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土壤-空氣換熱器與建筑蓄熱耦合理論 版權(quán)信息
- ISBN:9787030748324
- 條形碼:9787030748324 ; 978-7-03-074832-4
- 裝幀:一般膠版紙
- 冊(cè)數(shù):暫無
- 重量:暫無
- 所屬分類:>
土壤-空氣換熱器與建筑蓄熱耦合理論 內(nèi)容簡介
土壤-鄄空氣換熱器(EAHE)是將淺層巖土蓄積的冷/熱量搬運(yùn)至建筑空間并對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行被動(dòng)調(diào)控的重要技術(shù)。本書關(guān)注動(dòng)態(tài)室外熱環(huán)境下EAHE與建筑本體蓄熱的耦合作用,力圖對(duì)這一跨時(shí)間尺度的非線性問題進(jìn)行定量描述,以期實(shí)現(xiàn)EAHE的集約利用及與建筑本體的高效融合。本書不僅注重利用作者發(fā)展的新方法對(duì)蓄熱通風(fēng)作用下的室內(nèi)熱環(huán)境動(dòng)態(tài)特性以及EAHE與建筑本體蓄熱的耦合效應(yīng)進(jìn)行定量描述,還力圖進(jìn)行物理上的闡釋;同時(shí),結(jié)合案例展現(xiàn)了這些理論方法在實(shí)際應(yīng)用中的價(jià)值。
土壤-空氣換熱器與建筑蓄熱耦合理論 目錄
第1章 緒論 1
1.1 EAHE簡介 1
1.2 EAHE改善建筑室內(nèi)熱環(huán)境的原理 2
1.3 EAHE與建筑本體蓄熱耦合效應(yīng)簡述 5
1.3.1 建筑本體蓄熱對(duì)室內(nèi)空氣溫度的調(diào)節(jié)作用 5
1.3.2 EAHE與建筑本體蓄熱耦合的多重時(shí)間尺度性與非線性 6
1.4 本書主要內(nèi)容 7
參考文獻(xiàn) 8
第2章 通風(fēng)與建筑本體蓄熱非線性耦合模型 11
2.1 恒定通風(fēng)氣流與建筑本體蓄熱耦合 11
2.1.1 Yam等的模型及解析解 11
2.1.2 周軍莉等的模型 12
2.1.3 改進(jìn)的模型 14
2.1.4 改進(jìn)的模型與現(xiàn)有模型的對(duì)比 16
2.2 熱壓驅(qū)動(dòng)通風(fēng)氣流與建筑本體蓄熱非線性耦合 18
2.2.1 Yam等的模型及啟示 19
2.2.2 基于傅里葉級(jí)數(shù)表達(dá)的模型及其近似解 19
2.2.3 模型驗(yàn)證與新現(xiàn)象解釋 27
2.2.4 漸近解的應(yīng)用價(jià)值討論 33
參考文獻(xiàn) 34
第3章 動(dòng)態(tài)室外熱環(huán)境下的EAHE換熱模型 35
3.1 室外空氣溫度與土壤原始溫度表征 35
3.1.1 室外空氣溫度與綜合溫度 35
3.1.2 土壤溫度分布 37
3.2 圓形截面EAHE換熱模型 39
3.2.1 EAHE周圍土壤的過余波動(dòng)溫度 39
3.2.2 拉普拉斯變換簡述 40
3.2.3 EAHE周圍土壤動(dòng)態(tài)導(dǎo)熱過程的數(shù)學(xué)描述 41
3.2.4 EAHE出口空氣溫度解析式 43
3.2.5 圓形截面EAHE數(shù)值模擬 44
3.3 扁平截面EAHE換熱模型 46
3.3.1 EAHE周圍土壤的動(dòng)態(tài)導(dǎo)熱過程 48
3.3.2 EAHE出口空氣溫度解析式 50
3.3.3 扁平截面EAHE數(shù)值模擬 51
3.4 圓形截面EAHE與扁平截面EAHE的性能對(duì)比 52
3.4.1 圓形與扁平截面EAHE埋管周圍土壤溫度分布 52
3.4.2 圓形與扁平截面EAHE換熱性能對(duì)比 55
