Qualità dell’aria nelle aule scolastiche

Soluzioni flessibili e sostenibili per un’aria pulita nelle aule

Pubblicato da #ProtectTheKids, v1.21 (22.09.2022).

Copyright 2022, #ProtectTheKids (Svizzera).

Questa pagina si rivolge ai responsabili dei settori dell’istruzione e della salute, nonché a chi opera nel settore edile e in quello della climatizzazione.

In questo articolo vengono messi a confronto diversi approcci per migliorare la qualità dell’aria nelle aule.

Garantire la salubrità dell’aria interna e allo stesso tempo risparmiare energia è una sfida la cui difficoltà dipende dagli standard dell’edificio e dalla temperatura esterna. Soluzioni flessibili per raggiungere entrambi gli obiettivi possono essere realizzati con un’adeguata combinazione di ventilazione/aerazione e filtraggio o disinfezione degli aerosol. I purificatori dell’aria mobili consentono una rapida implementazione in ambienti privi di sistemi di ventilazione e in edifici i cui sistemi di ventilazione non possono essere rinnovati in tempi brevi.

Soprattutto in previsione dell’inverno 2022/23, ma anche con una visione a più lungo termine, approfondiremo i temi seguenti:

  • Quali interventi permettono di migliorare rapidamente la qualità dell’aria negli edifici scolastici o nelle aule che attualmente non dispongono di un impianto di climatizzazione interna e quali sono consigliati per gli edifici scolastici costruiti secondo lo standard Minergie o dotati di un impianto di climatizzazione antiquato?
  • Come si può realizzare in modo economico ed energeticamento efficiente un concetto di ventilazione che mantenga la concentrazione di CO2 a livelli accettabili ed elimini il più possibile gli aerosol pericolosi per la salute?
  • In vista della prevedibile crisi energetica dell’inverno 2022/23 ma anche a lungo termine, per ragioni di sostenibilità, come si possono combinare ventilazione e filtraggio HEPA per ottenere una riduzione ottimale degli aerosol respiratori con la miglior efficienza energetica possibile?

Contenuti

  1. Solo arieggiare non basta
  2. Ventilazione meccanica
  3. Aria interna salubre ed efficienza energetica: come ottenere entrambe le cose?
  4. Metodi efficaci per migliorare l’aria all’interno

1. Solo arieggiare non basta

Un’aerazione regolare attraverso l’apertura delle finestre purtroppo non garantisce in modo affidabile e duraturo un’aria di qualità sufficiente. La ventilazione forzata, spesso decantata, può aiutare a breve termine, ma porta a picchi elevati di CO2 e aerosol. In condizioni sfavorevoli come temperature esterne basse o elevate, forte vento (correnti d’aria), rumore, polveri sottili/smog nelle aree urbane, ecc. la ventilazione forzata non garantisce un clima interno gradevole.Per avere concentrazioni di CO2 inferiori a 1000 ppm, nelle aule che non dispongono di un impianto di climatizzazione, per un’occupazione di circa 25 persone è necessario arieggiare fino a tre volte all’ora, a seconda dell’attività, cosa che può disturbare notevolmente lo svolgimento delle lezioni. Di conseguenza, in alcuni casi i sensori di CO2 sono stati spenti senza che si adottassero altre misure. Arieggiare un’aula tre volte all’ora non è fattibile né quando la temperatura esterna è molto inferiore ai 10 gradi Celsius (grande dispersione di calore, grandi fluttuazioni della temperatura interna) né durante i periodi caldi (aria esterna più calda di quella interna).

Soprattutto quando la differenza di temperatura tra interno ed esterno è bassa e non c’è vento, anche se si aprono le finestre più volte ogni ora l’arieggiamento non permette di ottenere una qualità dell’aria sufficiente e in breve essa torna a essere viziata. Anche negli edifici scolastici costruiti secondo lo standard Minergie, le aule hanno spesso un apporto insufficiente di aria fresca; in alcuni edifici non è nemmeno possibile aprire le finestre. Un ricambio d’aria insufficiente si riflette in un rapido aumento della concentrazione di CO2.

Delegare tutta la responsabilità agli insegnanti non è consigliabile e non permette di raggiungere l’obiettivo, perché senza ausili tecnici come la ventilazione meccanica e il filtraggio dell’aria non è possibile garantire un’aria di buona qualità in aule densamente occupate.

