IT-Verkabelung, PoE und Beleuchtung, wie passt das zusammen?

03.03.2018 / Hartmut Kell

aus Netzwerk-Insider-Ausgabe März 2018

Vernetzung „all over the World“ oder besser gesagt „all over the building“ ist das Motto, welches unter anderem auch in Zusammenhang mit der Kommunikationsverkabelung eines Gebäudes, insbesondere eines Neubaus von großer Bedeutung sein wird. Der Ruf danach, zusätzlich zu den typischen Büroräumen und Flächen weitere Netzwerk-Anschüsse – möglicherweise in hoher Anzahl – bereitzustellen wird immer lauter.

Nicht jeder dieser Netzwerk-Anschlüsse muss mit Hilfe einer „Leitung“ realisiert werden, im Gegenteil. Es ist zu vermuten, dass zur Einsparung einer Unzahl von Kabeln das bevorzugte Medium „Wireless LAN“ sein wird, unabhängig von der Zuverlässigkeit und der Leistungsfähigkeit dieses Mediums. Doch lassen wir uns nicht täuschen, auch Access Points müssen mit einem Kabel angeschlossen werden und bei einer entsprechend hohen Dichte von Access Points wird weiterhin eine hohe Anzahl von Kabeln benötigt, die sowohl Daten als auch Strom transportieren. Dank der seit vielen Jahren etablierten Technik „Power over Ethernet“ ist das kein Problem (denkt man) und liegt es nicht nahe, diese Möglichkeit der Stromzufuhr auch für andere Zwecke zu nutzen? Ist z.B. eine Kombination von PoE und stromsparende Beleuchtung nicht ideal?

Der nachfolgende Artikel geht auf die grundsätzlichen Prinzipien von PoE ein, zeigt die aktuellen Möglichkeiten des Einsatzes jenseits von Access Points mit dem Schwerpunkt auf Beleuchtung und beschreibt die Voraussetzungen, die durch eine Planung der Verkabelung geschaffen werden müssen, um diese Technik einzusetzen.

Einsatzmöglichkeiten von Strom- und Datentransport auf einem Medium

Wie bereits in der Einleitung beschrieben geht es im Folgenden nicht in erster Linie um Kommunikationsanschlüsse, die drahtlos realisiert werden können und nicht um Kommunikationsanschlüsse, die leitungsgebunden mit Hilfe einer „NON-LAN-Technik“ realisiert werden können. NON-LAN-Techniken sind alle Techniken, die bisher bei der technischen Gebäudeausstattung (allgemeiner Begriff TGA) mit einer mehr oder weniger herstellerspezifischen Übertragungstechnik oder Stromversorgung eine sehr große Menge an Datenanschlüsse im Gebäude sicherstellen. Abbildung 1 zeigt vereinfacht, wo überall Datenanschlüsse denkbar sind und bereits heute realisiert werden.

Einsatzmöglichkeiten Gebäudeautomation

Abbildung 1: Einsatzmöglichkeiten Gebäudeautomation

  • Raumfunktionen wie z.B. Beleuchtungssteuerung, Temperaturregelung
  • Elemente in Zusammenhang mit der Gebäudehülle wie z.B. Jalousien, Sonnenschutz
  • Elemente zur spezialisierten nutzerspezifischen Kommunikation wie z.B. Such-/Rufanlagen, Parkleitsysteme, Zeiterfassung, Belegung von Besprechungsräumen
  • Elemente in Zusammenhang mit der Sicherheitstechnik wie z.B. Brandmeldeanlagen, Einbruchsmeldeanlagen, Zugangskontrolle, Videoüberwachung
  • Klassische IT-Kommunikation mit Notebook, PCs, Drucker, Telefone etc.

Einigen dieser Anschlüsse ist gemeinsam, dass nicht nur eine elektronische Kommunikation zu bzw. mit diesen Elementen möglich sein muss, sondern bereits der Betrieb dieses Elementes eine Stromversorgung voraussetzt, häufig sogar mit einer hohen elektrischen Leistung. Diese wird heute für die Mehrzahl der Elemente klassisch eine parallel bereitgestellte 230-Volt-Versorgung sein. Dafür gibt es u.a. folgende Gründe:

  1. Einige Elemente dienen nicht nur dem Datenaustausch, sondern sie regeln auch elektrische Geräte, welche eine hohe Energie benötigen. Dies kann z.B. eine Beleuchtung sein, die nicht mit LED-Technik realisierbar ist.
  2. Der wahrscheinlich wichtigere Grund ist der, dass in fast allen Räumen oder Flächenbereichen genau wegen der notwendigen Beleuchtung immer ein Stromnetz vorhanden ist und der große Vorteil bei der 230-Voltverkabelung darin liegt, dass Erweiterungen um weitere Verbraucher verhältnismäßig einfach sind.

Ohne Frage wird die Vernetzung (= IP-basierende Kommunikationstechnik) all dieser Elemente nicht mehr aufzuhalten sein. Smart Building und Smart Home sind der aktuelle Trend und niemand wird sich dem verschließen können. Ebenfalls ohne Frage werden die Entwicklungen dieser Technik verstärkt den drahtlosen Weg gehen, wie weit dies gelingen wird bleibt abzuwarten. Insbesondere die folgenden beiden Randbedingungen könnten dazu führen, dass weiterhin eine leitungsgebundene Technik favorisiert wird:

  1. Die Zuverlässigkeit eines Funkkanals ist nicht für jedes Element der Gebäudeautomation ausreichend (man stelle sich eine WLAN-basierende Brandmeldetechnik vor).
  2. Am Kommunikationsanschluss wird Strom in einer so niedrigen Leistung gebraucht, dass eine 230-Voltverkabelung nicht notwendig ist.

Für diesen Fall ist Power over Ethernet als standardisierte (und man darf auch sagen bewährte) Technik prädestiniert. Proprietäre, davon abweichende Techniken werden sich wohl kaum behaupten können bei der Vielzahl von Kommunikationselementen und Vielzahl von Herstellern, die diesen Markt bedienen. Folgende Technologien profitieren beispielsweise bereits heute von der Kombi-Funktion:

  • Access Points
  • IP-Kameras
  • Zugangskontroll-Terminals
  • Displays an Besprechungsräumen
  • Display zur Personenführung in Gebäuden
  • Wechselsprechterminals und Lautsprecher

Zukünftige Technologien, die eine Kombination von Daten und Strom auf einem Medium brauchen, werden möglicherweise sein:

  • Vernetzte Ladestationen
  • Controller-Einheiten, welche wiederum steuernde Funktionen in Zusammenhang mit der TGA haben
  • und möglicherweise intelligente Beleuchtungselemente.

