impianti e macchine per la deumidificazione delle

PROGETTAZIONE
Luca Ferrari
IMPIANTI E MACCHINE PER LA
DEUMIDIFICAZIONE DELLE PISCINE
del sistema, dovrà comunque tenere
in debito conto i costi dell’applicazione, primi tra tutti quelli di gestione.
Solo in questo modo è possibile poter
eseguire una scelta consapevole tra
i diversi metodi di deumidificazione,
tenendo presente che non sempre i
sistemi più complessi risultano i migliori per ogni situazione gestionale.
E’ opportuno ricordare che tra le
diverse variabili che influiscono in
modo tangibile sui costi di gestione
quella delle condizioni climatiche
esterne presenta certamente il maggior impatto economico. Viene così
spontaneo procedere ad una mappatura annuale (su scala giornaliera,
meglio ancora oraria) delle esigenze
gestionali del centro natatorio, in
modo da poter prendere la migliore
decisione per l’acquisto del sistema di
deumidificazione più efficace.
Le tipologie impiantistiche
Nel seguito sono delineate le tipologie
di impianto che possono rappresen-
RCI
I
l controllo dell’umidità è stato affrontato fino ad oggi con diverse soluzioni
di impianto, da quelle più semplici
delle origini fino ad arrivare a sistemi
molto sofisticati e di elevata efficienza
energetica. E’ naturale quindi prendere in considerazione dai sistemi più
semplici ed economici fino a complesse architetture impiantistiche che
integrino in un’unica gestione tutti i
fluidi resi disponibili nella struttura.
La tipologia impiantistica individuata,
indipendentemente dalla complessità
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GLI IMPIANTI E LE MACCHINE DI DEUMIDIFICAZIONE PER LE PISCINE COPERTE
RICEVONO CONTINUI AGGIORNAMENTI DETTATI SIA DALL’ADEGUAMENTO AI NUOVI
STANDARD ENERGETICI E SIA DALL’EVOLUZIONE TECNOLOGICA. UNA SELEZIONE
ATTENTA NON PUÒ PRESCINDERE DA UN’ANALISI COSTI-BENEFICI E DALLA
COMPLESSITÀ DEL SISTEMA PRESCELTO.
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PROGETTAZIONE
tare delle pietre miliari nello sviluppo
dei sistemi di climatizzazione per
l’ambiente piscina:
■ Sola termoventilazione (ricambi
d’aria esterna con portata costante e
variabile).
■ Termoventilazione con scambiatore
di calore aria-aria (recupero di calore).
■ Deumidificazione standard.
■ Deumidificazione con economizzatore (free cooling).
■ Deumidificazione con pompa di
calore e recuperatori aria/acqua.
Va subito detto che le normative e gli
standard di riferimento hanno, e questo per tutte le soluzioni esaminate,
un’influenza diretta sui carichi latenti
sviluppati all’interno della struttura.
Difatti, sia la norma Ashrae 62.1, che
l’accordo del 16 gennaio 2003 tra Stato - Regioni (Gazzetta Ufficiale N. 51
del 3 Marzo 2003) prevedono valori
minimi inderogabili di ventilazione con
aria esterna, che dunque risultano discriminanti in sede progettuale.
In particolare la norma Ashrae 62.1
richiede una quantità di aria esterna
pari a 2,5 l/s per metro quadrato di
superficie della vasca e della zona
perimetrale. Viceversa, in presenza
di un’area spettatori, questo valore
viene posto, solo in quel settore, a 7
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Fig. 1 - Schema di un
impianto “push pull” per
la ventilazione di piscine
coperte.
La semplicità del
sistema, dipendente dalle
condizioni climatiche
esterne, non permette
il controllo in continuo
dell’umidità relativa
indoor. 1) batteria di
riscaldamento; 2) aria
esterna; 3) riscaldamento
acqua piscina.
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Fig. 2 - Impianto derivato
dal precedente ma
con l’aggiunta di un
recuperatore di calore
a piastre, a flussi
incrociati tra aria espulsa
e aria esterna. Pur
migliorando il bilancio
energetico del processo
di deumidificazione,
conserva le stesse
limitazioni dell’impianto
di sola termoventilazione.