Nelle aule scolastiche mantenere le concentrazioni di aerosol e CO2 sotto i livelli di guardia è essenziale per avere aule salubri, per migliorare la capacità di apprendimento e per proteggere allievi e insegnanti. Da tempo si attendono perciò misure concrete per migliorare in modo significativo la qualità dell’aria.

Sono i Comuni a essere responsabili degli edifici che ospitano le scuole primarie, ma i Cantoni condividono questa responsabilità e non possono lasciare soli i Comuni a decidere se e come affrontare e risolvere questo problema.

#ProtectTheKids chiede che i Cantoni emanino linee guida per garantire una migliore qualità dell’aria nei locali scolastici e che promuovano soluzioni adeguate ed efficaci in collaborazione con i Comuni.

2. Ventilazione meccanica

Se non c’è possibilità di ventilazione trasversale, a volte è possibile ottenere un ricambio d’aria sufficiente solo con l’aiuto di ventilatori.Nelle Marche, uno studio di coorte, che ha coinvolto oltre 10’000 classi (Increasing ventilation reduces SARS-CoV-2 airborne transmission in schools), ha studiato la relazione tra ventilazione meccanica e trasmissione del SARS-CoV-2. Per le aule dotate di ventilazione meccanica, lo studio ha documentato che con l’aumento del tasso di ventilazione il rischio relativo di infezione diminuisce: rispetto alle aule dotate di sola ventilazione naturale, un apporto di aria fresca compreso tra 10 e 14 litri al secondo per persona ha ridotto la probabilità di infezione dell’80 %. Il rischio relativo di infezione diminuisce ulteriormente del 12-15 % per ogni litro al secondo in più di aria fresca immessa per persona.

3. Aria interna salubre ed efficienza energetica: come ottenere entrambe le cose?

Fondamentalmente, esistono diversi metodi per ottenere un’aria interna salubre, che possono e devono essere combinati tra loro, ovvero:

  1. ventilazione (immissione di aria fresca e rimozione dell’aria viziata: aumenta la concentrazione di O2, riduce la concentrazione di CO2 e diluisce gli aerosol);
  2. filtrare gli aerosol (rimuovendoli meccanicamente dall’aria in circolazione con filtri HEPA tramite purificatori dell’aria mobili o sistemi di ventilazione);
  3. disinfettare gli aerosol (uccidendo i virus in circolazione nell’aria grazie ai raggi UV-C).

Questo approccio è in linea con la strategia «Aria pulita per edifici a prova di pandemia» [Riediker-2022b] (si veda il Libro bianco «Aria pulita per edifici a prova di pandemia» [Riediker-2022c]) del Gruppo svizzero di esperti per edifici a prova di pandemia, e in particolare con la fase 1 di questa strategia («Introduzione e monitoraggio di misure temporanee per un’aria pulita»).Anche il CDC, l’agenzia statunitense per la salute pubblica, raccomanda di combinare questi metodi in «Reducing SARS-CoV-2 in Shared Indoor Air».

Anche il CDC, l’agenzia statunitense per la salute pubblica, raccomanda di combinare questi metodi in «Reducing SARS-CoV-2 in Shared Indoor Air».

Tutti e tre i metodi riducono la concentrazione di aerosol nocivi nell’aria interna condivisa. Secondo «Mask Use and Ventilation Improvements to Reduce COVID-19 Incidence in Elementary Schools», uno studio condotto in 169 scuole elementari dello Stato della Georgia (USA), l’incidenza della COVID-19 è risultata inferiore del 35 % nelle 39 scuole che hanno utilizzato la sola ventilazione e del 48 % nelle 31 scuole che hanno combinato ventilazione e filtri HEPA.

Utilizzando un modello di simulazione, in «Efficacy of portable air cleaners and masking for reducing indoor exposure to simulated exhaled SARS-CoV-2 aerosols – United States, 2021» è stato dimostrato che per una sala di conferenze/aula scolastica filtrare l’aria con due purificatori mobili HEPA riduce l’esposizione ai virosol di una persona infetta del 65 %, percentuale che in combinazione con l’uso di mascherine sale al 90 %. Le mascherine FFP2 o FFP3 filtrano anche gli aerosol, con il vantaggio che le particelle infette vengono in gran parte eliminate alla fonte.