Um ein Gebäude auf diese zukünftigen Nutzungsmöglichkeiten so vorzubereiten, dass der Anteil an später notwendigen Nach- oder Neuverkabelungen minimiert wird, sind bei der Planung die richtigen Weichen zu stellen. Dazu sind ein paar technische Grundlagen und erste Lösungen kennenzulernen.

Power over Ethernet

Power over Ethernet steht bei Anwendungen im Umfeld der lokalen Netzwerke repräsentativ für den in deutschen Normen verwendeten Begriff der „Fernspeisung“. Der erste Standard IEEE 802.3af wurde bereits 2005 verabschiedet und stellt am stromaufnehmenden Gerät (im Standard bezeichnet als Power Device PD) eine elektrische Leistung von bis zu 12,95 Watt zur Verfügung, dazu muss ein Sendelement (Standard Power Source Equipment PSE) eine elektrische Leistung von bis zu 15,4 Watt abgeben. Die Differenz darf als kabelbezogene Verlustleistung auftreten, was noch später im Artikel bei der Analyse der benötigten Verkabelung eine Rolle spielen wird. Maximal 350 mA sind als Strom zulässig. 3 mögliche Varianten sind denkbar, von denen eine die Strom- und Datenübertragung auch über 4 Adern möglich macht. Wichtig ist das Verständnis, dass jeweils ein Leitungspaar als Parallelschaltung den Strom vom PSE zum PD überträgt und das zweit Paar, ebenfalls als Parallelschaltung, den Stromkreis in die andere Richtung schließt. Damit übernehmen immer 4 Adern die gesamte Stromlast.

Übersicht der PoE-Klassen

Abbildung 2: Übersicht der PoE-Klassen

Im Jahr 2009 wurde eine Fortführung der PoE-Technik in Form des Standards IEEE 802.3at verabschiedet. In folgenden wichtigen Punkten unterscheidet sich dies zu IEEE 802.3af:

  • Trotz der Beibehaltung von 4-Adern für die eigentliche Stromversorgung ist die Nutzung einer 4-adrigen Verkabelung nicht mehr möglich
  • Die Leistungsparameter wurden erhöht: PSE mit bis zu 30 Watt und PD mit bis zu 25,5 Watt. Maximal 600 mA sind als Strom für ein Paar zulässig (= 300 mA pro Draht)
  • Eine Abwärtskompatibilität ist gewährleistet
  • Die PoE-Funktionalität wurde „intelligent“, via LLDP (Link Layer Discovery Protocol) kann das PD der Stromquelle genaue Informationen zur Auslastung geben.
  • Wie der Vorgängerstandard ist PoE nicht nutzbar für 10GBaseT

Die letzte Weiterentwicklung des Standards erfolgt im Standard IEEE 802.3bt, folgende Änderungen sind wichtig (vorbehaltlich der erwarteten finalen Standardverabschiedung 2018):

  • Die Leistungsparameter werden erhöht: PSE mit bis zu 90 Watt und PD mit bis zu 73 Watt. Maximal 960 mA pro Paar sind als Strom zulässig (480 mA pro Ader)
  • Eine Abwärtskompatibilität ist gewährleistet. Um diese zu gewährleisten werden 4 „Leistungs-Typen“ definiert (siehe Abbildung 2)
  • Wichtig: Es wird ein zweites zusätzliches Paar für die Hinführung des Stromes benutzt (bzw. ein viertes Paar für die Rückführung); deshalb auch das Akronym 4PPoE für „4 Pair PoE“. Das ist insofern wichtig, als dass die Anforderungen an die Adern der Twisted-Pair-Kabel und auch an die Kontakte nicht deutlich steigen müssen, was wiederum Bestandsverkabelungen zu Gute kommen könnte
  • Interessant: Es wird eine Aufteilung der Empfängerleistung möglich sein um z.B. bei einer IP-Kamera 2 Paare zur Stromversorgung der Kamera selbst und 2 Paare zum Betrieb einer Heizung zusätzlich bereitzustellen (Bezeichnungen im Standard „Single signature PD und Dual Signature PD“)
  • Nutzbar für 10GBaseT

In allen Fällen können die PSE’s sowohl Switches sein (was der Regelfall sein wird) als auch externe Geräte, sogenannte Mid-Span-Geräte, welche auf die „reinkommenden“ Leitungen mit reinen Daten dann den Strom „packen“.

Stromfluss bei IEEE802.3bt

Abbildung 3: Stromfluss bei IEEE802.3bt

Eine zu erwähnende, herstellerspezifische und damit nicht standardisierte Sonderlösung stellt Power over HDBaseT dar (POH). POH basiert auf IEEE 802.3at und ist zu diesem rückwärtskompatibel. Im Unterschied zu diesem liefert es bis zu 100 Watt über 4 Paare (ähnlich also zu IEEE 802.3bt), was gezielt zum Betrieb von Fernsehern mit Bildschirmgrößen von bis zu 60 Zoll geeignet sein soll.

Das Kabelproblem

Grundsätzlich muss man sich vergegenwärtigen, dass die internationale IEEE-Norm eine erhebliche Menge an Installationen berücksichtigen muss, die auf Basis von ungeschirmten Kabel mit einem typischen Aderdurchmesser von AWG24 bis AWG26 realisiert worden sind. In Deutschland setzt man seit vielen Jahren fast ausschließlich geschirmte Kabeltypen mit AWG22 oder AWG23 ein, was zu erheblich besseren Qualitäten, auch in Zusammenhang mit PoE führt. Viele kabelspezifische Einschränkungen in der weltweit zur Verfügung stehenden Literatur und den Richtlinien sind somit nicht übertragbar bzw. die in Deutschland verwendeten Materialien schaffen für die Planung zusätzliche nutzbare Reserven.

