Sonnenlicht ist die direkt erfahrbare solare Strahlung. Schatten ist in südlichen Ländern die wichtigste Voraussetzung des thermischen sommerlichen Komforts im Außenraum: Zugbeanspruchter, horizontaler Sonnenschutz verbindet die Vorteile eines geringen Eigengewichtes mit einer maximalen Schattenausbeute.
Sonnenschutz bedeutet darüberhinaus immer auch UV-Schutz
1. Textiler Schatten in sonnigen Ländern:
Wechselwirkung zwischen Trägermaterial
und Beschichtung zu UV, VIS und IR Strahlung
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Problemanalyse
Wärmeübertragung
Geringer Emissionsgrad
Vorschläge
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Wärmeübertragung
Geringer Emissionsgrad
Vorschläge
Sonnenlicht ist die direkt erfahrbare solare Strahlung. Schatten ist in südlichen
Ländern die wichtigste Voraussetzung des thermischen sommerlichen Komforts
im Außenraum: Zugbeanspruchter, horizontaler Sonnenschutz verbindet die
g
p
,
Vorteile eines geringen Eigengewichtes mit einer maximalen Schattenausbeute.
Bild 1: Seilnetz mit textilen Rhomben in Palma de Mallorca, Bild 2: Gemälde von Ramon Casas (1889-1890) “Festa a Barcelona”
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Geringer Emissionsgrad
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Sonnenschutz bedeutet immer auch UV-Schutz: Es handelt sich dabei
um die energiereichste Strahlung, die unter normalen Umständen
unsere Erde erreicht und unsere Haut malträtiert Schattenzelte müssen
malträtiert.
deshalb einen maximalen UV-Schutz erreichen.
Bild 3 UV-Index Vorhersage aus den USA und im Bild 4 die „Slip, Slap and Slop” Kampagne aus Australien
A. i l
A inlay
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Warum werden als Sonnenschutz dunkle Markisenstoffe
bevorzugt, die sich speziell in südlichen Gefilden unter
direkter solarer Bestrahlung stark aufheizen?
Bild 5: Foto von dunkelgrünen Markisen in Barcelona Bild 6: Wärmebild der gleichen Fassade aufgenommen um 11:04 UTC im Monat August
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Warum ziehen sich Menschen „freiwillig“ unter brüllender Sonne schwarz an?
Der prämierte österreichische Produkt- und
Schattendesigner Gerald Wurz schreibt im
deutschen Baunetz: “Dass es unter einem
Dass
hellen Sonnenschutz angenehmer sei, als
unter einem dunklen, stimme übrigens nicht,
so der Designer. Die Touareg, Namenspaten
eines der Sonnensegel, wüssten dies bereits
seit Jahrhunderten” (www.baunetzwissen.de)
Bild 7: Foto von Gerald Wurz
Bild 8: Arabische Frau mit schwarzem niqab Schleier
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Bild 9: Geschützte schwarze Haut
Grund der dunklen Färbung der Garne liegt in ihrer besseren Haltbarkeit, da die
Pigmente seit jeher das wirksamste Schutzschild gegen die Sonnenstrahlen
bilden. Genauso absurd wäre es zu behaupten, die dunkle Hautfarbe der
Südländer ü d i
Südlä d würde eine verbesserte Kühl
b
t Kühlung gegenüber d h ll
üb der helleren H tf b
Hautfarbe
der Nordländer bedeuten. Die dunkle Pigmentierung verhindert stattdessen auf
Kosten einer größeren Erwärmung der Haut ein tieferes Eindringen des
schädlichen ultravioletten Anteils der Sonnenstrahlung
Bild 10: Ungeschützte weiße Haut
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Weshalb behaupten aber sogar Hersteller von Markisen, dass dunkle
Stoffe mehr Sonnenwärme abschirmen helfen als helle und somit
einen besseren Sommerkomfort bieten?
„Der Komfort unter
einer Markise wird
sehr stark von der
Farbe des Tuches
geprägt“
Bild 11: Katalog der Firma Dickson-sunbrella: http://www.gotthardt-yacht.de/Sunbrella_Dickson.html
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Liegt das Problem etwa bei den falsch angewendeten Normen?
