黃濤，柴少偉，趙耀，代彥軍

（上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200240）

0 引言

空氣源熱泵（Air Source Heat Pump，ASHP）因其舒適性好、能效比高、安裝使用方便等特點(diǎn)，近年來(lái)在冬季采暖方面越來(lái)越受到重視。空氣源熱泵在長(zhǎng)江中下游地區(qū)應(yīng)用廣泛[1-2]。由于其節(jié)能、環(huán)保等特性，逐步將其向主要依靠燃煤、燃油采暖的華北地區(qū)、黃河流域等推廣應(yīng)用?？諝庠礋岜脵C(jī)組在寒冷地區(qū)的冬季使用中主要存在低溫、結(jié)霜、壓縮比大和效率低等問(wèn)題[3]。胡文舉[4]、田長(zhǎng)青等[5]、楊銘[6]通過(guò)采用雙級(jí)壓縮變頻、蓄能除霜等，在改善機(jī)組性能方面開(kāi)展了研究；李寧等[7-8]通過(guò)對(duì)全國(guó)各地冬季氣候和機(jī)組實(shí)驗(yàn)工況耦合分析等，在機(jī)組環(huán)境適用性方面開(kāi)展了研究。同時(shí)，為引導(dǎo)和規(guī)范產(chǎn)品市場(chǎng)，關(guān)于空氣源熱泵生產(chǎn)、適用的評(píng)價(jià)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)體系也在完善。

本文通過(guò)對(duì)南京某醫(yī)院空氣源熱泵進(jìn)行冬季采暖測(cè)試分析，重點(diǎn)介紹空氣源熱泵采暖系統(tǒng)在江南地區(qū)采暖應(yīng)用實(shí)測(cè)研究情況。參照歐盟和國(guó)際熱泵產(chǎn)品測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)美的公司的一款130 kW風(fēng)冷熱泵機(jī)組進(jìn)行測(cè)試，在機(jī)組能效比、結(jié)霜環(huán)境下運(yùn)行情況以及經(jīng)濟(jì)性3個(gè)方面做了重點(diǎn)分析，希望能為空氣源熱泵機(jī)組的設(shè)計(jì)應(yīng)用以及實(shí)際產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定提供實(shí)際參考和依據(jù)。

1 空氣源熱泵采暖系統(tǒng)及運(yùn)行控制

1.1 空氣源熱泵采暖系統(tǒng)

本工程為南京市某醫(yī)院病房樓改造項(xiàng)目，屬于夏熱冬冷地區(qū)，具體冬季室外參數(shù)如表1所示。

建筑面積約 8,700 m2，采暖面積 7,950 m2，共4層。采暖系統(tǒng)采用美的公司生產(chǎn)的風(fēng)冷熱泵模塊（H型）機(jī)組，共計(jì)10臺(tái)，額定功率為130 kW，并采用470臺(tái)風(fēng)機(jī)盤(pán)管作為室內(nèi)末端。系統(tǒng)設(shè)計(jì)冬季熱負(fù)荷為850 kW，提供45 ℃/40 ℃的采暖熱水。如圖1所示，由于醫(yī)院樓房改造等因素，熱泵機(jī)組及其附屬設(shè)備置于A樓樓頂，距離采暖建筑B樓約15 m，兩者之間由供回水管連接。空氣源熱泵采暖系統(tǒng)布置如圖1所示，采暖熱水至采暖建筑B樓分為2路，分別為建筑供暖和新風(fēng)供暖。

表1 冬季室外標(biāo)準(zhǔn)工況

圖1 熱泵采暖系統(tǒng)布置示意圖

1.2 系統(tǒng)運(yùn)行控制

為滿足建筑采暖要求，由10臺(tái)熱泵130 kW機(jī)組，采用間歇式運(yùn)行以滿足室內(nèi)負(fù)荷及不同運(yùn)行模式的需求，包括普通模式、除霜模式和間歇啟停模式等。供水溫度由人工設(shè)定，整個(gè)采暖周期內(nèi)，均設(shè)置為44 ℃。

