KR101385936B1 - 지열을 이용한 실내의 공조 시스템 - Google Patents

지열을 이용한 실내의 공조 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 지중의 열에너지를 이용하여 건물의 실내에 온기와 냉기를 공급함으로써, 건물의 냉난방 부하를 저감시키는 지열을 이용한 실내의 공조 시스템에 관한 것니다.
지열을 이용한 실내 공조 시스템은, 건물의 지중에 매설되는 급기 파이프와, 상기 급기 파이프의 일측에 구비되고, 상부가 지상에 돌출되어 외부 공기를 유입하는 외부 공기유입구와, 상기 급기 파이프의 타측에 구비되어 상기 외부공기 유입구를 통해 들어오는 공기를 배출하는 공기 배출구와, 상기 공기 배출구와 연결되는 급기덕트와, 상기 급기덕트와 나란히 구성되는 배기덕트를 포함하며, 상기 급기 덕트의 일측에는 급기구가 구비되며, 배기 덕트의 일측에는 배기구가 구비되는 것을 구성적 특징으로 한다.

Description

지열을 이용한 실내의 공조 시스템{AIRCONDITIONING SYSTEM OF A INDOOR USING GEOTHERMAL}
본 발명은 실내 공조 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 지중의 열에너지를 이용하여 건물의 실내에 온기와 냉기를 공급함으로써, 건물의 냉난방 부하를 저감시키는 지열을 이용한 실내의 공조 시스템에 관한 것니다.
일반적으로 건물의 냉난방을 위한 열에너지를 얻는 방법으로는 석유, 석탄 등의 화석연료를 연소시키거나 전기, 화학적 작용 및 반응 등을 이용하고 있으며, 상기 연소 및 작용, 반응에 의하여 얻어진 열에너지를 축열장치에 축열 시키거나 이용 가능한 상태로 변환시킨 후 이를 냉,난방 혹은 가열을 위한 수단으로 이용하고 있다.
그러나, 상기와 같이 열에너지를 얻기 위한 방법은 연소시킬 수 있는 화석연료를 준비해야 하고, 또한 이를 연소시키면서 열에너지를 얻어야 하기 때문에 상기 화석연료을 연소시키기 위한 장치와 더불어 상기 화석연료의 연소로 인한 대기 오염물질의 생성으로 인한 환경오염이 심각한 상태에 이르고 있다.
현재에는 건물의 냉난방을 위해 공기조화기라 일컬어지는 공기조화 시스템을 이용하는데, 상기 공기조화 시스템은 실내의 더운 공기를 흡입하여 저온의 냉매로 열교환한 후 이를 실내로 토출하는 반복작용에 의해 실내를 냉방시키거나 또는 반대작용에 의해 실내를 난방시키는 냉,난방 시스템으로서, 압축기-응축기-팽창밸브-증발기로 이루어진 일련의 사이클을 형성한다.
또한, 건물 내부의 냉,난방 외에 실내의 오염된 공기를 흡입하여 필터링한 후 청정공기로 만들어 실내로 재투입하는 공기정화기능 및, 다습한 공기를 건습공기로 만들어 실내로 재투입하는 제습기능 등 여러 가지 부가적인 기능을 겸하고 있다.
상기의 공기조화기는 실외기와 실내기가 각각 분리되어 설치되는 분리형 공기조화기와, 실외기와 실내기가 일체로 설치되는 일체형 공기조화기로 크게 구분할 수 있는데, 상기 공기조화기는 전기를 주로 이용하여 가동시키는 것이나, 상기 전기를 발생시키기 위한 에너지원도 화석연료를 연소시켜 만들어지므로 상기 연소작용으로 인한 대기 오염물질이 생성되어 환경 오염을 야기시킨다.
