ENERGIE SPAREN

ENERGIE
SPAREN
mit NiQ
Test Resultate 2013/14
neurobat.net
ENERGIE SPAREN mit NiQ – Testresultate 2013/14
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Cool statt heiss
Der NiQ-Heizungsregler von Neurobat sorgt
ganz cool für komfortable Innentemperaturen.
Wer kennt diese Situation nicht: An einem Dienstagnachmittag im März
trifft man sich im Sitzungszimmer. Die Heizung läuft ... und dann fällt die
Sonne durch die Scheiben. Die Konzentration lässt nach, die Augen fallen zu, die ersten Köpfe senken sich zur Brust. Sonderbar: Der Raum ist
mit einem Thermostat ausgestattet. Aber obwohl wir unterdessen im
Zeitalter des «Internets der Dinge» angelangt sind, Smartphones, Sofortkommunikation und WLAN in allen Räumen nutzen, scheint es uns nicht zu
gelingen, die Raumtemperatur präzise und bedarfsgerecht zu regeln.
Bis heute....
Basierend auf der sogenannten «Model Predictive Control»-Familie (MPC) der Regelungssysteme, hat Neurobat
einen neuen Algorithmus für Heizungsregler entwickelt. Mit
diesem lernfähigen Regler lässt sich die Heizwasser-Vorlauftemperatur optimal steuern – nie wieder werden Sie unter
überhitzten Räumen und hohen Heizenergierechnungen
leiden. Mehr Komfort bei minimalem Energieverbrauch –
d.h. bei niedrigeren Heizkosten.
NiQ implementiert diese anpassungsfähigen Algorithmen
und bietet eine einfache Lösung für die Nachrüstung von
Heizanlagen. Die neusten Testergebnisse aus den Heizperioden 2013 und 2014 belegen die Effizienz der NiQ–Lösung.
Moderne Heizungsregler müssen smart sein und vieles erfassen können: etwa dass sich die Familie in einem bestimmten Raum trifft, dass die Sonne hervorkommt bzw.
sich hinter den Wolken versteckt, dass ein Raum längere
Zeit leer stehen wird usw. Gleichzeitig sollen sie konstant
für optimalen Komfort sorgen. Die meisten Heizungsregler sind aber zu wenig feinfühlig und flexibel, um ohne
Komforteinbussen die effektiv bestmögliche Nutzung von
Heizenergie sicherzustellen. Hier bewährt sich das NiQ von
Neurobat: mehr Nutzerkomfort, weniger Kosten. NiQ implementiert diese anpassungsfähigen Algorithmen und bietet
eine einfache Lösung für die Nachrüstung von Heizanlagen
in Einfamilienhäusern.
Wie funktioniert NiQ? Führt NiQ effektiv zu Energieeinsparungen?
Abbildung 1: Neurobat NiQ
ENERGIE SPAREN mit NiQ – Testresultate 2013/14
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Energieverbrauch
– ein Balanceakt
Die Energiebilanz eines Gebäudes ist eine komplexe und dynamische Mischung seiner thermischen Eigenschaften, der täglichen und
saisonalen Schwankungen der Sonneneinstrahlung, des menschlichen Nutzungsverhaltens, der Windeinwirkungen und «unfreiwilliger» Wärmequellen wie Sonneneinstrahlung auf eine Fläche im
Gebäudeinneren, Körperwärme, Abwärme von Anlagen und Maschinen
usw. Selbst die raffiniertesten und modernsten Regler arbeiten mit
vorgegebenen Heizkurven, sodass sie dieses nichtlineare, dynamische
Verhalten nicht einkalkulieren können.
Die Technologie von Neurobat «lernt» dagegen laufend
Fakten zum thermischen Verhalten des Gebäudes dazu.
Sie arbeitet mit Neuro-Fuzzy-Technologie und künstlichen
neuronalen Netzwerken, um den Energieverbrauch zu optimieren und ein komfortables Klima für die Benutzer zu erzeugen – so lassen sich unerwartete und selbst nichtlineare
Veränderungen der Umweltbedingungen einbeziehen. Die
Neurobat-Technologie kann sogar Wettervorhersagen erstellen, um den Energieverbrauch zu planen.