1）普通模式：系統(tǒng)根據(jù)室內(nèi)的工況要求，逐個(gè)運(yùn)行/停止熱泵，滿足供水溫度設(shè)定要求（44 ℃）。當(dāng)環(huán)境露點(diǎn)溫度低于蒸發(fā)溫度時(shí)（即熱泵機(jī)組不結(jié)霜的條件下），系統(tǒng)進(jìn)入普通模式。在本測(cè)試采暖周期內(nèi)，系統(tǒng)運(yùn)行控制策略主要以普通模式為主。

2）除霜模式：系統(tǒng)切換結(jié)霜機(jī)組的四通換向閥，機(jī)組由制熱工況變?yōu)橹评涔r。壓縮機(jī)排出的高溫氣體直接送入室外側(cè)換熱器加熱翅片管達(dá)到融化霜層的目的[9]，滿足供水溫度設(shè)定要求。在結(jié)霜環(huán)境下時(shí)，熱泵蒸發(fā)器表面?zhèn)扔薪Y(jié)霜，系統(tǒng)進(jìn)入除霜模式。

3）間歇啟停模式：系統(tǒng)間歇式運(yùn)行/停止結(jié)霜10臺(tái)熱泵機(jī)組，通過(guò)蒸發(fā)器翅片側(cè)霜層與環(huán)境換熱達(dá)到化霜目的，滿足供水溫度設(shè)定要求。在易結(jié)霜環(huán)境下，熱泵蒸發(fā)器表面?zhèn)扔薪Y(jié)霜，系統(tǒng)進(jìn)入間歇啟停模式代替除霜模式，可以提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。

根據(jù)采暖建筑B樓供暖要求，采用全新風(fēng)供暖。供暖熱水分為2路：建筑供暖熱水和新風(fēng)供暖熱水。建筑供暖熱水與室內(nèi)空氣對(duì)流換熱，達(dá)到室內(nèi)設(shè)定要求后風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行；新風(fēng)供暖熱水與室外新風(fēng)換熱后送入采暖建筑B樓。

2 測(cè)試方案

2.1 測(cè)量區(qū)域劃分

將所需測(cè)量值按功能區(qū)域劃分為兩部分。1）系統(tǒng)端對(duì)應(yīng)于熱泵系統(tǒng)測(cè)試區(qū)：對(duì)安置在A樓屋頂?shù)臒岜脵C(jī)組的各點(diǎn)溫度、流量及電功率等進(jìn)行測(cè)量；2）用戶(hù)端對(duì)應(yīng)于采暖建筑測(cè)試區(qū)：對(duì)采暖建筑各處進(jìn)行溫度測(cè)量，對(duì)建筑內(nèi)各送/回風(fēng)口的風(fēng)速和溫度進(jìn)行測(cè)量。熱泵系統(tǒng)測(cè)試區(qū)各測(cè)試點(diǎn)布置如圖1所示。各測(cè)試區(qū)內(nèi)測(cè)量值與所用儀器如表2所示。

表2 各測(cè)試區(qū)的相關(guān)測(cè)量值及儀器

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

本文以歐洲空氣源熱泵產(chǎn)品相關(guān)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)作為本測(cè)試評(píng)價(jià)指標(biāo)的依據(jù)[10-13]。

1）單/多臺(tái)熱泵機(jī)組性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

熱泵機(jī)組總供熱量QASHP計(jì)算公式為：

式中：

QASHP——熱泵機(jī)組總供熱量，kW；

m˙——總管道中水的質(zhì)量流量，kg/s；

Cp——水的比熱容，kJ/(kg? k)；

to——總供水溫度，℃；

ti——總回水溫度，℃。

熱泵機(jī)組COPH計(jì)算公式為：

式中：

COPH——單/多臺(tái)熱泵機(jī)組的COP；

WASHP——單臺(tái)熱泵運(yùn)行電功率，kW；

nH——水泵運(yùn)行數(shù)量。2）熱泵系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

熱泵系統(tǒng)COPASHP計(jì)算公式為：

式中：

WPump——采暖水泵運(yùn)行功率，kW；

nP——循環(huán)水泵運(yùn)行數(shù)量。

采暖系統(tǒng)COPSYS計(jì)算公式為：

式中：

WFan——室內(nèi)風(fēng)機(jī)運(yùn)行電功率，kW；

nF——室內(nèi)風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)量。

熱泵機(jī)組結(jié)霜損失系數(shù)Df計(jì)算公式為：

式中：

Df——結(jié)霜系數(shù)；

COPf——結(jié)霜時(shí)熱泵機(jī)組的性能系數(shù)；

COPASHP——相同工況下不結(jié)霜時(shí)熱泵機(jī)組的性能系數(shù)。

3）經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)

