KR100506488B1 - 지열을 이용한 히트펌프시스템 및 그 제어장치 - Google Patents

지열을 이용한 히트펌프시스템 및 그 제어장치 Download PDF

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KR100506488B1 KR1020050013943A KR20050013943A KR100506488B1 KR 100506488 B1 KR100506488 B1 KR 100506488B1 KR 1020050013943 A KR1020050013943 A KR 1020050013943A KR 20050013943 A KR20050013943 A KR 20050013943A KR 100506488 B1 KR100506488 B1 KR 100506488B1
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최재상
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Abstract

본 발명은 지열을 이용한 히트펌프시스템 및 그 제어장치에 관한 것으로, 본 발명은 특히 지열교환기, 지열순환펌프 및 히트펌프를 유닛화하여 구성함으로서 부하에 따른 지열 히트펌프시스템을 순차 제어 및 댓수 제어를 할 수 있게 하고, 각각의 유닛화된 장치에 맞는 컨트롤러를 장착하고 유닛트 컨트롤러 내부에 에너지 측정에 따른 에너지 소모량 및 에너지 비용 프로그램을 설치하여 컨트롤러 외부에 이를 디스플레이 할 수 있는 지열을 이용한 히트펌프시스템에 관한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 지열을 이용한 히트펌프시스템은
냉매를 이용해 고온의 열원을 저온으로 전달하거나 저온의 열원을 고온으로 전달하는 다수개의 히트펌프(30);와
지열을 흡수 또는 지중으로 열을 방출하기 위한 지열교환기(10);와
상기 히트펌프와 상기 지열교환기를 연결하는 파이프 내의 지열수를 원활하게 유통시키는 지열순환펌프(20)를 포함하여 이루어진 지열을 이용한 히트펌프시스템에 있어서,
상기 지열교환기(10), 지열순환펌프(20) 및 히트펌프(30)를 하나의 시스템으로 구성한 N개의 유닛으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명은 지열교환기, 지열순환펌프 및 히트펌프를 하나의 시스템으로 구성한 N개의 유닛으로 구성함으로서 부하에 따른 지열순환펌프를 순차적으로 제어할 수 있음과 더불어 댓수를 제어할 수 있게 하여 궁극적으로는 에너지를 절감하게 할 수 있고,
N개의 유닛으로 이루어진 히트펌프시스템을 제어하는 N개의 컨트롤러를 설치하여 유닛별 온도 및 전류 등을 감시함과 동시에 히트펌프시스템에 이상현상(동파현상, 컴프레셔에 이상현상) 발생시 경고할 수 있고, 각 장비를 유닛별로 기동정지 할 수 있게 하고, 유닛별로 제어함과 동시에 여름, 겨울철 절환운전을 용이하게 할 수 있다.
상기 컨트롤러 외부에 에너지 소모량 및 에너지 비용등을 표시할 수 있는 표시기를 설치하여 지열을 이용한 히트펌프 시스템의 신뢰성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 시스템을 쓰레기 매립장에 설치함으로서, 초기 설치투자비를 획기적으로 감소시켜 경제적이고 높은 지열을 이용함으로 히트펌프의 효율을 높일 수 있다.

Description

지열을 이용한 히트펌프시스템 및 그 제어장치{HEAT PUMP SYSTEM USING GEOTHERMAL ENERGY AND CONTROLLING APPARATUS}
본 발명은 히트펌프를 이용한 지열냉난방시스템에 관한 것으로, 본 발명은 특히 지열교환기, 지열순환펌프 및 히트펌프를 유닛화하여 구성함으로서 부하에 따른 지열 히트펌프시스템을 순차 제어 및 댓수 제어를 할 수 있게 하고, 각각의 유닛화된 장치에 맞는 컨트롤러를 장착하고 유닛트 컨트롤러 내부에 에너지 측정에 따른 에너지 소모량 및 에너지 비용 프로그램을 설치하여 컨트롤러 외부에 이를 디스플레이 할 수 있는 지열을 이용한 히트펌프시스템에 관한 것이다.
