喜来登酒店水源热泵工程毕业设计6

重庆大学本科学生毕业设计（论文）附件附件C：译文PAGEDPAGE19指导教师评定成绩(五级制)：指导教师签字：附件C：译文指导教师评定成绩(五级制)：指导教师签字：中国南方开式湖水源热泵性能研究陈晓a，张国强a，彭建国a，林宣军b，刘婷婷b（a:湖南大学土木工程学院长沙410082；b:湖南凌天科技有限公司湘潭411201）收稿时间：2005年4月19日；出版时间：2006年4月18日；网上公布时间：2006年5年19日。摘要：中国南方湖南省湘潭市建立了一种以湖水作为热泵热源热汇的区域供热制冷系统。在系统建立之前，已有一个初期分析研究。本文将阐述，在连续操作下，用二维模型模拟稳态湖水温度（LWT）分布。模拟结果表明进出水温的变化不会影响湖的生态环境。所有测试结果表明在相同的的温度下，该系统的COP比风冷热泵在制冷季节高0.7—0.85,在供热季节高0.46。通过对该系统和风冷热泵系统的初期投资与运行费用进行经济分析比较，发现该系统的投资回收期是5.6年。关键字：热泵湖水温度区域供热制冷术语表：B：湖平均宽度(m)COPc：制冷模式时系统性能系统COPh：供热模式时系统性能系统c：水的比热(kJ/kg

°C)E：扩散系数(m2/h)es：热水/冷水表面温度下的湿饱合蒸汽压(mm

Hg)H：湖的平均深度(m)K：热水/冷水水体失热/得热系数(W/m2

°C)L：线性源各个部分的长度(m)mcon：冷凝器内水的流动速度(kg/s)meva：蒸发器内水的流动速度(kg/s)P：大气压(mm

Hg)Q0：排出流量(m3/h)Ta：环境空气温度(°C)Tci：冷凝器进水温度(°C)Tco：冷凝器排水温度(°C)Tei：蒸发器进水温度(°C)Teo：蒸发器排水温度(°C)Ts：热水/冷水表面温度(°C)t：时间(h)Uw：水表面空气流动速度(m/s)u：纵向速度(m/h)Wcom：压缩机耗能量(kW)Wpf：湖水水泵耗能量或风冷热泵系统的风机耗能量(kW)希腊标识符：ε水的辐射系数θ热水/冷水与自然水的温差(°C)θc中心线温差(°C)ρ0排水密度(kg/m3)ρa环境水密度(kg/m3)ρc中心线处水密度(kg/m3)σ斯蒂芬——玻尔茨曼常量,5.67

×

10−8

W/m2

K4τ时间间隔(h)下标：0排水a自然水c中心线文章提纲：1引言2系统说明2.1系统负荷2.2系统构造3蒙哲湖的简化传热模型4模拟结果5系统性能研究以及与风冷热泵性能的比较6经济性分析7结论1引言地源热泵可以减少建筑供热制冷的能量消耗和CO2,的排放,它包括土壤耦合热泵,地下水源热泵,地表水热源热泵[1]。地表水体如果使用适当可以作为很好的热源和热汇。Cantrell和Wepfer两位研究了俄亥俄北方使用浅水池驱散建筑内的热量的可行性[2]。Aittomäki研究了在寒冷天气时用湖水作为热泵热源的可能性[3]。Kavanaugh调研了水—风冷热泵的运行情况，指导了在美国南方的湖水制冷系统[4]。土耳其，正在进行使用Seyhan河，大坝湖作为热泵的热源，热汇[5]。科内尔大学的湖水源制冷系统使用的是卡育加湖深处冷水.可以该大学的校园提供63,306

kW的制冷量[6]。风冷热泵在中国的南方使用得非常普遍。但是在制冷时节环境空气温度升高，供热时节环境空气温度降低时，风冷热泵的性能和容量将迅速降低。中国南方一些热泵系统使用地下表作为热源热汇。尽管是热泵很好的热源热汇，但是使用地下水源热泵要受到当地地下水条件和管理的限制。中国南方地表水资源共占中国地表水资源的大约70%[7]。但是中国南方很少将地表水为热泵系统的热源热汇。湘潭，位于中国湖南省东部，有超过一百万的人口。根据总体规划，市政府，电视台，商场，大剧院将建设在蒙哲湖周围附近，蒙哲湖水表面积为67000

m2，平均水深为

3m。图1表示出了2001年9点的平均空气温度，和湖1m深处的湖水温度，这些数据分别从气象台和水文监测站获得的。在制冷/供热季节，湖水温度比日平均空气温度低/高2–5

