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楊旭東1，單明1，邢永杰2，聶亞洲1，劉彥青1，丁星利1，馬榮江1，江億1
（1.清華大學建筑技術科學系，北京100084；2.北京市科學技術委員會，北京100744）
摘要：本文梳理了目前我國北方農村清潔取暖的進展及相關問題，分析了農村清潔取暖在初投資、運行費、使用便捷性及統籌規劃四個方面存在的關鍵約束性因素，提出了北方農宅清潔取暖的適宜模式，即一萬元初投資（每戶）、一千元運行費（每年）、一鍵式操作、一個規劃的“四一”模式。基于對所指導實施的河南省鶴壁市和山東省商河縣兩個實際案例的數據監測和統計分析，證明了“四一”模式的可實現性和可推廣性。該模式為解決我國北方農村清潔取暖所面臨的諸多難題給出了一條切實可行的發展路徑，也為農村建筑用能領域盡早實現“碳達峰”和“碳中和”提供助力。
習近平總書記2020年9月22日在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上發表重要講話，指出中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和[1]。我國要實現綠色低碳轉型發展涉及城鄉居民生產和生活的方方面面，北方清潔取暖是其中的重要一環。經過多年的實施，北方清潔取暖在環境、經濟特別是民生方面取得了顯著的成效，尤其是從2017年開始國家四部委在北方43個城市實施清潔取暖試點行動以來，截至2018年底，北方地區冬季清潔取暖率達到了50.7%，相比2016年提高了12.5%，其中城鎮地區清潔取暖率為68.5%、農村地區清潔取暖率為24%[2]。自清潔取暖實施以來，農村散煤使用量減少約3000萬噸標準煤（tce），對改善大氣環境做出了實質性貢獻[3]。但從實施情況來看也暴露出一些不足，如：技術路線選擇未經過充分論證以及改造方案系統性設計不足、政策缺乏可持續性等問題[4]；北方農村地區大面積“煤改氣”存在氣源保障、安全風險、運行成本三大風險[5]；對“頂層設計”不夠重視，對“因地制宜”難以落地執行等[6]。整體總結如下：
（1）科學的頂層規劃和技術路徑缺乏
從現有的清潔取暖政策看，由于任務的緊迫性和相關技術的缺乏性，進而造成以下達任務目標和羅列技術為主開展工作，缺乏基于本地實際對各項技術深入系統的可行性分析和對所選擇的技術路線嚴謹的分析論證。對清潔取暖理解和認識不清晰，在實施過程中缺乏對各環節的細節指導和管理，僅關注工程項目和任務量是否完成本身，可能會產生不同技術方案性能模糊、節能效果迥異的差別化結果。此外，對后續運維也缺乏統籌考慮。
（2）清潔取暖可持續發展機制有待形成
目前清潔取暖工作機制主要是政府層面自上而下推進實施，國家及地方的各級財政補貼不但承擔了工程建設的絕大部分費用，還在對居民的運行使用不斷進行補貼，政府能負擔、市場愿投入、居民可承受的可持續發展清潔取暖機制有待形成。
（3）經濟性差、后期難以持續
清潔取暖使用成本普遍上漲，取消補貼后，農村居民取暖支出可承受能力差。相比于散煤取暖，農村地區清潔取暖使用成本較高，即使享受價格補貼之后，農村居民取暖支出仍普遍上漲。以“煤改氣”為例，由于燃氣價格高，農戶燃氣取暖設施實際使用率不高。即使有補貼，農戶反映經濟上依然難以承受，存在返煤風險。同樣，燃氣公司投巨資修建管網，實際有效利用率低，投資無法得到回報。
（4）清潔取暖改造指導方案過于模糊
在清潔取暖改造工程推進過程中，由于時間緊、任務重，制定實施方案時過于寬泛模糊，清潔取暖改造方案和技術路徑相似度極高。在農村地區普遍以簡單的“煤改電”“煤改氣”為主，未充分結合本地資源稟賦、基礎設施以及老百姓經濟承受能力等進行針對性設計。
