Introduction
Depuis des années, et de plus en plus fréquemment, les réseaux de données déployés dans les bureaux avec un câblage structuré composé de paires torsadées servent également à alimenter les appareils conçus pour être alimentés par leurs ports de communication, évitant ainsi le recours à un câblage parallèle.
En juin 2003, la norme IEEE 802.3af a été approuvée, définissant les caractéristiques des équipements et de la technologie PoE. Bien que d'autres protocoles propriétaires, proposés par certains fabricants, poursuivent le même objectif – utiliser le câble réseau lui-même pour alimenter l'équipement connecté (alimentation à distance) –,
cette technologie est aujourd'hui largement répandue et de nombreuses applications et appareils sont conçus pour être alimentés par leurs ports réseau.
Voici quelques exemples :
- Téléphones IP
- Caméras IP
- Points d'accès Wi-Fi
- Systèmes de contrôle d'accès et de surveillance
- Terminaux de point de vente
- Éclairage
- Automatisation industrielle et des bâtiments
Les avantages du PoE sont les suivants :
• Alimentation et transmission de données via un seul câble
• Aucune alimentation externe requise
• Meilleur contrôle de l’appareil
• Déplacement aisé de l’appareil
• Gestion et surveillance de l’alimentation via SNMP
• Pas besoin de remplacer le câblage (Cat5 ou supérieur)
Cependant, avec la prolifération de ces appareils, dont la consommation énergétique ne cesse d'augmenter, la chute de tension induite par le câble réseau, et par conséquent l'augmentation de la consommation électrique de l'appareil, est un facteur crucial à prendre en compte, notamment lors de l'installation de nouveaux câblages. Les caractéristiques de ces câblages peuvent entraîner une chute de tension plus ou moins importante, et donc une consommation électrique plus ou moins élevée, ce qui a un impact direct sur le retour sur investissement (RSI). Les sections suivantes analyseront des environnements et des exemples spécifiques où la consommation énergétique varie en fonction du câblage utilisé.
Dispositifs PoE
La quasi-totalité des protocoles PoE, propriétaires ou non, fonctionnent avec des tensions d'alimentation similaires, comprises entre 36 et 60 V CC, avec une tension moyenne d'environ 48 V CC. La consommation électrique peut varier considérablement selon le type d'appareil alimenté. Pour illustrer différents exemples et scénarios, nous examinerons divers appareils présentant des niveaux de consommation électrique très différents.
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Calculs justificatifs
Comme indiqué précédemment, tous ces types d'appareils permettent l'alimentation à distance via un câble réseau à paires torsadées (UTP ou FTP),
implémentant le protocole PoE ou un protocole d'alimentation similaire. Nous effectuerons les calculs avec deux types de câbles : un câble UTP SYSTIMAX Cat5E, modèle PowerSUM 3061A (référence 107573545), avec un diamètre de conducteur AWG24 (0,511 mm) et une résistance CC de 9,38 Ω/100 m ; et un câble UTP SYSTIMAX Cat6, modèle GigaSPEED XL 3071E (référence 700216450), avec un diamètre de conducteur AWG23 (0,573 mm) et une résistance CC de 7,61 Ω/100 m.
Pour déterminer la chute de tension dans le câble, il faut tenir compte de sa résistance et de sa longueur. Nous considérerons un environnement de bureau où le câblage structuré présente généralement une longueur horizontale moyenne de 50 m, cordons de brassage inclus aux deux extrémités.
Enfin, il est important de déterminer comment l'alimentation sera injectée dans le câble ; autrement dit, combien de paires de fils parmi les huit disponibles (quatre paires) seront utilisées et comment. Actuellement, les protocoles PoE les plus courants (802.3af, 802.3at) utilisent deux paires : une paire pour injecter le signal positif (DC+) et l'autre pour injecter le signal négatif (DC-). Un exemple précis est présenté dans le tableau ci-dessous.