°C。有时湖水与空气的温差高达8°C。这么适宜的温度使得蒙哲比空气更适合作为热泵的热源热汇。因此，四栋建筑的投资者建立一个区域湖水源热泵，取代初始方案的风冷热泵。系统于2003年夏季开始运行。本文将对该地表水源热泵系统，初期研究，系统测试时系统实际运行性能作出介绍。图1：2001年9点空气日平均温度，湖水日平均温度2系统说明2.1系统负荷 用HDY—SMAD软件估算出了在典型设计条件下逐时冷负荷和热负荷。表1给出了四栋建筑的估算面积，单位最大冷负荷，最大热负荷，冷负荷和热负荷。最大冷负荷和热负荷分别为12196KW，6953KW。制冷季节和供热季节的参差系数分别是0.82和0.86。表1：估算面积，最大冷负荷，最大热负荷数据建筑估算面积(103

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m2)单位最大冷负荷(W/m2)单位最大热负荷(W/m2)最大冷负荷(kW)最大热负荷(kW)市政府28.11329836962754电视台13.423111730941568商场22.321010646862364大剧院11.629212433871438总计75.414,86381242.2负荷构造系统简化示意图如图2。机房在四栋建筑的中心附近的公共广场的地下内。进水口离设备110m远，位于水表面2m的地方。在设备上有8个阀门用于转换水源热泵制冷，供热运行模式。设备中的水泵抽取湖水，使其通过净水器和热泵机组。这个定制的净水器不使用化学剂，而可以除去悬浮颗粒和飘浮的藻类。这样的净水方法不会对蒙哲的环境产生影响。为了降低输送能耗，采用了分散式输配系统。恒速一级泵设在机房内，变速二级泵设置在各栋建筑内。图2制冷模式，供热模式的湖水设计温度分别是8℃and5℃。在供热模式下，如果蒸发器的出水温度随着进水温度的降低面降低到4℃，蒸发器表面温度可能低于0℃，这将导致结冰现象，使得机组自动停机。必须采取措施保证蒸发器的出水温度高于4℃。当进水温度降低到9℃左右时，为了减少湖水温差管理者要开始适当增加湖水流动速度，至到达到最小值3℃时。当进水温度降低到7℃左右时，使用二通阀适当调节蒸气流动速度，部分进水流入换热器而被蒸气加热。由于有辅助热量，尽管进水温度变理较低，蒸发器进口温度可以保持在7℃以上。3蒙哲湖的简化传热模型用于模拟池塘或湖泊作为热源的一些模型已有建立。Cantrell，Wepfer[2]和Chiasson[9]三位先生建立的模型假定整个水体的温度相同。Pezent和Kavanaugh[10]开发了一个一维模型，这个模型包括了分别适用上层对流传热模型，中间对流传热模型，底层传热模型的3个能量平衡方程。相对于建使用没有分层现象的浅水湖作为热源的开式循环系统，这个模型更适合于使用有分层现象的深水湖作为热源闭式循环系统。为了预测能源设备的排热对外界的影响，开发了二维模型和三维模型[11]和[12]。在本次研究中，建立了一个适用于有较弱紊流的情况的二维模型。在开始运行时，温水或冷水垂直注入静止的湖水中。对于制冷季节的温水，近水域射流结构由两段组成：由在垂直和水平方向混合的强射流构成的起始段，以及起始段之后由由浮力构成的主体段，浮力是由扩散引起的而且浮力逐渐变大[13]。在转换距离之外，向各个方向进行浮力扩散的水表面，以及远水区域中性线处的稀释都将达到稳定。在供热时节，将射流近似当作等密度射流是合理，因为当水温很低时2—5℃的温差，密度的差别很少。在制冷和供热的中心稀释在一段时间之后将达到稳定。最终，将形成X方向的扩散流，射流将慢慢的消失。图3：蒙哲湖的示意图为了便于顺流区域的分析，作了如下假定：1：取水口周围之外一定区域横向速度可以忽略，纵向速度可以当作常数。即：。2：空气的水平运动决定纵向传输过程，由于速度低水浅，纵向扩散可以忽略。3：扩散系数是各向同性的即：4：湖的低部和堤是绝热的。垂直平均二维传输方向建立如下：(1)K是热水的热损失系数或冷水得热系数，可以用以下公式进行计算：(2)(3)是常数，一般为℃。将射流区域中心线视为一个线源，我可以分析求解出方程（1）。本研究中，专家系统CORMIX中的CORMIX3模型用于计算射流中心线扩散，专家系统CORMIX是基于实验手段[15]解决表面射流和淹没射流的。之前，一些专家将CORMIX3模型用于解决近水域表面扩散[12],[16],[17]。顺流区域的宽度和长度分别平均分为n和m份。(4)在实际应用中，使s