（5）供需不匹配、能源供應難保證
大規模推行“煤改電”和“煤改氣”，而對總體電力負荷和燃氣供應未做科學考量。目前已改用戶，氣網新建以及電網擴容投入后，后續電力和氣源維持艱難，對于后續工作的進一步推進已經無法繼續按目前的途徑實施，而北方廣大農村地區豐富的農作物秸稈、果木剪枝、畜禽糞污等生物質資源則被忽視。截至2018年底，“煤改氣”實施約占整個煤改清潔能源的70%，而生物質成型燃料供暖等利用本地化資源項目只有少量的示范。另外需要特別指出的是，許多試點城市忽視農村建筑節能改造工作。農村既有建筑的圍護結構保溫性能普遍較差，如不相應地進行節能改造，取暖效果差、能耗高，會直接影響到農戶參與清潔取暖的積極性。
北方地區冬季取暖用能是我國農村生活用能的主要部分，也是農村建筑朝著節能化、清潔化和低碳化發展的重中之重[7]。農村清潔取暖工作事關方方面面，實施得好，將帶來惠及民生的效果；實施得不好，將從某種程度上剝奪老百姓最基本的溫暖過冬權利。大量的實踐經驗表明，決定清潔取暖實施效果好壞的關鍵是其實施模式和選擇的技術路徑是否科學合理，而研究北方農村清潔取暖的適宜模式首先需要對農村地區所面臨的主要約束性因素進行分析。
1約束性因素分析
本文從北方農村清潔取暖的初投資約束、運行費約束、使用便捷性約束、統籌規劃約束等不同角度來分析北方農村清潔取暖的合理化模式和原則。
1.1初投資約束
清潔取暖工作是一項重大民生工程，如果農村清潔取暖改造的初投資較高，普通居民一般很難承受，需要政府給予一定的補貼，因此必須綜合考慮農村居民的收入水平、中央和地方財政的承載能力。雖然國家針對清潔取暖試點城市制定了不同的補貼方案，給申請入圍的“2+26”城市中的直轄市、省會城市、地級市以及汾渭平原城市每年分別提供10億元、7億元、5億元、3億元不等的財政補貼，但由于這些地區人口密集、農戶眾多，即使不考慮將這項補貼用于城市清潔取暖工作，而假設全部用于農村清潔取暖，則按照當地的農戶數量進行平均，每個農戶所對應的國家財政補貼仍然嚴重不足。對于一些人口大市，每戶平均僅500元～1000元，遠不能滿足實際需求，絕大多數地區還要依賴當地市、縣兩級財政進行配套，而目前地方政府普遍反映整體財力吃緊，很難進行大規模配套。
圖1給出了近5年我國公共財政決算中節能環保領域的支出情況[8]，其中將污染防治、能源節約利用、污染減排、可再生能源和循環經濟5個有一定關系的方面全包括在內，每年的決算總額僅為2000億元～3000億元。假設其中有50%用在整個北方地區，而這其中的50%可以用在北方農村，則國家每年用在北方農村清潔取暖的可支配資金總量最多在1000億元左右。國家十部委發布的《北方清潔取暖規劃2017—2021》[9]指出，到2021年，北方地區清潔取暖率總體達到70%，其中農村地區清潔取暖率60%以上。這意味著在四年的時間內，有約4000萬戶農戶需要實現清潔取暖改造，按照目前國家每年公共財政資金支出情況，四年最多總共可支配4000億元左右，折合每戶約1萬元。
而目前的情況是一些財政狀況較好的地區，為達到目的不計成本，選擇了不適宜的技術路線，即使財政壓力未轉移到農村居民身上，也是對政府公共資源的一種浪費。推進清潔取暖的內在動力是政策引導下取暖領域的供給側結構性改革，財政補貼本應是填補缺口的關鍵角色，不該變成承擔大頭的主力軍，完全依賴大量的財政補貼不可能做好清潔取暖工作。
1.2運行費約束