3.4.3 關(guān)鍵參數(shù)對(duì)兩種截面EAHE出口空氣溫度波動(dòng)特性的影響 58
3.4.4 截面寬高比對(duì)扁平截面EAHE換熱性能的影響 60
3.5 EAHE熱濕耦合傳遞模型初探 62
3.5.1 模型假設(shè) 62
3.5.2 EAHE周圍土壤的動(dòng)態(tài)導(dǎo)熱過程 65
3.5.3 熱濕耦合傳遞模型控制方程 67
3.5.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 70
3.5.5 模型局限性評(píng)述 76
參考文獻(xiàn) 76
第4章 風(fēng)量恒定的EAHE與建筑蓄熱的耦合效應(yīng) 78
4.1 EAHE與建筑本體蓄熱耦合效應(yīng)的形成 78
4.2 EAHEMV與建筑本體蓄熱耦合的數(shù)學(xué)模型 79
4.2.1 EAHE管內(nèi)空氣與土壤的換熱模型 79
4.2.2 EAHE與建筑蓄熱耦合模型 87
4.2.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 91
4.3 EAHEMV與建筑本體蓄熱耦合效應(yīng)的影響因素 94
4.3.1 影響年周期室內(nèi)空氣溫度的參數(shù) 94
4.3.2 影響日周期室內(nèi)空氣溫度的參數(shù) 96
4.4 案例分析 98
參考文獻(xiàn) 100
第5章 熱壓驅(qū)動(dòng)通風(fēng)的EAHE與建筑本體蓄熱耦合效應(yīng) 101
5.1 EAHEBV模式的原理 101
5.2 EAHEBV模式的數(shù)學(xué)模型 102
5.2.1 模型假設(shè) 102
5.2.2 理論模型的控制方程 102
5.2.3 控制方程的拆解及無量綱化 104
5.2.4 模型求解 105
5.3 EAHEBV模式數(shù)值模擬 108
5.3.1 模擬算例 108
5.3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析 110
5.4 EAHEBV、EAHEMV與BV模式的性能對(duì)比 113
5.4.1 案例介紹 114
5.4.2 結(jié)果討論與分析 114
參考文獻(xiàn) 118
第6章 以室內(nèi)熱環(huán)境調(diào)控需求為導(dǎo)向的EAHE逆向匹配理論 120
6.1 EAHE調(diào)控建筑室內(nèi)熱環(huán)境的正向模型回顧 120
6.1.1 EAHE出口空氣溫度的波動(dòng)特征 121
6.1.2 建筑室內(nèi)空氣溫度的波動(dòng)特性 123
6.2 EAHE逆向匹配方法 124
6.2.1 逆向匹配方法的基本思路 124
6.2.2 調(diào)控目標(biāo)的確定 125
6.2.3 滿足調(diào)控需求的EAHE出口空氣溫度特征波動(dòng)參數(shù) 126
6.2.4 EAHE參數(shù)的確定 129
6.2.5 逆向匹配方法的流程 132
6.3 逆向匹配方法的驗(yàn)證 134
6.3.1 模擬案例 134
6.3.2 調(diào)控目標(biāo)達(dá)成度分析 135
6.4 建筑本體參數(shù)與EAHE參數(shù)的互補(bǔ)效應(yīng) 136
參考文獻(xiàn) 138
土壤-空氣換熱器與建筑蓄熱耦合理論 節(jié)選
