目前光伏建筑表皮多采用屋面鋪設(shè)方式，但由于鋪設(shè)面積有限，安裝位置固定，光伏發(fā)電效率及發(fā)電量受限，急需解決墻面光伏利用效率低的難題，因此提出一種基于光伏建筑一體化的光伏動(dòng)態(tài)節(jié)能發(fā)電表皮，通過(guò)智慧調(diào)控動(dòng)態(tài)表皮單元的角度以及改變表皮的材質(zhì)，可實(shí)現(xiàn)將接收的太陽(yáng)光吸收作為能源使用，同時(shí)起到遮陽(yáng)、導(dǎo)風(fēng)、隔音、照明和導(dǎo)光改善進(jìn)深遠(yuǎn)處采光效果的作用，降低對(duì)建筑周?chē)墓馕廴?，降低?duì)建筑內(nèi)部的熱、聲污染和空調(diào)、照明能耗，改善建筑內(nèi)部的聲光環(huán)境，并利用光伏發(fā)電實(shí)現(xiàn)光儲(chǔ)直柔，為建筑機(jī)電系統(tǒng)供電。

光儲(chǔ)直柔； 動(dòng)態(tài)表皮； 智能控制； 可持續(xù)發(fā)展

TU201.5A

建筑論壇與建筑設(shè)計(jì)建筑論壇與建筑設(shè)計(jì)

［定稿日期］2023-03-07

［基金項(xiàng)目］國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：202210142011）

［作者簡(jiǎn)介］王澤川（2003—），男，本科，研究方向?yàn)榻ㄖh(huán)境與能源應(yīng)用工程;呂潔（1967—），女，本科，副教授，研究方向?yàn)榻ㄖ?jié)能與智能建造技術(shù);王永哲（2003—），男，本科，研究方向?yàn)榻ㄖh(huán)境與能源應(yīng)用工程；周善斌（2003—），男，在讀本科，研究方向?yàn)橹悄芸茖W(xué)與技術(shù)。

0" 引言

綠色能源的開(kāi)發(fā)利用一直是社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)，2021年3月，住建部連發(fā)兩份發(fā)展規(guī)劃《“十四五”住房和城鄉(xiāng)建設(shè)科技發(fā)展規(guī)劃》和《“十四五”建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展規(guī)劃》。前者要求，開(kāi)展高效智能建筑光伏一體化利用等清潔能源建筑高效利用技術(shù)。后者則提出具體發(fā)展目標(biāo)，即到2025年，全國(guó)新增建筑太陽(yáng)能光伏裝機(jī)容量0.5億kW以上，城鎮(zhèn)建筑可再生能源替代率達(dá)到8％，建筑能耗中電力消費(fèi)比例超過(guò)55％。政策方向還在更加明朗，建筑將納入碳排放管理，未來(lái)建筑方案中必須要考慮光伏建筑一體化以降碳減排。

隨著我國(guó)城市化的推進(jìn)，高樓大廈隨處可見(jiàn)，隨之而來(lái)的問(wèn)題也日益增多，主要包括：光污染嚴(yán)重，建筑屋面光伏利用率低，光伏建筑表皮光電轉(zhuǎn)化效率低下且安裝條件僅限于部分屋面等，解決這些問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)建筑可持續(xù)化發(fā)展的必經(jīng)之路。由于建筑物表皮面積是一個(gè)巨大的數(shù)目，在冬季太陽(yáng)高度角較低時(shí)墻面的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度甚至?xí)哂谖菝?，而地理緯度較高的地區(qū)太陽(yáng)高度角常年較低，更具備利用墻面的有利條件，若能充分利用建筑物表皮收集未被利用的太陽(yáng)能，將大大緩解城市的用電壓力。因此，研發(fā)一種光電轉(zhuǎn)化效率高和安裝條件寬松兼?zhèn)涞膭?dòng)態(tài)光伏表皮是刻不容緩的。

1" 設(shè)計(jì)方案

1.1" 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能動(dòng)態(tài)光伏建筑表皮包括機(jī)械部分、光伏發(fā)電部分、電力輸送部分、環(huán)境感知部分。