1) batteria di preriscaldamento; 2) batteria
di riscaldamento; 3) aria di
mandata; 4. scambiatore
aria-aria; 5. aria espulsa.
l/s per persona presente. L’accordo
del 16 gennaio 2003 tra il Ministro
della salute, le regioni e le province
autonome di Trento e di Bolzano sugli
aspetti igienico-sanitari per la costruzione, la manutenzione e la vigilanza
delle piscine a uso natatorio indica
un ricambio di aria esterna di almeno
20 m3/h per metro quadrato di vasca.
Nelle altre zone destinate ai frequentatori (spogliatoi, servizi igienici, pronto
soccorso) il ricambio dell’aria dovrà
risultare non inferiore a 4 volumi/h.
Va da sé che in tutti i casi, i valori
dei tassi di ricambio con aria esterna, per come sono stati stabiliti, non
considerano le diverse situazioni dei
carichi latenti di deumidificazione. Di
conseguenza, l’impianto di trattamento dell’aria di ricambio deve essere
progettato prevedendo una maggior
portata di aria esterna al fine di compensare la richiesta di deumidificazione.
Pertanto, in generale, per almeno otto
mesi all’anno nelle regioni settentrionali, la portata d’aria esterna per la
deumidificazione risulta circa il doppio di quella prevista dalla normativa,
mentre nel Sud dell’Italia questo valore può raggiungere quattro volte la
quantità regolamentare prevista.
In sintesi una vera analisi di spesa di
funzionamento deve prendere in considerazione quanto segue:
■ Portata aria esterna (fredda) da
riscaldare (in ottemperanza alla normativa di riferimento).
■ Riscaldamento dell’acqua della
piscina per compensare le perdite di
calore per evaporazione.
■ Totale dei costi elettrici consumo
(compressore e ventilatori).
■ Totale del risparmio energetico per
recupero di energia.
■ Risparmio di recupero di calore
dell’aria di scarico (accreditamento).
Sola termoventilazione
Il sistema che può dirsi capostipite
è quello con ventilazione mediante
tutta aria esterna, denominato “pushpull” (spingi - estrai, riferito all’aria)
nella terminologia americana, il cui
La sua logica evoluzione ha previsto
l’installazione di un recuperatore di
calore sull’aria espulsa che effettua
un pretrattamento dell’aria esterna
prima che essa venga immessa in
ambiente, come rappresentato dallo
schema nella figura 2. Ciò offre un
apprezzabile recupero di energia, che
però in certe condizioni è meno eclatante di quanto sembri. Ad esempio,
in zone con basse temperature esterne invernali è necessario prevedere
una batteria di preriscaldamento a
monte dell’ingresso al recuperatore
per evitare pericoli di gelo. Normalmente questo processo di scambio
termico viene descritto con efficienze
molto elevate (oltre il 70%), almeno
sulla carta, ma viceversa un’analisi energetica stagionale basata su
principi psicrometrici dimostra molto
spesso che tali valori di efficienza non
possono essere certamente garantiti
lungo tutto l’arco dell’anno.
Infatti il recupero dell’energia totale
(sensibile + latente) dell’apparecchio
varia con la temperatura e l’umidità e
in generale presenta una curva caratteristica come quella illustrata nella figura 3. In sostanza, quando si richie-
de il massimo recupero di energia
l’efficienza del recuperatore si ritrova
ai suoi valori minimi! Inoltre, neppure con questo sistema è possibile la
climatizzazione estiva e ciò limita le
possibilità di utilizzo della struttura.
In queste situazioni, il controllo termoigrometrico delle condizioni indoor
della piscina risultano completamente
fuori controllo, così come la funzione
di recupero del calore.
