CN117109164A - 一种热-湿-碳协调控制空调系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热‑湿‑碳协调控制空调系统，包括装有蒸发器和冷凝器的制冷/制热系统和能使部分回风与新风相结合并加之循环利用的室内风循环系统；所述室内风循环系统与能够对新回混合风进行除湿、捕碳和净化的溶液循环系统相连接，所述溶液循环系统中设有与蒸发器相关联的吸收器和与冷凝器相关联的再生器，所述室内风循环系统中的室内排风出口与室外新风入口相贯通并与所述吸收器相连接。本发明的有益效果是：制冷/制热系统和室内风循环系统分别与溶液循环系统连接形成整体，简化了系统，节约成本，有效地减少了空调的能耗，进一步提高了室内舒适度，改善空气质量，对室内空气中的二氧化碳进行捕集，为未来有价值化学品合成提供可再生碳源。

Description

一种热-湿-碳协调控制空调系统
技术领域
本发明涉及一种空调系统，尤其涉及一种热-湿-碳协调控制空调系统。
背景技术
目前，能源危机成为人类共同面对的全球性问题，其中建筑运行能耗占我国社会总能耗23％，40～50％来源于暖通空调能耗。因此非常有必要采取有力措施降低建筑中暖通空调能耗。市场上存在的暖通空调系统是由制冷/制热系统、通风系统、电气控制系统和箱体系统等部分组成，各个系统间独立运行，能源消耗巨大。暖通空调的目标是为人们提供舒适的生产和生活环境，因此暖通空调系统发展的目标应当是既要减少过程中的能源消耗，又要改善人们在建筑居住和工作环境中的舒适度。
室内空气质量是室内舒适度的重要指标，目前为了满足室内空气质量要求，主要通过从室外引入大量新风以降低室内污染物浓度。室内污染物主要是指二氧化碳，还包括颗粒物、挥发性有机物、霉菌、细菌、异味等。在此策略下，维持或提高空气质量与减少暖通空调能耗存在固有矛盾。增加新风量可以一定程度上提高室内空气质量，但是同时也会增加空调系统新风能耗。此外传统空调系统中新风能耗占比较大，占空调总能耗高达20～40％。如何能够在满足室内空气质量要求的前提下减少新风能耗，是目前暖通空调系统发展面临的瓶颈问题之一。
现有暖通空调系统通过设置回风系统，使得部分室内空气经处理后在室内循环利用。这个方案可以回收部分室内回风的能量，一定程度上减少空调能耗，但仍然无法解决新风能耗的问题。此外室内空气循环会带来湿气、二氧化碳和污染物等的积累，从而影响室内空气质量，因此回风量有限。现有技术中已有专利通过在室内设置碳捕集装置给出解决方案，例如专利CN202010284804.4公开了一种通过吸附-脱附的方法对室内二氧化碳进行捕集和吸附板再生的装置，以实现对室内二氧化碳的被动控制。但受限于吸附板吸附和再生过程，碳捕集不能连续运行从而对系统控制提出更高要求，此外由于固体吸附装置固有的冷热抵消问题会给室内空调系统带来额外能耗。专利CN201720223867.2公开了一种通过二氧化碳吸附网去除回风中的二氧化碳以提高室内空气品质的二氧化碳净化装置。但是上述系统均忽视了回风中的湿气等杂质的积累，必须得配置额外的湿气处理流程或系统，增加了系统的复杂度和成本。
空气湿度是另一个影响室内舒适度的重要指标。然而目前广泛采用的空调系统为了满足室内湿度需求，会牺牲部分热舒适性并造成较大的能源浪费。为了解决传统室内除湿方式面临的能耗和卫生等问题，已有专利提出了多种新型的除湿方式应用于室内空调系统，其中溶液除湿技术因其高效节能、结构紧凑和避免污染等优点受到广泛关注。例如专利CN201510063468.X提出了一种可充分利用热泵系统蒸发器冷量和冷凝器热量驱动溶液的除湿和再生过程的多级溶液除湿新风处理机组。专利CN201510820755.0公开了基于吸收式制冷循环和溶液除湿再生循环的温湿度独立处理空调系统，通过设置空气换热器并利用室内回风进行溶液再生，实现了对部分回风能量的回收。但是上述系统均只能用于室内湿度控制，不能解决新风能耗的问题，为了应对回风中二氧化碳积累的问题，也必须与额外的二氧化碳处理装置配合使用，进一步增加了系统的复杂度和成本。