政府的運行費用補貼盡管能解“燃眉之急”，卻容易引發“長久之痛”，成為政府長期背負的沉重包袱，否則補貼一旦停止，就有農戶重新返燒散煤的風險。而只有選擇適宜的技術路線，不需要對運行費用進行補貼，才可以大大減輕從中央到地方的財政壓力，用合理的經濟代價獲取最大的節能減排效果。
從《2019年中國農村統計年鑒》[10]關于農村居民收入與消費的1954—2018年統計數據可看出，隨著生活水平的提高，1978年以后人均消費有明顯的逐年升高，2005年以后居住消費有明顯升高，農戶居住消費在總消費中的占比長期維持在約20%的水平（圖2）。清潔取暖是惠及全民的民生工程，需要基本全覆蓋，所以應著重考慮中低收入農戶消費支出水平。《2019年中國農村統計年鑒》中農村居民按收入五等份分組的人均可支配收入見圖3。圖中，農村人均可支配收入不平衡程度較大，中間偏下收入戶和低收入戶分別為全國平均收入水平的58.2%和25.1%。北方農村地區人均消費支出中，北京與天津遠高于全國平均水平，而山東、河南、河北基本與全國平均水平持平，山西和陜西為全國平均水平的約80%，而甘肅最低僅為全國平均水平的60%，呈現出西北與東北等地區取暖需求越大經濟水平反而越低的趨勢。
居住能源消費主要包含水、電、燃料等費用，可根據年鑒中2018年全國人均居住能源消費數據以及不同收入、不同地區跟全國平均水平的關系，合理分析中低收入人群可承受的取暖運行費用。以北方地區已進行的清潔取暖改造地區相關調研結果為參考，居住能源消費中非取暖消費占比可以按70%計，戶均常住人口以3人計，中偏下收入戶均居住消費支出以全國平均居住消費的58%計，2018年全國人均居住消費為2660元/人，則可推算出山東、河南、河北等省份與全國平均水平持平的中偏下收入戶年取暖費用支出約1388元/戶，低收入戶年取暖支出約600元/戶；山西、陜西等地區中偏下及低收入戶取暖費用支出分別為1110元/戶、480元/戶左右；甘肅等經濟水平較差地區中偏下及低收入戶取暖費用支出分別為830元/戶、360元/戶左右。
長期以來，北方農村地區取暖以散燒煤為主，每個取暖季消耗1t～2t散煤，花費800元～1600元。目前清潔取暖推進地區，年取暖費用約1000元/戶，基本可確保中等偏下收入以上農戶（即80%以上）能夠承受，低收入用戶可通過用戶節約行為以及適當精準扶貧的形式實現清潔取暖，則最終可確保全部收入水平的農戶都能承受得起清潔取暖花費。
1.3使用便捷性約束
由于農宅具有房間數量多、使用時段不規律、間歇性在室等特點，取暖設備或系統宜具備分室調節功能，充分利用農戶的行為節能以達到最大化的有效取暖。調研發現，農宅既有散熱器等取暖系統，不論是夜間使用的臥室、白天使用的客廳還是僅做飯時使用的廚房，常無任何調節閥門，多房間連續性取暖，甚至出現某間房或某一層常年不用仍然一直取暖的現象。因此，改造后的清潔取暖設備需具備分室調節、隨用隨開、啟停方便的特點，滿足間歇式取暖需求。不同時段還宜具備溫度可設置功能，以滿足不同時段不同功能房間的需求。
農村常住人口的構成，以老人和兒童為主，安全意識不高，容易發生誤操作。某些取暖系統或設備開關程序繁雜，某些水系統要求整個取暖季不能斷電以防止結冰危害，某些取暖系統在安裝環節頻頻出故障，某些取暖系統因設備部件較多容易損壞，某些取暖系統則存在較大的安全隱患等。誤操作一般會降低用戶舒適感，損害用戶良好體驗的基本權利，甚至對用戶的生命健康產生嚴重威脅。根據多年的經驗總結和教訓，農村地區清潔取暖工作應避免使用復雜系統，盡量使用易于操作的設備，最好是能夠智能化一鍵式操作的設備。
1.4統籌規劃約束
