夏季潮濕地區(qū)不同THIC空調(diào)系統(tǒng)綜合COP對比分析*1

楊昌智，羅志文，蔣新波

(湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙　410082)

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夏季潮濕地區(qū)不同THIC空調(diào)系統(tǒng)綜合COP對比分析*1

楊昌智?，羅志文，蔣新波

(湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙410082)

以溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)作為研究對象，建立了不同形式溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)模型.通過一實(shí)際工程對各系統(tǒng)的COP進(jìn)行分析、計(jì)算，揭示了不同溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)自身的性能和地區(qū)差異.通過對比發(fā)現(xiàn)，在室外空氣含濕量相對較小的地區(qū)應(yīng)優(yōu)先考慮熱泵轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)，對于室外含濕量相對較大的地區(qū)適合選擇溶液除濕系統(tǒng)和冷凝除濕系統(tǒng).

空調(diào)；夏季潮濕地區(qū)；溫濕度獨(dú)立控制；COP

溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)(TemperatureandHumidityIndependentControlAirConditioningSystem，簡稱THIC空調(diào)系統(tǒng))采用溫度與濕度兩套獨(dú)立的空調(diào)子系統(tǒng)，分別控制、調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫度與濕度，從而避免了常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中熱濕聯(lián)合處理所帶來的損失[1]，所采取的新風(fēng)處理形式包括轉(zhuǎn)輪除濕、溶液除濕、冷凝除濕等[2-4].但是目前關(guān)于THIC系統(tǒng)COP的分析主要集中對某單一系統(tǒng)的研究，而同一地區(qū)不同形式的THIC系統(tǒng)COP以及不同地區(qū)同一形式的THIC系統(tǒng)COP均存在相當(dāng)大的不同[5～8]，研究不同情況下不同溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)的綜合COP特性，對指導(dǎo)空調(diào)系統(tǒng)選擇和設(shè)計(jì)有著重要意義.本文根據(jù)國內(nèi)不同地區(qū)室外氣象參數(shù)的不同，結(jié)合各種THIC系統(tǒng)的處理過程研究了不同處理過程的能耗以及綜合COP.

1　基本參數(shù)信息

1.1氣候條件

我國幅員遼闊，各地氣候存在著顯著差異，依據(jù)室外氣象條件可分為潮濕地區(qū)和干燥地區(qū).在干燥地區(qū)，室外空氣比較干燥，空氣處理過程的核心任務(wù)是對空氣的降溫處理過程，而在潮濕地區(qū)，需要對新風(fēng)除濕之后才能送入室內(nèi)，空氣處理過程的核心任務(wù)是對新風(fēng)的除濕處理過程.表1為我國主要城市所處氣候分區(qū).本次研究主要選取潮濕地區(qū)的北京、上海、長沙、廣州、哈爾濱、海口、成都，各城市室外氣象參數(shù)見表2[9].

表1　我國主要城市所處氣候分區(qū)Tab.1　Climatic zone of main cities in China

表2　代表城市夏季室外氣象參數(shù)Tab.2　The outdoor meteorological parametersin summer of represent cities

1.2新風(fēng)送風(fēng)量和送風(fēng)參數(shù)的確定

以某高級辦公樓為例，空調(diào)面積為5 000m2，負(fù)荷指標(biāo)為140W/m2(房間顯熱負(fù)荷)，因計(jì)算干球溫度相差不大，為討論簡便忽略通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳入負(fù)荷的差異.人員密度為0.5人/m2，人員散濕量為109g/(人·h)，辦公建筑的新風(fēng)量取30m3/(人·h)，室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)N：焓值、溫度、含濕量和相對濕度分別為58.54kJ/kg,26 ℃,12.7g/kg和60%[10].

新風(fēng)送風(fēng)濕度求解公式：

(1)

式中：dO為新風(fēng)送風(fēng)濕度，g/kg;dN為室內(nèi)設(shè)計(jì)濕度，g/kg;MO為最小新風(fēng)量，m3/h;ρ為空氣的密度，kg/m3；mw為人的濕負(fù)荷，kg/h.

