Rischi da contaminazione aerotrasportata; i diversi sistemi di diffusione aria – Parte II

Nell’uscita di Marzo di On Air, la prima parte di questo articolo, ha introdotto il ruolo dei sistemi di diffusione dell’aria nella rimozione dei contaminanti aerotrasportati dagli ambienti interni.

In questo ambito sono stati effettuati molti studi, molte ricerche e sono stati scritti parecchi trattati che basano i loro risultati anche su simulazioni in laboratorio, come quella menzionata nello scorso numero di On Air, il cui scopo è quello di mostrare e quantificare l’effetto di tre diversi sistemi di diffusione dell’aria sul rischio di contaminazione dovuto alla presenza di un soggetto infetto.

Per rendere più comprensibili però i risultati di questa simulazione, è meglio innanzitutto approfondire i principi di funzionamento di ciascuno dei tre sistemi analizzati per la diffusione dell’aria negli ambienti: a miscelazione dall’alto, a dislocamento dal basso e a bassa velocità dall’alto mediante canali tessili.

Oltre a ciò è anche fondamentale chiarire il comportamento di aerosol e particolato in ambienti chiusi privi di qualsiasi sistema di ventilazione forzata, per apprezzare maggiormente il ruolo fondamentale degli impianti.

Proprio relativamente a questo ultimo punto, è interessante riportare i dati presentati da Paul Baron & Klaus Willeke, in “Aerosol measurement – principles, techniques and applications”, riferiti al tempo ed alla velocità di deposizione al suolo delle particelle aventi diverse dimensioni in un ambiente chiuso, di altezza pari a 3 metri e in assenza di ventilazione.

Diametro equivalente

[µm]
Velocità di deposizione

[cm/h]
Tempo di deposizione
0,01 0,03 > 1 anno
0,1 0,31 ≈ 40 giorni
1 12,5 ≈ 1 giorno
10 1100 (11 m/h) ≈ 16 minuti
100 94000 (15 m/min) ≈ 12 secondi

Risulta evidente che le particelle più grandi, grazie alla loro massa, sono più soggette alla forza gravitazionale e cadono a terra o sulle superfici in tempi brevi. Quelle più piccole, come virus, batteri o le particelle alle quali si attaccano, restano sospese e, in presenza di seppur minimi movimenti dell’aria, possono viaggiare ovunque; all’interno di ambienti di grandi dimensioni, queste particelle possono facilmente arrivare anche a grande distanza dal punto di immissione.

Il ruolo fondamentale dei sistemi di diffusione dell’aria, è quindi quello di evitare che aerosol e particolato viaggino liberi all’interno degli ambienti, convogliandoli invece efficacemente verso i sistemi di ripresa e espulsione dell’aria, per ridurre l’eventuale concentrazione di contaminanti in ambiente.

  • Diffusione dell’aria ad alta induzione

Questo metodo rientra nel gruppo della diffusione dell’aria a miscelazione che, attualmente, rappresenta la scelta sicuramente più utilizzata nel campo degli impianti di ventilazione, condizionamento e riscaldamento per applicazioni civili.

Ognuno dei terminali funzionanti in base a questo principio, al di là delle proprie caratteristiche costruttive ed applicative, potrebbe essere anche classificato in base ad un parametro fondamentale, in grado di misurarne le prestazioni. Questo parametro è il cosiddetto “Rapporto di induzione”, espresso con un numero adimensionale, d’ora in avanti abbreviato in Ri per semplicità.

Nella realtà, però, non tutti i terminali vengono presentati fornendo anche il loro valore di Ri; questo parametro, infatti, viene generalmente utilizzato solo per i sistemi di diffusione ad alta induzione, contraddistinti cioè da un elevato Ri.

Cosa rappresenta, ai fini pratici, questo parametro?

La definizione più semplice è quella che lo identifica come il volume complessivo di aria ambiente che viene trascinata e movimentata dalla portata d’aria in uscita da un diffusore, ad una certa distanza dal diffusore stesso. Questa sintetica definizione si può anche scrivere come

dove Qa e Qi rappresentano rispettivamente la portata di aria ambiente Qa messa in movimento dalla portata di aria immessa Qi, ad una determinata distanza x dal diffusore.