第1章 緒論 1.1 EAHE簡介 2018年,建筑消耗了全球總能源的35%左右,并貢獻(xiàn)了全球二氧化碳排放量的28%左右[1]。其中,約三分之一的建筑能耗與供暖、通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)相關(guān)[2]。因此,建筑領(lǐng)域的節(jié)能減排對(duì)實(shí)現(xiàn) “碳達(dá)峰”與“碳中和”來說至關(guān)重要[3]。如何利用可再生能源改善建筑室內(nèi)熱環(huán)境,從而減少對(duì)化石燃料的消耗與依賴,是備受關(guān)注的問題。 地?zé)崾莾?chǔ)量巨大的可再生能源。淺層巖土所蓄積的天然冷/熱量可被直接或間接地用于建筑室內(nèi)熱環(huán)境調(diào)控。國家發(fā)展和改革委員會(huì)等四部委發(fā)布的《綠色技術(shù)推廣目錄(2020年)》特別提到,要加快對(duì)低品位余熱和中深層地巖換熱清潔供暖技術(shù)的推廣和應(yīng)用[4]。目前,利用淺層地?zé)岣纳平ㄖ覂?nèi)熱環(huán)境的途徑之一是依靠地源熱泵(ground source heat pump,GSHP),它一般以水為媒介,間接地將巖土中蘊(yùn)藏的低品位冷/熱量轉(zhuǎn)移到室內(nèi)[5-7],實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的改善。 土壤-空氣換熱器(earth to air heat exchanger,EAHE)是另一種利用淺層地?zé)岬募夹g(shù)。如圖1-1所示,其利用風(fēng)機(jī)或熱壓作為動(dòng)力,將室外空氣引入地埋管中進(jìn)行換熱,并直接以空氣為媒介,將巖土中儲(chǔ)存的冷/熱量直接傳遞到室內(nèi),從而減少供暖與空調(diào)負(fù)荷。相比于地源熱泵系統(tǒng),EAHE具有系統(tǒng)簡單、施工方便、建造及運(yùn)行費(fèi)用低、能同時(shí)供應(yīng)新風(fēng)與冷/熱量等優(yōu)點(diǎn)。而且,EAHE省去了機(jī)組的熱力循環(huán)過程,減少了因使用含氟制冷劑而對(duì)大氣臭氧層的破壞。 EAHE的使用*早可追溯到兩千多年的中東地區(qū)。近年來,EAHE的工程應(yīng)用案例大幅增加,遍及歐洲、中東、南亞與北美的十余種建筑類型[8-15]。在國內(nèi),EAHE也被稱作地道風(fēng),已廣泛用于影劇院、禮堂及工業(yè)廠房等建筑。我國在20世紀(jì)六七十年代建造了大量的人工地道,如人防工程硐室等,這也為地道風(fēng)與地上建筑的聯(lián)用創(chuàng)造了條件。由于EAHE對(duì)各種氣候條件與建筑類型表現(xiàn)出了良好的適宜性[8,15,16],被公認(rèn)為*具前景的被動(dòng)式建筑技術(shù)之一[9]。近十年來,關(guān)于EAHE的研究成果在建筑熱環(huán)境領(lǐng)域國際主流學(xué)術(shù)期刊中占據(jù)了很大的比重,說明EAHE也成了學(xué)術(shù)界的熱點(diǎn)問題。 EAHE的分類方式較多,筆者進(jìn)行了如下歸納。 (1)若按照EAHE的地埋管布置方式分類,可將其分為水平、垂直與不規(guī)則埋管系統(tǒng)。其中,水平埋管系統(tǒng)是指地埋管呈水平敷設(shè)[12,17,18];垂直埋管系統(tǒng)是指地埋管呈垂直敷設(shè)[19-21];不規(guī)則埋管系統(tǒng)是指地埋管的敷設(shè)方式不規(guī)則,比如沿水平或垂直方向以螺旋形式進(jìn)行布置[22,23]。 (2)若按照EAHE地埋管的空氣來源分類,可分為開式與閉式系統(tǒng),如圖1-2所示。開式系統(tǒng)是指EAHE直接從室外環(huán)境中取風(fēng),空氣經(jīng)過地埋管預(yù)熱或預(yù)冷處理后進(jìn)入建筑室內(nèi),然后在室內(nèi)流通后再排放至室外[17,24];而閉式系統(tǒng)則是將EAHE取風(fēng)口置于室內(nèi),將室內(nèi)排風(fēng)引入EAHE地埋管進(jìn)行重新?lián)Q熱[25,26]。 (3)若按照地埋管數(shù)量分類,可分為單管式與多管式EAHE。