農村住宅由于其特殊性，主要由農戶自建，多聚居于擁有上百年甚至千年歷史的自然村落，個別村落為遷出重建規整村落。中國多年以來的城鎮化進程，多把規劃的重點放在了城鎮區域，農村地區能源利用與取暖系統一直未得到重視。農村清潔取暖出現要么改不起，要么改了用不起，要么用了帶來新的安全隱患、熱舒適難保證等新問題。在這幾年的清潔取暖改造工作中，某些地區浪費大量初投資和運行補貼，結果發現無補貼后續難持續，電或氣資源緊缺，人民群眾溫暖過冬的基本需求得不到滿足，付出了沉重的代價。還有不少地區在觀望，或者直接照搬其他地區的技術路線和政策內容，不知本地區該從何下手。
清潔取暖不等于“一刀切”地發展“煤改氣”“煤改電”，應當根據本地資源稟賦、經濟實力、基礎設施等條件，結合大氣污染防治和安全節能的全面要求，利用市場的優勢，爭取農村居民的支持和認可，充分發揮地方政府高效的推動作用，將政策紅利用好用對，提出因地制宜的頂層規劃。頂層規劃內容應從選擇技術路線、細化推廣方式、制定補貼政策、建立長效機制等方面切入。
2北方農村清潔取暖適宜模式
制定北方農村清潔取暖適宜模式時，應重點考慮以下幾個因素：
（1）當地資源稟賦
由于農村分散式的村落分布，不宜遠距離進行引入或運輸外來資源，避免增加外網鋪設投資、運輸費用，以及由此帶來的能源保障、能源使用安全等問題。宜利用當地所具備的資源，就地消納。合理測算當地的電力容量，配適當體量的熱泵等高效節能取暖設備；利用農村豐富的生物質資源，采用生物質原料加工成顆粒供應戶式生物質爐具取暖或炊事；太陽能豐富的地區，可利用太陽能進行被動式或主動式取暖；村落附近如果有可利用的工業余熱，可深度回收余熱進行取暖。
（2）當地氣候、地質以及農宅狀況
根據當地冬季溫濕度狀況，選擇適合的熱源設備，如空氣源熱泵考慮冬季供暖效果、調控能力及化霜等問題；農宅的圍護結構狀況、院落布局及常用房間情況，適合多大功率的熱源設備，適合什么樣的末端系統，是否滿足設備的放置與安裝等。
（3）當地能源需求
除冬季取暖需求外，綜合考慮農戶的各種用能需求，包括夏季制冷、炊事、生活熱水等，可選擇同時滿足多種需求的方案；綜合考慮村落及其附近的非農村住宅的其他需求，如蔬菜大棚的取暖需求、養殖對生物質飼料的需求、附近學校、村鎮辦公或工廠等的集中供熱需求等。
（4）當地經濟水平狀況
綜合考慮政府財政實力與用戶經濟能力，同時調動市場與金融機構資本，科學利用進行合理資金配置，在農戶側的熱源、系統與圍護結構節能改造方面，形成一個保證能推起來、能用起來并持續下去的清潔取暖金融方案。
（5）實施模式與長效保障機制
綜合考慮競標企業的資質和服務能力，嚴把質量關，必須保證進入農村市場的設備質量，不僅安裝和調試過程要合規合理，在若干年的運行時間里也應做到安全穩定，對應的設備廠商應提供可靠的長期維修保障服務。
綜上，北方農村清潔取暖的合理模式應該從前期初投資、取暖運行費、農戶使用要求和區域整體實施等多個維度來綜合考慮。基于上述分析以及多地的調研和反饋，本文得出結論，對每個農戶進行清潔化改造初投資不宜超過1萬元，初投資應包含取暖設備投資、房屋節能改造、基礎設施投資等。需要注意的是，基礎設施建設應考慮功能專用性或多用性。以電網和燃氣管網為例，隨著農村居民收入水平逐漸提高，人均用電量必將逐漸提高，電網改造符合農村經濟社會發展規律，目前僅是加快其發展步伐。反觀燃氣管網，建設動力僅為了滿足農村當前的取暖需求，需要付出巨額的基礎設施建設費用。未來的社會主義新農村不宜放棄農村的優勢，尤其是涉及能源結構調整方面，更不應盲目跟隨城市的建設標準和發展方向。
在進行煤改清潔能源后，最理想的狀態是冬季取暖運行費用與改造前基本持平。大量的實際調研也證明，絕大多數農村居民可承受的取暖季年運行費用約為1千元。保證此水平的取暖運行費，即可實現不依靠政府的運行補貼而可持續運行。