每平方采暖建筑日均耗電量Pi計(jì)算公式為：

式中：

Pi——每日每平方采暖建筑的耗電量，kW?h/m2?天；

P——采暖測(cè)試期內(nèi)總用電量，kW?h；

t——采暖測(cè)試的時(shí)間段，天；

S——采暖建筑總面積，S=7,950 m2。

每平方采暖建筑面積日均采暖費(fèi)用Ai的計(jì)算公式為：

式中：

Ai——每日每平方采暖建筑的供暖費(fèi)用，元/m2?天；

C——醫(yī)院電價(jià)，C=0.8601 元/kW?h。

3 結(jié)果與分析

采暖建筑面積約8,700 m2，系統(tǒng)設(shè)計(jì)冬季熱負(fù)荷為 850 kW，本文冬季采暖測(cè)試周期：2016年 1月19日～2016年3月4日，共45天。在測(cè)試周期內(nèi)，共有4天結(jié)霜天氣，平均結(jié)霜系數(shù)Df為0.96；日均熱泵機(jī)組COPH為 3.12；日均耗電量為2,260 kW?h，日均每平方采暖費(fèi)用Ai為0.25元/m2。

3.1 系統(tǒng)性能分析

測(cè)試周期內(nèi)，共2次中斷測(cè)量設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)存檔整理。測(cè)試數(shù)據(jù)按測(cè)量時(shí)間段依次歸類(lèi)，共3組：1）1月19日～28日；2）1月29日～2月15日；3）2月16日～3月4日。本文詳細(xì)分析了不同環(huán)境氣象參數(shù)下的熱泵機(jī)組性能。

3.1.1 熱泵系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

如圖3所示，觀察2016年1月19日～28日的熱泵系統(tǒng)測(cè)試區(qū)和采暖建筑測(cè)試區(qū)的各點(diǎn)溫度變化情況。測(cè)量周期內(nèi)，平均室外干球溫度 2.64 ℃。1月23日～25日出現(xiàn)極端惡劣天氣，室外日均干球溫度分別為-5.10 ℃、-6.90 ℃和-2.80 ℃。熱泵系統(tǒng)運(yùn)行效率降低但蒸發(fā)器表面并無(wú)結(jié)霜現(xiàn)象，采暖建筑室內(nèi)供熱穩(wěn)定。采暖周期內(nèi)平均總供/回水溫度、單臺(tái)熱泵平均供/水溫度、平均建筑供/回水溫度和平均新風(fēng)供/回水溫度分別是 42.3 ℃/38.8 ℃、46.7 ℃/40.0 ℃、41.2 ℃/35.8 ℃和 41.3 ℃/39.5 ℃。測(cè)量周期內(nèi)，熱泵系統(tǒng)能始終保持總供水溫度37.5 ℃以上。整個(gè)測(cè)量周期內(nèi)，建筑供熱量普遍大于新風(fēng)供熱量（極端惡劣天氣下的情況除外）。建筑供熱為主要供熱單元；新風(fēng)供熱為次要供熱單元。