Anche in questo caso, per stimare le
implicazioni del sistema sui costi, è
bene prendere in considerazione:
- riscaldamento dell’aria esterna
(fredda);
- riscaldamento dell’acqua della piscina per compensare le perdite di
calore per evaporazione;
- costi operativi del ventilatore di
mandata e di espulsione;
- costo dei comandi supplementari di
controllo, delle serrande, dello scambiatore e delle canalizzazioni;
- recupero di energia sensibile dall’aria espulsa (risparmio).
Deumidificatore standard
Durante la metà degli anni 70 del
novecento, è stato realizzato il primo
deumidificatore basato su un ciclo di
refrigerazione, destinato a rimuovere
l’umidità da un ambiente natatorio
indipendentemente dalle condizioni
climatiche esterne (figura 4). Una
versione migliorativa del prodotto prevedeva inoltre l’utilizzo di una pompa
di calore con recupero di energia in
modo da poter recuperare entrambe
Fig. 4 - Schema di un impianto di climatizzazione e deumidificazione per piscine coperte nel quale è
prevista un’unità di deumidificazione a pompa di calore e recupero di energia che permette il recupero
del calore totale (latente + sensibile) per il riscaldamento dell’aria e/o dell’acqua di piscina. 1) aria
di ricircolo calda e umida; 2) deumidificatore; 3) batteria di riscaldamento; 4) scambiatore per il
riscaldamento dell’acqua di piscina; 5) aria calda e asciutta.
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Termoventilazione con
scambiatore di calore
Fig. 3 - Andamento tipico
dell’efficienza totale di scambio termico
di un recuperatore di calore aria-aria
a flussi incrociati in funzione della
temperatura dell’aria esterna
di ingresso.
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schema di principio è riportato nella
figura 1. L’aria esterna previamente
riscaldata da una batteria viene immessa in ambiente da un ventilatore,
mentre un quantitativo leggermente
maggiore viene estratto da un secondo ventilatore, creando perciò una
leggera depressione nel locale. Non
vi è alcun recupero e, come può intuirsi, il consumo di energia è elevato
poiché viene dispersa in atmosfera
un’aliquota rilevante di calore sensibile e latente. Ad esso si aggiunge il
consumo di energia dei ventilatori.
Oltretutto il controllo dell’umidità e
della temperatura sono molto limitati
e non è previsto il condizionamento
estivo. Al suo attivo il sistema ha però
il basso costo di acquisto e di installazione, oltre alla rapidità con cui si
possono eseguire i lavori.
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PROGETTAZIONE
Fig. 5 - Unità di trattamento
per piscine coperte dotata di un
economizzatore che prevede
il regime di free cooling,
arrestando il compressore,
quando la temperatura esterna
lo permette. 1) aria di espulsione;
2) aria esterna; 3) batteria
dell’evaporatore; 4) batteria di
post-riscaldamento; 5) batteria
supplementare ad acqua calda;
6) scambiatore di calore per
riscaldamento acqua di piscina;
7) aria di mandata; 8) aria di
ricircolo.
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Fig. 6 - Schema funzionale di un’unità di climatizzazione per piscine coperte dotata di uno speciale
scambiatore di calore espressamente progettata per questi ambienti. Il regime illustrato è quello
dell’invio della minima quantità di aria esterna, recupero del calore e ricircolo (Menerga).
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le frazioni di energia (sensibile e latente) direttamente dall’aria calda e
umida sostituita, restituendo il contenuto all’aria di rinnovo.
In questo modo il controllo sull’unità
deumidificante riduce drasticamente
la richiesta di aria esterna, procurando un notevole risparmio economico.
Di per se il sistema rimane molto
semplice in quanto un deumidificatore basato sul ciclo di refrigerazione
si comporta sostanzialmente come
un condizionatore d’aria.
Durante la fase di raffreddamento l’energia recuperata dall’aria ambiente
può ancora essere utilizzata per riscaldare l’acqua della piscina o per
preriscaldare l’acqua calda per uso
sanitario.
Per stimare i costi del sistema con
deumidificatore standard si devono
esaminare:
- portata d’aria esterna (fredda) da
riscaldare (in ottemperanza alla nor-
mativa di riferimento);
- riscaldamento dell’acqua della piscina per compensare le perdite di
calore per evaporazione;
- costi operativi del ventilatore di
mandata e di espulsione;
- totale dei costi elettrici consumo
(compressore e ventilatori);
- totale del risparmio energetico per
recupero di energia.
