Bauteilkonditionierung

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Bauteilkonditionierung als innovatives Instrument der Gebäudetechnik

Effizient kühlen und heizen über Bauteile

Übersicht

Othmar Humm Fachjournalist Technik + Energie, 8050 Zürich

Bauteil und Raum - ein schwieriges Verhältnis: zur Physik der Bauteilkonditionierung

Der Wärmetransport zwischen der Wärmequelle und dem (gekühlten) Bauteil erfolgt auf zwei Wegen, durch Strahlung und durch Konvektion. Naturgemäss ist die Übertragung durch Strahlung wesentlich effizienter als durch Konvektion, bei der Luft als "Zwischenmedium" dient. Zudem liegen auf dem Weg der Energie, beispielsweise zwischen Wärmequelle und Decke, zwei konvektive Wärmeübergänge. Der konvektive Wärmeübergang zwischen Bauteil und Raumluft bildet in einem gewissen Sinne einen "Flaschenhals" oder, zugespitzt formuliert: Der Raum und die diesen umschliessenden Bauteile sind thermisch teilweise entkoppelt.

Die Strahlung zwischen Oberflächen, also zwischen Wärmequelle und konditioniertem Bauteil, ist abhängig von:

Der Wärmeübergang durch Konvektion wird von folgenden Faktoren bestimmt:

Nicht nur der Wärmeübergang, auch der Wärmeübergangskoeffizient ist abhängig vom Temperaturunterschied.

 

Delta T 1 K 2 K 3 K 4 K 5 K 6 K 7 K 8 K 9 K 10 K
Wand 1,3 1,7 1,9 2,1 2,2 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8
Decke 1,5 1,9 2,2 2,4 2,6 2,8 2,9 3,0 3,2 3,3

Tabelle 1: Wärmeübergangskoeffizient in W/m2 K für Konvektion an vertikalen Bauteilen (mit Wärmestrom von innen nach aussen) und an horizontalen Bauteilen, zum Beispiel Decken (mit Wärmestrom von unten nach oben). Quelle: [1]

a ist entscheidend

Der kombinierte Wärmeübergang: Für den Wärmeaustausch zwischen Wärmequelle und umschliessenden Bauteilen kann mit einem kombinierten Wärmeübergangskoeffizienten (a) für Strahlung und Konvektion gerechnet werden. Bei horizontalen oder vertikal nach oben gerichteten Wärmeströmen beträgt dieser kombinierte Koeffizient 7 bis 8 W/m2 K. (In runden Zahlen beträgt der Wärmeübergang - zwischen Raumluft und Bauteil - durch Konvektion 2 bis 3 W/m2 K, jener durch Strahlung - zwischen Wärmequelle und Bauteil - 5 W/m2 K.) Das ergibt bei einem typischen Temperaturunterschied zwischen Bauteiloberfläche und Raumluft von 6 K einen (kombinierten) Wärmeübergang von rund 50 W/m2. Diese Verhältnisse sind bei einer Bauteiloberflächentemperatur von 19°C und einer Raumlufttemperatur von 25°C gegeben. Wirkt eine Wärmeleistung von 50 W/m2 während 24 Vollbetriebsstunden der Bauteilkonditionierung, so ergibt sich eine Wärmemenge von 1,2 kWh/m2, die pro Tag abgeführt werden kann. Sofern die Vollbetriebszeiten von Bauteilkonditionierung und Wärmelasten um den Faktor 2 differieren, resultieren "zulässige" Wärmelasten von 100 W/m2. Das Zahlenbeispiel zeigt Möglichkeiten und Grenzen der Bauteilkonditionierung zur Kühlung von Räumen.

Viele Planer verwenden einen kombinierten Wärmeübergangskoeffizienten von 11 W/m2 K, wobei sie je 5,5 W/m2 K der Strahlung und der Konvektion zuordnen. Dieser Wert ist auch in den Protokollen des sogenannten Arlbergerkreises [2], einer Gruppe von Experten der Bauteilkonditionierung, enthalten. Bei der Verwendung dieses Wertes erhöht sich die Wärmeübergangsleistung um rund ein Drittel. Andere Ingenieurbüros setzen 6 W/m2 K ein.

