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Corso di Impianti Meccanici – Laurea Magistrale

Modulo 1. Biomasse

Sezione 1.3 Caldaie a biomassa: principi di dimensionamento

Prof. Ing. Cesare Saccani

Prof. Ing. Augusto Bianchini

Dott. Ing. Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

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Il dimensionamento della caldaia

Agenda

Aspetti progettuali legati alla sicurezza

Il dimensionamento dell’accumulo inerziale

Riscaldamento e produzione di acqua calda sanitaria

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A differenza delle caldaie a gas/gasolio, le caldaie a biomassa sono

caratterizzate dalla presenza di combustibile solido che, una volta acceso,

continua a sviluppare calore con una inerzia considerevole, difficilmente

controllabile nel breve termine.

Di conseguenza, le caldaie a biomassa possono trovarsi in condizioni peculiari

di criticità. Queste condizioni sono fondamentalmente due:

- interruzione dell’alimentazione elettrica;

- guasto della pompa di circolazione della caldaia.

In entrambe le suddette situazioni si ha il blocco pressoché totale della

circolazione di acqua in caldaia e si interrompe l’asportazione del calore

generato dalla combustione della legna. Di conseguenza, la temperatura

dell’acqua può salire fino a raggiungere e superare i 100°C. Oltre la soglia della

temperatura di ebollizione la produzione di vapore causa un brusco aumento

della pressione dell’impianto. In mancanza di dispositivi di sicurezza adeguati si

può rapidamente giungere a una situazione di pericolo (scoppio).

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Oltre che del termostato di sicurezza in dotazione a tutti i tipi di caldaia (il

termostato di sicurezza blocca il ventilatore ed il sistema di alimentazione del

combustibile), le caldaie a biomassa sono tipicamente dotate di uno

scambiatore di calore di emergenza, costituito da un tubo a serpentina immerso

nell’acqua della caldaia. Questo scambiatore deve essere collegato da un lato a

una presa di acqua fredda, direttamente connessa all’acquedotto; dal lato in

uscita lo scambiatore di emergenza va collegato a uno scarico (acqua a

perdere).

Tra la presa di acqua fredda e lo scarico a valle della caldaia va interposta una

valvola di sicurezza termica. Questa valvola è dotata di una sonda a bulbo di

mercurio da inserire in un apposito pozzetto sulla caldaia. In caso di emergenza,

prima che la temperatura della caldaia raggiunga la soglia dei 100°C, la valvola

di sicurezza termica si apre mediante un dispositivo meccanico che non

richiede alimentazione elettrica e acqua fredda inizia a fluire nello scambiatore

di sicurezza, asportando il calore in eccesso e convogliandolo allo scarico.

Viene così scongiurato il rischio di ebollizione nella caldaia.


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La normativa generale fa riferimento al DM 1-12-1975 relativo alle “Norme di

sicurezza per apparecchi contenenti liquidi caldi sotto pressione”.

Titolo II - Generatori di calore per impianti di riscaldamento ad acqua calda sotto

pressione con temperatura non superiore a quella di ebollizione a pressione

atmosferica

Art. 26: L'associazione nazionale per il controllo della combustione (ANCC)

emanò, su conforme parere del proprio consiglio tecnico, le specificazioni

tecniche applicative del presente decreto.


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Specificazioni tecniche applicative del Titolo II del DM 1.12.75 ai sensi dell’art. 26

del decreto medesimo – anno 2009 (ultima versione)

La nuova Raccolta R, redatta dall’ISPESL, costituisce la regolamentazione

tecnica sugli impianti di riscaldamento ad acqua calda. Tale specifica si applica

agli impianti centrali di riscaldamento utilizzanti acqua calda sotto pressione

con temperatura non superiore a 110°C, e potenza nominale massima

complessiva dei focolari (o portata termica massima complessiva dei focolari)

superiore a 35 kW.

La legge 30 luglio 2010, n. 122 di conversione con modificazioni del D.L.

78/2010, prevede l'attribuzione all'INAIL delle funzioni già svolte dall'ISPESL.


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I generatori di calore alimentati con combustibile solido non polverizzato,

installati in impianti del tipo a vaso di espansione aperto devono essere

provvisti di:

a) vaso di espansione aperto;

b) tubo di sicurezza;

c) tubo di carico;

d) dispositivo di allarme acustico;

e) dispositivo di arresto dell’immissione dell’aria comburente;

f) termometro, con pozzetto per termometro di controllo;

g) manometro, con flangia per manometro di controllo;

h) dispositivo di protezione livello minimo.


