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

Nella seconda parte di questo speciale, dedicato al ruolo dei sistemi di diffusione dell’aria nella riduzione dei rischi di contaminazione aerotrasportata, abbiamo fatto una breve disamina tecnica dei principi di funzionamento di tre diversi sistemi per la diffusione dell’aria. Gli argomenti illustrati sono propedeutici al tema di questa terza parte dell’articolo: la descrizione di una simulazione in laboratorio, svolta in collaborazione tra le università di Cordoba e di Aalborg, per confrontare i risultati dei tre metodi di diffusione dell’aria precedentemente illustrati, nei confronti del rischio di contaminazione da persona a persona in ambienti chiusi.

La simulazione si è svolta in scala 1:1 in una stanza di prova di dimensioni 4,10 m x 3,20 m di altezza 2,70 m. I sistemi di diffusione aria oggetto di test sono stati i seguenti:

  • Ventilazione naturale (VN)
  • Miscelazione, o mixing ventilation (MV), con un diffusore a 4 vie (DM)
  • Dislocamento, o displacement ventilation (DV), con un dislocatore a sezione semicircolare (DD)
  • Ventilazione a basso impulso dall’alto che genera un flusso verso il basso (DWF) e aree con risalita di aria (UWF), con due canali tessili in materiale permeabile (CT).

Per brevità, nel seguito del testo i vari sistemi di diffusione saranno indicati con i loro acronimi.

Per quanto riguarda i terminali di estrazione dell’aria dall’ambiente, per MV e DV vengono utilizzate due griglie da 300 mm x 100 mm montate sulla parte alta della parete sulla quale è installato anche il dislocatore; per CT, invece, l’estrazione è sulla parte alta della parete opposta ai diffusori stessi, ed è costituita da un’apertura circolare da 120 mm di diametro.


Figura 1 – Posizione dei sistemi di diffusione aria nella stanza di prova

I manichini utilizzati per simulare le persone sono alti 1.68 metri con una superficie totale, senza indumenti, di 1.40 m2. I loro lineamenti rispecchiano in toto le fattezze umane (in questo caso rappresentano una figura femminile), per simulare accuratamente i pennacchi convettivi generati verso l’alto.

Ciascun manichino è dotato di polmoni artificiali, in grado di simulare il normale atto respiratorio umano. L’aria emessa è a 34 °C con una tolleranza di +/- 0,5 °C. Il manichino che simula il soggetto infetto rilascia come tracciante dalla bocca, durante la fase di espirazione, protossido di azoto.

Un’ulteriore sorgente di calore all’interno della stanza è un radiatore, che genera un carico di 300 W.

Il manichino che rilascia il tracciante, ha lo scopo di mostrare come cambi il percorso dell’aerosol emesso da una persona mentre respira, in funzione dei diversi sistemi di diffusione dell’aria. Ogni diversa metodologia di diffusione, infatti, produce una diversa distribuzione dell’aria in ambiente, differenti distribuzioni di temperatura e, conseguentemente, diverse differenze di temperatura tra l’aria ambiente e l’aria esalata dalle persone. Queste differenze possono sensibilmente modificare la traiettoria, la distanza e la direzione dell’aerosol emesso da una persona in un ambiente chiuso.

Nella prima fase di questa sperimentazione viene studiato il flusso d’aria esalato dal singolo manichino, considerandolo come un getto non-isotermo; per visualizzarne le velocità e le concentrazioni, vengono posizionate cinque sonde anemometriche e cinque sonde di concentrazione lungo la principale linea di flusso generata dall’atto respiratorio del manichino. Poiché l’andamento dell’aria espulsa dalla bocca del manichino dipende dal tipo di diffusione dell’aria in ambiente, per ogni configurazione è stata definita la specifica posizione delle cinque coppie di sonde, così come indicato nella tabella sottostante:

Tabella 1 – profilo fluidodinamico dell’aria espirata

MISCELAZIONE (MV)
Distanza orizzontale [m] 0.04 0.085 0.145 0.23 0.315
Altezza [m] 1.52 1.528 1.55 1.57 1.61
DISLOCAMENTO (DV)
Distanza orizzontale [m] 0.04 0.14 0.34 0.54 0.74
Altezza [m] 1.52 1.525 1.535 1.545 1.575
FLUSSO VERTICALE DALL’ALTO (DWF)
Distanza orizzontale [m] 0.04 0.16 0.27 0.40 0.65
Altezza [m] 1.525 1.545 1.56 1.575 1.60
FLUSSO VERTICALE IN RISALITA (UWF)
Distanza orizzontale [m] 0.01 0.095 0.23 0.44 0.65
Altezza [m] 1.52 1.53 1.537 1.565 1.585

Ciò che si osserva da questi numeri, è la differente distanza in orizzontale percorsa dall’aria espirata nei diversi casi e la naturale tendenza alla risalita, dovuta alla minore densità rispetto all’aria ambiente. Andando a creare un modello di moto che tenga in considerazione diversi altri parametri tra cui differenza di temperatura tra aria esalata e aria ambiente, velocità del flusso, sezione di apertura della bocca e differenza di densità dell’aria, si vede che la maggiore o minore distanza percorsa dal flusso d’aria in uscita dal manichino dipende fortemente dalla differenza di temperatura con l’aria ambiente (prendendo come distanza di riferimento la media delle temperature del getto, a 1.30 e 1.70 m da terra e a 0,40 m dal manichino).

In questo caso, per temperatura ambiente non si intende il valor medio misurato all’interno del volume occupato della stanza, ma ci si riferisce al valore di temperatura dell’aria ambiente all’interno del volume attraversato dall’aria emessa dal manichino durante la respirazione.

Questi valori ovviamente differiscono tra i vari casi analizzati in quanto, dislocamento e immissione dell’aria dall’alto a bassa velocità, presentano dei gradienti di temperatura maggiori rispetto al caso della miscelazione.

Minore è questa differenza di temperatura, maggiore è la distanza orizzontale percorsa dal flusso d’aria in quanto, una minore differenza di temperatura, causa un più accentuato fenomeno di galleggiamento.

Il decadimento di velocità e di concentrazione dell’aerosol espirato, seguono lo stesso andamento rilevato per la sua distanza percorsa in orizzontale.

Considerando la presenza anche di un secondo manichino, che simuli la presenza di un soggetto sano e potenzialmente a rischio di essere infettato, l’ulteriore elemento di variabilità è la posizione relativa dei due manichini.

La seconda parte della simulazione prevede l’utilizzo di due manichini, ciascuno dei quali genera 94 W per simulare l’attività metabolica di una persona; la respirazione avviene dal naso e l’espirazione dalla bocca.

La concentrazione di tracciante rilasciato dal manichino sorgente (S) viene misurata in tre diversi punti dell’altro manichino: all’altezza del petto, del naso e 10 centimetri al di sopra della sua testa.

Vengono considerate quattro diverse configurazioni:

  1. Uno di fronte all’altro a distanza di 35, 50, 80 e 110 centimetri l’uno dall’altro
  2. Manichino sorgente posto di fianco all’altro, alle stesse distanze
  3. Il manichino sorgente è posto alle spalle dell’altro, alle stesse distanze
  4. Il manichino sorgente è seduto e l’altro è di fronte a lui, in piedi, a 70 e 110 centimetri di distanza

Il livello di esposizione al tracciante è infine espresso con un valore adimensionale, rapporto tra la concentrazione misurata sul manichino target e il valor medio rilevato in espulsione dalla stanza.

Queste simulazioni hanno prodotto una notevole mole di dati; di seguito si riporta solo una sintesi di ciò che è emerso per i vari sistemi di diffusione dell’aria.

Diffusione a dislocamento

Il primo dato che balza all’occhio analizzando i dati misurati, è la concentrazione di contaminante praticamente pari a zero all’altezza del petto del manichino target, anche nel caso dei due manichini posti l’uno di fronte all’altro a distanza ravvicinata. Questo dato dimostra l’indiscutibile efficienza del sistema a dislocamento nella rimozione dei contaminanti.