지열을 에너지원으로 하는 히트펌프를 이용한 지열냉난방시스템에 관한 기술은 다음과 같이 공개되어 있다.
대한민국 공개특허2000-63299호에 공개된 냉난방 열교환 시스템은 지열을 이용한 냉난방 열교환 시스템에 있어서, 대지 내에 포함된 지열과 지하수 또는 개방된 수역에 존재하는 일정한 온도의 지열을 순환시키는 지열교환기와; 상기 지열교환기에 의해 지상으로 끌어올려진 지열을 순환시키는 냉방사이클 및 난방사이클과; 상기 난방사이클과 연설되어 실내의 온수를 가열하는 실내용 온수사이클을 포함하여 이루어진다.
또한, 대한민국 공개특허2004-106826호에 공개된 지열 및 폐열을 이용한 히트펌프시스템은 폐열을 갖는 생활배수를 저장하는 폐수조로부터 폐열회수 열교환기를 통하여 회수한 폐열을 급탕용 히트펌프의 증발기에서 열원으로 사용하고 히트펌프의 컴프레셔에서 온열을 생산하여 급탕을 공급하게 한 폐열 회수부와; 지중에 매설된 다수개의 지열교환 파이프를 구비하여 난방시 이 지열교환 파이프로부터의 지열을 냉난방용 히트펌프 증발기의 열원으로 사용하고 히트펌프의 컴프레셔에서 생산한 온수를 공급하게 하며, 냉방시 냉난방용 히트펌프에서 발생되는 컴프레셔의 배열을 이 지열교환 파이프를 통하여 지중으로 배출하게 한 지열 교환부와; 상기 폐열 회수부의 급탕용 히트펌프 증발기의 입구측 및 상기 지열 교환부의 냉난방용 히트펌프 증발기의 입구측에 연결된 제1삼방밸브와; 상기 폐열 회수부의 급탕용 히트펌프 증발기의 출구측 및 상기 지열 교환부의 냉난방 히트펌프 증발기의 출구측에 연결된 제2삼방밸브;를 구비하여 상기 지열 교환부의 지열교환 파이프로부터의 지열 또는 냉난방 히트펌프 컴프레셔로부터의 배열을 상기 제1 및 제2 삼방밸브들을 통해 상기 폐열 회수부의 급탕용 히트펌프 증발기의 열원으로 더 사용하게 하여 안정된 온도의 급탕을 공급할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 구성이다.
상기한 특허의 경우에는 수동으로 운전되고 있으며 자동운전도 히트펌프 자체의 운전조건에 따른 운전 혹은 원격운전으로 운전 중에서 부하에 따른 운전을 하고 있지 못하는 구성으로서 에너지 낭비가 많은 문제점을 가지고 있다.
또한, 일반적으로 히트펌프는 냉동톤이 30-40RT 이상이 되는 용량이 없어 몇 개의 히트펌프를 사용하여 필요한 냉동톤에 맞추어 사용하고 있는 실정이고, 이 경우에 사용되는 히트펌프 시스템은 도 1에 도시된 바와 같다.
도 1에는 여러 개의 히트펌프 시스템을 하나의 지열순환펌프를 사용상태를 도시하고 있고, 이 경우에는 부하에 따른 장비의 수차운전 및 댓수운전이 불가능할 뿐더러 상기 지열순환펌프는 부하량이 작은 경우에도 일정한 전기 용량으로 지열순환펌프를 사용하여야 하므로 에너지 소모가 많은 문제점과 지열순환펌프의 용량보다 큰 부하량이 걸릴 경우에 지열순환펌프가 손상되는 문제점을 가지고 있다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이 종래에는 다수개의 히트펌프시스템을 하나의 컨트롤러로 제어하므로 각 유닛별 온도, 전류 등을 감시할 수 없는 문제점이 있고, 동파가 발생할 경우 및 컴프레셔에 문제점이 발생하는 경우에 어느 유닛에서 이상현상이 발생했는지 경고 기능을 할 수 없는 문제점이 있었고, 각 유닛별로 기동정지를 할 수 없는 문제점과, 여름겨울 절환운전을 하기에 부적합한 문제점을 지니고 있음과 더불어 여러개의 히트펌프시스템을 하나의 컨트롤러로 제어하기 때문에 배관이 복잡하여 컨트롤러에 이상이 생긴 경우 수리에 상당한 시간이 소요되는 문제점을 지니고 있다.