Deumidificatore
ed economizzatore
Con specifiche condizioni esterne è
possibile prelevare e immettere direttamente nei locali piscine quantità di
aria esterna non trattata in modalità
free cooling (figura 5). L’economizzatore è costituito sostanzialmente da
un sistema di serrande pilotato dal
microprocessore della macchina.
La presenza dell’economizzatore a
tutta aria esterna non deve trarre in
inganno sulla convenienza del siste-
ma: l’opzione “free cooling” risulta
mediamente operativa solo tra il 7 e
il 18 % del tempo totale di funzionamento dell’impianto.
Si tratta dunque, in determinati periodi dell’anno, di utilizzare l’impianto di
deumidificazione come una semplice
unità di condizionamento dell’aria dotata di economizzatore, cioè con la
possibilità di sospensione del ciclo
frigorifero di raffreddamento quando la temperatura esterna dell’aria è
opportuna per approfittare del conosciuto processo di “free cooling”.
Va da sé comunque che per stabilire il pronto intervento del regime di
economizzazione sia necessario il
controllo e l’interazione automatica di
diversi parametri ambiente e impianto. Inoltre, per usufruire appieno di
questo beneficio bisogna escludere
le seguenti operazioni:
■ Quando la piscina è inutilizzata, e
dunque non è necessario osservare le
portate d’aria esterna di ventilazione
previste dalla normativa, la modalità
di ventilazione in “free cooling” può
essere interrotta.
■ Se la temperatura dell’aria esterna
è minore della temperatura di blocco
dell’evaporatore (di solito 12,5 °C),
allora diviene più redditizio utilizzare, previo preriscaldamento dell’aria
esterna (con recupero di calore), il
solo condizionatore escludendo la
funzione economizzatrice.
■ Durante la stagione estiva, la temperatura dell’aria degli ambienti interni
tenderà ad aumentare anche per l’aria
calda immessa con la ventilazione e
per gli apporti solari. Per impedire
Fig. 7 - Schema funzionale dell’unità della figura precedente con l’aggiunta del recupero termodinamico;
l’aria esterna viene dapprima preriscaldata attraversando il recuperatore di calore, quindi la batteria
di riscaldamento della pompa di calore, ed eventualmente postriscaldata attraverso una batteria di
postriscaldamento (Menerga).
Deumidificatore a pompa
di calore e recuperatori
di calore
Come detto, i ricambi obbligatori di
aria esterna imposti dalle normative
rappresentano la più grande causa
di perdita di energia dell’ambiente
piscina. Appare evidente che un sistema completo di deumidificazione
dovrebbe poter recuperare, anche se
parzialmente, questa perdita di energia. Le unità di deumidificazione più
recenti integrano le funzioni di recupero di calore sia dell’aria espulsa,
e sia dall’acqua della piscina, con la
possibilità di far funzionare il sistema
con molteplici ruoli operativi.
Queste macchine nei modelli particolarmente efficienti sono dotate di
circuito frigorifero (recupero di calore
termodinamico) associato a un recuperatore di calore statico. L’abbinamento è in grado di far raggiungere
alle unità COP estremamente elevati.
Di norma la portata d’aria inviata in
piscina viene deumidificata attraverso l’immissione di una minima porta-
Fig. 8 - Circuito frigorifero essenziale di
un deumidificatore per piscine coperte,
equipaggiato con due condensatori,
ad aria (con funzione di batteria di
post-riscaldamento), e ad acqua,
eventualmente per il riscaldamento
dell’acqua di piscina. La scelta tra
l’uno o l’altro viene effettuata mediante
valvola a 3 vie sulla mandata del
compressore (Desert Aire).
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esclusivamente al “free cooling”.
Dunque anche con questa applicazione è necessario osservare:
- portata aria esterna (fredda) da riscaldare;
- riscaldamento dell’acqua della piscina per compensare le perdite di
calore per evaporazione;
- totale dei costi elettrici per il funzionamento dell’unità;
- totale del risparmio energetico per
recupero di energia.
