Quando gli inquinanti generati in un cantiere devono essere controllati ventilando l'intero locale di cui parliamo ventilazione generale. L'uso della ventilazione generale implica l'accettazione del fatto che l'inquinante si distribuirà in una certa misura attraverso l'intero spazio del cantiere e potrebbe quindi colpire i lavoratori che sono lontani dalla fonte di contaminazione. La ventilazione generale è, quindi, una strategia che è l'opposto di estrazione localizzata. L'estrazione localizzata cerca di eliminare l'inquinante intercettandolo il più vicino possibile alla fonte (vedi “Aria indoor: metodi di controllo e pulizia”, altrove in questo capitolo).

Uno degli obiettivi fondamentali di qualsiasi sistema di ventilazione generale è il controllo degli odori corporei. Ciò può essere ottenuto fornendo non meno di 0.45 metri cubi al minuto, m³/min, di aria nuova per occupante. Quando il fumo è frequente o il lavoro è fisicamente faticoso, il tasso di ventilazione richiesto è maggiore e può superare 0.9 m³/min per persona.

Se gli unici problemi ambientali che il sistema di ventilazione deve superare sono quelli appena descritti, è bene tenere presente che ogni ambiente ha un certo grado di ricambio d'aria “naturale” per mezzo delle cosiddette “infiltrazioni”, che avviene attraverso porte e finestre, anche quando sono chiuse, e attraverso altri siti di penetrazione del muro. I manuali di climatizzazione forniscono solitamente ampie informazioni al riguardo, ma si può affermare che come minimo il livello di ventilazione per infiltrazione sia compreso tra 0.25 e 0.5 rinnovi orari. Un sito industriale sperimenterà comunemente tra 0.5 e 3 rinnovi d'aria all'ora.

Quando utilizzata per controllare gli inquinanti chimici, la ventilazione generale deve essere limitata solo a quelle situazioni in cui le quantità di inquinanti generati non sono molto elevate, dove la loro tossicità è relativamente moderata e dove i lavoratori non svolgono i loro compiti nelle immediate vicinanze della fonte di contaminazione. Se queste ingiunzioni non vengono rispettate, sarà difficile ottenere l'accettazione per un adeguato controllo dell'ambiente di lavoro perché devono essere utilizzati tassi di rinnovo così elevati che le velocità dell'aria elevate probabilmente creeranno disagio, e perché i tassi di rinnovo elevati sono costosi da mantenere. È quindi insolito raccomandare l'uso della ventilazione generale per il controllo delle sostanze chimiche, tranne nel caso di solventi che hanno concentrazioni ammissibili superiori a 100 parti per milione.

Quando, invece, l'obiettivo della ventilazione generale è mantenere le caratteristiche termiche dell'ambiente di lavoro in vista di limiti legalmente accettabili o di raccomandazioni tecniche come le linee guida dell'Organizzazione internazionale per la standardizzazione (ISO), questo metodo ha meno limitazioni. La ventilazione generale viene quindi utilizzata più spesso per controllare l'ambiente termico che per limitare la contaminazione chimica, ma la sua utilità come complemento delle tecniche di estrazione localizzata dovrebbe essere chiaramente riconosciuta.

Mentre per molti anni le frasi ventilazione generale ed ventilazione per diluizione erano considerati sinonimi, oggi non è più così a causa di una nuova strategia di ventilazione generale: ventilazione per spostamento. Anche se la ventilazione per diluizione e la ventilazione per spostamento rientrano nella definizione di ventilazione generale che abbiamo delineato sopra, entrambe differiscono ampiamente nella strategia che impiegano per controllare la contaminazione.

Ventilazione per diluizione ha lo scopo di miscelare nel modo più completo possibile l'aria immessa meccanicamente con tutta l'aria già presente nell'ambiente, in modo che la concentrazione di un dato inquinante sia il più uniforme possibile in tutto il locale (ovvero che la temperatura sia il più uniforme possibile, se il controllo termico è l'obiettivo desiderato). Per ottenere questa miscela uniforme l'aria viene iniettata dal soffitto sotto forma di flussi ad una velocità relativamente elevata, e questi flussi generano una forte circolazione d'aria. Il risultato è un elevato grado di miscelazione dell'aria nuova con quella già presente all'interno dell'ambiente.

Ventilazione per spostamento, nella sua concettualizzazione ideale, consiste nell'iniettare aria in uno spazio in modo tale che aria nuova sposti quella che vi si trovava prima senza mescolarsi con essa. La ventilazione per dislocamento si ottiene immettendo aria nuova in un ambiente a bassa velocità e vicino al pavimento ed estraendo aria vicino al soffitto. Utilizzare la ventilazione per spostamento per controllare l'ambiente termico ha il vantaggio di beneficiare del movimento naturale dell'aria generato dalle variazioni di densità che sono esse stesse dovute alle differenze di temperatura. Nonostante la ventilazione per spostamento sia già ampiamente utilizzata in ambito industriale, la letteratura scientifica sull'argomento è ancora piuttosto limitata, e la valutazione della sua efficacia è quindi ancora difficile.

Ventilazione per diluizione

La progettazione di un sistema di ventilazione per diluizione si basa sull'ipotesi che la concentrazione dell'inquinante sia la stessa in tutto lo spazio considerato. Questo è il modello che gli ingegneri chimici spesso chiamano serbatoio agitato.

Se si assume che l'aria che viene immessa nell'ambiente sia priva di inquinante e che all'istante iniziale la concentrazione all'interno dell'ambiente sia zero, sarà necessario conoscere due fatti per calcolare il tasso di ventilazione richiesto: la quantità dell'inquinante che si genera nello spazio e del livello di concentrazione ambientale che si cerca (che ipoteticamente sarebbe uguale ovunque).

In queste condizioni, i calcoli corrispondenti producono la seguente equazione:

where

c (t) = la concentrazione del contaminante nello spazio nel tempo t

a = la quantità di inquinante generato (massa per unità di tempo)

Q = la velocità con cui viene fornita aria nuova (volume per unità di tempo)

V = il volume dello spazio in questione.

L'equazione precedente mostra che la concentrazione tenderà a uno stato stazionario al valore a/D, e che lo farà più velocemente quanto più piccolo è il valore di Domande/V, spesso indicato come “il numero di rinnovi per unità di tempo”. Sebbene occasionalmente l'indice di qualità della ventilazione sia considerato praticamente equivalente a tale valore, l'equazione di cui sopra mostra chiaramente che la sua influenza è limitata al controllo della velocità di stabilizzazione delle condizioni ambientali, ma non del livello di concentrazione al quale si verificherà tale stato stazionario. Questo dipenderà esclusivamente sulla quantità di inquinante che viene generato (a), e sulla velocità di ventilazione (Q).

Quando l'aria di un dato spazio è contaminata ma non si generano nuove quantità di inquinante, la velocità di diminuzione della concentrazione nel tempo è data dalla seguente espressione:

where Q ed V hanno il significato sopra descritto, t₁ ed t₂ sono, rispettivamente, il tempo iniziale e finale e c₁ ed c₂ sono le concentrazioni iniziale e finale.

Si possono trovare espressioni per i calcoli nei casi in cui la concentrazione iniziale non è nulla (Constance 1983; ACGIH 1992), dove l'aria immessa nell'ambiente non è totalmente priva dell'inquinante (perché per ridurre i costi di riscaldamento nella parte invernale dell'aria viene riciclato, per esempio), o dove le quantità di inquinante generato variano in funzione del tempo.

Se ignoriamo la fase di transizione e assumiamo che sia stato raggiunto lo stato stazionario, l'equazione indica che la velocità di ventilazione è equivalente a corrente alternata_lim, Dove c_lim è il valore della concentrazione che deve essere mantenuta nello spazio dato. Questo valore sarà stabilito da regolamenti o, come norma accessoria, da raccomandazioni tecniche come i valori limite di soglia (TLV) della Conferenza americana degli igienisti industriali governativi (ACGIH), che raccomanda di calcolare il tasso di ventilazione con la formula

where a ed c_lim hanno il significato già descritto e K è un fattore di sicurezza. Un valore di K va scelto un valore compreso tra 1 e 10 in funzione dell'efficacia della miscela aria nello spazio dato, della tossicità del solvente (minore c_lim è, maggiore è il valore di K sarà), e di ogni altra circostanza ritenuta rilevante dall'igienista industriale. L'ACGIH, tra l'altro, cita la durata del processo, il ciclo delle operazioni e l'ubicazione abituale dei lavoratori rispetto alle fonti di emissione dell'inquinante, il numero di queste fonti e la loro ubicazione nello spazio dato, la stagionalità cambiamenti nella quantità di ventilazione naturale e la prevista riduzione dell'efficacia funzionale delle apparecchiature di ventilazione come altri criteri determinanti.

