地源熱泵技術(shù)在儲糧領(lǐng)域的應(yīng)用前景

一、我國儲糧的現(xiàn)狀和發(fā)展新型儲糧技術(shù)的必要性

糧食是人類賴以生存和發(fā)展的基本生活資料，是關(guān)系國計民生的戰(zhàn)略物資，在人民生活和國民經(jīng)濟發(fā)展中，具有特殊的地位和作用。而由于其在儲藏過程中常遭受蟲、霉、鼠等有害生物的侵害，造成重量和質(zhì)量的損失以外，還受熏蒸殺蟲劑等化學(xué)因素影響，使糧食或多或少帶有一定量的藥劑殘留，造成化學(xué)污染。我國國家儲備糧具有以下特點：以原糧為主，主要種類為小麥、稻谷、玉米、大豆和植物油：儲藏時問較長，一般2—5年；儲藏地域條什多樣，糧庫遍布全國，氣候多樣；倉儲設(shè)施和技術(shù)條件有了較大的改善，但流通(特別是運輸)技術(shù)較為落后。因此。儲藏期問減少儲糧損失和保持儲糧品質(zhì)難度較大，儲藏安全隱患較多，儲糧期問防治蟲霉多依賴于化學(xué)藥荊，使得糧食殺蟲劑污染風(fēng)險增大，難以滿足綠色糧油食品生產(chǎn)的需求。

隨著社會的進步和物質(zhì)生活水平的不斷提高，人們對綠色、無公害、無污染的、營養(yǎng)價值高的糧油食品的需求日趨迫切。因此，實施綠色儲糧具有極其重要的意義。它不僅是社會發(fā)展的需要，也是糧食儲藏發(fā)展和人們生活水平提高的需要，是確保儲糧安全、衛(wèi)生、環(huán)保的必然選擇。

二、影響糧食安全儲藏的因素

1、 清潔衛(wèi)生

保持糧食清潔對糧食的安全保管有很大的好處。糧食在收獲以后，應(yīng)盡量利用風(fēng)車過篩等方法，除去混在糧食中的雜物，使糧食含有的草籽、破碎粒、干癟粒、土粒、石屑和害蟲等雜物盡量減少。這是因為完整、健康的糧粒有較強的生命力，對蟲、霉有一定的抵抗力，而破損的不健康粒則沒有這種抵抗力，容易吸濕返潮、滋生害蟲、生長霉菌，所以糧食破損多，含雜多，水分高就會給生霉長蟲造成一個有利的環(huán)境，而健康清潔的糧食就可以減少或避免這種不利保管的因素。裝糧容器的清潔衛(wèi)生，也是十分重要的，因為容器不干凈，殘余的糧食、雜質(zhì)、害蟲自然會污染糧食，使糧食生蟲長霉,所以要認真清潔一切裝糧、運糧的容器，清除其中的殘余糧食、雜質(zhì)、害蟲等雜物。

2、 干燥

糧食的干燥是保證糧食安全保管的重要條件。干燥的糧食容易保管；不易生蟲生霉；可以延緩陳化作用、減少損失、保持糧食的營養(yǎng)和食用品質(zhì)。而濕糧則容易生蟲生霉變質(zhì)結(jié)塊，甚至*不能使用。為了確保糧食的安全，農(nóng)村家庭的儲糧應(yīng)盡量曬干后再進行儲藏。

糧食的干燥程度用糧食含水量（也叫糧食水分）來表示，含水量大的糧食濕，含水量少的糧食干。糧食的含水量以百分?jǐn)?shù)來表示，就是100份糧食中含水的份數(shù)。如12％水分的小麥就是說50千克的小麥含有6千克水；13％水分的稻谷，即是說50千克稻谷中含有6.5千克水。

在實際糧食保管的條件下每種糧食的安全水分標(biāo)準(zhǔn)只有一個，就是將在正常保管的條件下,能保證糧食安全度過夏季高溫的高水分，作為這種糧食的安全水分標(biāo)準(zhǔn)，儲糧只要不超過這種糧食的安全水分標(biāo)準(zhǔn)，在正常條件下，全年儲糧都是安全的。

