1. 시설원예 난방에너지 절감 기술

  난방 에너지를 절감하기 위한 방안으로는 크게 3가지로 나누어 볼 수 있다.

  첫 번째는 에너지 절감 작물재배 기술로 내저온성 품종 육성, 저온성작물재배 및 변온관리 기술의 활용이고 두 번째는 보온 단열성이 높은 피복자재의 활용, 시설구조의 개선 및 하우스 내 투광량의 극대화, 세 번째 난방시스템 및 설치방식의 개선과 대체 에너지 이용에 의한 난방연료 절감 등을 들 수 있다.

  이중 작물재배 측면에서의 에너지절감 기술은 활용면에서 볼 때 저온성 엽채류와 같이 적용에 제한이 따르고 내저온성 품종 육성과 같은 기술은 개발에 많은 시간이 요구되므로 장기적 대응방안으로 밖에 활용할 수 없다. 따라서 현실적으로 시설원예 농가에서 난방에너지 절감기술 방안으로 활용될 수 있는 기술은 하우스 보온력 증대와 난방연료 절감 기술 등이 전부이고 재배기술 중에서는 변온관리 등과 같은 하우스 온도관리 기술이 도입 활용할 수 있을 것으로 본다.


2. 난방에너지 절감기술의 이론과 설제

 가. 보온의 원리

  맑은 날 낮에는 ㎡당 2,500㎉의 태양열이 하우스로 투입되는데 이때 피복재에 의하여 차단되거나 반사되어 실제로 투입되는 열량은 1,500∼1,750㎉ 밖에 되지 않는다. 이때 햇빛은 295∼3,000nm의 단파선에서 3,000∼50,000nm의 장파 열에너지로 바뀌면서 열선화 되고 하우스내 열이 집적된다.

  하우스내로 입사한 광선은 토양에 흡수되어 먼저 지온이 높아지고 뒤이어  지면과 공기사이에 열교환이 일어나 시설내의 공기가 더워지게 되는데, 이러한 하우스 내 열은 피복재에 의하여 외부로 방열이 차단되므로 하우스 내 온도는 높아지게 된다. 그러나 야간에는 태양열원이 없기 때문에 공기중의  열은 대부분 방열되고 결국 하우스 토양에 유입된 열량중 10∼15%(175∼225㎉/㎡)정도만 이용된다. 따라서 가온을 하지 않을 경우에는 급속한 기온저하가 이루어지게 되므로 여러 가지 수단을 이용하여 방열을 최대한 억제시켜야 하며, 이러한 방열 억제에 의한 온도하강 방지를 시설의 보온이라고 한다.

  열의 이동은 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하므로 하우스내의 온도편차가 클수록, 외부에서 바람이 강하게 불수록 방열이 많아지고, 하우스의 밀폐도가 낮을수록 보온성은 낮아지게 된다.

  일반적으로 하우스내의 열손실은 피복재를 통한 방열(관류관열)이 전체열손실의 60∼80%, 피복재의 틈이나 창틈을 통과하는 방열(화기 전열량)이 10∼20%, 하우스 상면의 토양과의 열교환(지표 전열량)이 지역에 따라 0∼30%까지 이루어지기 때문에 피복재 또는 보온재 선택에 따라 난방연료 손실에 큰 차이가 있을 수 있으므로 주의를 요한다.


 나. 하우스의 보온력 증대 기술

  (1) 시실구조 설치와 보온력

  하우스내로 들어오는 햇빛은 가능한 많이 들어오게 하고 유입되어 더워 진열은 효율적으로 관리해 밖으로 빠져나가지 못하도록 하는 것이 보온기술의 요점이다.

  열에너지 효율성을 높이기 위하여 우선적으로 고려할 것이 하우스의 설치 방향이다.


<하우스 설치방향 및 형태에 따른 광부과율 비교(%)>


  즉 단동하우스는 하우스를 남북동으로 설치 하는 것보다 동서동으로 설치하는 것이 겨울철에 12∼13% 더 많은량의 햇빛이 투과된다. 그러나 연동하우스에서는 남북동이나 동서 동 모두 여름철 투광량 면에서는 차이가 없으나 남북동으로 설치하면 아침과 저녁에 경사면과 측면에서 투광량이 많아져 실내 온도상승이 빨라지기 때문에 오전중에 광합성이 촉진되고, 연동하우스 곡부에서 생기는 그늘지는 면적이 적은 등 시설환경이 더욱 양호하여 작물재배에 유리하다는 장점이 있다. 그래서 단동하우스에서는 동서동으로, 연동하우스에서는 남북동으로 설치하도록 권장하고 있다.