空氣處理過程見圖1.

含濕量/(g·kg-1)圖1　空氣處理過程焓濕圖Fig.1　Thepsychrometric chart of air-handling process

圖中O點(diǎn)為新風(fēng)的處理狀態(tài)點(diǎn)，F(xiàn)為干式風(fēng)機(jī)盤管送風(fēng)點(diǎn)，S為房間送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)，各狀態(tài)點(diǎn)根據(jù)規(guī)范規(guī)定的送風(fēng)溫差、房間的顯熱潛熱負(fù)荷確定[9].計(jì)算得新風(fēng)焓值hO為44.8kJ/kg，送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)S溫度、含濕量、焓值分別為21 ℃,11.9g/kg和51.4kJ/kg；干式風(fēng)機(jī)盤管送風(fēng)參數(shù)F的溫度、含濕量、焓值分別為22.2 ℃,12.7g/kg和53.7kJ/kg.總送風(fēng)量、干式風(fēng)機(jī)盤管送風(fēng)量、新風(fēng)送風(fēng)量分別為97kg/s,72kg/s,25kg/s.

2　THIC模型的建立

2.1轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)

2.1.1熱回收式單級轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)

帶全熱回收的單級轉(zhuǎn)輪除濕新風(fēng)機(jī)組處理流程如圖2所示．

圖2　熱回收式單級轉(zhuǎn)輪除濕新風(fēng)機(jī)組流程圖Fig.2　The flow chart of heat recovery single-stagerotary dehumidificationfresh air handing unit

帶全熱回收的單級轉(zhuǎn)輪除濕新風(fēng)機(jī)組處理過程在焓濕圖上表示如圖3所示．

含濕量/(g·kg-1)圖3　熱回收式單級轉(zhuǎn)輪除濕新風(fēng)處理焓濕圖Fig.3　The psychrometric chart of the heat recoverysingle-stage rotary dehumidify fresh air handling process

新風(fēng)W先經(jīng)過全熱回收裝置與回風(fēng)進(jìn)行熱回收，取全熱回收器的顯熱回收效率為60%，潛熱回收效率為55%，根據(jù)換熱公式[11]可以得到熱回收后W′點(diǎn)的狀態(tài).

冷水機(jī)組制冷量的計(jì)算：

(2)

最低理論再生溫度狀態(tài)點(diǎn)為轉(zhuǎn)輪除濕后狀態(tài)點(diǎn)O′的等相對濕度線和再生空氣狀態(tài)點(diǎn)W的等濕線相交的交點(diǎn)M[1].

再生熱量的計(jì)算：

Q=mM(hM-hW)．

(3)

式中：hM為再生空氣的焓值，kJ/kg;mM為再生空氣質(zhì)量流量，kg/s,本文取再生空氣流量為新風(fēng)流量的1/3.

2.1.2熱回收式雙級轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)

帶全熱回收的雙級轉(zhuǎn)輪除濕新風(fēng)機(jī)組流程如圖4所示．

圖4　熱回收式雙級轉(zhuǎn)輪除濕新風(fēng)機(jī)組流程圖Fig.4　The flow chart of the heat recovery double-stagerotary dehumidificationfreshair handling unit

帶全熱回收的雙級轉(zhuǎn)輪除濕新風(fēng)機(jī)組處理過程在焓濕圖上表示如圖5所示．

含濕量/(g·kg-1)圖5　熱回收式雙級轉(zhuǎn)輪除濕新風(fēng)處理晗濕圖Fig.5　The psychrometric chart of the heat recoverydouble-stage rotary dehumidify fresh airhangdlingprocess

新風(fēng)熱回收后W′點(diǎn)、再生空氣狀態(tài)點(diǎn)M和M′點(diǎn)的求解方法和熱回收式單級轉(zhuǎn)輪除濕一致.