單管式EAHE是指整個(gè)系統(tǒng)只包含一根地埋管[17,20];而多管式EAHE是指系統(tǒng)包含多根地埋管[27,28]。 (4)若按照驅(qū)動(dòng)地埋管氣流的動(dòng)力來源分類,可分為機(jī)械通風(fēng)與誘導(dǎo)通風(fēng)系統(tǒng)。機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)是依靠風(fēng)機(jī)提供空氣在EAHE管內(nèi)與建筑室內(nèi)流動(dòng)所需的動(dòng)力[12,17,19,23];而誘導(dǎo)通風(fēng)系統(tǒng)則是依靠建筑室內(nèi)產(chǎn)生的熱壓或室外環(huán)境風(fēng)壓驅(qū)動(dòng)空氣流動(dòng)[29-31]。 1.2 EAHE改善建筑室內(nèi)熱環(huán)境的原理 一般認(rèn)為,室外空氣溫度存在年、日兩個(gè)波動(dòng)周期。若將室外空氣溫度曲線抽象為簡諧波(比如余弦函數(shù)),那么表征該周期性波動(dòng)曲線的特征參數(shù)有三個(gè),分別為平均值、振幅與相位差。圖1-3以典型夏熱冬冷地區(qū)重慶為例,用余弦函數(shù)表征了其典型年的室外空氣溫度曲線,可以看出,其振幅達(dá)到了12℃左右。圖1-4給出了重慶典型夏季日室外空氣溫度的變化曲線。通風(fēng)與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱使得室內(nèi)外環(huán)境之間發(fā)生熱量交換,這導(dǎo)致在沒有采用空調(diào)與采暖措施時(shí),室內(nèi)空氣溫度在夏季會(huì)遠(yuǎn)超舒適溫度區(qū)的上限,而在冬季又遠(yuǎn)低于舒適溫度區(qū)的下限。 由于巖土具有熱惰性,隨著深度的增加,室外氣候參數(shù)波動(dòng)對(duì)巖土溫度的影響會(huì)越來越小。如果把巖土抽象為半無限大物體,且把巖土的溫度曲線也視作簡諧波,則其振幅在深度方向上衰減;同時(shí),巖土溫度的波動(dòng)滯后于室外空氣溫度和地表溫度的變化,并且隨著深度的增加,巖土溫度與室外空氣溫度的相位差越來越大。當(dāng)達(dá)到一定深度時(shí)(該深度取決于巖土的熱物性),其溫度與室外空氣溫度的年平均值基本相同[32-34],而振幅可被忽略。圖1-5給出了實(shí)測(cè)得到的重慶夏季某日與冬季某日的室外空氣溫度與不同深度處的土壤溫度變化曲線。可以看出,即便是淺層巖土,其溫度在夏季也會(huì)顯著低于室外空氣溫度,而在冬季又會(huì)普遍高于室外空氣溫度,而這個(gè)溫差正是EAHE管內(nèi)空氣與周圍巖土換熱的動(dòng)力。 由于EAHE出口空氣溫度與室外空氣溫度的振幅及相位存在差異,EAHE介入建筑后會(huì)顯著影響室內(nèi)空氣溫度的波動(dòng)特性。還是以重慶為例,圖1-3示意了在連續(xù)運(yùn)行的EAHE作用下年周期中的室內(nèi)空氣溫度的變化情況,而圖1-4示意了在連續(xù)運(yùn)行的EAHE作用下某典型夏季日的室內(nèi)空氣溫度的變化情況。為簡單起見,這里并未計(jì)入室內(nèi)熱源帶來的溫升。可以看出,在EAHE作用下,室內(nèi)空氣溫度波動(dòng)呈現(xiàn)以下三個(gè)特點(diǎn)。 (1)夏季日周期中的室內(nèi)空氣溫度平均值低于室外空氣溫度平均值。然而,在年周期中,室內(nèi)空氣溫度的平均值與室外空氣溫度的平均值相當(dāng)。這是因?yàn)椋瑤r土與大氣環(huán)境在年周期中基本處于熱平衡,使得EAHE出口空氣溫度與室外空氣溫度的年周期平均值并無二致。 (2)在年、日兩個(gè)周期中,室內(nèi)空氣溫度的波動(dòng)均明顯滯后于室外空氣溫度,這意味著EAHE的介入導(dǎo)致室內(nèi)高溫和低溫時(shí)節(jié)或者時(shí)段的推遲。