機(jī)械部分由鋁框、傳動(dòng)桿、傳動(dòng)齒輪、垂直控制電機(jī)、水平控制電機(jī)、軸承槽口、建筑立柱部件組成。

光伏發(fā)電部分由光伏板、光敏元件、光線(xiàn)追蹤器組成。

電力輸送部分由蓄電池、線(xiàn)纜、逆變器組成。工作流程是：光伏板的發(fā)電量由線(xiàn)纜傳輸?shù)叫铍姵刂校瑑?yōu)先供給整個(gè)動(dòng)態(tài)表皮系統(tǒng)，多余的發(fā)電量存入與電網(wǎng)和逆變器相連的另一組蓄電池，只接收電量，但不向表皮系統(tǒng)供電，并通過(guò)逆變器使直流電轉(zhuǎn)化為交流電，為電網(wǎng)供電。

環(huán)境感知部分由百葉箱、室內(nèi)空氣溫度和照度等傳感器組成，通過(guò)實(shí)時(shí)（或通過(guò)編程調(diào)整間隔時(shí)間）向終端上傳空氣溫度以及照度數(shù)據(jù)，并聯(lián)網(wǎng)當(dāng)?shù)禺?dāng)日氣象數(shù)據(jù)，令表皮系統(tǒng)做出合適的調(diào)節(jié)，改善室內(nèi)環(huán)境（或抵御天氣災(zāi)害）。

智能動(dòng)態(tài)光伏建筑表皮的設(shè)計(jì)主要分為模塊化及集成化的功能設(shè)計(jì)以及百葉窗式的外觀(guān)設(shè)計(jì)。其中模塊化及集成化設(shè)計(jì)的目的是為了小型化和多功能化，以節(jié)省空間占用和降低投資，便于制作安裝和適應(yīng)建筑造型，確保在例如形狀不規(guī)則的幕墻等特殊情況下也能便于安裝以及維護(hù)。對(duì)于百葉窗式的外觀(guān)設(shè)計(jì)，在與墻體銜接部分采用雙三角架結(jié)構(gòu)，使動(dòng)態(tài)表皮能夠牢牢固定在建筑墻體或窗戶(hù)表面。動(dòng)態(tài)表皮的機(jī)械部分采用鋁合金材質(zhì)，光伏部分采用多晶硅半導(dǎo)體薄片覆蓋，以提高單體部件壽命。在加工方面，光伏發(fā)電部分和機(jī)械部分的特殊形狀采用CAM（計(jì)算機(jī)輔助制造）加工，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控加工，將部件加工的工藝路線(xiàn)和工序內(nèi)容等信息輸入計(jì)算機(jī)，以便于安裝與維修。

動(dòng)態(tài)表皮的設(shè)計(jì)特點(diǎn)有四點(diǎn)：

（1）采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，利用太陽(yáng)能光線(xiàn)跟蹤器自動(dòng)調(diào)整光伏表皮的傾角，使動(dòng)態(tài)表皮的光伏面板與太陽(yáng)光線(xiàn)的交角在60°～90°的可調(diào)范圍內(nèi)達(dá)到最大，以提高光伏發(fā)電效率。

