Trabalho ASBC apresentado no Congresso do Meio Ambiente 99
Foi o primeiro congresso oficial da América Latina ocorrido na Internet e que contou com o apoio
formal do Ministério do Meio Ambiente.
Período: Agosto 1999 até fevereiro 2000.
Total de trabalhos discutidos: 37.
Aquecedor Solar de Baixo Custo - ASBC
Consumo de energia renovável em
aquecimento de água
Uma Contribuição ao Desenvolvimento Sustentável
Woelz, Augustin T. & Contini, José Ângelo
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Palavra-chave
Emissões de CO2, Fonte Renovável de Energia, Desenvolvimento Sustentável
Evento
Congresso Meio Ambiente 1999
Brasil Internet
Agosto 1999 Versão final
Resumo do trabalho
O sistema elétrico brasileiro inicia desde a metade deste decênio uma nova fase de crescimento,
baseado na implantação de usinas termoelétricas. O potencial hidroelétrico da região Sul e
Sudeste encontra-se praticamente esgotado, obrigando à escolha de um novo rumo na tecnologia
de geração. O país passa a operar como a maioria dos países, queimando combustíveis fósseis,
com a consequente emissão do gás "efeito estufa", o CO2.
O conceito do desenvolvimento sustentável foi claramente apresentado no item 9.9 do capítulo B.
Promoção do desenvolvimento sustentável, desenvolvimento, eficiência e consumo da energia, do
relatório AGENDA 21, conforme segue:
Base para a ação
9.9. A energia é essencial para o desenvolvimento social e econômico e para uma melhor
qualidade de vida. Boa parte da energia mundial, porém, é hoje produzida e consumida de
maneiras que não poderiam ser sustentadas caso a tecnologia permanecesse constante e as
quantidades globais aumentassem substancialmente. A necessidade de controlar as emissões
atmosféricas de gases que provocam o efeito e consumo da energia, e em uma dependência cada
vez maior de sistemas energéticos ambientalmente saudáveis, sobretudo de fontes de energia
novas e renováveis.
O histórico brasileiro em gerar energia limpa foi excelente até agora (Bibl, 3 pg. 101 e 4 pgs 5 e 7 )
seja pelas usinas hidroelétricas ou pelo programa do álcool. Vale continuar neste caminho,
corroborado pelas Notas Finais do capítulo 9 da AGENDA 21.
As fontes de energia novas e renováveis são as fontes de energia heliotérmica, solar fotovoltaica,
eólica, hídrica, de biomassa, geotérmica, marinha, animal e humana, como especificam os
relatórios do Comitê sobre o Desenvolvimento e Utilização de Fontes de Energia Novas e
Renováveis, preparado especialmente para a Conferência, ao longo do qual existem alternativas
muito interessantes, entre as quais está a substituição do aquecimento elétrico da água de banho,
pelo aquecimento através da energia contida na luz solar.
O presente trabalho tem como alvo a definição, divulgação e disponibilização de tecnologias junto
à sociedade, especificamente à população de baixa renda, facilitando ao proprietário de uma casa
popular cooperar na manufatura e implantação do seu aquecedor solar de baixo custo, que deverá
ter o porte suficiente para gerar água para o banho de uma família de quatro pessoas.
Portanto, o presente trabalho visa ser uma contribuição para o desenvolvimento sustentável,
através da facilitação do uso de energia, alternativa, possibilitando que a médio prazo (estimado
em dez anos), a grande maioria das residências populares brasileiras tenha o seu aquecedor solar,
que, com o sucesso do trabalho, deverá se transformar num "commodity" da área dos materiais
de construção, algo tão comum quanto o uso de tubos de PVC?
INTRODUÇÃO
Uma Avaliação Preliminar: Aquecimento de Água, o Chuveiro Elétrico e as Emissões de CO2.
O chuveiro elétrico foi o grande democratizador do banho de água quente no Brasil, possibilitando
que mesmo o mais pobre dos cidadãos brasileiros, através da aquisição de uma simples peça,
passe a ter o direito a um diário e confortador banho. As principais características do chuveiro
elétrico são: (i) Custo de aquisição muito baixo; (ii) Alta eficiência térmica, logo menores custos de
energia; (iii) Potência máxima limitada, reduzindo o consumo de água: (iv) Proximidade do local de
consumo, reduzindo perdas térmicas; (v) Facilidade de instalação; (vi) e principalmente
ambientalmente correto, consumindo água dos rios para gerar calor.