3、低溫

溫度是影響糧油安全儲藏的重要因素。糧堆內(nèi)的害蟲、微生物、糧粒等生物成份在水分和氧氣條件適宜的情況下，還必須在一定的溫度范圍內(nèi)才能進行正常的生命活動。如果在不凍壞糧食的情況下，采取不同方式降低儲糧溫度，就能抑制糧堆內(nèi)各種生物成份旺盛的生命活動，減少糧食在儲藏期間干物質(zhì)的損耗，同時大限度地保持糧食原有品質(zhì)，延緩儲糧陳化速度，因此低溫技術(shù)是一種為理想的綠色儲糧技術(shù)。

三、綠色儲糧技術(shù)的發(fā)展歷程

綠色儲糧技術(shù)是指，在糧食儲藏期間，所采用的任一技術(shù)應(yīng)滿足綠色食品生產(chǎn)需要，這些技術(shù)的總稱為綠色儲糧技術(shù)。

綠色儲糧技術(shù)包括：低溫準(zhǔn)低溫儲糧技術(shù)，低溫和高溫殺蟲技術(shù)，輻照殺蟲技術(shù)、氣調(diào)儲糧技術(shù)、生物防治技術(shù)和清潔衛(wèi)生防治技術(shù)等。

低溫和準(zhǔn)低溫儲糧技術(shù)主要應(yīng)用于保持糧食品質(zhì)，使儲糧長期處于低溫和準(zhǔn)低溫狀態(tài)。低溫儲藏是指，糧堆平均溫度常年保持在15℃及以下，局部高糧不高于20℃的儲藏方式。準(zhǔn)低溫儲藏是指，糧堆平均糧溫常年保持在20℃及以下，局部高糧溫不高于25℃的儲藏方式。常規(guī)儲藏是指，在自然氣候條件下，對儲藏的糧油采取清潔衛(wèi)生、自然通風(fēng)、定期檢測糧情等一般技術(shù)處理和常規(guī)管理措施的儲藏方法。

當(dāng)糧溫低于-4℃時害蟲可在短期內(nèi)死亡；糧溫在4℃～8℃之問時，害蟲處于冷麻痹狀態(tài)；糧溫在8"C～15"C之間時，害蟲停止活動。15℃～20℃準(zhǔn)低溫條件可以抑制某些害蟲的種群發(fā)展，也可取得一定額度防治效果。

低溫儲糧的歷史非常悠久，是目前全*的為安全、可靠、合理、符合綠色環(huán)保要求的儲糧技術(shù)，是確保糧食安全儲藏和品質(zhì)保鮮的重要方式，也是有發(fā)展前途的綠色生態(tài)儲糧技術(shù)。其不但可以延緩糧食陳化，具有一定的保鮮作用，而且是目前國內(nèi)外應(yīng)用廣泛的病蟲害防治方法。低溫儲糧技術(shù)是使一定溫度、濕度的冷空氣，在穿過糧堆時與糧食進行熱濕交換，使儲藏過程中將平均糧溫控制在15℃以下，從而降低糧堆的呼吸強度，抑制害蟲和微生物生長，減少糧食損失，延緩品質(zhì)陳化和劣變，同時在一定程度上控制倉內(nèi)糧食水分損失，在少用或不用有害藥劑熏蒸，達到安全、保鮮、生態(tài)儲存糧食的目的。研究表明：溫度降低10℃，食用糧的生化反應(yīng)速度就減少一半；糧食保持一定的活力：在t=O～50 ℃范圍內(nèi)，每降低5℃，種子的壽命增加一倍。一般環(huán)境溫度為8℃ ～15℃時，是儲糧害蟲生命活動的低界限，如果低于此溫度，害蟲就不能發(fā)育和繁殖；如溫度低于8℃ ～ -4℃ ，害蟲就處于冷麻痹狀態(tài)；如果該溫度持續(xù)的時間很久，害蟲就可能致死。如果溫度低于一4℃，達到破壞害蟲體內(nèi)的細胞結(jié)構(gòu)時，害蟲則致死。

