KR100978800B1 - 히트펌프시스템의 보조열원공급장치 및 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 겨울철과 같은 추운 계절에 난방을 하는 경우 적용되는 히트펌프시스템의 보조열원공급장치 및 그 히트펌프시스템의 보조열원공급장치를 구동하기 위하여 사용하는 제어방법에 관한 것으로,

히트펌프를 중심으로 일측으로 냉온수 대류펌프 및 냉온수 순환펌프를 통하여 실내 냉난방기기에 연결되게 구성되고, 히트펌프의 중심으로 타측으로 순환펌프를 통하여 집수정 시스템과 연결된 히트펌프시스템에 있어서, 상기 히트펌프시스템의 집수정 시스템 및 순환펌프 사이에 보조열원시스템이 연결되게 구성하여 히트펌프시스템의 보조열원공급장치를 구성하며,

상기한 보조열원공급장치를 제어하기 위하여 난방모드로 히트펌프 구동시 순환펌프의 구동스텝을 수행한 후 보조열원순환펌프의 구동을 위하여 3방 밸브의 개도각을 판단하는 개도각 판단스텝과, 보조열원순환펌프의 구동시 현재온도 및 설정온도를 비교하여 3방 밸브를 개방하는 비교스텝과, 보조열원순환펌프의 구동시 센서온도 및 설정온도를 비교하여 3방 밸브를 폐쇄하는 비교스텝과, 상기 비교스텝 수행시 보조열원순환펌프를 차단 후 다시 상기 3방 밸브의 개도각을 판단하는 개도각 판단스텝으로 진행되게 하고 있다.

히트펌프, 보조열원장치, 집수정 시스템, 열교환기, 보조열원순환펌프, 3방 밸브, 온도센서

Description

히트펌프시스템의 보조열원공급장치 및 그 제어방법{An auxiliary Heat Source Equipment and the Control of Heat Pump System}

본 발명은 겨울철과 같이 추운 계절에 난방을 하는 경우 적용되는 히트펌프시스템의 보조열원공급장치 및 그 히트펌프시스템의 보조열원공급장치를 구동하기 위하여 사용하는 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 히트펌프 시스템은 증발기, 압축기, 응축기 및 팽창밸브 등으로 이루어진 냉동사이클을 통해 냉매를 액화와 기화를 반복하게 하고, 이와 연결된 주변기기를 통해 냉난방을 수행하게 된다.

즉, 히트펌프 시스템은 난방모드인 경우에는 압축기에서 고온, 고압의 상태로 압축된 냉매를 응축기에서 방열하면서 액화되고, 이때 응축기의 방열을 이용하여 난방 및 급탕이 이루어지며, 다시 팽창밸브에서 저온 저압의 액화 상태로 감압하여 증발기로 유입된다.

또한, 냉방모드인 경우 증발기에서 냉매가 열을 흡열하면서 증발되고, 이때 증발기의 흡열을 이용하여 냉방이 이루어지며, 증발된 냉매는 압축기로 다시 유입된다.

일반적으로 히트펌프는 열원(공기열원, 수열원, 지열원 등)에 따라 구분되며, 열원의 온도와 공급의 용이성, 열원의 특성에 따라 히트펌프 효율이 좌우된다. 폐열을 열원으로 이용하는 폐열원 히트펌프는 우수한 열원이나 폐열의 수처리가 필요하므로, 온도가 지나치게 높을 경우, 냉방에서는 불리하고, 난방에서는 추가 제어장치가 필요하다.

공기를 이용하는 공기열원 히트펌프는 제한 없이 사용이 가능하지만 외기 온도의 변화가 심하기 때문에 여름철 높은 외기 온도로 인해 냉방 효율이 감소되며,

특히 겨울철 난방시에는 생산열량과 효율이 급감하는 문제가 발생하게 되는데 반하여, 수온차에너지를 이용하는 히트펌프 시스템은 열원의 온도변화폭이 작음으로 공기열원 히트펌프 보다 냉난방에 이용에 있어 효율과 내구성에서 훨씬 뛰어나다.