A contrapartida para este bem estar social foi um investimento adicional em eletrificação, orçado,
dependendo da fonte, de US$ 300,00 a 600,00, por chuveiro, resultado da relativamente alta
potência e da concentração de uso no horário de pico de consumo. Dependendo da fonte, a
demanda em horário de pico ( nota adiante ) representada pelo uso do chuveiro elétrico, varia de
6.000MW a 8.000MW. Ao longo do congresso este número merece um aprofundamento, pela
importância que ele representa para a operação do sistema elétrico nacional.
Tudo isto estaria dentro da normalidade e aceitável se um novo fator não viesse alterar a situação
vigente. A disponibilidade de locais economicamente interessantes para implantação de novas
usinas hidroelétricas estão no fim, em especial nas Regiões Sul e Sudeste. Entretanto, prevalece o
continuo crescimento da demanda elétrica. A solução passa a ser a instalação de usinas
termoelétricas.
O resultado desta expansão é que, a partir deste final de século e mais ainda no início do novo
milênio, toda a energia consumida pelos chuveiros elétricos pode ser entendida como sendo de
origem fóssil ( gás natural ). Inicialmente, somente em horário de pico, expandindo logo após para
o pico matinal e depois cobrindo toda a faixa dos horários disponíveis para o banho.
De posse de dados levantados junto ao PROCEL ( Programa de combate ao Desperdício de Energia
Elétrica da Eletrobrás ) relacionados a uma de suas tradicionais "Pesquisas de Posse de
Eletrodomésticos e Hábitos de Consumo", ( Eletropaulo Novembro de 1997 ), associando estes
dados às informações constantes do PNAD, ( Pesquisa Nacional por Amostra de Domicílios do
IBGE, Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística ), do período 96/97, a equipe deste chegou ao
seguinte quadro:
O Brasil tem hoje 27.300.000 casas com chuveiros elétricos. Admitimos uma família por casa e 3,6
membros por família. Duração média por banho de 8 minutos e potência média anual por
chuveiro de 4KW. Admitimos também que todas as novas usinas termoelétricas serão acionadas
com gás natural. Neste quadro, os banhos tomados por estas famílias serão responsáveis por uma
crescente emissão, iniciando pelo horário de pico, gerando 4.900.000 toneladas/ano de CO2,
ampliando-se após alguns anos a 11.470.000 toneladas/ano de CO2, quando as usinas
termoelétricas estarão complementando permanentemente a energia fornecida pelas usinas
hidroelétricas.
Estes números, representam, em ordem de grandeza à redução das emissões de CO2 obtidas com
o programa do álcool, porém com um investimento muito menor que o nele realizado. ( Números
que merecem uma análise mais especializada "a posteriori" ).
Outra número, este importante para o equilíbrio da balança de câmbio, é o da possibilidade de se
reduzir em aproximadamente US$ 100.000.000,00/ano a importação de gás natural da Bolívia,
com o sucesso do projeto do ASBC.
A questão que se faz é: se existe um energético gratuito, facilmente aproveitável, disponível 12
meses por ano, que é a luz solar, por que não viabilizar sua utilização, minimizando os impactos na
atmosfera da evitável emissão de CO2?
Anos de participação na indústria e no desenvolvimento de tecnologia, vivenciados pela equipe
deste trabalho, permitem afirmar que existe no país embasamento humano e tecnológico
suficiente para concretizar os alvos deste trabalho.
Antecedentes do Projeto
O ponto de partida deste projeto foi dado logo após o início de operação de uma empresa sediada
no Vale do Paraíba, em 1991, da qual os autores deste trabalho fizeram parte. Logo após o início
das atividades, a equipe veio a saber pela diretoria do SEBRAE-SP ,( Serviço de Apoio às Micro e
Pequenas Empresas do Estado de S. Paulo), que este estado ainda não estava representado por
uma empresa que tivesse clara vocação ambiental, para poder preencher o "Stand" paulista, na
área da exposição das indústrias da ECO 92 (Evento ambiental patrocinado pelas Nações Unidas,
realizado no Rio de Janeiro em Junho de 1999).