  (2) 피복자재의 종류와 보온력

  하우스 피복사재를 어떤 것으로 선택하느냐에 따라서 연료비를 10%이상 절감할 수 있다. 즉 3,000∼50,000nm의 장파에너지의 투과율이 낮은 피복재가 보온력이 높다,


<피복자재의 장파 투과율과 흡수율>


  실제로 가온에 필요한 열량을 외부기온이 0일 때 12유지를 위한 15시간 전력 사용량으로 보면 아래표와 같이 어떤 필름을 사용하느냐에 따라 10∼13%의 난방에너지 절감이 가능하다.


<피복자재 종류에 가온필요 열량>

필름종류

두께(mm)

가온필요열량

(㎉)

PE에 대한 비율(%)

광투과율

(%)

PE 필름

0.1

3,200

100

88.2

EVA 필름

0.1

2,883

90.1

88.2

PVC 필름

0.1

2,790

87.2

91.5


  그러나 PVC필름은 보온성은 우수하지만 겨울철 저온에서 경화되는 성질이 있기 때문에 외피복자재로는 곤란하고, 또한 가소제를 첨가하여 제조하기 때문에 필름이 서로 달라붙기 쉬운 성질이 있어 개폐부분의 필름으로 사용할 수는 없고, 천장의 이중 피복재로 사용하면 효과적이다.


  (3) 보온재의 종류와 보온력

  국내에서 사용되는 보온자재로 비닐하우스에 보온용 커튼으로 부직포(또는 트로피칼)2∼3층, PE+PE필름, 또는 PE+부직포(트로피칼), 유리온실에서는 부직포(트로피칼) 2층이나 알루미늄증착필름이 주로 사용되고 있다.


<커튼 피복자재의 종류 및 피복방법과 열 절감률>

피복방법

피복자재

열관류율

(㎉/㎡/ha/℃)

열점감률(%)

일층커튼

PE 피름

3.5

30

PVC 필름

3.3

35

부  직  포

3.8

25(습윤), 35(건조)

AL가루 혼입필름

3.0

45

AL 증착필름

2.5

50

이층커튼

PE+PE 필름

2.8

45

PE 필름+AL 증착필름

1.8

65

외면피복

온실용 짚거적

2.0

60


  위 표에서 보면 PE필름을 1층 커튼으로 사용하였을 때에는 열절감율이30%이었고, 부직포는 하우스내가 습하여 부직포가 습기를 먹었을 때에는 보온력이 떨어져 25%로 낮고, 건조할때는 35%로 높아지는 것으로 나타났다. 보온력이 가장높은 보온자재는 50%의 열 절감율을 보인 알루미늄증착필름이다.


  (4) 보온커튼 층수 및 조합에 따른 보온력 차이

  하우스 내에 커튼수를 몇층으로 설치하느냐에 따라서 보온성에 큰차이가 생긴다. 예를 들어 PVC필름의 경우에는 커튼수를 3층까지 높여도 열관류율은 지속적으로 낮아지기 때문에 PVC필름은 그 이상으로 커튼수를 증가하여도 보온성은 높아지는 것으로 생각된다.

  그러나 연질필름으로 보온할 경우 5층까지는 보온효과가 있으나 그 이상에는 효과가 적은 것으로 보고 있다. 반면에 알루미늄 증착필름(반사필름)을 보온용으로 사용할 경우에는 1층커튼으로도 PVC 3층커튼과 유사한 정도의 나타났다.


<이층커튼 조합에 의한 열관류율의 차이>

내층

외      층((㎉/㎡/ha/℃)

알루미늄증착필름

PVC 필름

PE 필름

알루미늄증착필름

1.0

1.3

1.3

PVC 필름

1.2

2.2

2.6

PE  필름

1.3

2.4

2.9


  알루미늄증착필름을 커튼으로 사용할 때는 2층 정도의 커튼 설치가 적당한 것으로 생각된다. 알루미늄증착필름을 커튼으로 사용할 때는 외층에 알루미늄증착필름을 설치하고 내층에는 PE, PVC, EVA, 부직포 트로피칼 등을 설치해야 보온효과가 높다.