In ogni caso, l'utilizzo della suddetta formula richiede una conoscenza ragionevolmente esatta dei valori di a ed K che dovrebbe essere utilizzato, e quindi forniamo alcuni suggerimenti al riguardo.

La quantità di inquinante generato può essere abbastanza frequentemente stimata dalla quantità di determinati materiali consumati nel processo che genera l'inquinante. Quindi, nel caso di un solvente, la quantità utilizzata sarà una buona indicazione della quantità massima che si può trovare nell'ambiente.

Come indicato sopra, il valore di K dovrebbe essere determinato in funzione dell'efficacia della miscela d'aria nello spazio dato. Questo valore sarà, quindi, minore in proporzione diretta a quanto è buona la stima di trovare la stessa concentrazione dell'inquinante in qualsiasi punto all'interno dello spazio dato. Questo, a sua volta, dipenderà da come l'aria è distribuita all'interno dello spazio ventilato.

Secondo questi criteri, i valori minimi di K dovrebbe essere utilizzato quando l'aria viene iniettata nello spazio in modo distribuito (usando un plenum, per esempio), e quando l'immissione e l'estrazione dell'aria sono alle estremità opposte dello spazio dato. D'altra parte, valori più alti per K dovrebbe essere utilizzato quando l'aria viene fornita in modo intermittente e l'aria viene estratta in punti vicini all'ingresso di aria nuova (figura 1).

Figura 1. Schema della circolazione dell'aria in una stanza con due aperture di alimentazione

Va notato che quando l'aria viene iniettata in un dato spazio, specialmente se avviene ad alta velocità, il flusso d'aria creato eserciterà una notevole attrazione sull'aria che lo circonda. Quest'aria poi si mescola con il flusso e lo rallenta, creando anche una turbolenza misurabile. Di conseguenza, questo processo si traduce in un'intensa miscelazione dell'aria già presente nell'ambiente con l'aria nuova che viene immessa, generando correnti d'aria interne. Prevedere queste correnti, anche in generale, richiede una grande dose di esperienza (figura 2).

Figura 2. Fattori K suggeriti per le posizioni di ingresso e scarico

Per evitare i problemi derivanti dall'esposizione dei lavoratori a flussi d'aria a velocità relativamente elevate, l'immissione dell'aria avviene comunemente mediante griglie diffusori progettate in modo tale da favorire la rapida miscelazione dell'aria nuova con quella già presente nelle lo spazio. In questo modo, le aree in cui l'aria si muove ad alta velocità vengono mantenute le più piccole possibili.

L'effetto flusso appena descritto non si produce in prossimità di punti in cui l'aria fuoriesce o viene estratta attraverso porte, finestre, bocchette di estrazione o altre aperture. L'aria raggiunge le griglie di aspirazione da tutte le direzioni, quindi anche a una distanza relativamente breve da esse, il movimento dell'aria non è facilmente percepito come una corrente d'aria.

In ogni caso, nell'affrontare la distribuzione dell'aria, è importante tenere presente la convenienza di posizionare i posti di lavoro, per quanto possibile, in modo che l'aria nuova raggiunga i lavoratori prima che raggiunga le fonti di contaminazione.

Quando nello spazio sono presenti importanti fonti di calore, il movimento dell'aria sarà in gran parte condizionato dalle correnti di convezione che sono dovute alle differenze di densità tra aria più densa e fredda e aria più leggera e calda. In ambienti di questo tipo, il progettista della distribuzione dell'aria non deve mancare di tenere presente l'esistenza di queste fonti di calore, altrimenti il ​​movimento dell'aria potrebbe risultare molto diverso da quello previsto.

La presenza di contaminazione chimica, invece, non altera in modo misurabile la densità dell'aria. Mentre allo stato puro gli inquinanti possono avere una densità molto diversa da quella dell'aria (solitamente molto maggiore), date le reali concentrazioni esistenti negli ambienti di lavoro, il mix di aria e inquinante non ha una densità significativamente diversa da quella densità dell'aria pura.

Va inoltre sottolineato che uno degli errori più comuni commessi nell'applicazione di questo tipo di ventilazione è quello di alimentare l'ambiente solo con estrattori d'aria, senza alcuna accortezza per adeguate prese d'aria. In questi casi, l'efficacia dei ventilatori di estrazione è ridotta e, pertanto, i tassi effettivi di estrazione dell'aria sono molto inferiori a quelli pianificati. Il risultato sono concentrazioni ambientali maggiori dell'inquinante nello spazio dato rispetto a quelle inizialmente calcolate.

Per evitare questo problema si dovrebbe pensare a come l'aria verrà introdotta nell'ambiente. La linea di condotta raccomandata è quella di utilizzare ventilatori di immissione e ventilatori di estrazione. Normalmente, il tasso di estrazione dovrebbe essere maggiore del tasso di immissione per consentire l'infiltrazione attraverso finestre e altre aperture. Inoltre, è consigliabile mantenere lo spazio in leggera pressione negativa per evitare che la contaminazione generata si diffonda in aree non contaminate.

Ventilazione per spostamento

Come accennato in precedenza, con la ventilazione per dislocamento si cerca di minimizzare la miscelazione di aria nuova e aria precedentemente presente nello spazio dato, e si cerca di adeguare il sistema al modello noto come flusso a pistone. Ciò si ottiene solitamente introducendo aria a bassa velocità ea bassa quota nello spazio dato ed estraendola vicino al soffitto; questo ha due vantaggi rispetto alla ventilazione per diluizione.

In primo luogo, rende possibili tassi di rinnovo dell'aria più bassi, perché l'inquinamento si concentra vicino al soffitto dello spazio, dove non ci sono lavoratori per respirarlo. Il media concentrazione nello spazio dato sarà quindi superiore al c_lim valore cui abbiamo fatto riferimento prima, ma che non implica un rischio maggiore per i lavoratori perché nella zona occupata dello spazio dato la concentrazione dell'inquinante sarà uguale o inferiore a un c_lim.

Inoltre, quando l'obiettivo della ventilazione è il controllo dell'ambiente termico, la ventilazione per dislocamento consente di introdurre nello spazio dato aria più calda di quanto sarebbe richiesto da un sistema di ventilazione per diluizione. Questo perché l'aria calda che viene estratta è ad una temperatura di diversi gradi superiore alla temperatura nella zona occupata del locale.

I principi fondamentali della ventilazione per spostamento sono stati sviluppati da Sandberg, che nei primi anni '1980 ha sviluppato una teoria generale per l'analisi di situazioni in cui vi erano concentrazioni disuniformi di inquinanti in ambienti chiusi. Questo ha permesso di superare i limiti teorici della ventilazione per diluizione (che presuppone una concentrazione uniforme in tutto lo spazio dato) e ha aperto la strada alle applicazioni pratiche (Sandberg 1981).

Anche se la ventilazione per spostamento è ampiamente utilizzata in alcuni paesi, in particolare in Scandinavia, sono stati pubblicati pochissimi studi in cui l'efficacia dei diversi metodi viene confrontata in installazioni reali. Ciò è senza dubbio dovuto alle difficoltà pratiche di installare due diversi sistemi di ventilazione in una fabbrica reale e perché l'analisi sperimentale di questi tipi di sistemi richiede l'uso di traccianti. La tracciatura viene eseguita aggiungendo un gas tracciante alla corrente di ventilazione dell'aria e quindi misurando le concentrazioni del gas in diversi punti all'interno dello spazio e nell'aria estratta. Questo tipo di esame permette di dedurre come l'aria è distribuita all'interno dell'ambiente e quindi confrontare l'efficacia di diversi sistemi di ventilazione.

I pochi studi disponibili che sono stati effettuati su impianti effettivamente esistenti non sono conclusivi, se non per quanto riguarda il fatto che i sistemi che utilizzano la ventilazione per spostamento forniscono un migliore ricambio d'aria. In questi studi, tuttavia, sono spesso espresse riserve sui risultati in quanto non confermati da misurazioni del livello di contaminazione ambientale nei cantieri.

Di ritorno

Una delle principali funzioni di un edificio in cui si svolgono attività non industriali (uffici, scuole, abitazioni, ecc.) è quella di fornire agli occupanti un ambiente salubre e confortevole in cui lavorare. La qualità di questo ambiente dipende, in larga misura, dal fatto che i sistemi di ventilazione e climatizzazione dell'edificio siano adeguatamente progettati e mantenuti e funzionino correttamente.