Foi este o momento em que se iniciou a ideia de oferecer, nacionalmente, um produto solar à
sociedade, que pudesse gerar água quente para o banho e que fosse tão econômico que qualquer
um pudesse almejá-lo que simultaneamente cooperasse na futura redução das emissões de CO2.
Em questão de três semanas foi construído o primeiro protótipo, baseado em filme de PVC
soldado, corpo em papelão corrugado à prova de água, cobertura em de filme utilizado em estufas
de flores e reservatório de água baseado em caixa de "Isopor". O conceito foi apresentado ao
SEBRAE e logo aprovado e a exposição obteve êxito. Mas o verdadeiro ASBC demandou mais oito
anos de pesquisa para alcançar seu atual potencial de concretização.
Neste momento a equipe, representada pela empresa Sunpower Engenharia, reside numa
incubadora, o Centro Integrador de Empresas Tecnológicas, CIETEC, que está fisicamente em
prédio do IPEN, o Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares, que se situa no "Campus" da
USP, Universidade de S. Paulo, no bairro Butantã, em S. Paulo, e ao lado do IPT, Instituto de
Pesquisas Tecnológicas, sendo estas três entidades as patrocinadoras do CIETEC. O período de
residência é de até três anos, o suficiente para um residente levar o seu projeto até o ponto de
poder sobreviver por conta própria.
A Incubadora não financia os projetos. Simplesmente ampara, com secretaria, espaço físico e
permanente consultoria, empresarial. No CIETEC, a Sunpower tem a seu dispor sala de 24 m2 além
de uma área externa para a implantação de um laboratório solar. Financiamento de bolsas estão
em fase de análise junto a órgãos estaduais e federais. Talvez a maior vantagem de residir numa
incubadora é o de ter ao seu redor inventores, jovens empresários, especialistas, todos unidos
para que o grupo dos residentes tenha sucesso, significando apoio, ideias, companheirismo.
Proposta de trabalho
O projeto apresentado - ASBC - visa proporcionar ao usuário final, um aquecedor que gere água
quente suficiente, pressupondo uma família de quatro pessoas, e cujo custo final, com acessórios
e componentes, não ultrapasse o valor de R$ 100,00.
O trabalho proposto pela equipe Sunpower, está na fase de análise de viabilidade. Este trabalho
visa a concretização de uma série de componentes, que associados configurem um aquecedor
solar de água de baixo custo. Como o conceito do "faça você mesmo" é fundamental para a
viabilização do baixo custo, estes componentes serão desenvolvidos tendo em vista ( sempre que
possível ) sua produção na obra do usuário.
Uma vez confirmada a viabilidade e os componentes otimizados, segue a etapa complementar,
que é de comunicação, através da elaboração de cartilhas ou apostilas didáticas direcionadas aos
técnicos, explicando a construção e instalação de um aquecedor solar de baixo custo.
No contexto deste trabalho, entende-se por técnico: o proprietário construtor da casa, o
participante do mutirão, o empreiteiro construtor, equipe técnica de cooperativas de habitação,
encanadores e finalmente, esperamos, um grande número de pequenos empresários distribuídos
pelo Brasil, que assumirão a fabricação e fornecimento de componentes para o ASBC. A função da
Sunpower passa à de consultoria para que o processo da multiplicação dos ASBC ocorra com
sucesso.
Os autores tem a consciência das eventuais dificuldades que poderão ser encontradas no decorrer
do projeto ASBC, fato que os motivou a colocar seus princípios à discussão técnica e científica
pública. O congresso Meio Ambiente 99 é uma boa ferramenta para esta troca de ideias.
Texto principal
Consumo diário de água de uma família
Admitindo como corretos os valores levantados pelo PROCEL, indicando um tempo médio de
banho de oito minutos, família arredondada para quatro integrantes e uma potência média anual
de 4,0 KW por chuveiro, o aquecedor solar deverá gerar diariamente 2,2 KWh de energia térmica.
Esta energia, quando usada para aquecer água de 23ºC a 40ºC, (banho quente) aquecerá um
volume de 110 litros de água, que é o volume fornecido pelo próprio chuveiro.. Se o banho for de
36º ( morno) o volume de água fornecido pelo chuveiro será de 150 litros.