Anforderungen an die Datenkabel

Abbildung 4: Anforderungen an die Datenkabel

Ausgehend von der Annahme, dass eine 8-adrige Verkabelung zur Verfügung gestellt werden muss, lassen sich anhand der Forderungen der IEEE 802.3at Tabelle 33-1 wichtige Informationen ablesen:

  1. Grundsätzlich wird eine Verkabelung nach „Class D“ empfohlen bzw. gefordert, dies entspricht der Kategorie 5 der EN 50173, was vermutlich Standard bei allen existierenden und zukünftigen Verkabelungen zumindest in Europa sein wird bzw. weit übertroffen wird (für IEEE 802.3af reichen Kabel der Spezifikation Kategorie 3 aus).
  2. Es wird ein konkreter Schleifenwiderstand gefordert, den man damit als Qualitätsmaß bei der Auswahl eines geeigneten Kabels verwenden kann. Aber: Die IEEE macht deutlich, dass der Wert in der Tabelle sich auf den Schleifenwiderstand des Stromkreises bestehend aus einer Parallelschaltung von zwei Adern bezieht (deshalb „Channel maximum DC pair loop resistance“) und dass die meisten Angaben des Schleifenwiderstands der Kabelhersteller sich auf einen einfachen Kreis mit nur einem Leiter beziehen. Deshalb Vorsicht bei dem Vergleich! Auch der angegebene Strom bezieht sich auf die Parallelschaltung der beiden Adern.
  3. Achtung: Die Anforderungender IEEE
    betrachten nicht die Qualitätsunterschiede der Kabel, die z.B. durch andere Kabelaufbauten wie z.B. dickere Aderdurchmesser oder Schirmung die thermischen Eigenschaften verbessern.

In Abbildung 5 ist ein Screen-Shot einer Channel-Messung zu sehen, bei der ein Schleifenwiderstand von 15,6 Ohm für das Adernpaar 36 gemessen wurden. Ermittelt man für die Parallelschaltung dieser beiden Drähte rechnerisch den Widerstand, so halbiert sich der PoE-Schleifenwiderstand und dieser wäre zu vergleichen mit den Werten der IEEE-Tabelle.

Beispiel für eine Kabelmessung

Abbildung 5: Beispiel für eine Kabelmessung

Es darf davon ausgegangen werden, dass die Hauptmenge der aktuell in Deutschland im Einsatz befindlichen Kabel oder auch die bei den meisten Planungen vorgesehenen Twisted-Pair-Kabel mit einem Durchmesser von AWG22 oder AWG23 völlig geeignet ist zur Übertragung der hohen PoE-Leistungen nach IEEE 802.3bt. Das einzelne Kabel ist nicht das Problem. Das Problem liegt bei der Bündelung der Kabel, hier sind Effekte zu erwarten, die möglicherweise erheblichen Einfluss auf die Planung der Kommunikationsverkabelung nehmen werden. Die gesamte Erwärmung des Bündels hängt ab von der Anzahl der Kabel im Kabelbündel, der Art der Verlegung (offen oder im geschlossenen Installationskanal) und der Luftkonvektion bzw. Zwangsbelüftung. Viele Kabelhersteller beschäftigen sich mit diesem Thema und haben dazu ausführliche Laborberichte veröffentlich (Reichle de Masari, Leoni, Siemon, Dätwyler und weitere). Alle kommen ansatzweise zu denselben Ergebnissen:

Das Problem wird nicht sein, dass ein potenzieller Brandherd durch die Bündelung entsteht, sondern dass die übertragungstechnischen Eigenschaften darunter leiden und höhere Datenraten nicht mehr möglich sind.

Beispiel: Leoni geht bei einer Verdopplung der Kabelanzahl im Bündel von 19 auf 37 Kabel davon aus, dass die Temperatur der Kategorie-7A-Kabel sich um ca. 1,3 Grad Celsius erhöht, dies führt zu einer Erhöhung der frequenzabhängigen Leitungsdämpfung und dies zu einer Längenreduzierung von bis zu ca. 0,6 % je Grad Erhöhung (Leoni technical bulletin „Power over Ethernet auf dem Vormarsch“ von 2014). Auch der Systemhersteller Siemon weist eine Erhöhung der frequenzabhängigen Einfügedämpfung in Höhe von ca. 0,4 dB (f = 100 MHz) aus, wenn die Umgebungstemperatur eines Kategorie 7A-Kabels sich um 20 Grad erhöht. Zum Vergleich: ein 100 m langes Kategorie 7A-Kabel hat eine Einfügedämpfung von ca. 15-17 dB bei 100 MHz.

Statt wenige dicke Kabelbündel wird empfohlen, mehrere kleinere Kabelbündel (Richtgröße 25 Kabel pro Bündel) vorzusehen, Ziel ist die Vergrößerung der thermischen Abstrahlfläche. Untersuchungen haben ergeben, dass ein Abstand von 15 mm zwischen den Bündeln die Wechselwirkung so reduziert, dass die Temperatur so hoch ist wie in einem isoliertem Bündel.

Der Systemanbieter Siemon weist in seinen Unterlagen eine Nutzbarkeit der eigenen Kategorie 7A-Typen für PoE nach IEEE802.3bt (100 Watt) und einer Datenrate von 1000 MBit/s bis zu einer Länge von 100 m und einer Bündelstärke von bis zu 96 Kabel aus, vorausgesetzt die Umgebungstemperatur liegt bei maximal 60 Grad Celsius (siehe „Zone Cabling and Coverage Area Planning Guide: 60W PoE Lighting Applications“). Es ist zu vermuten, dass auch andere Kabelhersteller mit gleichen Kabeltypen ähnliche Zusagen machen können. Deshalb spielen die Längenreduzierungen bei der Verwendung von AWG22-Typen in Standard-Umgebungen mit den typischen Planungslängen von bis zu 90 m eine eher untergeordnete Rolle.