總結起來，我國北方農村清潔取暖應遵循初投資每戶平均不超過一萬元、無補貼的年取暖運行費每年不超過一千元、設備一鍵式智能化操作，并整體建立在一個頂層規劃的“四一”原則，這才是適宜農村清潔取暖的可持續化發展模式。
3實際應用案例簡介
筆者團隊經過長期的技術研發、項目應用和實踐總結[11－14]，以及近兩年為多個北方清潔取暖試點城市提供技術指導和示范的機會，總結出只要選擇科學合理的技術路線，“四一”模式是完全可以實現的。下面以河南省鶴壁市和山東省商河縣為例進行簡單介紹。
3.1河南省鶴壁市
鶴壁市位于河南省北部，屬暖溫帶半濕潤季風氣候，年平均氣溫14.5℃，1月最冷，平均氣溫－0.8℃，極端溫度可達－11℃。基于當地的氣候條件、能源資源和農宅建筑結構，探索確定推進“四一”模式和技術路徑，逐步形成“六個一”的鶴壁標準建設管理標準[14]，具體包括：整村推進且明確一個技術路徑和品牌產品，有利于運營維護一體化；遵循能效改造一套技術標準，能效提升不能低于30%；熱源側和用戶側節能總改造費用控制在1萬元以內，而居民承擔費用小于1/4，成本控制在政府和居民可承受范圍內；通過實施低溫空氣源熱風機或生物質清潔取暖爐兩種方式，確保居民清潔取暖年運行成本控制在1千元左右；設備操作一鍵化，主要考慮到農村老人和孩子在家，便于操作；管理平臺一體化，熱風機按照數字化管理，簡化運維。從而達到了農戶可接受、政府能承受、資源可擔負的可持續效果。
具體實施方案如下：
（1）用戶側—圍護結構節能改造
鶴壁市通過邀請包括清華大學建筑節能研究中心在內的相關技術團隊，實施現場踏勘、節能診斷和經濟性分析，總結出了7類農房基礎模型（平房、瓦房、樓房、聯排房屋等），針對每類建筑設計出對應的節能改造方案，并編制了《鶴壁市既有農房能效提升技術導則（試行）》，實現了改造技術統一、項目施工規范和能效提升達標的目標。改造工程堅持整村推進，將節能改造與村容村貌提升相結合，通過示范樣板增強宣傳效果，增強了農戶對能效提升改造的主動性。通過對外墻和吊頂進行改造并采用保溫窗簾后，建筑節能率40%左右。
（2）熱源側—低溫空氣源熱泵熱風機
空氣源熱泵熱風機具有技術成熟度、安裝維護、經濟性、節能減排、實際使用效果等多方面優勢[15－16]。鶴壁市在熱源測清潔取暖技術的選擇上，確定低溫空氣源熱泵熱風機[圖4（a）、（b）]作為主導技術路徑進行大規模推廣。對鶴壁市的典型農戶進行了熱風機實際運行效果監測，測試農宅為單體建筑，主臥和客廳各安裝一臺熱泵熱風機。測試結果顯示，在取暖期間，室內溫度基本保持在17℃以上，日均取暖電耗為0.37kWh/㎡，整個冬季戶均取暖費用大約800元～1200元，運行費用合理，用戶完全可接受。
（3）熱源側—生物質顆粒燃料炊暖爐
生物質顆粒燃料炊暖爐[圖4（c）]符合農村多樣的生活用熱需求，并具備自動控溫、分時段設置等多重控制，將更專業的行為節能融入智能控制器實現大小火自動轉換，保證供熱需求的同時，進一步減少燃料消耗，控制煙氣排放總量。使用時僅需人工定時（間隔8h～10h）向料斗添加燃料和清灰，農戶操作簡單，使用便捷，其燃料燃盡率高，具有技術先進、熱效率高、污染排放低等優勢，可同時保證當地農村清潔取暖、炊事及生活熱水等需求。
目前河南省鶴壁市有400多個村莊試點安裝了空氣源熱泵熱風機，推廣安裝約7.2萬戶，生物質顆粒燃料炊暖爐推廣也在有序進行中。通過采用“四一”模式，并經過前期的科學規劃和合理設計實施，用實際工程證明了清潔取暖可推進、可接受、可持續，為北方其他地區的清潔取暖工作提供了良好示范。
3.2山東省商河縣