極端惡劣天氣內(nèi)期間，如圖3中a和b區(qū)域所示，23日3：00室外干球溫度3.10 ℃，露點(diǎn)平均溫度1.51 ℃。熱泵機(jī)組出現(xiàn)短暫的結(jié)霜現(xiàn)象，系統(tǒng)進(jìn)入間歇啟停模式，根據(jù)熱泵出水溫度，啟停熱泵機(jī)組。單臺(tái)熱泵出水溫度最低41.7 ℃，熱泵系統(tǒng)總供/回水均未有明顯改變，室內(nèi)供暖保持正常。如圖 3中 c區(qū)域所示，出現(xiàn)測(cè)量周期內(nèi)最冷天氣，日平均溫度為-6.90 ℃，單臺(tái)熱泵供水溫度均值48.6 ℃，系統(tǒng)總供/回水建筑、新風(fēng)供水、單臺(tái)熱泵供/回水溫度均出現(xiàn)下降，而建筑回水和新風(fēng)回水溫度基本不變，其日均值分別是42.6 ℃和41.5 ℃。此時(shí)，新風(fēng)供熱需求大于建筑供熱需求。建筑供熱為次要供熱單元；新風(fēng)供熱為主要供熱單元。如圖3中d區(qū)域所示，室外干球溫度和室外平均露點(diǎn)溫度分別是：-4.2 ℃和-18.9 ℃。蒸發(fā)溫度遠(yuǎn)高于露點(diǎn)溫度，熱泵機(jī)組蒸發(fā)器側(cè)無(wú)結(jié)霜現(xiàn)象。

圖3 熱泵系統(tǒng)各點(diǎn)溫度值變化情況

3.1.2 采暖建筑數(shù)據(jù)分析

室外平均干球溫度2.64 ℃，第1～4層樓大廳月平均溫度分別為 22.7 ℃、19.2 ℃、15.7 ℃和 14.6 ℃。其中，高樓層大廳用戶(hù)窗常開(kāi)，導(dǎo)致第3和第4層樓大廳室內(nèi)溫度偏低。各樓層病房月平均溫度為24.9 ℃。病房人員日間習(xí)慣窗戶(hù)微開(kāi)，保持室內(nèi)空氣流通，故日間室內(nèi)溫度存在小范圍波動(dòng)，室內(nèi)溫度基本不低于20 ℃。

在極端惡劣天氣（23日～25日）下，采暖建筑各層醫(yī)生辦公室和病房基本不受影響，始終保持室內(nèi)溫度20 ℃以上。采暖建筑第3和第4層樓大廳溫度有下降，基本維持在10 ℃以上。

3.1.3 熱泵系統(tǒng)能效分析

對(duì)各采集數(shù)據(jù)綜合分析，整個(gè)冬季采暖測(cè)試時(shí)間為2016年1月19日～3月4日，共45天?？傮w性能指標(biāo)如表3所示，采暖周期內(nèi)平均結(jié)霜系數(shù)為0.96。其中，共有4天結(jié)霜天氣（分別為：1月28日、1月29日、1月31日和2月1日）在換熱器翅片表面有結(jié)霜，結(jié)霜系數(shù)分別為0.96、0.94、0.97和0.98。

如圖4所示，日均耗電量P與干球溫度呈反比關(guān)系趨勢(shì)，測(cè)試采暖周期內(nèi)日均耗電量2,260 kW?h。

圖5展示了系統(tǒng)性能指標(biāo)與室外干球溫度的變化關(guān)系。其中，日均熱泵機(jī)組COPH為3.12；日均熱泵系統(tǒng)COPASHP為2.76；日均采暖系統(tǒng)COPSYS為2.36。

表3 性能評(píng)價(jià)指標(biāo)值

圖4 干球溫度與日均耗電量P隨時(shí)間變化圖

圖5 COP與干球溫度隨時(shí)間變化圖

整理室外干球溫度與熱泵系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)關(guān)系[14-17]，得出關(guān)系如圖6所示，在室外干球溫度為2.82 ℃左右時(shí)，系統(tǒng)整體運(yùn)行效率達(dá)到最大值。隨著室外溫度逐漸升高，熱泵機(jī)組COPH提高，熱泵系統(tǒng)COPASHP降低，采暖系統(tǒng)COPSYS降低。

3.1.4 能效變化原因分析

如圖6所示，室外干球溫度與系統(tǒng)性能指標(biāo)的變化關(guān)系分析如下：

1）在測(cè)試采暖周期內(nèi)，當(dāng)室外干球溫度低于2.82 ℃時(shí)，系統(tǒng)的整體性能指標(biāo)（包括熱泵機(jī)組COPH，熱泵系統(tǒng)COPASHP和采暖系統(tǒng)COPSYS）隨著溫度上升而提高；