또한, 종래에는 지열을 이용한 히트펌프시스템에서 에너지 측정에 따른 에너지 소모량 및 에너지 비용을 디스플레이할 수 있는 표시장치가 구비되어 있지 않아
소비자가 에너지 사용량을 계산하기 위하여는 복잡한 단계의 계산을 통하여야만 하므로 시스템의 신뢰성을 확보하는데 어려운 문제점을 지니고 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 제1목적은 지열교환기, 지열순환펌프 및 히트펌프를 유닛화하여 구성한 지열을 이용한 히트펌프시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 제2목적은 유닛화된 히트프시스템 각각에 맞는 컨트롤러가 구비된 지열을 이용한 히트펌프시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 제3목적은 에너지 사용량을 측정할 수 있는 표시기가 구비된 지열을 이용한 히트펌프시스템을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위한 것으로, 본 발명은 냉매를 이용해 고온의 열원을 저온으로 전달하거나 저온의 열원을 고온으로 전달하는 다수개의 히트펌프;와
지열을 흡수 또는 지중으로 열을 방출하기 위한 지열교환기;와
상기 히트펌프와 상기 지열교환기를 연결하는 파이프 내의 냉매를 원활하게 유통시키는 지열순환펌프를 포함하여 이루어진 지열을 이용한 히트펌프시스템에 있어서,
상기 지열교환기, 지열순환펌프 및 히트펌프를 하나의 시스템으로 구성한 N개의 유닛으로 이루어진다.
또한, 본 발명은 상기 유닛에 각 유닛을 유닛별로 제어할 수 있는 N 개의 컨트롤러가 설치된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 컨트롤러 내부에 에너지 소모량 및 에너지 비용을 측정할 수 있는 측정기를 구비한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 측정기에 나타난 수치를 디스플레이할 수 있도록 컨트롤러 외부에 엘시디가 더 마련된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 상기 지열교환기는 쓰레기 매립장에 매설되어 25-40℃ 내에서 열교환되는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명을 첨부된 도 2 내지 3을 참고하여 상세히 설명한다.
본 발명의 대상이 되는 시스템은 지하에 있는 열에너지를 이용할 수 있는 것이면 모두 적용되나, 본 발명의 일실시예에서는 쓰레기 매립장에 버려지는 폐열을 이용한 것에 한정하여 설명한다.
도 2 는 본 발명에 의한 지열을 이용한 히트펌프시스템의 실시도이고, 도 3은 도 2에 도시된 히트펌프시스템을 이용한 전체적인 개념도이다.
도2에서 도시한 바와 같이 본 발명은 냉매를 이용해 고온의 열원을 저온으로 전달하거나 저온의 열원을 고온으로 전달하는 다수개의 히트펌프(30); 지열을 흡수 또는 지중으로 열을 방출하기 위한 지열교환기(10); 상기 히트펌프(30)와 상기 지열교환기(10)를 연결하는 파이프(11) 내의 냉매를 원활하게 유통시키는 지열순환펌프(20)를 하나의 시스템으로 구성한 N개의 유닛; 상기 유닛에는 각 유닛을 유닛별로 제어할 수 있고, 내부에 에너지 소모량 및 에너지 비용을 측정할 수 있는 측정기가 설치된 N 개의 컨트롤러(40); 상기 측정기에 나타난 것을 외부로 전시할 수 있는 엘씨디(60); 및 상기 컨트롤러(40)를 중앙에서 제어하는 메인 컴퓨터(50)를 포함하여 이루어진다.