如圖1-4所示,在某典型夏季日周期中,室外空氣溫度的峰值出現(xiàn)在12:30,而室內(nèi)空氣溫度的峰值出現(xiàn)在18:00,該相位差為EAHE應(yīng)用到辦公建筑中并減少空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間提供了可能。而在年周期中,室內(nèi)外空氣溫度的相位差甚至達(dá)到了數(shù)十天。 (3)在年、日兩個(gè)周期中,室內(nèi)空氣溫度的振幅均明顯減小。在某典型夏季日周期中,室內(nèi)空氣溫度平均值降低與振幅衰減的共同作用使得室內(nèi)空氣溫度在大部分時(shí)間都落在了舒適溫度區(qū)內(nèi)。而在年周期中,雖然室內(nèi)空氣溫度平均值相對(duì)于室外空氣溫度未發(fā)生變化,但其振幅衰減卻使得室內(nèi)空氣溫度落在舒適溫度區(qū)間內(nèi)的時(shí)長顯著增加。 由此可見,EAHE在年周期中可影響室內(nèi)空氣溫度的振幅及相位差,而在日周期中可同時(shí)影響室內(nèi)空氣溫度的時(shí)間平均值、振幅及相位差。于是,量化EAHE作用下室內(nèi)空氣溫度的特征波動(dòng)參數(shù)對(duì)于衡量EAHE改善室內(nèi)熱環(huán)境的效果來說至關(guān)重要,然而,EAHE的作用并不是孤立地由其自身的換熱性能決定的,而是跟EAHE與建筑本體的耦合效應(yīng)密切相關(guān)。 1.3 EAHE與建筑本體蓄熱耦合效應(yīng)簡述 1.3.1 建筑本體蓄熱對(duì)室內(nèi)空氣溫度的調(diào)節(jié)作用 當(dāng)利用機(jī)械動(dòng)力或者熱壓對(duì)建筑進(jìn)行通風(fēng)時(shí),建筑本體蓄熱(building thermal mass)可以被動(dòng)地調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣溫度。建筑蓄熱體又可以分為內(nèi)部蓄熱體與外部蓄熱體兩類,其中,家具與隔墻等未直接與室外空氣接觸的蓄熱體為內(nèi)部蓄熱體,而外墻與屋頂?shù)韧瑫r(shí)與室內(nèi)外空氣相接觸的蓄熱體為外部蓄熱體[35]。內(nèi)部蓄熱體調(diào)節(jié)室內(nèi)熱環(huán)境的原理比較簡單,以夏季或者過渡季為例,其在一天中氣溫較高時(shí)吸熱,而在氣溫變低時(shí)放熱,使得室內(nèi)空氣溫度的波動(dòng)幅度變小,并降低了冷負(fù)荷的峰值。外部蓄熱體的傳蓄熱過程相對(duì)復(fù)雜,這是因?yàn)槭彝饪諝鉁囟取⑻栞椛鋸?qiáng)度與室內(nèi)空氣溫度均呈現(xiàn)波動(dòng),并且,幾者的波動(dòng)并不同步。值得注意的是,如果孤立地看外部蓄熱體對(duì)室內(nèi)空氣溫度的作用,該作用未必是正面的。在建筑熱工學(xué)中,通常用諧波響應(yīng)法、響應(yīng)因子法與Z函數(shù)傳遞法等來解析外墻的熱過程[36]。 要量化建筑本體蓄熱對(duì)室內(nèi)空氣溫度的調(diào)節(jié)作用就需要回答以下兩個(gè)重要問題,一是影響其調(diào)節(jié)作用的關(guān)鍵參數(shù)是什么?二是其調(diào)節(jié)作用該如何衡量?為此,Yam等[37]將建筑抽象為如圖1-6所示的雙開口單區(qū)模型,將室外空氣溫度視為簡諧波并作為自變量,將室內(nèi)空氣溫度簡諧波的相位滯后與振幅作為函數(shù)(圖1-7),以此來衡量建筑本體蓄熱對(duì)室內(nèi)空氣溫度的調(diào)節(jié)作用。