Exemple de paires utilisées en PoE : les deux fils de la paire d'alimentation étant connectés en parallèle à l'alimentation et donc également au périphérique alimenté, la résistance de la paire est égale à la moitié de la résistance de chaque fil pris individuellement. Cependant, en additionnant les longueurs de chaque paire pour obtenir la résistance totale en courant continu des câbles d'alimentation, la résistance à prendre en compte correspond exactement à celle de chaque fil, soit 9,38 Ω/100 m pour un câble Cat5e et 7,61 Ω/100 m pour un câble Cat6. Pour une longueur moyenne de 50 m, la résistance en courant continu à considérer est de 4,69 Ω pour un câble Cat5e et de 3,8 Ω pour un câble Cat6.
Présentation des résultats - Téléphone de bureau IP AVAYA 1608
Le téléphone IP AVAYA consomme 4,93 W lorsqu'il est branché directement sur le secteur, sans câble à paires torsadées. Avec une tension d'alimentation moyenne de 48 V CC, sa consommation électrique est de 0,1027 A (P = V × I). Le courant traversant le câble est donc de 0,1027 A, ce qui, pour un câble Cat5e de 4,69 Ω, correspond à une consommation électrique de 0,05 W (P = R × I²). Un câble Cat6 ayant une résistance de 3,8 Ω, la consommation est de 0,04 W. La consommation électrique totale du téléphone IP AVAYA est donc de 4,98 W avec un câble Cat5e et de 4,97 W avec un câble Cat6.
Présentation des résultats - Station de conférence IP unifiée CISCO 7937G
Le téléphone IP Cisco consomme 7,85 W lorsqu'il est branché directement sur l'alimentation, sans câble à paires torsadées. Avec une tension d'alimentation moyenne de 48 V CC, sa consommation électrique est de 0,1635 A (P = V × I). Le courant traversant le câble est donc également de 0,1635 A, ce qui, pour un câble Cat5e de 4,69 Ω, correspond à une consommation électrique de 0,125 W (P = R × I²). Le câble Cat6 ayant une résistance de 3,8 Ω, la consommation est de 0,101 W. La consommation électrique totale du téléphone IP Cisco est donc de 7,97 W avec un câble Cat5e et de 7,95 W avec un câble Cat6.
Présentation des résultats - CISCO Aironet 1600 802.11N 3x3
Le point d'accès Wi-Fi Cisco consomme 12,95 W lorsqu'il est connecté directement à l'alimentation, sans câble à paires torsadées. Avec une tension d'alimentation moyenne de 48 V CC, sa consommation électrique est de 0,27 A (P = V × I). Le courant traversant le câble est donc également de 0,27 A, ce qui, pour un câble Cat5e de résistance 4,69 Ω, correspond à une consommation électrique de 0,342 W (P = R × I²). Le câble Cat6 ayant une résistance de 3,8 Ω, la consommation est de 0,277 W. La consommation électrique totale du point d'accès Wi-Fi Cisco est donc de 13,29 W avec un câble Cat5e et de 13,23 W avec un câble Cat6.
Affichage des résultats - Caméra PTZ Full HD SONY 1080 HD, 1920x1080
La caméra IP Sony consomme 25 W lorsqu'elle est connectée directement à l'alimentation, sans câble à paires torsadées. Avec une tension d'alimentation moyenne de 48 V CC, le courant consommé par l'appareil est de 0,521 A (P = V × I). Par conséquent, le courant traversant le câble est également de 0,521 A, ce qui, pour un câble Cat5e de résistance 4,69 Ω, entraîne une consommation électrique de 1,27 W (P = R × I²). Le câble Cat6 ayant une résistance de 3,8 Ω, la consommation est de 1,03 W. Ainsi, la consommation électrique totale de la caméra IP Sony est de 26,27 W avec un câble Cat5e et de 26,03 W avec un câble Cat6.