상기의 대기오염을 줄이기 위해서 청정에너지원인 태양광이나 지열을 이용하는 대체에너지의 이용 방안이 개발되고 있는 실정이며, 실제로 실내의 냉,난방을 위한 기술에 적용되고 있으나, 초기 시설비가 많이 들고, 유지관리의 어려움이 문제점으로 대두되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안촐된 것으로, 본 발명의 목적은, 지중의 열에너지를 이용하여 건물 실내에 온기와 냉기를 공급함으로써, 건물의 냉난방 부하를 저감시키며, 또한 실내공간을 여름철에는 예냉, 겨울철에는 예열할 수 있어 실내 냉,난방을 위한 에너지를 절감하여 대기오염을 줄일 수 있고, 초기 시설비가 저렴하고, 유지관리가 용이한 지열을 이용한 실내의 공조 시스템을 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 문제해결을 위하여 본 발명에 따른 지열을 이용한 실내의 공조 시스템은, 건물의 지중에 매설되는 급기 파이프; 상기 급기 파이프의 일측에 구비되고, 상부가 지상에 돌출되어 외부 공기를 유입하는 외부 공기유입구; 상기 급기 파이프의 타측에 구비되어 상기 외부공기 유입구를 통해 들어오는 공기를 배출하는 공기 배출구; 상기 공기 배출구와 연결되는 급기덕트; 상기 급기덕트와 나란히 구성되는 배기덕트를 포함하며, 상기 급기 덕트의 일측에는 급기구가 구비되며, 배기덕트의 일측에는 배기구가 구비되어 있는 것을 구성적 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 외부공기 유입구에는 격자망을 설치하며, 공기 배출구에는 댐퍼가 설치되고, 상기 급기 덕트 및 배기 덕트는 수직으로 인접하여 나란히 구성되고, 상기 배기 덕트의 상부에는 상부 공간이 형성되어 있으며, 상기 급기 덕트 및 배기 덕트는 급기구 및 배기구를 통해서 실내 공간과 연통하고, 상기 급기 파이프는 건물의 바닥면으로 부터 3m 내지 5m 에 매설되고, 그 길이는 50m 이상으로 구성되며, 상기 상부 공간에는 외부 통기구가 형성되고, 상기 외부 통기구와 대향하는 측에는 송풍팬이 더 설치되며, 상기 외부 공기유입구 및 급기구에는 송풍팬이 더 설치된다.
이상에서 설명한 것과 같은 특징을 갖는 본 발명에 따른 지열을 이용한 실내의 공조 시스템은, 지열을 이용하여 실내를 예냉하고 예열함으로써 냉,난방 부하를 저감시킬수 있어 에너지를 절감할 수 있으며, 화석연료를 연소시켜서 작동하는 냉난방 장치의 가동 감소로 인해, 연료의 연소로 발생하는 대기오염물이 줄어들어 환경오염을 줄일 수 있고, 초기 시설비가 저렴하면서도 유지 관리를 용이하게 할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 지열을 이용한 실내의 공조 시스템을 적용한 건물의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 지열을 이용한 실내의 공조 시스템의 공기 흐름을 나타낸 단면도이다.
본 발명은 지중의 열에너지인 지열을 이용하여 실내에 온기와 냉기를 공급함으로써 건물의 냉난방 부하를 저감시키는 실내의 공조 시스템에 관한 것으로, 건물의 바닥 밑으로 파이프를 설치하여 상기 파이프로 유입된 외부 공기가 지중에 매설된 파이프를 통과하면서 지중의 공기와 열교환되어 겨울철에는 온기를 여름철에는 냉기를 건물 내부로 공급하는 시스템으로 겨울철에는 실내를 예열시키고 여름철에는 실내를 예냉시킴으로써 기존의 공조기 만으로 실내를 냉,난방 하는 것에 비해 에너지 소비를 줄일 수 있다. 도 1은 본 발명에 따른 지열을 이용한 실내의 공조 시스템을 적용한 건물의 단면도이며, 도 2는 본 발명에 따른 지열을 이용한 실내의 공조 시스템의 공기 흐름을 나타낸 단면도이다.