그리고 지열원 형태인 지표열을 이용하는 지열 히트펌프 시스템은 크게 밀폐형 타입(closed type)과 개방형 타입(open type)으로 나뉘고, 집수정(또는 정수장)에서 취수한 원수 및 정수를 히트펌프의 열원으로 사용할 수도 있다.

이와 같이 정수장에서 취수한 원수 및 정수를 히트펌프의 열원으로 이용하는 경우 원수의 온도는 동절기 2℃ 이하, 하절기 24℃ 이상를 측정되고 있으며, 특히 동절기에 원수(열원수)의 온도가 낮아지면 히트펌프의 성능이 저하되는 문제점이 발생한다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로,

본 발명의 목적은 동절기에도 히트펌프의 성능과 신뢰성을 유지하시킬 수 있는 보조열원 공급장치 및 그 제어방법을 제공하고자 하는 것이다.

다른 목적은 보조열원 공급장치에서 공급되는 보조열원수와 집수정에서 공급되는 유입수의 혼합으로 일정한 온도의 열원을 공급할 수 있는 보조열원 공급 장치 및 그 제어방법을 제공하고자 하는 것이다.

또 다른 목적은 보조열원을 사용하는 히트펌프 시스템에 있어서 밀폐방식 및 개방방식이 모두 적용될 수 있는 보조열원 공급장치 및 그 제어방법을 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 히트펌프시스템의 보조열원공급장치는 히트펌프를 중심으로 일측으로 냉온수 대류펌프 및 냉온수 순환펌프를 통하여 실내 냉난방기기에 연결되게 구성되고, 히트펌프를 중심으로 타측으로 순환펌프를 통하여 집수정 시스템과 연결된 히트펌프시스템에 있어서, 상기 히트펌프시스템의 집수정 시스템 및 순환펌프 사이에 보조열원시스템이 연결되게 구성하여 실현되고,

상기한 그 보조열원 시스템은 저장식 보일러로 보조열원수를 공급하는 보조열원수순환펌프와, 상기 보조열원순환펌프에 연결되어 열교환을 행하는 열교환기 와, 상기 열교환기의 열원수 및 집수정 시스템의 원수가 각각 공급되는 3방 밸브와, 상기 3방 밸브를 통하여 연결되며, 열교환기의 열원수 및 집수정 시스템의 원수의 유입량을 제어하는 3방 밸브와 3방 밸브를 제어하기 위한 온도센서가 연결되게 구성한 것을 특징으로 한다.

상기한 집수정 시스템은 원수의 유입구 및 배출구가 형성된 집수정 내 격벽을 사용하여 유입수 저장조 및 유출수 저장조를 형성하고, 각각의 유입수 저장조 및 유출수 저장조 내부에 루즈번들형 열교환기가 장착되어 밀폐형 구조를 가지도록 구성한 것을 특징으로 하며,

또한 상기 집수정 시스템은 원수의 유입구 및 배출구가 형성된 집수정 내 격벽을 사용하여 유입수 저장조 및 유출수 저장조를 형성하고, 상기 유입수 저장조 내부에 원수 순환펌프를 장착한 후 2차 열교환기를 거쳐 유입수로 인입되게 구성하여 개방형 구조를 가지도록 구성할 수도 있다.

특히 상기 집수정시스템은 집수정. 착수정, 취수장, 하수처리장 혹은 정수장의 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 히트펌프시스템 보조열원공급장치의 제어방법은, 난방모드로 히트펌프 구동시 순환펌프의 구동스텝을 수행한 후 보조열원수순환펌프의 구동을 위하여 3방 밸브의 개도각을 판단하는 개도각 판단스텝과,

보조열원수순환펌프의 구동시 현재온도 및 설정온도를 비교하여 3방 밸브를 개방하는 비교스텝과,

보조열원수순환펌프의 구동시 현재온도 및 설정온도를 비교하여 3방 밸브를 폐쇄하는 비교스텝과,

상기 비교스텝 수행시 보조열원수순환펌프를 차단 후 다시 상기 3방 밸브의 개도각을 판단하는 개도각 판단스텝으로 이루어진 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명은 히트펌프 시스템을 사용하는 냉,난방 기기에서 겨울철 난방시 보조열원장치를 통하여 보조 열원이 공급되게 하여 히트펌프내로 공급되는 열원수의 온도를 설정온도 이상으로 유지하게 하여 히트펌프의 생산열량 및 효율을 증대시킬 수 있는 특징이 있으며,

특히 상기한 보조열원을 저장식 전기보일러를 사용하기 때문에 순간식의 보일러에 비하여 적은 용량으로도 동일한 효과를 기대할 수 있다.