Présentation des résultats - MHTL-PAN-2x2
Des luminaires LED alimentés par câble à paires torsadées commencent à apparaître sur le marché. L'une des solutions disponibles, appelée RedWood, sera présentée plus loin. Le luminaire MHT consomme 48 W lorsqu'il est connecté directement à l'alimentation, c'est-à-dire sans câble à paires torsadées. Avec une tension d'alimentation moyenne de 48 V CC, la consommation de cet appareil est de 1 ampère (P = V × I). Par conséquent, le courant circulant dans le câble est de 1 ampère, ce qui, pour une résistance de 4,69 Ω (câble Cat5e), entraîne une consommation de 4,69 W (P = R × I²). Le câble Cat6 a une résistance de 3,8 Ω, la consommation est donc de 3,8 W. Ainsi, la consommation totale du luminaire MHT est de 52,69 W avec un câblage Cat5e et de 51,8 W avec un câblage Cat6.
Affichage des résultats - Écran encastré LED 600 x 1200 mm Davis
Le luminaire DAVIS consomme 80 W lorsqu'il est connecté directement à l'alimentation, sans câble à paires torsadées. Avec une tension d'alimentation moyenne de 48 V CC, le courant absorbé par cet appareil est de 1,67 A (P = V × I). Par conséquent, le courant traversant le câble est également de 1,67 A, ce qui, avec une résistance de 4,69 Ω pour un câble Cat5e, entraîne une consommation électrique de 7,83 W (P = R × I²). Le câble Cat6 ayant une résistance de 3,8 Ω, la consommation électrique est de 6,35 W. On peut donc conclure que la consommation électrique totale du luminaire MHT est de 87,83 W avec un câblage Cat5e et de 86,35 W avec un câblage Cat6.
Économies d'énergie annuelles
Comme calculé dans les sections précédentes, la résistance plus élevée des câbles Cat5e par rapport aux câbles Cat6 entraîne une consommation d'énergie supplémentaire d'environ 20 %. Évaluons maintenant les économies potentielles liées à l'utilisation d'un système de catégorie 6 plutôt que d'un système de catégorie 5e. Pour ce faire, il faut prendre en compte la différence de consommation d'énergie entre les deux solutions de câblage, la période de calcul, le coût énergétique et le nombre d'appareils. La formule récapitulative serait la suivante :
((Différence de consommation électrique selon le câblage) x (heures par jour x jours par an) / 1000 (pour convertir en kW)) x (Coût du kWh) x (Nombre d'appareils) Type d'appareil Différence de consommation électrique Cat5e/Cat6 Heures x Jour Jours x Année Coût kWh Nombre d'appareils Économies annuelles Économies sur 15 ans Économies sur 15 ans Téléphone IP AVAYA 0,01 24 365 0,18 € 500 7,88 € 118,20 € Téléphone IP CISCO 0,024 24 365 0,18 € 500 18,92 € 283,80 € Point d'accès WiFi CISCO 0,065 24 365 0,18 € 100 10,25 € 153,75 € Caméra IP SONY 0,24 24 365 0,18 € 100 37,84 € 567,6 € Luminaire LED MHT 0,89 12 330 0,18 € 1000 634,39 € 9515,85 € Luminaire LED DAVIS 1,48 12 330 0,18 € 1000 1054,94 € 15824,1 € Économies d'énergie entre Cat5e et Cat6.
Conclusions
Le tableau ci-dessus montre comment, à mesure que la consommation électrique des appareils augmente, les économies deviennent bien plus importantes. Le nombre d'appareils alimentés par PoE ne cesse de croître, et leur consommation électrique augmente constamment. Compte tenu de la durée de vie moyenne du câblage structuré installé dans les bureaux, généralement supérieure à 15 ans, le faible investissement initial requis pour installer du Cat6 au lieu du Cat5e est amorti en quelques années seulement – d'autant plus rapidement que le nombre d'appareils PoE est élevé et que leur consommation électrique est importante. De plus, les technologies PoE sont de plus en plus conçues pour alimenter des appareils de forte puissance. Par exemple, l'IEEE étudie actuellement la possibilité de transmettre des courants compris entre 800 et 1 000 mA par paire (jusqu'à 4 ampères par câble), ce qui pourrait rendre les différences de chute de tension entre les différentes catégories de câbles de plus en plus significatives. Il est également crucial de prendre en compte l'échauffement des câbles, car l'atténuation du signal augmente avec la température. Par conséquent, des liaisons d'une longueur proche de 90 m peuvent cesser de fonctionner et subir des pertes de connexion en raison de l'atténuation excessive causée par la température.