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I generatori di calore alimentati con combustibile solido non polverizzato,

installati in impianti del tipo a vaso di espansione aperto devono altresì

soddisfare ad una delle seguenti condizioni:

i1) siano inseriti in impianti a circolazione naturale sprovvisti di organi di

intercettazione sul circuito dell’acqua calda;

i2) siano corredati di un riscaldatore d’acqua di consumo o di uno scambiatore

di calore di emergenza muniti di scarico di sicurezza termico;

i3) siano forniti di focolare meccanico e adduzione meccanica totale dell’aria

comburente.


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I generatori di calore alimentati con combustibile solido non polverizzato, installato negli

impianti del tipo a vaso di espansione chiuso devono essere provvisti di:

a) vaso di espansione chiuso;

b) valvola di sicurezza;

c) termometro con pozzetto per termometro di controllo;

d) manometro, con flangia per manometro di controllo;

e) pressostato di blocco a riarmo manuale;

f) allarme acustico e ottico;

g) un dispositivo di limitazione della temperatura a riarmo automatico;

h) un dispositivo di limitazione della temperatura di sicurezza a riarmo manuale;

i) per sistemi di combustione a disinserimento parziale deve essere installato un dispositivo di

dissipazione della potenza residua (ovvero scambiatore di calore di emergenza e valvola di scarico

di sicurezza termica);

j) dispositivo di protezione pressione minima.


Un sistema di combustione può essere a disinserimento rapido o

parziale. Si definisce parziale se solamente una frazione del

calore prodotto può essere rapidamente interrotta dall'azione dei

dispositivi di regolazione e di sicurezza senza originare stati di

funzionamento pericoloso lato combustione.

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Riduttrice di pressione

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Aspetti progettuali legati alla sicurezzaVaso di espansione aperto vs. vaso di espansione chiuso

Vaso di espansione aperto Vaso di espansione chiuso

Maggiore sicurezza derivante dalla presenza di un

circuito aperto.

Circuito chiuso con conseguente maggiore

rischio in termini di sicurezza.

Economico, impiantistica semplificata. Maggiore complessità (e maggiori costi)

derivanti dalla presenza di dispositivi di

sicurezza aggiuntivi rispetto al vaso di

espansione aperto.

Maggiore consumo di acqua per evaporazione e/o

scarico dal circuito.

Consumo di acqua limitato.

Maggiore consumo di combustibile a causa delle

dispersioni di calore attraverso il vaso di espansione

aperto.

Consumo di combustibile minore.

Rischio maggiore di corrosione e incrostazioni

generate dal contatto acqua-aria e dal ricambio di

acqua. Questi due processi favoriscono la

ossigenazione dell’acqua e la precipitazione di sali.

Si associano anche maggiore oneri gestionali per

pulizia filtri.

Minor rischio corrosione-incrostazione

tubazioni.

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Aspetti progettuali legati alla sicurezzaSicurezza positiva

1. Quando un componente meccanico in movimento trascina inevitabilmente un

altro componente, per contatto diretto o attraverso elementi rigidi, si afferma

che il secondo componente viene azionato in modo positivo dal primo: questa

viene definita azione meccanica positiva.

2. Quando la separazione dei contatti avviene come conseguenza diretta di un

movimento specifico dell’attuatore tramite elementi non elastici (per esempio,

non dipendenti da molle), questa si definisce operazione di apertura positiva di

un elemento di contatto.

L’insieme di queste due caratteristiche viene definita sicurezza positiva.

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Valvola di scarico termico

Principio di funzionamento

Un elemento sensibile alla temperatura (1), direttamente immerso

nel fluido dell’impianto, agisce sull’otturatore della valvola che

scorre all’interno della guida (2). Al raggiungimento del valore di

taratura, la valvola si apre e scarica l’acqua dell’impianto. Il

movimento dell’otturatore può comandare a sua volta un deviatore

elettrico utilizzabile per fermare l’alimentazione di combustibile al

bruciatore o attivare l’intervento del dispositivo di reintegro. La

posizione dell’otturatore e la conseguente portata della valvola

sono variabili in funzione del valore di temperatura del fluido. Al

raggiungimento della temperatura di richiusura, la valvola si

richiude automaticamente. La valvola è ad azione positiva.


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Valvola di scarico termico

Collegamenti elettrici di una sola valvola

1. elettrovalvola sull’alimentazione del combustibile;

2. bruciatore;

3. eventuale valvola motorizzata per l’alimentazione

dell’acqua di reintegro;

4. allarme acustico e/o allarme ottico (5).


