Zeitschrift EE

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2009-03

Nachhaltige Gebäude

Abbildung 1: Reihenhausanlage (Quelle: Kohlbacher)

Eine gesamtheitliche Bewertung von Wärmeversorgungssystemen geht weit über einen rein betriebswirtschaftlichen Vergleich hinaus. Eine Gegenüberstellung verschiedener Wärmeversorgungssysteme nach energetischen, wirtschaftlichen und umweltbezogenen Kriterien zeigt, dass beim heute üblichen Gebäudestandard für Neubauten Energie-, Emissions- und Kosteneinsparungen von bis zu 80% erreicht werden können.

Bewertung der Wärmeversorgung von Gebäuden
Energetische, wirtschaftliche und umweltbezogene Kriterien
(Kurzfassung einer umfangreichen Dokumentation mit Bewertungsschema und Beispielen [1]. Kostenloser Download http://www.aee.intec.at)

Von Gerhard Faninger *

Einführung

Nach Energieeinsatz und CO2-Emission zählt der Gebäudesektor zu dem wichtigsten Bereich für energieeffiziente Maßnahmen und für die Reduktion der energiebedingten CO2-Emissionen: Um 30% des Energieeinsatzes in Österreich entfallen auf Raumwärme und Warmwasser und die Wärmeversorgung von Gebäuden trägt mit etwa 17% zu den umweltrelevanten CO2-Emissionen in Österreich bei.
Für den Gebäudebereich existieren markterprobte Techniken zur Steigerung der Energieeffizienz (Wärmedämmung der Gebäudehülle, energieeffiziente Heizungstechniken, stromsparende Haushaltsgeräte) und es bieten sich gute Voraussetzungen für den Einsatz erneuerbarer, lokal verfügbarer Energieträger zur Wärmeversorgung (über thermische Solaranlagen, biogene Heizungstechniken, Wärmepumpen mit Nutzbarmachung von Umweltwärme) und zur Stromversorgung (über solarelektrische Anlagen – Photovoltaikanlagen) an. Insbesondere im Gebäudebereich lässt sich das „Win-Win“-Prinzip optimal umsetzen: Vorteile für Hauseigentümer und Mieter, Beitrag zur Versorgungssicherheit, Beitrag zum Umweltschutz, Unterstützung der Energiepolitik bei der Umsetzung des Kyoto-Zieles und Vorteile für die österreichische Wirtschaft durch Schaffung neuer und zukunftssicherer Arbeitsplätze.
Mit Wärmeschutzmaßnahmen an der Gebäudehülle und mit effizienten Heizungstechniken mit Nutzung erneuerbarer Energieträger lässt sich der Brennstoffeinsatz für Raumwärme und Warmwasser gegenüber heute üblichen Gebäuden („Standard-Gebäude“ mit konventioneller Heizungstechnik) beträchtlich reduzieren: bis zu 80% Reduktion an Brennstoffen und CO2-Emission. Aber auch im Bereich des Stromeinsatzes in einem Haushalt (Haushaltsgeräte und Beleuchtung) lassen sich mit markterprobten energieeffizienten Geräten Stromeinsparungen von über 50% erreichen, und dies ohne Komfortverlust.
Die Maßnahmen zur Reduktion des Energieeinsatzes und der damit verbundenen Verminderung umweltrelevanter Emissionen müssen überlegt und gezielt gesetzt werden. Grundsätzlich gilt, dass Gebäude und Wärmeversorgung als Einheit betrachtet werden müssen (siehe Abbildung 2). Als Grundlage für eine Entscheidung in Planung, Ausführung und Betrieb müssen Kriterien für die Bewertung von energieeffizienten und umweltverträglichen Maßnahmen vorgegeben werden, in Verbindung mit einem transparenten Bewertungsschema.

Abbildung 2: Gesamtheitliche Bewertung der Wärmeversorgung von Gebäuden: Bewertungsschema

Bewertungskriterien und Bewertungsschema

Die Kenngrößen zur Bewertung der Wärmeversorgung von Gebäuden (inklusive Heizungssystem) beziehen sich auf energetische, wirtschaftliche und umweltbezogene Kriterien (Abbildung 3).