Com as devidas margens, principalmente à referente ao aumento de consumo de água pelo fato
desta ter origem num reservatório sem o limite de fluxo que o limite de potência do chuveiro traz
automaticamente, assumimos que um reservatório de 170 litros com água a 40ºC deverá ser o
suficiente para a família média nacional.
Componentes integrantes do ASBC.
O aquecedor solar, pela característica da irradiação solar, não pode ser concebido como
aquecedor de passagem. A energia luminosa do sol só age como elemento aquecedor num
período curto de 5 a 7 horas por dia. Não dá para evitar a acumulação da água quente, que deve
ser gerada neste curto período. A água, porém, deve ficar disponível ao usuário durante o período
de 24 horas. Isto é sinônimo da presença do reservatório térmico de 170 litros, se possível, bem
isolado, minimizando perdas térmicas.
O aquecedor deve obrigatoriamente incluir um conjunto de coletores térmicos solares,
(conversores de energia luminosa em calor) com capacidade de aquecer os 170 litros de água por
dia até uma temperatura que nunca deveria estar abaixo de 40º. Sempre faz parte do ASBC um
conjunto de dutos, para circular água entre coletores e reservatório, além do duto que levará a
água quente ao local onde fica o chuveiro elétrico. Participa também do aquecedor um sistema de
aquecimento auxiliar, (usualmente elétrico) para suprir a família de água quente nos dias em que
não ocorrer boa irradiação solar.
O aquecedor poderá vir a necessitar dos seguintes componentes, dependendo de disposições
físicas encontradas na casa.
Ausência de encanamento para água quente e fria
Isto leva à necessidade de uma válvula misturadora que ficará junto à união aonde se realiza a
mistura das águas, fria proveniente da caixa de água e quente proveniente do reservatório
térmico. Reservatório colocado em nível abaixo do nível dos coletores, impedindo assim a
circulação natural (também chamada de termo sifão) entre coletor e reservatório.
Isto leva à necessidade de um bombeamento da água, com uma bomba de água e um circuito de
acionamento, para que somente água quente do coletor chegue ao reservatório.
Isto também obriga a que seja instalada uma válvula de retenção para que à noite a água quente
não forme um circuito termo sifão inverso, entre reservatório e coletores, que passam a operar
como refrigeradores da água, irradiando o calor da água para o espaço exterior, devolvendo água
menos quente ao reservatório.
Existe a possibilidade dos coletores estarem à mesma altura do reservatório, permitindo uma
circulação natural, mesmo que menos eficiente, mas que evita a instalação da bomba de água.
Esta possibilidade leva à necessidade do uso de uma válvula de retenção que opere em ambiente
de circulação natural. Ela sela à noite o retorno da água do reservatório em direção aos coletores,
abrindo porem na presença das micro pressões típicas de uma circulação natural.
O último e talvez no início da popularização do projeto , o mais importante componente: uma
impecável estética de todo o conjunto, animando o usuário a empreender a operação de
instalação, convencendo sua companheira que os novos dutos e misturadores no Box do chuveiro
serão um fator de valorização da casa.
Informações de mercado para direcionar a fase de avaliação do projeto
Um dos fatores básicos para o sucesso do empreendimento, é conhecer a reação do futuro
usuário quando o novo aquecedor estiver à sua disposição. É intenção da equipe escolher seis
famílias, morando em casas na periferia de S. Paulo, com um perfil sócio econômico próximo ao
perfil do usuário que se espera atingir.
Fases do teste de mercado
Levantamento do perfil de consumo de água e energia no período pré-instalação do aquecedor
solar, incluindo dados referentes à temperatura da água, do ar e de horários de banho.
Após instalação do aquecedor ( que ainda não será o ASBC mas sim um aquecedor tradicional ),
mesmo levantamento acima, procurando, já nesta segunda fase, ir acertando aspectos técnicos do
produto, adequando-o às sugestões e críticas do usuário.
Prevê-se a participação de sociólogos nesta tarefa, para que o teste não sofra desnecessárias
soluções de continuidade.
Uma vez encerrado esta fase de pesquisas, estas famílias deverão ficar com os equipamentos,
para que sirvam de pesquisadores quando de sua substituição pelos futuros ASBCs.