"Alte" Deckenheizungen Bauteilkonditionierung
(Boden und Decke aktiv)
Spezifische installierte
Heizleistung im Neubau
60 W/m2 35 W/m2
Aussentemperatur 0°C 0°C
Bauteiltemperatur 27°C 24°C
Heizleistung bei einer Raumlufttemperatur von 20°C 45 W/m2 25 W/m2
Heizleistung bei einer Raumlufttemperatur von 23°C 26 W/m2 7 W/m2

Tabelle 2: Vergleich einer Deckenheizung in einem schlecht gedämmten Gebäude und einer Bauteilkonditionierung eines gut gedämmten Hauses. Bei einer Raumlufttemperatur von 23°C gibt die Deckenheizung noch 26 W/m2 ab, weil die Bauteiloberflächentemperatur nur ganz langsam - aufgrund der tieferen Vorlauftemperatur - sinkt. Die Bauteilkonditionierung reguliert sich, richtige Dimensionierung vorausgesetzt, weitgehend selbst. Quelle: [3]

Grosses Plus durch Kapillarrohrmatten?

In der Messe Zürich sind Rohre mit einem Durchmesser von 25,4 mm, einer Wandstärke von 2,3 mm und einem Abstand von 300 mm eingebaut. Im Kunsthaus Bregenz beträgt die Distanz zwischen den Rohren 150 mm [4]. Auch in der Frage der Verrohrung sind sich die Fachleute uneinig; dies lässt sich unschwer an gebauten Objekten belegen. Noch deutlicher distanziert sich Bernd Glück von dieser, zumindest in der Schweiz und in Deutschland typischen Verrohrung; er spricht von einer "überholten Technik, die die geforderte Flexibilität an eine effiziente thermische Be- und Entladeeinrichtung nicht bietet". Die Crittal-Decke mit Stahlrohrregistern aus dem Jahre 1930 sei, so Glück, lediglich durch den Einsatz von Kunststoffrohren "verjüngt" worden. In seinem Beitrag [5] stellt er der konventionellen Verrohrung sogenannte Kapillarrohrmatten gegenüber und setzt die beiden Fälle den gleichen Temperaturverhältnissen aus: Wassertemperatur 18°C, Raumlufttemperatur 24°C. Fazit: das Kapillarrohrsystem erbringt eine um 56 % höhere Kühlleistung (Tabelle 3). Als weiteren Vorteil erkennt der Autor die Möglichkeit, die Kapillarrohrmatten ausserhalb der Bewehrung (Armierung) einzubringen. Jedenfalls kann, so Glück, "die Lage der Matten in grossen Grenzen variiert werden."

An weiteren Vorschlägen lässt es Glück nicht fehlen. So schlägt er die Installation von zwei Kapillarrohrmatten vor, wobei die eine oberflächenah eingegossen werden kann. Vergleichbar einer Kühldecke könnte die untere, oberflächennahe Matte Spitzenlasten decken.

Konventionelles System Kapillarrohrsystem
Spezifischer Materialaufwand (Kunststoffvolumen je m2 Bauteilfläche) 0,000377 m3/m2 0,000328 m3/m2
Kühlleistung vom unteren Raum 17,9 W/m2 27,9 W/m2
Kühlleistung Insgesamt 27,0 W/m2 42,0 W/m2
Vergleich der Kühlleistung 100 % 156 %
Mittlere/ minimale/ maximale Temperatur an der Decken- unterseite 22,1/22,1/22,2°C 21,2/21,2/21,2°C
Eingespeicherte Wärme
"gespeicherte Kälte"
- 0,646 kWh/m2 - 0,982 kWh/m2
Vergleich der Speicherung 100 % 152 %

Tabelle 3: Vergleich einer konventionellen Verrohrung mit einem Kapillarrohrmatte

Randbedingungen: Wassertemperatur 18°C, Raumlufttemperatur 24°C (konstant), Betondecke 300 mm, Belag oberhalb Decke 10 mm, Wärmeleitfähigkeit des Betons 1,4 W/m K und des Belages 0,07 W/m K, spezifische Wärmekapazität des Betons 1050 J/kg K, Betondichte 2400 kg/m3.