=

0,±1,可以得到一个相对精确的值。一个时间间隔后，节点上的温度为（5）在取水口附近，温度为进水温度的水其横向速度的影响要考虑。进水温度是通过取水口处一定的水聚集区域的热量和质量平衡而求出的。4模拟结果根据拟定的方案，排水口距离取水口有300m远，距离岸边有10m远。为了预测排水对进水温度和蒙哲湖生态环境的影响，模拟了湖水温度在机组连续运行下的分布。假定设备在日平均负荷状态下运行，湖水流动速度，排水温度，外界水温都是常数。平均风速为2.4

m/s,时间段为0.05

h。模拟的参数列在表2中。表2模拟参数日平均负荷(kW)机组运行台数流动速率(m3/h)排水速度(m/s)排水温度(°C)外界水温(°C)制冷模式9560111320137.329.5供热模式5205679图4（a）和图4（b）表明，湖水温度分布达到稳定时，在制冷模式和供热模式，湖水温度分别在不同的横截断面上变化。由于水平和垂直方向的卷挟过程，射流在近区被迅速稀释至到中心线处的稀释达到稳定。制冷模式时，湖水温度分布在65小时后达到稳定，稳定的取水温度是30.8

°C。凝结热在空气——水表面上散发掉。由图4（a）可以得出这样的结论：在顺流区域内面积为160

×

20

m2的地块内的当地湖水温升超过2

°C。由于逆流区域内当地湖水温升超过2

°C，排热可能对蒙哲湖当地生态环境产生坏的影响。但对整个生态环境的影状态响是可以接受的。供热模式时，湖水温度分布在106小时之后达到稳定状态，状态稳定下取水温度为8.4°C，被冷却的水在空气与水的接触表面的散热量比未冷却的小少。因些，太阳短波辐射和大气长波辐射可以对其进行加热。排出的热量或取得的热量为：（6）当进水温度在连续运行状态下达到稳定时，所排出或所取得的总热量不满足设备在制冷或供热所需的最大负荷。在最恶烈的气候条件或最大冷负荷时，取水口附近的喷水池必须运行，通过喷水冷却的方式排出多余的热量。在一些冷天进水由于温度很低，必须加辅助热源。在实际中，在晚上24:00t到8:00系统将停止运行，星期六和星期日负荷将显著降低。由于上述原因，湖水温度可以恢复到一定程度。我们模拟了在不同外界水温下湖水温度分布。当外界水温升高或降低2–3

°C进，在这个前提下，排水温度不变，射流中心线处温差变化微弱很小，但是进水与外界水温差几乎不变。进水温度的变化与外界水温的变化近似相等。顺流区域的得热或失热过程可以很大程度抵抗中心线温差微弱的变化。图4：湖水在不同断面的温度分布：图（a）为制冷模式和图4（b）为供热模式(B

=

100

m)。5系统性能的系统研究以及与空气性能的比较为了获得系统实际运行数据，系统测试从2003年六月进行到六月。图5（a）和5（b）分别表示出了，2003年制冷季节的日最高进水温度和2003年11月16日到2004年4月15日的日最低温度。如同图所表示出的湖水日温度一样，在制冷季节或供热季节的湖水最高日温度或最低温度表示出了明显的季节特性。进水日最高温度与最低温度系列相比于湖水在2001年上午9：00的温度系列更宽。制冷时节，最高进水温度为31.6

