Wie Solarthermie den Wärmepumpen beim Sparen hilft
Was finden Sie hier?
Hier gehts um die sparsamen Wärmerzeugung im Ein- und Mehrfamilienhaus.Die aktuelle oliv-grüne Regierung sponsert Wärmepumpen, aber das ist viel zu einseitig, weil eine Kombination von Wärmeerzeugern auf Dauer viel grössere Einsparungen mit sich bringt.
Solarthermie und Wärmepumpe ergänzen sich bei Warmwasserbereitung ideal über das Jahr. Eine Wärmepumpe muss ja nicht im Sommer arbeiten, wo sie wegen reiner Warmwasserbrereitung immer mit schlechtesten Wirkungsgrad laufen muss, selbst wenn sie Wärme aus warmer Luft pumpen soll.
Wir beschreiben hier Bauelemente und deren Zusammenstellung, mit denen wir seit Jahrzehnten gute Erfahrungen gemacht haben. Es ist auch eine Art Erfahrungsbericht der letzten 10 Jahre.
[ Inhalt ]
2. Welche Bauten eignen sich für Solarthermie?
Die Versorgung
Alle Bauten mit einer zentralen TrinkWarmWassereitung (TWW) sollten Solarthermie (ST) erhalten, weil die Solarthermie im Sommer das gesamte Warmwasser bereitet. In der Übergangszeit hilft die ST zumindest tageweise mit. Je nach Auslegung und Pufferung wird dann auch die Heizung unterstützt. Dazu später mehr.
Unser relativer Solarertrag über 13 Jahre, gruppiert nach 3 Umbauten der Anlage.
Bei der richtigen Kolektorwahl mit einem passenden Puffer bleibt kein Monat im Jahr ohne Solarertrag. Die Monate November bis Februar sind naturgemäss in deutschen Breiten sehr benachteiligt.
Da hilft nur fossile Energie. Bei unseren Beispielprojekt mit Öl sah das nach dem SolarThermie-Einbau dann energiemässig so aus:
Unser relativer Ölverbrauch über 13 Jahre, gruppiert nach 3 Umbauten der Anlage. Hellgrün ist der Erfolg der Priva-Regelung ab 2020.
Man sieht, dass das Frühjahr noch sonnenärmer ist und dort 4 Monate fossil unterstützt werden müssen. Im Herbst sind es nur 3 Monate. Die Verbrauchsspitze ist immer im Januar.
Wir haben es nach und nach geschafft, die komplett 'ölfreien' Monate von Mitte April bis September auszudehnen. Dazu unten mehr.
Das Dach
Man braucht eine Dachfläche oder kann bei denkmalgeschützten Häusern auch eine im Garten aufgestellte Trägerkonstruktion aufstellen, die als Geräteschuppen dienen kann.
So kann mans machen, wenn das Dach nicht geeignet ist oder der Dankmalschutz querliegt. [© Quelle: ML]
Das Bild wird im Interview erklärt:
Solarthermie im Denkmalschutz Projekt des Monats: Solarthermie im Denkmalschutz
Dem deutschen Denkmalschutz wird momentan heftige öffentliche Nachhilfe beim Umdenken gegeben, weil es nicht einzusehen ist, dass Eigentümer denkmalgeschützter Häuser, die viel Geld zusätzlich in die Sanierung gesteckt hatten, jetzt beim energiesparenden Heizen benachteiligt werden sollen. Beschattete Dachflächen sind ungünstig.
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Flachdächer sind ideal für Solarthermie [Quelle: Google] |
3. Faktor 3,5: Die Flächen
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Der Wirkungsgrad der verkauften PV-Platten hat momentan ca. 22% ereicht.
Wer also versucht, eine Kombination aus PV und ST zu installieren, sollte wissen, dass wasserbetriebene Röhrenkollektoren 3- bis 4 mal weniger Fläche als PV für den gleichen Ertrag benötigen.