（2）采用智能設(shè)計(jì)，收集室外風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫以及室內(nèi)氣溫、照度的數(shù)據(jù)，在適宜利用自然通風(fēng)的春夏秋季節(jié)，使窗口處的動(dòng)態(tài)表皮模塊在保證光伏的發(fā)電效率的同時(shí)盡可能保持水平，導(dǎo)風(fēng)入室的同時(shí)將太陽(yáng)光線(xiàn)反射到室內(nèi)頂棚，以盡可能獲得更大的自然換氣量和改善室內(nèi)采光。同時(shí)加入季節(jié)轉(zhuǎn)換模式，在冬季時(shí)考慮室外氣溫較低，使窗口處的動(dòng)態(tài)表皮模塊上部向室內(nèi)略微傾斜，讓冷風(fēng)通過(guò)光伏背板吸熱升溫后從窗口上部進(jìn)入室內(nèi)上部空間，再緩慢下降到人的活動(dòng)空間，實(shí)現(xiàn)換氣的同時(shí)減小吹風(fēng)感。在夏季時(shí)考慮防熱的需求，利用動(dòng)態(tài)表皮模塊的傾斜制造較大陰影遮陽(yáng)，以盡可能減少太陽(yáng)輻射射入室內(nèi)，進(jìn)而減少室溫的波動(dòng)和飆升；同時(shí)利用光伏表皮遮陽(yáng)的同時(shí)將太陽(yáng)光線(xiàn)反射出去，利用光伏背板與建筑之間的豎向通風(fēng)道排除光伏背板的散熱，并關(guān)窗避免熱風(fēng)入室，如圖1所示。

（3）考慮安全運(yùn)維，考慮風(fēng)沙雨雪的影響，大風(fēng)和雨雪天氣時(shí)，對(duì)于墻面，使模塊保持與建筑表面平行，減小風(fēng)阻，避免模塊損毀掉落砸人事故發(fā)生；對(duì)于屋面，在下雪天，使模塊保持豎向方向，減少光伏板上的積雪，以減少雪后清理光伏板積雪的工作量和避免影響光伏發(fā)電，如圖2所示。

建筑論壇與建筑設(shè)計(jì)王澤川， 呂潔， 王永哲， 等： 智能動(dòng)態(tài)光伏建筑表皮的設(shè)計(jì)與性能分析

（4）熱聲光環(huán)境兼顧，動(dòng)態(tài)表皮模塊不僅具有導(dǎo)風(fēng)、換氣、遮陽(yáng)的作用，還具有反射聲波、遮光和導(dǎo)光的作用，還可以通過(guò)安裝LED燈實(shí)現(xiàn)景觀(guān)照明。使動(dòng)態(tài)表皮模塊在保證光伏的發(fā)電效率的同時(shí)盡可能保持水平或者上部向外傾斜，利用光伏面板和室內(nèi)頂棚的反射將太陽(yáng)光導(dǎo)入室內(nèi)深部，使利用自然采光的區(qū)域加大，同時(shí)利用模塊的陰影對(duì)近窗處提供適當(dāng)遮光，以減小近窗處與房間深處的采光不均勻度，擴(kuò)大自然采光的區(qū)域的同時(shí)改善室內(nèi)光環(huán)境。

1.2" 模塊設(shè)計(jì)

動(dòng)態(tài)表皮模塊的構(gòu)造如圖3～圖5所示。

其中包含：

（1）光伏發(fā)電部件：由太陽(yáng)電池板（組件）和全控性逆變器協(xié)力發(fā)電，并且主要由電子元器件構(gòu)成，不涉及機(jī)械部件。根據(jù)光生伏特效應(yīng)原理，利用太陽(yáng)電池將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)化為電能。

（2）參數(shù)化可動(dòng)部件：利用參數(shù)化設(shè)計(jì)光伏動(dòng)態(tài)表皮具有“動(dòng)”的屬性并有效生成一系列的不同的空間位置和形狀狀態(tài)，需電子元器件與機(jī)械部件配合工作。

（3）百葉箱控制部件：光伏動(dòng)態(tài)表皮配備百葉箱，通過(guò)百葉箱的濕度、風(fēng)速數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳終端以對(duì)參數(shù)化可動(dòng)模塊進(jìn)行有效配合，防止天氣災(zāi)害給光伏動(dòng)態(tài)表皮帶來(lái)巨大的損傷。

（4）電能轉(zhuǎn)化部件：可將將光伏動(dòng)態(tài)表皮與電網(wǎng)相連，進(jìn)行半供電，降低能耗；室內(nèi)電器低功率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，將多余發(fā)電輸入國(guó)家電網(wǎng)。

2" 性能分析

此光伏表皮可實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電、遮陽(yáng)、導(dǎo)光、導(dǎo)風(fēng)、隔聲、自動(dòng)除雪、照明的功能。