面对由于二氧化碳过度排放导致的全球气候变化带来的巨大挑战，世界各国纷纷采取措施减少碳排放，我国也明确提出力争2030年前实现碳达峰，力争2060年前实现碳中和。直接空气碳捕集技术是指能随时、随地直接从大气中捕集二氧化碳的技术，被认为能够解决来自交通、建筑等的分散碳排放，在净零排放路径中发挥重要作用。目前已经公开了多种对大气中的二氧化碳进行捕集的技术方案，然而由于空气中的二氧化碳浓度极低，直接空气碳捕集难度较大且成本高昂，经济可行性低。相比室外，室内空气中的二氧化碳浓度更高，捕集难度更低，有望减少捕集成本。
因此，从现有技术背景来看，尚缺少技能降低新风能耗，又能兼顾室内舒适度，实现控温、除湿、捕碳和净化一体化处理的空调系统。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供了一种既能降低新风能耗又能兼顾室内舒适度并实现一体化控温、除湿、捕碳、除菌、除尘的热-湿-碳协调控制空调系统。
技术方案：本发明所述的热-湿-碳协调控制空调系统，包括装有蒸发器和冷凝器的制冷/制热系统和能使部分回风与新风相结合并加之循环利用的室内风循环系统；所述室内风循环系统与能够对新回混合风进行除湿、捕碳和净化的溶液循环系统相连接，所述溶液循环系统中设有与蒸发器相关联的吸收器和与冷凝器相关联的再生器，所述室内风循环系统中的室内排风出口与室外新风入口相贯通并与所述吸收器相连接。
优选的，为了能够对新回混合风进行净化处理，所述溶液循环系统中装有能够去除新回混合风中水蒸气、二氧化碳、细菌和尘土的复合溶液，所述复合溶液中包含吸湿剂和二氧化碳吸收剂。
优选的，为了能够实现二氧化碳的收集和储存，所述吸湿剂和二氧化碳吸收剂通过升温、降压等方式释放所吸收的水蒸气和二氧化碳实现再生。
优选的，为了能够对部分回风进行利用从而减少能耗，同时保障室内的氧气供应，所述室内风循环系统中依次设有室内回风口、能够排出部分室内风的排风出口和输入室外新风的新风风机。
优选的，为了能够控制外界热量的输送，所述蒸发器中还设有能够输送外界环境热源为自身补充热量的换热盘管，所述换热盘管外设有环境热源截止阀。
优选的，为了能够控制外界冷量的输送，所述冷凝器中还设有能够输送外界环境冷源为自身补充冷量的换热盘管，所述换热盘管外设有环境冷源截止阀。
优选的，为了能够对溶液进行热量交换，所述溶液循环系统中还设有溶液回热器。
优选的，为了能够让溶液冷却后再进入吸收器，所述溶液循环系统中还设有能够通过载冷工质与蒸发器进行热量交换并与吸收器相连接的溶液冷却换热器。
优选的，为了能够让溶液加热后再进入再生器，所述溶液循环系统中还设有能够通过载热工质与冷凝器进行热量交换并与再生器相连接的溶液加热换热器。
优选的，为了能够将再生器里的二氧化碳和水蒸气排出，所述溶液循环系统中还设有再生风机。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：(1)室内风循环系统与溶液循环系统有效地结合，增加回风比例减少新风能耗，且制冷/制热系统与溶液循环系统间也进行结合，热和湿负荷分开处理，可进一步减少了空调的能耗；(2)有效控制室内二氧化碳浓度，去除回风中的颗粒物、挥发性物质、霉菌、细菌、气味等杂质，改善室内热舒适性，提高室内空气质量；(3)溶液系统由制冷/制热系统驱动，湿负荷处理和二氧化碳处理共用同一套系统，一体化实现室内控温、除湿、捕碳、除菌、除尘，不仅可以简化系统、节省成本，还有利于系统集成设计、节省室内空间；(4)还能实现对室内空气中的二氧化碳进行捕集，解决传统直接空气碳捕集系统经济性低的问题，为某些经济化学品、燃料和建筑材料合成提供可再生碳源，有效助力建筑碳中和目标的实现。