Ciò che caratterizza generalmente un terminale ad alta induzione, è la relativamente elevata velocità effettiva dell’aria (Vk) in uscita dal terminale stesso, alla quale si contrappone però una bassa velocità residua (Vr) in ambiente, per garantire elevati livelli di comfort termoigrometrico.

Come si ottiene questo fenomeno e con che tipologie di diffusori?

In funzione della loro geometria, i terminali possono immettere in ambiente vene d’aria di forma piana o radiale che, soprattutto se immesse a filo del soffitto, presentano una limitata superficie in grado di venire a contatto e miscelarsi con l’aria ambiente. Questo effetto aumenta il lancio o il raggio d’azione del diffusore, fenomeno fondamentale qualora sia necessario coprire locali di ampia superficie con un numero ridotto di terminali, ma riduce la capacità del diffusore di miscelare uniformemente e rapidamente l’aria ambiente con l’aria immessa.

Altri diffusori, invece, immettono un flusso d’aria tridimensionale caratterizzato da vene d’aria vorticose o coniche le quali, offrendo una maggiore superficie di scambio energetico tra l’aria immessa e l’aria ambiente, sono in grado di ottenere un elevatissimo livello di miscelazione dell’aria, già a breve distanza dal diffusore.

Come si misura Ri?

Essendo complicato misurare la portata d’aria ambiente trascinata da una certa portata d’aria di immissione, il rapporto di induzione si può calcolare in modo più semplice, come rapporto di temperature:dove:

  • Tx è la temperatura di miscela a distanza x dal diffusore
  • Ti è la temperatura dell’aria immessa
  • Ta è la temperatura media dell’aria in ambiente

Chiaramente, esprimere Ri in questo modo, è molto più utile e interessante rispetto ad un rapporto di portate. Poiché sia Ti che Ta sono parametri di progetto, è possibile selezionare il diffusore che meglio si adatta per ogni singolo progetto e, mediante il suo Ri, calcolare la temperatura dell’aria di miscela ad una data distanza.

In termini pratici, quali sono i vantaggi che offre un terminale con un elevato Ri?

L’elevata capacità di miscelazione dell’aria così immessa, garantisce una rapida ed elevata uniformità di temperatura e umidità nell’intero ambiente. Questa elevato livello prestazionale si ripercuote positivamente anche sulla capacità di rimozione dei contaminanti dagli ambienti.

Un ulteriore vantaggio è la possibilità di utilizzare aria a bassa temperatura, senza causare cadute di aria fredda o correnti all’interno del volume occupato.

Laddove possibile, è meglio utilizzare più diffusori di piccola taglia uniformemente distribuiti, piuttosto che pochi diffusori di grandi dimensioni e alta portata.

  • Diffusione dell’aria a dislocamento

Per ricadere in questa definizione, la diffusione dell’aria deve provenire dall’interno del volume occupato, in prossimità del pavimento e a velocità molto bassa per evitare o, perlomeno, ridurre al minimo ogni fenomeno induttivo. La temperatura dell’aria dovrà inoltre essere inferiore rispetto alla temperatura media della zona occupata e, i terminali di ripresa dell’aria, devono essere posti nella parte superiore dell’ambiente.

I terminali a dislocamento possono avere diverse forme, sono generalmente installati a ridosso delle pareti o intorno a delle colonne, negli ambienti di maggiori dimensioni quali, per esempio, terminal aeroportuali.

L’aria in uscita da questi dispositivi, avendo una temperatura inferiore e una densità superiore rispetto all’aria ambiente, scorre lungo il pavimento fino a quando incontra delle superfici calde, quali persone, computer o altri dispositivi e le avvolge, asportandone il calore per convezione. Questo fenomeno crea dei pennacchi convettivi di aria calda che salgono verso la parte alta dell’ambiente.

Questo fenomeno genera all’interno degli ambienti una zona inferiore di aria fresca e pulita e una zona superiore a temperatura maggiore, con una più elevata presenza di contaminanti.

Questo tipo di diffusione dell’aria presenta diversi vantaggi, ma anche dei notevoli limiti che ne hanno spesso ostacolato l’utilizzo.

Tra i vantaggi si possono assolutamente annoverare una buona capacità di rimozione dei contaminanti normalmente presenti negli ambienti civili, la silenziosità dei terminali grazie alla bassa velocità di uscita dell’aria e l’utilizzo energeticamente conveniente anche in ambienti con alti soffitti in quanto, proprio grazie alle modalità di funzionamento di questo sistema, è possibile decidere in fase di progetto quale deve essere l’altezza dal suolo del volume da trattare, evitando così di condizionare inutilmente l’intero volume, come invece accadrebbe nel caso di miscelazione dall’alto.