그리고 온도센서와 3방 밸브를 사용하여 히트펌프에 공급되는 유입수의 온도가 일정하게 유지하여 히트펌프를 효율적으로 운전하는 동시에 안정적 운전 및 내구성을 향상시킬 수가 있으며, 개방형이나 밀폐형의 구조에 모두 적용할 수가 있는 효과가 있다.

그리고 상기한 집수정시스템은 집수정. 착수정, 취수장, 하수처리장 혹은 정수장 등에 그대로 적용힐 수가 있는 것으로 기타 열원으로 공급되는 장치는 모두 적용이 가능한 특징이 있다.

이하 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 히트펌프시스템의 보조열원 공급장치를 나타낸 배선도이다.

히트펌프(1)를 중심으로 일측으로 냉온수 대류펌프(2) 및 냉온수 순환펌프(3)를 통하여 실내 냉난방기기에 연결되게 구성되어 있으며, 냉온수 대류펌프(2) 및 냉온수 순환펌프(3) 사이에 완충탱크(4) 및 팽창탱크(5)가 연결되어 있다.

그리고 히트펌프(1)의 중심으로 타측으로 열원수순환펌프(6)를 통하여 집수정 시스템(10)과 연결된다.

이와 같은 구성된 일반적인 히트펌프시스템은 집수정 시스템(10)내의 원수와 히트펌프(1)가 열교환한 후 히트펌프(1)를 통하여 열교환된 열원을 냉온수 대류펌프(2) 및 냉온수 순환펌프(3)를 통하여 실내 냉난방기기에 공급하도록 되어 있다.

여기서 완충탱크(4)는 냉난방수를 연속적으로 공급하기 위하여 설치되어 있으며, 팽창탱크(5)는 온도에 따라 변화는 부피를 완충하기 위하여 설치되어 있다.

이와 같이 정수장에서 취수한 원수 및 정수를 히트펌프의 열원으로 이용하는 경우 원수의 온도는 동절기 2℃ 이하이며, 하절기 24℃ 이상를 유지하고 있으나, 특히 동절기 원수(열원수)의 온도가 낮아지면 히트펌프 생산열량 및 성능이 저하되는 문제점이 발생된다.

본 발명은 상기와 같은 동절기에도 히트펌프의 생산열량과 성능을 유지할 수 있는 보조열원 공급장치를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 상술한 일반적인 지열식 히트펌프시스템의 집수정 시스템(10) 및 열원수순환펌프(6)사이에 보조열원시스템(20)이 연결되게 구성한 것으로 보조열원시스템(20)은 저장식 보일러(7)가 보조열원수순환펌프(8) 통하여 열교환기(9)에서 열교환되게 구성하고, 3방 밸브(15)를 통하여 온도센서(T1)와 연결되게 구성한 것이다.

미설명 부호 16는 3방 밸브가 구동하지 아니하는 경우 원수의 통로를 제공하기 위한 바이패스 밸브이며, 상기 바이패스 밸브와 동일한 기호로 나타내고 밸브 들은 통로의 연결 및 차단을 위하여 구성시킨 것으로 이에 대한 설명은 생략한다.

그리고 상기한 집수정시스템(10)는 집수정. 착수정, 취수장, 하수처리장 혹은 정수장 등의 어느 하나로 형성될 수가 있으며, 기타 열원으로 공급되는 장치는 모두 적용이 가능하다.

여기서 3방 밸브(15)는 도 2와 같이 온도센서(T1)와 설정온도(Ts1)의 차가 0 ~ 5℃ 생기는 경우 상부밸브인 난방측 밸브가 개방각이 0% ~ 100%로 개방되도록 구성되어 있으며, 3방 밸브에서 난방측 밸브와 집수정시스템(10)측에 연결된 원수 유입밸브의 개방 각도는 서로 반대로 개방하도록 구성되어 있다.