Das Reglersystem antizipiert, was geschehen wird, und lernt
durch Beobachtung, wie sich Heizenergie und Benutzerkomfort am besten verbinden lassen; es kann die zukünftige Innentemperatur des Gebäudes vorhersagen und dabei
vorhergesehene Solarerträge, Aussentemperaturen und
Vorlauftemperaturen des Heizbereichs einbeziehen. Das
System kann sogar zwischen Fussbodenheizungen und
Heizkörpern unterscheiden.
Ziel der Optimierung ist es, den Komfort deutlich zu steigern und die Vorlauftemperatur dabei möglichst gering zu
halten. So fällt der Temperaturunterschied zwischen dem
Vorlauf der Heizanlage und der Temperatur des Umfelds
geringer aus. Dies wiederum führt zu einem geringeren
Wärmeaustausch an den Stellen, wo er nicht erforderlich ist.
Dies ist kein gängiges Verfahren: Im Allgemeinen besteht das Ziel darin, die dem Gebäude zugeführte Energie
zu reduzieren. Anders bei Neurobat: Hier wird die Vorlauftemperatur für den Heizbereich optimiert. Für diesen Ansatz
spricht vor allem, dass es bei den (weitverbreiteten) Thermostatventilen nicht möglich ist, die Abgabe von Energie an
das Gebäude zu beeinflussen, da die Ventileinstellung hierfür massgeblich ist (und wenn die Sonne scheinen will, ist
es halt Pech). Die Kontrolle der «verfügbaren Wärme» über
die Vorlauftemperatur ermöglicht allerdings eine passende
Regulierung der Wärmeabgabe.
Wenn bekannt ist, ob und wann sich Menschen in einem
bestimmten Teil des Gebäudes aufhalten, kann die Heizung
entsprechend energiesparend angepasst werden. Dasselbe
gilt, wenn bekannt ist, wann die Sonne scheint und wie
sich die Aussentemperatur verhält. Vorhersagen der lokalen
Solarerträge sind ebenfalls von grossem Einfluss. Diese Vorhersagen beziehen die Schatten von Hügeln, Gebäuden und
Bäumen sowie andere Gegebenheiten ein, welche die Sonnenwärme beeinflussen, die das Gebäude im Lauf des Tages
aufnimmt. Bei Bäumen ist zudem zu beachten, dass sich die
Belaubung mit den Jahreszeiten ändert. Die Auswirkungen
dieser Änderungen werden in der Software vorhergesagt.
Dank der Fähigkeit, laufend mehr über das thermische Verhalten eines bestimmten Gebäudes zu lernen, ist sichergestellt, dass die Energienutzung und der Komfort selbst bei
Renovationen (neue Isolierungen, neue Wärmequellen usw.)
oder bei Änderungen der Umweltbedingungen (Neubauten
in der Nachbarschaft, Baumwachstum oder Baumfällaktionen usw.) optimiert werden. Dies gilt auch für Umnutzungen des Gebäudes oder neue Gewohnheiten der Benutzer, etwa bei Verhaltensänderungen und neuen Tagesrhythmen heranwachsender Kinder.
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Selbstlernende Regelung
Das Herzstück der Neurobat-Technologie ist ein patentiertes neuronales Netzwerk – eine Art von Black-Box-Modellierung, bei der die dem
Verfahren zugrunde liegenden Mechanismen nicht zwingend verstanden
oder nachvollzogen werden müssen. Das neuronale Netzwerk ist derart programmiert, dass es einen Output anhand einer Reihe von Inputs
vorhersagt, nachdem es mit Sätzen experimentell gewonnener Daten
geschult wurde – insbesondere mit den massgeblichen Gebäude- und
Klimadaten. Die Verarbeitung erfolgt innerhalb eines ausgefeilten NeuroFuzzy-Modells. Hier erweisen sich die Neurobat-Produkte als leistungsstärker als diejenigen anderer Anbieter.