  (5) 시설구조상 보온비 증대

  시설구조상으로 볼 때 하우스바닥의 면적은 열을 저장하는 열원이고, 시설의 표면적은 방열체이다. 따라서 보온비(시설바닥면적/시설의 표면적)가 클수록 보온력이 유리하다. 단동아취형하우스의 보온비는 0.6, 아취형연동하우스가 0.7정도 된다.


  (6) 지중가온

  지온은 작물의 종류에 따라 다르지만 15∼20 범위가 적당하다. 30이상이 되면 뿌리털 발생이 억제되고 뿌리호흡이 왕성해져서 동화산물의 소모가 많아지므로 25가 최고한계온도이다.


<지중가온에 의한 오이의 초기수량성>

처  리

주당과실수

과중(g)

수량(kg/10a)

지수

무 가 온

지중가온 25

4.3

133.3

1,891

100

8.8

153.7

4,437

235


   - 온수보일러 이용 온수(45)순환

   - 지중 35cm 부위 XL파이프 매설


<생육단계별 지온조절 요령>

생육단계

활착기

생육초기

생육중기

생육후기

조절온도

22.5

20

18

자연지온

활 착 기 : 정식시 부터 10일까지

생육중기 : 정식후 31∼90일

생육초기 : 정식후 11∼30일

생육후기 : 정식 91일 이후


  (7) 외면피복

  기름값 인상으로 에너지 절감대책이 대두되면서 광폭형 비닐하우스에 12∼14온스 규격의 보온메트(덮개)에 모타장치를하여 하우스외부피복을 하는 농가도 확대되고 있는데 최근에는 1-2W형 농가보급형 비닐하우스에 4각모양으로 보온덮개를 설치한 다음 시간대에 따라 자동개폐 되도록 하고 있다.

  이시설의 설치비는 평당 6∼7천원 정도로 소요되고 작물이나 설치 방법에 따라 차이는 있지만 또 58.4%의 기름을 절약 하였다는 농가사례도 있다. 그러나 외피복은 눈, 비 올때는 사용하지 못하는 결점도 있다.


<보온덮개이용 오이촉성재배 유류 절감효과>


  (8) 축열물주머니의 이용

  축열물주머니는 낮에 태양열을 가능한 한 많이 물에 축열 시켰다가 밤에 방열시켜 이용하는 방법으로 터널내 기온을 2∼3℃, 지온을 3∼4정도 상승시켜 주는 효과가 있다. 축열주머니의 규격은 폭 25∼30cm, 두께0.15∼0.2mm의 PE튜브를 사용하면 된다.

  그러나 사용할 때 물이 샌다던가 이끼가 끼어 집열효율을 떨어트리는 등의 문제가 발생하므로 원칙적으로 전용 물주머니를 이용하거나 PE튜브를 2겹으로 사용하면 물새는 것은 해결할 수 있으며 이끼발생문제는 황산동이나 동수화제를 1,000배액 이상으로 묽게해서 물주머니에 주입하면 된다.


<축열물주머니의 효과>

구  분

기  온

지  온

수량증가

햇빛이용율

설치한곳

8~9

11~12

134%

18%

설치안한곳

6

8

100

9

※ 외부기온 : 영 하 10 ∼ 5 일 때, 상추재배


  (9) 지중축열장치 이용

  지중축열장치의 구조는 축열용 통풍관으로 직경이 100mm인 PVC파이프를 이용하여 지하 50cm이하에 매설하고 하우스 중앙에 송풍기를 설치하여 하우스내 공기를 순환시켜 주는 장치로 보온효과도 12이상을 나타내며 지온도 1∼3상승효과가 있다.