여기서는 3방 밸브(15)를 설명하는 경우 편의를 위하여 주로 상부측의 난방측 밸브를 중심으로 기술한다.

이와 같이 구성된 보조열원시스템(20)은 하절기에는 구동되지 아니하고, 동절기 난방시스템으로 구동되며, 열원수의 일정한 온도를 유지하기 위해 보조열원공급장치와 연계운전을 수행한다.

즉, 동절기에 온도센서(T1)에서 온도를 감지하여 3방 밸브(15)의 개방각도를 조절하게 하여 히트펌프(1)에 유입되는 유입수의 온도를 조절하는 것으로 히트펌프(1)에 유입되는 유입수의 온도를 일정하게 유지할 수가 있다.

이는 온도센서(T1)에서 감지되고 설정된 온도에 따라 상기한 3방 밸브(15)에서 보조열원공급장치(7)를 통하여 공급되는 공급수 및 집수정시스템(10)을 통하여 공급되는 원수의 유입량을 조절하기 때문이다.

이와 같이 구동되는 제어방법을 도 3에 의하여 설명한다.

도 3는 본 발명 히트펌프시스템의 보조열원공급장치의 제어방법을 나타내는 플로우챠트이다.

즉, 스텝(S1)을 수행하는 난방모드 시에는 운전시작(S2 스텝)을 수행하고, 전원공급, 기타 정상상태 구동 등의 체크를 하고, 스텝(S3)을 수행하여 히트펌프(S3)를 구동시킨다.

히트펌프(S3) 구동 후 각 순환펌프(6)를 가동하여 히트펌프(1)내로 유입수가 순환되게 하고, 스텝(S4)을 수행하여 3방 밸브(15)가 개방되어있는지 여부를 판단한다. 3방 밸브(15)가 개방되지 아니한 상태에서 보조열원순환펌프(8)가 구동될 필요가 없기 때문이다.

스텝(S6)에서 3방 밸브(15)가 개방되어 있는 경우 스텝(S9)으로 진행되어 난방펌프(8)를 가동시키어 보일러(7)의 열원을 순환시키고 열교환기(9)에서 열교환된 열원이 3방 밸브(15)을 통하여 히트펌프(1)의 유입수로 공급되는 동시에 집수정 시스템(10)의 원수가 3방 밸브(15)를 통하여 유입되어 열원 및 원수가 혼합되어 온도 센서(T1)를 거쳐 흐르게 된다.

상술한 스텝(S2-S7)이 난방수 공급루틴(RT1)이 된다.

이와 같이 난방수 공급루틴(RT1)이 수행되면, 상술한 바와 같이 난방수로 공급되는 열원과 집수정 시스템(10)에서 공급되는 원수가 혼합되어 공급되는 것으로 이때에 그 혼합비는 스텝(S8-S14)으로 이루어지는 유입수 선택루틴(RT2)에서 결정된다.

즉, 비교스텝(S8)에서 현재온도(T1)와 설정온도(Ts1)를 비교하여 구동하게 설정온도 보다 현재온도가 적은 경우 스텝(S9)으로 진행하여 3방 밸브(15)를 개방하게 되고, 비교스텝(S10)에서 현재온도(T1)가 설정온도(Ts1) 보다 높을 때 까지 3방 밸브를 개방하고 (이는 난방측 밸브를 기준으로 설명), 스텝(S11)로 진행하여 설정온도(Ts1)가 더 높은 경우 3방 밸브를 폐쇄(S12)시키며, 3방 밸브가 전부 폐쇄될때 까지 진행한 후(S13) 난방펌프(S14)의 구동을 차단하여(S14) 난방수가 공급되는 것을 방지하고 이 경우 3방 밸브는 난방측 밸브를 기준으로 폐쇄되나 집수정 시스템(10)과 연결된 3방 밸브는 전부 개방된 상태로 원수가 유입하게 된다.

특히 본 발명에서는 스텝(S11)에서 현재온도(T1)가 설정온도(Ts1) 보다 낮은 경우 스텝(S15)으로 진행되어 3방 밸브의 구동을 정지시키고 있는 것으로 바로 전 스텝(S10)에서 현재온도(T1)가 설정온도(Ts1) 보다 높은 상태에서 낮아지는 상태에서는 3방 밸브의 개방각도가 그 상태를 유지하게 하고 있다.