附图说明
图1为本发明的热-湿-碳协调控制空调系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1所示，本发明所述的热-湿-碳协调控制空调系统，包括室内风循环系统、制冷/制热系统和溶液循环系统。
室内风循环系统依次设置室内回风A1出口、室内回风排风A2出口、室外新风A3入口、吸收器102、回风风机103、过滤器104和室内回风A6入口，室内回风A1出口经室内回风排风A2出口、室外新风A3入口与吸收器102风路入口连接，吸收器102风路出口与回风风机103入口连接，回风风机103出口与过滤器104入口连接，过滤器104出口与室内回风A6入口连接，室外新风A3入口处设置新风风机101。
制冷/制热系统包括蒸发器201、压缩机202、冷凝器器203和节流阀204，蒸发器201和冷凝器203内分别设置三个换热盘管，分别为蒸发器第一盘管201a、蒸发器第二盘管201b、蒸发器第三盘管201c和冷凝器第一盘管203a、冷凝器第二盘管203b、冷凝器第三盘管203c，盘管外为制冷剂侧通道，蒸发器201制冷剂侧出口与压缩机202入口连接，压缩机202出口与冷凝器203制冷剂侧入口连接，冷凝器203制冷剂侧出口与节流阀204入口连接，节流阀204出口与蒸发器201制冷剂侧入口连接。空调末端换热器301、供冷/热循环泵302、第一截止阀303、第二截止阀304、第三截止阀305、第四截止阀306、溶液冷却循环泵307和溶液加热循环泵308，空调末端换热器301出口与供冷/热循环泵302进口连接，供冷/热循环泵302出口分为成两个支路，分别与蒸发器第一盘管201a和冷凝器第一盘管203a连接，蒸发器第一盘管201a和冷凝器第一盘管203a出口的两个支路汇合与空调末端换热器301入口连接，与空调末端换热器301进出口连接的四个支路分别设置第一截止阀303、第二截止阀304、第三截止阀305、第四截止阀306；蒸发器201设置蒸发器第二盘管201b，蒸发器第二盘管201b进出口依次与溶液冷却循环泵307和溶液冷却器402连接；蒸发器201设置蒸发器第三盘管201c，蒸发器第三盘管201c进出口与环境热源连接，其入口设置环境热源截止阀309；冷凝器203设置冷凝器第二盘管203b，冷凝器第二盘管203b进出口依次与溶液加热循环泵308和溶液加热换热器405连接；冷凝器203设置冷凝器第三盘管203c，冷凝器第三盘管203c进出口与环境冷源连接，其入口设置环境冷源截止阀310。
溶液循环系统包括吸收器102、吸收器侧溶液泵401、溶液冷却换热器402、溶液回热器403、再生器侧溶液泵404、溶液加热换热器405、再生器406和再生风机407；吸收器102溶液侧出口与吸收侧溶液泵401入口连接，吸收侧溶液泵401出口分成两个支路，其中一个支路与溶液回热器403低温侧入口连接，另一个支路与溶液回热器403高温侧出口汇合后与溶液冷却换热器402入口连接，溶液冷却换热器402出口与吸收器102溶液侧入口连接。再生器406溶液侧出口与再生侧溶液泵404入口连接，再生侧溶液泵404出口分成两个支路，其中一个支路与溶液回热器403高温侧入口连接，另一个支路与溶液回热器403低温侧出口汇合后与溶液加热换热器405入口连接，溶液加热换热器405出口与再生器406溶液侧入口连接。在再生器406风路侧，室外空气A7入口经再生风机407与再生器406风路入口连接，再生器406风路出口处设置再生排风A8出口。
热-湿-碳协调控制空调系统的各个设备之间通过管道连接，根据系统需要，管道上还可以布置阀门、仪表等设备。系统中还可以包括辅助设施、电气系统、控制系统等。