<태양열 지중 열교환 장치의 효과(원시 ′81)>

작  물

재배기간

지중 열교환

장치 유무

유류소모량(ℓ/㎡)

절감효과

수  량

(kg/10a)

상  추

2.4~3.26

미설치

2.97

0

2,475

설  치

0.60

80%

4,200

오  이

3.11~5.11

미설치

2.21

0

7,417

설  치

0.24

89

7,665


  (10) 수막식 보온하우스

  하우스내에 커튼을 설치하여 커튼위에서 적당한 간격으로 노즐을 장착한 살수파이프나 분무용 살수호스를 설치하고 밤에 지하수(14∼16)를 끌어올려 살수하므로써 하우스 내부를 보온하는 것이다. 이 경우에는 살수된 물이 배수로로 흘러갈 수 있도록 배수시설이 완벽하게 갖추어져야한다. 평균수온이 16.7이고, 외부기온이 -9.2일 때 하우스 내부기온이 9.4로써  내외 기온차이가 18.6를 나타냈다. 또한 난방비 절감효과를 보면 300평당 1분에 264ℓ 살수하면 약 76%의 난방비를 절감할 수 있다.

  또한 지하수를 이용한 수막재배시에 알아두어야 할 사항은 지하수 성분 중 철분함량이 높은 곳은 비닐을 오염시켜 투광량을 감소 시키므로 수막재배를 피해야하고, 사용중에 물막힘을 방지하기 위해서 반드시 걸름장치(필터)를 설치하여야 한다.

  지하수 철분 제거장치는 시설600평 규모에 3톤을 담을 수 있는 물탱크를 준비하여 하나는 여과조로, 하나는 정화된 물을 저장하는 탱크로 사용한다. 여과조는 아래 그림과 같이 밑바닥에는 자갈 14%, 다음에는 숯 22%, 모래33%, 맨 상층부는 빈 공간을 31% 만들어 상층부로부터 물을 공급하면 철분의 침전은 모래층에서 대부분 제거되고 모래층에서 빠져나온 침전물은 숯 층에서 제거된다.


 다. 하우스 온도관리 실태와 효율적인 난방방법

  (1) 온도관리 실태와 문제점

  하우스 용적에 미달하는 용량의 온풍난방기가 설치되어 기름값은 다소절약되나 수량은 30%이상의 차이를 보이고있는 실정이며(조사농가의약 70%) 변온관리를 실시하는 농가는 42.9%정도로 실시하고 있다고 하여 변온관리가 이루어지지 않은 실정이다. 또한 변온관리를 실시하고 있는 농가도 제대로 실시하고 있는 농가는 10%내외 정도이다.

  온풍난방기와 주관을 하우스 한쪽 측면에 배치하고 새끼닥트는 하우스길이에 따라 일정하게 배치하여 하우스내의 온도편차가 커져 온도분포가 고르지 못한 실정이다.


  (2) 효율적인 난방방법

  작물이 필요로하는 목표온도를 유지하기 위해서는 부족되는 열량을 난방기로 가온해 주어야 한다. 난방기 용량결정은 재배작물, 하우스 규모, 내부 보온커튼의 종류와 층수 및 지역에 따라 다르기 때문에 난방기의 용량을 계산하여 결정하여야 한다.

하우스 난방에 필요한 열량(Q) = U[T1-T0AW(1-fr)]

  ① U : 난방부하계수 (㎉/㎡, ha. )- 유리온실 5.3, 비닐하우스 5.7

  ② T1 : 작물의 생육적온

  ③ T0 : 해당지역의 20년평균 1월 최저외기온()

  ③ AW : 온실표면적(㎡)

  ④ fr : 시설의 보온고조에 따른 열절감률


  온풍 난방기는 가급적 하우스 중앙부에 설치하고, 새끼닥트를 양쪽으로 대칭 되도록 설치하되 하우스 측면 가장자리는 하우스 길이 만큼 길게 설치하고 중앙의 온풍난방기에 가까울수록 단계적으로 새끼닥트의 길이를 짧게 설치하여야 되며, 난방기를 측면에 설치 할 때도 마찬가지로 중앙부의 닥트길이를 짧게 설치하여야 실내공기가 외측에서 중앙으로 순환되기 때문에 온도편차를 줄일 수 있다.

  그리고 주야간에 따라 변온관리를 실시하여 광합성을 돕고, 가온 유류대도 절약하도록 해야 한다. 일반적으로 설정온도를 1 낮추면 10%의 연료비가 절약된다고 한다.