（1）光伏發(fā)電：通過(guò)利用光儲(chǔ)直柔和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，根據(jù)環(huán)境參數(shù)和太陽(yáng)光線(xiàn)智慧調(diào)控動(dòng)態(tài)表皮角度，可通過(guò)光敏元件，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光線(xiàn)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，使太陽(yáng)光線(xiàn)相對(duì)動(dòng)態(tài)表皮板塊夾角的絕對(duì)值大于等于60°且小于等于90°工作。并利用電子元件根據(jù)光伏發(fā)電原理，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)化效率最大化，并與電網(wǎng)連接，可利用太陽(yáng)能為建筑內(nèi)的電氣設(shè)備進(jìn)行半供電，電氣設(shè)備低功率運(yùn)行時(shí)又可以將多余發(fā)電輸入國(guó)家電網(wǎng)帶來(lái)收益。相對(duì)于傳統(tǒng)太陽(yáng)能板這樣既可以減少占地面積又能最大限度利用光能發(fā)電。

此表皮適于安裝在太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較大地區(qū)光伏發(fā)電的多層建筑及高層建筑?？砂惭b在高層建筑表面的玻璃幕墻，也可安裝在普通建筑的外立面，還可以安裝在窗戶(hù)表面上。

（2）導(dǎo)光、遮陽(yáng)：為了防止不透明光伏板有可能影響采光效果，窗口的光伏模塊可以采用透明光伏面板，而墻面處可以采用不透明光伏面板，因此，窗口處的模塊既能夠透光，又能夠利用面板反射導(dǎo)光到房間深處，透光的同時(shí)還能帶來(lái)減小直射光、避免眩光、增大采光均勻度的好處，導(dǎo)光能夠降低房間深處的人工照明能耗；其遮陽(yáng)功能能夠減少太陽(yáng)輻射對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響，大幅降低空調(diào)能耗；其導(dǎo)光功能能夠提高進(jìn)深遠(yuǎn)處的采光系數(shù)，降低白天的照明能耗，導(dǎo)光及遮陽(yáng)功能在一定程度上降低了室外綜合溫度，減少了墻體的得熱和室內(nèi)空調(diào)冷負(fù)荷。

（3）導(dǎo)風(fēng)：此表皮可從與之相連的百葉箱監(jiān)測(cè)得到的風(fēng)速、濕度等數(shù)據(jù)，利用自身的可動(dòng)性，調(diào)整角度，將風(fēng)導(dǎo)入室內(nèi)。此功能可延長(zhǎng)自然通風(fēng)時(shí)間，減少機(jī)械通風(fēng)換氣能耗。

（4）隔聲：當(dāng)表皮閉合時(shí)，在一定程度上可隔音，降低室外對(duì)室內(nèi)的噪聲或其他聲音的影響，還可充當(dāng)聲反射板，提高隔聲效果。

（5）自動(dòng)除雪：此表皮擁有多個(gè)可動(dòng)單元，屋面上的模塊冬季可通過(guò)傾斜自動(dòng)抖落積雪來(lái)降低通過(guò)電加熱除雪的能耗。

（6）照明：對(duì)個(gè)別需要照明的特殊情況，可將景觀(guān)照明燈設(shè)在模塊外表面邊緣，利用光伏板轉(zhuǎn)化儲(chǔ)存的電能進(jìn)行供電。此照明燈采用的Led較小，可以在模塊邊緣不同位置設(shè)置，讓整個(gè)建筑形成不同的風(fēng)格，且點(diǎn)或線(xiàn)布置都可，亦可達(dá)到美化和建筑的效果。電線(xiàn)、傳感器等配件是隱藏在模塊之間的接縫處，采用扣板和密封保證防水和電氣安全。