Die energetische Bewertung
Die Energetische Bewertung der Wärmeversorgung von Gebäuden umfasst Heizwärmebedarf, Heizenergiebedarf und Brennstoffeinsatz. Der aktuelle Heizwärmebedarf wird über den heute genormten „Gebäudeausweis“ ermittelt bzw. den Berechnungen zugrunde gelegt. Der Heizenergiebedarf – zur Abdeckung des Heizwärmebedarfes - wird aus dem Heizwärmebedarf über den Nutzungsgrad des Heizungssystems abgeleitet. In den Berechnungen wird von energieeffizienten Heizkesseln ausgegangen.
Typisch für einen Haushalt ist ein Warmwasserbedarf von 120 bis 140 Liter/Tag (50°C), zusätzlich 30% Wärmeverluste im Speicher und Rohrleitungen. Der Heizwärmebedarf für Warmwasser in einem Haushalt wird nach Erfahrungswerten mit 3.000 kWh/Jahr angesetzt.
Der Stromeinsatz in Haushalten bezieht sich einerseits auf den Hilfsstrom zum Antrieb der Heizungsanlage und andererseits für Haushaltsgeräte sowie TV, Radio, PC und Beleuchtung.
Hilfsstrom für Heizungsanlagen betrifft den Antrieb der Umwälzpumpen im Heizungssystem sowie für Regelung und Steuerung. Für Heizungssysteme mit Warmwasserheizung wird der Einsatz an Hilfsstrom vergleichbar sein. Bei Luftheizungen (Passivhäuser) kommt allerdings der im Vergleich zu Warmwasserheizungen höhere Strombedarf für die Luftumwälzung – bei kontrollierter Wohnraumlüftung auch außerhalb der Heizsaison - hinzu. Bei solarthermischen Anlagen ist der Strom für den Antrieb der Umwälzpumpe im Kollektorkreis und bei externen Wärmetauschern auch der Umwälzpumpe im Speichersystem zu beachten: Erfahrungswerte zwischen 80 kWh/Jahr bis 150 kWh/Jahr. Der Strombedarf für die Regelung von Wärmepumpen ist in der Arbeitszahl der Wärmepumpe berücksichtigt.
Eine detaillierte Energiebilanzierung sollte den Hilfsstrom zum Betrieb der Heizungsanlage einbeziehen.
Mit modernen und energieeffizienten Haushaltsgeräten sowie mit Energiesparlampen lassen sich im Vergleich zu älteren Produkten Stromeinsparungen um mehr als 50% erzielen.
Die Annahmen zur Energetischen Bewertung der Wärmeversorgung von Gebäuden werden in [1] ausgewiesen.

Abbildung 3: Kenngrößen zur Bewertung der Wärmeversorgung

Die wirtschaftliche Bewertung der Wärmeversorgung
Die wirtschaftliche Bewertung von Energiesparmaßnahmen und Energie-Erzeugungsanlagen/Heizungssystemen kann nach betriebswirtschaftlichen und nach volkswirtschaftlichen Kriterien erfolgen. Bei der betriebswirtschaftlichen Bewertung werden Aspekte des Umweltschutzes, der Versorgungssicherheit, der Risiken, der Wertschöpfung etc. nicht berücksichtigt. Eine volkswirtschaftliche Bewertung führt zu einer gesamtheitlichen Bewertung von Energiesystemen. Diese hat zu berücksichtigen: Kosten/Nutzen-Verhältnis, Volkswirtschaftliche Kriterien (Umwelt, Nachhaltigkeit, Import, Wertschöpfung etc.), Versorgungssicherheit (Verfügbarkeit, Preisentwicklung), Risiken (Betriebssicherheit, Gefahrenpotential etc), Lebensqualität (Komfort, Umwelt, Unabhängigkeit etc.).
Von besonderem Einfluss auf die Wirtschaftlichkeitsrechnung sind einerseits die angenommene Lebensdauer für Komponenten und Systeme der Heizungsanlage und andererseits der Betrachtungszeitraum (Abschreibungszeit).
Mit der statischen Methode wird die Amortisationsdauer des im Betrieb kostengünstigeren Energiesystems, mit jedoch höheren Investitionskosten ermittelt. Die dynamische Methode führt zu den mittleren jährlichen Gesamtkosten (über den Betrachtungszeitraum), zu Annuitäten und zu den Barwerten der Gesamtkosten.
Für die betriebswirtschaftliche Vergleichsrechnung von Energiesystemen nach der Dynamischen Amortisationsmethode steht ÖNORM M 7140 zu Verfügung.
Mit kalkulatorischen (fiktiven) Energiepreiszuschlägen (für externe Kosten) werden die Umweltschäden in der Wirtschaftlichkeitsrechnung berücksichtigt und ermöglichen damit einen Vergleich von Heizungssystemen auch nach umweltbezogenen Kriterien. Damit werden die energieintensiven und die Umwelt belastenden Energieversorgungssysteme unrentabler, während Energiesparmassnahmen und der Einsatz erneuerbarer Energiequellen einen rechnerischen Bonus erhalten.