制冷/制热系统中的循环工质为环保制冷剂，可以是R290、R410A和CO2等；充注的载冷/热工质，可以是水或乙二醇水溶液等。
溶液循环系统中的基础溶液是溶质为吸湿剂的除湿溶液，通过向其中添加二氧化碳吸收剂形成兼具吸湿性和二氧化碳吸收性的复合溶液，复合溶液为无毒、不易挥发、无气味的物质，可以是LiCl、LiBr、CaCl2、MgCl2等吸湿性无机盐，可以是二甘醇、三甘醇、丙二醇、甲酸钾等吸湿性有机物，可以是[Emim]OAc、[Hmim]Cl、[Dmim]BF4等吸湿性离子液体，也可以是上述溶质的混合物，溶剂可以是水也可以是其他不易挥发、无毒、无气味的溶剂。
过滤器104可加装多个功能不同、可拆卸更换的填料层，填料层包括但不限于用于回风液滴去除的填料，如波纹板、丝网等材料。
为了进一步了解本发明的技术方案，下面是本发明的具体运行方法。
在室内风循环系统中，来自室内的回风A1一部分排向室外A2，来自室外的新风A3经新风风机101与室内剩余部分回风混合后形成的新回混合风A4被送入吸收器102；在吸收器102中，新回混合风A4中的水蒸气、颗粒物、挥发性有机物、霉菌、细菌、气味等经溶液洗涤后被去除；在吸收器102风路出口，经第一次处理回风A5经回风风机103被送入过滤器104去除其中可能蕴含的细小液滴，然后该经第二次处理回风A6被送回室内；室内回风排风A2风量与来自室外的新风A3风量相同，该风量可由新风风机A3控制，由室内人员氧气消耗量确定；
在制冷/制热系统中，制冷剂液体在蒸发器201中蒸发吸热，产生的制冷剂蒸气经压缩机202加压后送入冷凝器203冷凝放热，产生的制冷剂液体经节流阀204降压后回到蒸发器201，在不同季节有不同的模式：
(a)夏季模式：此时室内需要制冷，蒸发器第一盘管201a进出口第三截止阀305、第四截止阀306开启，冷凝器第一盘管203a进出口第一截止阀303、第二截止阀304关闭，载冷工质经供冷循环泵302送入蒸发器第一盘管201a，在盘管外蒸发的制冷剂液体从载冷工质内吸收热量，经冷却后的载冷工质被送入室内空调末端换热器301从室内吸收热量，从而实现对室内制冷；
(b)冬季模式：此时室内需要制热，冷凝器第一盘管203a进出口第一截止阀303、第二截止阀304开启，蒸发器第一盘管201a进出口第三截止阀305、第四截止阀306关闭，载热工质经供热循环泵302送入冷凝器第一盘管203a，在盘管外冷凝的制冷剂气体向载热工质释放热量，经加热后的载热工质被送入室内空调末端换热器301向室内释放热量，从而实现对室内制热；
(c)过渡季节模式：此时室内既不需要制冷也不需要制热，蒸发器第一盘管201a进出口第三截止阀305、第四截止阀306和冷凝器第一盘管203a进出口第一截止阀303、第二截止阀304均关闭，此时室内空调末端换热器301不工作；
在溶液循环系统中，较浓溶液从吸收器102顶部喷淋而下，在吸收了新回混合风A4中的水蒸气等物质后变成稀溶液从吸收器102底部溶液出口流出，稀溶液经吸收器侧溶液泵401后分为两个支路，其中一个支路的稀溶液被送入溶液回热器403低温侧与来自再生器406的浓溶液换热，另一个支路的稀溶液在与溶液回热器403高温侧出口浓溶液混合后形成较浓溶液，较浓溶液在溶液冷却换热器402中被冷却后送入吸收器102；溶液冷却换热器402另一侧的载冷工质在吸收了较浓溶液的热量后被送入蒸发器第二盘管201b，在被蒸发的制冷剂吸收热量后经溶液冷却循环泵307送入溶液冷却换热器402继续冷却较浓溶液；较稀溶液从再生器406顶部喷淋而下，在被经再生风机407进入再生器406的室外空气A7带走水蒸气等物质后再生成浓溶液，然后经再生侧溶液泵404后分为两个支路，其中一个支路的浓溶液被送入溶液回热器403高温侧与来自吸