Sonnenfaktor FS oder Gesamtenergiedurchlassgrad g ist nach der Norm EN
410:1998 „die Summe des direkten Strahlungstransmissionsgrades (τe) und des
sekundären Wä
k dä
Wärmeabgabegrades ( i) d V l
b b
d (q der Verglasung nach i
h innen, l t t
letztere b di t
bedingt
durch den Wärmetransport infolge Konvektion- und langwelliger IR-Strahlung des
Anteils der auftretenden Strahlung, der von der Verglasung absorbiert wird“
Die sekundäre, nach innen abgestrahlte
Strahlungsleistung [qi·Φtot] aufgrund
der von der Verglasung absorbierten
solaren Wärmeenergie
Der transmittierte Anteil [τe·Φtot]
der solaren Globalstrahlung
g∙Φtot = τe∙Φtot + qi∙Φtot
Bild 12: Schematische Darstellung des g
g
g-Wertes nach der Norm EN 410:1998
Formel 1: Rechnerische Darstellung des g
g
g-Wertes
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Übersicht der elektromagnetischen Strahlung
380nm=0,38μm
Bereich der sichtbaren solaren Strahlung
780nm=0,78μm
Bild 13:spektrale Übersicht
Einteilung der ultravioletten Strahlung:
Internationale Einteilung der infraroten Strahlung:
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4
UV-C (Fernes UV): 200nm bis 280nm
UV-B (Mittleres UV): 280nm bis 315nm
UV-A (Nahes UV): 315nm bis 380nm
VIS (visible): 0,38μm bis 0,78μm
NIR (near infrared): 0,78μm bis 3,0μm
MIR (middle infrared): 3,0μm bis 50μm
FIR (far infrared): 50μm bis 1000μm
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Vorschläge
Die Wärmestrahlung ist ein Teilbereich der elektromagnetischen Strahlung
und wird normalerweise auf den Wellenlängenbereich von 0,1 μm bis 1000
μ (
μm (= 1 mm) begrenzt. Sie braucht kein Transportmedium und findet selbst
) g
p
im luftleeren Raum statt.
Konvektion
Wärmeleitung
Wärmestrahlung
Bild 14: Schematische Darstellung der Beziehung der drei Wärmeübertragungsmechanismen
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Unsichtbare Wärmestrahlung
Im Jahr 1800 entdeckt der deutsche
Astronom Friedrich Wilhelm Herschel
zufällig die Existenz der infraroten
Strahlung bei einer Untersuchung der
thermischen Eigenschaften von direkter
Sonnenstrahlung. Er zerlegte das weiße
g
g
Sonnenlicht mit Hilfe eines Prismas und
zeichnete die Temperatur mit mehreren
Quecksilberthermometern
auf.
Zu
seinem Erstaunen erschien der größte
Temperaturanstieg neben dem roten
Band
des
sichtbaren
Spektrums.
Herschel folgerte richtigerweise daraus
g
g
die
Existenz
einer
unsichtbaren
Wärmestrahlung.
Bild 15: Friedrich Wilhelm Herschel bei seinem bahnbrechenden Versuch
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Geringer Emissionsgrad
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Sichtbare Wärmestrahlung: Oberhalb der Temperatur von 798K
(525ºC, genannt Draper point) strahlen alle Objekte im sichtbaren
Bereich.
Bereich Das Spektrum der Farben von heißem Eisen wird normaler
normalerweise für die Falschfarbendarstellung der Wärmebilder verwendet.
Bild 16:Weissglühendes Schmiedeeisen
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Membranen sind starker solarer Strahlung ausgesetzt bestehend aus
ultravioletter Strahlung (UV), sichtbarem Licht (VIS) und dem Bereich
des nahen Infrarot (NIR). Sie empfangen aber ebenfalls Strahlung aus
dem mittleren Infrarotbereich (MIR) entsprechend der terrestrischen
(MIR),
Wärmestrahlung der uns umgebenden Objekte.
Solare Strahlung
bei 5780K
Objektstrahlung
bei 293K
Bild 18: Spektraler Unterschied des ausgesandten Wärmestroms pro m² und Wellenlänge
zwischen der Sonnenstrahlung (5780K) und einem Körper bei Zimmertemperatur+20ºC (293K)
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Messstation „Kühle Schattenzelte“: Sonnenstrahlung kann nur im Freien
untersucht und gemessen werden. Die Messstation befand sich deshalb auf
etwa 100 m Höhe über dem Mittelmeer auf einer offenen Terrasse im
zwölften Stock am Hang des Collserolahügels in Barcelona
Bild 19: Gerüst mit der Sagrada Familia Kirche im Hintergrund, Bild 20: Messstation mit den verschiedenen Membranproben von oben gesehen
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Die Erfassung der Messwerte erfolgte alle zwei Sekunden. Diese Rohwerte
wurden alle zwei Minuten als Mittelwerte und innerhalb eines Zeitraumes von
einer halbe Stunde jeweils als Extremwerte im Datenlogger abgespeichert.