상기 히트펌프(30)는 응축기(32), 컴프레셔(34), 팽창밸브(36) 등으로 구성되어 있고, 지열수가 지열교환기(10)를 통해 지열을 흡수하여 히트펌프(30)로 유입되면 히트펌프(30)에서 냉매가 흡수한 지열을 열원으로 하여 상기 히트펌프(30)와 연결되어 있는 냉난방부(70)를 통해 냉난방 기능, 급탕기능 및 침출수 처리공정의 가온용으로 활용한다.
상기 지열교환기(10)는 쓰레기 매립장에 설치되며, 상기 지열교환기(10)는 냉매의 유통경로가 되는 파이프(11)가 지중에 매설되어 있는 것으로서 그 형태는 코일형태, U자형 등 다양한 형태로 제작될 수 있으며 설치방식도 쓰레기 매립장에 수직 또는 수평하게 설치할 수 있다.
상기 지열순환펌프(20)는 히트펌프(30)와 지열교환기(10)를 연결하는 파이프(11) 내의 냉매의 흐름을 원활하게 한다.
쓰레기 매립장의 바닥지면은 평균온도가 15℃정도이나 그 상부는 쓰레기의 분해열로 평균온도가 25℃ 이상이어서 파이프내에 있는 5℃~10℃의 지열수는 지열교환기를 통과하면서 지열을 흡수하여 20℃~25℃의 냉매로 되어 지열 순환펌프를 통해 순환펌프로 들어가고, 상기 순환펌프는 컴프레셔를 거치면서 쓰레기 매립장에서 취출한 고온의 온도를 전달하고, 팽창밸브를 거치게 된다. 상기 팽창밸브는 쓰로틀 밸브 또는 모세관이 사용될 수 있다.
쓰레기 매립장은 쓰레기의 분해과정에서 발생하는 열로 인하여 지중열이 평균 25℃ 이상에 달한다. 이는 보통 지중열이 평균 15℃인 것에 비하면 상당히 높은 온도로서, 지열시스템은 지중과 파이프내의 냉매와의 열교환 방식에 의해 에너지를 얻는 방식이므로 온도차가 클수록 효율은 커진다.
또한, 쓰레기 매립장은 지열교환기를 지하 깊이 매설할 필요가 없고 천공과정 없이도 지열교환기의 설치가 가능하므로 초기 설치투자비가 획기적으로 감소하므로 경제적이다.
본 발명에서는 유닛을 다수개를 설치하여 각각의 유닛이 냉난방부(70)에 필요한 열원을 모두 각각 제공할 수도 있지만, 냉난방부(70)의 급탕기능과 냉난방기능을 분리하여 각각의 히트펌프가 이를 전담하게 할 수도 있으며, 또한 침출수 처리공정의 가온을 전담하게 할 수도 있다.
상기 냉난방부(70)는 냉매의 순환을 원활히 하기 위한 순환펌프, 실내 냉난방을 위한 순환펌프, 실내 냉난방을 위한 냉온수탱크, 샤워 및 온수제공을 위한 급탕탱크 등으로 구성할 수 있다.
일반적으로 수요자가 원하는 냉동톤을 얻기 위하여는 대개 여러개의 히트펌프를 사용하는 것이 일반적인바, 종래에는 여러개의 히트펌프시스템을 하나로 보고 지열순환펌프를 하나 설치하고, 시스템을 콘트롤러 하나로 제어하였지만,
본 발명에서는 다수개의 히트펌프(30); 지열을 흡수 또는 지중으로 열을 방출하기 위한 지열교환기(10); 상기 히트펌프(30)와 상기 지열교환기(10)를 연결하는 파이프(11) 내의 지열수를 원활하게 유통시키는 지열순환펌프(20)를 하나의 시스템으로 구성한 N개의 유닛으로 구성하는 것이 핵심이다.