收器102的稀溶液换热，另一个支路的浓溶液在与溶液回热器403低温侧出口稀溶液混合后形成较稀溶液，较稀溶液在溶液加热换热器405中被加热后送入再生器406；溶液加热换热器405另一侧的载热工质在向较稀溶液释放热量后被送入冷凝器第二盘管203b，在从冷凝的制冷剂吸收热量后经溶液加热循环泵308送入溶液加热换热器405继续加热较稀溶液；可以通过调节吸收器侧溶液泵401出口和再生器侧溶液泵404出口溶液回流流量，减少吸收器102和再生器406之间的高低温溶液交换量，从而减少溶液的冷热掺混损失，减少溶液冷却和加热能耗，提高系统循环效率。
当系统处于夏季模式时，室内需要制冷，为了满足室内的制冷需求，热泵系统蒸发器201中制冷剂吸收的热量是室内显热负荷与溶液冷却热负荷，而热泵系统通过冷凝器203向外释放的热量只有溶液加热负荷部分，仍有大部分热量没有释放，可能会导致冷凝器中的制冷剂不能充分冷凝，影响冷凝器的换热效果，所以环境冷源截止阀310开启，环境热源截止阀309关闭，环境冷源通过冷凝器第三盘管203c为制冷剂冷凝提供额外冷量；同理，当系统处于冬季模式时，环境热源截止阀309开启，环境冷源截止阀310关闭，环境热源通过蒸发器第三盘管201c为制冷剂蒸发提供额外热量；当系统处于过渡季节模式时，环境冷源截止阀310和环境热源截止阀309根据实际运行工况开启或关闭；若蒸发器第二盘管201b所提供的热量不足够制冷剂蒸发所需，则环境热源截止阀309开启，环境冷源截止阀310关闭，环境热源通过蒸发器第三盘管201c为制冷剂蒸发提供额外热量；若冷凝器第二盘管203b所提供的冷量不足够制冷剂冷凝所需，则环境冷源截止阀310开启，环境热源截止阀309关闭，环境冷源通过冷凝器第三盘管203c为制冷剂冷凝提供额外冷量。
本发明为了对室内回风中的二氧化碳进行捕集，在溶液循环系统的溶液中添加二氧化碳吸收剂，二氧化碳吸收剂是对二氧化碳具有吸收性、不与上述吸湿性溶液中的溶质和溶剂发生反应且无毒、不易挥发、无气味的物质，可以是[Bmin][acetate]、[DETAH][AHA]、[DETAH][Tz]等离子液体、可以是KOH、NaOH、LiOH等碱性氢氧化物，可以是K2CO2、Na2CO2、Li2CO2等碳酸盐，也可以是上述物质的混合物。此外某些二氧化碳吸收剂同时也具备一定的吸湿性、某些除湿剂同时也具备一定的二氧化碳吸收性，考虑到能够对溶液吸湿性和吸碳性的可调，以实现可对不同状态回风的处理，本发明采用除湿剂和二氧化碳吸收剂混合的复合溶液，但部分或全部采用具有二氧化碳吸收性的除湿剂或具有吸湿性的二氧化碳吸收剂均落入本发明的保护范围内。新回混合风A4在吸收器102中与除湿和除碳复合溶液接触，其中的水蒸气(湿负荷)、二氧化碳(碳负荷)等物质被复合溶液吸收，该经第一次处理回风A5经回风风机103送入过滤器104，在其中可能蕴含的细小液滴被填料取出后，经第二次处理回风A6被送入室内；吸收了水蒸气和二氧化碳的复合溶液经溶液回热器403送入再生器406，室外空气A7经再生风机407被送入再生器406将复合溶液中的水蒸气和二氧化碳等物质带走实现复合溶液再生；再生器排风A8中蕴含的二氧化碳后续通过吸收式或吸附式二氧化碳捕集循环实现收集、分离和储存；由于此时再生器排风A8中含有大量水蒸气，为了避免凝结水对碳捕集过程的影响，可以在对再生器排风A8进行碳捕集前先用环境冷源对该排风中的水蒸气进行冷凝干燥。
其实对于二氧化碳的捕集也存在另一种捕集方案，在过滤器104中也可加装负载二氧化碳吸附剂的可拆卸更换的填料层，二氧化碳吸附剂可以是沸石、活性炭、金属有机框架、多孔二氧化硅、混合超微孔材料、混合金属氧化物等材料。