在國外，日本是早使用低溫儲糧技術(shù)的國家，1951年建成*座空調(diào)低溫倉，到1976年，已建成1527座低溫倉，儲糧190萬噸（占日本全國總倉容的19%），2006年已發(fā)展到儲糧710萬噸（占總倉容的84%），基本實現(xiàn)了稻谷大米儲藏的低溫化。此外日本還成功的利用海底低溫水下儲藏技術(shù)儲存糧食，并且是*掌握這項技術(shù)的國家。德國在1958年成功開發(fā)出了機械制冷低溫儲糧設(shè)備---谷物冷卻機并投入工業(yè)化生產(chǎn)和推廣應(yīng)用，而今，機械制冷低溫儲糧技術(shù)被德國糧食倉儲業(yè)普遍采用，*替代了化學(xué)藥劑的使用。此外，在英、法、西班牙等西歐國家，該技術(shù)也廣泛的應(yīng)用。

低溫儲藏技術(shù)雖然是一種*的、的綠色生態(tài)儲藏技術(shù)，但在我國由于受到地域環(huán)境、使用成本瓶頸的限制，在糧食倉儲行業(yè)中，推廣運用低溫儲糧的技術(shù)還存在很大差距。我國近年來對于低溫儲藏技術(shù)也進行了大量的研究，其發(fā)展成果主要包括：采用機械通風(fēng)降溫技術(shù)，充分利用自然冷空氣這一重要資源，取得較好的低溫儲藏效果。但是這一技術(shù)往往受到地域條件、季節(jié)時期的限制，只能作為階段性的儲糧技術(shù)；控溫儲糧技術(shù)，強調(diào)對于儲糧設(shè)施的隔熱性、保溫性的改造，從而延緩糧溫的升高趨勢，但這也難以阻止糧溫整體升高的態(tài)勢，特別是在高溫儲糧區(qū)域效果也不明顯；采用谷物冷卻機、空調(diào)等制冷設(shè)備，具有明顯的降溫、控溫特點，可確保糧食處于低溫或準(zhǔn)低溫狀態(tài)。但使用時，耗電成本比較高，難以廣泛推廣使用。

目前我國常采用的低溫儲備技術(shù)主要是利用谷物冷卻機給糧倉制冷。谷物冷卻機是制冷技術(shù)、通風(fēng)技術(shù)、自控技術(shù)在谷物冷藏中的綜合應(yīng)用。谷物冷卻機由制冷系統(tǒng)(壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器、后加熱裝置、干燥器)、空氣過濾器、離心風(fēng)機、可編程控制系統(tǒng)、移動箱體等組成。其工作原理如下：向倉庫內(nèi)吹入經(jīng)過冷卻和濕度調(diào)節(jié)的適合所存放谷物特性的一定溫度和濕度的空氣，實現(xiàn)谷物的低溫儲藏。即被離心風(fēng)機吸入的空氣經(jīng)過網(wǎng)濾濾去雜物，在流經(jīng)蒸發(fā)器時進行熱交換后被冷卻，冷卻程度按設(shè)定的出風(fēng)溫度自動控制。當(dāng)被制冷的空氣的相對濕度超過設(shè)定值時，由后加熱裝置加熱，使?jié)窭淇諝馍郎兀瑥亩档推湎鄬穸龋ㄟ^自動控制，將溫度、濕度均符合設(shè)定要求的空氣由離心風(fēng)機送入糧庫風(fēng)網(wǎng)，進入谷物堆。

圖1 谷物冷卻機

圖2谷物冷卻機工作原理圖

但其耗電成本過高的缺點使該技術(shù)逐漸被放棄，能否尋找到一種普遍存在，并且運行費用低廉的夏季冷源便成為低溫儲糧技術(shù)大規(guī)模推廣的關(guān)鍵。

四、使用地源熱泵儲糧的原理和可行性

地?zé)崮苁且环N來自地球內(nèi)部的清潔的可再生能源。地?zé)崮馨凑諛?gòu)造成因，溫度等級，埋藏深度，水熱傳輸方式等的不同，可以劃分成不同類型。例如按溫度等級，可分為高溫地?zé)豳Y源（>150℃），中溫地?zé)豳Y源（90-150℃）和低溫地?zé)豳Y源（<90℃）；按埋藏深度的不同，可分為淺層地?zé)豳Y源（<400m）和深層地?zé)豳Y源（>400m）；按熱傳輸方式，可分為傳導(dǎo)型地?zé)豳Y源和對流型地?zé)豳Y源。地?zé)豳Y源是指在當(dāng)前技術(shù)經(jīng)濟條件下具備開發(fā)利用價值的地球內(nèi)部的熱能資源，淺層地?zé)崮苡置麥\層地溫能，是指地表以下一般至200 米深度范圍內(nèi)的資源。