Möchte man dennoch auf „Nummer sicher gehen“, so könnte man bei der konkreten Planung nach belastbaren, herstellerunabhängigen Richtlinien oder Empfehlungen suchen. Neben der amerikanischen ANSI/TIA-568-C.2 (Basisgröße ist dort aber eine ungeschirmte AWG25-Verkabelung) führt die EN 50174-2 (Ausgabe Entwurf vom November 2017) auf 4 Seiten ausführliche Tabellen und Formeln zum Thema Fernspeisung und den Einfluss der Temperatur. Nach Ansicht des Autors sind diese Leitlinien im Planungsalltag aber wenig praktikabel und dürften wohl in die wenigsten Planungen einfließen:

  • Wer will tatsächlich die Umgebungstemperatur für die unterschiedlichen Teilstrecken der Verkabelung ermitteln oder vorhersagen, denn diese müssen in die Formeln eingeben werden? Konkret: Die Länge LN muss ermittelt werden, dies ist „die Länge der Verkabelungsstrecke/Übertragungsstrecke mit gemeinsamen thermischen Eigenschaften, wobei Längenwerte von unter 1m… nicht berücksichtigt werden“, dazu kommt die Ermittlung von Tambient-n als Umgebungstemperatur und Ermittlung von DeltaTambient-n als zusätzliche Temperatur aufgrund der Fernspeisung auf der Länge LN. Bitteschön, wer wird das machen, vor allem mit einer Prognose zu einem PoE-Einsatz in der Zukunft?
  • Wer kann bei einer gewöhnlichen Verkabelung genau vorhersagen, in welcher Bündelform die Kabel durch das Installationsunternehmen verlegt worden sind und wer kontrolliert das dann tatsächlich, nachdem die Kabelwege geschlossen wurden?

Bleibt man bei der bereits ausgesprochenen Empfehlung vieler Kabelhersteller, das Bündel auf maximal 25 Kabel zu begrenzen (was im Übrigen auch der pauschalen Empfehlung der EN 50174-2 mit 24 Kabel entspricht), so sollte das Risiko einer schlechten Übertragungsstrecke gering sein.

Umfangreiche Felderfahrungen liegen leider nicht vor, so dass zu erwarten ist, dass in den nächsten Jahren Anpassungen der Empfehlungen folgen werden. Aus Sicht des Autors ist also der Einsatz von PoE mit hohen Leistungen über eine hohe Anzahl von Kabel über ggf. große Längen und hohen Übertragungsraten mit vielen Fragezeichen verbunden.

Zur Vermeidung von hohen Temperaturen wird der Einsatz von offenen Kabelführungssystemen, im Idealfall Gitterrinnen empfohlen. Doch gerade für den Fall von größeren Bündelungen sind Gitterrinnen wegen der mechanischen Belastung auf den runden Gitterstäben nicht optimal geeignet und werden deshalb als Verlegesysteme für Installationskabel selten eingesetzt.

In direktem Widerspruch zu offenen Kabelführungssystemen stehen Bemühungen, die eine Erhöhung der EMV-Festigkeit durch Verwendung von Trassendeckel vorsehen, das ist aber erfahrungsmäßig eher selten in Installationen anzutreffen. Noch schwieriger könnte dieses Problem werden, wenn dicke Kabelbündel z.B. durch fest verschlossene Promat-Verkofferungen geführt werden.

In der EN 51074-2 fließen unterschiedliche Kabelführungssysteme in Form von 4 Tabellen in die Berechnung ein (jede Tabelle steht für unterschiedliche Installationsbedingungen). Danach führt ein geschlossener Kanal z.B. bei 48 Kabel in einem Bündel zu einer Temperaturerhöhung von ca. 5 Grad Celsius im Vergleich zu einer offenen Trasse/Wanne. Dies wiederum beeinflusst dann die maximale Länge der festinstallierten Strecke. Jedes Installationssystem und jede Bündelung muss sicherstellen, dass die Temperatur der dort verlegten Kabel nicht in den Grenzbereich rücken, den die Kabelhersteller als zulässige Betriebstemperatur definieren (in der Regel 60 Grad Celsius).

Interessant sind Untersuchungen Mitte 2017, bei denen man feststellte, dass die Farbe eines Metallkanals Einfluss auf die thermische Ableitfähigkeit des Kanales nehmen kann, schwarz ist z.B. die Farbe, welche diese Ableitfähigkeit verbessert.

Das Steckerproblem

Ein weiteres Problem stellt der Stecker dar: Das Steckerziehen unter Last kann aufgrund der Entstehung eines Lichtbogens bzw. durch Funkenbildung zu Beschädigungen am Stecker oder an der Buchse führen, dies nennt man Kontaktbrand. Es kommt zu einer erheblichen Beeinträchtigung oder sogar zum Ausfall der Kontakte. Ein Steckerziehen bei PoE als Stromversorgung für Leuchten wird wohl eher selten vorkommen, aber für den Fall, dass z.B. das Aufladen von Notebooks o.ä. durch PoE mit hoher Leistung geplant ist, müssen natürlich adäquate Steckertechnologien zum Einsatz kommen. Diese Anforderung wurde in den europäischen Standards berücksichtigt und führte zur Beschreibung des Prüfablaufes in der DIN EN 60512-99-001 (Mai 2013), Zitat: „… Durch die in dieser Norm beschriebene Prüfung wird die Eignung eines Steckverbinders ermittelt, einer Mindestanzahl von Steck- und Ziehvorgängen standzuhalten, wenn elektrischer Strom durch die Steckverbinder fließt.“ Viele Datenblätter der RJ45-Hersteller weisen auf eine Einhaltung des Prüfablaufes hin, weisen jedoch nicht die elektrische Leistung bzw. Stromstärke aus, mit der geprüft wurde bzw. sichern die Erfüllung der Prüfung nur für IEEE 802.3at zu. Deshalb sind diese Angaben nur unter Vorbehalt zu nutzen bzw. die Hersteller werden sich vor einer Verabschiedung des Standards IEEE 802.3bt wohl eher zurückhaltend zeigen, hier konkrete Werte vorzugeben. Eine Beurteilung der Eignung von Bestandsverkabelungen für Leistungen oberhalb von 30 Watt, installiert vor 2013 wird nur sehr schwer möglich sein.

Beleuchtung und PoE

Wie bereits in der Einleitung beschrieben scheint es so, als wenn die Kombination von „Licht und Daten“ im Moment der absolute Hype ist und sich jeder verantwortungsvolle IT-Planer bereits jetzt damit auseinandersetzen muss. Ist das tatsächlich so? Das Team der ComConsult Beratung und Planung hat sich mit diesem Thema auseinandergesetzt und kam zu einigen interessanten Ergebnissen. Einleitend sei gesagt, dass es im weiteren Teil des Artikels nicht um die Fragen geht,

  • ob eine intelligente Rauminfrastruktur bestehend aus einer zunehmend hohen Anzahl an Datenpunkten sinnvoll ist oder nicht (diese Entwicklung wird man vermutlich nicht mehr aufhalten können),
  • ob die sicherheitsrelevanten aktuellen Lösungen so etwas verantwortungsvoll erlauben oder nicht,
  • ob PoE-Beleuchtung betriebswirtschaftliche Vorteile z.B. durch eine höhere Energieeffizienz mit sich bringt oder nicht,
  • ob und wie sich die betriebsinternen Prozesse dieser Digitalisierung anpassen müssen.

