白魯建，楊 柳，李署婷，宋 冰

（西安建筑科技大學(xué)建筑學(xué)院，陜西 西安 710055）

隨著生活水平的提高，室內(nèi)熱舒適問題越發(fā)引起人們關(guān)注．20世紀(jì)60年代美國學(xué)者Givoni通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)舒適的室內(nèi)熱環(huán)境不僅有利于居住者的身心健康同時(shí)也有利于提高工作效率[1-2]．教室作為學(xué)生的主要學(xué)習(xí)空間，中小學(xué)生除去休息時(shí)間以外全天有67 %的時(shí)間在教室渡過．因此，研究及提高中小學(xué)教室室內(nèi)熱環(huán)境狀況將對中小學(xué)生的學(xué)習(xí)效率及身心健康產(chǎn)生重要影響．

近年以來不少國外學(xué)者通過儀器設(shè)備對中小教室室內(nèi)的客觀環(huán)境參數(shù)進(jìn)行了大量測試研究．意大利學(xué)者Valeria De Giuli在春季通過對28間無空調(diào)設(shè)備的小學(xué)教室進(jìn)行對比研究后發(fā)現(xiàn)教室內(nèi)通風(fēng)不足CO2濃度過高，且學(xué)生在多數(shù)時(shí)間里感覺較熱[3]．以往研究表明教室溫度過高易于導(dǎo)致學(xué)生頭痛和胸悶，進(jìn)而導(dǎo)致無法集中精力上課[4-5]．美國學(xué)者Gwen C. Marchand以大學(xué)生為對象開展了對比性試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)處在不舒適室內(nèi)環(huán)境下的學(xué)生要比舒適環(huán)境下學(xué)生學(xué)習(xí)效率差[6]．

除空氣溫度、風(fēng)速及相對濕度等室內(nèi)客觀環(huán)境參數(shù)以外，室內(nèi)熱環(huán)境的優(yōu)劣主要取決于人體的主觀熱感覺及熱需求．早在19世紀(jì)70年代法國學(xué)者Humphreys便從人體熱舒適的角度出發(fā)來研究小學(xué)生的熱感覺及熱需求，研究發(fā)現(xiàn)兒童對熱環(huán)境的敏感度要低于成年人，并且不同兒童之間對熱環(huán)境的感受也各不相同，并分析出這是由于小孩在上課期間的新陳代謝水平較高的原因[7]．荷蘭學(xué)者 Sander ter Mors對本國小學(xué)生熱舒適狀況進(jìn)行了研究并將結(jié)果與適應(yīng)性熱舒適理論模型進(jìn)行了對比分析，發(fā)現(xiàn)小學(xué)生的熱舒適溫度要比以往熱舒適模型理論預(yù)測的結(jié)果更低，且期望較低的溫度[8]．近兩年韓國學(xué)者 Hyunjun Yun[9]及西安建筑科技大學(xué)岳鵬[10]分別對本國幼兒園室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在熱感覺方面幼兒與成人之間存在著明顯的差異．Hyunjun Yun對研究結(jié)果分析后指出，由于小孩的新陳代謝率更高因而熱舒適溫度范圍也較成人偏低．

依據(jù)人體熱舒適的適應(yīng)性理論，不同地域人群因地域氣候不同而具有不同的熱需求，國外的研究成果不能完全適用于我國[11]．此外，人體的熱舒適需求是建立室內(nèi)舒適熱環(huán)境的基礎(chǔ)，而不同年齡段人群對熱環(huán)境的需求各異，因此有必要針對我國中小學(xué)生的室內(nèi)熱需求及自身熱感覺特點(diǎn)進(jìn)行研究．鑒于前人的研究成果及基礎(chǔ)本次研究主要針對以下四個(gè)問題：(1) 過渡季（春季）中學(xué)與小學(xué)的室內(nèi)熱環(huán)境現(xiàn)狀；(2) 不同年齡段學(xué)生對熱環(huán)境需求的差異性；(3) 影響中小學(xué)生主觀熱感覺的主要因素；(4) 教室室內(nèi)熱環(huán)境改善應(yīng)注意的問題及改善措施．旨在初步發(fā)掘教室熱環(huán)境存在的問題并為以后中小學(xué)校建筑設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考．