本发明通过对回风中污染物(二氧化碳、颗粒物、细菌等)去除，实现新风风量减少、回风比例增加，从而减少处理新风显热和潜热负荷的能耗。此外通过将制冷/制热系统和溶液循环系统有机结合，实现室内热负荷和湿负荷独立处理，可以进一步减少室内空调能耗。本系统不仅可以有效降低空调能耗，还能提高室内热舒适性、改善室内空气质量。湿负荷处理和二氧化碳处理共用同一套溶液循环系统，可以简化系统，节省成本，还可以实现连续运行，此外可以避免不同功能多套空调系统的机械叠加，有利于大规模、集成化的空调系统设计，减少室内空间占用。此外，由于室内空气中的二氧化碳浓度一般高于室外，而且室内空调系统对室内二氧化碳浓度有要求，因此本发明还能将直接空气捕集技术和室内空调系统有机结合，实现对室内空气中二氧化碳的捕集，不仅可以改善室内空气品质，保证室内人员健康，还可以解决传统直接空气碳捕集系统经济性低的问题，捕集到的二氧化碳还能够为未来有价值化学品合成提供可再生碳源，有效助力建筑碳中和目标的实现。由此可见，本系统在室内空气调节领域有很大的应用潜力。
上述具体实施方式，仅为说明本发明的技术构思和结构特征，目的在于让熟悉此项技术的相关人士能够据以实施，但以上内容并不限制本发明的保护范围，凡是依据本发明的精神实质所作的任何等效变化或修饰，均应落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种热-湿-碳协调控制空调系统，包括装有蒸发器(201)和冷凝器(203)的制冷/制热系统和能使部分回风与新风相结合并加之循环利用的室内风循环系统；其特征在于：所述室内风循环系统与能够对新回混合风进行除湿、捕碳和净化的溶液循环系统相连接，所述溶液循环系统中设有与蒸发器(201)相关联的吸收器(102)和与冷凝器(203)相关联的再生器(406)，所述室内风循环系统中的室内排风出口与室外新风入口相贯通并与所述吸收器(102)相连接。
2.根据权利要求1所述的热-湿-碳协调控制空调系统，其特征在于：所述溶液循环系统中装有能够去除新回混合风中水蒸气、二氧化碳、细菌和尘土的复合溶液，所述复合溶液中包含吸湿剂和二氧化碳吸收剂。
3.根据权利要求2所述的热-湿-碳协调控制空调系统，其特征在于：所述吸湿剂和二氧化碳吸收剂通过升温、降压等方式释放所吸收的水蒸气和二氧化碳实现再生。
4.根据权利要求1所述的热-湿-碳协调控制空调系统，其特征在于：所述室内风循环系统中依次设有室内回风口、能够排出部分室内风的排风出口和能够输入室外新风的新风风机(101)。
5.根据权利要求1所述的热-湿-碳协调控制空调系统，其特征在于：所述蒸发器(201)中还设有能够输送外界环境热源为自身补充热量的换热盘管，所述换热盘管外设有环境热源截止阀(309)。
6.根据权利要求1所述的热-湿-碳协调控制空调系统，其特征在于：所述冷凝器(203)中还设有能够输送外界环境冷源为自身补充冷量的换热盘管，所述换热盘管外设有环境冷源截止阀(310)。
7.根据权利要求1所述的热-湿-碳协调控制空调系统，其特征在于：所述溶液循环系统中还设有能够对溶液进行热量交换的溶液回热器(403)。
8.根据权利要求1所述的热-湿-碳协调控制空调系统，其特征在于：所述溶液循环系统中还设有能够通过载冷工质与蒸发器(201)进行热量交换并与吸收器(102)相连接的实现溶液冷却的溶液冷却换热器(402)。
9.根据权利要求1所述的热-湿-碳协调控制空调系统，其特征在于：所述溶液循环系统中还设有能够通过载热工质与冷凝器(203)进行热量交换并与再生器(406)相连接的实现溶液加热的溶液加热换热器(405)。
10.根据权利要求1所述的热-湿-碳协调控制空调系统，其特征在于：所述溶液循环系统中还设有能够将再生器(406)里的二氧化碳和水蒸气排出的再生风机(407)。
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