Stattdessen hat sich das Team und der Autor auf die Frage konzentriert, was wäre heute bei der Vorverkabelung eines Gebäudes zu tun, um PoE-basierende Beleuchtungstechnik einführen zu können, wenn man sich dann sofort oder später dafür entscheiden würde.

Fangen wir ganz vorne an. In einem intelligenten Raum müssen Daten gesammelt werden und auf dieser Basis werden Aktionen im Raum ausgeführt, die teilweise mit dem Fließen von erheblicher Energie in den Raum hinein verbunden sind. Für beides lässt sich PoE einsetzen. Zum einen, um das „informationssammelnde“ Element zu betreiben (eine niedrige PoE-Leistung wird benötigt) und zum anderen um das Element zu betreiben, welches im Raum z.B. die „sichtbare“ Funktion auslöst, dies wäre dann z.B. das Einschalten eines Stellmotors oder die Erzeugung von Licht (eine höhere PoE-Leistung wird benötigt). Auf einer sehr abstrakten vereinfachenden Ebene erfolgt etwas Ähnliches bereits heute in jedem Raum: Eine Person (informationssammelndes Element) betritt einen dunklen Raum, stellt mit seinen Augen fest, dass es zu dunkel ist, drückt den Lichtschalter und sorgt damit dafür, dass in den Raum eine ausreichende Strommenge fließt um die Lampe zum Leuchten zu bringen.

Ersetzt man die Augen und Handlung der Person durch ein im Raum installiertes elektronisches Element, so müssen Daten zwischen diesem Element und dem zu steuernden Element oder einer zentralen Steuerungseinheit fließen. Wie wir gesehen haben könnte das theoretisch eine funkbasierende Infrastruktur sein. Die Funkzelle wird aber aus Gründen der unsicheren Zuverlässigkeit nur auf den Raum bzw. eine eingeschränkte Fläche beschränkt sein. Eine für diesen Zweck genutzte Funkzelle, die sich über eine ganze Etage erstreckt ist aus Sicherheitsgründen (im Sinne von Verfügbarkeit) kaum vorstellbar. Damit muss also in jeden Raum oder zumindest in jede Raumgruppe eine Datenleitung geplant werden, dies könnte sowohl Twisted Pair als auch Lichtwellenleiter sein. Ja, es könnte auch eine völlig andere Technik als Ethernet sein und damit ein völlig anderes Medium (wie z.B. die Steuerungsverkabelung bei KNX).

Viele Rauminformationen lassen sich gut mit Sensoren sammeln bzw. weiterleiten, wenn diese im Deckenbereich angebracht werden, was zur Folge hat, dass der Datenanschluss am besten in Deckenhöhe positioniert wird. Wenn bereits der Datenanschluss in Deckennähe angebracht wird liegt es nicht mehr fern, die sich dort befindende Beleuchtung über den Datenanschluss mit Energie zum Zwecke der Abgabe von Licht zu versorgen. Genau da setzt die Technik der Beleuchtung mit Fernspeisung an.

Doch was wäre denn technisch möglich? Lassen Sie uns anhand von einfachen Beispielen die wichtigsten Möglichkeiten anschauen, wie eine Beleuchtung in einem Standardbüro geplant werden kann (leerer Grundriss siehe Abbildung 6). Dabei liegt der Schwerpunkt unserer Betrachtung auf der Planung der notwendigen Verkabelung bzw. damit verbundenen Schaltelemente.

Beispielgrundriss Bürobereich

Abbildung 6: Beispielgrundriss Bürobereich mit Eintragung der Leuchten

Beim Vergleich darf ein Punkt nicht außer Acht gelassen werden, der für alle Lösungen gilt: Neben der Beleuchtung braucht jeder Raum eine Grundversorgung an 230-Volt-Anschlussmöglichkeiten um z.B. kleine Schreibtischlampen, Drucker, Faxgeräte und auch bürountypische Geräte wie Staubsauger oder Radios anschließen zu können. Eine Beleuchtung ausschließlich auf Basis der Fernspeisung wird also vermutlich niemals einen vollständigen Verzicht auf 230-Volt-Anschlüssen im Raum zur Folge haben. Diese Stromkreise und Anschlüsse sind in Abbildung 6 nicht dargestellt.

Klassische 230-Volt-Beleuchtung

Die klassische Stromverkabelung ähnelt eher einer Stern/Busverkabelung als einer reinen Sternverkabelung. Die Abbildung 7 zeigt als Detail des Grundrisses ein Eckbüro für 2-3 Mitarbeiter und veranschaulicht: Ausgehend von einem Serienschalter an der Tür werden nur 2 Stränge mit 5 Teillängen (NYM-J 3 x 2,5 qmm) im Raum benötigt um den Raum mit Licht zu versorgen (5 Standardleuchten) und es führt nur eine Leitung vom Elektrounterverteiler in den Raum. Diese Lösung benötigt für den gesamten dargestellten Bürobereich (Abbildung 6) ca. 220 m des Typs NYM-J 3 x 2,5 qmm und viele elektrische Schalter/Taster.

Eine Nachrüstung von einzelnen Beleuchtungselementen ist bei einer klassischen 230-Volt-Versorgung deutlich einfacher, denn es ist in der Regel nicht notwendig, eine Nachverkabelung ausgehend vom Elektrounterverteiler vorzunehmen. Aber diese Lösung besitzt im Vergleich zu den folgenden Lösungen „Null“ Komfort.