또한, 본 발명에서는 상술한 바와 같이 상기 유닛을 제어할 수 있는 컨트롤러(40)를 유닛마다 설치를 하는데, 상기와 같이 각 유닛별로 컨트롤러(40)를 설치함으로서 부하에 따른 장비의 순차 및 댓수를 제어 할 수 있다.
댓수제어라 함은 소정의 냉동톤에 도달하기 위하여 작동되어야 하는 유닛수를 제어를 하는 것을 말하며, 순차제어라 함은 소정의 냉동톤을 얻고자 할 경우에 제1유닛이 작동하고, 수차제어라 함은 상기 댓수제어로 소망하는 냉동톤을 달성하고, 시스템이 종료된 후 다시 시스템을 작동시켜야 하는 경우 종전에 작동한 유닛 이후의 유닛을 순차적으로 작동하게 하는 것을 말한다.
상기 순차제어 및 댓수제어에 대한 순서도는 도 4에 도시되어 있는 바, 본 발명에 의한 순차제어 및 댓수제어는 다음과 같은 흐름에 의하여 얻어진다.
우선, 소망하는 냉동톤(X)이 입력되면(S1) 제1유닛이 작동하여(S2) 제1유닛에 의하여 발생되는 냉동톤(X1)이 발생된다.
상기 냉동톤(X1)과 소망하는 냉동톤(X)을 비교하는 단계를 거치게 된다.(S3) 상기 단계에서 제1유닛에 의하여 발생되는 냉동톤(X1)이 소망하는 냉동톤(X) 이상인 경우에는 더 이상의 제2유닛을 작동시키지 않고 제1유닛만 작동하게 되고, 제1유닛에 의하여 발생되는 냉동톤(X1)이 소망하는 냉동톤(X) 이하인 경우에는 제2유닛을 작동시키게 되고(S4), 이 단계에서는 냉동톤(X2)가 발생된다.
상기 제1유닛과 제2유닛으로부터 발생되는 냉동톤의 합과 소망하는 냉동톤을 비교단계를 거치게 된다.(S5)
제1유닛과 제2유닛으로부터 발생되는 냉동톤의 합(X1+X2)이 소망하는 냉동톤(X) 이상인 경우에는 제3유닛이 작동되지 않고, 제1유닛과 제2유닛만 작동하게 되고, 제1유닛과 제2유닛으로부터 발생되는 냉동톤의 합(X1+X2)이 소망하는 냉동톤(X) 이하인 경우에는 제3유닛이 작동하여, 위 과정을 반복하여 나간다.
종전의 지열을 이용한 히트펌프시스템에서는 하나의 지열순환펌프를 사용하여 소정의 냉동톤을 얻었으나, 이 경우 소정의 냉동톤에 부하가 미달할 경우에는 지열순환펌프와 히트펌프에서의 전력 손실이 있었고, 또하느 부하변동에 대해 지열순환펌프와 히트펌프 모두가 잦은 기동정지 때문에 기계적 고장의 원인을 제공하였으나, 본 발명에서는 지열순환펌프를 유닛개수 만큼 사용하여 유닛을 순차제어 함과 동시에 댓수제어를 할 수 있어 소망하는 냉동톤을 저렴한 비용으로 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 각 유닛과 컨트롤러는 통신라인으로 구성하는 것이 바람직한데, 상기와 같이 통신라인으로 구성함으로서 배관 배선을 획기적으로 줄일 수 있다.
종래에는 전체의 시스템을 하나의 컨트롤러로 제어하는 방식을 취하였으나, 각 유닛별로 컨트롤러를 설치함으로서 각 유닛별 온도 및 전류 등을 감시할 수 있고, 동파현상 및 컴프레셔 등에 문제가 생겼을 경우 경고를 할 수 있고, 각 장비별로 기동정지를 할 수 있고, 유닛별로 연동운전이 가능해지는 장점이 있다.
또한, 유닛에 설치된 컨트롤러에서 각 유닛별로 이상현상을 감지할 수 있어 유닛별로 수리가 가능하다.