Questi sistemi devono quindi fornire condizioni termiche accettabili (temperatura e umidità) e una qualità dell'aria interna accettabile. In altre parole, devono mirare a un'adeguata miscelazione di aria esterna con aria interna e devono adottare sistemi di filtrazione e pulizia in grado di eliminare gli inquinanti presenti nell'ambiente interno.

L'idea che l'aria esterna pulita sia necessaria per il benessere negli spazi interni è stata espressa fin dal XVIII secolo. Benjamin Franklin ha riconosciuto che l'aria in una stanza è più salubre se è dotata di ventilazione naturale aprendo le finestre. L'idea che fornire grandi quantità di aria esterna potesse aiutare a ridurre il rischio di contagio di malattie come la tubercolosi si fece strada nell'Ottocento.

Studi condotti negli anni '1930 hanno dimostrato che, per diluire gli effluvi biologici umani a concentrazioni tali da non causare fastidi dovuti agli odori, il volume di aria esterna nuova necessaria per un locale è compreso tra 17 e 30 metri cubi all'ora per occupante.

Nello standard n. 62 stabilito nel 1973, l'American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers (ASHRAE) raccomanda un flusso minimo di 34 metri cubi di aria esterna all'ora per occupante per controllare gli odori. Un minimo assoluto di 8.5 m³/ora/occupante è consigliato per evitare che l'anidride carbonica superi i 2,500 ppm, che è la metà del limite di esposizione stabilito per gli ambienti industriali.

Questa stessa organizzazione, nella norma n. 90, fissata nel 1975 - in piena crisi energetica - adottò il suddetto minimo assoluto prescindendo, temporaneamente, dalla necessità di maggiori flussi di ventilazione per diluire inquinanti come fumo di tabacco, effluvi biologici e così via via.

Nella sua norma n. 62 (1981) ASHRAE ha rettificato questa omissione e ha stabilito la sua raccomandazione come 34 m³/ora/occupante per le aree in cui è consentito fumare e 8.5 m³/h/occupante in aree dove è vietato fumare.

L'ultimo standard pubblicato da ASHRAE, anche il n. 62 (1989), stabiliva un minimo di 25.5 m³/ora/occupante per gli spazi interni occupati indipendentemente dal fatto che sia consentito o meno fumare. Si consiglia inoltre di aumentare tale valore quando l'aria immessa nell'edificio non è adeguatamente miscelata nella zona di respirazione o se sono presenti insolite fonti di inquinamento nell'edificio.

Nel 1992 la Commissione delle Comunità Europee ha pubblicato il suo Linee guida per i requisiti di ventilazione negli edifici. Contrariamente alle raccomandazioni esistenti per gli standard di ventilazione, questa guida non specifica i volumi di flusso di ventilazione che dovrebbero essere forniti per un dato spazio; fornisce invece raccomandazioni calcolate in funzione della qualità desiderata dell'aria interna.

Gli standard di ventilazione esistenti prescrivono volumi fissi di flusso di ventilazione che dovrebbero essere forniti per occupante. Le tendenze evidenziate nelle nuove linee guida mostrano che i calcoli dei volumi da soli non garantiscono una buona qualità dell'aria interna per ogni ambiente. Questo è il caso per tre motivi fondamentali.

In primo luogo, presumono che gli occupanti siano le uniche fonti di contaminazione. Recenti studi dimostrano che altre fonti di inquinamento, oltre agli occupanti, dovrebbero essere prese in considerazione come possibili fonti di inquinamento. Gli esempi includono mobili, tappezzeria e il sistema di ventilazione stesso. La seconda ragione è che queste norme raccomandano la stessa quantità di aria esterna indipendentemente dalla qualità dell'aria che viene convogliata nell'edificio. E la terza ragione è che non definiscono chiaramente la qualità dell'aria interna richiesta per lo spazio dato. Pertanto, si propone che i futuri standard di ventilazione si basino sulle seguenti tre premesse: la selezione di una categoria definita di qualità dell'aria per lo spazio da ventilare, il carico totale di inquinanti nello spazio occupato e la qualità dell'aria esterna disponibile .

La qualità percepita dell'aria

La qualità dell'aria interna può essere definita come il grado in cui vengono soddisfatte le richieste e le esigenze dell'essere umano. Fondamentalmente, gli occupanti di uno spazio esigono due cose dall'aria che respirano: percepire l'aria che respirano come fresca e non viziata, viziata o irritante; e sapere che gli effetti negativi sulla salute che possono derivare dalla respirazione di quell'aria sono trascurabili.

È comune pensare che il grado di qualità dell'aria in uno spazio dipenda più dalle componenti di quell'aria che dall'impatto di quell'aria sugli occupanti. Può quindi sembrare facile valutare la qualità dell'aria, supponendo che conoscendone la composizione se ne possa accertare la qualità. Questo metodo di valutazione della qualità dell'aria funziona bene in ambienti industriali, dove troviamo composti chimici implicati o derivati ​​dal processo di produzione e dove esistono dispositivi di misurazione e criteri di riferimento per valutare le concentrazioni. Questo metodo, tuttavia, non funziona in contesti non industriali. Gli ambienti non industriali sono luoghi in cui si possono trovare migliaia di sostanze chimiche, ma a concentrazioni molto basse, a volte mille volte inferiori ai limiti di esposizione consigliati; la valutazione di queste sostanze una per una risulterebbe in una falsa valutazione della qualità di quell'aria e l'aria verrebbe probabilmente giudicata di alta qualità. Ma c'è un aspetto mancante che resta da considerare, e cioè la mancanza di conoscenza che esiste sull'effetto combinato di quelle migliaia di sostanze sugli esseri umani, e questo potrebbe essere il motivo per cui quell'aria è percepita come viziata, viziata o irritante.

La conclusione a cui si è giunti è che i metodi tradizionali utilizzati per l'igiene industriale non sono adatti a definire il grado di qualità che sarà percepito dagli esseri umani che respireranno l'aria oggetto di valutazione. L'alternativa all'analisi chimica è usare le persone come strumenti di misura per quantificare l'inquinamento atmosferico, impiegando collegi di giudici per fare le valutazioni.

L'essere umano percepisce la qualità dell'aria attraverso due sensi: l'olfatto, situato nella cavità nasale e sensibile a centinaia di migliaia di sostanze odorose, e il chimico, situato nelle mucose del naso e degli occhi, e sensibile a un numero simile di sostanze irritanti presenti nell'aria. È la risposta combinata di questi due sensi che determina come viene percepita l'aria e che permette al soggetto di giudicare se la sua qualità è accettabile.

L'unità olf

Uno oLF (dal latino = olfattivo) è il tasso di emissione di inquinanti atmosferici (bioeffluenti) da parte di una persona standard. Una persona standard è un adulto medio che lavora in un ufficio o in un posto di lavoro non industriale simile, sedentario e in comfort termico con un'attrezzatura igienica standard a 0.7 bagni/giorno. L'inquinamento da parte di un essere umano è stato scelto per definire il termine oLF per due ragioni: la prima è che gli effluvi biologici emessi da una persona sono ben noti, la seconda è che c'erano molti dati sull'insoddisfazione causata da tali effluvi biologici.

Qualsiasi altra fonte di contaminazione può essere espressa come il numero di persone standard (olf) necessarie per causare la stessa quantità di insoddisfazione della fonte di contaminazione che si sta valutando.

La Figura 1 mostra una curva che definisce un olf. Questa curva mostra come la contaminazione prodotta da una persona standard (1 olf) viene percepita a diverse velocità di ventilazione, e permette di calcolare il tasso di individui insoddisfatti, cioè quelli che percepiranno la qualità dell'aria come inaccettabile subito dopo sono entrati nella stanza. La curva si basa su diversi studi europei in cui 168 persone hanno giudicato standard la qualità dell'aria inquinata da oltre mille persone, uomini e donne. Studi simili condotti in Nord America e Giappone mostrano un alto grado di correlazione con i dati europei.

Figura 1. Curva di definizione dell'olf

L'unità decipol

La concentrazione dell'inquinamento nell'aria dipende dalla fonte di contaminazione e dalla sua diluizione per effetto della ventilazione. L'inquinamento atmosferico percepito è definito come la concentrazione di effluvi biologici umani che provocherebbe lo stesso disagio o insoddisfazione della concentrazione di aria inquinata che si sta valutando. Uno decipol (dal latino pollutio) è la contaminazione causata da una persona standard (1 olf) quando il tasso di ventilazione è di 10 litri al secondo di aria non contaminata, così che possiamo scrivere

1 decipol = 0.1 olf/(litro/secondo)

La figura 2, derivata dagli stessi dati della figura precedente, mostra la relazione tra la qualità dell'aria percepita, espressa in percentuale di individui insoddisfatti e in decipol.