Ausschnitt einer klassischen Elektroplanung

Abbildung 7: Ausschnitt einer klassischen Elektroplanung für einen Raum

Beleuchtung auf Basis einer Standard-KNX-Lösung

Die „intelligente“ Steuerung von Elementen in Gebäuden bzw. in einem Raum ist keine Neuerfindung der Netzwerk-Technik, die seit langem im Einsatz befindliche KNX-Technik ist ein Beispiel für eine solche intelligente Technik. KNX ist seit 2002/2003 ein offener Standard für Gebäudeautomation (internationale Norm ISO/IEC 14543-3), wird von über 400 Herstellern unterstützt und lässt sich vereinfacht wie folgt erklären: Alle Sensoren und Aktoren im Gebäude werden über eine Bustopologie (Qualität: Telefonleitungen) miteinander verbunden, jedes Gerät kann mit allen anderen kommunizieren. Der Lichtschalter kommuniziert mit dem Dimmer der Deckenleuchte und regelt so die Helligkeit. Aber auch: Der Bewegungsmelder meldet dem Raumthermostatregler, dass niemand mehr im Raum ist und er die Temperatur im Raum reduzieren kann. Eine Zentralsteuerung ist nicht notwendig (optionale zentrale Steuereinheiten sind möglich), es gibt keine Hierarchie und die Intelligenz ist gleichmäßig über alle Teilnehmer verteilt, die eines einzelnen Bereichs sind über Koppler verbunden, dies führt zu einer einfachen Ausbaubarkeit und zu einer hohen Verfügbarkeit des Systems. Als Bustechnologie stehen mehrere Möglichkeiten zur Verfügung:

  • Übertragung über verdrillte Zweidraht-Datenleitung: KNX Twisted Pair (KNX TP)
  • Übertragung über das vorhandene 230-Volt-Netz: KNX Power Line (KNX PL)
  • Übertragung über Funk: KNX Radio Frequency (KNX RF)
  • Übertragung über Ethernet (KNX IP)

Betrachten wir die Planung unseres einfachen Eckbüros (siehe Abbildung 8): Deutlich erkennbar ist, dass die Energieversorgung identisch bleibt zur 230-Voltversorgung, dieselbe Anzahl von NYM-Leitungen wird im und zum Raum verlegt (rote Linien). KNX TP braucht nur eine weitere in den Raum zu verlegende Schwachstromleitung Y-(ST)-Y 2x2x0,8 (maximal 30 Volt). Nicht sichtbar im Ausschnitt ist, dass diese blaue Linie als Busverkabelung alle Räume durchzieht und zusammen mit vielen Sensoren und Aktoren die Basis der Kommunikation darstellt. Insgesamt werden bei dieser Lösung für alle Räume ebenfalls 220 m des Typs NYM-J 3 x 2,5 qmm plus ca. 90 m „Datenleitung“ Y-(ST)-Y 2x2x0,8 benötigt. Mit wenig Verkabelungsaufwand ist eine deutliche Steigerung der Intelligenz möglich (z.B. indem die Anzahl von Sensoren in den Räumen erhöht wird), es bleibt weiterhin die verkabelungstechnische Trennung bestehen zwischen Übertragung von Signalen und Übertragung von Energie, Erweiterungen sind relativ einfach.

Ausschnitt einer KNX-basierenden Elektroplanung

Abbildung 8: Ausschnitt einer KNX-basierenden Elektroplanung für einen Raum

Beleuchtung auf Basis einer EnLighted-Lösung

Bei der nächsten Lösung kommen wir dem Netzwerk-basierenden Ansatz bereits deutlich näher. Zur Beschreibung des Systems der Firma EnLighted müssen wir unsere Beispielplanung bzw. Ausschnitt etwas erweitern, sonst ist eine Erklärung nicht möglich. In Abbildung 9 ist erkennbar, dass wir weiterhin ein 230-Volt-Verkabelung haben als Energieträger mit einer im Vergleich zu den beiden vorherigen Lösungen leicht anderen Verschaltung der Teillängen (rote Linien: insgesamt ca. 200 m des Typs NYM-J 3 x 2,5 qmm über alle Räume). Die Steuerung bedient sich einer funkbasierenden Technik (Technik für drahtlose Sensornetze nach IEEE 802.15.4). Dazu gibt es ein enlighted Gateway (im Beispiel montiert im Flur), welches über einen genau definierten Flächen-/Raumbereich für die Kommunikation zwischen unterschiedlichsten Sensoren und Aktoren sorgt (eC- und eRC-Einheiten: enlighted Controller und enlighted Room-Control-Funkschalter). Damit die Gateways miteinander kommunizieren können, ist die Integration der Geräte in einem „herkömmlichen“ (Ethernet)-Netzwerk notwendig, was wiederum zu einer Twisted-Pair-Anbindung des Gateways an einen IT-Etagenverteiler führt (grüne Linie). In unserem Beispiel wurden für die betrachtete Raumgruppe 3 Gateways vorgesehen mit einer Gesamtlänge der 3 Teillängen Twisted-Pair von ca. 180 m. Die Stromversorgung der Gateways erfolgt mit Hilfe von PoE (IEEE 802.3af).

Erweiterungen sind, sofern kein neues Gateway notwendig wird, wegen der Funktechnik im Steuerungsnetz und des parallelen klassischen 230-Volt-Versorgungspfades sehr einfach. Muss ein weiteres Gateway ergänzt werden (z.B. bei einer neu erschlossenen Fläche oder bei einer Überlastung der Funkzelle), so ist natürlich ein neues Datenkabel zu verlegen.

Beleuchtung auf Basis einer SmartLighting-Lösung

Der seit vielen Jahren bekannte Hersteller von Mini-Switches und Industrie-Switches mircrosens bietet eine Lösung an, die eine deutlich stärkere Abkehr von den oben beschriebenen 230-Volt-Lösungen vorsieht. Wie in Abbildung 10 erkennbar gibt es (zumindest für unseren Fokus auf die Beleuchtung) eine deutlich reduzierte 230-Volt-Verkabelung, sowohl Daten als auch Energie werden über Datenleitungen in die Fläche gebracht. Ähnlich zu enlighted gibt es eine Art von „Hauptcontroller“, der die Raumsteuerung ausführt, genannt Smart Engine (lüfterlos und damit geräuschlos). Dieser

  • benötigt eine 230-Volt-Versorgung (rote Linien: insgesamt ca. 40 m des Typs NYM-J 3 x 2,5 qmm über alle Räume),
  • wird über ein Kommunikationskabel (TP oder LWL) mit dem IT-Etagenverteiler an das Netzwerk angeschlossen (in unserem Beispiel wären das 4 Smart Engines mit ca. 240 m TP-Kabel; alternativ zur sternförmigen Anbindung kann eine Kaskadierung erfolgen),
  • kommuniziert über Twisted-Pair mit Controller-Einheiten, die Sensoren und Aktoren enthalten, sogenannte Smart Lightning Controller SMC (grüne Linien im Bild mit ca. 200 m Gesamtlänge),
  • versorgt die Smart Lightning Controller mit Strom (PoE).