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questo surriscaldamento, la modalità
“free cooling” deve essere arrestata e
l’unità di condizionamento deve procedere in modo autonomo deumidificando l’ambiente.
■ La funzione “free cooling”, diversamente da altre applicazioni, dovrebbe
controllare in questi casi soprattutto
i valori di umidità in ambiente. Pare
evidente che in presenza di condizioni
atmosferiche esterne con alti valori di
umidità, la procedura perda completamente di vista il suo scopo.
■ Alcune gestioni di regolazione stabiliscono una priorità nel riscaldamento
dell’acqua della piscina. In queste condizioni l’economizzatore viene inibito.
Preso singolarmente, ognuno dei
suddetti parametri di controllo varia
a seconda delle località e del tipo di
progettazione impiantistica.
Combinando però le diverse opzioni
non si può nascondere un dato estremamente interessante, indipendentemente dalla zona climatica: la modalità in “free cooling” dell’impianto
copre un arco di tempo di funzionamento durante l’anno tra il 7% - 18%.
Va da se che il sistema generi un
risparmio energetico rispetto, per
esempio, al semplice impianto di
termoventilazione già descritto, ma
già di fronte al solo impianto di deumidificazione, la modalità economizzatrice presenta un costo operativo
decisamente più elevato, in virtù della
presenza di un’unità ventilante, funzionante 24 ore al giorno, dedicata
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PROGETTAZIONE
Fig. 9 - Soluzione analoga alla precedente ma
con applicazione di un condensatore remoto ad
aria al posto di quello ad acqua (Desert Aire).
RCI
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Fig. 10 - Ulteriore trasformazione dello
schema fondamentale della macchina
prevedendo la presenza, oltre alla batteria di
post-riscaldamento, di un condensatore ad
aria remoto e uno ad acqua (parziale) con due
valvole a 3 vie per un funzionamento flessibile
come spiegato nel testo (Desert Aire).
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ta di aria esterna, in quantità tale da
rispettare le normative (ad esempio,
VDI 2089), che si va così ad aggiungere a quella ricircolata.
La percentuale di aria esterna dipende dall’evaporazione dell’acqua
(e quindi dal livello di occupazione
della piscina), così come dall’umidità
dell’aria esterna. Questo valore è dunque regolato in continuo nelle macchine in modo automatico tramite un
microprocessore, che gestisce tramite sonde di regolazione dedicate, il
volume di aria esterna necessaria a
soddisfare la normativa di legge, tenendo sempre un occhio di riguardo
al risparmio energetico.
Se il recupero di calore risulta non
sufficiente a raggiungere la temperatura desiderata dell’aria in immissione, viene attivata la batteria di
riscaldamento (figura 6).
Quando sia necessario rendere ancor
più efficiente il processo di recupero
di calore dall’aria espulsa come anticipato è possibile prevedere un sistema comprensivo di pompa di calore.
Si ha così che nella stagione invernale l’aria viene espulsa solo dopo
aver attraversato un recuperatore di
calore asimmetrico ad alta efficienza
e in continuo subire un ulteriore preraffreddamento sull’evaporatore della pompa di calore che recuperando
parte della sua energia la restituisce
al condensatore per un preriscaldamento dell’aria esterna. Con questo
preraffreddamento la capacità di
deumidificazione della macchina
viene notevolmente aumentata.
La figura 7 rappresenta lo schema
del regime di funzionamento normale
con deumidificazione; l’aria esterna è
preriscaldata attraversando dapprima il recuperatore di calore, quindi
attraversando una batteria di riscaldamento della pompa di calore, in
parziale miscela con aria di ripresa, e
successivamente eventualmente postriscaldata attraverso una batteria di
postriscaldamento (in bianco).