j
gg
g p
Bild 21: Links geschütztes Thermo-Hygrometer und rechts Ultrasonic Anemometer Bild 22: Albedometer mit zwei Pyranometern
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Vorschläge
Schematische Darstellung der Membran im Wärmestrahlungsfeld:
Auf der Unterseite der transluzenten Membran müssen vier
Wärmestrahlungsquellen summiert werden. Die laminare
Luftströmung (Konvektion) wurde dabei weggelassen.
1. Die von der Membran reflektierte, solare
Albedostrahlung [Φalbedo] (VIS und NIR)
2. Der transmittierte Anteil [ΦT] der solaren
Globalstrahlung (VIS und NIR)
3.
3 Die von der Membran selber abgestrahlte
Wärmeleistung [ΦE] (MIR)
4. Die von der Membran reflektierte Hintergrundsstrahlung [Φhinter] (MIR)
Bild 23:Schema der vier ausgewerteten Wärmequellen unter einer zugbeanspruchten Schattenkonstruktion
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Die Thermografie ist ein nicht invasives Verfahren, um die
Temperaturen eines Körpers als Bild darstellen zu können. Die
thermografische Kamera bearbeitet jedes einzelne Pixel als
Messpunkt einer bestimmten Temperatur.
640 pix
480
pix
Tabelle 1: Excel-Datei der Temperaturen des
linken Wärmebildes: jedes Pixel ist eine Temp.
Bild 24: Bildliches Resultat der Messung
g
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Geringer Emissionsgrad
Vorschläge
Textile Membranen haben eine Masse von nur etwa 1kg/m² und eine
Dicke von 1mm. Jede Temperaturveränderung an der außenliegenden
Seite wird aufgrund ihrer hautähnlichen Eigenschaften fast ohne
Verzögerung an die Innenseite weitergegeben.
Film1: 176 thermographische Einzelbilder, die alle zwei Minuten am 4. August 2009 von 5:02 bis 10:22 UTC Zeit aufgenommen worden sind
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Problemanalyse
Wärmeübertragung
Geringer Emissionsgrad
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Geringer Emissionsgrad: Wie kann man den Wärmestrom durch die
Oberflächenbehandlung beeinflussen? Elektrisch leitende, metallische
Materialien strahlen deutlich weniger Wärme frontal ab und haben einen
leicht erhöhten seitlichen, streifenden genannten Strahlungsaustritt.
Bild 25: Bild eines mit warmen Wasser gefüllten,
g
metallisch bedruckten Bechers
Bild 26: Wärmebild desselben metallisch bedruckten Bechers
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Wärmeübertragung
Geringer Emissionsgrad
Vorschläge
Die emittierte Strahlungsleistung oder der abgestrahlte Wärmestrom
eines Körpers hängt von der vierten Potenz seiner absoluten
Oberflächentemperatur und seinem Emissionsgrad ab. Temperatur und
Wärmestrom verbindet nach dem Gesetz von Stefan-Boltzmann die
Konstante σ = 5,67 * 10-8 W/m2 * K4
Φgrau = ε . σ . T4
Φschwarz = σ . T4
Emissionsgrad
Wärme
Wärmequelle
Grauer Körper
Absorbierter
Wärmestrom ΦA
ε
0<ε <1
Schwarzer Körper
Reflektierter Wärmestrom ΦR
Formel 2: Strahlungsleistung eines diffus-grauen Körpers
Emittierter
Wärmestrom ΦE
Absorbierter
Wärmestrom ΦA
ε
ε =1
Formel 3: Strahlungsleistung eines schwarzen Körpers
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Wärmeübertragung
Geringer Emissionsgrad
Vorschläge
Die Selektive Eigenschaften der Materialien bezüglich Strahlungsabsorption und -emission ist weiter verbreitet als gemeinhin angenommen
wird. Die Farben im sichtbaren Spektrum ist eine g
p
gutes Beispiel dafür.
p
Die Bezeichnung low-e (Geringer Emissionsgrad) macht deshalb nur
Sinn, wenn das entsprechende Spektrum der Wellenlängen definiert ist.