Bei den rein-wasserbetriebene Röhrenkollektoren kann man in Deutschland je nach Ort mit 500-600 kWh/(m²*KF) rechnen, bei glykolbetriebenen Flachkollektoren nur mit 400kWh. Eine Menge Ärger gibts bei denen nach ~3 Jahren kostenlos dazu. |
Sonnenstunden in Deutschland |
4. Welche Kollektoren wählen?
Bis etwa 2015 gab es immer den Systemwettstreit zwischen Flachkollektoren und Röhrenkollektoren in den verschiedenstern Bauarten mit verschiedenen Nachteilen.Entscheidend bei Kollektoren sind immer der Frostschutz und der Überhitzungsschutz im Sommer.
Man kann technisch einen Frostschutz durch Glykolfüllung oder Frostschutz durch minimale Nachheizung aus dem Puffer realisieren, wenn die Kollektoren gut isoliert sind.
Das geht mit Flachkollektoren eben nicht, weil die schon ab +5°C durch die Abstrahlung einfrieren. Beispiel: vereiste Autoscheiben ohne Frost.
Bei Vakuumröhren dagegen geht das Nachheizen mit nur ca. 1% Ertragsverlust ein. Hier im Bild.
Ritter-XL hat die Vorteile beschrieben, die auch für den Einsatz bei
Fernwärmeanlagen entscheidend sind:
Wasser als Wärmeträger.
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Im Sommer haben Flachkollektoren bei minimaler Abnahme immer das Problem, dass sie nachts gekühlt werden müssen, damit das Glykol nicht heisser als 130°C wird. Sonst crackt es und verwandelt sich in eine teerige Masse, die die Solarthermieanlage zu teurem Schrott verwandelt. Bilder rechts.
In heissen Sommernächte ähneln mit einer Wärmebildkamera überflogene Staädte einer glühenden Dachlandschaft. |
 Stagnation einer Flachkollektoranlage. [Quelle: fraunhofer] |
17 Nachteile von Flachkollektoren. Angeblich funktionieren nach 10 Jahren nur noch die Hälfte der Glykol-Anlagen. Darüber spricht keiner gerne.
In Malsch haben wir 2022 eine eingefrorene Glykolanlage gegen eine 27m²-Paradigma-Anlage ersetzt. Das erforderte auch einen Umbau der Pufferung und Regelung. Der Eigentümer ist glücklich - jetzt.
Natürlich haben auch rein-wasserführende Röhrenkollektoren Probleme mit mangelnder Abnahme im Sommer. Nicht jeder hat ein Schwimmbad, das als 'unendlicher' Puffer solche Situationen abfangen kann. Was passiert dann? Bei 95°C Puffertemperatur stoppt die Förderpumpe, es verdampft das Wasser im Kollektor (es hat dann ~120°C), schiebt sich in den Puffer und kühlt dort ab. Es entstehen Temperaturen bis über 130°C in den Leitungen, daher kann man keine Gummidichtungen sondern nur spezielle Solarleitungen nehmen. Die Einführung der Kollektorleitung ist daher nie oben im Puffer, sondern immer etwas unterhalb, damit der Dampf zu Wasser kondensieren kann. Ebenso muss die Druckhaltung das sich dann schlagartig vergössernden Wasservolumen aufnehmen können. Nach der Abkühlung füllt sich der Kollektor wieder selbsttätig. Kein Glykol kann cracken!
Röhrenkollektoren können nach unseren Erfahrungen locker 20 Jahre fast wartungsfrei mit reinem Heizungswasser betrieben werden, wenn der Frostschutz funktioniert. Grosse Anlagen sollte man schon als Investitionsschutz mit einer passenden USV-Anlage ausstatten.
Effektiv braucht eine solche Solaranlage etwa 1% ihres Wärmeertrags als Arbeitsstrom, hat also als Wärmepumpe einen COP von 100.
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5. Wie die Energie speichern?
Die Wirkung von Puffern und ihre Anschaltung.