In aggiunta, è possibile inviare, tramite una valvola a tre vie, parte del
calore recuperato all’evaporatore ad
una batteria ad acqua che potrà utilizzarlo per i servizi di ACS o per il riscaldamento dell’acqua delle vasche.
nologie mutuate dai condizionatori
autonomi monoblocco a espansione
diretta, però con una serie di varianti
del tutto peculiari. Questi apparecchi
rappresentano il sistema più pratico,
efficiente ed economico per effettuare la deumidificazione dell’aria
mantenendola entro valori moderati di umidità relativa, tra il 30% e il
60%. Dai diagrammi prestazionali
pubblicati dai costruttori si può verificare come le migliori condizioni di
funzionamento di queste macchine
si abbiano quando la temperatura
dell’aria ambiente da deumidificare
sia compresa tra 15 e 30 °C, mentre
l’umidità relativa sia al di sopra del
50%. In queste condizioni si produce
La tecnologia delle macchine la maggiore asportazione di umidità.
Nella sostanza, i moderni deumi- Indicativamente, le capacità di rimodificatori per piscine utilizzano tec- zione di umidità dall’aria per i modelli
Fig. 11 - Schema di un’unità di
deumidificazione a pompa di calore
con due circuiti frigoriferi indipendenti
con doppie batterie per consentire
un funzionamento di massima
flessibilità. 1) batteria evaporatore;
2) serranda di bypass; 3) batteria di
postriscaldamento; 4) scambiatore
di calore per riscaldamento acqua di
piscina; 5) ventilatore; 6) condensatore
remoto (Desert Aire).
aria remoto, secondo la domanda.
Nel caso in cui non vi sia domanda
di riscaldamento dell’acqua, la prima
valvola a 3 vie dirige il refrigerante
direttamente alla valvola successiva
che lo può immettere o nella batteria
di post-riscaldamento o dirottare verso il condensatore remoto. Il sistema
è quindi modulante e tiene conto da
Fig. 12 - Due diversi modelli di unità di
climatizzazione e deumidificazione a
pompa di calore per piscine coperte di
dimensione medio/grande a sviluppo
orizzontale e verticale (Desert Aire).
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in uscita dal compressore incontra
una valvola a 3 vie che può dirigerlo
verso il condensatore ad acqua (per
il riscaldamento di acqua di piscina
o produzione di acqua calda sanitaria). Il refrigerante in uscita prosegue
fino alla seconda valvola a 3 vie che
può dirigerlo o alla batteria di postriscaldamento o al condensatore ad
RCI
monoblocco sono intorno a 50 - 60
litri/24 ore per kW di potenza assorbita. Questi dati sono però riferiti a
condizioni molto favorevoli: aria entrante a 30 °C con l’80% di umidità
relativa. In realtà essi possono dimezzarsi passando dall’80% al 50%
di umidità relativa, o scendendo da
30 °C a 15 - 20 °C.
I modelli per usi speciali e nelle piscine possono raggiungere capacità tali
da rimuovere anche oltre 3000 litri
d’acqua dall’aria umida nelle 24 ore,
acqua che viene poi variamente riutilizzata. Le figure 8, 9 e 10 rivelano le
alternative che le macchine possono
incorporare per rispondere al meglio
alle diverse funzioni richieste.
Assumendo la figura 8 come schema di partenza, si osserva già la
presenza di due condensatori distinti: il primo, costituito da una batteria
refrigerante-aria, svolge in realtà le
funzioni di post-riscaldatore per l’aria
di mandata; il secondo può essere
chiamato in funzionamento quando
il post-riscaldamento non è richiesto
e può eventualmente provvedere a
riscaldare l’acqua di piscina con un
evidente recupero di energia. Una
valvola a tre vie devia verso l’uno o
l’altro il gas refrigerante surriscaldato
in uscita dal compressore. Invece nella figura 9 il condensatore ad acqua è
sostituito da un condensatore ad aria
remoto, escludendosi in tal caso ogni
possibilità di recupero di energia.
La soluzione successiva, illustrata
nella figura 10, prevede, in aggiunta
alla batteria di post-riscaldamento,
la presenza di un condensatore ad
acqua di capacità solamente parziale e in più di un condensatore
ad aria remoto. Il gas surriscaldato
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