低溫冷水機(jī)組制冷量的計(jì)算：

Q=mO(hO2-hO)．

(4)

式中：hO2為新風(fēng)降溫前的焓值，kJ/kg;hO為新風(fēng)送風(fēng)焓值kJ/kg.

高溫冷水機(jī)組制冷量的計(jì)算：

Q=mO(hO1-hO)．

(5)

式中：hO1為新風(fēng)降溫前的焓值，kJ/kg;hO為新風(fēng)送風(fēng)焓值kJ/kg.

2.1.3熱泵式單級轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)

熱泵式單級轉(zhuǎn)輪除濕新風(fēng)機(jī)組流程如圖6所示．

圖6　熱泵式單級轉(zhuǎn)輪除濕新風(fēng)機(jī)組流程圖Fig.6　The flow chart of the heat pump single-stagerotary dehumidification fresh air handling unite

熱泵式單級轉(zhuǎn)輪除濕新風(fēng)處理焓濕圖和圖2一致.新風(fēng)熱回收后W′點(diǎn)、再生空氣狀態(tài)點(diǎn)M點(diǎn)的求解方法和熱回收式單級轉(zhuǎn)輪除濕一致.該過程中風(fēng)冷熱泵最大再生能力為50 ℃，再生溫度高于50 ℃部分仍采用電加熱再生.

風(fēng)冷熱泵提供再生熱量的計(jì)算：

Q=mm(hMSO-hW)．

(6)

式中：mM為再生空氣質(zhì)量流量，kg/s;hMSO為再生空氣達(dá)到50 ℃時(shí)焓值，kJ/kg.

低溫冷水機(jī)組制冷量計(jì)算:

Q=mO(hO′-hO)-mM(hMSO-hW)．

(7)

式中：hO′為新風(fēng)降溫前的焓值，kJ/kg;hO為新風(fēng)送風(fēng)焓值kJ/kg.

電加熱再生熱量計(jì)算：

Q=mM(hM-hMSO)

(8)

式中：hM為再生空氣的焓值，kJ/kg.

2.1.4熱泵式雙級轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)

熱泵式雙級轉(zhuǎn)輪除濕新風(fēng)機(jī)組流程如圖7所示．

圖7　熱泵式雙級轉(zhuǎn)輪除濕新風(fēng)機(jī)組流程圖Fig.7　The flow chart of the heat pump double-stagerotary dehumidification fresh air handling unit

熱泵式雙級轉(zhuǎn)輪除濕新風(fēng)處理焓濕圖和圖4一致.熱泵式雙級轉(zhuǎn)輪除濕處理過程的計(jì)算方法和熱泵式單級轉(zhuǎn)輪除濕的計(jì)算方法相同，在這里就不再贅述.

2.2溶液除濕系統(tǒng)

2.2.1熱泵式單級溶液除濕系統(tǒng)

熱泵式單級溶液除濕新風(fēng)機(jī)組流程如圖8所示．

圖8　熱泵式單級溶液除濕新風(fēng)機(jī)組流程圖Fig.8　The flow chart of the heat pump single-stageliquor dehumidification fresh air handling unit

熱泵式單級溶液除濕新風(fēng)機(jī)組處理過程在焓濕圖上表示如圖9所示．

含濕量/(g·kg-1)圖9　熱泵式單級溶液除濕新風(fēng)機(jī)組焓濕圖Fig.9　The psychrometric chart of theheat pumpsingle-stage liquor dehumidify fresh air handling process

新風(fēng)W和回風(fēng)N進(jìn)行熱回收，熱回收后新風(fēng)A在右邊噴淋模塊中和被蒸發(fā)器5冷卻的溶液進(jìn)行熱濕交換，溶液被稀釋且溫度升高，新風(fēng)A被降溫除濕達(dá)到送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)O，左邊噴淋模塊中的溶液被冷凝器4加熱后，在噴淋單元內(nèi)完成溶液的濃縮再生過程，被稀釋的和被濃縮的溶液經(jīng)過換熱器7換熱后通過溶液管相連，通過溶液管中溶液的流動(dòng)完成蒸發(fā)器側(cè)和冷凝器側(cè)溶液的循環(huán)，以維持兩端的濃度差.

