Nischentechnologie auf dem Vormarsch

Smarte Gebäudetechnik dank PoE

Datenkommunikation und Stromversorgung über ein einziges Ethernet-Kabel sind längst keine Wunschvorstellung mehr. Power-over-Ethernet(PoE)-Infrastrukturen machen dies möglich. Sie haben großes Potential, sich zu einer dominanten Technologie zu entwickeln. Unter den PoE-Anwendungen kommen vor allem Smart-Lighting-Lösungen immer mehr zum Einsatz.

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Die Ansprüche an unsere Wohn- und Arbeitsumgebung verändern sich. Aus Sicht der Gebäudetechnik rücken gesteigertes Wohlbefinden, erhöhte Sicherheit, Komfort und Energieeffizienz immer stärker in den Mittelpunkt. Intelligente Lösungen können eine Möglichkeit sein, diese Bedürfnisse zu erfüllen und für einen reibungslosen Betrieb zu sorgen. Vor allem in den Bereichen Büro, Gastgewerbe, Gesundheitswesen und Bildung lassen sich PoE-Innovationen integrieren. PoE-Infrastrukturen dienen der Vernetzung von Gebäudesystemen. Sie optimieren Unternehmen und Wohngebäude hinsichtlich Nachhaltigkeit und bilden die Grundlage für ein sicheres, energieeffizientes und kostengünstiges Steuern der Gebäudetechnik.

PoE unterstützt intelligente Gebäudemanagement-Applikationen

Die aussichtsreiche Technologie hinter PoE kann unterschiedliche Prozesse rund um die Gebäudetechnik unterstützen. So liegt es auf der Hand, dass der Einsatzbereich vielseitig ist: Vorausschauende Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik, Indoor-Wegfindung, personalisierte Lichtsteuerung, zentral verwaltete Sicherheitssysteme, Asset Tracking zur Identifizierung von Hardware- und Supportbereichen, personalisierte, dynamische Beschilderung, Verfügbarkeit von Konferenzräumen in Echtzeit und flexible Arbeitsplatzzuweisung. Eine zentralisierte Infrastruktur dank PoE ist nicht nur einfach in Handhabung und Wartung, sie bietet auch eine hohe Zuverlässigkeit.

PoE: Haupttreiber und Möglichkeiten

Die Verbreitung von PoE-Lösungen wird derzeit von verschiedenen Faktoren begünstigt, wie dem wachsenden Ökologie- und Klima-Bewusstsein. Außerdem stellt der zunehmende Kostendruck Betriebe vor die Herausforderung, den Stromverbrauch von Kommunikations- und Datennetzen zu minimieren. Der technologische Fortschritt liefert hierfür Lösungen. Höhere Leistungsraten über 4-Adern-Paare sind möglich. Dadurch ergeben sich steigende Investitionen in Ethernet-Infrastrukturen. Die Auslieferungen von PoE-Ports werden gemäß des Grandview Research von BSRIA in den kommenden Jahren stark ansteigen. So wird die Zahl verkaufter Ports im Jahr 2023 zwischen 180 und 230 Millionen liegen. Schon 2022 liegt der Bedarf an PoE-Switches bei rund 10 Millionen.

Die VoIP-Technologie nahm im Jahr 2019 mit 36 Millionen (= 32% Marktanteil) installierter Ports die Spitzenstellung unter den PoE-Anwendungen ein. Gefolgt von den Segmenten Wireless Access Points (23%), CCTV-Kameras (18%), Sensoren (7%) sowie Motoren und Antriebe (4%). Zum Bereich ‚Andere‘ zählen BACS, A/V, Access Control und Lighting. Die Nachfrage nach PoE-Beleuchtungssystemen ist groß. Im Wohn- und Arbeitsumfeld ist der Wohlfühlfaktor besonders wichtig, dazu trägt auch die entsprechende Beleuchtung bei. Da diese in Gebäuden großflächig angelegt ist, fällt sie besonders stark ins Gewicht. Zudem ist PoE-gestützte Beleuchtung schon heute preislich attraktiv und gut umsetzbar.