1 研究方法

本次實(shí)驗(yàn)研究以西安地區(qū)中小學(xué)教室為研究對象，以春季為時(shí)間節(jié)點(diǎn)，通過主觀問卷調(diào)查與現(xiàn)場熱環(huán)境參數(shù)測試相結(jié)合的方法分別從客觀環(huán)境參數(shù)和人體熱舒適需求兩方面展開研究．

1.1 研究時(shí)間和地點(diǎn)

現(xiàn)場調(diào)查研究分兩次進(jìn)行．小學(xué)調(diào)查測試開展于4月10日～12日為期3 d，測試教室面積為60 m2，學(xué)生數(shù)為46人；中學(xué)調(diào)查測試開展于4月16日～18日為期 3 d，測試同時(shí)選取了相同建筑面積的無人教室作為對比房間，有人教室面積為76 m2，學(xué)生數(shù)為 60人．中小學(xué)校均位于西安市內(nèi)，測試期間教室均未采用任何采暖和降溫措施．

1.2 研究對象及現(xiàn)場研究方法

研究對象均為在校中小學(xué)生，小學(xué)回收有效問卷118份、中學(xué)回收有效問卷195份．現(xiàn)場研究中每個(gè)班級固定挑選10 ～15人來填寫主觀問卷，并使問卷填寫人員均布于室內(nèi)各個(gè)位置．中學(xué)問卷填寫起止時(shí)間為：7:50～17:50，時(shí)間間隔為1 h；小學(xué)問卷填寫起止時(shí)間為：8:00 ～16:00，時(shí)間間隔為1 h．問卷填寫工作共持續(xù)2 d．

1.3 室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)測試

室外環(huán)境參數(shù)測試包括空氣溫濕度和風(fēng)速．室內(nèi)環(huán)境參數(shù)測試包括空氣溫濕度、黑球溫度、風(fēng)速以及壁面溫度．測量采用的儀器型號可見表 1．測量所用儀器的精度和響應(yīng)時(shí)間均滿足 ASHRAE 55-2004和ISO 7726-2002標(biāo)準(zhǔn)要求．

表1 測試用儀器名稱及記錄間隔Tab.1 Test instrument and measure parameters

1.4 熱舒適主觀問卷調(diào)查

調(diào)查問卷的內(nèi)容包括：(1) 性別、體重、身高以及衣著情況等基本信息；(2) 對房間環(huán)境的接受程度評價(jià)和期望溫度；(3) 熱感覺、濕感覺以及通風(fēng)主觀感覺，其中熱感覺采用ASHRAE的7級指標(biāo)表示；(4) 填寫問卷時(shí)室內(nèi)溫濕度及風(fēng)速．

2 數(shù)據(jù)處理方法

在計(jì)算前期對數(shù)據(jù)中的新陳代謝率和服裝熱阻參數(shù)進(jìn)行了處理，其中新陳代謝率依據(jù) GB/T 18049-2000《中等熱環(huán)境PMV和PPD指數(shù)的測定及熱舒適條件的規(guī)定》中的規(guī)定來確定．[12]考慮到本次調(diào)研測試過程中學(xué)生在填寫問卷過程中均為坐姿且全天從事輕體力活動(dòng)，因而新陳代謝率定為1.2 met．

服裝熱阻按照GB/T 18049—2000中的方法，估算出學(xué)生所穿單件服裝的熱阻值，并依據(jù)以下公式估算出整套服裝的熱阻[12]：

式中：clI為單人整套服裝熱阻，clo；compI 為單件衣服熱阻，clo．

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 室內(nèi)外熱環(huán)境狀況分析

中小學(xué)教室在使用過程中門窗長期處于開啟或半開啟狀態(tài)，尤其是中學(xué)教室上課期間門窗均處于完全開啟狀態(tài)，室內(nèi)外空氣流通性大，室內(nèi)熱環(huán)境易受到室外同期環(huán)境的影響．因此，在分析前期我們將測試期間室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)進(jìn)行了歸納整理，具體環(huán)境參數(shù)參見表2．