Während der Lebensdauer eines Neurobat-Produkts werden
die Modellparameter angepasst, um den Unterschieden
zwischen den vorhergesagten und den effektiven Ergebnissen Rechnung zu tragen. Obwohl die Konvergenz rasch
erreicht wird (generell ist das System nach 2 bis 3 Wochen
optimal leistungsfähig), lassen sich Faktoren wie beispielsweise Änderungen des Tagesrhythmus von Teenagern, neue
Mieter oder neue Raumaufteilungen nach wie vor berücksichtigen.
Das NiQ errechnet laufend die beste Vorlauftemperatur für
das Gebäude, sowohl in Bezug auf Energieeffizienz als auch
hinsichtlich des Komforts.
Wie wird diese Information nun an das bestehende Heizungsregelungssystem übermittelt? Ganz einfach - gar
nicht. Das NiQ wird ins bestehende Heizsystem integriert
und zwischen dem bestehenden Heizungsregelungssystem
und dem Aussentemperatursensor installiert (siehe Abbildung 2).
NiQ misst u.a. regelmässig die Vorlauftemperatur und passt
die vom bestehenden Regelungssystem «wahrgenommene»
Aussentemperatur an. Wenn die Vorlauftemperatur zum
Beispiel reduziert werden soll, wird NiQ dem bestehenden Regler eine erhöhte Aussentemperatur vorgeben und
umgekehrt. So nutzt das NiQ die grosse Schwäche von witterungsgeführten Regelungssystemen aus, um Ihren Betrieb
zu optimieren.
Sonnen-Sensor
(SRS)
inaktiv setzen
RaumTemperaturFühler (RTS)
AussenTemperaturFühler 1 (OTS1)
RücklaufTemperaturFühler (RFTS)
AussenTemperaturFühler 2 (OTS2)
Neurobat NIQ
Heizschlange, Radiator
RaumTemperaturFühler (RTS)
Heizungs-Regler
ThermostatVentile im
Referenzraum
Mischventil
Wärmeerzeuger
VorlaufTemperaturFühler (FFTS)
Steuersignal für bestehenden Heizungs-Regler (OTSE)
© Neurobat
Abbildung 2: Neurobat NiQ wird zwischen dem bestehenden Heizungsregelungssystem und dem
Aussentemperatursensor installiert. Verkabelung einer typischen Installation vor und nach der
Installation von NiQ. NiQ kann auch in Anlagen ohne Mischventil installiert werden.
ENERGIE SPAREN mit NiQ – Testresultate 2013/14
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Einfache Installation
und Wartung
Trotz seiner ausgefeilten Neuro-Fuzzy-Technologie erfordert Neurobat
nur einen konfigurierbaren Parameter bei der Inbetriebnahme: den
optimalen Sollwert für die Innentemperatur. Während des Betriebs
sind vier Inputs erforderlich: Aussen- und Innentemperaturen,
Sonneneinstrahlung und Vorlauftemperatur. Die Parameter, die sich auf
die Heizkurven beziehen, stellen normalerweise das grösste Problem dar.
Hier ist keine Feinabstimmung mehr erforderlich, da das selbstlernende
System diese Parameter determiniert. Eine herkömmliche Heizung kann
die Eingabe von Dutzenden von Parametern erfordern: Neurobat hat den
grossen Vorteil, dass diese Prozedur nicht mehr nötig ist.
Die kritische Frage: Wie gut bewährt sich NiQ? Es wurde
über mehrere Heizperioden in verschiedenen Gebäuden in
der Praxis getestet: Die jüngsten Testergebnisse – ein umfassender Test in der Heizperiode 2013–2014 – werden auf den
folgenden Seiten beschrieben. Es zeigt sich sehr deutlich,
inwiefern NiQ substanzielle Energiekostenersparnisse ermöglicht.
Test–Methodologie: Insgesamt 10 Häuser wurden mit
Sensoren ausgerüstet, um einen präzisen Vergleich der
Leistungsfähigkeit des NiQ gegenüber dem bestehenden
Referenzregler zu ermöglichen. Die Umstellung vom einen
auf den anderen Regler erfolgte alle 2 Wochen. Der Energieverbrauch der beiden Konfigurationen wurde von einem
Wärmezähler gemessen. (Siehe Abbildung 3)
Wärmezähler
M-Bus Schnittstelle
und Adapter
NiQ
Netbook
Abbildung 3: Testanlage nach Fertigstellung.