2）當(dāng)室外干球溫度等于 2.82 ℃時(shí)，熱泵系統(tǒng)COPASHP和采暖系統(tǒng)COPSYS達(dá)到峰值；

3）當(dāng)室外干球溫度超過(guò)2.82 ℃時(shí)，機(jī)組COPH隨著溫度升高而提高；而熱泵系統(tǒng)COPASHP和采暖系統(tǒng)COPSYS隨著溫度升高而下降。

系統(tǒng)的主要設(shè)備功率如下：?jiǎn)闻_(tái)熱泵機(jī)組功率為39.3 kW；單臺(tái)水泵功率為15.5 kW；室內(nèi)風(fēng)機(jī)共264臺(tái)，風(fēng)機(jī)總功率為25 kW。由于室外干球溫度升高，室內(nèi)供暖需求減少，熱泵機(jī)組運(yùn)行數(shù)量減少，使得采暖水泵和室內(nèi)風(fēng)機(jī)等占主要運(yùn)行能耗。

系統(tǒng)能效變化原因分析如下：

1）當(dāng)室外干球溫度低于 2.82 ℃時(shí)，為滿足室內(nèi)供暖需求，熱泵機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)保持在3臺(tái)或以上，機(jī)組運(yùn)行功率占系統(tǒng)總功率的3/4以上，熱泵機(jī)組運(yùn)行功率在系統(tǒng)性能指標(biāo)上起主導(dǎo)作用。室外干球溫度提高，熱泵機(jī)組COPH運(yùn)行效率提高，熱泵系統(tǒng)COPASHP和采暖系統(tǒng)COPSYS提高；

2）當(dāng)室外干球溫度高于 2.82 ℃時(shí)，室內(nèi)供暖需求降低，熱泵機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)降低至2臺(tái)或以下，機(jī)組運(yùn)行功率占系統(tǒng)總功率1/3以下，水泵和室內(nèi)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行功率影響整體熱泵系統(tǒng)的效率。室外干球溫度提高，熱泵機(jī)組COPH運(yùn)行效率提高。同時(shí)，室內(nèi)供暖需求減少，熱泵機(jī)組運(yùn)行功率占實(shí)際運(yùn)行功率的比重降低，熱泵系統(tǒng)COPASHP和采暖系統(tǒng)COPSYS隨室外干球溫度升高呈降低趨勢(shì)。

圖6 COP與室外干球溫度變化關(guān)系

3.2 結(jié)霜工況分析

3.2.1 數(shù)據(jù)分析

本文選取典型結(jié)霜日（1月29日10：00～1月30日11：00），對(duì)熱泵機(jī)組在結(jié)霜環(huán)境下工況做進(jìn)一步分析。結(jié)霜工況下各項(xiàng)性能指標(biāo)平均值如表4所示。

由圖 7可以看出，1月 29日10：00～16：30室外平均干球溫度為 3.5 ℃，平均濕球溫度為 3.0 ℃。熱泵機(jī)組蒸發(fā)器表面?zhèn)扔薪Y(jié)霜現(xiàn)象，系統(tǒng)進(jìn)入間歇啟停模式，平均總供水溫度為33.1 ℃。1月29日16：30～17：30，環(huán)境干球溫度不變，含濕量逐漸降低，露點(diǎn)溫度逐漸下降；1月 29日 17：30～30日 11：00，系統(tǒng)進(jìn)入普通運(yùn)行模式。在結(jié)霜工況下，1樓、2樓、3樓和 4樓平均室內(nèi)溫度分別為 23.0 ℃、23.5 ℃、23.1 ℃和24.6 ℃，采暖建筑供暖正常。

觀察圖7中a和b區(qū)域，在16：24時(shí)，空氣濕度降低，此時(shí)總供水溫度為31.3 ℃；在16：54時(shí)，熱泵系統(tǒng)總供水溫度首次達(dá)到40.3 ℃；在17：36時(shí)，回水溫度達(dá)到 40.2 ℃，表明熱泵系統(tǒng)開(kāi)始穩(wěn)定運(yùn)行，此時(shí)環(huán)境溫度 3.41 ℃，露點(diǎn)溫度 0.12 ℃。熱泵系統(tǒng)在結(jié)霜時(shí)，可保持總供水溫度保持在33.0 ℃附近，但達(dá)不到設(shè)定值要求溫度（44.0 ℃）。