Vorgehensweise bei der wirtschaftlichen Bewertung
Die wirtschaftliche Bewertung bezieht sich zunächst auf den aus dem Heizenergieeinsatz abgeleiteten Brennstoffeinsatz (über den Heizwert des eingesetzten Brennstoffes) und in weiterer Folge auf die Brennstoffkosten für das erste Betriebsjahr (über die aktuellen Kosten des eingesetzten Brennstoffes). Da insbesondere in den letzten Jahren die Brennstoffpreise großen zeitlichen Schwankungen unterworfen waren, sind bei wirtschaftlichen Betrachtungen die jeweils an Standort aktuellen Preise einzuholen. Auch bei den Investitionskosten – einschließlich Installation und Inbetriebnahme – ist von aktuellen Angeboten auszugehen. Die Effizienz einer Heizungsanlage wird wesentlich von der Planung des Heizungssystems, inklusive Regelungs- und Steuerungsstrategie bestimmt. Bei der Auswahl des Heizungssystems sollte deshalb darauf geachtet werden, inklusive Vorsehen eines Pufferspeichers zur Unterstützung eines weitgehend kontinuierlichen Betriebes („Energiemanagement“).
Jährliche Wartungs- und Erneuerungskosten können die Betriebskosten wesentlich mitbestimmen und sollten deshalb nicht vernachlässigt werden. Erneuerungskosten lassen sich aus den Investitionskosten in Verbindung mit der angenommenen Lebensdauererwartung von Komponenten und Systemen eines Heizungssystems auf Jahreskosten umrechnen. Damit setzen sich die jährlichen Betriebskosten einer Heizungsanlage aus den Jahresbrennstoffkosten und den Jahresinvestitionskosten zusammen. Für eine erste Abschätzung der Wirtschaftlichkeit von Energiesparmaßnahmen und Heizungssystemen werden die für das erste Betriebsjahr abgeleiteten Heizkosten (meist nur Brennstoffkosten) mit den Investitionskosten in Relation gesetzt. Ermittelt wird der Zeitraum zur Abdeckung höherer Investitionskosten (abzüglich möglicher Förderungen) durch geringere Jahresbetriebskosten: Amortisationsdauer. Im privaten Bereich werden im Allgemeinen etwa 10 Jahre zum Erwirtschaften von Mehrausgaben akzeptiert. Als Vergleichssystem wird meist eine Ölheizung herangezogen: Öl-Äquivalent. Die aktuellen Marktdaten im Bereich Pellets- und Wärmepumpenheizungen sowie solarthermischen Anlagen bestätigen, dass sich diese Erwartungen am Markt bereits erfüllen.
Abbildung 4 illustriert die Jahreskosten von Ölkessel, Pelletskessel und Wärmepumpe und in Abbildung 5 wird der Strombedarf für Wärmepumpen-Systeme für Heizung und Warmwasser in einem Niedrigenergie- Wohnhaus und im Vergleich mit einem Ölkessel für Heizung und Elektroboiler für Warmwasser ausgewiesen. Mit dem Einsatz einer Wärmepumpe muss der Strombedarf in einem Haushalt nicht zwangsläufig steigen, wenn damit die Warmwasserbereitung über einen Elektroboiler vermieden und andererseits auch der Strombedarf für Haushaltsgeräte mit dem Einsatz effizienter Geräte reduziert wird.