상기 컨트롤러(40) 내부에는 에너지 측정에 따른 에너지 소모량 및 에너지 비용을 계산할 수 있는 프로그램을 내장시키고, 이 프로그램에 의하여 계산된 에너지 소모량 및 에너지 비용을 디스플레이 할 수 있는 엘씨디(70)를 컨트롤러(40) 외부에 설치하게 할 수 있다.
이상에서 본 발명을 설명함에 있어 첨부된 도면을 참조하여 특정 형상과 구조를 갖는 쓰레기 매립장을 활용한 지열시스템에 대해 설명하였으나 본 발명은 당업자에 의하여 다양한 변형 및 변경이 가능하고, 이러한 변형 및 변경은 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명은 지열교환기, 지열순환펌프 및 히트펌프를 하나의 유닛으로 하여 부하에 따른 지열순환펌프를 순차적으로 제어할 수 있음과 더불어 댓수를 제어할 수 있게 하여 궁극적으로는 에너지를 절감하게 할 수 있다.
또한, 본 발명은 N개의 유닛으로 이루어진 시스템을 제어하는 N개의 컨트롤러를 설치하여 유닛별 온도 및 전류 등을 감시함과 동시에 이상현상(동파현상, 컴프레셔에 이상현상) 발생시 경보를 발생시킬 수 있고, 각 장비를 유닛별로 기동정지 할 수 있게 하고, 유닛별로 제어됨으로서 여름, 겨울철 절환운전을 용이하게 할 수 있다.
또한, 상기 컨트롤러 외부에 에너지 소모량 및 에너지 비용등을 표시할 수 있는 표시기를 설치하여 지열을 이용한 히트펌프 시스템의 신뢰성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 시스템을 쓰레기 매립장에 설치함으로서, 초기 설치투자비를 획기적으로 감소시켜 경제적이고 높은 지열을 이용함으로 히트펌프의 효율을 높일 수 있다.
도 1 은 종래의 지열을 이용한 히트펌프시스템의 실시도.
도 2 는 본 발명에 의한 지열을 이용한 히트펌프시스템의 실시도.
도 3은 도 2에 도시된 히트펌프시스템을 이용한 전체적인 개념도.
도 4는 도 1 및 도 3에 의하여 제어되는 상태를 나타낸 개념도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10 : 지열교환기 11: 파이프
20: 지열순환펌프 30: 히트펌프
32: 응축기 34: 컴프레셔
36: 팽창밸브 40 : 컨트롤러
50 : 메인컴퓨터 60 : 엘씨디
70: 냉난방부

Claims (8)

  1. 삭제
  2. 냉매를 이용해 고온의 열원을 저온으로 전달하거나 저온의 열원을 고온으로 전달하는 다수개의 히트펌프;와
    지열을 흡수 또는 지중으로 열을 방출하기 위한 지열교환기;와
    상기 히트펌프와 상기 지열교환기를 연결하는 파이프 내의 지열수를 원활하게 유통시키는 지열순환펌프를 포함하여 이루어진 지열을 이용한 히트펌프시스템에 있어서,
    상기 지열교환기, 지열순환펌프 및 히트펌프를 하나의 시스템으로 구성한 N개의 유닛으로 이루어지고,
    상기 유닛 별 간에는 통신라인으로 구성되어 배관 배선을 줄일 수 있는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 히트펌프시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 유닛에는 각 유닛을 유닛별로 제어할 수 있는 N 개의 컨트롤러가 설치된 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 히트펌프시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 컨트롤러 내부에 에너지 소모량 및 에너지 비용을 측정할 수 있는 측정기를 구비한 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 히트펌프시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 측정기에 나타난 수치를 디스플레이할 수 있도록 컨트롤러 외부에 전시수단을 더 마련한 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 히트펌프시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전시수단은 엘씨디인 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 히트펌프시스템.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 지열교환기는 쓰레기 매립장에 매설되어 있는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 히트펌프시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 지열교환기는 25-40℃ 내에서 열교환되는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 히트펌프시스템.
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