<새끼닥트의 설치방식에 따른 실내온도 및 지중온도 변화>

새끼닥트 설치방법

실내온도(℃)

지하10cm 온도(℃)

열  량

(㎉/h)

목표온도

편  차

평균

편차

측면하우스길이+

하우스의 1/2길이

23

0.63

18.9

0.84

75,748

측면+중앙열

모두 하우스 길이

23

0.91

17.8

1.01

74,796


3. 환경관리


 가. 적온관리

  (1) 온도관리 실태


<작목별 농가평균 설정온도와 최저한계 온도>

구  분

작  목  별

고  추

딸  기

오  이

방울토마토

토마토

농가평균설정온도(℃)

17.4

5.8

13.1

10.3

8.7

최저 한계온도(℃)

12.0

5.0

8.0

-

5.0

  - 고추, 오이의 설정온도는 최저한계온도에 비해 5이상 높게 관리하여 난방비가 많이 소요됨

  - 딸기, 토마토의 경우는 차이가 작음.


  (2) 온도와 광합성

  작물의 광합성은 대기중으로부터 흡수된 이산화탄소(Co2)와 뿌리로부터 흡수된 물을 이용하여 식물체의 잎에서 햇빛을 이용하여 광화학반응이 일어나 탄수화물을 생성하는 과정이 일어난다. 이렇게 생성된 탄수화물은 일부가 녹말, 단백질, 지방, 당 등으로 저장되고 핵산, 효소, 엽록소, 셀루로우스, 펙틴 등으로 되어 식물체를 구성하는 물질이 되는 것이다. 이러한 생리작용은 식물체의 호흡에 의해 얻어진 에너지를 이용하여 이루어지는 복잡한 작용으로 재배환경의 영향을 많이 받는데 그중 온도의 영향이 크다. 광합성 속도가 최고인 온도는 오이가 25, 토마토 20, 피망 20∼25이다.  밤에 시설내부가 저온이 되면 다음날 나쁜 영향을 주게 된다.


  (3) 온도와 광합성 산물의 전류

  낮 동안 작물의 잎에서 생성된 동화산물은 작물의 각 부위로 빠르게 전류가 되어야 한다. 잎에서 눈 녹말형태로 있다가 당으로 바뀌어 체관을 통하여 덩굴, 뿌리, 과일 등으로 전류된다. 전류가 완전히 이루어지지 않는 상태에서 다음날 잎에 탄수화물이 다시 집적되면 잎은 짙은 녹색으로 되면서  두껍고 빨리 노화되어 잎의 활동이 약화되고 덩굴의 생장이 정지된다. 낮동안에는 25 전후로 관리하여 광합성 기능을 최대로 하고 일몰 후부터 4∼5시간은 동화산물의 전류를 촉진시키기 위해 오이는 15∼16, 토마토는 12∼13의 비교적 높은 온도를 유지해야 한다.

그 이후부터는 오이는 10, 토마토는 5∼6로 관리하여 호흡에 의한 소모를 최대한 줄일 수 있도록 한다.


야간변온관리의 설정온도

작   물

17~22시

22~08시

작    물

17~22시

22~08시

토 마 토

10~15

5

온실멜론

18~22

15

피    망

16~20

12

딸   기

10~12

5

가    지

15~18

10

오   이

12~15

 


 나. 광 환경관리

  (1) 하우스내 광 환경의 특성

   ① 하우스내 일사량은 노지의 50∼80%정도로써, 겨울에는 작물생육에 영향을 줄 수 있을만큼 일사량이 충분하지 못하다. 철골이 많은 유리온실은 약 20%, 목재하우스 15%, 죽재하우스 10% 전후 파이프하우스가 5%정도로 골격에 의해 광투과량이 차단된다. 또한 피복자재의 종류에 따라서도 투광량이 달라지는데 특히 피복후 시간이 경과함에 따라 공기중의 습기와 먼지가 피복면을 오염시키게 되므로 투광율이 달라진다.

   ② 하우스내 일사량 분포가 불균일하며 특히 하루중 분포가 불균일하다.

   ③ 하우스내 투과되는 광의 파장(광질)의 변화가 있다.


  (2) 광환경의 개선

  연질필름(PE, EVA, PVC)의 가시광선 투광량은 비슷하지만 물방울이 맺히는 유적필름에서는 무적필름 보다 5∼10% 떨어지므로 무적필름을 사용한 것이 바람직하다. 또한 피복자재의 변색으로 인해 투광율이 떨어지지 않은 자재의 선택이 요구되고 피복했을 경우 자재의 경년변화가 적은 자재를 선택하는 것이 중요하다.