InternetVerbindung
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Datenanalyse Energieeinsparungen
Abbildung 4 zeigt die tägliche Heizenergie im Vergleich zur durchschnittlichen Aussentemperatur am Teststandort Fey, im Kanton Waadt,
Schweiz, in der Heizperiode 2013–2014. Jeder Punkt steht für einen Tag.
Seine Farbe zeigt, welcher Regler an diesem Tag im Einsatz war. Es zeigt
sich eindeutig, dass an den Tagen deutlich weniger Heizenergie verbraucht wurde, an denen der NiQ-Regler im Einsatz war. Die Differenz
beträgt etwa 13 Prozent. Das Testgebäude in Fey ist ein Einfamilienhaus,
Baujahr 1998, mit einer Wärmepumpeninstallation. Die Heizenergie wird
über eine Bodenheizung zur Verfügung gestellt.
200
REF
NiQ
Abbildung 4:
Darstellung des Heizenergieverbrauchs im
Vergleich zur Aussentemperatur für das
Testgebäude Fey,
im Kanton Waadt.
An den Tagen, an welchen NiQ im Einsatz
war (braune Linie),
wurde etwa 13 %
weniger Heizenergie
verbraucht.
Heating
Energy[ [kWh]
Heizenergie
kWh]
150
100
50
0
0
5
10
15
Mean Outdoor
Temperature [°C]
Durchschnittliche
Aussentemperatur
[ °C]
20
ENERGIE SPAREN mit NiQ – Testresultate 2013/14
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Datenanalyse Stabilität der Raumtemperatur
Das Histogram in Abbildung 5 und die Kastengrafik in Abbildung 5.1 zeigen die am Standort Fey aufgezeichneten Innentemperaturen während
der Heizperiode 2013–2014 nach aktiven Reglern. Die Bezugslinie zeigt
den Innentemperatur-Sollwert von 23 °C an. Es zeigt sich eindeutig,
dass NiQ dem Referenzregler deutlich überlegen ist und die gewünschte
Innentemperatur viel genauer einhält als der Referenzregler. Ausserdem
hat NiQ den Temperaturschwerpunkt nach links verschoben. Dies entspricht einem geringeren Energieverbrauch.
REF
Der Wärmestress (thermische Unbehaglichkeit) beträgt
blosse 0.25 beim NiQ und 1.32 beim Referenzregler.
60
Häufigkeit
Percent of in
Total%
50
Somit hält der NiQ die Innentemperatur nicht nur effizienter auf dem Sollwert von 23 °C, sondern verringert auch die
Varianz der Innentemperatur.
40
30
20
10
21
22
23
24
25
21
22
23
24
25
0
21
22
23
24
25
Indoor Temperature
Innentemperatur
[ °C [] °C ]
NiQ
NiQ
60
Häufigkeit
Percent of inTotal%
50
40
REF
30
20
10
0
21
22
23
24
25
Indoor Temperature
Innentemperatur
[ °C[ ]°C ]
Sollwert
Abbildung 5: Histogram der gemessenen Innentemperaturwerte
bestimmt seitens des Referenz-Reglers (in blau) und des NiQ (in
braun), gemessen im Fey-Testgebäude. Die vertikale rote Linie
zeigt den vom Hauseigentümer bestimmten Sollwert von 23 °C.
Indoor Temperature [°C[ ]°C
Innentemperatur
]
Sollwert
Abbildung 5.1: Die Ergebnisse des Fey-Testgebäudes dargestellt in einem
Kastendiagramm. Diese Grafik zeigt nochmals deutlicher, dass NiQ die
Innentemperatur nicht nur effizienter auf dem Sollwert von 23 °C hält,
sondern auch die Varianz dieser verringert, was zu weniger Kosten und
mehr Komfort führt.
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Test-Ergebnisse
- Energieeinsparungen
Der Einsatz des NiQ führte zu Energieeinsparungen von durchschnittlich
28 % plus minus 5 %.