Figura 2. Relazione tra la qualità dell'aria percepita espressa in percentuale di individui insoddisfatti e in decipol

Per determinare il tasso di ventilazione richiesto dal punto di vista del comfort, è essenziale selezionare il grado di qualità dell'aria desiderato nello spazio dato. Nella tabella 1 sono proposte tre categorie o livelli di qualità, derivati ​​dalle figure 1 e 2. Ogni livello corrisponde a una certa percentuale di persone insoddisfatte. La scelta dell'uno o dell'altro livello dipenderà, soprattutto, dalla destinazione d'uso dello spazio e da considerazioni economiche.

Tabella 1. Livelli di qualità dell'aria indoor

¹ Supponendo che l'aria esterna sia pulita e l'efficienza del sistema di ventilazione sia pari a uno.

Fonte: CEC 1992.

Come detto in precedenza, i dati sono frutto di sperimentazioni effettuate con collegi giudicanti, ma è importante tenere presente che alcune delle sostanze presenti nell'aria che possono essere pericolose (composti cancerogeni, microrganismi e sostanze radioattive, per esempio) non sono riconosciuti dai sensi e che gli effetti sensoriali di altri contaminanti non hanno alcuna relazione quantitativa con la loro tossicità.

Fonti di contaminazione

Come indicato in precedenza, uno dei difetti degli standard di ventilazione odierni è che prendono in considerazione solo gli occupanti come fonti di contaminazione, mentre è riconosciuto che gli standard futuri dovrebbero tenere conto di tutte le possibili fonti di inquinamento. A parte gli occupanti e le loro attività, compresa la possibilità che possano fumare, ci sono altre fonti di inquinamento che contribuiscono in modo significativo all'inquinamento atmosferico. Gli esempi includono mobili, tappezzeria e moquette, materiali da costruzione, prodotti utilizzati per la decorazione, prodotti per la pulizia e il sistema di ventilazione stesso.

Ciò che determina il carico di inquinamento dell'aria in un dato spazio è la combinazione di tutte queste fonti di contaminazione. Questo carico può essere espresso come contaminazione chimica o come contaminazione sensoriale espressa in olf. Quest'ultimo integra l'effetto di diverse sostanze chimiche così come sono percepite dagli esseri umani.

Il carico chimico

La contaminazione emanata da un determinato materiale può essere espressa come tasso di emissione di ciascuna sostanza chimica. Il carico totale di inquinamento chimico è calcolato sommando tutte le sorgenti, ed è espresso in microgrammi al secondo (μg/s).

In realtà, può essere difficile calcolare il carico di inquinamento perché spesso sono disponibili pochi dati sui tassi di emissione per molti materiali di uso comune.

Carico sensoriale

Il carico di inquinamento percepito dai sensi è causato da quelle fonti di contaminazione che hanno un impatto sulla qualità percepita dell'aria. Il valore dato di questo carico sensoriale può essere calcolato sommando tutti gli olf di diverse fonti di contaminazione che esistono in un dato spazio. Come nel caso precedente, non sono ancora disponibili molte informazioni sulle OL per metro quadro (OLF/m²) di molti materiali. Per questo motivo risulta più pratico stimare il carico sensoriale dell'intero edificio, inclusi gli occupanti, gli arredi e il sistema di ventilazione.

La Tabella 2 mostra il carico inquinante in olf degli occupanti dell'edificio mentre svolgono diversi tipi di attività, in proporzione tra chi fuma e chi non fuma, e la produzione di vari composti come l'anidride carbonica (CO₂), monossido di carbonio (CO) e vapore acqueo. La tabella 3 mostra alcuni esempi dei tassi di occupazione tipici in diversi tipi di spazi. E ultimo, tin grado 4 riflette i risultati del carico sensoriale, misurato in olf per metro quadrato, riscontrato in diversi edifici.

Tabella 2. Contaminazione dovuta agli occupanti di un edificio

¹ 1 met è il tasso metabolico di una persona sedentaria a riposo (1 met = 58 W/m² della superficie cutanea).
² Consumo medio di 1.2 sigarette/ora per fumatore. Tasso medio di emissione, 44 ml di CO per sigaretta.
³ Dal fumo di tabacco.
⁴ Applicabile a persone vicine alla neutralità termica.

Fonte: CEC 1992.

Tabella 3. Esempi del grado di occupazione di diversi edifici

Fonte: CEC 1992.

Tabella 4. Contaminazione dovuta all'edificio

¹ Dati ottenuti in 24 uffici ventilati meccanicamente.
² Dati ottenuti in 6 scuole ventilate meccanicamente.
³ Dati ottenuti in 9 asili nido ventilati meccanicamente.
⁴ Dati ottenuti in 5 sale ventilate meccanicamente.
⁵ Obiettivo che dovrebbe essere raggiunto dalle nuove costruzioni.

Fonte: CEC 1992.

Qualità dell'aria esterna

Un'altra premessa, che completa gli input necessari per la creazione di standard di ventilazione per il futuro, è la qualità dell'aria esterna disponibile. I valori di esposizione raccomandati per determinate sostanze, sia all'interno che all'esterno, sono riportati nella pubblicazione Linee guida sulla qualità dell'aria per l'Europa dall'OMS (1987).

La tabella 5 mostra i livelli di qualità dell'aria esterna percepita, nonché le concentrazioni di alcuni inquinanti chimici tipici rilevati all'aperto.

Tabella 5. Livelli di qualità dell'aria esterna

¹ I valori della qualità dell'aria percepita sono valori medi giornalieri.
² I valori degli inquinanti corrispondono a concentrazioni medie annue.

Fonte: CEC 1992.

Va tenuto presente che in molti casi la qualità dell'aria esterna può essere peggiore dei livelli indicati nella tabella o nelle linee guida dell'OMS. In questi casi l'aria deve essere depurata prima di essere convogliata negli spazi occupati.

Efficienza dei sistemi di ventilazione

Un altro fattore importante che influenzerà il calcolo dei requisiti di ventilazione per un dato spazio è l'efficienza della ventilazione (E_v), che è definito come il rapporto tra la concentrazione di inquinanti nell'aria estratta (C_e) e la concentrazione nella zona di respirazione (C_b).

E_v = C_e/C_b

L'efficienza della ventilazione dipende dalla distribuzione dell'aria e dall'ubicazione delle fonti di inquinamento nello spazio dato. Se l'aria ei contaminanti sono completamente miscelati, l'efficienza della ventilazione è pari a uno; se la qualità dell'aria nella zona di respirazione è migliore di quella dell'aria estratta, allora l'efficienza è maggiore di uno e la qualità dell'aria desiderata può essere raggiunta con velocità di ventilazione inferiori. Saranno invece necessarie velocità di ventilazione maggiori se l'efficienza della ventilazione è inferiore a uno o, in altre parole, se la qualità dell'aria nella zona di respirazione è inferiore alla qualità dell'aria estratta.

Nel calcolo dell'efficienza della ventilazione è utile suddividere gli ambienti in due zone, una in cui viene immessa l'aria, l'altra comprendente il resto del locale. Per i sistemi di ventilazione che funzionano secondo il principio della miscelazione, la zona di erogazione dell'aria si trova generalmente al di sopra della zona di respirazione e le condizioni migliori si raggiungono quando la miscelazione è così profonda che le due zone diventano una sola. Per i sistemi di ventilazione che funzionano secondo il principio del dislocamento, l'aria viene fornita nella zona occupata dalle persone e la zona di estrazione si trova solitamente sopra la testa; qui le migliori condizioni si raggiungono quando la miscelazione tra le due zone è minima.

L'efficienza della ventilazione, quindi, è funzione dell'ubicazione e delle caratteristiche degli elementi che forniscono ed estraggono l'aria e dell'ubicazione e delle caratteristiche delle fonti di contaminazione. Inoltre è anche funzione della temperatura e dei volumi di aria immessi. È possibile calcolare l'efficienza di un sistema di ventilazione mediante simulazione numerica o effettuando misurazioni. Quando i dati non sono disponibili, i valori in figura 3 possono essere utilizzati per diversi sistemi di ventilazione. Questi valori di riferimento prendono in considerazione l'impatto della distribuzione dell'aria ma non l'ubicazione delle fonti di inquinamento, assumendo invece che siano distribuite uniformemente in tutto lo spazio ventilato.