Discussão
Restrições necessárias para permitir a realização do projeto
A descrição dos componentes do aquecedor, revelam um aquecedor tradicional, cujos
componentes existem hoje no mercado de aquecedores solares. E é neste ponto do projeto em
que iniciam as ideias que gostaríamos de ver analisadas, criticadas e melhoradas. Para que se
chegue próximo ao valor estipulado para o aquecedor, algumas restrições envolvendo o projeto se
fazem necessárias, restrições que obrigam a repensar o aquecedor tradicional:
Restrições no custo do ASBC
Comparação de preço do produto com o do principal concorrente
O concorrente direto deste tipo de aquecedor é o próprio chuveiro elétrico. Isto obriga a que o
preço final não ultrapasse muito o valor dos R$ 100,00, que é o custo de um chuveiro elétrico com
modernas opções de conforto.
Custo da energia e retorno financeiro
Pela média de minutos de banho do usuário brasileiro, cada família despende, só com o
aquecimento da água de banho, aproximadamente R$ 14,00 por mês. Ou R$ 168,00 por ano, valor
significativo para o usuário de menor posse. Uma vez instalado o aquecedor solar, pode se admitir
que 25% do total da energia consumida no aquecimento da água, seja originado pelo aquecimento
elétrico auxiliar, para cobrir as necessidades de energia nos dias nublados ou de chuva, quando o
aquecedor solar não opera corretamente. Sobra, para efeito de economia em eletricidade, R$
10,50 ao mês. Isto corresponde a um retorno financeiro de dez meses. No início do
desenvolvimento do ASBC, admitimos que este prazo poderia chegar a seis meses, prazo que teria
sido extremamente atrativo. O que devemos evitar é que o retorno financeiro seja superior a um
ano, o que dificultaria a difusão do ASBC.
As análises acima, confirmam a necessidade de um preço excepcionalmente baixo para o
aquecedor, fato que norteará os esforços para desenvolver os componentes a um custo
minimizado.
Restrições na eficiência e longevidade
Eficiência e longevidade são duas variáveis consideradas sagradas no ambiente de coletores
solares, em especial no de coletores fotovoltaicos. Esta caça à eficiência é compreensível quando
se sabe a origem das tecnologias do ramo, a maioria originada da Europa. Neste continente, se o
coletor solar não for muito eficiente, devido às baixas temperaturas médias, ele se torna inviável.
Quanto à longevidade, a casa europeia dura no mínimo 100 anos, se não mais. Isto obriga aos
fabricantes e instaladores a desenvolverem técnicas, que hoje já garantem 30 anos de vida para o
aquecedor solar.
No projeto ASBC, cuja aplicação é dirigida ao Brasil, com o seu clima mais ameno e visão de
longevidade mais restrita que a europeia, se com a redução de alguns portentos na eficiência,
conseguir-se uma redução substancial no custo, esta redução deveria ser encarada. Vale o mesmo
para uma eventual redução de período de vida. Se por exemplo algum componente deixar de
operar após um período de dez anos de uso, e esta redução de período de vida redundar em
substancial redução de custo, esta variável também deveria ser incluída no projeto do aquecedor.
Visão dos componentes sob o prisma das restrições
Neste item serão apresentadas algumas das ideias que a equipe gostaria de ver discutidas:
Reservatório térmico
Em isopor, que deverá ser simultaneamente estrutura mecânica, isolante térmico e
impermeabilizante para a água.
Usar, a caixa de água fria para suportar simultaneamente água fria e quente.
Montá-lo com material isolante como cimento celular, no próprio local da obra.
Coletor simplificado
Baixar seu custo, usando a técnica do coletor aquecedor de água de piscina, que é exposto ao
tempo sem o vidro superior (aquele componente que permite a geração do efeito estufa e
consequente aumento de eficiência do coletor).
O coletor pode ser em plástico, alumínio, vidro. A questão é a de como aumentar um pouco a
eficiência deste tipo de coletor.
Sistema de dutos
Como o "faça você mesmo" é um dos pilares deste projeto, os dutos deverão ser comerciais,
facilmente manuseáveis.
O duto de água de PVC é uma preferência nacional. O mais longínquo de nossos caboclos sabe
como manuseá-lo e soldá-lo.