이와 같이 본 발명은 난방모드시에 설정온도와 현재온도를 비교하여 집수정에서 공급되는 원수 및 보일러를 통하여 공급되는 열원의 유입수 양을 3방 밸브를 통하여 조절하여 히트펌프로 유입되게 하여 항상 일정온도 이상의 유입수가 공급되게 하여 히트펌프 시스템의 생산열량 및 성능을 유지할 수 있다.

특히 본 발명에서는 보조열원장치으로 저장식 전기보일러(7)를 사용하고 있어 순간식 보일러를 사용하는 방식에 비하여 저용량으로 충분한 열원을 공급할 수가 있으며, 히트펌프 시스템을 밀폐형 타입(closed type)과 개방형 타입 (open type)으로 구성하는 경우에도 모두 적용할 수가 있다.

도 4는 본 발명의 히트펌프 시스템이 밀폐형으로 구성되는 경우에 집수정시스템의 배관상태도이다.

즉, 원수의 유입구 및 배출구가 형성된 집수정(11)에는 격벽을 사용하여 유입수 저장조(14) 및 유출수 저장조(16)를 형성하고 있으며, 각각의 유입수 저장조(14) 및 유출수 저장조(16) 내부에 루즈번들형 열교환기(11a), (11b)를 장착하고 있다.

미설명 부호 14a는 팽창탱크이다.

그리고 유출수 저장조(16)내 레일을 통하여 상하로 이동되는 이송판(11c)을 구비하여 동절기에는 도면과 같이 차가운 배출수가 아래쪽 방향으로 흐르게 하고, 하절기에는 이송판(11c)을 하강시켜 더운 배출수가 위쪽 방향으로 흐르도록 구성되어 있다.

따라서 집수정(11)내에서 열교환된 루즈번들형 열교환기(11a),(11b)내 원수는 집수정내의 유수와는 별개로서 서로 밀폐된 상태를 유지하여 밀폐방식의 시스템을 구현할 수가 있으며, 상기 루즈번들형 열교환기(11a)을 통하여 열교환된 원수는 밸브(v1)를 통하여 유입수로 공급되고, 밸브(v2)를 통하여 회수되는 원수는 루즈번들형 열교환기(11b)에서 열교환이 되는 순환통로를 형성한다.

이와 같은 밀폐방식의 경우 집수정이 수리 등의 문제점이 발생되면 밸브(v1),(v2)를 폐쇄하고, 개방된 밸브(v3)를 통하여 보일러의 온수가 순환되게 하여 계속적으로 히트펌프를 구동할 수 있는 장점이 있다.

도 5는 본 발명의 히트펌프 시스템이 개방형으로 구성되는 경우에 집수정시스템의 배관상태도이다.

즉, 원수의 유입구 및 배출구가 형성된 집수정(11)에는 격벽을 사용하여 유입수 저장조(14) 및 유출수 저장조(16)를 형성하고, 상기 유입수 저장조(14)내 원수 순환펌프(P1),(P2)를 통하여 2차 열교환기(13)를 거쳐 유입수로 인입되게 구성되어 있다.

여기에서는 원수 순환펌프(P1),(P2)를 통하여 집수정의 원수가 그대로 유입되고 그 유입된 원수가 유출수 저장조(16) 측으로 환원되는 개방형 순환구조를 가자고 있다.

도 1은 본 발명의 히트펌프시스템의 보조열원 공급장치를 나타낸 배선도,

도 2는 본 발명의 히트펌프시스템의 보조열원 공급장치내 사용되는 3방 밸브의 개도각을 나타낸 그래프,

도 3은 본 발명 히트펌프시스템의 보조열원 공급장치가 구동되는 제어방법을 나타낸 플로우챠트,

도 4는 본 발명의 히트펌프 시스템이 밀폐형으로 구성되는 경우에 집수정시스템의 배관상태도,

도 5는 본 발명의 히트펌프 시스템이 개방형으로 구성되는 경우에 집수정 시스템의 배관상태도이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