°C。在供热时节，取热和逐渐变冷的天气使得进水温度降低。总共有17天日最低温度低于7°C。图5：（a）制冷时节进水日最高温度；图（b）为供热时节的日最低温度。制冷量比供热量大的建筑每年排热量多于得热量。由于正常天气下空气和水分界面上的热交换，对于一个地表水源热泵工程，每年排热量与得热量的不平衡不导致地表水温度变得越来高。我们的这个工程，在第二年制冷时节开始，湖水温度恢复到正常温度。水温测试结果表明2004年6月1日上午9点的湖水温度是24.6

°C,这达到了2004年6月1日的水温。一部分研究是对比中国南方地表水源热泵与风冷热泵的性能。测试了在不同运行条件下，地表水源热泵的COP值，水源热泵机组COP值，风冷热泵机组COP值。供热时节的测试在没有为湖水和除霜提供辅助热源的情况下进行的，所以，地表水源热泵和风冷热泵的COP值可以通过以下方程计算：(7)(8)用铜康铜热电偶测定了冷水温度，热水温度，进水温度，周围空气温度，热电偶的精度为±0.2

°C。用精度为±1.5%的超音速测速仪和精度为±1%的数字式能量测定仪测试了流动速度和能量损失。COP值的精度是用参考文献18所提供的根和平方分计算出的。水源热泵COP的精度为6.3%，地表水源热泵系统COP的精度为6.1%，风冷热泵COP的精度为6.7%。图6（a）和6（b）分别表示出了在制冷和供热时节地表水热泵和水源热泵的COP值。在不同环境温度下风冷热泵的COP值也在两张图上有所表示。这些值是在容量为总负荷的80–90%，冷水/热水供水温度为7

°C/45

°C的条件下测试的。图6：不同温度下水源热泵机组COP，地表水热泵系统COP，风冷热泵机组COP。当考虑湖水水泵的能耗时，系统的COP值比水源热泵机组的COP值低9.4–13%。输配地表水的能耗对地表水源热泵系统的运行性能有很大的影响。当将地表水作为热源进，必须考虑地表水流动速度，水源与建筑的距离和高差。虽然一条拟合曲线是根据一数据点而作出的。水源热泵系统与风冷热泵机组的COP值可以表示为如下的方程：由以上方程可以推断出在相同的热源温度下，制冷季节和供热季节，地表水源热泵系统的COP比风冷热泵的COP分别高0.7–0.85和0.46。地表水源热泵的热源温度比风冷热泵机组更好。当周围空气温度过高或过低将导致空气源热源机性能的下降。将地表水源热泵系统作为区域制冷供热系统，可以避免风冷热泵的一些缺陷比如在低温天气的结霜问题，COP低以及在不理想的周围空气温度下降低室内舒适条件。6经济性分析湖水源热泵中央空调系统的经济性分析是根据当地的经济条件进行的。分析比较了地表水源热泵与分散式风冷热泵的初始投资和运行费用。根据初期方案可能采用分散式风冷热泵。水源热泵的初始投资近似与风冷热泵相等。因为水源热泵机组更高的价格抵消了负荷变化导致的设备容量的降低。每年节省的能耗可以近似计算为设备也用户之间冷水/热水输配能耗的减少量。能量的节省提高了地表水源热泵系统的COP值。制冷季节和供热季节每月地表水源热泵系统和风冷热泵的平均COP值可以用每月平均进水温度和平均空气温度通过方程（9），（10），（11），（12）进行计算。表3列经济参数和比较结果。投资回收期限为5.6年，这对投资者来说是可以接受的。表3：经济参数和比较结果1.经济参数贴现率5.58%膨胀率3%电价$0.092/kW