Vertikale Distanz zum Rohr Horizontale Distanz zum Rohr
X = 0 X = 50 mm X = 100 mm X = 150 mm
Y = 150 mm 21,1°C 21,2°C 21,2°C 21,3°C
Y = 100 mm 20,7°C 20,8°C 20,9°C 21,0°C
Y = 50 mm 20,1°C 20,4°C 20,7°C 20,8°C
Y = 0 18,0°C (Rohr) 20,2°C 20,7°C 20,8°C
Y = 50 mm 20,4°C 20,7°C 21,0°C 21,1°C
Y = 100 mm 21,4°C 21,4°C 21,5°C 21,6°C
Y = 150 mm 22,1°C 22,1°C 22,2°C 22,2°C

Tabelle 4: Temperaturverläufe in einer 300 mm dicken Betondecke mit integrierten Rohren aus Kunststoff, Rohrabstand 300 mm, Rohrdurchmesser 20 mm, Wandstärke 2 mm. Aufschlussreich ist die Temperaturverteilung im Deckenquerschnitt für den halben Rohrabstand (150 mm)

 

Vertikale Distanz zum Rohr Horizontale Distanz zum Rohr
X = 0 X = 2,5 mm X = 5 mm X = 7,5 mm
Y = 150 mm 19,7°C 19,7°C 19,7°C 19,7°C
Y = 100 mm 19,2°C 19,2°C 19,2°C 19,2°C
Y = 50 mm 18,7°C 18,7°C 18,7°C 18,7°C
Y = 0 18,0°C (Rohr) 18,2°C 18,2°C 18,3°C
Y = 50 mm 19,2°C 19,2°C 19,2°C 19,2°C
Y = 100 mm 20,2°C 20,2°C 20,2°C 20,2°C
Y = 150 mm 21,2°C 21,2°C 21,2°C 21,2°C

Tabelle 5: Temperaturverläufe in einer 300 mm dicken Betondecke mit integrierten Kapillarrohrmatten aus Kunststoff, Rohrabstand 15 mm, Durchmesser 3,4 mm, Wandstärke 0,55 mm.


Beispiel

Informationszentrum Franke in Aarberg

Der 2-geschossige Kubus thront auf einem Sockel, in dem Empfang, Treppenhaus und einige Sitzungszimmer untergebracht sind. Das Sockelgeschoss umfasst, wie das Untergeschoss, lediglich einen Drittel der Gebäudegrundfläche. Im Untergeschoss liegen Technik- und Lagerräume. Drei Betonplatten mit einer Mächtigkeit von 34 cm begrenzen die beiden aufgesetzten Hauptgeschosse. Roh belassener Beton bildet die Unterseiten der Platten, also die Decken; auf den beiden Fussböden liegt ein Unterlagsboden - ohne Trittschalldämmung. 1,3 W/m2 K beträgt der k-Wert der allseitig und vollflächig verglasten Fassade, 0,3 W/m2 K heisst der entsprechende Werte der opaken Bauteile, also des Daches über der oberen und des Bodens unter der unteren Betonplatte. 2’400 m2 beträgt die Bruttogeschossfläche, 3’300 m2 die rein rechnerische Energiebezugfläche. Der Unterschied rührt von der Korrektur aufgrund der Raumhöhe. Lediglich 2’000 m2 der Bruttogeschossfläche entfallen auf die beiden Vollgeschosse, die für den Kühlfall interessant sind.

 

Heizung und Kühlung

Mit den meteorologischen Daten von Olten beläuft sich der maximale Heizleistungsbedarf auf 110 kW, entprechend 45 W/m2. Im Vortragsaal darf die Raumtemperatur auch bei voller Belegung - mit 144 Personen - 26°C nicht übersteigen. Gleiche Limiten gelten für die drei Sitzungszimmer und die Demonstrationsküche. Im Ausstellungsraum sind Raumlufttemperaturen bis höchstens 28°C zugelassen. 5’000 m3/h beträgt die maximale Aussenluftrate der Demo-Küche, 9’000 m3/h diejenige für den gesamten Rest des Gebäudes.