圖3 地源熱泵系統(tǒng)工作原理

目前主要是通過地源熱泵技術(shù)將賦存于地層中的低品位熱源轉(zhuǎn)化為可以利用的高品位熱源，可為民用或公共建筑提供供暖、制冷以及生活熱水。地源熱泵（簡稱GSHP）是一種利用地下淺層低溫地?zé)豳Y源（地下巖石、土壤、地下水或地表水）的既可供熱又可制冷同時還可提供生活熱水的節(jié)能熱泵系統(tǒng)。《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50366-2005)規(guī)定地源熱泵系統(tǒng)的定義是：以巖土體、地下水或地表水為低溫?zé)嵩矗伤礋岜脵C組、地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)、建筑物內(nèi)系統(tǒng)組成的供熱空調(diào)系統(tǒng)。根據(jù)地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)形式的不同，地源熱泵系統(tǒng)分為地埋管地源熱泵系統(tǒng)、地下水地源熱泵系統(tǒng)和地表水地源熱泵系統(tǒng)。地源熱泵技術(shù)除了我們熟知的供暖、制冷和提供生活熱水功能外，在糧食儲備領(lǐng)域的應(yīng)用效果也非常理想。

地源熱泵技術(shù)是利用少量的電能，提取地層中大量的冷量加以利用。地源熱泵低溫儲糧系統(tǒng)的工作原理就是利用地源熱泵機組和系統(tǒng)，將地下或水體中所蓄存的冷氣資源提取出來，經(jīng)過設(shè)備的二次降溫處理，低可將糧溫降至10℃（只要溫度低于15℃即為標(biāo)準(zhǔn)低溫要求）。淺層地?zé)崮芫哂蟹植紡V，儲量大等特點，是取之不盡用之不竭的低溫能源，利用價值大，是一種環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的低溫資源，而糧倉周圍一般都有足夠的土地面供地源熱泵系統(tǒng)的地下采集系統(tǒng)（通過地埋管或直接抽取/回灌地下水采能）采集淺層地能使用，因此，它的應(yīng)用可為全國各地儲糧工作帶來長遠持續(xù)的發(fā)展動力。據(jù)已投入應(yīng)用的項目數(shù)據(jù)反映，地源熱泵比空調(diào)、谷冷機等制冷設(shè)備可節(jié)省耗電量60-70%，這就為使用制冷設(shè)備所帶來的低溫運行成本瓶頸得到了很好的解決措施，從而使大規(guī)模推廣應(yīng)用低溫儲糧技術(shù)成為可能。

五、成功案例：將軍山糧食儲備庫地源熱泵降溫系統(tǒng)應(yīng)用實例

南京市江寧區(qū)將軍山糧食儲備庫12號倉，建于2006年，長24米，跨度27米，堆糧高度6米，地上籠通風(fēng)道，2個通風(fēng)口，單側(cè)通風(fēng)。倉房墻體厚度40厘米，空心磚，單層人字形屋頂，保溫層為15厘米厚的蛭石。倉房為鋼架結(jié)構(gòu)，無吊頂，糧面無壓蓋。試驗粳稻糧情見表1。

安裝的地源熱泵通風(fēng)降溫系統(tǒng)由四川生產(chǎn)。主要由地?zé)崮艿叵虏杉到y(tǒng)（PE管）、能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)（地源熱泵主機）、冷媒循環(huán)系統(tǒng)和回風(fēng)管道系統(tǒng)四個部分組成。地源熱泵降溫系統(tǒng)見示意圖4。

圖4 地源熱泵降溫系統(tǒng)示意圖

1、地源熱泵地下采集系統(tǒng)：根據(jù)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件，選用了地埋管這種淺層地能采集方式，單孔鉆深30m，孔徑200mm，孔內(nèi)安裝淺層地?zé)崮懿杉?/span>，采集溫度低18℃，實測供回水大溫差4℃。