表2 室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Environment parameters indoors and outdoors

由表2可見，測試期間室外空氣溫度日較差大，平均相對濕度?。淌沂覂?nèi)空氣溫度均值高于室外均值2 ℃左右，室內(nèi)平均風(fēng)速偏低，基本處于靜風(fēng)狀態(tài)．

空氣溫度是影響人體熱感覺的主要因素之一．通過對中學(xué)和小學(xué)室內(nèi)外溫度測試結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)(圖1～2)，中學(xué)教室相對于小學(xué)教室受室外溫度波動(dòng)的影響更為嚴(yán)重．中學(xué)教室白天室內(nèi)溫度波動(dòng)趨勢與室外基本一致，上午室內(nèi)溫度高于室外0.8 ℃，下午室內(nèi)溫度平均低于室外 0.5 ℃，而夜間(20:00-次日 6:00)室內(nèi)溫度平均高于室外溫度3.5 ℃以上．分析這與教室使用規(guī)律有關(guān)，白天教室由于上課門窗均處于完全開啟或半開啟狀態(tài)，這不僅降低了圍護(hù)結(jié)構(gòu)對室外溫度波動(dòng)的抵御能力，同時(shí)較高的室內(nèi)溫度也易于導(dǎo)致熱不舒適感增加；在夜間關(guān)閉的門窗使得室內(nèi)熱空氣無法散出，直至次日6時(shí)室內(nèi)溫度仍高于外界空氣溫度5.3 ℃，從圖2可以看出次日清晨門窗開啟通風(fēng)時(shí)室內(nèi)溫度有顯著的下降，降溫幅度達(dá) 3 ℃．小學(xué)教室白天僅有部分窗開啟，門在上課時(shí)間處于關(guān)閉狀態(tài)，室內(nèi)外空氣流通速度小，白天室內(nèi)溫度波動(dòng)幅度較小，為3.2 ℃．由于夜間室內(nèi)沒有足夠的通風(fēng)溫度比室外平均高1.2 ℃．但小學(xué)教室室內(nèi)溫度整體受外界環(huán)境變化影響較?。偨Y(jié)當(dāng)前中小學(xué)教室的使用模式我們發(fā)現(xiàn)，教室的使用方式會(huì)使得室內(nèi)熱量無法及時(shí)散出，長期累積進(jìn)而降低建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄冷作用，白天長時(shí)間開啟的門窗也會(huì)降低房間抵御室外溫度升高的能力．

為進(jìn)一步分析室內(nèi)全天人體熱感覺與室內(nèi)空氣溫度變化的趨勢，文章將二者結(jié)合進(jìn)行了對比分析．如圖3～4所示，隨著全天室內(nèi)空氣溫度的持續(xù)升高舒適感比率不斷下降，熱感增加．尤其在下午時(shí)間中小學(xué)生的熱不舒適比率均超過了60 %．此外，中小學(xué)生在13:00～14:00時(shí)間的熱不舒適比率均有一個(gè)高峰，這是由于午后剛剛回到教室運(yùn)動(dòng)量大所導(dǎo)致．圖3～4也從側(cè)面說明了降低室內(nèi)空氣溫度(尤其是下午時(shí)間段)對于提高室內(nèi)舒適度有很大作用．

從室內(nèi)外環(huán)境溫度波動(dòng)的趨勢(圖 1～2)可以看出，通過夜間通風(fēng)的方式對室內(nèi)進(jìn)行降溫具有很大潛力．夜間通過有效地通風(fēng)將室外冷空氣引入室內(nèi)以降低空氣溫度，加之圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄冷作用，進(jìn)而可以降低次日白天室內(nèi)溫度的升高速度，但蓄熱夜間通風(fēng)的降溫效果需要白天盡量關(guān)閉門窗以減少白天外部熱量流入[13-15]．由于學(xué)校教室人口密度大，內(nèi)部得熱量大，如果白天通風(fēng)不足會(huì)造成室內(nèi)二氧化碳濃度過高以及積蓄熱量過多而產(chǎn)生悶熱感，進(jìn)而降低學(xué)生注意力的集中和學(xué)習(xí)效率[16-18]．如圖5所示，通過對本次調(diào)研問卷中室內(nèi)空氣品質(zhì)感受一項(xiàng)分析發(fā)現(xiàn)中學(xué)教室由于人員密度大(約0.8人/m2)，人員密集共處室內(nèi)時(shí)間長，室內(nèi)悶熱感要明顯高于小學(xué)教室，有 71%的人認(rèn)為室內(nèi)空氣悶或很悶，悶熱的空氣也會(huì)導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)效率低下．這同時(shí)也是我國大部分中小學(xué)教室在使用過程中所面臨的一個(gè)嚴(yán)重問題．因此白天室內(nèi)適量的低溫新風(fēng)輸入是十分有必要的．