이하에서는 도 1 내지 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 지열을 이용한 실내의 공조 시스템의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 1은 지열을 이용한 실내 공조 시스템이 건물에 적용된 단면도를 도시한 것으로, 도 1을 참조하면, 지중의 열에너지를 이용하여 건물의 실내에 온기와 냉기를 공급하는 지열을 이용한 실내 공조 시스템은, 건물(1)의 지중에 매설되는 급기 파이프(10)와, 상기 급기 파이프(10)의 일측에 구비되고, 상부가 지상에 돌출되어 외부 공기를 유입하는 외부 공기유입구(11)와, 상기 급기 파이프(10)의 타측에 구비되어 상기 외부공기 유입구(11)를 통해 들어오는 공기를 배출하는 공기 배출구(12)와, 상기 공기 배출구(12)와 연결되는 급기덕트(20)와, 상기 급기덕트(20)와 나란히 구성되는 배기덕트(30)를 포함하여 구성된다.
상기 급기덕트(20)의 일측에는 급기구(21)가 구비되며, 배기덕트(30)의 일측에는 배기구(31)가 구비되어 있다.
상기 급기 파이프(10)는, 일반적으로 외부(지상)에서 유입된 공기가 급기 파이프(10)를 통과하면서 지열과 원활한 열교환을 위해 건물의 바닥면으로 부터 3m 내지 5m 의 지중에 매설하는 것이 바람직하다. 또한 상기 급기 파이프(10)를 건물(1)의 지하층에 설치하여도 무방하다. 상기 급기 파이프(10)의 길이는 50m 이상으로 하여 급기 파이프(10)로 유입된 외부 공기가 지중 및 지하층의 공기와 충분히 열교환되도록 하며, 또한 급기 파이프(10)를 설치시 파이프가 꺽어지는 모서리 부분은 급기 파이프(10) 내로 유동하는 공기의 흐름에 의한 마찰 저항을 최소화 하도록 라운드지게 구성하는 것이 바람직하다.
또한, 급기 파이프(10)는 열전도율이 좋아 양호한 열교환이 이루어질 수 있도록 알루미늄, 스텐레스, 아연도 강관을 사용하는 것이 바람직하며, 그 형상은 원형 또는 사각형으로 구성된다.
상기 급기 파이프(10)의 일측에 구비되는 외부 공기유입구(11)는 상부가 지상으로 일정 높이로 돌출되어 노출되게 설치되는데, 상기 외부 공기유입구(11)를 통해서 외부의 공기가 급기 파이프(10) 내로 유입된다. 바람직하게는, 상기 외부 공기유입구(11)는 통풍이 잘되며, 하절기에는 그늘져서 외부 공기의 온도가 상승하지 않고, 동절기에는 태양에 노출되는 지역에 설치한다. 또한 외부 공기유입구(11)에는 격자망(13)을 설치하여 외부의 이 물질이 급기 파이프(10) 내로 유입되는 것을 방지하고, 우천시에 빗물이 유입되지 않도록 공기유입구를 마감처리하는 것이 바람직하다. 상기 급기 파이프(10)의 타측에는 상기 외부 공기유입구(11)를 통해 들어오는 공기를 배출하는 공기 배출구(12)가 형성되는데, 상기 공기 배출구(12)에는 댐퍼(14)를 설치하여 공기의 양을 조절한다.
상기 공기 배출구(12)는 급기덕트(20)와 연결되는데, 상기 공기 배출구(12)에서 배출되는 외부공기가 상기 급기덕트(20)를 통해서 각 실(室)로 유입되게 된다. 상기 각 실로 유입되어 내부공간을 예열 및 예냉 시킨 공기가 실내에서 외부로 배출되는 배기덕트(30)가 급기덕트(20)와 나란히 구성된다. 상기 급기덕트(20)와 배기덕트(30)는 연통(煙筒)형태로 수직하게 인접하여 나란히 구성되는데, 각 급기덕트(20)와 배기덕트(30)에는 다수개의 급기구(21) 및 배기구(31)가 각각 구비되어 실내와 연통(連通)하는데, 상기 급기구(21)를 통해서 외부공기가 실내로 유입되고, 상기 실내로 유입된 공기는 배기구(31)를 통해서 외부로 배출된다.