Laut den Berechnungen der Planer ist mit einem maximalen Energieeintrag - entsprechend der Summe von externen und internen Gewinne - von 1’000 kWh/d zu rechnen. Umgerechnet auf den m2 Bruttogeschossfläche ergibt sich eine spezifische Wärmelast von 21 W/m2. Rund 75 % der Wärme, nämlich 15 W/m2, verlassen das Gebäude über die Bauteile, der Rest wird über die Lüftungsanlage entsorgt. Die Werte beziehen sich auf 24 h. Die Wärme fällt aber, wenn überhaupt, nur während rund 8 Stunden an, was einen möglichen Wärmeeintrag von 60 bis 70 W/m2 erlaubt. (Diese Lasten lassen sich nicht mehr über eine Lüftungsanlage wegbringen.) Über ein Mischgerät und einen Wärmetauscher sind die bauteilintegrierten Rohrregister mit einer Grundwasserfassung gekoppelt. Die Schüttung der Fassung beträgt 1 l/s; über einen separaten Sickerschacht in einem Abstand von 30 m zur Fassung fliesst das auf 24°C limitierte Wasser zurück. Ursprünglich war für die Wärmelast ein Splitting zwischen Grundwasser und Kältemaschine von je 50 % geplant. Im Betrieb zeigte sich, dass die Kältemaschine wenig Laufzeiten aufweist.

 

Temperaturverhältnisse

Im Bürohaus Franke lässt sich ein weiterer Vorteil der Bauteilkonditionierung exemplarisch darstellen: Das Wechselspiel zwischen Kühlen und Heizen reguliert sich weitgehend selbst. Die Vorlauftemperaturen der Bauteilregister variieren zwischen 17°C bei maximalen Kühllasten und 30°C bei tiefen Aussentemperaturen (- 8°C). In der Übergangszeit ist der Vorlauf typischerweise 23°C und die Bauteiloberfläche 21°C warm; damit lässt sich in den Morgenstunden eine über Nacht abgesenkte Raumlufttemperatur erhöhen, beispielweise von 17 °C auf 20°C. Dringt Stunden später Solarenergie in das Gebäude oder fällt Abwärme von Besuchern an, steigt die Raumlufttemperatur rasch an, was zu einem umgekehrten Wärmefluss führt. Die Bauteile kühlen den Raum mit den gleichen Vorlauf- und Oberflächentemperaturen, wie sie diesen kurz zuvor heizten. In Abbildung 1 ist dieser sanfte Übergang vom Heizen zum Kühlen dokumentiert. Kühlen heisst, der Rücklauf ist wärmer als der Vorlauf, beim Heizen ist es umgekehrt. Quelle [6]


 

Beispiel

messelogo 1.gif (1889 Byte)

In Messehallen fallen aufgrund der hohen Belegung, der Beleuchtungsleistung sowie der eingesetzten Apparate grosse Wärmelasten an. Für die Messe Zürich wurden 80 W/m2 veranschlagt. Zur Abführung dieser Wärmemengen hätte ein Luftvolumenstrom von 42 m3/h P (pro Stunde und Person) gefördert werden müssen. Bei einer Belegung von 12’000 Personen während grossen Messen ergibt dies ein Luftstrom von 500’000 m3/h. Dies führt zu unkomfortablen Verhältnissen.

messeaussen.jpg (12247 Byte)

 

Thermische Simulation: Um Alternativen zu bewerten, simulierte die EMPA während der Planungsphase die Kühlung der Räume über Bauteile. Gemäss dieser Simulation können 62 % der rechnerischen Kühllast, nämlich 50 W/m2, über Decken und Böden und 38 % oder 30 W/m2 über die Lüftung abgeführt werden. Dazu ist eine Aussenluftrate von lediglich 25 m3/h P respektive von 10 m3/h m2 notwendig (Belegung: 2,5 m2 pro Person). Bei diesen Verhältnissen ist mit einer Raumlufttemperatur von 23,5°C zu rechnen. Bei einer um 22 % erhöhten Kühllast - statt 80 W/m2 98 W/m2 - steigt das Raumthermometer auf (simulierte) 26°C. Die Simulation zeigte, dass die Leistungsfähigkeit der beiden Systeme ausreichen, sie zeigte aber auch, dass bei geringfügig höheren Investitionskosten deutlich niedrigere Betriebskosten resultieren: Statt 115’000 Fr. sind lediglich 43’000 Fr. jährlich aufzuwenden.