圖1 室內(nèi)外逐時(shí)空氣溫度對比分析Fig.1 Contrast analysis of indoor and outdoor hourly air temperature

圖2 室內(nèi)外逐時(shí)空氣溫差值對比分析Fig.2 Analysis of indoor and outdoor hourly air temperature difference value

圖3 中學(xué)生全天熱感覺與室內(nèi)空氣溫度對比分析Fig.3 Contrast analysis of the middle school students thermal sensation and indoor air temperature

圖4 小學(xué)生全天熱感覺與室內(nèi)空氣溫度對比分析Fig.4 Contrast analysis of the primary thermal sensation and indoor air temperature

圖5 室內(nèi)空氣感覺對比分析Fig.5 Contrast analysis of the indoor air feeling

3.2 熱中性溫度與人體熱舒適分析

熱中性溫度是依據(jù)現(xiàn)場實(shí)測熱感覺及操作溫度線性回歸而得，該指標(biāo)綜合考慮了人體主觀熱感覺及空氣溫度、輻射溫度、空氣流速等客觀指標(biāo)，旨在提出科學(xué)合理的室內(nèi)舒適熱環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，為建筑設(shè)計(jì)及暖通設(shè)計(jì)工作提供相應(yīng)的指導(dǎo)．文章將實(shí)測熱感覺及計(jì)算出的PMV值分別于相應(yīng)的操作溫度進(jìn)行線性回歸求解，進(jìn)而求出熱中性溫度值．

依據(jù)20世紀(jì)70年代Fanger提出的著名的PMVPPD熱感覺指標(biāo)，該指標(biāo)依據(jù)四個(gè)環(huán)境因素和兩個(gè)人體因素來對給定的熱環(huán)境進(jìn)行人體熱感覺預(yù)測分析[19]．在前期數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上，將實(shí)測的空氣溫度、該溫度下的飽和水蒸汽分壓力、相對濕度以及代謝率和服裝熱阻代入編寫的Matlab程序進(jìn)行PMV及PPD值計(jì)算．然后依據(jù)溫度頻率法[20]將操作溫度每隔0.5 ℃劃分一個(gè)組，分組進(jìn)行平均值計(jì)算，然后分別將每個(gè)區(qū)間內(nèi)的操作溫度均值與熱感覺投票均值MTS以及預(yù)測熱感覺均值PMV運(yùn)用SPASS數(shù)理統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行線性回歸分析，分析結(jié)果見圖6～7．

通過圖6可以看出中學(xué)生對于熱感覺的敏感性要比預(yù)測的低．中學(xué)生在操作溫度較低時(shí)實(shí)測熱感覺值比預(yù)測值偏高，在操作溫度較高時(shí)實(shí)測值與預(yù)測值基本一致．小學(xué)生實(shí)測值整體偏高于預(yù)測值．統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)中小學(xué)生實(shí)測熱感覺值要比同期預(yù)測值總體高出0.5～0.8．熱敏感性偏低說明長期處于當(dāng)前熱環(huán)境已使得學(xué)生對環(huán)境有一定的適應(yīng)和自我調(diào)節(jié)能力，因而對于環(huán)境溫度的適應(yīng)范圍廣．但由于空間人口密度、通風(fēng)不暢及衣著調(diào)節(jié)不便導(dǎo)致學(xué)生心理感覺整體偏熱．