Misurando però la concentrazione di contaminante all’altezza delle vie respiratorie o dieci centimetri al di sopra del manichino target, si nota invece un aumento di entrambi i valori ad ogni distanza tra i due manichini. Il fenomeno di galleggiamento dell’aria evidenziato nel caso del singolo manichino, si ritrova quindi anche disponendo nella stanza entrambi i manichini e misurando la concentrazione di contaminante che arriva alle vie respiratorie del manichino target.

Questo comportamento si può evidenziare anche dall’andamento della temperatura dell’aria lungo la verticale: la maggior parte dell’aumento di temperatura si verifica, come si vede dal successivo grafico, tra i 60 ed i 110 centimetri da terra.

Con i parametri utilizzati per il dimensionamento di questo sistema a dislocamento, si vede che la massima efficienza nella rimozione dei contaminanti si ha fino ad un massimo di circa 150 centimetri dal pavimento; tale dimensionamento è sicuramente valido per ambienti in cui le persone svolgano la loro attività sedute, ma meno efficiente in altri ambienti.

Figura 2 – Gradiente verticale di temperatura in dislocamento

Considerando i valori estremi misurati e rappresentati nel diagramma seguente, si passa da una concentrazione quasi nulla all’altezza del petto, fino ad arrivare ad un valore di 12 volte la concentrazione di contaminante rispetto al valore rilevato nelle griglie di ripresa E1, quando i due manichini sono posti l’uno di fronte all’altro a soli 35 centimetri di distanza.

Figura 3 – Concentrazioni di contaminante misurate con diffusione a dislocamento

Legenda:

Cn: Concentrazione misurata nel naso del manichino target

Cp: Concentrazione misurata sul petto del manichino target

C10: Concentrazione misurata a 10 centimetri al di sopra del manichino target

Cr: Concentrazione di riferimento misurata nelle griglie di estrazione aria

 

Diffusione a miscelazione

Per verificare il comportamento di questo sistema, è stato utilizzato un diffusore a 4-vie posizionato nel centro della stanza e dimensionato per operare alla stessa portata del dislocatore. L’estrazione dell’aria passa attraverso le due stesse griglie utilizzate per il sistema a dislocamento.

Con le stesse modalità viste nel caso precedente, la simulazione è avvenuta con i due manichini posti frontalmente l’un l’altro alle quattro distanze già viste, da 35 a 110 centimetri e con il manichino sorgente seduto di fronte a quello target, alla distanza di 70 e 110 centimetri.

Nel primo caso il valore di concentrazione rilevato all’altezza del petto e delle vie respiratorie, parametrato rispetto al valore misurato nelle griglie di ripresa, è pari a 1 a qualsiasi distanza tra i due manichini. Questo indica quindi un perfetto stato di miscelazione. Al di sopra del manichino target, a dieci centimetri dalla sua testa, a distanza inferiore di 80 centimetri tra i due manichini, la concentrazione di tracciante rilevata sale fino a 1.4, in accordo al profilo fluidodinamico dell’aria emessa dal manichino nella fase di espirazione e in condizioni di diffusione dell’aria per miscelazione di Tabella 1.

Nella seconda configurazione di prova, con un manichino seduto, il valore di concentrazione del tracciante è circa 1 per ogni posizione delle sonde e ad ogni distanza tra i due manichini.

Fondamentalmente è stato verificato che, a meno di essere ad una distanza molto ravvicinata da un soggetto infetto, la concentrazione di eventuali patogeni rilasciati durante il normale atto respiratorio resta molto bassa in ogni punto della stanza. Anche alla distanza ravvicinata di 35 centimetri, la concentrazione di tracciante respirato si è mantenuta comunque bassa, dimostrando l’efficienza del sistema di miscelazione nella diluizione dei contaminanti in ambienti chiusi.