Figura 3. Efficacia della ventilazione nella zona di respirazione secondo diversi principi di ventilazione

Calcolo dei requisiti di ventilazione

La figura 4 mostra le equazioni utilizzate per calcolare i requisiti di ventilazione sia dal punto di vista del comfort che della tutela della salute.

Figura 4. Equazioni per il calcolo dei requisiti di ventilazione

Requisiti di ventilazione per il comfort

Il primo passo nel calcolo dei requisiti di comfort è decidere il livello di qualità dell'aria interna che si desidera ottenere per lo spazio ventilato (vedi Tabella 1), e stimare la qualità dell'aria esterna disponibile (vedi Tabella 5).

Il passo successivo consiste nella stima del carico sensoriale, utilizzando le tabelle 8, 9 e 10 per selezionare i carichi in base agli occupanti e alle loro attività, al tipo di edificio e al livello di occupazione per metro quadrato di superficie. Il valore totale si ottiene sommando tutti i dati.

A seconda del principio di funzionamento del sistema di ventilazione e utilizzando la Figura 9, è possibile stimare l'efficienza della ventilazione. L'applicazione dell'equazione (1) nella Figura 9 produrrà un valore per la quantità di ventilazione richiesta.

Requisiti di ventilazione per la protezione della salute

Una procedura simile a quella descritta sopra, ma utilizzando l'equazione (2) nella Figura 3, fornirà un valore per il flusso di ventilazione necessario per prevenire problemi di salute. Per calcolare questo valore è necessario identificare una sostanza o un gruppo di sostanze chimiche critiche che si propone di controllare e stimare le loro concentrazioni in aria; è inoltre necessario prevedere diversi criteri di valutazione, tenendo conto degli effetti del contaminante e della sensibilità degli occupanti che si vogliono proteggere, ad esempio bambini o anziani.

Purtroppo, è ancora difficile stimare il fabbisogno di ventilazione per la protezione della salute a causa della mancanza di informazioni su alcune delle variabili che entrano nei calcoli, come i tassi di emissione dei contaminanti (G), i criteri di valutazione degli spazi interni (C_v) e altri.

Studi effettuati sul campo dimostrano che negli ambienti dove è richiesta la ventilazione per ottenere condizioni di comfort la concentrazione di sostanze chimiche è bassa. Tuttavia, questi spazi possono contenere fonti di inquinamento pericolose. La migliore politica in questi casi è eliminare, sostituire o controllare le fonti di inquinamento invece di diluire i contaminanti mediante ventilazione generale.

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Per quanto riguarda il riscaldamento, le esigenze di una determinata persona dipenderanno da molti fattori. Possono essere classificati in due gruppi principali, quelli legati all'ambiente circostante e quelli legati ai fattori umani. Tra quelli relativi all'ambiente si possono annoverare la geografia (latitudine e altitudine), il clima, il tipo di esposizione dello spazio in cui si trova la persona, o le barriere che proteggono lo spazio dall'ambiente esterno, ecc. Tra i fattori umani ci sono il il consumo energetico del lavoratore, il ritmo di lavoro o la quantità di sforzo necessario per il lavoro, l'abbigliamento o gli indumenti utilizzati contro il freddo e le preferenze o i gusti personali.

La necessità di riscaldamento è stagionale in molte regioni, ma ciò non significa che il riscaldamento sia superfluo durante la stagione fredda. Le condizioni ambientali fredde influenzano la salute, l'efficienza mentale e fisica, la precisione e occasionalmente possono aumentare il rischio di incidenti. L'obiettivo di un sistema di riscaldamento è mantenere condizioni termiche piacevoli che prevengano o riducano al minimo gli effetti negativi sulla salute.

Le caratteristiche fisiologiche del corpo umano gli consentono di resistere a grandi variazioni delle condizioni termiche. Gli esseri umani mantengono il loro equilibrio termico attraverso l'ipotalamo, per mezzo di recettori termici nella pelle; la temperatura corporea è mantenuta tra 36 e 38°C come mostrato in figura 1.

Figura 1. Meccanismi di termoregolazione nell'uomo

Gli impianti di riscaldamento devono avere meccanismi di controllo molto precisi, soprattutto nei casi in cui i lavoratori svolgono le loro mansioni in posizione seduta o fissa che non stimoli la circolazione sanguigna alle estremità. Laddove il lavoro svolto consente una certa mobilità, il controllo del sistema può essere un po' meno preciso. Infine, laddove il lavoro svolto avvenga in condizioni anormalmente avverse, come in celle frigorifere o in condizioni climatiche molto rigide, possono essere intraprese misure di supporto per proteggere tessuti speciali, per regolare il tempo trascorso in tali condizioni o per fornire calore mediante sistemi elettrici incorporati nelle vesti del lavoratore.

Definizione e descrizione dell'ambiente termico

Un requisito che si può esigere da qualsiasi impianto di riscaldamento o condizionamento correttamente funzionante è che esso permetta il controllo delle variabili che definiscono l'ambiente termico, entro determinati limiti, per ogni stagione dell'anno. Queste variabili sono

1. temperatura dell'aria
2. temperatura media delle superfici interne che definiscono lo spazio
3. umidità dell'aria
4. velocità e uniformità delle velocità del flusso d'aria all'interno dello spazio

È stato dimostrato che esiste una relazione molto semplice tra la temperatura dell'aria e delle superfici murarie di un dato ambiente e le temperature che forniscono la stessa sensazione termica percepita in un ambiente diverso. Questa relazione può essere espressa come

where

T_mangiare = temperatura dell'aria equivalente per una data sensazione termica

T_DBT = temperatura dell'aria misurata con termometro a bulbo secco

T_ramo = temperatura superficiale media misurata delle pareti.

Ad esempio, se in un dato ambiente l'aria e le pareti sono a 20°C, la temperatura equivalente sarà di 20°C, e la sensazione di calore percepita sarà la stessa di una stanza dove la temperatura media delle pareti è 15°C e la temperatura dell'aria è 25°C, perché quella stanza avrebbe la stessa temperatura equivalente. Dal punto di vista della temperatura, la sensazione percepita di comfort termico sarebbe la stessa.

Proprietà dell'aria umida

Nella realizzazione di un piano di climatizzazione, tre cose che devono essere prese in considerazione sono lo stato termodinamico dell'aria nell'ambiente dato, dell'aria esterna e dell'aria che verrà immessa nell'ambiente. La scelta di un sistema in grado di trasformare le proprietà termodinamiche dell'aria immessa nell'ambiente sarà poi basata sui carichi termici esistenti di ciascun componente. Abbiamo quindi bisogno di conoscere le proprietà termodinamiche dell'aria umida. Sono i seguenti:

T_DBT = la lettura della temperatura a bulbo secco, misurata con un termometro isolato dal calore irradiato

T_DPT = la lettura della temperatura del punto di rugiada. Questa è la temperatura alla quale l'aria secca non satura raggiunge il punto di saturazione

W = un rapporto di umidità che va da zero per l'aria secca a W_s per aria satura. Si esprime in kg di vapore acqueo per kg di aria secca

RH = umidità relativa

t* = temperatura termodinamica a bulbo umido

v = volume specifico di aria e vapore acqueo (espresso in unità di m³/kg). È l'inverso della densità

H = entalpia, kcal/kg di aria secca e vapore acqueo associato.

Delle suddette variabili, solo tre sono direttamente misurabili. Sono la lettura della temperatura a bulbo secco, la lettura della temperatura del punto di rugiada e l'umidità relativa. Esiste una quarta variabile misurabile sperimentalmente, definita come la temperatura di bulbo umido. La temperatura del bulbo umido viene misurata con un termometro il cui bulbo è stato inumidito e che viene mosso, tipicamente con l'ausilio di un'imbracatura, attraverso aria umida non satura a velocità moderata. Questa variabile differisce di una quantità insignificante dalla temperatura termodinamica a bulbo secco (3 per cento), quindi entrambe possono essere utilizzate per i calcoli senza sbagliare troppo.

Diagramma psicrometrico

Le proprietà definite nella sezione precedente sono funzionalmente correlate e possono essere rappresentate in forma grafica. Questa rappresentazione grafica è chiamata diagramma psicrometrico. È un grafico semplificato derivato dalle tabelle dell'American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers (ASHRAE). L'entalpia e il grado di umidità sono riportati sulle coordinate del diagramma; le linee tracciate mostrano temperature secche e umide, umidità relativa e volume specifico. Con il diagramma psicrometrico, conoscendo due qualsiasi delle suddette variabili è possibile ricavare tutte le proprietà dell'aria umida.