1 : 히트펌프 2 : 냉온수 대류펌프

3 : 냉온수 순환펌프 4 : 완충탱크

5 : 팽창탱크 6 : 열원수순환펌프

7 : 보일러 8 : 보조열원수순환펌프

9 : 열교환기 10 : 집수정 시스템

11 : 집수정 11a, 11b : 루즈번들형 열교환기

11c : 배출수 유도막(가로막)

14, 16 : 열원수 저장조

P1, P2 : 원수 순환펌프 S1, S2, S3,.... : 스텝

v1, v2, v3 : 밸브

Claims (6)

1. 삭제
2. 히트펌프(1)를 중심으로 일측으로 냉온수 대류펌프(2) 및 냉온수 순환펌프(3)를 통하여 실내 냉난방기기에 연결되게 구성되고, 히트펌프(1)의 중심으로 타측으로 열원수순환펌프(6)를 통하여 집수정시스템(10)과 연결된 히트펌프시스템은,

   집수정 시스템(10) 및 열원수순환펌프(6) 사이에 보조열원시스템(20)이 연결되게 구성하고, 그 보조열원 시스템(20)은,

   저장식 보일러(7)의 열원을 공급하는 보조열원수순환펌프(8)와, 상기 보조열원수순환펌프에 연결되어 열교환을 행하는 열교환기(9)와,

   상기 열교환기(9)의 열원수 및 집수정 시스템(10)의 원수가 각각 공급되는 3방 밸브(15)와,

   상기 3방 밸브(15)를 통하여 연결되며, 열교환기(9)의 열원수 및 집수정 시스템(10)의 원수의 유입량을 제어하는 온도센서(T1)가 연결되는 히트펌프시스템의 보조열원공급장치에 있어서,

   집수정 시스템(10)은 원수의 유입구 및 배출구가 형성된 집수정(11)내 격벽을 사용하여 유입수 저장조(14) 및 유출수 저장조(16)를 형성하고, 각각의 유입수 저장조(14) 및 유출수 저장조(16) 내부에 루즈번들형 열교환기(11a), (11b)가 장착되어 밀폐형 구조를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 히트펌프시스템의 보조열원공급장치.
3. 히트펌프(1)를 중심으로 일측으로 냉온수 대류펌프(2) 및 냉온수 순환펌프(3)를 통하여 실내 냉난방기기에 연결되게 구성되고, 히트펌프(1)의 중심으로 타측으로 열원수순환펌프(6)를 통하여 집수정시스템(10)과 연결된 히트펌프시스템은,

   집수정 시스템(10) 및 열원수순환펌프(6) 사이에 보조열원시스템(20)을 연결하고, 그 보조열원 시스템(20)은,

   저장식 보일러(7)의 열원을 공급하는 보조열원수순환펌프(8)와, 상기 보조열원수순환펌프에 연결되어 열교환을 행하는 열교환기(9)와,

   상기 열교환기(9)의 열원수 및 집수정 시스템(10)의 원수가 각각 공급되는 3방 밸브(15)와,

   상기 3방 밸브(15)를 통하여 연결되며, 열교환기(9)의 열원수 및 집수정 시스템(10)의 원수의 유입량을 제어하는 온도센서(T1)가 연결되는 히트펌프시스템의 보조열원공급장치에 있어서,

   집수정 시스템(10)은 원수의 유입구 및 배출구가 형성된 집수정(11)내 격벽을 사용하여 유입수 저장조(14) 및 유출수 저장조(16)를 형성하고, 상기 유입수 저장조(14)내부에 원수 순환펌프(P1),(P2)를 장착한 후 2차 열교환기(13)를 거쳐 유입수로 인입되게 구성하여 개방형 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 히트펌프시스템의 보조열원공급장치
4. 삭제
5. 제 2항에 있어서,

   유출수 저장조(16)내 레일을 통하여 상하로 이동되는 이송판(11c)을 구비하여 동절기에는 차가운 배출수가 아래쪽 방향으로 흐르게 하고. 하절기에는 이송판(11c)을 하강시켜 더운 배출수가 위쪽 방향으로 흐르도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 히트펌프시스템의 보조열원공급장치
6. 삭제

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