 

Konzept

Betriebszeiten: Wärmeeintrag und Wärmeabfuhr weisen in der Messe Zürich unterschiedliche Betriebszeiten auf. Wärme fällt lediglich während der Öffnungszeit der Messe an, in der Simulation wurden dafür 12 Vollbetriebsstunden pro Tag veranschlagt. (Die spätere Messung erbrachte lediglich 9 Vollbetriebsstunden.) Die Bauteilekühlung ist jedoch, sofern dafür Bedarf besteht, während 24 Stunden in Betrieb. Der Faktor 2 bei den Betriebszeiten darf auf die Kühlleistungen übertragen werden, weil anfallende Wärme im Bauteil gespeichert und ausserhalb der Messeöffnungszeiten über den Kühlkreislauf abgeführt wird. Mit einer mittleren Kühlleistung des Kühlkreislaufes von 25 W/m2 kann demnach eine Kühllast während des Messebetriebes von rund 50 W/m2 abgeführt werden.

Bauteile: Mit Ausnahme des untersten Bodens und der obersten Decke wurden alle Ausstellungsräume mit kühlbaren Boden-Decken-Konstruktionen ausgerüstet (insgesamt 22’500 m2). Die Decken weisen eine einheitliche Stärke von 20 cm auf und sind durch längs- und querlaufende Unterzüge verstärkt. Diese Bauweise erhöht die Deckenoberfläche und verbessert dadurch den Wärmeübergang. Die Kunststoffrohre aus Polyaethylen liegen 13 cm unterhalb Oberkant Betondecke. Über das gleiche Register lassen sich die Hallen auch beheizen.

Kälteproduktion: 2’800 kW beträgt der Spitzenbedarf Kälte (Planungswert), die installierte Kälteleistung jedoch lediglich 1’600 kW (2 Maschinen mit je 800 kW). Im wesentlichen sind es die beiden Kältespeicher, nämlich die kühlbaren Bauteile und der Wasserspeicher, die den Ausgleich zwischen dem Spitzenbedarf und der verfügbaren Kälteleistung schaffen. 50 m3 fasst der Wasserspeicher, was bei einem nutzbaren Delta t von 10 K einer Kapazität von 600 kWh entspricht. (Im Verhältnis zur spezifischen Speicherkapazität der Bauteile eine äuserst geringer Wert.) Im Free-cooling-Betrieb zirkuliert die Kühlflüssigkeit über ein besprühtes Rückkühlwerk auf dem Dach.

Rohrdurchmesser 25,4 mm
Wandstärke der Rohre  2,3 mm
Rohrabstand 300 mm
Spezifischer Massenstrom 10 kg/h m2
Rohrlänge je Schlaufe 114 m
Druckabfall 100 Pa/m
Gesamte Rohrlänge 75 km
Installierte Pumpenleistung für
die Bauteilkühlung
2 x 4,0 kW und 2 x 5,5 kW
19 kW

Tabelle 6: Eckwerte zum Kühlregister.
Quelle [7]

Messungen

Die Abteilung Haustechnik der EMPA Dübendorf hat die Wirkung der Bauteilkühlung in einem umfangreichen Messprogramm überprüft. Die wichtigsten Resultate sind in der Tabelle 7 und der Abbildung 2 enthalten. Quelle [7]

Simulation Messung
Basisvariante max. Variante Züspa 1998
Maximaler Wärmeanfall 80 W/m2 98 W/m2 94 W/m2
Wärmeabfuhr über Lüftung 38 % 41 % 36 %
Wärmeabfuhr mit Bauteilkühlung 62 % 59 % 64 %
Betriebszeit der Messe 13 h 13 h 9 h
Vollaststunden Messebetrieb 12 h 12 h 9 h
Vorlauftemperatur 16°C 16°C 16,5 °C
Maximale Raumlufttemperatur 23,5°C 26,0°C 23,5°C

Tabelle 7: Planungs-, Simulations- und Messwerte der Bauteilkühlung in der Messe Zürich. (Die Unterschiede bei den Vollbetriebsstunden wirkt sich auf die maximalen Raumlufttemperaturen aus.) Quelle [7]

 

Abbildung 2

 

Zur Grafik

Die Abbildung 2 zeigt die (gemessenen) Raumluft- und Bauteiloberflächentemperaturen sowie die Leistung der Bauteilekühlung während der Züspa vom 28. September bis 5. Oktober 1998. Die Raumlufttemperatur wurde auf einer Raumhöhe von 2 m über Boden gemessen. Bei Messebeginn ist die Raumluft 20°C warm; danach steigt die Temperatur rasch auf 22,5°C an. Der flinke Anstieg ist auf die konvektive Wärmeabgabe der Quellen an die Raumluft zurückzuführen. Im weiteren Verlauf der Messe steigt die Raumlufttemperatur auf 23,5°C an. Im gleichen Zeitraum erhöhten sich die Bauteiloberflächentemperaturen um 1,5 K.

