabel hat einen Widerstand von 3,8 Ω, wodurch sich die Leistungsaufnahme auf 6,35 W reduziert. Daraus lässt sich schließen, dass die Gesamtleistungsaufnahme der MHT-Leuchte mit Cat5e-Verkabelung 87,83 W und mit Cat6-Verkabelung 86,35 W beträgt.
Jährliche Energieeinsparungen
Wie in den vorherigen Abschnitten berechnet, führt der höhere Widerstand von Cat5e-Kabeln im Vergleich zu Cat6-Kabeln zu einem höheren Stromverbrauch. Dieser Mehrverbrauch beträgt etwa 20 %. Betrachten wir nun die potenziellen Einsparungen durch den Einsatz eines Cat6-Systems gegenüber einem Cat5e-System. Dazu müssen wir den Unterschied im Stromverbrauch der beiden Verkabelungslösungen, den Berechnungszeitraum, die Energiekosten und die Anzahl der Geräte berücksichtigen. Die Formel, die all dies zusammenfasst, sieht etwa wie folgt aus:
((Unterschied im Stromverbrauch je nach Verkabelung) x (Stunden pro Tag x Tage pro Jahr) / 1000 (zur Umrechnung in kWh)) x (Kosten pro kWh) x (Anzahl der Geräte) Gerätetyp Unterschied im Stromverbrauch Cat5e/Cat6 Stunden x Tag Tage x Jahr Kosten pro kWh Anzahl der Geräte Jährliche Einsparungen Einsparungen über 15 Jahre Einsparungen über 15 Jahre AVAYA IP-Telefon 0,01 24 365 0,18 € 500 7,88 € 118,20 € CISCO IP-Telefon 0,024 24 365 0,18 € 500 18,92 € 283,80 € CISCO WLAN-Zugangspunkt 0,065 24 365 0,18 € 100 10,25 € 153,75 € SONY IP-Kamera 0,24 24 365 0,18 € 100 37,84 € 567,6 € MHT LED-Leuchte 0,89 12 330 0,18 € 1000 634,39 € 9515,85 € DAVIS LED-Leuchte 1,48 12 330 0,18 € 1000 1054,94 € 15824,1 € Energieeinsparungen zwischen Cat5e und Cat6.
Schlussfolgerungen
Die obige Tabelle zeigt, wie die Einsparungen mit steigendem Stromverbrauch der Geräte deutlich zunehmen. Immer mehr Geräte werden über PoE mit Strom versorgt, und ihr Stromverbrauch steigt stetig. Angesichts der durchschnittlichen Lebensdauer strukturierter Büroverkabelung von typischerweise über 15 Jahren amortisiert sich die geringe Anfangsinvestition für Cat6- statt Cat5e-Kabel bereits nach wenigen Jahren – je mehr PoE-Geräte vorhanden sind und je höher deren Stromverbrauch ist, desto kürzer ist die Amortisationszeit. Darüber hinaus werden PoE-Technologien zunehmend für die Versorgung leistungsstärkerer Geräte ausgelegt. So untersucht das IEEE derzeit die Möglichkeit, Ströme zwischen 800 und 1000 mA pro Adernpaar (bis zu 4 Ampere pro Kabel) zu übertragen, wodurch die Spannungsabfälle zwischen den verschiedenen Kabelkategorien deutlich zunehmen könnten. Auch die Erwärmung der Kabel ist ein wichtiger Faktor, da mit steigender Temperatur die Dämpfung zunimmt. Verbindungen mit einer Länge von fast 90 m können daher aufgrund der durch die Temperatur verursachten übermäßigen Dämpfung ausfallen.
LED-Leistungs- und Lichtmanagementplattform – RedWood
Redwood ist eine Plattform zur Stromversorgung, Steuerung und Verwaltung von LED-Beleuchtung mittels strukturierter Verkabelung. Beleuchtungssysteme, die überwacht und gesteuert werden können, verfügen typischerweise neben der Stromversorgung über ein oder zwei zusätzliche Stromkreise zu diesem Zweck.