Se per esigenze energetiche l’aerazione contiene parti di aria di ricircolo, queste devono essere filtrate con filtri HEPA o disinfettate con raggi UV-C prima di essere immesse nel locale. Qui ci focalizziamo sui metodi 1 e 2.

Durante la pandemia, cambiare l’aria più volte ogni ora in alcuni contesti è diventata una pratica standard. Nei mesi freddi e nelle giornate calde, però, l’efficienza energetica è a sua volta un criterio estremamente importante.

Gli apparecchi di filtraggio HEPA (si veda Purificatori dell’aria mobili per scuole e strutture per l’infanzia) o i sistemi di ventilazione dotati di filtri HEPA rimuovono gli aerosol potenzialmente carichi di virus dall’aria del locale. Il filtraggio HEPA è particolarmente importante per l’igiene dell’aria nella stagione fredda, quando l’aerazione è meno frequente, ed è indispensabile per l’aria di ricircolo. L’aria interna nella quale gli aerosol sono stati abbattuti con un adeguato filtraggio è innocua per la salute, anche se può presentare una concentrazione di CO2 superiore a quella dell’aria esterna, purché essa resti al di sotto delle 1400 ppm.

I purificatori dell’aria mobili sono particolarmente adatti ai locali privi di impianto di ventilazione e rappresentano una soluzione transitoria economica e rapidamente realizzabile anche nei locali dotati di impianti di ventilazione privi di filtri HEPA. Per i nuovi edifici e le ristrutturazioni, si raccomanda di dotare gli impianti di ventilazione di filtri HEPA di classe 13 o 14.

4. Metodi efficaci per migliorare l’aria all’interno

All’interno gli aerosol vengono rimossi sia con la ventilazione che con i filtri HEPA. Di conseguenza i flussi volumetrici di ventilazione (Qventilation) e filtraggio (Qfiltration), misurati in metri cubi all’ora, contribuiscono entrambi alla riduzione degli aerosol.

Sia la ventilazione che il filtraggio portano normalmente a una diluizione degli aerosol mescolando l’aria fresca, rispettivamente l’aria filtrata con il resto dell’aria del locale (la cosiddetta ventilazione di diluizione o ventilazione mista). Per determinare la velocità di diluizione degli aerosol, è utile considerare i flussi volumetrici in relazione al volume V della stanza. A questo scopo si utilizzano i tassi di ricambio dell’aria o Air Change Rates

ACRventilazione = Qventilazione / V
ACRfiltraggio = Qfiltraggio / V

utilizzando l’unità di misura “ricambi dell’aria all’ora”. La velocità di diluizione degli aerosol è determinata dal tasso di ricambio dell’aria che riduce gli aerosol [Riediker-2020]

ACRaerosol = ACRventilazione + ACRfiltraggio .

In presenza di una persona infetta che emette continuamente virus a un tasso Rv (numero di virioni all’ora), la ventilazione mista a un dato tasso di ricambio dell’aria ACRaerosol determinerà allo stato stazionario (che si realizza quando immissioni e ricambio dell’aria sono in equilibrio) una concentrazione di aerosol in virioni al m3 uguale a

caerosol = Rv / (V × ACRaerosol).

Ventilazione e filtraggio si combinano efficacemente per ridurre la concentrazione di aerosol. Questo vale indipendentemente dal fatto che la concentrazione di CO2 può essere ridotta solo tramite l’aerazione. Questa combinazione si applica in particolare agli edifici scolastici realizzati secondo lo standard Minergie e ai locali scolastici con sistemi di ventilazione in cui, per ragioni di efficienza energetica, si ricorre al ricircolo dell’aria. Nel corso della pandemia gli eventi superdiffusori hanno dimostrato che l’aria di ricircolo deve essere risanata mediante filtraggio HEPA, sia con purificatori dell’aria mobili che con l’adeguamento del sistema di ventilazione, come indica nella sua strategia il Gruppo di esperti per edifici a prova di pandemia [Riediker-2022b].

Per le aule scolastiche di dimensioni standard (superficie 72 m2 , volume circa 200 m3) occupate da 25 allievi, per un’efficace rimozione e diluizione degli aerosol respiratori si raccomanda un tasso di ricambio dell’aria ACRaerosol di 5-6 volte all’ora [Riediker-2022c].