通過分析分別建立了中小學(xué)實(shí)測和預(yù)測熱感覺與操作溫度的回歸方程式(見表3)，令方程式中y值歸零可以分別求得實(shí)測和預(yù)測熱中性溫度．

圖6 中學(xué)生熱中性溫度求解Fig.6 The solution of middle school students thermal neutral temperature

圖7 小學(xué)生熱中性溫度求解Fig.7 The solution of primary thermal neutral temperature

表3平均熱感覺回歸方程Tab.3 Regression equation of the average thermal sensation

通過表3可以看出，中小學(xué)實(shí)測中性溫度均低于預(yù)測中性溫度，據(jù)以往研究結(jié)果分析這是因常住人群對地區(qū)氣候的適應(yīng)性所致．對比中小學(xué)的實(shí)測中性溫度發(fā)現(xiàn)小學(xué)比中學(xué)低2.5 ℃．西安建筑科技大學(xué)茅艷根據(jù)廣泛的人體熱舒適調(diào)查建立了我國不同氣候區(qū)的人體熱舒適適應(yīng)性模型，其中寒冷地區(qū)的適應(yīng)性模型如下[21]：

依據(jù)該模型，代入本次實(shí)測室外空氣溫度計(jì)算出預(yù)測中性溫度分別為26.88 ℃和25.23 ℃．該計(jì)算值均高于本次調(diào)研分析得到的中性溫度，但以上模型的建立是基于大規(guī)模的實(shí)測調(diào)研得出的，調(diào)研人群主要為中青年．不同年齡段的人群因其自身的代謝速率、活動(dòng)量及衣著習(xí)慣不同對熱環(huán)境的適應(yīng)能力及感知也不相同[7-8]．如西安建筑科技大學(xué)岳鵬通過對西安地區(qū)幼兒園室內(nèi)熱環(huán)境調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)幼兒的熱感覺與成人是有差異的，不能使用同一標(biāo)準(zhǔn)判定[10]．本文的研究結(jié)果與該觀點(diǎn)一致．人群密度較大的教室環(huán)境全天處于低風(fēng)速狀態(tài)，且適用人群新陳代謝量大活動(dòng)量大，因而更傾向于獲得較低的室內(nèi)溫度．

3.3 熱感覺影響因子的敏感性分析

由于本次測試期間室內(nèi)平均風(fēng)速均處于 0.09 m/s以內(nèi)、全天服裝熱阻不變．鑒于此本文僅探討了空氣溫度at和平均輻射溫度 MRT對人體熱感覺的影響．

影響因子的敏感性研究以中學(xué)熱舒適問卷為樣本，篩除少量靠窗和靠墻位置學(xué)生問卷后，根據(jù)室內(nèi)實(shí)測壁面溫度推算不同位置學(xué)生所受到的平均輻射溫度 MRT．按照美國 ASHRAE Handbook 2009[22]中提供的計(jì)算方法將室內(nèi)不同壁面對人體形成的輻射溫度進(jìn)行疊加計(jì)算，考慮到教室北窗面積較大計(jì)算時(shí)以實(shí)測的玻璃溫度替代北墻作為主要輻射面．計(jì)算公式如下：

計(jì)算后完成后，根據(jù)溫度頻率法分別以平均輻射溫度和空氣溫度為基準(zhǔn)每0.5 ℃劃分一組，并求得每組熱感覺、平均輻射溫度和空氣溫度的均值．然后分別對熱感覺與平均輻射溫度和空氣溫度進(jìn)行線性回歸分析．分析結(jié)果如圖8所示．

圖8 熱感覺影響因子敏感性分析Fig.8 Sensitivity analysis of the thermal sensation influencing factors

通過圖8可以看出測試期間空氣溫度總體高于平均輻射溫度．熱感覺與平均輻射溫度MRT的相關(guān)性要高于與空氣溫度at的，此外人體對平均輻射溫度的敏感性高于對空氣溫度的．通過分析可以發(fā)現(xiàn)在低風(fēng)速環(huán)境下較低的平均輻射溫度更易于使人體獲得舒適狀態(tài)，這是因?yàn)樵谌梭w熱平衡方程中正常比例散熱條件下輻射散熱約占 45%～50%，而對流換熱僅占 25%～30%[19]．且春季學(xué)生衣著量較大，身體暴露于空氣中的部位較少，依據(jù)ASHRAE Handbook 2009中的有關(guān)研究表明衣服透氣性小、空氣流速低的情況下，對流導(dǎo)熱方式散熱所占比例較小，輻射散熱為主要散熱方式[22]．因此，室內(nèi)較低的壁面溫度也有利于提高學(xué)生的熱舒適感．