熱泵系統(tǒng)制冷量計(jì)算：

Q=mO(hA-hO)．

(9)

式中：hA為全熱回收后新風(fēng)焓值，kJ/kg;hO為新風(fēng)送風(fēng)焓值，kJ/kg;mO為新風(fēng)質(zhì)量流量，kg/s.

2.2.2熱泵式雙級溶液除濕系統(tǒng)

熱泵式雙級溶液除濕新風(fēng)機(jī)組流程如圖10所示．

1-全熱換熱模塊，2-壓縮機(jī)，3、4-冷凝器，5、6-蒸發(fā)器， 7、8-熱回收板式換熱器，9-溶液循環(huán)泵，10-膨脹閥圖10　熱泵式雙級溶液除濕新風(fēng)機(jī)組流程圖Fig.10　The flow chart of the heat pump double-stageliquor dehumidification fresh air handling unit

熱泵式雙級溶液除濕新風(fēng)機(jī)組處理過程在焓濕圖上表示如圖11所示．

含濕量/(g·kg-1)圖11　熱泵式雙級溶液除濕新風(fēng)機(jī)組焓濕圖Fig.11　The psychrometric chart of the heat pumpdouble-stage liquor dehumidify fresh air handling process

兩級除濕溶液采用不同濃度，濃度高的溶液無需承擔(dān)較多的排熱量，濃度低的溶液排出冷凝熱的能力較強(qiáng)[12].

熱泵系統(tǒng)制冷量計(jì)算：

Q=mO(hA-hO)．

(10)

式中：hA為全熱回收后新風(fēng)焓值，kJ/kg;hO為新風(fēng)送風(fēng)焓值，kJ/kg;mO為新風(fēng)質(zhì)量流量，kg/s.

2.3冷凝除濕系統(tǒng)

室內(nèi)排風(fēng)再熱送風(fēng)式冷凝除濕機(jī)組流程如圖12所示．

圖12　室內(nèi)排風(fēng)再熱送風(fēng)式冷凝除濕機(jī)組流程圖Fig.12　The flow chart of the indoor sent reheat aircondensate rotary dehumidification fresh air handling unit

室內(nèi)排風(fēng)再熱送風(fēng)式冷凝除濕機(jī)組處理過程在焓濕圖上表示如圖13所示．

除濕處理后的新風(fēng)L與室內(nèi)回風(fēng)N之間進(jìn)行顯熱熱回收，實(shí)現(xiàn)對新風(fēng)的再熱處理.回風(fēng)經(jīng)過與除濕處理后的新風(fēng)之間的顯熱回收后溫度降低，之后再進(jìn)入全熱回收裝置與新風(fēng)進(jìn)行全熱交換，對新風(fēng)進(jìn)行預(yù)冷.預(yù)冷后的新風(fēng)W′經(jīng)過低溫冷水盤管處理降溫除濕處理到L點(diǎn).

低溫冷水機(jī)組制冷量計(jì)算：

Q=mO(hW′-hL)．

(11)

式中：hw′為全熱回收后新風(fēng)焓值，kJ/kg;hL為經(jīng)過冷水盤管降溫處理后送風(fēng)焓值kJ/kg.

含濕量/(g·kg-1)圖13　室內(nèi)排風(fēng)再熱送風(fēng)式冷凝除濕機(jī)組焓濕圖Fig.13　The psychrometric chart of the indoor sent reheat aircondensate rotary dehumidify fresh air handling process

3　系統(tǒng)能耗及系統(tǒng)效率

3.1計(jì)算方法

本文計(jì)算結(jié)果采用COP的形式表示，計(jì)算過程中風(fēng)冷熱泵COP取2.8，低溫冷水機(jī)組COP取4.6，高溫冷水機(jī)組COP取7.8.冷凍水輸送系數(shù)和冷卻水輸送系數(shù)取41.5[10].取值符合《冷水機(jī)能效限定值及能源效率等級》要求[13].