Combinando ventilazione e filtraggio, i ricambi dell’aria ottenuti con la ventilazione fino a un certo punto possono essere sostituiti con quelli forniti dal filtraggio. Di conseguenza, finché la concentrazione di CO2 rimane in un intervallo medio accettabile, non superiore a 1400 ppm circa, l’ACRventilazione può essere ridotto e l’ACRfiltraggio aumentato conseguentemente senza influire sulla concentrazione degli aerosol. 

L’esempio seguente mostra che, combinando ventilazione e filtraggio con una riduzione della ventilazione del 33 % e un filtraggio adeguato, è possibile ottenere contemporaneamente un miglior bilancio energetico e una minore concentrazione di aerosol rispetto alla sola ventilazione.

Come mostra la figura 1, per la ventilazione con ventilatori aspiranti (VVA) [MPIC-2022], a dipendenza della temperatura esterna la combinazione con il filtraggio consente per aula un notevole risparmio di energia termica. La maggiore inclinazione delle curve nell’intervallo tra i 9 e i 15 gradi Celsius è dovuta al fatto che il limite di riscaldamento (la temperatura esterna che rende necessario accendere il riscaldamento) è significativamente più basso quando il flusso volumetrico della ventilazione viene ridotto del 33 %.

Ad esempio, l’inclinazione della curva rossa (potente ventilazione meccanica di 1200 m3/h) aumenta nell’intervallo tra i 12 e 15 gradi Celsius circa, perché con un flusso volumetrico della ventilazione ridotto del 33 % non è necessario accendere il riscaldamento quando la temperatura esterna supera i 12 gradi, cioè il limite di riscaldamento si sposta verso il basso di 3 gradi.

Metodo VVA+filtraggio: potenza termica risparmiata per aula
Fig. 1: Potenza termica risparmiata per aula con la ventilazione con ventilatori aspiranti (VVA) in combinazione con il filtraggio (purificatori dell’aria mobili).

Per il filtraggio vengono utilizzati tre purificatori dell’aria mobili, che funzionano al 50 % della velocità massima e raggiungono un CADRtotale (total Clean Air Delivery Rate) di 800 m3 all’ora. Il consumo energetico totale dei tre purificatori dell’aria (circa 60 watt a livello medio) è trascurabile rispetto all’energia termica risparmiata.

La tabella 1 mostra due diversi metodi di ventilazione, la ventilazione continua con finestre a ribalta (VCFR) e la ventilazione con ventilatori aspiranti (VVA) [MPIC-2022], prima senza, poi in combinazione con il filtraggio mediante purificatori dell’aria mobili. Nelle varianti combinate, l’aerazione è ridotta del 33 %.

Tabella 1: Panoramica dei metodi analizzati (per la descrizione si veda qui di seguito) con indicazione della loro efficacia in termini di riduzione della CO2, rispettivamente di riduzione degli aerosol e della dose virale inspirata, nonché di risparmio energetico per il riscaldamento. Ogni metodo/combinazione è stato analizzato per due casi:
1.   Caso sfavorevole con volume di ventilazione inferiore (riga superiore)
2. Caso favorevole con volume di ventilazione maggiore (riga inferiore)

I calcoli per la Tabella 1 sono stati eseguiti in modo analogo a  [MPIC-2022] sia per i metodi di ventilazione continua con finestre a ribalta (VCFR) e di ventilazione con ventilatori aspiranti (VVA), sia per la loro combinazione con il filtraggio. Il calore prodotto dalle persone presenti è stato tenuto in considerazione.

Gli effetti della ventilazione a dislocamento possono ridurre leggermente i carichi inquinanti  [MPIC-2022], ma non sono qui considerati in nessun metodo, poiché questi effetti dipendono dalle caratteristiche ambientali ed entrano in gioco solo in condizioni favorevoli.

Le persone infette sono portatrici di un carico variabile di virus. Inoltre, alcuni emettono più aerosol, altri meno. Questo porta a grandi differenze nell’emissione (rilascio) dei virus. Si parla perciò di diversi tipi di diffusori. Il virus SARS-CoV-2 è caratterizzato da una produzione virale molto ampia  [Riediker-2022a]. Con la variante Omicron, il 50-75 % degli infetti sono “forti diffusori” e il 20-30 % addirittura “diffusori molto forti”. La “dose virale” corrisponde al numero di copie di RNA virale rilevate dai test PCR. Con la variante Omicron, esiste un rischio realistico di infezione con dosi superiori a 100 copie virali.