此表皮采用模塊化設(shè)計(jì)、集成化設(shè)計(jì)，極具輕量化，方便安裝、維修與置換，只需更換損壞或者到達(dá)使用壽命的相對(duì)板塊；此表皮還具有智慧化，可以與電子設(shè)備相連，根據(jù)室內(nèi)需求和室外氣候選擇隔絕或引入風(fēng)、光、熱等自然因素，調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)建筑與外界的良性互動(dòng)，在天氣環(huán)境惡劣如大風(fēng)大雨天氣時(shí)可及時(shí)自動(dòng)收起，減少風(fēng)阻，避免損壞或者掉落傷人事故發(fā)生。

光伏動(dòng)態(tài)表皮利用參數(shù)化設(shè)計(jì)，具有“動(dòng)”的屬性，能有效生成一系列的不同的空間位置和形狀狀態(tài)，需電子元器件與機(jī)械部件配合工作，通過(guò)和配備百葉箱相連，實(shí)時(shí)得到濕度、風(fēng)速等數(shù)據(jù)，并利用先進(jìn)的信息技術(shù)，使光伏動(dòng)態(tài)表皮與智能控制系統(tǒng)相連，在保證室內(nèi)濕度、溫度適合居住的同時(shí)，防止天氣災(zāi)害給光伏動(dòng)態(tài)表皮帶來(lái)巨大的損傷。

3" 模擬數(shù)據(jù)處理及分析

3.1" 計(jì)算參數(shù)及其計(jì)算公式

表1的參數(shù)是以沈陽(yáng)地區(qū)為例確定的，在此基礎(chǔ)上可以根據(jù)下列公式進(jìn)行進(jìn)一步的經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析。

太陽(yáng)能集熱板面積：Ac=QwCw（tend-tl）fJTηcd（1-ηL）

太陽(yáng)能所需集熱量：Qr=dQwCw（tend-tl）fηcd（1-ηL）

系統(tǒng)綜合效率/%93太陽(yáng)能技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析：節(jié)能量ΔQsave=Qr·（1-ηL）·ηcd

太陽(yáng)能技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析：節(jié)費(fèi)用Wj=ΔQsave·Cc/（q·Eff）

太陽(yáng)能技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析：節(jié)碳量QCo2=ΔQsave·nW·Eff·FCo2·4412

3.2" 地面輻照模擬結(jié)果

為確定最大和最小傾角下光伏板的發(fā)電效果，采用斯維爾軟件（日照分析Sun、節(jié)能設(shè)計(jì)Becs）以沈陽(yáng)地區(qū)某建筑進(jìn)行了建模和模擬分析，最大傾角為90°，最小傾角設(shè)為32°，模擬時(shí)間設(shè)為2021.1.1—2021.12.31。

地面輻照的模擬結(jié)果如圖6、圖7所示。 90°傾角時(shí)建筑周?chē)孛孑椪諒?qiáng)度受朝向的影響比32°傾角大，南向輻射強(qiáng)度遠(yuǎn)大于東西兩側(cè)，尤其是西向由于被建筑本體遮擋輻照強(qiáng)度大幅降低，而32°傾角時(shí)各朝向的地面輻照強(qiáng)度差距甚微，由此可知，在各朝向墻面鋪設(shè)光伏板并采用較小傾角時(shí)可吸收的總輻照量與最大傾角時(shí)吸收的總輻照量差距甚微。

3.3" 日照分析模擬結(jié)果

日照分析的模擬結(jié)果如圖8、圖9所示。32°傾角時(shí)日照時(shí)數(shù)相比90°傾角時(shí)有所下降，但最低點(diǎn)仍在1 460 h以上，每塊光伏板平均日照時(shí)數(shù)均在4 h以上，滿(mǎn)足冬至日的最低日照標(biāo)準(zhǔn)，仍然能夠滿(mǎn)足建筑日照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

3.4" 光伏板發(fā)電量計(jì)算

光伏發(fā)電量的模擬結(jié)果如圖10、圖11所示。在設(shè)定每塊光伏板的峰值功率為120 Wp的條件下，32°傾角時(shí)的發(fā)電量相較于90°傾角的發(fā)電量，每塊光伏板平均每年可以增加至少49 kWh的發(fā)電量，模擬實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用了80塊光伏板，也就是說(shuō)理論值發(fā)電量每年可增加3 920 kWh。