Frischer Schnee, Low-e in VIS: ε = 10-20%
Bild 27: Lago Maggiore im Winter
Frischer Schnee, High-e in MIR: ε = 99,5%
Bild 28: manipuliertes Bild 51 „Schwarzer
Schwarzer”
Schnee im mittleren Infrarotbereich
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Geringer Emissionsgrad
Vorschläge
Weiße Membranen haben selektive Eigenschaften: sie erscheinen weiß im
sichtbaren Spektrum und schwarz in längeren Wellenlängen. Folglich
reflektieren diese Membranen sehr gut das Sonnenlicht, aber
absorbieren/emittieren fast alle Strahlung im längeren Infrarot. Aus diesem
b bi
/ itti
f t ll St hl
i lä
I f
t A di
Grund verlieren Zeltbauten sehr viel Energie zum offenen Himmel hin.
SHOW ROOM
High-e in MIR: ε = 90%
Low-e in VIS: ε = 14,5%
ENTRANCE
Bild 29 und 30: Links Fotografie und rechts das Wärmebild eines mit 50°C heißen Wasser gefüllten Inox-Kochtopfes.
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Weiße PVC/PES Membrane im Vergleich mit Tinox-Beschichtung:
Selektive Beschichtungen aus Titan-Nitrit-Oxid absorbieren die gesamte
Wärme im VIS-Bereich und reduzieren auf ein Minimum die abgestrahlte
Energie im MIR-Bereich. Sie werden deshalb als Wärmefalle für Solarenergie benutzt
Einleitung
Problemanalyse
Wärmeübertragung
Geringer Emissionsgrad
Vorschläge
Tinox
PVC/PES weiss
Reflexion
1
Absorption
0,9
0,8
0,7
Grad
0,6
Reflektion
0,5
Absorption
0,4
0,3
0,2
Absorption
0,1
Reflexion
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Wellenlänge
Sonnenlicht (VIS)
Messbereich der
Wärmebildkameras (MIR)
Bild 31: Messung vom ITV Denkendorf
Sonnenlicht (VIS)
Messbereich der
Wärmebildkameras (MIR)
Bild 32: Webseite Almeco-Solar
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Problemanalyse
Wärmeübertragung
Geringer Emissionsgrad
Vorschläge
Beispiel 1
Infrarote Wärmestrahlung
von einer farbigen Hose
Bilder 33-36: Selina mit farbiger Sommerhose, Foto und Wärmebild in Barcelona
Farbe beeinflusst nicht den
Emissionsgrad außerhalb
des sichtbaren Spektrums!
Beispiel 2
Auswirkung direkter
Sonneneinstrahlung auf
g
die selbe farbige Hose
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Einleitung
Problemanalyse
Wärmeübertragung
Geringer Emissionsgrad
Vorschläge
Geringer Emissionsgrad : Low-e Beschichtungen helfen die
Wärmestrahlung im längeren Infrarotbereich zu reflektieren. Es ist
deshalb wichtig, dass die Beschichtung auf der richtigen Seite
wichtig
aufgebracht ist. Weiß reflektiert besser das Sonnenlicht als low-e.
Bild 37 und 38: Foto und Wärmebild eines mit zwei Membranen bespannten 50ºC warmen Inoxtopfes
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Einleitung
Problemanalyse
Wärmeübertragung
Geringer Emissionsgrad
Vorschläge
Vorschläge: Membranen reagieren sehr sensibel auf Veränderungen
der Sonneneinstrahlung und der Konvektion. Die große Auswahl der
modernen Materialien mit ihren unterschiedlichen Oberflächenbehandlungen macht es möglich für die verschiedenen Anforderungen
spezifische Lösungsvorschläge zu erarbeiten.
Bilder 39 und 40: Bild und Wärmebild der Messanordnung mit 12 verschiedenen Materialien unter der direkten Sonneneinstrahlung von Barcelona
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Problemanalyse
Wärmeübertragung
Geringer Emissionsgrad
Vorschläge
Ein rein weißes Schattenzelt reflektiert optimal
die Sonneneinstrahlung. Gleichzeitig strahlt es
im mittleren Infrarotbereich seine Wärme
maximal zum kühlen Himmel ab Um seinen
ab.
Wärmeeintrag so gering wie möglich zu halten,
sollte seine Transluzenz (Lichtdurchlässigkeit)
dabei so gering wie möglich g
g
g
g
gehalten werden.
