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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