Condizioni per il comfort termico

Il comfort termico è definito come uno stato d'animo che esprime soddisfazione per l'ambiente termico. È influenzato da fattori fisici e fisiologici.

È difficile prescrivere condizioni generali che dovrebbero essere soddisfatte per il comfort termico perché le condizioni differiscono nelle varie situazioni di lavoro; condizioni diverse potrebbero anche essere richieste per lo stesso posto di lavoro quando è occupato da persone diverse. Una norma tecnica per le condizioni termiche necessarie per il comfort non può essere applicata a tutti i paesi a causa delle diverse condizioni climatiche e delle loro diverse usanze che regolano l'abbigliamento.

Sono stati effettuati studi con lavoratori che svolgono lavori manuali leggeri, stabilendo una serie di criteri di temperatura, velocità e umidità che sono riportati nella tabella 1 (Bedford e Chrenko 1974).

Tabella 1. Norme proposte per i fattori ambientali

I fattori di cui sopra sono correlati, richiedendo una temperatura dell'aria più bassa nei casi in cui vi è un'elevata radiazione termica e richiedendo una temperatura dell'aria più elevata quando anche la velocità del flusso d'aria è maggiore.

In generale, le correzioni da effettuare sono le seguenti:

La temperatura dell'aria dovrebbe essere aumentata:

• se la velocità del flusso d'aria è elevata

• per situazioni lavorative sedentarie

• se l'abbigliamento utilizzato è leggero

• quando le persone devono essere acclimatate a temperature interne elevate.

La temperatura dell'aria dovrebbe essere ridotta:

• se il lavoro comporta un lavoro manuale pesante

• quando si usano indumenti caldi.

Per una buona sensazione di comfort termico la situazione più auspicabile è quella in cui la temperatura dell'ambiente è leggermente superiore alla temperatura dell'aria, e dove il flusso di energia termica radiante è uguale in tutte le direzioni e non è eccessivo in alto. L'aumento della temperatura in base all'altezza dovrebbe essere ridotto al minimo, mantenendo i piedi caldi senza creare un eccessivo carico termico sopra la testa. Un fattore importante che incide sulla sensazione di comfort termico è la velocità del flusso d'aria. Esistono diagrammi che riportano le velocità dell'aria consigliate in funzione dell'attività che si sta svolgendo e del tipo di abbigliamento utilizzato (figura 2).

Figura 2. Zone di comfort basate sulle letture delle temperature complessive e della velocità delle correnti d'aria

In alcuni paesi esistono norme per le temperature ambientali minime, ma i valori ottimali non sono ancora stati stabiliti. Tipicamente, il valore massimo per la temperatura dell'aria è di 20°C. Con i recenti miglioramenti tecnici, la complessità della misurazione del comfort termico è aumentata. Sono apparsi molti indici, tra cui l'indice di temperatura effettiva (ET) e l'indice di temperatura effettiva corretta (CET); l'indice di sovraccarico calorico; l'indice di stress da calore (HSI); la temperatura del globo a bulbo umido (WBGT); e l'indice Fanger dei valori mediani (IMV), tra gli altri. L'indice WBGT permette di determinare gli intervalli di riposo richiesti in funzione dell'intensità del lavoro svolto in modo da precludere lo stress termico in condizioni di lavoro. Questo è discusso più ampiamente nel capitolo Caldo e freddo.

Zona di comfort termico in un diagramma psicrometrico

L'intervallo sul diagramma psicrometrico corrispondente alle condizioni in cui un adulto percepisce il comfort termico è stato attentamente studiato ed è stato definito nella norma ASHRAE in base alla temperatura effettiva, definita come la temperatura misurata con un termometro a bulbo secco in una stanza uniforme con 50 percentuale di umidità relativa, dove le persone avrebbero lo stesso scambio di calore per energia radiante, convezione ed evaporazione che avrebbero con il livello di umidità nel dato ambiente locale. La scala della temperatura effettiva è definita da ASHRAE per un livello di abbigliamento di 0.6 clo—clo è un'unità di isolamento; 1 clo corrisponde all'isolamento fornito da un normale set di indumenti, che presuppone un livello di isolamento termico di 0.155 K m²W^-1, dove K è lo scambio di calore per conduzione misurato in Watt per metro quadro (W m^-2) per un movimento d'aria di 0.2 ms^-1 (a riposo), per un'esposizione di un'ora ad una attività sedentaria prescelta di 1 met (unità di tasso metabolico=50 Kcal/m²h). Questa zona di comfort è mostrata nella figura 2 e può essere utilizzata per ambienti termici in cui la temperatura misurata dal calore radiante è approssimativamente uguale alla temperatura misurata da un termometro a bulbo secco e dove la velocità del flusso d'aria è inferiore a 0.2 ms^-1 per persone vestite con abiti leggeri e che svolgono attività sedentarie.

Formula del comfort: il metodo Fanger

Il metodo sviluppato da PO Fanger si basa su una formula che mette in relazione variabili di temperatura ambiente, temperatura media radiante, velocità relativa del flusso d'aria, pressione del vapore acqueo nell'aria ambiente, livello di attività e resistenza termica dell'abbigliamento indossato. Un esempio derivato dalla formula comfort è riportato in tabella 2, utilizzabile nelle applicazioni pratiche per ottenere una temperatura confortevole in funzione dell'abbigliamento indossato, del tasso metabolico dell'attività svolta e della velocità del flusso d'aria.

Tabella 2. Temperature di comfort termico (°C), al 50% di umidità relativa (in base alla formula di PO Fanger)

Sistemi di riscaldamento

La progettazione di qualsiasi sistema di riscaldamento dovrebbe essere direttamente correlata al lavoro da eseguire e alle caratteristiche dell'edificio in cui verrà installato. Difficile trovare, nel caso di edifici industriali, progetti in cui si tenga conto del fabbisogno termico dei lavoratori, spesso perché i processi e le postazioni di lavoro sono ancora da definire. Normalmente i sistemi sono progettati con un range molto libero, considerando solo i carichi termici che esisteranno nell'edificio e la quantità di calore che deve essere fornita per mantenere una data temperatura all'interno dell'edificio, indipendentemente dalla distribuzione del calore, dalla situazione delle postazioni di lavoro e altri fattori altrettanto meno generali. Ciò porta a carenze nella progettazione di alcuni edifici che si traducono in carenze come punti freddi, correnti d'aria, un numero insufficiente di elementi riscaldanti e altri problemi.

Per concludere con un buon sistema di riscaldamento nella progettazione di un edificio, le seguenti sono alcune delle considerazioni che dovrebbero essere affrontate:

• Considerare il corretto posizionamento dell'isolamento per risparmiare energia e ridurre al minimo i gradienti di temperatura all'interno dell'edificio.

• Ridurre il più possibile l'infiltrazione di aria fredda nell'edificio per minimizzare le variazioni di temperatura nelle aree di lavoro.

• Controllare l'inquinamento atmosferico attraverso l'estrazione localizzata dell'aria e la ventilazione per spostamento o diffusione.

• Controllare le emissioni di calore dovute ai processi utilizzati nell'edificio e la loro distribuzione nelle aree occupate dell'edificio.

Quando il riscaldamento è fornito da bruciatori senza camini di scarico, si dovrà prestare particolare attenzione all'inalazione dei prodotti della combustione. Normalmente, quando i materiali combustibili riscaldano olio, gas o coke, producono anidride solforosa, ossidi di azoto, monossido di carbonio e altri prodotti di combustione. Esistono limiti di esposizione umana per questi composti e dovrebbero essere controllati, specialmente in spazi chiusi dove la concentrazione di questi gas può aumentare rapidamente e l'efficienza della reazione di combustione può diminuire.

La progettazione di un impianto di riscaldamento comporta sempre il bilanciamento di diverse considerazioni, come il basso costo iniziale, la flessibilità del servizio, l'efficienza energetica e l'applicabilità. Pertanto, l'uso dell'elettricità durante le ore non di punta, quando potrebbe essere più economico, ad esempio, potrebbe rendere i riscaldatori elettrici convenienti. Un'altra opzione è l'utilizzo di sistemi chimici per l'accumulo di calore che possono poi essere utilizzati durante i picchi di domanda (utilizzando solfuro di sodio, ad esempio). È anche possibile studiare il posizionamento di più sistemi diversi insieme, facendoli funzionare in modo tale da poterne ottimizzare i costi.