高溫冷水機(jī)組電耗的計(jì)算：

P1=Q1/7.8．

(12)

式中：Q1為高溫冷水機(jī)組制冷量，kW.

高溫冷凍水泵、冷卻水泵電耗的計(jì)算：

P2=Q1/41.5，

(13)

P3=Q1/41.5．

(14)

式中：P2為高溫冷凍水泵電耗，kW;P3為高溫冷卻水泵電耗，kW.

低溫冷水機(jī)組電耗的計(jì)算：

P4=Q2/4.6．

(15)

式中：Q2為高溫冷水機(jī)組制冷量，kW;P4為低溫冷水機(jī)組電耗，kW.

低溫冷凍水泵、冷卻水泵電耗的計(jì)算：

P5=Q2/41.5，

(16)

P6=Q2/41.5．

(17)

式中：P5為低溫冷凍水泵電耗，kW;P6為高溫冷卻水泵電耗，kW.

熱泵系統(tǒng)電耗計(jì)算：

P7=Q3/2.8．

(18)

式中：Q3為熱泵機(jī)組供熱量，kW;P7為熱泵機(jī)組電耗，kW.

熱泵系統(tǒng)水泵電耗計(jì)算：

P8=Q3/41.5．

(19)

式中：P8為熱泵系統(tǒng)水泵電耗，kW.

系統(tǒng)總制冷量計(jì)算：

Q=mO(hW-hO)+mF(hN-hF)．

(20)

式中：Q為系統(tǒng)總制冷量(處理顯熱與潛熱之和)，kW;mO為新風(fēng)質(zhì)量流量kg/s;hW為室外新風(fēng)焓值，kJ/kg;hO為新風(fēng)送風(fēng)焓值，kJ/kg;mF為干式風(fēng)機(jī)盤管處理空氣質(zhì)量流量，kg/s;hN為室內(nèi)空氣焓值，kJ/kg;hN為干式盤管出風(fēng)焓值，kJ/kg.計(jì)算結(jié)果見表6.

系統(tǒng)總的電耗計(jì)算：

P=P1+P2+P3+P4+P5+P6+P7+P8+P9．

(21)

式中：P9為電加熱再生電耗，kW.

系統(tǒng)COP的計(jì)算：

(22)

3.2計(jì)算結(jié)果

熱回收式轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)采用電加熱再生空氣，低溫冷水機(jī)組對除濕后新風(fēng)進(jìn)行降溫處理，包括一級轉(zhuǎn)輪除濕和雙級轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng).熱泵式轉(zhuǎn)輪除濕利用熱泵對除濕后新風(fēng)進(jìn)行降溫以及加熱再生空氣，熱泵能提供的最高再生溫度為50 ℃，高于50 ℃部分采用電加熱再生空氣.溶液除濕新風(fēng)系統(tǒng)的核心部件是溶液式全熱回收裝置，新風(fēng)和室內(nèi)回收先在溶液式全熱回收裝置中進(jìn)行熱濕交換，然后再通過溶液式全熱回收裝置進(jìn)行新風(fēng)的降溫除濕以及溶液的再生，除濕再生過程中所需的冷熱量由熱泵機(jī)組提供.各系統(tǒng)COP(含室內(nèi)顯熱、潛熱和新風(fēng)負(fù)荷)見表3.

表3　除濕系統(tǒng)COPTab.3　The COP of dehumidify systems

4　THIC空調(diào)系統(tǒng)COP對比分析

各個(gè)城市不同溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)COP和含濕量關(guān)系見圖14.

圖14　不同溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)COP和含濕量關(guān)系Fig.14　The relational graph about COP and humidity ratio of different THIC

對于轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)，達(dá)到相同室內(nèi)狀態(tài)參數(shù)時(shí)熱泵式機(jī)組的COP明顯高于單純采用電再生的轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)，說明電加熱再生是一種不可取的再生方式.采用熱泵冷凝熱再生轉(zhuǎn)輪時(shí)，單級轉(zhuǎn)輪的COP小于雙級轉(zhuǎn)輪，此時(shí)雖然雙級轉(zhuǎn)輪的再生熱量大于單級轉(zhuǎn)輪，但雙級轉(zhuǎn)輪的再生溫度在50 ℃左右，能夠很好的利用熱泵的冷凝熱.