또한, 상기 배기덕트(20)의 상부에는 상부 공간(40)을 형성하는데, 상기 배기덕트(30)를 통해서 유동하여 상승하는 공기는 상기 상부 공간(30)에 설치된 외부 통기구(42)를 통해서 외부로 흐른다. 상기 상부 공간(30)의 외부 통기구(42)의 대향하는 측에는 송풍팬(41)이 더 설치되는데, 상기 송풍팬(41)으로 외부의 공기를 강제로 끌어들여 외부 통기구(42)로 배출시키면, 상기 상기 송풍팬(41)에 의해 강제로 빠르게 유입된 공기는 배기덕트(30)에서 유동하는 공기의 상승 유속 빠르게 하여 배기덕트(30) 내의 공기는 원활하게 외부 통기구(41)로 배출된다.
상기 송풍팬(41)을 설치하지 않고 외부 통기구로 대체하여 구성할 수 있다. 즉, 상부 공간(40)에 외부 통기구 2개소를 대향하여 설치하는 방법도 가능하다. 이럴때는 2개의 외부 통기구 중에 1개소는 남측 방향에 1개소는 북측방향에 각각 설치하여, 여름철에는 남풍, 겨울철에는 북풍으로 인해 자연스럽게 외부 통기구(42)로 공기가 흐르게 된다. 이때 상기 배기덕트(30)에서 유동하는 공기는 상승 속도가 증가하여 외부 통기구(42)로 배출된다. 상기에서 외부 통기구(42)외에 추가로 설치하는 외부 통기구는 송풍팬 위치에 설치하는 것이 바람직하다.
상기 급기 파이프(10)를 공기 배출구(12) 방향으로 약간 높게 구배를 형성시켜서 급기 파이프(10) 내로 유동하는 외부 공기와 지중(지하층)의 온도차로 인하여 급기 파이프(10)에 발생할 수 있는 응결수를 원활게하게 모을수 있게 하는데, 상기 응결수를 모으는 탱크를 급기 파이프(10) 하부에 따로 구성할 수 있으며, 상기 탱크에 모아진 응결수를 외부로 배출하기 위한 펌프를 설치할 수 있다. 본 발명에 따른 도면에서는 상기 탱크 및 모터는 도시하지 않았으나, 응결수 탱크는 공기 배출구(12)보다 상대적으로 낮게 형성되는 외부 공기유입구(11) 쪽의 급기 파이프(10) 하부에 설치하는 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명에 따른 지열을 이용한 실내의 공조 시스템의 공기 흐름을 나타낸 단면도로서, 도 2를 참조하여 공기의 흐름을 설명한다.
먼저 지중(또는 지하층)에 매설된 급기 파이프(10)의 외부 공기유입구(11)를 통해서 외부의 공기가 유입되며, 상기 유입된 공기는 급기 파이프(10)를 거치면서 여름철에는 온도가 내려가고, 겨울철에는 온도가 올라간다. 다시말해 겨울철의 외부공기 온도는 0℃ 이하인 반면, 지열에 의해 지중(지하층) 온도는 약 15℃ 내외를 유지하므로, 상기 찬 외부공기가 지중(지하층)에 매설된 급기 파이프(10)를 거치는 동안에 지열과 열교환되어 좀 더 따듯한 공기로 변환되어 공기 배출구(12)의 댐퍼(14)를 통해 배출되어 급기덕트(20)로 상승하여 각 실과 연통되는 급기구(21)를 통해 따뜻해진 공기가 찬 실내 공간으로 유입된다.