Die Stromversorgung der Leuchten erfolgt ausgehend vom SMC über eine weitere, dritte Art von Leitung, einer 2-Draht-Leitung, in der Beispielplanung ca. 20 m aufgeteilt auf sehr viele Teilstücke (Basis: Spannung mit 54 Volt). Dies setzt also eine spezielle Art von Leuchtmittel bzw. Lampen voraus.

Ausschnitt einer Elektroplanung für einen Raum

Abbildung 9: Ausschnitt einer Elektroplanung für einen Raum (System EnLighted)

Unabhängig von der technischen Bewertung im Vergleich zu den Vor-/Nachteilen der bisher beschriebenen Lösungen kann bezüglich der Verkabelung festgehalten werden, dass

  • die Verkabelungsvielfalt ist höher (was immer zu einer Steigerung der Betriebskomplexität führt),
  • der Hauptenergiepfad zu den Leuchten kommt über die 230-Volt-Verkabelung in die Fläche und wird dann auf weitere „Schwachstromleiter“ konvertiert wird (also keine konsequente Trennung),
  • Nachrüstungen bzw. Nachverkabelung sehr stark davon abhängig sind, was ergänzt werden muss.

Ergänzungen von Smart Engines sind verkabelungsaufwendiger, da sie in der Regel ein neues Kommunikationskabel zwischen Engine und dem nächsten IT-Etagenverteiler erfordern. Damit ist ähnlich zur EnLigthed-Technik die Vorplanung ganz entscheidend. Der Aufwand einer Nachrüstung von weiteren Controllern oder Leuchten ist verhältnismäßig gering.

PoE-Beleuchtung

Auf die Lösung der direkten PoE-Beleuchtung gehen wir etwas genauer ein, da sie ja im Fokus des Artikels steht. Zunächst eine allgemeine Betrachtung, unabhängig vom Beispielszenario.
Wie wir gesehen haben zeichnet sich eine Standardisierung zu PoE mit einer maximalen Verbraucherleistung von ca. 70 Watt ab. Damit würden sich 2 PoE-Leuchten mit Strom versorgen lassen (Beispiel: Philips Typ 1×4). Wenn die Lichtstärke von einer Leuchte für den Raum nicht ausreicht, gibt es prinzipiell folgende Möglichkeiten:

  1. Man teilt die zugeführte elektrische Leistung des einen Kabels so auf, dass mehrere Leuchten versorgt werden können, die im Raum verteilt werden; alle zusammen dürfen nicht mehr als 70 Watt verbrauchen.
  2. Man sieht für jede zusätzliche Leuchte ein weiteres Twisted-Pair-Kabel vor.
System Microsens SmartLightning

Abbildung 10: Ausschnitt einer Elektroplanung für einen Raum (System Microsens SmartLightning)

Im ersten Fall muss sichergestellt sein, dass die unmittelbar mit der PoE-Quelle (PSE) verbundene Leuchte mindestens die PoE-Leistung weitergeben kann; das müsste im Prinzip kein Twisted-Pair-basierendes Kabel sein. Wenn die kaskadierte Leuchte mit Sensoren ausgestattet sein soll, die gesammelte Daten (z.B. auch Rauminformationen) über eine Ethernet-Leitung zum Leitsystem senden kann, so macht Twisted-Pair als kaskadierende Verbindung aber Sinn. Dies hätte zur Folge, dass in der ersten PoE-Leuchte ein LAN-Switch integriert wäre. Auf die Konsequenzen für das Netzwerk bei einer derartigen extremen Verbreitung von Switches im gesamten Gebäude geht der Autor nicht ein, es ist aber von einer extremen Anpassung des physikalischen, logischen und sicherheitsbezogenen Designs des Netzwerkes auszugehen. Dies gilt im Übrigen auch für die Lösungen, je nach Umfang der in das Netzwerk integrierten Komponenten.

Aus Sicht der IT-Verkabelungsplanung ist der zweite Fall der „GAU“: Wie bei einer klassischen Beleuchtungsplanung mit 230-Volt-Lampen muss bereits vor dem Bezug des Raumes bzw. der gesamten Etage festgelegt werden, wie viele Lampen wo zu installieren sind. Bei einer sternförmigen PoE-Verkabelung muss aber ausgehend vom IT-Etagenverteiler ein neues Kabel gelegt werden, was bei entsprechendem innenarchitektonischem Innenausbau sehr aufwendig wäre (keine abgehängten Decken, geschlossene Verkofferungen etc.). Deshalb müssen im Unterschied zur 230-Volt-Planung bei einer PoE-Beleuchtung bereits frühzeitig alle Kabel gezogen werden. Dies würde bei einer aktuellen Neubauplanung bedeuten, dass man eine Unmenge an Datenkabel bereits jetzt verlegen lassen müsste, um in Zukunft vielleicht eine PoE-basierende Beleuchtung einführen zu können.

Es gibt bereits erste Anbieter von Verkabelungssystemen, die sich mit dieser massiven Vorverkabelung beschäftigen und skalierbare Lösungen anbieten. Dabei wird ein seit vielen Jahren bekanntes Grundprinzip verwendet: der Einsatz von Sammelpunkten (Consolidation Points).