4 改善措施及建議

學(xué)校建筑因其功能特點(diǎn)及使用人群特點(diǎn)而不同于居住建筑及辦公建筑，長時(shí)間高密度人群的特點(diǎn)使得室內(nèi)低風(fēng)速情況下易產(chǎn)生悶熱感．當(dāng)前一些高校及中小學(xué)針對于教室現(xiàn)存的問題采用加裝空調(diào)設(shè)備的方式來加以解決，表面上似乎解決了現(xiàn)存的問題，但深入研究可以發(fā)現(xiàn)教室建筑自身的特點(diǎn)(多為外廊式 ? 窗墻面積比高)以及使用模式(門開啟頻率高)決定了僅采用空調(diào)設(shè)備既不利于降溫也不利于建筑節(jié)能．此外，長期處于空調(diào)房間對于人體抵抗力等生理機(jī)能有一定影響．因此，本文建議針對問題應(yīng)采用被動(dòng)式手段加以解決：(1) 對于室內(nèi)溫度升速快、溫度高的問題，通過對室外環(huán)境溫度波動(dòng)趨勢的分析發(fā)現(xiàn)在過渡季采用夜間通風(fēng)的方式可以有效降低室內(nèi)白天積蓄的熱量，建議采用蓄熱加夜間通風(fēng)的方式(夜間通風(fēng)量不足時(shí)需采用機(jī)械通風(fēng)加以補(bǔ)充)來處理白天溫度升速過快、溫度過高的問題，同時(shí)注意白天應(yīng)將量減少窗扇開啟；(2) 對于室內(nèi)空氣悶的問題，建議白天采用機(jī)械通風(fēng)方式引入室外新風(fēng)以滿足室內(nèi)需求，但為了防止室內(nèi)溫度升高需要對新風(fēng)采用預(yù)冷處理，建議利用校園室外場地采用地下埋管方式對新風(fēng)進(jìn)行降溫．

5 結(jié)論

中小學(xué)教室是中小學(xué)生主要的活動(dòng)及學(xué)習(xí)空間，其室內(nèi)熱環(huán)境的優(yōu)劣將直接影響中小學(xué)生的身心健康及學(xué)習(xí)效率．通過本次現(xiàn)場調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)了教室熱環(huán)境較為突出的幾個(gè)問題并對問題進(jìn)行了一定研究，問題如下：

(1) 在過渡季(春季)由于教室使用模式人為降低了教室圍護(hù)結(jié)構(gòu)抵御外界溫度波動(dòng)的能力，白天中學(xué)室內(nèi)外溫差均值僅為0.2 ℃，室內(nèi)外溫度波動(dòng)趨勢一致，小學(xué)教室室內(nèi)溫度相對穩(wěn)定，白天室內(nèi)溫度平均低于室外1.6 ℃．由于夜間門窗的關(guān)閉中小學(xué)室內(nèi)溫度平均高于室外3.5 ℃和1.2 ℃．

(2) 中學(xué)教室由于人員密集、室內(nèi)風(fēng)速過低（均值＜0.1 m/s），空氣質(zhì)量差學(xué)生悶熱感強(qiáng)烈．中學(xué)教室相對小學(xué)教室悶熱感覺比例高41 %．

(3) 中小學(xué)生由于生理差異，其熱感覺均不同于成人．本文通過對回收問卷的分析計(jì)算得出中小學(xué)生熱中性溫度分別為：20.1 ℃、17.7 ℃．相對于以往的研究成果該值分別偏低5.7 ℃和7.5 ℃．

(4) 在室內(nèi)風(fēng)速較低的情況下，人體熱感覺對平均輻射溫度的敏感度高于對空氣溫度的．

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