對于溶液除濕系統(tǒng)，同一個(gè)地區(qū)單級溶液除濕系統(tǒng)和雙級溶液除濕系統(tǒng)的COP相差很小.但實(shí)際情況中雙級溶液除濕中濃度低的一級排除冷凝熱的能力比較強(qiáng)，有利于降低冷凝溫度，而濃度較高的一級不用承擔(dān)過多的排熱量，也就不會(huì)提高冷凝溫度.冷凝溫度降低，整個(gè)系統(tǒng)的COP將有所提高[14].

對于室外空氣含濕量較低的地區(qū)如北京和哈爾濱，采用熱泵式轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)能獲得較高的系統(tǒng)能效比；對于上海、長沙、廣州、?？凇⒊啥嫉仁彝饪諝夂瑵窳枯^高的地區(qū)，則采用溶液除濕系統(tǒng)、冷凝除濕系統(tǒng)能獲得較高的系統(tǒng)能效比；室外空氣含濕量越高的地區(qū)越適合采用冷凝除濕系統(tǒng)；從圖13還可以看出，溶液除濕THIC系統(tǒng)COP值其地區(qū)差異性不大.

5　結(jié)　論

本文根據(jù)3種不同形式的THIC系統(tǒng)的處理過程，結(jié)合不同城市的夏季室外狀態(tài)參數(shù)，根據(jù)處理過程得出了不同室外狀態(tài)參數(shù)下我國潮濕地區(qū)采用不同形式THIC系統(tǒng)的綜合COP.通過研究分析可以得出以下結(jié)論.

1)對于室外含濕量相對較小的地區(qū)如北京、哈爾濱，在進(jìn)行溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可優(yōu)先考慮選擇熱泵轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)；對于室外含濕量相對較大的地區(qū)如長沙、廣州，適合選擇溶液除濕系統(tǒng)和冷凝除濕系統(tǒng).

2)由于再生熱對系統(tǒng)綜合COP有很大的影響.應(yīng)使用余熱、廢熱等低品位能源作為再生熱源.

3)本次計(jì)算過程中沒有考慮變工況下機(jī)組COP和除濕器性能的變化以及風(fēng)機(jī)的能耗，計(jì)算結(jié)果存有一定的局限性，可供溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)的技術(shù)研究、工程設(shè)計(jì)參考.對于實(shí)際工況下各系統(tǒng)的COP，有待以后進(jìn)一步研究.

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Analysis of the System COP of Different THIC Air Conditioning Systems in Humid Regions in Summer Season

YANG Chang-zhi?，LUO Zhi-wen，JIANG Xin-bo

(College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha, Hunan410082,China)

Takingtemperatureandhumidityindependentcontrolairconditioningsystemastheresearchproject,differentmodelsofthesystemhavebeenestablished.Throughanalysisandcalculationofeachsystem'sCOPofapracticalengineeringproject,itrevealsthedifferencesinperformanceandregionaldifferencesoftheindependentcontrolsystemitself.Bycomparison,theheatpumpwheeldehumidificationsystemshouldbeconsideredfirst，wheretheoutdoorairhumidityratioisrelativelysmall.Ontheotherhand,theliquiddesiccantdehumidificationsystemandcondensatesystemmaybebetterwheretheratioisrelativelylarge.

air-conditioning;humidregionsinsummerseason;temperatureandhumidityindependentcontrol;COP

1674-2974(2016)05-0144-07

2015-12-20

湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(12JJ3053)

楊昌智(1963—)，男，湖南寧遠(yuǎn)人，湖南大學(xué)教授，博士

?通訊聯(lián)系人，E-mail:yang0369@126.com

TU83

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