DE3036082A1

DE3036082A1 - Mikrocomputer-steuerung fuer zusatzheizung mit nachtrueckstellung

Info

Publication number: DE3036082A1
Application number: DE19803036082
Authority: DE
Inventors: Frederic Henry Columbia Pa. Abendschein; Kenneth Wayne York Pa. Cooper; Lee E. Dallastown Pa. Sumner jun.
Original assignee: Borg Warner Corp
Current assignee: Borg Warner Corp
Priority date: 1979-09-28
Filing date: 1980-09-25
Publication date: 1981-04-09
Also published as: US4265298A; ES8106797A1; DE3036082C2; ES495379A0; CA1149044A; JPS5659153A; AU537464B2; FR2466713B1; AU6252380A; FR2466713A1

Description

Mikrocomputer-Steuerung für Zusatzheizung mit Nachtrückstellung

In Verbindung mit der Erläuterung der vorliegenden Erfindung wird auf die am gleichen Tag wie die vorliegende Anmeldung eingereichte Anmeldung mit dem Titel "Mikrocomputer-Steuerung für Zusatzheizung bei einer Wärmepumpe" verwiesen, die den gleichen Anmelder besitzt wie die vorliegende Anmeldung. Die gesamte Offenbarung dieser Anmeldung soll in die vorliegende Anmeldung miteinbezogen werden.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Wärmepumpen und Kältesysteme und betrifft genauer gesagt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern des Betriebes von elektrischen Zusatzheizungen, und zwar derart, daß der Energieverbrauch auf ein Minimum gebracht vvird. Die vorliegende Erfindung umfaßt einen Mikroprozessor mit einem Programm zur Durchführung einer automatischen Rückstellung, um die Temperatureinstallung eines konditionierten Raumes während der Nacht zu reduzieren» Die Erfindung ist speziell anwendbar bei Wärmepumpen zum Heizen von Wonnungen, kleinen Bürogebäuden, Mcbilheimen u.a.

Um den Setrieb der elektrischen Zusatzheizungen minimal zu halten und dadurch den Energieverbrauch zu reduzieren, wird der Einstellungspunkt der gewünschten Temperatur oder Bezugstemperatur in dem konditionierten Raum während der

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Nacht zurückgestellt oder in einen niedrigeren Temperaturbezugspunkt geändert. Im Falle eines Geschäftsgebäudes wird dies durchgeführt, wenn sich keine Personen in dem kon— ditionierten Raum befinden, beispielsweise wenn das Gebäude in der Nacht, d.h. von 11.oo Uhr abends bis 6.00 Uhr morgens, geschlossen ist. Die Bezugstemperatur wird normalerweise auf 13 C während dieser Zeit zurückgestellt. Ein programmgesteuerter Mikroprozessor findet Verwendung, um den Betrieb der elektrischen Zusatzheizungen so lange zu verhindern, wie die höhere Bezugstemperatur während des Tages innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalles erreicht werden kann.

Es ist daher ein allgemeines Ziel der vorliegenden Erfindung, eine neuartige und verbesserte Wärmepumpe und ein entsprechendes Kältesystem zu schaffen, das zur Herabsetzung des Energieverbrauches eine Nachtrückstellung besitzt.

Ein anderes Ziel der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern von elektrischen Zusatzheizungen vorzusehen, indem der Betrieb dieser Zusatzheizungen so lange verhindert wird, wie die Wärmepumpe allein den konditionierten Raum von einer niedrigeren Nachtrückstelltemperatur auf den höheren Tageseinstellpunkt innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalles bringen kann.

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tin weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Anwendung in einer Wärmepumpe und einem Kältesystem zu schaffen, die bzw. das von Rückstelleinrichtungen zur aufeinanderfolgenden Aktivierung einer Vielzahl van elektrischen Heizungen Gebrauch macht, wenn die gemessene Temperatur des konditionierten Raumes bei einer speziellen Stichprabenzeit geringer ist als die entsprechende errechnete Temperatur für diese Stichprobenzeit für eine vorbestimmte Anzahl von Zeiten.

Schließlich ist es ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die van einem Mikroprozessor Gebrauch macht, um den Betrieb der Nachtrückstellung und der Nachstellung für den Tag automatisch zu steuern und dadurch auf die gemessene Temperatur in dem konditionierten Raum einzuwirken.