Entscheidender Unterschied ist beim Flachkollektoren die Art der Speicherung des solaren Ertrages, der meist in einem Rohrschlangenspeicher geschieht, wenn man nicht einen Wärmetauscher mit eigener Regelung und Pumpe dem Trinkwasserspeicher vorschalten will: Zusatzkosten, die man leicht vermeiden kann! Diese reinen Trinkwasserspeicher darf man wegen Legionellengefahr eh nur 400L gross wählen.Ein unten eingebauter Rohrschlangenwärmetauscher benötigt zum Tauschen immer kaltes Wasser (deshalb ist er unten). Das Erhitzen geht aber nur mit dem Aufsteigen des warmen Wassers zusammen, sodass dieses Aufsteigen für eine permanente Vermischung des Puffers sorgt. Man erhält so einen Puffer voll lauwarmem Wasser. Daher haben Flachkollektoren bei geringer solarer Einstrahlung heftige Ertagsnachteile: Nur lauwarmes Pufferwasser! Kosten fürs Nachheizen!
Mit Heizungwasser betriebene Röhrenkollektoren funktionieren einfach nach dem Eimer-Prinzip: Ist der Kollektor von der Einstrahlung so heiss wie gewünscht (mann kann dessen Solltemperatur mit der Regelung einstellen), schiebt die Pumpe aus dem kalten Rücklauf einen Strang Wasser aus dem unteren Puffer in den Kollektor, der seinen Ertag von oben in den heissen Bereich des Puffers schichtet. Spezielle Einbauten im Puffer verhelfen zu einer guten Schichtung. So erhält man schon in kurzer Zeit mit wenig heissen Pufferwasser Trinkwasser über die angeschlossene Frischwasserstation. Das ist hygienischer als monatelang stehendes Wasser im Rohrschlangenspeicher.
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Beim Eimerprinzip bleibt der Puffer immer geschichtet: oben stehen mindestens 60°C und unten 20°C kaltes Wasser. Die Frischwasserstation liefert bei Benutzung (ohne Zirkulation) immer 20...30°C unten an. Das passt.
Die Nachteile des permanent vermischten Puffers versuchten Hunderte von Leitsystemen im Puffer zu verbessern - eine oben einspeisende Kollektoranlage braucht das alles nicht. Nicht mehr Stand der Technik sind Puffer, die oben einströmendes Wasser einfach so in den oberen Teil pusten. Es sollte immer ein geschwindigkeitsreduzierendes Einströmsystem eingebaut sein. Die Fa. Solarbayer hat das ganz gut hinbekommen. Selbst durchlaufende Wärmestöme stören die Schichtung nicht. Daher sollte sich jeder seine Puffer VOR Einbau genau ansehen. |
Schichtsystem oben und unten [Quelle: SolarBayer] |
Es gibt Heatpipe-Röhrenkollektoren mit höherem Ertrag als nur durchströmte CPC-Kollektoren. Hier ist aber die Überhiltzungsgefahr im Sommer noch grösser ohne die Möglichkeit, über die Kollektoren nachts Wärme aus dem Puffer abzuführen. Eine V...irma hat daher spezielle Verdunkelungssysteme erdacht. Die Heatpipesysteme sollen angeblich Jahr für Jahr 7% schlechteren Ertag liefern. Darüber wird nicht geredet.
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6. Das Zusammenwirken mehrerer Wärmeerzeuger
Beim Puffer treffen sich dann alle Heizsysteme: Kollektoren, Kessel, Wärmepumpen,...Und von hier aus werden alle Verbraucher bedient.
Trink-Warmwasser und TWW-Zirkulation sind richtig teuer!
Hat das Mehrfamilienhaus eine Warmwasserzirkulationsleitung, muss diese immer auf 55°C im Vorlauf und auf 50°C im Rücklauf wegen Legionellengefahr gehalten werden. Die Einspeisung der zurückkommenden 50°C aus dem Gebäude in den Puffer geschieht meist umschaltbar geregelt in die Puffermitte, wo man 50°C vermutet. Das ist ein schöner Komfort, aber teuer, denn die Zirkulation ist eine permanente Heizung im Haus - sehr unschön im Sommer.Es gibt aber Mehrfamilenhäuser, wo die Kosten der Warmwasserbereitung die Heizkosten erreichen. Wenn ein Wärmezähler abgelesen wird, kann man das nachvollziehen. Genau hier ist eine Solarthermieanlage immer sinnvoll.
Für Einfamilienhäuser gibt es selbstlernende Regler, die die
Zirkulationspumpe automatisieren.