Abbildung 4: Heizungssysteme im wirtschaftlichen Vergleich

Abbildung 5: Strombedarf für Wärmepumpen-Systeme für Heizung und Warmwasser im Vergleich mit einem Ölkessel für Heizung und Elektroboiler für Warmwasser
(Einfamilien-Wohngebäude in Niedrigenergie-Bauweise, Heizwärme: 9.800 kWh/Jahr, Warmwasser: 3.000 kWh/Jahr)

Bewertung der „Nachhaltigkeit“ der Wärmeversorgung
Eine gesamtheitliche Bewertung von Heizungsanlagen bezieht sich vorrangig auf die Effizienz des Heizungssystems und auf den Einsatz von Energieträgern mit geringen/fehlenden klimarelevanten Emissionen bei Erzeugung und Nutzung. Neben den energetischen und wirtschaftlichen Kriterien sind für die Bewertung der „Nachhaltigkeit“ der Wärmeversorgung von Gebäuden auch die umweltbezogenen Kriterien von Bedeutung (Abbildung 6). Die umweltbezogene Bewertung bezieht sich auf die aus der Heizenergie abgeleiteten Primärenergie und der energiebedingten, umweltrelevanten CO2-Emission, jeweils bezogen auf die gesamte Energiekette von Aufbringung, über Transport und Verarbeitung bis zum Einsatz. Aus der CO2-Emission werden die damit verbundenen Umweltkosten als „externe Kosten“ abgeleitet.
Die energetische und umweltbezogene Bewertung von Brennstoffen für die Heizkessel und von Strom für die Wärmepumpe erfolgt aus der Heizenergie mit dem Primärenergie-Faktor PEF (Verhältnis von Primärenergie (kWhprimär) zu Endenergie (kWhend), dem CO2-Faktor (Umweltrelevante CO2-Äquivalent-Emission in g CO2/kWhend und mit dem Faktor für Externe Kosten (Euro/kWhend).
In den vorliegenden Berechnungen werden die von GEMIS ausgewiesenen Umrechnungsfaktoren verwendet. GEMIS ist ein im Jahre 1987 entwickeltes und in den laufenden Jahren immer adaptiertes Rechenmodell zur Ableitung von Primärenergie- und CO2-Faktoren für Energieträger. GEMIS bedeutet Globales Emissions-Modell Integrierter Systeme. GEMIS berücksichtigt nicht nur den Energieaufwand von Aufbringung bis Einsatz, sondern auch die Erneuerbarkeit der Energieträger (Tabelle 1). Die Kenndaten für die PE- und CO2-Faktoren für Strom werden aus den Anteilen der Energieträger bei der Stromerzeugung abgeleitet. Wie bei der Ermittlung des Primärenergie-Faktors PEF werden die CO2-Äquivalent-Emissionen in den Vorketten des Energieträgers berücksichtigt.

Externe Kosten - bezogen auf Endenergie kWhend - sind Kosten, die nicht vom Verursacher (Produzent, Käufer bzw. Nutzer), sondern von der Allgemeinheit (d.h. aus den Steuer- bzw. Abgabeneinnahmen der öffentlichen Hand) getragen werden müssen. Verursacht werden diese Kosten durch Schäden, die durch Herstellung, Nutzung und Entsorgung von Produkten entstehen (siehe Tabelle 2 und [2]). Die Ableitung der externen Kosten für Brennstoffe erfolgt aus der Heizenergie des Brennstoffeinsatzes. Mit „externen Kosten“ kann eine betriebswirtschaftliche Bewertung in eine volkswirtschaftliche Bewertung übergeführt werden.

Tabelle 1: Umrechnungsfaktoren für Primärenergie und CO2-Emission
Primärenergie:
Nicht-erneuerbarer Energieeinsatz vor Ort plus Energieaufwand für Förderung, Verteilung und Umwandlung
CO2-Emission:
Bezogen auf den Einsatz nicht-erneuerbarer Energieträger plus Emission bei Förderung und Umwandlung
CO2-Äquivalent:
Mitberücksichtigung auch anderer Treibhausgase, gewichtet nach deren Einfluss auf den Treibhauseffekt.
(Quelle: Datensätze von GEMIS (2004)

Energieträger/
Energiedienstleistung
PEF *
[kWhpe/kWhend]
CO2-Äquivalent
[g/kWh]
Brennstoffe
 