Erfindungsgemäß werden diese Ziele erreicht, indem eine Wärmepumpe und ein Kältesystem zur Konditionierung eines Raumes vorgesehen werden, die einen geschlossenen Kältemittelkreislauf umfassen, der aus einem Kompressor, einem Kondensator, einer Expansionsvorrichtung und einem Verdampfer besteht, welche miteinander in Reihe geschaltet sind. Das System besitzt erste Fühlein—richtungen zum Messen der Temperatur in dem zu konditionierenden Raum, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das der gemessenen Temperatur entspricht. Ein erster Thermostat ist vorgesehen, um eine erste niedrigere

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Bezugstemperatur während der Nachtzeit des zu konditionierenden Raumes einzustellen, und ein zweiter Thermostat findet Verwendung, um eine zweite höhere Bezugstemperatur während des Tages einzustellen. Die Thermostaten erzeugen ein zweites und drittes elektrisches Signal, die den jeweils ausgewählten Bezugstemperaturen für die Nacht und den Tag entsprechen. Eine Vielzahl von elektrischen Zusatzheizungen ist vorgesehen, um den zu konditionierenden Raum zu erhitzen. Eine programmierte Steuervorrichtung erzeugt in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur und den Bezugstemperaturen ein Signal zur Aktivierung der elektrischen Zusatzheizungen. Eine Nachtrückstelleinrichtung bewirkt zu einer vorgegebenen Tageszeit in automatischer Weise einen Wechsel von der ersten Bezugstemperatur am ersten Thermostaten zur zweiten Temperatur am zweiten Thermostat. Die elektrischen Heizungen werden aktiviert, wenn die gemessene Temperatur bei einer speziellen Stichzeit geringer ist als die entsprechende errechnete Temperatur für diese Stichzeit bei einer vorbestimmten Anzahl von Zeiten. Ein mit einem Programm versehener Mikroprozessor ist an die programmierte Steuervorrichtung und die Nachtrückstelleinrichtung angeschlossen, um- deren Betrieb zu steuern und auf die gemessene Temperatur des konditionierten Raumes einzuwirken.

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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungs— beispiels und in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein schematisches elektrisches Blockdiagramm einer Wärmepumpe und eines Kältesystems nach der vorliegenden Erfindung; und

Figur 2 ein graphische Darstellung, die den Betrieb der Rückstellvorrichtung zeigt.

Die Betriebsweise des Kältesystems mit den elektrischen Zusatzheizungen im Heizbetrieb entspricht der in der vorstehend genannten Patentanmeldung "Mikrocomputer-Steuerung für Zusatzheizung bei einer Wärmepumpe" beschriebenen Betriebsweise. Nur das zusätzliche Merkmal der Nachtrückstellung, das den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet, wird hiernach im vollständigen Umfang beschrieben. Obwohl das gesamte Kältesystem in Figur 1 dargestellt ist, werden nur die Merkmale des Funktionsblockes 56 und der Einstelleinrichtung 58 zum Betreiben der elektrischen Zusatzheizungen 41 durch Steuerung des Mikroprozessors 38 mit dem Programm 40 im einzelnen erläutert. Die Erfindung kann am besten in Verbindung mit dem in Figur 2 dargestellten Diagramm erläutert werden, das die typische Betriebsweise des Systems zeigt. Dem Fachmann ist klar, daß die in Figur 2 dargestellten Betriebseigenschaften unmittelbar in den Mikro—

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. 41-

prozessor 38 programmiert werden können.

Wie man Figur 1 entnehmen kann, wird ein Thermostat 36 dazu eingesetzt, um den gewünschten höheren Temperaturbezugspunkt des konditionierten Raumes oder der Zone 10 einzustellen oder auszuwählen, der hiernach als Tageinstellungspunkt bezeichnet wird. Desweiteren ist ein Thermostat 37 vorgesehen, um die gewünschte niedrigere Bezugstemperatur des Raumes 10 einzustellen, die hiernach als Nachteinstellungspunkt bezeichnet wird. Der Tageinstellungspunkt am Thermostaten 36 wird durch die Nachtrückstelleinrichtung 35, die aus einem Zeitgeber 39 und Schalteinrichtungen 45 besteht, durch die Steuerung des Mikroprozessor 38 mit einem Programm 40 zu einem vorgegebenen Zeitpunkt des Tages in die untere Bezugstemperatur am Thermostaten 37 verändert bzw. zurückgestellt. Bei Heizbetrieb beträgt der Tageinstellungspunkt beispielsweise 21 C, während der Nachteinstellungspunkt 13 C beträgt. In einem Geschäftsgebäude oder eine¹" Fabrik wird die Nachtrück— stellung normalerweise irgendwann zwischen 1.oo Uhr abends und 6.OO Uhr morgens vorgenommen, wenn sich keine Personen in dem konditionierten Raum befinden. 6.oo Uhr morgens wird der Nachteinstellungspunkt automatisch auf den höheren Tageinstellungspunkt zurückgeschaltet, und zwar vor der Zeit, zu der das Gebäude besetzt wird. Ein vorgegebenes Zeitintervall wird ausgewählt, innerhalb dem die gemessene Temperatur des konditionierten Raumes den neuen höheren Einstellpunkt erreichen soll, beispielsweise in einer Zeitdauer von 1 1/2

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Stunden. Mit anderen Warten, es ist wünschenswert, daß die Temperatur des konditionieren Raumes 21 C nicht später als 7.3o Uhr erreicht.