商河是山東省濟南市的下轄縣，位于濟南市北部，冬季取暖室外計算溫度－5.2℃，歷史極端低溫－19.2℃。取暖期11月25日～3月5日共100天。當地農宅房屋分散，以坡屋頂、磚木、磚混結構為主，建筑保溫措施比例幾乎為零，墻體結構和材料采用實心粘土磚等傳統做法，窗戶多為單層玻璃鋁合金窗或木窗，平均層高達3.3m。每戶平均建筑面積約106㎡，房間數和取暖房間數分別為4間和1間～2間，戶均取暖面積約50㎡。2017年以前以燃煤、秸稈取暖為主，取暖方式主要有燃煤爐+散熱器的形式和燃煤爐的形式，戶均取暖能耗為937kgce/a，花費1000元以內。典型農宅的外立面及戶型見圖5。
具體實施方式：
（1）低成本保溫改造+清潔取暖設備
在用戶側圍護結構保溫方面，根據當地農宅特點，結合農村經濟狀況，提出經濟型的靶向保溫技術體系。通過理論模擬分析和現場實測等手段，進行不同農戶和不同房間的個性化和精準化設計，合理分配資金預算以達到最佳的投入產出比。用戶側圍護結構保溫的基本原則：常用房間改造優先；圍護結構內保溫為主；屋面和薄弱北向外墻優先；南向充分利用陽光能量；增設吊頂來減少室內層高等。確保每戶總初投資控制在4000元左右，運行能耗與無保溫相比減少約30%。
采用低環境溫度空氣源熱泵熱風機取暖，中標企業整片包干，承擔所包干范圍內熱泵熱風機取暖工程的具體實施工作，包括方案設計、設備安裝、調試、售后維護等；農戶通過支付少量費用獲得熱泵熱風機所有權和使用權，同時享受后續設備維護等專業服務，根據用戶建筑房間使用習慣，一戶在主要活動房間安裝一臺熱風機，單臺熱風機投資約5000元。
保溫改造以及取暖設備投資低于一萬元，且農戶僅承擔總投資的約1/3，剩余部分由政府、企業及亞行貸款共同墊資支付。
（2）規模化運行管理和效果監測
通過與國內規模最大的幾家空調/熱泵生產企業建立合作，截至2019年底，商河縣共完成了3.6萬余戶的熱風機安裝工作，其中2018年取暖季完成5700多戶，2019年完成3萬多戶。在運行管理上，利用大數據監測平臺，遠程可控，如圖6所示，隨時了解取暖設備的運行動態，追蹤用戶使用習慣，掌握設備能源消耗，及時響應用戶需求。根據溫度監測，熱風機開啟1h后，農戶溫度上升10℃～15℃，最高溫度達19℃。通過對玉皇廟鎮20戶實時運行監測結果的分析發現，在間歇取暖（每天取暖12h）的情況下，采取峰谷電價、去除用電補貼后，一個取暖季的運行費用約為528元；農戶對于熱風機反饋較好，認為完全可以滿足他們出門干農活想關閉取暖設備以節約運行費、回到室內希望快速獲得適宜環境的經濟和熱舒適需求。
已安裝的3萬多臺熱風機實現了智能化聯網，逐步實現清潔取暖系統由可見到可控，也為今后農村地區清潔取暖參與電力調峰創造了條件。
4結論
隨著我國2030年前碳達峰和2060年前碳中和目標的提出，迫切需要推動建筑用能朝著高效、清潔、低碳化甚至零碳化的方向發展。通過梳理目前我國北方農村清潔取暖的進展及相關問題，分析了農村清潔取暖的關鍵約束性因素，提出了北方農宅清潔取暖的適宜模式，并基于對所實施的實際應用案例的數據監測和統計，可以得到以下結論：
（1）目前北方農村清潔取暖取得重要進展，但同時存在一些共性問題需要解決。
（2）我國北方農村清潔取暖存在初投資、運行費、使用便捷性以及統籌規劃四個方面的約束，需要綜合考慮。
（3）符合“四一”原則即每戶一萬元初投資、一千元年運行費、一鍵式操作、一個規劃的清潔取暖模式是能夠在我國北方農村地區進行大規模推廣的適宜模式。
（4）河南省鶴壁市和山東省商河縣的實際案例表明，綜合考慮當地資源、農宅特點、用戶習慣、經濟特性等因素的“四一”模式是一條完全能夠實現的技術路徑。
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