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Valvola di scarico di sicurezza termica


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Valvola di scarico termico con

reintegro incorporato

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Altri esempi significativi di impianti realizzati secondo le norme applicabili


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E gli impianti con potenza inferiore o uguale a 35 kW?

UNI 10412-1: Impianti di riscaldamento ad acqua calda, requisiti di sicurezza.

Impianto aperto

“Negli impianti con [..] potenza nominale […] complessiva, minore o uguale a 35

kW, il termometro può non comprendere il pozzetto per termometro di controllo

e il manometro può non comprendere il rubinetto e la flangia per manometro di

controllo.”

Impianto chiuso

“Gli impianti con generatori di potenza nominale […] complessiva, minore o

uguale di 35 kW, possono non essere provvisti di valvola di intercettazione del

combustibile oppure valvola di scarico termico e del pressostato di blocco. Il

termometro può non comprendere il pozzetto per termometro di controllo e il

manometro può non comprendere il rubinetto e la flangia per manometro di

controllo.”


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Agenda





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Nel caso di impianti ad alimentazione manuale particolare attenzione va

dedicata al dimensionamento dell’impianto, tenendo conto che le caldaie a

biomassa, a differenza di quelle a gas o a gasolio, devono per quanto possibile

funzionare in continuo, senza interruzioni.

Di conseguenza, va evitato un sovradimensionamento eccessivo della caldaia,

che avrebbe importanti conseguenze negative: un inutile aggravio dei costi di

impianto e il funzionamento non ottimale della caldaia, a causa delle frequenti

interruzioni della combustione a cui sarebbe inevitabilmente soggetta. Le

interruzioni forzate della combustione, ottenute con l’arresto del flusso d’aria

comburente producono infatti una maggiore fumosità, che causa sporcamento

del camino e della caldaia, e minore rendimento medio stagionale dell’impianto.

In ogni caso, è necessaria la presenza di una caldaia di back-up alimentata a

metano che sia in grado di intervenire nel caso in cui la caldaia a biomassa non

sia in grado di supportare il carico termico richiesto o quando la caldaia è ferma

per manutenzione ordinaria o straordinaria.

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Il dimensionamento della caldaia va pertanto eseguito dopo un’attenta

valutazione delle caratteristiche dell’edificio e della fascia climatica in cui si

trova, oltre che dalle caratteristiche dell’utenza (kWh/m2anno). L’energia

richiesta è minore negli edifici ben coibentati e in quelli dotati di sistemi di

riscaldamento ad alta efficienza, come gli impianti a pavimento o a parete

radiante.

Un altro fattore di cui tener conto, nel caso di caldaie a caricamento manuale, è

il numero di cariche di legna che si intende effettuare nell’arco della giornata, in

altre parole l’autonomia di funzionamento desiderata. Questa dipende dalla

capienza del vano di carico legna e dalla potenza della caldaia. Il rapporto tra

queste due grandezze, esprimendo la capacità di carico legna in litri e la

potenza in kW, fornisce una stima grossolana della capacità di autonomia di

funzionamento continuo alla massima potenza.


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Per il dimensionamento degli impianti a caricamento automatico (cippato o

pellet) possono essere seguiti criteri simili a quelli relativi ad impianti

convenzionali a gas/gasolio.

Nel caso in cui si preveda di installare o di mantenere in esercizio una caldaia a

gas/gasolio con funzione di integrazione e soccorso, la caldaia a biomassa può

essere dimensionata intorno al 70% della potenza di picco stimata.

Questo consente di risparmiare sui costi di acquisto e di installazione. Poiché i

picchi di fabbisogno di potenza sugli impianti di riscaldamento sono

generalmente di breve durata e limitati ad alcuni giorni del mese più freddo, con

questo accorgimento si riesce comunque a coprire con l’energia da biomassa

oltre il 90% del fabbisogno totale di calore.


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Nel caso in cui un’unica caldaia debba provvedere al riscaldamento di

numerose utenze collegate, ad esempio, da una rete di teleriscaldamento, la

potenza della caldaia a biomassa corrisponde alla somma delle potenze di tutte

le utenze allacciate diminuita di un coefficiente di contemporaneità che tenga

conto delle caratteristiche del prelievo termico delle varie utenze. Il valore di

questo coefficiente va valutato caso per caso, ed è spesso compreso tra 0,6 e

0,7. Un secondo elemento da considerare è il coefficiente di utilizzo di ogni

singola utenza.