La dose di virus inalata è stata calcolata con il Virus-Tool del Centro svizzero per la salute occupazionale e ambientale  [SCOEH-2021] per una giornata scolastica di 5 lezioni di 45 minuti ciascuna, con ventilazione/filtraggio attivo anche durante le pause. Per il diffusore di virus e le persone esposte si vedano i parametri riportati qui di seguito.

Come mostra la Tabella 1, l’utilizzazione contemporanea di purificatori dell’aria mobili e ventilazione meccanica è una soluzione flessibile, sostenibile e realizzabile in tempi brevi che permette di ridurre gli aerosol più della sola ventilazione, con livelli di CO2 accettabili e un bilancio energetico migliore.

Linee guida sull’igiene dell’aria per aerosol e CO2 devono essere incluse nelle ordinanze cantonali per le scuole, con l’obiettivo di migliorare in modo sostenibile la qualità dell’aria nelle aule scolastiche attraverso il filtraggio HEPA e i sistemi di ventilazione meccanica, soprattutto nei nuovi edifici e nelle ristrutturazioni di aule scolastiche.

Metodi

  • VCFR: ventilazione continua con coppie di finestre a ribalta [MPIC-2022]
  • VVA: ventilazione con ventilatori aspiranti [MPIC-2022]
  • Filtraggio: con purificatori dell’aria mobili

Parametri utilizzati

  • Aula 200 m3, con 1 docente e 24 allievi (≥ 10 anni).
  • Filtraggio: 3 purificatori dell’aria mobili, che raggiungono un CADRtotale (Clean Air Delivery Rate) effettivo di 800 m3 all’ora al 50 % della velocità massima, con un consumo totale di circa 60 watt.
  • Persona infetta (parametri per [SCOEH-2021])
    • diffusione: ’forte’ e ’molto forte’
    • senza mascherina
    • attività:  inattivo (90 %), attività leggera (10 %); silenzioso (50 %)
    • tono di voce normale (40 %), tono di voce forte (10 %).
  • Persone esposte (parametri per [SCOEH-2021])
    • senza mascherina

Fonti

[MPIC-2022] Helleis F, Klimach T, Pöschl U, Vergleich verschiedener Lüftungsmethoden gegen die Aerosolübertragung von COVID-19 und für erhöhte Luftqualität in Klassenräumen: Fensterlüften, Abluftventilatoren, Raumlufttechnik und Luftreiniger. 11.02.2022, Max-Planck-Institut für Chemie, https://zenodo.org/record/6049289#YsnPL3YzY2w.

[Riediker-2020] Cruz M, Riediker M et al., Guide for ventilation towards healthy classrooms. Dec. 2020, https://scoeh.ch/wp-content/uploads/2021/01/Guide-for-ventilation_Indairpollnet.pdf.

[Riediker-2022a] Riediker M et al., Higher viral load and infectivity increase risk of aerosol transmission for Delta and Omicron variants of SARS-CoV-2. 06.01.2022, https://doi.org/10.4414/smw.2022.w30133.

[Riediker-2022b] Riediker M et al., Saubere Luft für pandemiegerechte Gebäude. Eine Strategie präsentiert durch die Expertengruppe «Pandemiegerechte Gebäude» in Form eines White Papers. 21.06.2022, https://scoeh.ch/de/saubere-luft-fur-pandemiegerechte-gebaude/.

[Riediker-2022c] Riediker M et al., Clean air for pandemic-proof buildings. A strategy presented by the expert group on «Pandemic-proof buildings». June 2022,
https://scoeh.ch/wp-content/uploads/2022/06/2022-06-21b_Clean_air_for_pandemic-proof_buildings.pdf.

[SCOEH-2021] Riediker M, Viren-Tool zur Berechnung der Virendosis und des CO2 in Räumen, v2.2.3, Aug. 2021.  Schweizerische Zentrum für Arbeits- und Umweltgesundheit, https://scoeh.ch/de/tools/.

[Umwelt-BA-2008] Gesundheitliche Bewertung von Kohlendioxid in der Innenraumluft: Mitteilungen der Ad-hoc-Arbeitsgruppe Innenraumrichtwerte der Innenraumlufthygiene-Kommission des Umweltbundesamtes und der Obersten Landesgesundheitsbehörden.
https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/pdfs/kohlendioxid_2008.pdf.