 
Heizöl
1.13
311
Erdgas
1.14
247
Steinkohle
1.08
439
Braunkohle
1.21
452
Scheitholz
0.01
6
Holz-Hackgut
0.06
35
Holz-Pellets
0.14
43
Elektrischer Strom
EU-17-Netzstrom
2.35
430
UCTE-Mix (2006)
1.86
446
Österreich (Strommkennzeichnung 2005)
1.12
256
PV-Strom, zentral
0.40
130
Windstrom, zentral
0.04
20
Fernwärme
 
 
70% Kohle, 30% Öl
(Wärme-Kraft-Kopplung)
1.77
241
35% Kohle, 65% Öl
(Wärme-Kraft-Kopplung)
1.12
323
100% Öl
1.48
406
Nahwärme
 
 
35% Kohle, 65% Öl
(Wärme-Kraft-Kopplung
1.10
127
100% Öl
1.47
323
Solar, dezentral (Gebäudeintegriert)
 
 
Solarthermisch
0
0
Solar elektrisch
(Photovoltaik, PV)
0
0


Tabelle 2: Externe Kosten der Energieträger für Heizungssysteme in Gebäuden [2]
(Quelle: Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit, Österreich, 2002

Brennstoff
Heizöl
Erdgas
Pellets
Stückholz
Hackschnitzel
Strom
Fernwärme
Minimal-Werte, €/kWh
0.0094
0.0072
0.0012
0.0010
0.0012
0.0085
0.0048
Maximal-Werte, €/kWh
0.0211
0.0168
0.0017
0.0013
0.0017
0.0184
0.0110
Mittel-Werte, €/kWh
0.0150
0.0120
0.0015
0.0012
0.0015
0.0135
0.0079

Heizungssysteme im Vergleich

Die Bewertung der Wärmeversorgung von Gebäuden erfolgt in Abbildung 5 am Beispiel eines Einfamilienwohnhaus mit verschiedenen Heizungssystemen (Ölkessel, Gaskessel, Pelletskessel und Wärmepumpe) nach energetischen Kriterien (Heizenergie, Primärenergie, Brennstoffeinsatz) und umweltbezogenen Kriterien (CO2-Emission, Externe Kosten). Es wird von modernen Heizungstechniken und einem heute üblichen Gebäudestandard bei Neubauten (Energiesparhaus/Niedrigenergiehaus) ausgegangen. Die Ergebnisse belegen, dass mit Pelletsheizungen und Wärmepumpen im Vergleich zu einer Ölheizung beträchtliche Einsparungen/Reduktionen an Heizenergie, Primärenergie, CO2-Emission und externen Kosten erzielt werden: über 80%.

Abbildung 6: Bewertung von Heizungssystemen: Ölkessel, Gaskessel, Pelletskessel und Wärmepumpen mit vom Heizungssystem getrennter Solaranlage zur Warmwasserbereitung