Im Allgemeinen kann man bei TWW mit 1/3 der Heizenergiekosten /a rechnen.
Daher: 9. Erträge kontrollieren und vergleichen.
Heizkörper, Bodenheizung, Matten, Flächenheizung
Die Art der Wärmeverbraucher für die Raumheizung bestimmen den Jahresenergiebedarf, Kosten und Effizienz der Beheizung stark. Das hat einfach mit der Fläche zu tun, über die Wärme abgegeben werden kann: Bei grosser Fläche kann die Beheizungstemperatur sehr niedrig werden und die Nutzung der Regerativen wird einfacher.- Heizkörper sind die billigsten Wärmespender beim Kauf, aber die teuersten im Verbrauch. Sie müsen je nach Bauart mit Temperaturen von 70...50°C Vorlauf betrieben werden, um ihre Wärme abzugeben.
- Bodenheizungen sind da schon besser und können im Bereich von 40...28°C Vorlauf betrieben werden.
- Noch niedrigere Temperaturen kann man mit Heizmatten erreichen, die man in Boden-, Wand- und Deckenflächen einputzt. Deren Versorgungstemperaturen erreichen fast die gewünschte Raumtemperatur und sind ideal für Wärmepumpen. Sie sind die erste Wahl bei Renovierungen.
Das hier sind die kleinen Nebenbedingungen, die Ihnen das Leben schwer machen, wenn sie sie beim Bau nicht beachten:
- Bei allen Kunststoffsystemen muss deren Wärmeträger über Wärmetauscher vom Stahl der Puffer getrennt bleiben! Alle Kunsstoffsysteme bis auf Verbundrohre mit Alumantel sind nicht sauerstoffdicht und lassen jede Anlage in 10 Jahren zu Schrott verrosten.
- Alle Systeme benötigen eine Druckhaltung, die in jedem Betriebszustand sicher einen Überdruck gegenüber dem Athmosphärendruck aufrechterhält. Das ist aber ein eigenes Thema: Druckhaltung!
7. Effizienz-vernichtende Elemente
Wie wir schon zeigten, kann man Altanlagen sehr gut mit Solarthermie zum Sparen bringen, oft bis zur Hälfte des bisherigen Verbrauchs, wennn man am Haus die gröbsten Verluste eindämmt. Das Kombinieren der ST geht mit Ölkesseln, Gaskesseln, Wärmepumpen und Holzkesseln, ja auch bei Wohnzimmerkaminen mit Wärmetauschern.Eine Ausnahme: Die ganz miesen athmosphärischen Gaskessel sollten immer ohne Tränen *sofort* entsorgt werden. Das ist offenes Feuer. Es war eine teure Fehlentwicklung der Industrie. Für die Kunden!
Es kommt beim Parallelbetrieb nur darauf an, dass man beim Zusammenschalten auf den Puffer die erzeugten Temperaturen und deren Wassermengen beachtet.
Ohne Puffer und ohne passende Regelung geht nichts! Mehr dazu:
Einschub: Das dT, die Spreizung, die LeistungDas ist die Grundgleichung der Wärmetechnik: (Q=m*c*dT)Leistung = bewegter Wärmeträger * c * Spreizung. Wärmeträger: Wasser(kg) - Glykolmischungen sind zäher und haben einen Mischungsfaktor. Spreizung ist die Differenz zwischen Vor- und Rücklauf. Masseinheit: Kelvin Die Wärmekapazität für Wasser ist die Konstante c = 1,163 Wh/kg*K.
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Hydraulikpläne
Der Hydraulikplan 'Wärmepumpe+Solar+TWW+HZG' zeigt eine hydraulische Möglichkeit, den Puffer mit solarerwärmtem Wasser zu versorgen, Wärmepumpe oder der modulierende Kessel können bei Bedarf nachheizen, um die Temperatur zu erreichen, die die Regelung haben möchte.Bei Wärmepumpen gibt es die Spezialität, dass sie immer mit niedriger Spreizung (kleinem dT) arbeiten müssen, um ihren COP zu erreichen. So eingespeist, würden sie für eine üble Vermischung des Puffers sorgen, wenn man keine Spezialeinbauen macht, um die Wassermengen zu beruhigen. Diese Spezialpuffer haben eingebaute Trennbleche, um die wichtigen schichtenden Speicherzonen nicht zu stören. Sonst haben wir wieder den miesen Pufferspeicher mit Rohrwendel unten.