  또한 시설방향은 단동하우스에서는 동서동이 남북동 보다 평균투광량이 많을 뿐아니라 시간적, 공간적 균일성면에서도 우수하다. 그러나 단동으로 여러동을 인접하여 만들때는 하우스 동간의 간격으로 보아 동서동이 남북동 보다 동간의 간격을 넓게 띄어야 한다. 연동하우스에서는 동서동의 평균 투광량이 남북동보다 높지만 물받이 부분이나 골재의 그늘이 정체되어 햇빛의 분포가 고르지 못하다. 따라서 단동인 경우는 동서동으로 연동인 경우는 남북동으로 하는 것이 바람직하다. 그리고 태양고도가 낮을 때 동서동의 북쪽벽에 반사판을 설치하여 반사광을 실내로 유도함으로써 광량을 증대시킬 수 있다. 태양의 고모가 35° 일 때 투광량이 74%, 반사광이 38%로 총 112%가 되므로 바깥보다 약 12%나 더 많다.

이와같이 반사광을 실내로 유도하면 한겨울에 2개월 동안은 실내의 광선을 바깥보다 약 10% 더 많이 유지할 수 있다. 반사판으로는 반사필름인 알루미늄증착필름과 알루미늄혼입필름 등이 이용된다. 반사필름의 이용은 광량  뿐만 아니라 화훼작물의 꽃줄기가 굽는 것도 막을 수 있어 절화의 품질을 높일 수 있다. 그리고 피복면에 부착 오염되어 투광율이 낮아진 피복자재를 세척하여 투광율을 높인다.


 다. 수분환경조절


<시설재배 채소류의 관수개시 시기>

구  분

관수개시시의 pF치

비                   고

토마토

생육전기 : 2.0 ~ 2.5

관수과다시 도장, 공동과 및 기형과 발생증가

 

생육후기 : 1.8 ~ 2.3

건조시 생육부진 및 배꼽썩음병 발생증가

오이

생육전기 : 2.0 ~ 2.5

수확개시 이전은 비교적 건조하게, 수확개시 이후는

 

생육후기 : 1.8 ~ 2.3

수분이 많은 것이 좋음

딸기

1.5 ~2.0

 

가지

1.5 ~2.0

건조관리가 근군발육을 촉진하거나 과실의 착색이 불량해 짐

멜론

정식직후 : 2.0전후

수분장력을 주간에는 낮게, 야간에는 높게 유지함

 

교 배 후 : 2.4

(과실비대기와 네트 형성기에는 공중습도의 조절이

 

네트형성기 : 2.4 ~ 2.7

필요), 수확 1주전부터는 단수하여 당도를 높임

 

생 육 기 : 2.5 ~ 2.7

 


<시설채소 1회 관수량과 관수주기>


  관수하는 방법은 고랑관수, 분수형 관수, 살수형 관수, 점적형관수, 지중관수 등 여러방법이 있다. 점적형관수는 적은 물량으로 효과적인 관수를 할 수 있는 방법이고 제한된 부분에만 관수되므로 포토의 경화와 유실이 적다.


 다. 환기

  환기방법에는 자연환기와 강제환기가 있는데 그 방법별 특징은 아래 표와 같다.


<환기방법별 특징 비교>

환기방법

특             징

환기방법이 유리한 온실

자연환기

방    법

적정 환기 면적이나 위치 등이

   적절하면 대량환기 가능

온실내 기온분포가 비교적 균일

외부 기상조건(풍속, 풍향)의 영향

   받기 쉬움

환기면적이 큰 온실

다연동온실로 천창면적 큰

   온실

측장을 전부 열 수 있고 통

   풍이 잘되는 온실

강제환기

방    법

환기 량은 환기선의 풍량대수,

   흡배기구의 면적이나 위치에 의존

환기 선으로 인한 온실 내광 환경을

   악화

환기선의 전기량 소음, 정전시의 문제

 

 

 

 

○ 강풍지대나 구조상 천장을

   설치 할 수 없는 온실

고온기에 바람이 약한 지대

대면적으로 천창기능이 불충

   분한 온실

통풍과 저습을 좋아하는 식물

   재배 온실

증발 냉각 법에 의해 냉방하는

   온실

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