In diesen Einfamilienhäusern leistet NiQ einen signifikanten Beitrag zur
Senkung des Energieverbrauchs.
Standort
Energieeinsparung Standardfehler
Durchschnitt gewichtet
Diese Daten zeigen ferner, dass umfangreiche Energieeinsparungen möglich sind, 10 bis 40 % wurden in den meisten
Fällen erzielt, indem man die bestehende Anlage mit dem
NiQ ergänzt hatte. Der Hauptfaktor hierbei ist die suboptimale Inbetriebnahme des ursprünglichen Heizungsreglers.
Tatsächlich ist eine Feineinstellung der gängigen Heizungs-
regler sozusagen unmöglich, da das Verhalten des betreffenden Gebäudes zu diesem Zweck laufend überwacht
werden müsste. Dank der Selbstanpassung des NiQ wird
jedoch eine optimale Regelung erzielt und ständig gehalten,
ohne dass der Nutzer eingreifen müsste.
ENERGIE SPAREN mit NiQ – Testresultate 2013/14
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Test-Ergebnisse
- Temperaturstabilität
Der zweite wichtige Aspekt der Tests war der Wohlfühlfaktor im Hinblick
auf die Temperaturstabilität mit und ohne NiQ. Abbildung 6 zeigt das durchschnittliche Verhältnis, in welchem sich die Innentemperatur innerhalb der
Solltempertur plus minus 0.5 °C befand.
Komfortverbesserung
durch
Comfort Improvement
by NiQ
NiQ
100.00%
90.00%
80.00%
70.00%
60.00%
50.00%
Delta-NiQ
REF
40.00%
30.00%
20.00%
10.00%
0.00%
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Abbildung 6: Komfortsteigerung durch NiQ-Einsatz (braun) im Vergleich zum Komfort bei Einsatz des bestehenden
«Host-Reglers» (blau).
Der Komfort bei Einsatz des bestehenden “Host-Reglers”
ohne NiQ liegt durchschnittlich bei 45 %, und nimmt bei
Einsatz des NiQ bis zu 76 % zu.
Dies bedeutet, dass die Dauer der Komfortperiode dank
dem NiQ deutlich zunimmt. War der Komfort zuvor weniger
als die Hälfte der Zeit perfekt, so verlängert sich dieser Wert
mit dem NiQ auf ¾ der Zeit.
Unabhängig von den Gebäudeeigenschaften (Umfang der
Isolation, thermische Trägheit, Art der Wärmeverteilung)
können Neurobat-Algorithmen die optimale Regelung finden und so den höchstmöglichen Komfort erzielen.
ENERGIE SPAREN mit NiQ – Testresultate 2013/14
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Detailanalyse Stabilität der Raumtemperatur
Der Einsatz des NiQ dient dazu, die Temperatur stabil zu halten. Stabile
Raumtemperaturen sorgen für mehr Komfort und ein gesünderes Umfeld
im Hausinneren.
Stabile Raumtempertur unter veränderten Bedingungen
Abbildung 7 zeigt, wie mit dem zusätzlichen Einsatz des NiQ
eine stabile Raumtemperatur erreicht wird, selbst wenn die
Bedingungen ausserhalb des Gebäudes stark schwanken.
Die abwechselnd sonnigen und bewölkten Tage sind in
Schwarz dargestellt. Aber selbst unter diesen Bedingungen
hält sich die Innentemperatur bei ± 0.5 °C des Sollwerts
(21.5 °C an diesem Teststandort).
Abbildung 7: Raumtemperatur-Stabilität unter extremen Bedingungen ausserhalb des Gebäudes
ENERGIE SPAREN mit NiQ – Testresultate 2013/14
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Detailanalyse Einfluss des Cheminées
Zu den Nachteilen der gängigen Heizungsregler zählt ihre Unfähigkeit,
unregelmässig auftretende oder unerwartete Ereignisse (etwa ein
Kaminfeuer) einzubeziehen. Diese kostenlosen Wärmegewinne gehen
somit verloren. Dies wirkt sich massiv auf die Raumtemperatur aus
(vgl. Abb. 8).