h寿命期20年2.经济比较运行管理费用节省量运行费用节省量$90,220/year维修费用节省量$1100/年附加投资输配系统$410,000湖水系统$63,000回收期限5.6年7结论介绍了使用地表水源热泵作为区域制冷供热系统之前的关键技术问题。提出了简化的湖水温度分布二维模型。通过模拟估计了排热取热对进水温度和蒙哲湖生态环境的影响。系统测试结果表明在制冷供热时节大部分时间内进水温度是令人满意的。除冬季水温极低时需启动辅助加热装置外，地表水源热泵在供热时节能够为建筑提供充足的热量。要分析将地表水作为热源的可行性时，必须认真考虑水泵能耗。经济性分析结果表明系统的回收期为5.6年，这个回收期相对较短。鸣谢本研究在财政上得到了教学研究奖计划的支持，这个教学教学研究奖计划由MOE公司,PR中国分公司，湖南大天有限设计共同设立的，用于支持高等教学机构的杰出的年轻老师。参考文献[1]ASHRAEHandbook:Applications,AmericanSocietyofHeating,RefrigeratingandAir-conditioningEngineersInc,Atlanta,GA(1999).[2]J.M.CantrellandW.J.Wepfer,Shallowpondsfordissipationofbuildingheat:acasestudy,ASHRAETransactionsPart190(1984),pp.239–246.[3]A.Aittomäki,Lakesasaheatsourceincoldclimate,in:ProceedingsofInternationalCongressofRefrigeration,Washington,USA,2003.[4]S.P.KavanaughandM.C.Pezent,Lakewaterapplicationsofwater-to-airheatpumps,ASHRAETransactionsPart196(1990),pp.813–820.[5]O.Büyükalaca,F.EkinciandT.Yilmaz,ExperimentalinvestigationofSeyhanRiveranddamlakeasheatsource–sinkforaheatpump,Energy28(2003),pp.157–169.[6]P.TimandW.S.Joyce,Lake-sourcecooling,ASHRAEJournal44(2002)(4),pp.37–39.[7]MinistryofWaterResourcesofPRChina,WaterResourcesBulletin,thePeople’sRepublicofChina2002,Beijing,China,2003.[8]HDY-SMAD:AnAir-ConditioningLoadCalculationandAnalysisProgram,ShanghaiHDYInformationTechnologyCo.,Ltd.,Shanghai,China(2001).[9]A.D.Chiasson,J.D.Spitler,S.J.ReesandM.D.Smith,Amodelforsimulatingtheperformanceofashallowpondasasupplementalheatrejecterwithclosed-loopgroundsourceheatpumpsystems,ASHRAETransactionsPart2106(2000),pp.107–121.[10]M.C.PezentandS.P.Kavanaugh,Developmentandverificationofathermalmodeloflakesusedwithwatersourceheatpumps,ASHRAETransactionsPart196(1990),pp.574–582.[11]J.M.HamrickandW.B.Mills,AnalysisofwatertemperaturesinConowingoPondasinfluencedbythePeachBottomatomicpowerplantthermaldischarge,EnvironmentalScience&Policy3(2000),pp.197–209.[12]S.W.Suh,Ahybridnear-field/far-fieldthermaldischargemodelforcoastalareas,MarinePollutionBulletin43(2001),pp.225–233.[13]G.H.Jirka,E.E.AdamsandK.D.Stolzenbach,Buoyantsurfacejets,JournaloftheHydraulicDivision,ASCE107(1981),pp.1467–1487.[14]V.Z.AntonopoulosandS.K.Gianniou,SimulationofwatertemperatureanddissolvedoxygendistributioninLakeVegoritis,Greece,EcologicalModelling160(2003),pp.39–53.[15]G.H.Jirka,R.L.DonekerandS.W.Hinton,User’sManualforCORMIX:AHydrodynamicMixingZoneModelandDecisionSupportSystemforPollutantDischargesintoSurfaceWaters,USEnvironmentalProtectionAgency,Env.ResearchLaboratory,Athens,Georgia(1996).[16]C.Valeo,I.K.TsanisandH.Shen,ModellingMimicoCreekasasurfacedischarge,JournalofHydraulicResearch34(1996)(1),pp.115–131.[17]M.J.DavisonandK.L.Pun,Hybridmodelforpredictionofinitialdilutionsfromoutfalldischarges,JournalofHydraulicEngineering124(1998)(12),pp.1188–1197.[18]S.J.TreadoandT.Snouer,Measurementconsiderationsforthedeterminationofcentralplantefficiency,ASHRAETransactionsPart1107(2001),pp.401–406.译文原文出处：ChenXiao,ZhangGuoqiang,PengJianguo,LinXuanjun;LiuTingting,Theperformanceofanopen-looplakewaterheatpumpsysteminsouthChina,JournalofAppliedThermalEngineering，v26(2006),p2255-2261重庆大学本科学生毕业设计（论文）附件附件D：译文原文Theperformanceofanopen-looplakewaterheatpumpsysteminsouthChinaXiaoChena,GuoqiangZhanga,JianguoPenga,XuanjunLinbandTingtingLiuaaCollegeofCivilEngineering,HunanUniversity,Changsha,Hunan410082,PRbHunanLingtianCo.,Ltd.,LingtianRoad,Xiangtan,Hunan411201,PRChina

Received19April2005;

accepted18March2006.