2、能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)：淺層地能被采集后，提供給制冷系統(tǒng)降溫。

3、冷媒循環(huán)系統(tǒng)：主機的冷風(fēng)出口與糧倉的地上籠通風(fēng)口連接，冷風(fēng)從下至上穿透糧堆并吸收糧食熱量，冷風(fēng)因吸收了糧食熱量溫度升高，通過冷藏系統(tǒng)的回風(fēng)管道重新被抽回到主機里，冷風(fēng)在主機里將糧食熱量傳遞給制冷劑，然后冷風(fēng)溫度被降低后又被送入糧堆吸收熱量，循環(huán)降溫。

4、回風(fēng)管道系統(tǒng)：采用鍍鋅鋼板制作，口徑：480mm×480mm，外貼30mm厚保溫板，外層粘貼鋁箔紙用于反射太陽輻射熱量；水管道系統(tǒng)高壓輸水管道和DN 50快速拆卸式接口，便于機組的移動和拆卸。

接入地源熱泵降溫系統(tǒng)方法：對12號倉墻體進行改造，該回風(fēng)管道系統(tǒng)，形成淺層地能降溫系統(tǒng)的回風(fēng)口，將淺層地能降溫系統(tǒng)的出風(fēng)口與倉庫的機械通風(fēng)口連接，再將回風(fēng)管道與淺層地能降溫系統(tǒng)回風(fēng)口連接；將采集淺層地能的管道的進、出水口與淺層地能降溫系統(tǒng)的出、進水口連接，使水源可以循環(huán)冷卻和使用。機組連接方式見示意圖5。

圖5 機組連接示意圖

通過監(jiān)測結(jié)果分析：將軍山糧庫12號倉2臺淺層地能降溫系統(tǒng)機組2012年6月8日15:00開機試驗，開機電表讀數(shù)為26025kW·h；中途停機10h；2012年6月13日15:00后關(guān)機，關(guān)機電表讀數(shù)為28310 kW·h；經(jīng)過此次淺層地能降溫系統(tǒng)運行后，試驗倉由初始平均糧溫20.2℃，降為15.2℃，降幅為5℃，單位能耗為0.1560 kW·h /（℃·t）。12號試驗倉降溫前后溫度變化情況見表2。

從表2可以看出，糧堆表層溫度下降幅度大為8.1℃。淺層地能降溫系統(tǒng)有效降低了倉溫和糧堆表層溫度，使儲糧常年保持在低溫之下，延緩了糧食的品質(zhì)劣變速度，有利于糧食保質(zhì)保鮮，從而實現(xiàn)糧庫“綠色儲糧”。整倉降溫趨勢平緩，降幅為0.04℃/h，很大程度地減少了因降溫速度過快而影響糧食品質(zhì)變化的可能，從而達到了好的降溫效果。

根據(jù)多年實踐經(jīng)驗，谷物冷卻機在第五儲糧生態(tài)區(qū)應(yīng)用時，其實際使用能耗為0.58 kW·h /（t·℃）/（t·℃）～0.85kW·h /（t·℃）。此次實倉試驗地源熱泵低溫儲糧技術(shù)的單位能耗僅為0.156 kW·h /（t·℃），若改造倉房隔熱條件，增強倉房保溫性能，夏季能將低溫保持時間提高至20d，則全年能耗有望繼續(xù)降低。相比于谷物冷卻機的單位能耗，地源熱泵降溫系統(tǒng)節(jié)能效果非常顯著。

另外，位于四川省攀枝花市的米易縣青杠糧庫（圖6）也安裝了地源熱泵降溫系統(tǒng)。據(jù)提供地源熱泵低溫儲糧技術(shù)的成都朗博旺科技發(fā)展有限公司負責(zé)人劉照勇介紹，地源熱泵低溫儲糧技術(shù)先在江蘇和云南的糧庫得到運用，“由于糧食賺的都是分分錢，所以，地源熱泵低溫儲糧技術(shù)的能耗特別低，糧倉才用得起，每噸每年僅需5至8元的儲糧費用，費用遠遠低于傳統(tǒng)的儲糧技術(shù)。” 四川省糧食局倉儲處副處長胥璞認為，淺層地能低溫儲糧技術(shù)，“可使每噸糧食增加100元以上的效益”，同時，“糧食倉少施藥和不施藥，提高了社會效益”。