表4 結(jié)霜日下各項(xiàng)性能指標(biāo)值

圖7 結(jié)霜工況下熱泵系統(tǒng)各點(diǎn)溫度變化

3.2.2 能效比分析

如圖 8所示，結(jié)霜工況下（1月 29日 10：00～16：30），系統(tǒng)進(jìn)入間歇啟停模式，熱泵機(jī)組COPH下降，均值為2.89。當(dāng)系統(tǒng)結(jié)束化霜進(jìn)入普通模式后（1 月 29 日 18：00～30 日 11：00），各COP值上升，系統(tǒng)開(kāi)始正常運(yùn)行。如圖9所示，在結(jié)霜工況下，系統(tǒng)供電總功率維持恒定，在小范圍內(nèi)（113 kW～115 kW）正常浮動(dòng)。

圖8 各COP值與室外干濕球溫度變化圖

圖9 室外干濕球溫度與功率周期變化圖

3.3 經(jīng)濟(jì)性分析

如圖10所示，在測(cè)試周期內(nèi)，日均耗電量為2,559 kW?h，每平方日均耗電為0.29 kW?h，每天每平方采暖費(fèi)用為0.25元。系統(tǒng)在高負(fù)荷日均消耗3,943 kW?h，低負(fù)荷日均消耗696 kW?h。

如圖11所示，每平方日均采暖費(fèi)用和室外干球溫度成反比趨勢(shì)。室外干球溫度越高，每平方日均采暖費(fèi)用越低。

圖10 COP與每平方日均采暖費(fèi)隨時(shí)間變化關(guān)系

圖11 每平方日均采暖與干球溫度變化關(guān)系

4 總結(jié)

本文對(duì)南京某醫(yī)院的空氣源熱泵采暖系統(tǒng)進(jìn)行冬季采暖測(cè)試，得出以下結(jié)論：

1）單臺(tái)熱泵平均COPH為3.12，運(yùn)行良好。隨著室外干球溫度上升，單臺(tái)熱泵機(jī)組的工作效率隨之提高。熱泵壓縮機(jī)功率為 39.3 kW，水泵功率為15.5 kW。故當(dāng)實(shí)際熱泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)減少時(shí)，水泵及末端風(fēng)機(jī)盤(pán)管的電功率將直接影響系統(tǒng)的能效比。結(jié)合本項(xiàng)目測(cè)試數(shù)據(jù)分析，當(dāng)室外干球溫度達(dá)到2.82 ℃時(shí)，熱泵系統(tǒng)COPASHP和采暖建筑COPSYS會(huì)降低；

2）夏熱冬冷地區(qū)，結(jié)霜天氣較少，使用空氣源熱泵進(jìn)行冬季采暖可以達(dá)到節(jié)能減排的目的。在本測(cè)試周期（共45天）中，出現(xiàn)2天惡劣天氣和4天結(jié)霜現(xiàn)象，最低總出水溫度為 33 ℃，系統(tǒng)仍能保持正常供暖。結(jié)合本項(xiàng)目測(cè)試數(shù)據(jù)分析，當(dāng)露點(diǎn)溫度接近3 ℃時(shí)，熱泵蒸發(fā)器會(huì)有結(jié)霜現(xiàn)象；

3）整個(gè)冬季采暖測(cè)試過(guò)程中，機(jī)組高負(fù)荷時(shí)期，日均消耗3,943 kW?h；機(jī)組低負(fù)荷時(shí)期，日均消耗696 kW?h；整個(gè)測(cè)量周期內(nèi)，日均耗電量平均值為2,559 kW?h，每平方米日均耗電為0.29 kW?h，每天每平方米采暖費(fèi)用為0.25元。在夏熱冬冷地區(qū)，熱泵機(jī)組采暖工況條件適宜，能滿足經(jīng)濟(jì)性和舒適性要求。

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