상기 실내 공간으로 유입된 공기는 순환하면서 실내를 덥히고 상기 배기구(31)를 통해서 배기덕트(30)로 유동하여 상부 공간(40)에 설치된 외부 통기구(42)를 통해 외부로 배출된다. 상부 공간(42)의 외부 통기구(42)의 대향하는 측에는 송풍팬(41)을 더 설치하여, 상기 송풍팬(41)으로 외부의 공기를 강제로 끌어들여 외부 통기구(42)로 배출시키면, 상기 송풍팬(41)에 의해 강제로 빠르게 유입된 공기는 배기덕트(30)에서 유동하는 공기의 상승 유속을 빠르게하여 배기덕트(30) 내의 유동 공기를 원활하게 외부 통기구(42)로 배출하게 한다.
즉, 상부 공간(40)의 압력이 작아지기 때문에 배기덕트(30)의 공기는 저압의 상부 공간(40)으로 용이하게 유동하여 외부 통기구(42)로 배출된다. 이런 방식은 건물 내를 순환하는 공기의 흐름을 상승시킴으로써 급기 파이프(10)를 통해 유입되는 공기의 흐름은 좀 더 증가된다. 따라서 전체적인 공기의 순환이 빠르게 된다. 상기와 같이 지열로 인해 따듯해진 공기를 실내로 유입시켜서 실내를 예열시킴으로써, 실내 난방을 위한 에너지를 절감할 수 있다.
여름철에는 외부공기의 온도가 약 30℃ 내외를 유지하는데, 지중(지하층) 온도는 약 15℃ 내외를 유지하므로, 상기 외부 공기유입구(11)를 유입된 따듯한 외부공기가 지중(지하층)에 매설된 급기 파이프(10)를 거치는 동안에 지열과 열교환되어 좀 더 시원한 공기로 변환되어 공기 배출구(12)의 댐퍼(14)에서 배출되어 급기덕트(20)를 통해 유동하여 급기구(21)를 통해서 시원해진 공기가 더운 실내 공간으로 유입되고, 상기 유입된 공기는 실내 공간을 순환하면서 실내를 예냉시킨후 배기구(31)를 통해서 배기덕트(30)로 유동하여 외부 통기구(42)를 통해 외부로 배출된다. 이때에도 상부 공간(40)에 설치된 송풍팬(41)이 작동하여 빠른 바람을 외부 통기구(42)쪽으로 유동시킴으로써, 상기 배기덕트(30) 내의 공기가 상부 공간(40)으로 상승하여 외부 통기구(42)로 배출되게 된다. 이때에도 상부 공간(40)의 압력이 작아지기 때문에 배기덕트(30)의 공기는 저압의 상부 공간(40)으로 용이하게 유동하여 외부 통기구(42)로 배출되는 것이다. 상기와 같이 송풍팬(41)을 설치하여 배기덕트(30) 내의 공기를 외부로 배출시킬 수도 있고, 송풍팬(41)을 설치하는 대신에 상부 공간(40)에 외부 통기구 1개소를 기존의 외부 통기구(42)와 대향하여 더 설치할 수 있다. 상기와 같이 2개의 외부 통기구를 설치할 경우에는 1개소는 남측 방향에 1개소는 북측방향으로 설치하여 여름철에는 남풍으로, 겨울철에는 북풍으로 인해 자연스럽게 외부 통기구(42)로 공기가 흐르게 되면, 상기 배기덕트(30)에서 유동하는 공기의 상승 속도를 증가시키므로 상기 배기덕트(30) 내의 유동 공기는 외부 통기구로 원활하게 배출된다.
위에서 설명된 추가로 설치되는 외부 통기구는 도면에 도시된 송풍팬(41) 위치에 설치되는 것이므로 본 발명의 도면에서는 미도시되어 있다. 또한 기존의 외부 통기구(42)가 북쪽방향에 설치되어 있으면 추가로 설치되는 외부 통기구는 남쪽방향에 설치하고, 기존의 외부 통기구(42)가 남쪽방향에 설치되어 있으면 추가 설치되는 외부 통기구는 북쪽방향에 설치하는 것이 바람직하다.