Tra i limiti di questo sistema, c’è principalmente la necessità di utilizzare un sistema separato per il riscaldamento (per esempio un impianto radiante). Nel normale funzionamento in ventilazione e condizionamento si creano comunque dei gradienti termici abbastanza elevati, dell’ordine dei 2-3°C per ogni metro di distanza dal suolo; per motivi di comfort si devono utilizzare dei limitati differenziali di temperatura per cui, il massimo carico termico smaltibile presenta dei limiti. Non da ultimo, l’ingombro dei terminali posti a pavimento e la loro zona di prossimità, all’interno della quale non è possibile far stanziare stabilmente delle persone per evitare che vengano direttamente investite dal “tappeto” di aria in uscita dai diffusori, riducono la superficie netta utilizzabile all’interno degli ambienti.

  • Diffusione dell’aria dall’alto a bassa velocità

Per questa tipologia di diffusione dell’aria è fondamentale, innanzitutto, separare nettamente due campi di applicazione: il primo è quello della diffusione dell’aria unidirezionale, abbinata ad un sistema di filtrazione avente classe EPA, HEPA o ULPA, tipicamente per ambienti critici a contaminazione controllata; il secondo, invece, è per applicazioni che spaziano dall’industriale al civile ed è ottenuto utilizzando dei canali in tessuto permeabile all’aria.

Il primo di questi metodi sarà oggetto di futuri dettagliati approfondimenti per cui, per ora, diamo un breve cenno solo al secondo sistema.

Il settore dei canali tessili si è sviluppato nel corso degli anni, arrivando a fornire svariate tipologie e opzioni, per utilizzare questi sistemi in diverse applicazioni sia in raffrescamento e ventilazione che in riscaldamento (canali perforati, con ugelli, con feritoie, ecc). Poiché questi ultimi sistemi, per riuscire ad immettere aria calda all’interno dell’ambiente devono fornirle sufficiente velocità, il principio di funzionamento è quello a miscelazione. Per cui, escludendo queste versioni, l’unico utilizzato a bassa velocità dall’alto è quello che immette aria fresca attraverso la trama del tessuto stesso.

Anche in questo caso, esistono vantaggi e limiti. Escludendo applicazioni tipicamente industriali e limitando questa breve trattazione alle sole applicazioni di comfort, i principali vantaggi di questi sistemi sono:

  • Limitati costi di installazione: questa soluzione accorpa le funzioni di distribuzione dell’aria come un normale canale e di diffusione dell’aria stessa, senza la necessità di installare ulteriori diffusori. Grazie alla leggerezza del materiale, inoltre, anche le operazioni di posa risultano più agevoli
  • Assenza di condensa: poiché l’intera superficie è attraversata dal flusso d’aria, non esiste il rischio di formazione di condensa sul canale
  • Funzionamento silenzioso: grazie alla bassissima velocità dell’aria, il rumore generato è assolutamente trascurabile
  • Gradevole aspetto estetico: l’ampia gamma di colori e la possibilità di avere canali a sezione semicircolare, particolarmente utili nel caso di ambienti con limitate altezze, consentono l’uso di questa soluzione in svariati contesti

Dal punto di vista fluidodinamico, questa soluzione si comporta come un sistema a dislocamento ma con immissione dell’aria dall’alto. L’aria immessa in ambiente, a temperatura inferiore rispetto alla temperatura media del locale, scende lentamente verso il basso con velocità generalmente comprese tra 0,1 e 0,2 m/s. Arrivata in basso, l’aria scorre lungo il pavimento fino ad incontrare delle sorgenti di calore, come per esempio le persone, le lambisce asportando calore e formando dei pennacchi convettivi verso l’alto, fino ad arrivare alle griglie di ripresa dell’aria.

Ma come si comportano questi tre sistemi, così diversi tra loro, per quanto riguarda la propagazione o la rimozione dei contaminanti all’interno degli ambienti?

I dati che verranno presentati nella prossima uscita, potranno sicuramente dare ottimi spunti ed indicazioni su questo argomento.

 

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