Während dieser Zeitdauer zwischen 6.oo Uhr und 7.3d Uhr wird der Betrieb der elektrischen Zusatzheizungen 41 verhindert, wenn die Kapazität der Wärmepumpe ausreichend groß ist, so daß die Innentemperatur anwächst und man davon ausgehen kann, daß die tatsächliche gemessene Temperatur in dem konditionierten Raum 10 den höheren Tageinstellungspunkt um 7.3a Uhr erreicht. Dies wird dadurch erreicht, daß die Temperatur des konditionierten Raumes in gleichmäßigen Zeitintervallen überwacht wird, beispielsweise jede fünf Minuten, und indem diese Temperatur mit einer entsprechenden errechneten Temperatur verglichen wird. Wenn die tatsächliche gemessene Temperatur über zwei aufeinanderfolgende Stichzeiten geringer bleibt als die für eine spezielle Stichzeit errechnete Temperatur, ist dies eine positive Anzeige dafür, daß man nicht erwarten kann, daß die gewünschte Temperatur des konditionierten Raumes den höheren Einstellungspunkt innerhalb des vorgegebenen Zeitintervalles erreicht. Nur in diesem Falle wird eine erste Stufe 41a der elektrischen Zusatzheizungen eingeschaltet. Wenn dies noch nicht ausreicht, daß die Temperatur des konditionierten Raumes den Tageinstellungspunkt um 7.3o Uhr erreicht, wird eine zweite und dritte Stufe 41b und 41c der Heizungen nacheinander eingeschaltet, und zwar nach der dritten und vierten auf-

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einanderfolgenden Stichzeit. Alle elektrischen Heizungen 41 werden abgeschaltet, wann immer die ansteigende Innentempe— ratur ausreichend groß ist, um den gewünschten Aufheizgrad sicherzustellen.

Das Ausgangssignal vom Digitalfilter 52, das zu dem Fehlersignal vom Summierer 44 proportional ist, der die gemessene Temperatur und die Bezugstemperatur miteinander vergleicht, wird dem Funktiansblock 56 zugeführt, um zu bestimmen, ob der Kompressor mit mindestens 100 /₀ seiner Nenndrehzahl arbeitet, bevor der Betrieb der elektrischen Zusatzheizungen 41 freigegeben wird. Wenn dieses Kriterium in bezug auf die Kompressordrehzahl erfüllt worden ist, werden die elektrischen Heizungen unmittelbar durch das Fehlersignal gesteuert. Die typische Betriebsweise der elektrischen Heizungen 41a bis 41c bei Steuerung durch den Mikroprozessor 38 ist in Figur 2 dargestellt. Wie man der Figur entnehmen kann, wird der untere oder Nachtrückstell-Einstellungspunkt Sp1 bei dieser bevorzugten Ausführungsform 6.oo Uhr morgens in einen neuen Tageinstellungspunkt Sp2 geändert, wie beispielsweise von 13 C auf 21 C. Bei derartigen Vorrichtungen des Standes der Technik hätte diese Änderung der Einstellungspunkte die elektrischen Zusatzheizungen aktiviert, um dem konditionierten Raum zusätzliche Wärme zuzuführen. Es wurde jedoch festgestellt, daß zur Erreichung eines minimalen Energieverbrauches bei noch angemessenen Wiederaufheizgraden die Heizungen nicht so lange einge-

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schaltet sein sollten wie die gemessene Temperatur bei einer vorgegebenen Stichzeit bestimmt nach Kurve A. Genauer gesagt, solange wie die gemessene Temperatur, wie beispielsweise MT,1 bei der Stichzeit T1 in Figur 2, der errechneten Temperatur, wie beispielsweise CT1 bei der Stichzeit T1, entspricht oder über dieser liegt, sollten die Zusatzheizungen 41 nicht eingeschaltet sein. Dies deshalb, weil die gemessene Temperatur in dem konditionierten Raum ansteigt und man davon ausgehen kann, daß sie den Tageinstellungspunkt innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalles erreicht, d.h. innerhalb 1 1/2 Stunden oder um 7.3oUhr.