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Agenda





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La presenza di un accumulatore inerziale consente un utilizzo ottimale

dell’impianto a biomassa e ne aumenta considerevolmente l’autonomia,

soprattutto nei periodi meno freddi, in quanto l’energia sviluppata dalla caldaia

in un periodo limitato viene accumulata e ridistribuita all’impianto di

riscaldamento nell’arco della giornata. L’effetto tampone dell’accumulatore

inerziale è tanto maggiore quanto maggiore è la dimensione dell’accumulatore

stesso.


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Il serbatoio inerziale Vin va dimensionato in funzione della quantità di legna

contenuta nella caldaia (V), della potenza termica nominale (Qn) e dal carico

termico dell’edificio (Qh).

La UNI EN 303-5:2004 “Caldaie per combustibili solidi, con alimentazione

manuale e automatica, con una potenza termica nominale fino a 300 kW” indica

un modello di calcolo per la capacità minima del serbatoio di accumulo.

Vin = 15*tb*Qn*[1-0,3*(Qh/Qmin)]

Dove:

Vin = volume serbatoio inerziale [lt]

tb = periodo di combustione alla potenza termica nominale [h]

Qn = potenza termica nominale della caldaia [kW]

Qh = fabbisogno termico del luogo di installazione [kW]

Qmin = potenza termica minima della caldaia [kW] – indicata dal costruttore


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Il periodo di combustione tb

Definizione UNI EN 303-5:2004: «Con l’alimentazione manuale, è il tempo

impiegato per bruciare il carico massimo di combustibile fino al raggiungimento

del letto di braci. Il processo di combustione non deve subire interferenze

durante questo periodo. Il letto di braci residuo deve essere sufficiente per

riportare la caldaia alla potenza termica nominale con una nuova carica di

combustibile».

Disposizioni della UNI EN 303-5:2004: «Il periodo di combustione della caldaia a

caricamento manuale funzionante, alla potenza termica nominale, deve essere

specificato dal costruttore e deve essere di almeno:

- per i biocombustibili : 2 h;

- per i combustibili fossili: 4 h.

Il periodo di combustione delle caldaie a caricamento automatico deve essere di

almeno 6 h».


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Esempio n°1: dimensionamento impianto con caldaia a ciocchi di legno a

caricamento manuale

- Carico termico (Qh), per il solo riscaldamento, di un appartamento di 100 m2:

Qh = 15 kW

- Energia termica giornaliera (E) da fornire all’appartamento (considero 8h):

E = 120 kWh

- Numero di cariche giornaliere manuali (N): la scelta di questo parametro

influenza, da un lato la taglia della caldaia, dall’altro l’impegno richiesto

all’utente. Si scegli un valore pari a 1 per dare il massimo confort all’utente.

N = 1

- Potere calorifico inferiore combustibile (PCI): dipende dal grado di umidità e

dalla tipologia di legno impiegato. Si consiglia di impiegare legna ben

stagionata (2 anni al coperto).

PCI = 3,7 kWh/kg (13.300 kJ/kg)

Ne segue che ogni ricarica di legna deve avere un peso M complessivo pari a:

M = E / (N*PCI) = 32,4 kg


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caricamento manuale

Ora sono in grado di determinare la capienza V della camera di combustione,

nota la densità in mucchio ρbs della legna in ciocchi:

ρbs = 350 kg/m3 (0,35 kg/lt)

V = M/ ρbs = 92,6 lt


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caricamento manuale senza regolazione

Qmin=QN=15 kW (no regolazione)

Vin = 15*TB*QN*[1-0,3*(QH/Qmin)]

TB= 6 ore (stima)

1) QN*TB = 15 kW*6h=90 kWh

QH/Qmin = 15/15 = 1

Vin = 945 lt

945 lt / 15 kW = 63 lt/kW

(vicino ai 55 lt/kW indicati

dal costruttore)

(da UNI EN 303-5:204)


caricamento manuale con regolazione

Qmin=11 kW (50% di QN), QN= 22 kW

Vin = 15*TB*QN*[1-0,3*(QH/Qmin)]

TB= 6 ore (stima)

1) QN*TB = 22 kW*6h=132 kWh

QH/Qmin = 15/11 = 1,36

Vin = 1.172 lt

1.172 lt / 22 kW = 53 lt/kW

(vicino ai 55 lt/kW indicati

dal costruttore)

(da UNI EN 303-5:204) 32


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Esempio n°1 e n°2: dimensionamento impianto con caldaia a ciocchi di legno a

caricamento manuale

Dimensionamento finale per riscaldamento appartamento da 100 m2

- Potenza nominale caldaia: 15 kW (senza regolazione),

- Serbatoio di accumulo inerziale: 945 lt,

oppure

- Potenza nominale caldaia: 22 kW (con regolazione fino a 11 kW),

- Serbatoio di accumulo inerziale: 1.172 lt.