Figura 4 – Concentrazioni di contaminante misurate con diffusione a miscelazione

Da 80 centimetri di distanza in su, la concentrazione di tracciante che raggiunge il manichino target resta pressoché la stessa. Per distanze inferiori si nota un valore più elevato di concentrazione al di sopra del manichino, dovuto alla risalita naturale del tracciante e al moto convettivo dell’aria che risale lungo il manichino.

Diffusione dell’aria a basso impulso e flusso verticale dall’alto

Questa verifica sperimentale è stata fatta con sette differenti layout ma, in questo articolo, si è ritenuto di presentare solo i tre casi più significativi:

  1. Diffusori tessili posizionati a soffitto e vicino alla parete (0,42 m), con i due manichini in piedi al di sotto dei diffusori, uno di fronte all’altro.
  2. Diffusori tessili posizionati a soffitto a maggiore distanza dalla parete (1,02 m), con i due manichini in piedi al di sotto dei diffusori, uno di fronte all’altro
  3. Diffusori a 0,42 m dalla parete e manichini ad un metro di distanza dalla parete opposta, dalla parte del sistema di ripresa

La differenza tra i primi due layout è per verificare un eventuale “effetto parete” che possa influenzare la diffusione dell’aria, rispetto alla immissione dell’aria quasi al centro della stanza, lontano da ogni parete.

Nelle prime due simulazioni i manichini sono esposti direttamente ad un flusso dell’aria verticale dall’alto verso il basso mentre, nel terzo caso, il flusso di aria è in fase di risalita verso il sistema di ripresa dell’aria E2 posto sulla parte alta della parete opposta.

Anche nel corso di queste tre configurazioni di prova, i manichini sono stati posti a diverse distanze tra di loro: 35, 50, 80 e 110 centimetri.

In entrambi i primi due casi, la concentrazione di tracciante all’altezza delle vie respiratorie è molto elevata quando i manichini sono alla distanza minima di 35 centimetri: nel primo caso la concentrazione di tracciante è quasi 6 volte quella misurata nella griglia di ripresa e, nel secondo caso, questo valore supera le 10 volte.

Già aumentando la distanza a 50 centimetri, questo valore scende drasticamente allineandosi a quelli rilevati all’altezza del petto e a 10 centimetri al di sopra del manichino. Si nota inoltre un comportamento diverso nei due casi, influenzato dalla vicinanza della parete (nel primo caso), che produce una sorta di effetto Coanda lungo la verticale, inducendo parte del volume d’aria verso la parete e generando così un certo livello di miscelazione tra il manichino e la parete stessa.

I valori più elevati rilevati alla minima distanza, lasciano supporre che i pennacchi convettivi generati da entrambi i manichini ostacolino fortemente il flusso dell’aria proveniente dall’alto a bassa velocità.

Nel terzo caso, in cui i due manichini sono investiti da un flusso d’aria proveniente dal basso che poi risale sia per fenomeni di convezione che per l’influenza del sistema di estrazione, i valori di esposizione risultano migliori rispetto ai primi due casi: il massimo valore di concentrazione nel naso del manichino è pari a 3 volte il valore misurato in estrazione, a 35 centimetri di distanza. Dagli 80 centimetri in poi la concentrazione all’altezza del petto e delle vie respiratorie si attesta su dei valori prossimi ad 1 mentre, la concentrazione di tracciante a 10 centimetri al di sopra del manichino resta elevata.

Conclusioni

I diversi metodi di diffusione dell’aria ed i loro parametri di dimensionamento, dal punto di vista fluidodinamico costituiscono un vero e proprio microambiente intorno alle persone.

Per il rischio di contaminazione da parte di un soggetto infetto all’interno di un ambiente confinato, a prescindere dal sistema di diffusione dell’aria, due fattori giocano un ruolo fondamentale:

  1. La distanza dal soggetto infetto o potenzialmente tale
  2. La riduzione della quantità di contaminante rilasciata in ambiente

Tralasciando il fenomeno della contaminazione legata all’emissione di droplets mediante starnuti o colpi di tosse, anche la semplice espirazione di un soggetto infetto può rilasciare agenti patogeni; aumentare la distanza interpersonale è il primo semplice mezzo per diminuire la probabilità di inalare qualsiasi tipo di contaminante. Il secondo metodo per ridurre il rischio è quello di limitare la concentrazione di contaminanti in ambiente utilizzando, per esempio, delle mascherine filtranti.