A temperatura que se obtém com coletores simplificados fica muito abaixo da temperatura
considerada perigosa pelos fabricantes dos dutos de PVC, abrindo-se assim a porta para esta
possibilidade
O duto tradicional de aquecedores solares é o de cobre, com isolamento térmico.
Aquecimento auxiliar
Elemento térmico
Tendo em vista que o tradicional elemento de aquecimento de água do reservatório é caro e de
alta potência, associado ao fato de que o reservatório poderá ser de plástico, dever-se-á
desenvolver tecnologia simples, evitando a proximidade de elementos quentes e superfícies
plásticas.
Uma alternativa é o deslocamento do elemento aquecedor para o lado externo do reservatório.
Controlador térmico
Pensando no controlador ideal, ele nunca deverá acionar no horário de consumo de pico, das 18
às 21 horas. Se esta requisição puder ser atendida, o sistema elétrico nacional poder-se-á ver livre
de uma demanda de 6.000 8.000 MW (conforme descrito em "Introdução: uma avaliação
preliminar....." ). O controlador mais simples seria o acionamento manual pelo proprietário.
Bomba de circulação de água e acionador térmico diferencial
Uso de bombas de circulação como as aplicadas em equipamentos como lavadores de louça. Em
grandes volumes, elas são extremamente econômicas.
Desenvolvimento de controladores diferenciais simplificados
Pergunta: Como o ASBC é um produto que deverá operar em todo o Brasil, e uma série de locais
não tem acesso à energia elétrica de rede, não seria viável desenvolver uma bomba de água
movida pela expansão do ar quando este for aquecido pelo sol? Algo da família do motor Sterling,
mas muito simplificado?
Válvula de retenção para ambientes de circulação natural
Já existem válvulas tipo solenoide, que se abrem para o fluxo de água na presença do sol, especiais
para aquecedores solares. São boas porém inviáveis para o custo que está sendo previsto para o
ASBC. Já existem conceitos para concretização destas válvulas, que serão debatidos durante o MA
99.
Neste capítulo, Visão dos componentes sob o prisma das restrições, muito deixou de ser
apresentado, por falta de espaço face ao solicitado limite de páginas. Durante o debate, todo este
material será apresentado e discorrido publicamente.
Facilidades disponíveis para o desenvolvimento do trabalho.
A primeira facilidade para a execução do projeto ASBC, é a decisão dos autores em disponibilizar o
tempo que for necessário para que ele chegue a um final conclusivo.
Pelo fato da Sunpower Engenharia localizar-se numa incubadora patrocinada pelo USP, IPEN e IPT,
advém uma segunda facilidade, que é a boa vontade dos responsáveis de laboratórios e institutos
das entidades patrocinadoras, em cooperar com os residentes, facilitando apoio tecnológico
sempre que solicitado.
A terceira facilidade será a disponibilização para a equipe de um laboratório solar, agregado a um
espaço para treinamento de práticos em hidráulica e campos afim. Empresários que acreditam no
conceito do ASBC estão colaborando na concretização deste laboratório..
A quarta, e talvez a principal, é a esperada participação de pessoas da sociedade brasileira, que
venham ou possam cooperar objetivamente, trazendo seus conhecimentos e críticas, cooperando
na fundamentação do projeto.
Responsabilidade no trato da informação
A equipe da Sunpower utilizará o conhecimento complementar resultante da cooperação dos
participantes do congresso no projeto ASBC, enriquecendo com ele as apostilas de divulgação da
tecnologia do novo aquecedor.
Conclusões
Este trabalho não se caracteriza como uma tese concluída, podendo ser entendida como um
processo que está em aperfeiçoamento. Ele busca integrar-se às propostas hoje em discussão no
Brasil, que viabilizarão crescimento sustentado de sua economia.
Conclusões mais evidentes sobre a viabilidade deste projeto, poderão advir das discussões do
MA99, que certamente trarão contribuição técnica valiosa à sua conclusão.
Um aspecto que não chegou a ser abordado nos itens acima, é o potencial que este tipo de
projeto trará ao consumidor final oferecendo-lhe uma relativa autonomia energética, tornando-o
mais independente do fornecedor único e por isso nem sempre cooperativo. Este conceito já é
usual para empresas que tem facilidade de gerar sua própria energia.
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