Plateforme d'alimentation et de gestion de l'éclairage LED - RedWood
Redwood est une plateforme permettant d'alimenter, de contrôler et de gérer l'éclairage LED via un câblage structuré. Les systèmes d'éclairage supervisés et contrôlables comportent généralement un ou deux circuits supplémentaires, en plus de l'alimentation principale, dédiés à cette fonction.
Avec Redwood, le câblage d'alimentation, de contrôle et de gestion des luminaires sera assuré par un système de câblage structuré unique de type Cat5e ou supérieur.
Exemple d'installation d'éclairage Redwood utilisant un câblage structuré.
La solution Redwood se compose des éléments suivants :
- Redwood Engine. Il s'agit du dispositif d'alimentation qui permet également de mesurer la consommation de chaque port/luminaire et du logiciel de gestion de la plateforme.
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- Redwood Director. Il possède un port BACnet et une API qui permettent d'intégrer la plateforme à d'autres équipements du bâtiment, tels que le système de climatisation, la gestion des salles de réunion ou l'intégration avec les systèmes de sécurité.
- Capteur Redwood. Ce capteur, capable de mesurer la température, la luminosité et de détecter une présence, peut être installé sur le même câblage que celui qui alimente et gère l'éclairage. - Adaptateur Redwood. Ce capteur possède les mêmes caractéristiques que le précédent, mais fait également office de passerelle, comme décrit dans la section suivante.
- Passerelle Redwood. Afin de détecter et d'activer chaque luminaire, une passerelle est nécessaire. Celle-ci sera programmée en usine avec les tensions et courants de fonctionnement du luminaire qu'elle alimente.
- Interrupteur de contrôle de scènes Redwood : Dans certains environnements, comme les salles de réunion, un contrôleur de scènes peut être intégré. D'une simple pression sur un bouton, il est possible de créer une scène préconfigurée afin d'adapter l'éclairage de la pièce aux besoins du moment. Ce même appareil permet d'allumer et d'éteindre toutes les lumières de la pièce, ainsi que d'en régler manuellement l'intensité.
- Relais Redwood : Il est également possible de contrôler des luminaires alimentés en 230 V CA. Pour cela, un relais peut être utilisé ; il sera piloté par la passerelle à laquelle il est connecté.
Le schéma ci-dessous présente le détail des composants de la solution. Les luminaires ne seront pas de marque Redwood, mais proviendront de fabricants de luminaires standard. Bien que des luminaires conçus pour s'intégrer à la plateforme existent déjà, tout luminaire alimenté en courant continu (CC) pourrait théoriquement être intégré.
L'alimentation, le contrôle et la gestion de cette plateforme permettent de réaliser des économies d'énergie ou de réduire la consommation d'éclairage de 70 % à 90 % par rapport à un système d'éclairage similaire à base de tubes fluorescents. La plateforme logicielle de contrôle et de surveillance des luminaires est installée sur le Redwood Engine et le Director, et est accessible localement via le port console ou à distance, si l'Engine/Director est en réseau, via un navigateur web standard. Ce logiciel permet de mesurer la consommation d'énergie de l'ensemble de l'installation ou de zones spécifiques, ainsi que la température dans les zones équipées de capteurs. Il permet également le contrôle individuel de chaque luminaire ou d'une zone prédéfinie. L'image ci-dessous illustre ce logiciel.
Le système est également compatible avec l'éclairage de secours requis dans la plupart des bâtiments publics. Pour ce faire, l'éclairage de secours dispose de son propre circuit d'alimentation VAC, qui transite par un relais contrôlé par la plateforme Redwood. Ainsi, en cas de coupure de l'alimentation VAC, le relais s'ouvre ou l'alimentation VAC est interrompue, ce qui active l'éclairage de secours.
Par Alberto Martínez, directeur technique, Espagne et Portugal, CommScope Enterprise