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Esempio n°1 e 2: centrale termica con accumulatore inerziale


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Agenda





La produzione di acqua calda sanitaria (ACS) mediante caldaia a biomassa può essere attuata con

due diverse modalità: bollitore sanitario oppure scambiatore di calore istantaneo. Il bollitore

sanitario accumula ACS pronta all’uso (un termostato gestisce la produzione di ACS), mentre lo

scambiatore di calore produce ACS contestualmente alla richiesta da parte dell’utenza (la pompa

dell’acqua calda viene attivata da un flussostato). In ogni caso, alla mandata del sistema di

produzione di ACS sono presenti una valvola miscelatrice Y3 che regola la temperatura della ACS a

40°C prelevando acqua fredda dall’acquedotto ed una valvola termostatica di sicurezza Y6 che

blocca il flusso se la temperatura supera un valore predeterminato.

Il sistema di produzione di ACS è solitamente integrato con l’impianto di riscaldamento, e prevede la

presenza di un accumulo inerziale (puffer) a cui il sistema di produzione di ACS prescelto può

essere collegato direttamente o meno. 36


Bollitore per ACS

ACS

Acquedotto

Acqua calda

TS

Y6

Y3

Scambiatore istantaneo per ACS

Acqua calda

Y6

Y3

Acquedotto

ACS

FS

RADIATORI

(CON TERMOSTATI AMBIENTALI)

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Esempio di impianto per riscaldamento e acqua calda sanitaria con bollitore

Nota bene:

Il valore di set point delle valvole

miscelatrici Y2 dipende dal tipo di

utenza servita; per esempio:

- ACS: 50°C

- Radiatori a parete: 60°C

- Riscaldamento a pavimento: 40°C

P = Pompa

VM = Valvola manuale

VNR = Valvola non ritorno

Y1, Y2, Y3 = Valvole a tre vie

miscelatrici

Y4 = Valvola termostatica di sicurezza

VEC = Vaso di espansione chiuso

TS = Termostato

Puffer e produzione di acqua calda sanitaria (ACS) mediante bollitore

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Esempio di impianto per riscaldamento e acqua calda sanitaria senza bollitore


Puffer con valvola di caricamento Y2 e produzione di acqua calda sanitaria (ACS) con scambiatore di calore istantaneo

La valvola a tre vie di caricamento Y2

consente di prelevare l’acqua di ritorno

alla caldaia nella zona più calda (punto

2) o più fredda (punto 7) dell’accumulo.

Nel primo caso si ha una pronta

risposta verso l’utenza, nel secondo

caso si procede con il caricamento vero

e proprio dell’accumulo.

P = Pompa

VM = Valvola manuale

VNR = Valvola non ritorno

Y1, Y2, Y3, Y4 = Valvole a tre vie

miscelatrici

Y5 = Valvola a tre vie deviatrice

Y6 = Valvola termostatica di sicurezza

VEC = Vaso di espansione chiuso

TS = Termostato

FS = Flussostato

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Di seguito, una tabella che riassume vantaggi e svantaggi dell’una e dell’altra

opzione per la produzione di ACS.

Accumulo termico Scambiatore istantaneo di calore

Ampia disponibilità di ACS. Capacità limitata dalle dimensioni dello scambiatore.

Non adatto per applicazioni con grossi carichi termici

e/o contemporanei.

Possibilità di impiegare un sorgente di

calore con potenza installata più

bassa.

Potenza della sorgente di calore strettamente

connessa alla potenza dello scambiatore.

Limitato rischio accumulo di calcare. Rischio più elevato di accumuli di calcare nello

scambiatore.

Ingombri e costi relativamente elevati. Ingombri e costi inferiori rispetto all’accumulo

termico.

Rischio legionella (per temperature

inferiori a 60°C nell’accumulo).

Nessun rischio legionella.

Perdita di calore verso l’ambiente

esterno (o maggiori costi

coibentazione).

Perdite verso l’ambiente esterno trascurabili.

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Legionella

Le legionelle sono dei batteri aerobi

presenti negli ambienti acquatici

naturali e artificiali. Le condizioni più

favorevoli alla proliferazione delle

legionelle sono: i) condizioni di

stagnazione, ii) presenza di

incrostazioni e sedimenti, iii) biofilm,

iv) presenza di amebe, v) temperature

relativamente elevate.

In particolare, i batteri sopravvivono a

temperature comprese tra i 5-6°C e i

55°C: hanno il massimo sviluppo con

temperature comprese tra i 25°C e i

42°C, mentre fino a 22°C risultano

inattivi.

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