Komponenten und Standards im PoE-Bereich

Die Verkabelungsinfrastruktur mit ausfallsicheren, hoch performanten Kupferdatenkabel und Steckverbindern ist für Smart-Lighting-Lösungen essentiell. Diese verbindet Sensorikgeräte und Beleuchtungselemente mit den PoE-Switches und -Gateways sowie LED-Treibern. Der Vorteil: Es wird nur eine Kabelart benötigt, die mit allen PoE-basierten Geräten kompatibel ist. Der größte Teil der Elektronik ist im zentralen Rack. Nur kleine Teile des LED-Treibers sind in der Decke installiert, wo rund 70 Prozent der PoE-Installationen verbaut sind. Bei der PoE-Topologie haben Anwender die Wahl zwischen Mid-span- und End-Span-Netzwerken. Die dominierende End-Span-Architektur verwendet einen kompatiblen Netzwerk-Switch. Mid-Span nutzt hingegen einen externen PoE-Injektor. Der zuletzt verabschiedete PoE-Standard IEEE802.3bt nutzt alle Adern des 4-paarigen Netzwerkkabels für die Energieübertragung und kann maximale Leistungen zwischen 72 und 90W erzielen. So lassen sich auch größere Endgeräte wie IP-TV-Geräte in Full HD über das Datenkabel mit Energie versorgen.

Einflussfaktoren auf die PoE-Leistungsfähigkeit

Bei der PoE-Verkabelung sind einige Faktoren zu beachten. Hier hat vor allem die Erwärmung großen Einfluss auf die PoE-Leistungsfähigkeit. Sie hat verschiedene Ursachen. Zunächst erzeugt PoE durch den Leiterwiderstand des Kabels Wärme. Auch die Bündelgröße und Installationsumgebung wirken sich direkt auf die Erwärmung des Kabels aus. Eine weitere Rolle spielt die Art der eingesetzten Kabelkanäle: Gitterkabelkanal, perforiertes Lochkabelsystem oder komplett geschlossener Kanal aus Kunststoff. Die Kabel im offenen Gitter profitieren von einem größeren Kühleffekt durch die Luft als die Kabel im geschlossenen Kanal. Die Norm EN-50174-2 besagt unter 4.5.4.2, dass der Füllgrad 40 Prozent nicht überschreiten sollte. Denn je mehr Kabel im Kanal sind, desto höher ist die Erwärmung. Wenn die Kabelkanäle z.B. über einer Heizung angebracht sind, kann sich die abstrahlende Wärme auf die Performance auswirken. Widerstand und Transmissionsdämpfung erhöhen sich durch einen Anstieg der Kabeltemperatur und führen zu einer Linklängenreduzierung des Kabels. Durch die zusätzliche Dämpfung werden Signale möglicherweise gestört oder der Datenstrom reißt komplett ab. Auch kabelspezifische Eigenschaften wie Symmetrie und Aufbau spielen bei der PoE-Leistungsfähigkeit eine Rolle.

Verlustleistung reduzieren, Wärmeableitung steigern

Bei einer Betriebstemperatur von bis zu 60°C bleiben Kabel PoE-funktionsfähig und erreichen ihre höchste übertragungstechnische Effizienz. Steigt die Temperatur über 60°C, sinken die übertragungstechnischen Eigenschaften und die Kabel performen nicht wie erwartet. Das Isolationsmaterial weicht auf und das damit verbundene Kabeldesign verliert an Symmetrie.

Fazit: Höchste PoE-Effizienz mit AWG 22-Kupferkabeln

Letztlich geht es darum, die Wärmeableitung zu steigern und die Verlustleistung zu reduzieren. Die Verlustleistung ist insgesamt am geringsten, wenn der Leiterdurchmesser am größten ist. Hinsichtlich Wärmeableitung wirken sich ein großer Leiterdurchmesser und geschirmte Kabel positiv aus. Das Metall der Schirmung hilft, die im Inneren entstehende Wärme nach außen abzutransportieren. Nicht allzu große Bündel sowie Luftströme fördern ebenfalls die Wärmeableitung. Von Cat.5e bis Cat.8.2 unterstützen Kupferkabel aller Kategorien die PoE-Standards 802.3af, at und bt. Jedoch nicht mit gleicher Effizienz. Maximale PoE-Effizienzsteigerung bieten Cat.7, Cat.8.2. und Cat.7-Long-Reach-Kabel in AWG 22. Ihre übertragungstechnischen Eigenschaften führen zur geringsten Verlustleistung und Kabelerwärmung und erreichen bei maximaler Kabelbetriebstemperatur die höchste Energieleistung. Im Hinblick auf die Anbindung weiterer Geräte und Systeme vor allem bei Smart-Lighting-Lösungen sind sie das Mittel der Wahl.