Beispiel einer WP-Pufferung mit Solarthermie (verkleinert)
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Die Firma Zortea kann mit ihrem Zortström zwei Vorteile vereinen: Man kann ruhige und bewegte Pufferteile mit einer Speicherung vereinen und diesen Puffer gleich als Verteilsystem nutzen. Das geht für Wärme und Kälteverteilungen. Bei den üblichen Stangenverteilern in Heizsystemen tritt nämlich immer das Problem auf, dass sich laufende Pumpen an einem Verteiler gegenseitig das Wasser streitig machen. Besonders kleine Pumpen am Ende bekomen dann nichts und man findet den Fehler nicht.
Das Ergebnis sind nutzlos hohe Stromaufnahmen der gegeneinander arbeitenden Pumpen und bei geregelten Pumpen ein dauerndes Auf und Ab der Wassermengen.
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 Zortström, Beispiel [Quelle: www.zortea.at] |
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Die maximal erzeugbaren Temperaturen der angeschlossenen Wärmerzeuger müssen bei der Einspeisung beachtet werden: Wärmepumpen werden immer schlechter in Ihrer Effizienz, wenn der Unterschied zwischen Wärmequelle und erwarteter Temperatur sich ca. 40K nähert. Mehr dazu.
Daher sollte man grosse Temperaturdifferenzen bei der Wärmepumpe (WP) vermeiden. Man erreicht so höhere Jahreswirkungsgrade, also weniger Stromverbrauch. |
 Bivalente Auslegung [Quelle: dimplex] |
Ebenso ist ein Heizstab als Ausfallsicherung für die WP erfahrungsgemäss beruhigend!
Eine Übernutzung von Soleanlagen kann man durch eine passende Solarthermieanlage und einer passenden Bivalenz-Auslegung abfangen.
[ Inhalt ]
8. Einfluss der Regelung
Wie entsteht die nötige niedrige Rücklauftemperatur?Klare Antwort: Nur mit einer vernünftig geplanten Hydraulik! Keine Regelung kann daran etwas ändern.
Eine Regelung, die nur so wenig Temperatur über den Vorlauf in die Anlage schickt, dass bei der nötigen Spreizung eine möglichst niedrigere Rücklauftemperatur erreicht wird, ist optimal. Das geschieht mit einer Regelung, die als belastungsgeführt bezeichnet wird. NUR diese kennt auch die Rücklauftemperatur aus der Anlage. Alle Wärmepumpen nutzen das, sonst könnten sie nicht so sparsam arbeiten. Wenn allerdings die Hydraulik nicht abgeglichen ist, ist eine noch so gute Regelung Unsinn.
Lesen Sie den Artikel Hydraulischer Abgleich, wenn Sie sich nicht ganz sicher sind, was das bedeutet.
Eine heutige gute Regelung kann immer einen Hydraulikplan mit aktuellen Temperaturen und Aggregatzuständen auf den Bildschirm abbilden. Wenn genügend Fühler eingebaut sind, kann man damit wenigstens hydraulische Fehler erkennen - im Gegensatz zum früheren Blindflug am 4zeiligen Display...
Das Bild zeigt den aktiven Frostschutz der Solarthermie am 4.12.2022. Der Brenner läuft, Warmwasser ist vorhanden.
Zum Energiesparen muss man nur die Anlage beobachten wollen.
Das Beobachten der Anlage ist unabdingbar, um einen minimalen Verbrauch zu erreichen. Leider leistet das kein Handwerksbetrieb, denn die wären damit völlig überlastet. Das sollte man im eigenen Interesse selber machen. Dazu muss man die Spreizungen kennen und wissen, ob das jeweilige dT korrekt sein kann.