Wenn man davon ausgeht, daß die gemessene Temperatur bei T1 nur MT2 und somit geringer als CT1 ist, wird noch keine Zusatzwärme aktiviert, bis ein weiteres Intervall T2 abgelaufen ist, wo die gemessene Temperatur MT3 wieder geringer ist als die entsprechende neu errechnete Temperatur CT2. Wenn zu· der zweiten Stichzeit T2 die gemessene Temperatur auf MT4 angestiegen ist, wird keine Zusatzwärme zugeführt. Bei einem Wert der gemessenen Temperatur von MT3 zur Stichzeit T2 wird eine erste Stufe 41a der elektrischen Zusatzheizungen 41 eingeschaltet. Wenn bei der nächstfolgenden Stichzeit T3 die gemessene Temperatur MT5 noch unter der entsprechenden errechneten Temperatur CT3 liegt, wird die zweite Stufe 41b der elektrischen Zusatzheizungen eingeschaltet. Wenn zum Zeitpunkt T4 die ge-

ist
messene Temperatur MTS geringer als die entsprechende

errechnete Temperatur CT4, wird die dritte Stufe 41c

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• 45-

aktiviert. Wenn irgendeine Anzahl der elektrischen Heizungen eingeschaltet ist und wenn die tatsächlich gemessene Temperatur der -errechneten Temperatur gleicht oder über dieser liegt, werden alle Heizungen abgeschaltet. Der Vorgang des Wiedereinschaltens der Heizungen wird wie vorstehend beschrieben wiederholt, um das Aufheizmaß entlang der errechneten Linie der Figur 2 zu halten.

Obwohl nur drei Stufen von elektrischen Zusatzheizungen dargestellt sind, kann eine beliebige Anzahl von Stufen Anwendung finden, um auf die gewünschten Temperaturbedingungen des Raumes einzuwirken. Es versteht sich des— weiteren, daß die Steuerung der Heizungen durch das Abwarten von zwei aufeinanderfolgenden Zeitintervallen auf eine beliebige Art und Weise geändert werden kann. Die Intervalle weise¹"¹ normalerweise einen gleichen Abstand voneinander auf und können beliebig lang sein, beispielsweise fünf Minuten. Es ist offensichtlich, daß die Geschwindigkeit der Wiedergewinnung der tatsächlich gemessenen Temperatur von der Außentemperatur abhägt. Folglich ist innerhalb der Steuereinrichtung 32 eine Einstelleinrichtung 58 vorgesehen, um den Einsatz oder die Aktivierung der elektrischen Heizungen 41 absolut zu verhindern, wenn die Außentemperatur über einem vorgegebenen Wert liegt, beispielsweise über 1Q C. Dies deswegen, weil die Wärmepumpe immer in der Lage sein wird, die Temperatur des kon— ditionierten Raumes ohne die Hilfe von elektrischen Heizungen

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zu erhöhen, wenn die Außentemperatur über 10 C liegt. Ein Thermistor 60 ist vorgesehen, um ein elektrisches Analogsignal zu erzeugen, das der atmosphärischen Außentemperatur entspricht. Dieses Signal wird über einen A/D Umsetzer 52 der Einstelleinrichtung 58 zugeführt. Der Ausgang der Einstelleinrichtung 58 wird als weiterer Eingang in den Funktionsblock 56 eingegeben.

Erfindungsgemäß wird somit eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung der aufeinanderfolgenden Zuführung von elektrischen Zusatzheizungen zur Verfugung gestellt, die um eine optimale Kennlinie arbeiten, um den Energieverbrauch minimal zu halten. Alle elektrischen Zusatz— heizungen werden abgeschaltet, wenn die gemessene Tempe—

bei
ratur/einer vorgegebenen Stichzeit hoch genug ist.

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, te:

Leerseite

Claims

Patentanwälte

Dipl. Ing. H. Hauck

Dipl. Phys. VV. Schmitz

Dipl. Ing. E. Graalfs

Dipl. Ing· W. Wehnert

Dipl. Phys. W. Carstens

Dr.-Ing. W. Döring

MozartstraOe 23 80OO München 2

BORG-WARNER CORPORATION
200 South Michigan Avenue Chicago, Illinois 60604
USA

M-5311

23. September 19BQ

Patentansprüche

1. Wärmepumpe und Kältesystem zur Konditionierung eines Raumes mit einem geschlossenen Kältemittelkreislauf, der einen Kompressor, einen Kondensator, eine Expansiansvorrichtung und einen Verdampfer umfai3t, die miteinander in Reihe geschaltet sind, gekennzeichnet durch: erste Fühleinrchtungen(34}zum Messen der Temperatur eines zu konditionierenden Raumes und zur Erzeugung eines elektrischen Signales, das der gemessenen Temperatur entspricht j

Einrichtungen (36,. 37) zur Einstellung von mindestens einer ersten niedrigeren Bezugstemperatur und mindestens einer zweiten höheren Bezugstemperatur des konditionierten Raumes?