Bild 41: Foto eines weißen PVC/PES Schattenzeltes
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Problemanalyse
Wärmeübertragung
Geringer Emissionsgrad
Vorschläge
Bei einem kleinen Schattenzelt kann eine schwarze Innenoberfläche
nützlich sein. Der Vorteil liegt in der großen Absorption sowohl der
kurzwelligen als auch der langwelligen Wärmestrahlung Eine
Wärmestrahlung.
Reflektion der Albedostrahlung wird dadurch vermieden.
Bilder 42: Dunkler Sonnenschutz (PVC/PES Netz
von Ferrari) über einer Dachterrasse von Barcelona
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Problemanalyse
Wärmeübertragung
Geringer Emissionsgrad
Vorschläge
Die mit low-e beschichtete Seite sollte immer dem Boden zugewandt
sein, da sie die Wärmeabstrahlung zum Nutzer hin verringern hilft.
Um die reflektierte Albedostrahlung zu reduzieren sollte ein low e
reduzieren,
low-e
Schattenzelt allerdings eine gewisse Größe aufweisen.
Bilder 43: BP Tankstellenüberdachung in Barcelona
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Einleitung
Problemanalyse
Wärmeübertragung
Geringer Emissionsgrad
Vorschläge
Als erste Näherung kann der in den USA entwickelte
Solar Reflectance Index (SRI) benutzt werden. Er
vereinigt die beiden Werte der solaren Reflektion und
g
der längerwelligen, infraroten Wärmeabgabe in einem
Wert bei definierten, sommerlichen Wetterbedingungen
(Solare Globalstrahlung=1000 W/m² , Lufttemp.=310K,
Himmelstemp. =300K, Konvektionskoef.= 12 W/m² K)
p
)
Solar
Thermal
reflectance emittance
Temperature
roof
black
5%
90%
0
82,5ºC
white
80%
90%
100
44,6ºC
Black acrylic
4,1%
90%
‐1
82,9ºC
Cold black
acrylic
PE silvergrey
17,4%
60%
‐2
83,2ºC
24,5%
79%
20
74,8ºC
PVC/PES low‐e
74,3%
31%
76
53,7ºC
Alu.sheet low‐e
87,2%
5%
93
47,1ºC
PTFE white
75,4%
90%
93
47,3ºC
PVC/PES white
Bild 78: Foto eines weißen, reflektierenden Flachdachs
SRI‐
value
79,9%
88%
100
44,6ºC
Tabelle 3: Solar Reflectance Index von sieben ausgesuchten Materialien
low e
Aus
Bild 44 : Berechnung des Solar Reflectance Index (Heat island Group, Lawrence Berkeley National Laboratory) für eine low-e Folie. Um die Auszeichnung LEED Sustainable Sites Credit 7.2 führen zu können, muss mind. 75% der Oberfläche eines Flachdachs einen SRI-Wert von 78 erreichen.
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Problemanalyse
Wärmeübertragung
Geringer Emissionsgrad
Vorschläge
In der spanischen Provinz Almeria wurde aufgrund der im Sommer weiß
gekalkten Wintergärten der Albedowert der Region von 19% auf 32%
gesteigert. Damit wurde während der letzten dreißig Jahre die Temperatur um
0.9
0 9 °C gesenkt während sie allgemein i Süd
kt äh d i ll
i in Südspanien um 1 3°C anstieg.
i
1-3°C
ti
Bilder 45 und 46: Campo de Dalias mit 70% der Oberfläche bedeckt mit Polyethylen gedeckten Gewächshäusern
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Problemanalyse
Wärmeübertragung
Geringer Emissionsgrad
Vorschläge
Aufgrund der solaren Reflektion (Albedo) und der diffusen Strahlung ist der
Randbereich einer Schattenkonstruktion weniger geschützt als ihr zentraler
Bereich. Doppelt gekrümmte Oberflächen haben zusätzlich das Problem, dass
sie sich wie d kl
i i h i das klassische Vi P kt Segel nach außen hi öff
i h Vier-Punkt S
l
h ß hin öffnen und
d
dementsprechend weniger Sonnenschutz bieten.
Bilder 47: Zeichnung aus „Under Cover guidelines for shade planing…“2003, Bild 48 parasol by Tuuci
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34. Danke für Ihre Aufmerksamkeit !
Hubertus Pöppinghaus
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www if group de
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