상기의 지열을 이용한 실내 공조 시스템은, 실내공간을 여름철에는 예냉, 겨울철에는 예열할 수 있어 실내 냉,난방을 위한 에너지를 절감할 수 있으며, 그 자체 만으로도 냉,난방 효과를 낼 수 있다. 상기 급기 파이프(10)는 건물의 크기에 따라 다수개를 설치할 수도 있으며, 공기 배출구(12)의 하방에서 분기시켜 더 연장하여 사용할 수도 있으며, 급기 파이프(10)의 길이가 길 경우에는 원활한 공기의 유동을 위해 상기 외부 공기유입구(11)에 송풍팬(미도시)을 추가로 설치할 수도 있으며, 공기의 흐름을 좀 더 원활하게 하기 위해서 급기구(21) 및 배기구(31) 측에 송풍팬을 더 설치하는 것도 가능하다. 특히 겨울철에는 급기 파이프(10)를 통과하면서 온도가 올라간 공기가 급기덕트(20)의 찬공기 위로 밀어내면서 상승하여 순환하므로 용이하게 급기구(21)를 통해서 실내로 유입되나, 여름철에는 급기 파이프(10)를 통과한 공기가 급기덕트(20)의 공기보다 좀 더 차갑기 때문에 급기덕트(20)의 더운 공기를 위로 밀어내지 못함으로써 급기구(21)를 통해 원활하게 실내로 유입되지 못하기 경우가 발생하게 되는데, 이때는 급기구(21)에 송풍팬(미도시)을 추가로 설치하면 좀 더 원활하게 시원한 공기를 실내로 유입시킬 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 게시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이런 실시예들에 의하여 본 발명의 기술 사상 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1.건물 10.급기 파이프
11.외부 공기유입구 12.공기 배출구
13.격자망 14.댐퍼
20.급기덕트 21.급기구
30.배기덕트 31.배기구
40.상부 공간 41.송풍팬
42.외부 통기구 50.실내 공간

Claims (10)

  1. 지하의 열에너지를 이용하여 건물의 실내에 온기와 냉기를 공급하는 시스템에 있어서,
    상기 시스템은,
    건물의 지하에 매설되는 급기 파이프;
    상기 급기 파이프의 일측에 구비되고, 상부가 지상에 돌출되어 외부 공기를 유입하는 외부 공기유입구;
    상기 급기 파이프의 타측에 구비되어 상기 외부공기 유입구를 통해 들어오는 공기를 배출하는 공기 배출구;
    상기 공기 배출구와 연결되는 급기덕트;
    상기 급기덕트와 나란히 구성되는 배기덕트;
    를 포함하며, 상기 급기 덕트의 일측에는 급기구가 구비되며, 배기덕트의 일측에는 배기구가 구비되고, 상기 급기 파이프는 건물의 바닥면으로 부터 3m 내지 5m 에 매설되고, 그 길이는 50m 이상인 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 실내의 공조 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 급기 파이프는 공기 배출구 방향으로 구배진 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 실내의 공조 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 외부공기 유입구에는 격자망을 설치하는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 실내의 공조 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    공기 배출구에는 댐퍼가 설치되는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 실내의 공조 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 급기 덕트 및 배기 덕트는 수직으로 인접하여 나란히 구성되는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 실내의 공조 시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 배기 덕트의 상부에는 상부 공간이 형성되는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 실내의 공조 시스템.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 급기 덕트 및 배기 덕트는 급기구 및 배기구를 통해서 실내 공간과 연통하는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 실내의 공조 시스템.
  8. 삭제
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 상부 공간에는 외부 통기구가 형성되고, 대향하는 측에는 송풍팬이 더 설치되는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 실내의 공조 시스템.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 외부 공기유입구 및 급기구에는 송풍팬이 더 설치되는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 실내의 공조 시스템.
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