Bei Redwood erfolgt die Verkabelung für Stromversorgung, Steuerung und Verwaltung der Leuchten über ein einziges, strukturiertes Verkabelungssystem mit Cat5e- oder höherwertiger Verkabelung.
Beispiel einer Redwood-Beleuchtungsinstallation mit strukturierter Verkabelung
Die Redwood-Lösung besteht aus folgenden Elementen:
- Redwood Engine. Dies ist das Netzteil, das auch den Stromverbrauch jedes Ports/jeder Leuchte messen kann, sowie die Software zur Verwaltung der Plattform.
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- Redwood Director. Es verfügt über einen BACnet-Anschluss und eine API, die die Integration der Plattform mit anderen Gebäudeeinrichtungen wie der Klimaanlage, der Besprechungsraumverwaltung oder der Integration mit Sicherheitssystemen ermöglicht.
- Redwood-Sensor. Ein Sensor, der Temperatur und Lichtstärke messen sowie Anwesenheit erkennen kann, lässt sich an dieselbe Verkabelung anschließen, die die Stromversorgung und die Beleuchtung steuert. - Redwood-Adapter. Dieser Sensor hat die gleichen Eigenschaften wie der oben genannte, fungiert aber zusätzlich als Gateway, wie im folgenden Abschnitt beschrieben.
- Redwood Gateway. Um die einzelnen Leuchten zu erkennen und zu aktivieren, ist ein Gateway erforderlich, das werkseitig mit den Betriebsspannungen/-strömen der jeweiligen Leuchte programmiert wird.
- Redwood Szenensteuerungsschalter: In manchen Umgebungen, wie z. B. Besprechungsräumen, kann ein Szenensteuerungsschalter integriert werden. Per Knopfdruck lässt sich so eine vorkonfigurierte Szene erstellen, die die Raumbeleuchtung an die aktuellen Bedürfnisse anpasst. Mit demselben Gerät können Sie alle Leuchten im Raum ein- und ausschalten sowie deren Helligkeit manuell regulieren.
- Redwood Relais: Auch Leuchten, die mit 230 V Wechselstrom betrieben werden, lassen sich steuern. Hierfür kann ein Relais verwendet werden, das über das angeschlossene Gateway gesteuert wird.
Das folgende Diagramm zeigt eine detaillierte Aufschlüsselung der Lösungskomponenten. Die Leuchten stammen nicht von der Marke Redwood, sondern von Standardherstellern. Obwohl bereits Leuchten existieren, die für die Integration in die Plattform konzipiert sind, kann theoretisch jede mit Gleichstrom (DC) betriebene Leuchte integriert werden.
Die Stromversorgungs-, Steuerungs- und Managementfunktionen dieser Plattform ermöglichen Energieeinsparungen bzw. eine Reduzierung des Beleuchtungsverbrauchs um 70 % bis 90 % im Vergleich zu einem ähnlichen Beleuchtungssystem mit Leuchtstoffröhren. Die Softwareplattform zur Steuerung und Überwachung der Leuchten ist sowohl auf der Redwood Engine als auch auf dem Director installiert und kann lokal über den Konsolenanschluss oder – bei bestehender Netzwerkverbindung von Engine und Director – per Standard-Webbrowser ferngesteuert aufgerufen werden. Die Software ermöglicht die Messung des Energieverbrauchs der gesamten Anlage oder einzelner Zonen sowie die Temperaturmessung in Bereichen mit installierten Sensoren. Zudem können einzelne Leuchten oder vordefinierte Zonen individuell gesteuert werden. Die folgende Abbildung zeigt ein Beispiel dieser Software.
Das System ist auch mit der in den meisten öffentlichen Gebäuden vorgeschriebenen Notbeleuchtung kompatibel. Dazu verfügt die Notbeleuchtung über einen eigenen Wechselstromkreis, der jedoch über ein von der Redwood-Plattform gesteuertes Relais läuft. Fällt die Wechselstromversorgung aus, öffnet das Relais oder es wird kein Wechselstrom an die Notbeleuchtung geleitet, wodurch diese aktiviert wird.
Von Alberto Martínez, Technischer Manager, Spanien und Portugal, CommScope Enterprise