Oltre a ciò, l’impianto di ventilazione riveste un ruolo basilare nella protezione delle persone dal rischio di contaminazione da contaminanti aerotrasportati.

Un buon impianto, infatti, grazie all’immissione di aria esterna provvede alla diluizione degli inquinanti e, il sistema di diffusione in sinergia con quello di estrazione, si occupa di eliminare parte dei contaminanti attraverso il continuo ricambio di aria.

I diversi sistemi di diffusione, a loro volta, presentano efficienze di ventilazione differenti tra loro fornendo così diverse soluzioni per ogni tipo di applicazione.

  • Dislocamento: come si è visto, all’interno del volume effettivamente trattato da un sistema a dislocamento, la qualità dell’aria è assolutamente elevata. Si deve però prestare molta attenzione in fase di progettazione, affinché il confine tra la zona inferiore pulita e quella superiore, non trattata, sia sufficientemente alto per garantire la continua rimozione dei contaminanti dalla zona occupata; in caso contrario, si potrebbero avere rischi di stratificazione e di conseguente elevata concentrazione di contaminanti a diverse altezze da terra, anche a livello delle prime vie respiratorie.
  • Immissione dall’alto a bassa velocità: in questo caso la posizione dei diffusori rispetto a quella delle persone e la velocità di immissione dell’aria, influiscono parecchio sull’efficienza del sistema. Quando i diffusori immettono aria direttamente sopra le persone, una velocità troppo bassa è fortemente ostacolata dai fenomeni convettivi di aria in movimento dal basso verso l’alto.
    Se invece l’immissione di aria avviene al di sopra di una superficie non direttamente occupata da persone o altre fonti di calore, l’aria pulita a densità maggiore raggiunge il pavimento, si diffonde fino a lambire le persone presenti, comportandosi come un sistema a dislocamento.
    Nel caso in cui, nello stesso ambiente, la diffusione dell’aria avvenisse sia direttamente sopra le persone che in zone non occupate, il dimensionamento del sistema risulterebbe più complesso per soddisfare le richieste di comfort legate alla bassa velocità dell’aria e quelle di rimozione dei contaminanti.
    Discorso totalmente diverso nel caso di flussi unidirezionali utilizzati in ambienti a contaminazione controllata o anche nelle sale operatorie, in cui l’immissione dell’aria avviene direttamente al di sopra del processo da proteggere e la velocità dell’aria immessa è più elevata prediligendo l’efficienza del sistema nei confronti del rischio di contaminazione aerotrasportata, piuttosto che il comfort.
  • Miscelazione: non raggiunge i livelli massimi raggiungibili da un buon sistema a dislocamento, ma non crea neanche zone con elevate disuniformità nella concentrazione di contaminanti. Anche a distanze brevi la concentrazione di inquinanti aerotrasportati viene ridotta rapidamente e questo sistema di diffusione dell’aria è meno sensibile, rispetto agli altri, all’influenza dei moti convettivi generati dalle fonti di calore e contaminanti presenti in ambiente. L’utilizzo di diffusori ad alta induzione, al posto di diffusori a lungo lancio come quello utilizzato nello studio analizzato, potrebbe portare ulteriori miglioramenti prestazionali.

A volte la selezione e la scelta del sistema di diffusione dell’aria è vista come un aspetto marginale nella progettazione di un impianto di ventilazione e condizionamento. In realtà, non è così: un dimensionamento accurato dei diffusori può esaltare le prestazioni dell’intero impianto ma, allo stesso modo, una scelta non accurata o superficiale potrebbe vanificare anche il miglior progetto, con quale risultato?

Leggere sui giornali che gli impianti di ventilazione andrebbero tenuti spenti perché sono pericolosi.

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