Zusammenfassung und Schlussfolgerungen

Die aktuelle Energie- und Umweltsituation sowie die unbefriedigende Zukunftsoption am Energiemarkt legen nahe, die Wärmeversorgung von Gebäuden nach den Kriterien der „Nachhaltigkeit“ zu planen und auszuführen. Ein rein betriebswirtschaftlicher Vergleich wird nicht ausreichen.
Eine gesamtheitliche Bewertung von Heizungsanlagen bezieht sich vorrangig auf die Effizienz des Heizungssystems und auf den Einsatz von Energieträgern mit geringen bzw. fehlenden klimarelevanten Emissionen bei Erzeugung und Nutzung. Neben den energetischen und wirtschaftlichen Kriterien sind für die Bewertung der „Nachhaltigkeit“ der Wärmeversorgung von Gebäuden auch die umweltbezogenen Kriterien von Bedeutung. Die umweltbezogene Bewertung bezieht sich auf die aus der Heizenergie abgeleitete Primärenergie und auf die umweltrelevante CO2-Emission, jeweils bezogen auf die gesamte Energiekette von Aufbringung, über Transport und Verarbeitung bis zum Einsatz. Aus der CO2-Emission werden die damit verbundenen Umweltkosten als „externe Kosten“ abgeleitet.
Die „Nachhaltigkeit“ der Wärmeversorgung wird vom Gebäudestandard („Standardhaus“ -IST-Zustand - , „Energiesparhaus“, „Niedrigenergiehaus“ und „Passivhaus“) und von dem Heizungssystem (Effizienz und Einsatz erneuerbarer Energieträger) bestimmt.
Der Wärmeschutz des Gebäudes zur Verminderung der Transmissionswärmeverluste bestimmt den Heizwärmebedarf für Raumwärme, welcher mit solararchitektonischen Elementen in der Gebäudehülle („passive“ Sonnenenergienutzung) und mit internen Wärmegewinnen über Haushaltsgeräte und Personen reduziert wird.
Die zur Abdeckung der erforderlichen Heizwärme erforderliche Heizenergie lässt sich weiters über „aktive“ Solarwärme, erzeugt über solarthermische Anlagen, sowie über Nutzung von Umweltwärme mit der Wärmepumpentechnik vermindern. Mit kontrollierter Wohnraumlüftung - in Verbindung mit Wärmerückgewinnung - lassen sich um bis zu 70% der Lüftungswärmeverluste - aus der hygienisch erforderlichen natürlichen Lüftung - als nutzbare Abwärme dem Heizungssystem wieder zuführen.
Die Kriterien von „nachhaltigen“ Heizungssystemen erfüllen Heizungen mit Nutzung biogener Brennstoffe (z.B. Pelletskessel), Solarwärme (solarthermische Anlagen insbesondere zur Warmwasserbereitung, in Niedrigenergiegebäuden auch zur Raumzusatzheizung) und der erneuerbaren Energiequelle „Umweltwärme“ (nutzbar gemacht über Wärmepumpen).
Ein Vergleich der energetischen und umweltbezogenen Kenndaten eines Wohnhauses in Niedrigenergie- und Passivhausstandard führt zu dem Ergebnis, dass auch Niedrigenergiegebäude mit Einsatz eines nachhaltigen Heizungssystems (solarunterstützte Pelletsheizung, Erdreichwärmepumpe) vergleichbare Ergebnisse zu Passivhäusern in der Energiebilanz erreichen können. Die Entscheidung für Niedrigenergiehaus oder Passivhaus wird damit von wirtschaftlichen Aspekten und der „Wohnbehaglichkeit“ (kontrollierte Wohnraumlüftung) beeinflusst werden.
Die Wege zu einem „nachhaltigen Gebäude“ führen somit über den Wärmeschutz der Gebäudehülle, die Effizienz des Heizungssystems, den Einsatz erneuerbarer Energieträger und letztlich auch über eine energiebewusste Betriebsführung.
Aus den Berechnungen lässt sich das große Potential an Brennstoffeinsparung und CO2-Reduktion bei der Wärmeversorgung von Gebäuden ableiten. Als Vergleichssystem wird eine moderne Ölheizung herangezogen.
Das Energieeinspar- und das CO2-Reduktionspotential kann bereits heute - bei den derzeitigen Energiepreisen und den Investitionskosten für moderne Heizungstechniken - unter betriebswirtschaftlichen Aspekten erreicht werden, bei Akzeptanz einer Amortisationszeit von 15 Jahren oder mit finanzieller Unterstützung aus dem öffentlichen Budget (z.B. Wohnbauförderung).
Das Reduktionspotential und die abgeleitete Verminderung „externer Kosten“ im Vergleich zu einer Ölheizung könnten Richtwerte für die Förderungssätze im Rahmen der Wohnbauförderung liefern: Ökologisch-orientierte Wohnbauförderung.

Literatur

  • [1] Bewertung der Wärmeversorgung von Gebäuden: Energetische, Wirtschaftliche und Umweltbezogene Kriterien. Faninger Gerhard. Langfassung www.aee-intec.at
  • [2] Externe Kosten im Hochbau: Adensam Heidi, Bruck Manfred, Geissler Susanne, Fellner Maria, 2002. Studie im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit, Wien. http://www.iswb.at/ecobuilding/bmwa/externekosten.htm).

*) Univ. Prof. Dipl. Ing. Dr. mont. Gerhard Faninger ist im Ruhestand und weiterhin als außerordentliches Mitglied an der Fakultät für Interdisziplinäre Forschung und Fortbildung, iff, Alpen-Adria-Universität Klagenfurt, Abteilung für Weiterbildung und Kulturelle Nachhaltigkeit tätig; This e-mail address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it. [^]

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