Availableonline19May2006.AbstractAdistrictheatingandcooling(DHC)systemthatutilizeslakewaterasheatsource–sinkofheatpumpshasbeenconstructedinXiangtan,acityinHunanprovinceinsouthChina.Aninitialanalyticalstudyhadbeencarriedoutbeforetheconstruction.Inthispaper,asimplifiedtwo-dimensionalmodelisdevelopedtosimulatethesteadylakewatertemperature(LWT)distributionduringcontinuousoperation.Thesimul--ationresultsindicatethattheimpactsofthedischargeonenteringwatertemperatures(EWT)andtheecologicalenvironmentoflakeareacceptable.FieldtestresultsshowedthattheCOPvaluesofthesystemwere,respectively,0.7–0.85higherincoolingseasonandabout0.46higherinheatingseasonthanthoseoftheair-sourceheatpump(ASHP)unitsatthesamesinkandsourcetemperatures.Anacceptablepaybackperiodof5.6yearswasfoundthroughaneconomicanalysisbasedonthecomparisonbetweentheinitialandoperatingcostsofthesystemandthoseofthedistributedASHPunitsthatwouldhavebeeninstalledaccordingtoinitialscheme.skyword:Heatpump;Lakewatertemperature;Districtheatingandcooling;PerformanceNomenclature:Baveragewidthoflake(m)COPccoefficientofperformanceincoolingmodeCOPhcoefficientofperformanceinheatingmodecspecificheatofwater(kJ/kg

°C)Ediffusioncoefficient(m2/h)essaturationpartialvaporpressureatheated/cooledwatersurfacetemperature(mm

Hg)Haveragedepthoflake(m)Kheatloss/gaincoefficientofheated/cooledwaterbody(W/m2

°C)Llengthofeverypartofthelinesource(m)mconflowrateofthewaterincondenser(kg/s)mevaflowrateofthewaterinevaporator(kg/s)Patmosphericpressure(mm

Hg)Q0dischargevolumeflux(m3/h)T0dischargetemperature(°C)Taambientwatertemperature(°C)Tciinletwatertemperatureofthecondenser(°C)Tcooutletwatertemperatureofthecondenser(°C)Teiinletwatertemperatureoftheevaporator(°C)Teooutletwatertemperatureoftheevaporator(°C)Tsheated/cooledwatersurfacetemperature(°C)ttime(h)Uwwindspeed2

mabovethewatersurface(m/s)ulongitudinalvelocity(m/h)Wcompowerconsumptionofthecompressor(kW)Wpfpowerconsumptionofthelakewaterpumps(SWHP)orthefans(ASHP)(kW)Greeksymbols:εemissivityofwaterθtemperaturedifferencebetweenheated/cooledwaterandambientwater(°C)θccenterlinetemperaturedifference(°C)ρ0dischargewaterdensity(kg/m3)ρaambientwaterdensity(kg/m3)ρccenterlinewaterdensity(kg/m3)σStefan–Boltzmannconstant,5.67

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W/m2

K4τtime-step(h)Subscript:0dischargeaambientwaterccenterlineArticleOutlineNomenclature1.Introduction2.Systemdescription2.1.Systemload2.2.Systemconfiguration3.AsimplifiedthermalmodelforMengzelakeusedasheatsource–sink4.Simulationresults5.FieldstudyofthesystemperformanceandcomparisonwithASHPperformance6.Economicanalysis7.ConclusionsAcknowledgementsReferences1IntroductionGround-sourceheatpumps,includingground-coupledheatpumps,groundwaterheatpumpsandsurfacewaterheatpumps(SWHPs)HYPERLINK"/science?_ob=ArticleURL&_udi=B6V1Y-4K0FJY0-3&_user=2176452&_rdoc=1&_fmt=&_orig=search&_sort=d&view=c&_acct=C000056499&_version=1&_urlVersion=0&_userid=2176452&md5=d0ce9d34a807