Particolarmente interessante è l'installazione di riscaldatori in grado di utilizzare gas o olio combustibile. L'uso diretto dell'elettricità significa consumare energia di prima classe che può rivelarsi costosa in molti casi, ma che può consentire la flessibilità necessaria in determinate circostanze. Le pompe di calore e gli altri sistemi di cogenerazione che sfruttano il calore residuo possono permettersi soluzioni che possono essere molto vantaggiose dal punto di vista economico. Il problema di questi sistemi è il loro alto costo iniziale.

Oggi la tendenza degli impianti di riscaldamento e condizionamento è quella di puntare al funzionamento ottimale e al risparmio energetico. I nuovi sistemi prevedono quindi sensori e comandi distribuiti negli ambienti da riscaldare, ottenendo un apporto di calore solo nei tempi necessari per ottenere il comfort termico. Questi sistemi possono far risparmiare fino al 30% dei costi energetici del riscaldamento. La figura 3 mostra alcuni dei sistemi di riscaldamento disponibili, indicandone le caratteristiche positive e gli svantaggi.

Figura 3. Caratteristiche dei sistemi di riscaldamento più diffusi nei cantieri

Impianti di climatizzazione

L'esperienza mostra che gli ambienti industriali che sono vicini alla zona di comfort durante i mesi estivi aumentano la produttività, tendono a registrare meno infortuni, hanno un minore assenteismo e, in generale, contribuiscono a migliorare le relazioni umane. Nel caso di esercizi commerciali, ospedali ed edifici di grandi superfici, la climatizzazione necessita solitamente di essere orientata per poter fornire il comfort termico quando le condizioni esterne lo richiedono.

In alcuni ambienti industriali in cui le condizioni esterne sono molto severe, l'obiettivo dei sistemi di riscaldamento è orientato più a fornire calore sufficiente per prevenire possibili effetti negativi sulla salute che a fornire calore sufficiente per un ambiente termico confortevole. Fattori che vanno attentamente monitorati sono la manutenzione e il corretto utilizzo degli impianti di climatizzazione, soprattutto se dotati di umidificatori, perché possono diventare fonti di contaminazione microbica con i rischi che questi contaminanti possono comportare per la salute umana.

Oggi i sistemi di ventilazione e climatizzazione tendono a coprire, congiuntamente e spesso utilizzando lo stesso impianto, le esigenze di riscaldamento, refrigerazione e condizionamento dell'aria di un edificio. Classificazioni multiple possono essere utilizzate per i sistemi di refrigerazione.

A seconda della configurazione del sistema possono essere classificati nel modo seguente:

• Unità ermetiche, con fluido refrigerante installato in fabbrica, apribili e ricaricabili in officina. Si tratta di unità di condizionamento normalmente utilizzate in uffici, abitazioni e simili.

• Unità semiermetiche di medie dimensioni, fabbricate in fabbrica, che sono di dimensioni maggiori rispetto alle unità domestiche e che possono essere riparate attraverso aperture progettate a tale scopo.

• Sistemi segmentati per magazzini e grandi superfici, costituiti da parti e componenti nettamente differenziati e fisicamente separati (il compressore e il condensatore sono fisicamente separati dall'evaporatore e dalla valvola di espansione). Sono utilizzati per grandi edifici per uffici, hotel, ospedali, grandi fabbriche ed edifici industriali.

A seconda della copertura che forniscono, possono essere classificati nel modo seguente:

• Impianti per una sola zona: un'unità di trattamento aria serve più ambienti dello stesso edificio e contemporaneamente. Gli ambienti serviti hanno esigenze di riscaldamento, refrigerazione e ventilazione simili e sono regolati da un comando comune (termostato o dispositivo simile). Impianti di questo tipo possono finire per non essere in grado di fornire un adeguato livello di comfort ad ogni ambiente se il progetto progettuale non tiene conto dei diversi carichi termici tra ambienti della stessa zona. Questo può accadere quando c'è un aumento dell'occupazione di una stanza o quando vengono aggiunte luci o altre fonti di calore, come computer o fotocopiatrici, che non erano previste durante la progettazione originale del sistema. Il disagio può verificarsi anche a causa dei cambiamenti stagionali nella quantità di radiazione solare ricevuta da una stanza, o anche a causa dei cambiamenti da una stanza all'altra durante il giorno.

• Impianti per più zone: impianti di questo tipo possono fornire a zone diverse aria a temperature e umidità diverse riscaldando, raffreddando, umidificando o deumidificando l'aria in ogni zona e variando il flusso d'aria. Questi sistemi, pur avendo generalmente un'unità di raffreddamento ad aria comune e centralizzata (compressore, evaporatore, ecc.), sono dotati di una varietà di elementi, come dispositivi di controllo del flusso d'aria, batterie di riscaldamento e umidificatori. Questi sistemi sono in grado di regolare le condizioni di un locale in base a specifici carichi termici, che rilevano tramite sensori distribuiti nei locali in tutta l'area che servono.

• A seconda del flusso d'aria che questi sistemi immettono nell'edificio, vengono classificati nel modo seguente:

• Volume costante (CV): questi sistemi pompano un flusso d'aria costante in ogni stanza. Le variazioni di temperatura vengono effettuate riscaldando o raffreddando l'aria. Questi sistemi miscelano frequentemente una percentuale di aria esterna con aria interna riciclata.

• A volume variabile (VAV): questi sistemi mantengono il comfort termico variando la quantità di aria riscaldata o raffreddata fornita a ciascun ambiente. Pur funzionando principalmente in base a questo principio di miscelazione, possono essere abbinati anche a sistemi che modificano la temperatura dell'aria che immettono nell'ambiente.

I problemi che più frequentemente affliggono queste tipologie di impianti sono l'eccessivo riscaldamento o raffrescamento se l'impianto non è adeguato a rispondere alle variazioni dei carichi termici, oppure la mancanza di ventilazione se l'impianto non immette una minima quantità di aria esterna per rinnovare la circolazione aria interna. Questo crea ambienti interni viziati in cui la qualità dell'aria si deteriora.

Gli elementi base di tutti i sistemi di climatizzazione sono (vedi anche figura 4):

• Unità per trattenere la materia solida, generalmente filtri a maniche o precipitatori elettrostatici.

• Unità di riscaldamento o raffrescamento ad aria: in queste unità il calore viene scambiato per scambio termico con acqua fredda o liquidi refrigeranti, per ventilazione forzata in estate e per riscaldamento con serpentine elettriche o per combustione in inverno.

• Unità per il controllo dell'umidità: in inverno è possibile aggiungere umidità per immissione diretta di vapore acqueo o per evaporazione diretta dell'acqua; in estate può essere rimossa da serpentine frigorifere che condensano l'umidità in eccesso nell'aria, oppure da un sistema ad acqua refrigerata in cui l'aria umida scorre attraverso una cortina di gocce d'acqua più fredda del punto di rugiada dell'aria umida.

Figura 4. Schema semplificato del sistema di climatizzazione

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La ionizzazione è una delle tecniche utilizzate per eliminare il particolato dall'aria. Gli ioni agiscono come nuclei di condensazione per piccole particelle che, aderendo tra loro, crescono e precipitano.

La concentrazione di ioni negli ambienti interni chiusi è, in linea generale e in assenza di ulteriori fonti di ioni, inferiore a quella degli ambienti aperti. Da qui la convinzione che l'aumento della concentrazione di ioni negativi nell'aria interna migliori la qualità dell'aria.

Alcuni studi basati su dati epidemiologici e su ricerche sperimentali pianificate affermano che l'aumento della concentrazione di ioni negativi negli ambienti di lavoro porta a una migliore efficienza dei lavoratori e migliora l'umore dei dipendenti, mentre gli ioni positivi hanno un effetto negativo. Tuttavia, studi paralleli mostrano che i dati esistenti sugli effetti della ionizzazione negativa sulla produttività dei lavoratori sono incoerenti e contraddittori. Pertanto, sembra che non sia ancora possibile affermare inequivocabilmente che la generazione di ioni negativi sia realmente benefica.

Ionizzazione naturale

Le singole molecole di gas nell'atmosfera possono ionizzarsi negativamente acquistando o positivamente perdendo un elettrone. Affinché ciò avvenga, una data molecola deve prima guadagnare abbastanza energia, solitamente chiamata energia ionizzata di quella particolare molecola. Esistono in natura molte fonti di energia, sia di origine cosmica che terrestre, in grado di produrre questo fenomeno: radiazione di fondo nell'atmosfera; onde elettromagnetiche solari (soprattutto ultraviolette), raggi cosmici, atomizzazione di liquidi come gli spruzzi provocati dalle cascate, movimento di grandi masse d'aria sulla superficie terrestre, fenomeni elettrici come fulmini e tempeste, processo di combustione e sostanze radioattive .