Deckengehäuse der Firma Siemon

Abbildung 11: Deckengehäuse der Firma Siemon

Beispielsweise der Netzwerk-Infrastruktursystemanbieter Siemon bietet eine Produktpalette an, die gezielt auf dieses Einsatzumfeld abgestimmt ist (interessant: die Designunterlagen von Siemon und Philips ergänzen sich, offenbar gibt es hier eine Kooperation): Es gibt ein passives Deckengehäuse zur Nutzung als Sammelpunkt, welches mit den geometrischen Maßen von 610 mm x 610 mm in eine abgehängte Decke mit Rasterplatten passt und dort an die feste Decke befestigt werden muss. Im Gehäuse befindet sich ein 4HE-Rack, welches herausklappbar ist. Dieser Sammelpunkt stellt den Abschluss für eine ausreichend geplante Menge von Twisted Pair-Verbindungen aus einem Verteiler kommend dar. Innerhalb des Versorgungsbereiches des Sammelverteilers befinden sich dann die zu versorgenden PoE-Elemente und diese können mit relativ kurzen Kabeln angeschlossen werden. Bei Änderungen und insbesondere bei weiteren benötigten Anschlüssen muss kein komplett neues Installationskabel vom Anschlusspunkt zum Etagenverteiler gezogen werden, es reicht, dieses zum nächsten Sammelpunkt zu ziehen. Vorausgesetzt, die zwischen dem Deckengehäuse und dem Etagenverteiler installierte Anzahl von Leitungen wurde ausreichend geplant. Die zum Programm gehörenden Anschlusstechniken im Deckengehäuse oder in den Dosen sind speziell auf die hohen elektrischen Belastungen bei PoE ausgelegt worden (u.a. bis zu fast 1 Ampere pro Paar). Deutlich wird, eine solche Gehäuselösung ist nicht für jeden Innenausbau geeignet.

Aus Sicht des Autors steht dieser Aufwand in keinem Verhältnis zu den Mehrwerten und es wird bezweifelt, dass sich diese Technik durchsetzen wird. Wohlgemerkt, es geht nicht darum, dass PoE genutzt werden wird um im Raum bzw. Gebäude informationssammelnde Elemente mit Betriebsstrom zu versorgen, es geht darum, dass PoE als Energieträger für eine Beleuchtung auf Basis einer sternförmigen Vorverkabelung sinnvoll sein kann.

Angenommen, dass es trotzdem technisch möglich wäre und gewünscht ist mit dedizierten Leitungen „Licht in den Raum“ zu bringen, welche organisatorischen Konsequenzen hätte dies noch? Bei den meisten Firmen liegen die Planung und der Betrieb der Beleuchtung in der Hoheit der TGA/GLT-Abteilung oder der von externen Facility-Management-Firmen und die Planung und der Betrieb der IT in der Hoheit der IT-Abteilung. Das würde sich ändern, folgende Möglichkeiten sieht der Autor:

  • Die IT-Abteilung übernimmt die Zuständigkeit für die Beleuchtung (was sehr bezweifelt werden darf).
  • Die TGA/GLT-Abteilung übernimmt Zuständigkeit für die IT oder zumindest die IT-Verkabelung (das zweite ist ein Modell, welches in den letzten beiden Jahren an Bedeutung gewonnen hat).
  • Es wird zwei getrennte „IT-Schienen“ geben, die weiterhin von unterschiedlichen Abteilungen betrieben werden und die an gemeinsam festzulegenden Schnittpunkten miteinander verbunden werden. Wie bereits im Netzwerk-Insider im Oktober 2016 beschrieben führt das zu erheblichen Konsequenzen bei der Raumplanung, denn es müssen gegebenenfalls IT-Verteiler für das „Standard-IT-Netz“ und eigenständige IT-Verteiler für die TGA/GLT geplant und hergerichtet werden.

Welche der genannten Möglichkeit zum Tragen, kommt hängt extrem von den „politischen“ Rahmenbedingungen ab.

Kommen wir zurück zu unserem Beispielszenario (Planungsgrundlage: Philips). Unter der Annahme, dass alle LED-Leuchten mit einem eigenen Twisted-Pair-Kabel versorgt werden müssen (grüne Linien), werden für die betrachtete Raumfläche alleine 31 TP-Kabel benötigt mit einer Gesamtlänge von ca. 1.900 m.

Abbildung 12: Ausschnitt einer Elektroplanung für einen Raum (PoE-Prinzip)

Bei der Steuerung dieser Lampen wird davon ausgegangen, dass eine halbfunkbasierende Lösung eingesetzt wird, bei der auf Basis von Standard-WLAN herstellerspezifische Control Panels (intelligente Lichtschalter) über Access-Points mit zentralen Steuerungselementen und Gateways (irgendwo platziert und ans Netzwerk angeschlossen) kommunizieren und über die TP-Leitungen die herstellerspezifischen LED-Lampen steuern. Jede denkbare und mögliche Intelligenz ist in den Lampen integrierbar und kann über die TP-Datenleitungen wirken.

Fazit

Die Fernspeisung ist definitiv ein wichtiges Thema bei der Vorverkabelung eines Gebäudes und wird im Falle des Einsatzes von Ethernet als Übertragungstechnik „Power over Ethernet“ sein. Ob die Technik bzw. damit verbundene Kommunikationsverkabelung geeignet sein wird, hohe Leistungen mit mehr als 30 Watt flächendeckend zur Errichtung einer Beleuchtungsinfrastruktur bereitzustellen, ist zu hinterfragen. Das Hauptproblem entsteht dann, wenn PoE als primärer Energieträger für eine Beleuchtung (oder ähnlichem) herangezogen wird und die eigentliche Datenübertragung eher von sekundärer Bedeutung ist. Dies ist eine technische Lösung, die – wie zu erwarten – verstärkt von klassischen Leuchtenherstellern ausgebaut und publiziert wird, in Europa ist das derzeit im Wesentlichen nur Philips.

Der Autor sieht eher in einer vertauschten Priorisierung den Vorteil: Die Datenleitung dient primär dazu, zwischen den Rauminfrastrukturelementen Daten zu übertragen und an zweiter Stelle folgt erst, eine eher niedrigere Energie zu den Elementen zu transportieren (im Wesentlichen zu den informationssammelnden Elementen). Für den Fall, dass hohe Energie benötigt wird (und dazu zählt dann bereits der Strom für Lampen) ist es möglicherweise weiterhin sinnvoll, das klassische 230-Volt-Netz heranzuziehen.

Für den Fall, dass sich trotzdem die direkte Verkabelung zwischen Lampen, Sensoren und Netzwerk-Switches durchsetzen sollte wird es sehr schwer werden, Prognosen über das Temperaturverhalten der Kabel und damit der nachrichtentechnischen Übertragungsqualität aufzustellen, selbst bei Anwendung der EN 50174-2.

Im Zweifel sollte dann der Fokus auf die ursprüngliche Funktion von Datenkabel gelegt werden: Die Sicherstellung einer möglichst hohen Datenrate über eine möglichst große Distanz.

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