Heizeinrichtungen (41), die mindestens drei Stufen von elektrischen Zusatzheizungen zur Erzeugung von Wärme für den konditionierten Raum umfassen;

zweite Fühleinrichtungen (60) zum Messen der atmosphärischen Außentemperatur und zum Erzeugen eines zweiten elektrischen Signales, das der Außentemperatur entspricht; programmierte Steuereinrichtungen (32), die auf die ersten Fühleinrichtungen, die Einstelleinrichtungen und die zweiten Fühleinrichtungen ansprechen, um ein Signal zur Aktivierung der Heizeinrichtungen zur erzeugen; Rückstelleinrichtungen (35) zur automatischen Änderung der Einstelleinrichtungen won der ersten Bezugstemperatur auf die zweite Bezugstemperatur bei einer wargegebenen Tageszeit;

wobei die Steuereinrichtungen eine erste von den drei Stufen der elektrischen Heizungen aktivieren, wenn die gemessene Temperatur bei einer speziellen Stichzeit geringer ist als eine entsprechende errechnete Temperatur für diese Stichzeit über mindestens zwei aufeinanderfolgende Stichzeiten; und

Datenverarbeitungseinrichtungen (38) mit einem Programm, die an die Steuereinrichtungen und die Rückstelleinrichtungen angeschlossen sind, um deren Funktion zu steuern und auf eine gemessene Temperatur des konditionieren Raumes einzuwirken.

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2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtungen desweiteren danach eine zweite Stufe der drei Stufen der elektrischen Heizungen aktivieren, wenn die gemessene Temperatur bei einer speziellen Stichzeit noch geringer ist als die entsprechende errechnete Temperatur für diese Stichzeit über eine zusätzliche nachfolgende Stichzeit.

3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dai3 die programmierten Steuereinrichtungen einen ersten Summierer (44) umfassen, der die tatsächliche gemessene Temperatur mit der Bezupstemperatur vergleicht, um ein Fehlersicnal zur Verfugung zu stellen.

4. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverarbeitungseinrichtungen einen Mikroprozessor (38) umfassen.

5. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Fühleinrichtungen einen Thermistor umfassen.

6. Zum Einsatz bei einer Wärmepumpe und einem Kältesystem zur Konditionierung eines Raumes mit einem geschlossenen Kältemittelkreislauf, der einen Kompressor, einen Kondensator, eine Expansionsvorrichtung und einen Verdampfer umfasßt, die miteinander in Reihe geschaltet sind,

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■If-

geeignetes Verfahren, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

Erfühlen der Temperatur eines zu konditionierenden Raumes, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das der gemessenen Temperatur entspricht;

Einstellen einer ersten niedrigeren Bezugstemperatur, während in dem zu konditionierenden Raum Nacht herrscht, und Einstellen einer zweiten höheren Bezugstemperatur während des Tages, um ein zweites elektrisches Signal zu erzeugen, das der ausgewählten Bezugstemperatur entspricht; Erfühlen der Temperatur der Außenatmosphäre, um ein drittes elektrisches Signal zu erzeugen, das der atmosphärischen Außentemperatur entspricht; Vorsehen von mindestens drei Stufen von elektrischen Zusatz— heizungen, um für den konditionierten Raum Wärme zu erzeugen;

Vorsehen einer programmierten Steuervorrichtung, um ein Signal zur Aktivierung der elektrischen Heizungen in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur, der Bezugs— temperatur und der atmosphärischen Außentemperatur zu erzeugen;

automatisches Wechseln durch eine Rückstellvorrichtung von der ersten Bezugstemperatur auf die zweite Bezugstempera— tür bei einer vorgegebenen Tageszeit; Aktivieren von einer der drei Stufen der elektrischen Heizungen durch die Steuervorrichtung, wenn die gemessene Temperatur bei einer speziellen Stichzeit geringer ist als

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eine entsprechende errechnete Temperatur für diese Stich— zeit über mindestens zwei aufeinanderfolgende Stichzeiten; und

Steuern der Signalerzeugung durch einen .Mikroprozessor mit einem Programm zur Aktivierung der elektrischen Zusatzheizungen, um auf die gemessene Temperatur des konditianierten Raumes einzuwirken.

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