Die Leistung der Bauteilekühlung moduliert mit der gleichen Frequenz wie die Oberflächentemperatur, die infolge des Wärmeeintrages durch die Quellen im Verlaufe des Tages ansteigt.

 

Erfahrungen

Mit einem gemessenen Wärmeanfall von 94 W/m2 bringt die Züspa die grösste Belastung der HLK-Systeme (Heizung, Lüftung, Klima). 60 W/m2 gehen dabei über die Bauteile, 34 W/m2 über die Lüftungsanlage weg. Sowohl die subjektiven Erfahrungen der Besucher als auch die Messresultate zeigen: Die Bauteilekühlung funktioniert. Zudem stimmen Messungen und Simulationen weitgehend überein.

Da die Bodenplatte unter dem untersten Hallenboden im Grundwasser liegt, konnte auf den Einbau eines Kühlregisters verzichtet werden, obwohl gerade in dieser Halle sehr hohe Wärmelasten anfallen. Die Lösung ist an sich kostengünstig; sie ist aber mit dem Nachteil behaftet, dass zu Beginn einer Messe, also zu einem Zeitpunkt, in dem die angrenzenden Bauteile noch nicht thermisch geladen sind, sowohl die Raumlufttemperaturen als auch die Oberflächentemperaturen des Fussbodens als unbehaglich empfunden werden.

Die Umlagerung der Kühllasten während des Messebetriebes auf die Betriebszeit der Bauteilekühlung - in der Regel 24 Stunden - erlaubt häufigen Free-cooling-Betrieb in der Nacht. Dadurch lassen sich rund 50 % des Kühlbedarfes ohne Einsatz der Kältemaschinen decken.

Ausstellungsfläche 30’000 m2
Gebäudegrundfläche 15’890 m2
Anzahl Ausstellungsgeschosse 4
Installierte Kälteleistung 53 W/m2
Installierte Wärmeleistung 55 W/m2
Eröffnungsjahr 1998

Tabelle 8: Gebäudedaten. Quelle [7]

Beteiligte Planer und Messingenieure

Informationszentrum der Franke AG
Amstein+Walthert AG, 8050 Zürich

 

Messe Zürich
Simulation und Messungen
EMPA Dübendorf
Abteilung Haustechnik
Markus Koschenz
Beat Lehmann
Energie- und Haustechnikplanung
Gruenberg & Partner AG
8035 Zürich

Kunsthaus Bregenz
Meierhans + Partner AG, 8117 Fällanden

Quellen

[1] "Leitfaden für Planung und Praxis", Band 2, der Reihe Bau und Energie von Thomas Frank und Christoph Zürcher (Verlag der Fachvereine, Zürich, und Teubner, Stuttgart).
[2] Betonaktivierung - die Technologie der Zukunft. 4 Fachaufsätze als Beiträge zu den Internationalen Arlberg-Kongressen 1997 und 1998. Herausgeber: D.F. Liedelt Velta, D-22851 Norderstedt.
[3] Amstein + Walthert AG: Die thermoaktive Decke. Z.B. Nr. 11, Zürich, November 1998.
[4] Meierhans, Robert; Olesen, Bjarne W.: Betonkernaktivierung. Herausgeber:
D.F. Liedelt Velta, D-22851 Norderstedt, 1999
[5] Glück, Bernd: Bauteilheizung, Bauteilkühlung: Warum ein Sinneswandel sinnvoll sein kann. CCI 4/1999, Karlsruhe
[6] Amstein+ Walthert AG: Informationszentrum der Franke AG. Schlussbericht, Nobember 1997.
[7] Effizient kühlen über Bauteile am Beispiel der Messehallen in Zürich. Energie Innovation. Bezug: Infoenergie, Schachenallee 29, 5000 Aarau, Fax. 062 834 03 23

© Othmar Humm, Oerlikon Journalisten AG, Zürich
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