針對(duì)同一地點(diǎn)的相同建筑光伏表皮模型，分別采用靜態(tài)以及動(dòng)態(tài)表皮，對(duì)全年光伏發(fā)電量進(jìn)行了模擬，將模擬得到的數(shù)據(jù)列入表2中進(jìn)行了分析，可以得出：相對(duì)于同等條件下的傳統(tǒng)靜態(tài)表皮，光伏動(dòng)態(tài)表皮優(yōu)勢(shì)突出，尤其是在太陽(yáng)能總輻照量和交流發(fā)電量上，分別提升了48.987%和48.058%，在年總發(fā)電量上更是突破了148.780%。

考慮實(shí)際使用中傾角是動(dòng)態(tài)調(diào)整的，對(duì)不同傾角時(shí)的發(fā)電量差異進(jìn)行了分析，由表3可知，以沈陽(yáng)地區(qū)為例，當(dāng)太陽(yáng)光與光伏表皮角度在32°能保證輻射強(qiáng)度最高，能量差異最低，光電轉(zhuǎn)換效率最大化，但是考慮到室內(nèi)采光和通風(fēng)，建議選擇讓光伏表皮的傾角隨著太陽(yáng)高度角的變化在30°～36°變化，該范圍可在保證室內(nèi)照度的同時(shí)增大室內(nèi)采光均勻度，減小眩光程度。

除了利用模擬軟件，還可以按下列公式進(jìn)行節(jié)能估算：

（1）總發(fā)電量 （kWh）。

總發(fā)電量=光伏板的有效面積 （m2）×年平均太陽(yáng)光總輻射強(qiáng)度 （W/m2）×年有效日照時(shí)間 （h）×組件效率×系統(tǒng)效率

其中：組件效率一般可取18%；系統(tǒng)效率（一般可取85%）。

（2）轉(zhuǎn)換效率。

η=Pm/A

式中：Pm為電池片的峰值功率，=1 kW/m2=100 mW/cm2；A為光伏片面積m2。

注：在光伏照1 kW/m2、實(shí)驗(yàn)溫度25 ℃、大氣環(huán)境條件AM1.5的條件下，測(cè)得單晶硅片光電轉(zhuǎn)化率21%左右，多晶硅片的光電轉(zhuǎn)化率為18%。

4" 結(jié)論

本文以沈陽(yáng)地區(qū)氣候?yàn)槔?，通過(guò)模型評(píng)估參數(shù)驗(yàn)證模型預(yù)測(cè)的可行性，最終得出幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）給出的光伏動(dòng)態(tài)表皮的設(shè)計(jì)方案，相較于既有的靜態(tài)光伏靜態(tài)表皮，實(shí)現(xiàn)了對(duì)陽(yáng)光的實(shí)時(shí)追蹤以提升光電轉(zhuǎn)化效率、優(yōu)化了可安裝條件以及增加了智慧調(diào)控、調(diào)節(jié)室內(nèi)熱環(huán)境和導(dǎo)風(fēng)導(dǎo)光等功能。

（2）利用建筑設(shè)置光伏發(fā)電需考慮建筑的分布，建筑具有城市密集、鄉(xiāng)村分散的特點(diǎn)，在建筑分散的地區(qū)會(huì)有富余電量，需要并網(wǎng)售電；在建筑密集的地區(qū)會(huì)滿(mǎn)足不了建筑對(duì)電能的需求，需要多能互補(bǔ)。

（3）通過(guò)模擬分析得出，光伏動(dòng)態(tài)表皮相較于傳統(tǒng)靜態(tài)表皮在數(shù)據(jù)上具有優(yōu)勢(shì)，尤其在光伏發(fā)電量上提升巨大，而制造成本相距甚小，性?xún)r(jià)比更高，且更能滿(mǎn)足市場(chǎng)的多樣化需求，有望取代傳統(tǒng)靜態(tài)表皮并作為光伏建筑一體化（BIPV）的代表產(chǎn)品應(yīng)用于市場(chǎng)。

參考文獻(xiàn)

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