Le configurazioni elettriche degli ioni che si formano in questo modo, pur non essendo ancora del tutto note, sembrano includere gli ioni di carbonatazione e H₊, H₃O₊, O₊, N₊, OH^-, H₂O^- E O₂^-. Queste molecole ionizzate possono aggregarsi per adsorbimento su particelle sospese (nebbia, silice e altri contaminanti). Gli ioni sono classificati in base alla loro dimensione e alla loro mobilità. Quest'ultima è definita come una velocità in un campo elettrico espressa come unità come centimetri al secondo per tensione per centimetro (cm/s/V/cm), o, più compattamente,

Gli ioni atmosferici tendono a scomparire per ricombinazione. La loro emivita dipende dalle loro dimensioni ed è inversamente proporzionale alla loro mobilità. Gli ioni negativi sono statisticamente più piccoli e la loro emivita è di alcuni minuti, mentre gli ioni positivi sono più grandi e la loro emivita è di circa mezz'ora. Il carica spaziale è il quoziente della concentrazione di ioni positivi e la concentrazione di ioni negativi. Il valore di questa relazione è maggiore di uno e dipende da fattori quali il clima, la località e la stagione dell'anno. Negli spazi abitativi questo coefficiente può assumere valori inferiori a uno. Le caratteristiche sono riportate nella tabella 1.

Tabella 1. Caratteristiche degli ioni di data mobilità e diametro

Ionizzazione artificiale

L'attività umana modifica la ionizzazione naturale dell'aria. La ionizzazione artificiale può essere causata da processi e incendi industriali e nucleari. Il particolato sospeso in aria favorisce la formazione di ioni Langevin (ioni aggregati sul particolato). I radiatori elettrici aumentano notevolmente la concentrazione di ioni positivi. I condizionatori d'aria aumentano anche la carica spaziale dell'aria interna.

I luoghi di lavoro dispongono di macchinari che producono contemporaneamente ioni positivi e negativi, come nel caso di macchine che sono importanti fonti locali di energia meccanica (presse, macchine per filatura e tessitura), energia elettrica (motori, stampanti elettroniche, fotocopiatrici, linee e impianti ad alta tensione ), energia elettromagnetica (schermi a raggi catodici, televisori, monitor di computer) o energia radioattiva (terapia con cobalto-42). Questi tipi di apparecchiature creano ambienti con concentrazioni più elevate di ioni positivi a causa della maggiore emivita di quest'ultimo rispetto agli ioni negativi.

Concentrazioni ambientali di ioni

Le concentrazioni di ioni variano a seconda delle condizioni ambientali e meteorologiche. Nelle zone poco inquinate, come boschi e montagne, oa grandi altitudini, cresce la concentrazione di piccoli ioni; nelle aree vicine a sorgenti radioattive, cascate o rapide fluviali le concentrazioni possono raggiungere migliaia di piccoli ioni per centimetro cubo. In prossimità del mare e quando i livelli di umidità sono elevati, invece, c'è un eccesso di ioni grossi. In generale, la concentrazione media di ioni negativi e positivi nell'aria pulita è rispettivamente di 500 e 600 ioni per centimetro cubo.

Alcuni venti possono trasportare grandi concentrazioni di ioni positivi: il Föhn in Svizzera, il Santa Ana negli Stati Uniti, lo Scirocco in Nord Africa, il Chinook nelle Montagne Rocciose e lo Sharav in Medio Oriente.

Nei luoghi di lavoro in cui non sono presenti fattori ionizzanti significativi si verifica spesso un accumulo di ioni di grandi dimensioni. Ciò è particolarmente vero, ad esempio, nei luoghi ermeticamente chiusi e nelle miniere. La concentrazione di ioni negativi diminuisce sensibilmente negli ambienti interni e nelle zone contaminate o polverose. Sono molte le ragioni per cui la concentrazione di ioni negativi diminuisce anche negli ambienti interni dotati di impianti di climatizzazione. Uno dei motivi è che gli ioni negativi rimangono intrappolati nei condotti dell'aria e nei filtri dell'aria o sono attratti da superfici caricate positivamente. Schermi a raggi catodici e monitor di computer, ad esempio, sono caricati positivamente, creando nelle loro immediate vicinanze un microclima carente di ioni negativi. Anche i sistemi di filtrazione dell'aria progettati per le “camere bianche” che richiedono livelli minimi di contaminazione da particolato sembrano eliminare gli ioni negativi.

Al contrario, un eccesso di umidità condensa gli ioni, mentre una sua mancanza crea ambienti secchi con grandi quantità di cariche elettrostatiche. Queste cariche elettrostatiche si accumulano nelle fibre plastiche e sintetiche, sia nell'ambiente che sulle persone.

Generatori di ioni

I generatori ionizzano l'aria fornendo una grande quantità di energia. Questa energia può provenire da una sorgente di radiazione alfa (come il trizio) o da una sorgente di elettricità mediante l'applicazione di un'alta tensione a un elettrodo appuntito. Le sorgenti radioattive sono vietate nella maggior parte dei paesi a causa dei problemi secondari della radioattività.

I generatori elettrici sono costituiti da un elettrodo appuntito circondato da una corona; l'elettrodo è alimentato con una tensione negativa di migliaia di volt e la corona è collegata a terra. Gli ioni negativi vengono espulsi mentre gli ioni positivi sono attratti dal generatore. La quantità di ioni negativi generati aumenta in proporzione alla tensione applicata e al numero di elettrodi che contiene. I generatori che hanno un numero maggiore di elettrodi e utilizzano una tensione inferiore sono più sicuri, perché quando la tensione supera gli 8,000-10,000 volt il generatore produrrà non solo ioni, ma anche ozono e alcuni protossido di azoto. La diffusione degli ioni è ottenuta per repulsione elettrostatica.

La migrazione degli ioni dipenderà dall'allineamento del campo magnetico generato tra il punto di emissione e gli oggetti che lo circondano. La concentrazione di ioni che circondano i generatori non è omogenea e diminuisce notevolmente all'aumentare della distanza da essi. I ventilatori installati in questa apparecchiatura aumenteranno la zona di dispersione ionica. È importante ricordare che gli elementi attivi dei generatori devono essere puliti periodicamente per garantire il corretto funzionamento.

I generatori possono anche essere basati sull'atomizzazione dell'acqua, sugli effetti termoelettrici o sui raggi ultravioletti. Ci sono molti diversi tipi e dimensioni di generatori. Possono essere installati su soffitti e pareti o possono essere posizionati ovunque se sono di tipo piccolo e portatile.

Misurare gli ioni

I dispositivi di misurazione degli ioni sono realizzati posizionando due piastre conduttive a 0.75 cm di distanza e applicando una tensione variabile. Gli ioni raccolti vengono misurati da un picoamperemetro e viene registrata l'intensità della corrente. Le tensioni variabili consentono la misurazione delle concentrazioni di ioni con diverse mobilità. La concentrazione di ioni (N) è calcolato dall'intensità della corrente elettrica generata utilizzando la seguente formula:

where I è la corrente in ampere, V è la velocità del flusso d'aria, q è la carica di uno ione univalente (1.6x10^-19) in Coulomb e A è l'area effettiva delle piastre del collettore. Si presume che tutti gli ioni abbiano una singola carica e che siano tutti trattenuti nel collettore. Va tenuto presente che questo metodo ha i suoi limiti dovuti alla corrente di fondo e all'influenza di altri fattori quali umidità e campi di elettricità statica.

Gli effetti degli ioni sul corpo

I piccoli ioni negativi sono quelli che dovrebbero avere il maggiore effetto biologico a causa della loro maggiore mobilità. Alte concentrazioni di ioni negativi possono uccidere o bloccare la crescita di patogeni microscopici, ma non sono stati descritti effetti avversi sull'uomo.

Alcuni studi suggeriscono che l'esposizione ad alte concentrazioni di ioni negativi produce cambiamenti biochimici e fisiologici in alcune persone che hanno un effetto rilassante, riducono la tensione e il mal di testa, migliorano la vigilanza e riducono i tempi di reazione. Questi effetti potrebbero essere dovuti alla soppressione dell'ormone neurale serotonina (5-HT) e dell'istamina in ambienti carichi di ioni negativi; questi fattori potrebbero influenzare un segmento ipersensibile della popolazione. Tuttavia, altri studi giungono a conclusioni diverse sugli effetti degli ioni negativi sul corpo. Pertanto, i vantaggi della ionizzazione negativa sono ancora aperti al dibattito e sono necessari ulteriori studi prima che la questione venga decisa.

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