他們提出無量綱蓄熱體表面?zhèn)鳠釁?shù)與內(nèi)部蓄熱體時(shí)間常數(shù)兩個(gè)影響因素,獲得了室內(nèi)空氣溫度相位滯后和振幅衰減的計(jì)算式,并從數(shù)學(xué)上證明室內(nèi)空氣溫度相對(duì)于室外空氣溫度的滯后時(shí)間極值為6h。應(yīng)當(dāng)說,Yam等為解析建筑本體蓄熱對(duì)室內(nèi)空氣溫度的調(diào)節(jié)作用提供了很好的思路。但是,當(dāng)熱壓與建筑本體蓄熱耦合時(shí),室內(nèi)空氣溫度與通風(fēng)流量會(huì)出現(xiàn)不同步波動(dòng),致使該問題變成了非線性問題,Yam等對(duì)此未能給出嚴(yán)格的解析解。另外,Yam等只考慮了內(nèi)部蓄熱體的作用。 周軍莉等[35]同時(shí)考慮內(nèi)、外蓄熱體的作用,仍然把室內(nèi)空氣溫度曲線視為簡諧波,采用諧波響應(yīng)法計(jì)算外墻的內(nèi)表面溫度,解析出通風(fēng)量為恒定值時(shí)的室內(nèi)空氣溫度振幅與相對(duì)于室外空氣溫度的相位差。從其計(jì)算結(jié)果看出,考慮外墻的作用后,室內(nèi)空氣溫度相對(duì)于室外空氣溫度的相位差可能超過6h。 總結(jié)前人的研究,不難發(fā)現(xiàn)以下兩點(diǎn):一是建筑本體蓄熱對(duì)于室內(nèi)空氣溫度的調(diào)控作用僅限于日周期內(nèi);二是熱壓通風(fēng)與建筑蓄熱耦合后會(huì)強(qiáng)化該問題的非線性,對(duì)其進(jìn)行解析會(huì)變得很困難。 1.3.2 EAHE與建筑本體蓄熱耦合的多重時(shí)間尺度性與非線性 應(yīng)當(dāng)注意到,EAHE介入建筑后,并不是獨(dú)立地影響建筑室內(nèi)熱環(huán)境,這從室內(nèi)空氣與EAHE出口空氣溫度波動(dòng)特性的差異可以看出。EAHE與建筑結(jié)合后,不可避免地會(huì)引入巖土蓄熱與建筑本體蓄熱的耦合,二者的耦合效應(yīng)才是決定室內(nèi)空氣溫度波動(dòng)特性的關(guān)鍵。然而,二者的蓄熱容量與時(shí)間尺度均存在巨大差異。建筑本體蓄熱對(duì)室內(nèi)空氣溫度的調(diào)控作用僅限于日周期內(nèi),而巖土蓄熱卻具備在年周期中對(duì)EAHE管內(nèi)空氣溫度進(jìn)行“削峰填谷”的能力。EAHE在年周期中的作用又不可避免地傳遞到日周期中,進(jìn)而與建筑本體蓄熱在日周期中的作用形成疊加。這說明,EAHE與建筑本體蓄熱的耦合是一個(gè)多時(shí)間尺度問題。若能解析這個(gè)多時(shí)間尺度問題,則可能催生二者在年、日兩個(gè)周期的正面作用,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)建筑本體蓄熱與EAHE的高效協(xié)同;反之,二者就可能相互抵觸。 對(duì)EAHE與建筑本體蓄熱耦合這個(gè)多時(shí)間尺度問題進(jìn)行定量描述或者解析并不容易。巖土的蓄/放熱過程調(diào)制了EAHE出口空氣溫度波,而巖土蓄/放熱與建筑本體蓄/放熱的熱流疊加調(diào)制了室內(nèi)空氣溫度波。值得注意的是,這兩個(gè)呈現(xiàn)周期性波動(dòng)的熱流并不是線性疊加的。圖1-8示意了兩個(gè)周期性波動(dòng)的矢量與在復(fù)數(shù)空間的疊加過程及得到的結(jié)果。由于與存在相位差,疊加具有非線性效應(yīng),疊加結(jié)果跟二者的振幅與相位差均存在關(guān)系。這也說明,EAHE與建筑本體蓄熱的耦合過程具有非線性特征。
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姑媽的寶刀
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苦雨齋序跋文-周作人自編集