Eine wesenliche Hilfe ist auch das Zählermodul, auf das jedes Aggregat der Heizung geschaltet sein sollte:
Sieht man dann bei modulierenden Brennern oder Wärmepumpen, dass sie um sie 100mal am Tag starten, arbeiten sie sicher falsch, denn sie könnten - gut angepasst - ihre Leistung so anpassen, dass sie morgens starten und abends ausgehen.
- Wenn man z.B. einstufige Kessel so in Betrieb hält, dass sie 3- bis 10mal am Tag starten - dann sind Sie am (Spar-)ziel.
- Wärmepumpen können das durch ihre eingebaute Rücklaufregelung. Wenn die Wärmepumpe also viele zu oft startet, stimmt der hydraulische Abgleich nicht!
Leider gibt es Hersteller, die gute Brennwertkessel oder Wärmepumpen herstellen, aber diese Qualität direkt am Ausgang durch Einbau einer hydraulischen Weiche vernichten. Der Grund: Der Kessel hat einen gewissen Innenwiderstand und kann nur - sagen wir mal - 15kW mit einer Spreizung von 20K liefern. Das direkte Anschliessen einer 15kW Bodenheizung könnte klappen, bräuchte diese nicht eine Spreizung von 8K, um Wärmewelligkeit im Boden zu vermeiden. Durch den Wärmeerzeuger dürfen nur 750l/h fliessen, die Bodenheizung braucht aber 1700l/h - das passt nicht! Daher verschlimmbesserte der Hersteller das Problem mit einer angebauten hydraulischen Weiche denn diese mischt und vernichtet den Brennwert, wenn die Pumpen nicht exakt passend eingestellt sind. Das kommt aber in der Praxis nie vor. Besser als Bernhard Wenzel kann man es nicht ausdrücken:
'Ein schlechter Installateur ruiniert die beste Wärmepumpe!'Das löst man mit einem Puffer als hydraulischen Nullpunkt eleganter, denn den stattet man gleichzeitg mit einer Frischwasserstation und thermischer Solaranlage aus!
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9. Erträge kontrollieren und vergleichen
Mal abgesehen von gläsernen Bankentürmen, die über 700 kWh/(m²*a) ! verbrauchen, fragen Sie sich sicher: 'Was ist ein normaler Verbrauch in unseren Breiten?'- Bei Mehrfamilienhäusern aus den 1970ern treffen wir auf einen Verbrauch von 250 kWh/(m²*a), weil meist mit unisolierten Beton gebaut wurde. Erreichbar ist eine Halbierung bei Bodenheizung.
- Mehrfamilienhäuser um die Bj 1985 erreichen (ohne zentrale Warmwasserbereitung) Werte um 120 kWh/(m²*a), die man mit hydraulischen Abgleich auf unter 100 kWh/(m²*a) bringen kann.
- Einfamilienhäuser mit zentraler Warmwasserbereitung mit aus dem 80er Bauboom liegen unsaniert bei 120 kWh/(m²*a), die man mit Solarthermie elegant auf 80...60 kWh/(m²*a) bringen kann.
- Trotz aller Energiesparvorschriften kommen Bauten aus 2000 mit Brennwerttechnik und Brennstoffzelle nur auf 160 kWh/(m²*a). Einfach deshalb, weil die Geräteeigenschaften beim Zusammenbau nicht eingehalten werden. Schulungsfehler und der Irrglaube, einen hydraulische Weiche könne hydraulische Probleme lösen - das Gegenteil ist der Fall. Ich zitiere nochmal Bernhard Wenzel!
Wir hoffen, dass diese kleine Übersicht mehr Fragen beantwortet, als Sie schon hatten :-)
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10. Dank und Links: Ideengeber
- Wie Solarthermie den Wärmepumpen beim Sparen hilft
- Pits Optimizer: Regelungstechnik mit Übersicht
- Andreas Schmitz erklärt, wann er seine Wärmerzeuger umschaltet
- Der Wärmepumpenrechner
- Solare Heizungsunterstüzung im denkmalgeschützten Altbau
- Paradigma: Grüne Wärme
- Mies: verschwurbelt und vernebelt - ohne Erfahrung!
email © System Integration Beitzke
Seite erstellt am 2.1.2023, letzte Änderung 14:17 15.1.2024, Montag
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