圖6 青杠糧庫安裝的地源熱泵低溫儲糧技術(shù)的部分設(shè)施

地源熱泵低溫儲糧技術(shù)有兩大主要技術(shù)：一是表層控溫技術(shù)。地源熱泵表層控溫設(shè)備可根據(jù)設(shè)定溫度自動將表層糧溫控制在一定溫度，使易上升的表層糧溫也控制在低溫標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。地源熱泵表層控溫設(shè)備采用噴射通風(fēng)設(shè)計，多個噴射風(fēng)口分成多個不同方向的送風(fēng)區(qū)域，冷風(fēng)全面覆蓋倉內(nèi)各區(qū)域，并且冷風(fēng)緊貼屋面而不直吹糧面，糧面溫度更加均勻并能減少水分流失。二是整倉降溫技術(shù)。該技術(shù)主要針對因高水分、高雜質(zhì)、多微生物蟲害引起的局部發(fā)熱、高溫季節(jié)入庫的整倉高溫糧、以及夏季墻體四周的高溫糧等情況采用的糧堆內(nèi)部降溫技術(shù)，能夠快速降低并均勻整個糧堆內(nèi)部的溫度，使整倉糧溫處于15℃的低溫標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。

六、地源熱泵低溫儲糧技術(shù)的發(fā)展前景

“地源熱泵低溫儲糧技術(shù)”具有五項比較明顯的優(yōu)勢：

一、節(jié)能。淺層地能將地下水或河水從18℃降到10℃，耗能僅為谷物冷卻機的三分之一，將軍山糧庫運用該技術(shù)，5萬噸庫存糧食在今年6-8月降溫電耗僅為15萬元。

二、降低糧食損耗。實施淺層地能控溫系統(tǒng)，糧食儲存時間在一年以上兩年以下（尤其是粳稻），較其他控溫措施相比，出庫水分高一個百分點。

三、減少藥物殘留。利用淺層地能低溫儲糧技術(shù)能有效控制蟲害的活動和繁殖，減少使用藥劑熏蒸殺蟲次數(shù)，在準(zhǔn)低溫應(yīng)用中杜絕了反復(fù)熏蒸操作，如能把好糧食入庫關(guān)，嚴(yán)格實施低溫儲糧，有望減少或免用藥劑熏蒸，實現(xiàn)糧食的綠色無公害儲存。

四、保持新鮮品質(zhì)。低溫和有效的保水技術(shù)使得糧食的各項品質(zhì)指標(biāo)變化速度大大降低，尤其能夠降低脂肪酸酯的上升速度，延緩品質(zhì)劣變，保持糧食新鮮和口感。

五、增效。若5萬噸糧食少流失1%水分，出庫時可多出500噸×2000元/噸=100萬元的經(jīng)濟效益。

綠色低溫儲糧已經(jīng)是現(xiàn)代儲糧方法的必然趨勢。“包括地源熱泵低溫儲糧技術(shù)在內(nèi)的綠色低溫儲糧技術(shù)，是現(xiàn)代糧食儲藏技術(shù)的發(fā)展方向和必然趨勢，可實現(xiàn)綠色儲糧、生態(tài)儲糧、環(huán)保儲糧、節(jié)能儲糧。”四川省糧食局倉儲處副處長胥璞認為，以化學(xué)防治為主的常規(guī)的儲糧技術(shù)，已不再符合現(xiàn)代糧食儲藏的要求。而地源熱泵低溫儲糧技術(shù)通過利用地下*免費的地?zé)崮茉矗ㄟ^少量的電能就能提取和獲得，創(chuàng)造性地解決了低溫儲糧過程中能耗過高的問題。地源熱泵技術(shù)比空調(diào)、谷冷機等制冷設(shè)備節(jié)省耗電量60%-70%，使價值很低的糧食也能夠承載其運行費用，老百姓在享用綠色、新鮮的放心糧油時，無需為此承擔(dān)較高的糧食價格，使生態(tài)、健康、無公害的高品質(zhì)糧油真正進入尋常百姓家，因此具有廣闊的利用前景。

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