Anzünden des
Kaminfeuers
Abbildung 8: Anders
als die gängigen
Regler stellt der NiQ
das Heizen sofort ein.
Dies belegen die in
Abbildung 9 für beide
Fälle dargestellten
Vorlauftemperaturen
bei Innentemperaturen von
über 26 °C.
20
Abbildung 9:
Histogramm der
Vorlauftemperaturen
bei Innentemperaturen von über
26 °C , entspricht dem
Zeitraum, in dem der
Raum mit einem
Cheminée beheizt
wurde.
40
60
80
NiQ
10
5
0
REF
Häufigkeit in %
15
10
5
0
20
40
60
Flow
temperature
Vorlauftemperatur
80
Häufigkeit in %
15
ENERGIE SPAREN mit NiQ – Testresultate 2013/14
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Detailanalyse NiQ antizipiert Sonneneinstrahlung und nutzt sie
Die Sonneneinstrahlung kann beträchtliche kostenlose Energie zuführen,
vor allem in Gebäuden. NiQ memoriert den Tagesrhythmus der Sonne
und reduziert die Vorlauftemperatur (Abb. 10, dunkelblau) vorab im
Lauf des Morgens, wenn für den Nachmittag zu erwarten ist, dass der
Raum besonnt wird. So lässt sich die häufige Überheizung im Verlauf
des Nachmittags vermeiden, während die Raumtemperatur (grün) in
der ganzen Zeitspanne in einem perfekt komfortablen Bereich bleibt.
Selbstverständlich lässt sich so auch einiges an Energie sparen.
Abbildung 10:
NiQ – Solarerträge vorwegnehmen und überheizte Räume vermeiden
ENERGIE SPAREN mit NiQ – Testresultate 2013/14
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Fazit
Die vor Ort durchgeführten Tests belegen eindeutig, dass sich mit dem
zusätzlichen Einsatz des NiQ Energie sparen lässt und der Komfort zunimmt.
Die im NiQ integrierten, patentierten Neurobat-Algorithmen
ermöglichen in den meisten Fällen Energieeinsparungen
von 10 bis 40 Prozent; im Durchschnitt betragen die Einsparungen 28 Prozent. Diese signifikanten Einsparungen des
Energieverbrauchs sind der anpassungsfähigen Regelung
des NiQ zu verdanken, die allen Eigenschaften des Gebäudes Rechnung trägt und die optimale Vorlauftemperatur für
jede Situation festlegt.
Zudem sorgt NiQ für drastische Verbesserungen des Komforts im Haus. Dank seiner Anpassungsfähigkeit und seinen
Prognosekapazitäten hält NiQ die Innentemperatur konstant sehr nahe am vom Nutzer bestimmten Sollwert.
Wie eine Detailanalyse zeigt, kann NiQ allen unterschiedlichen Heizanlagen der Teststandorte Rechnung tragen (Heizkörper, Fussbodenheizung oder Kombination von beidem).
Auch unregelmässig auftretende Ereignisse wie Sonneneinstrahlung oder Kaminfeuer werden durch NiQ einbezogen.
Parallele Verbesserungen von Energieverbrauch und Komfort sind ein schlagender Beweis für die einzigartigen
Fähigkeiten und Eigenschaften des NiQ.
Die selbstgesteuerte Anpassung des NiQ bedeutet zudem,
dass für seinen Betrieb keinerlei Eingriffe oder Einstellungen des Nutzers erforderlich sind. So einfach lässt sich Energie sparen.
Quellenhinweise
[1] Lindelöf et al. (2014): The Potential for Energy Savings
through Self-Adaptive Model-Predictive Control of Space
Heating, eingereicht bei Energy & Buildings.
A. Guillemin und G. Hoevenaars
Sie sparen Energie, der Umwelt zuliebe.
Sie sparen Kosten, Ihnen zuliebe
Sie erhöhen Ihren Raumkomfort.
Das ist Neurobat.
Neurobat AG
Altenburgerstrasse 49
CH-5200 Brugg AG
Switzerland
www.neurobat.net

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