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Monitoraggio della qualità dell'aria negli ambienti chiusi
Il monitoraggio della qualità dell'aria negli ambienti chiusi oggigiorno è uno dei più importanti campi di ricerca, svolge un ruolo fondamentale per lo sviluppo dell’ingegneria edile, ed in particolare per la costruzione di “edifici passivi e sani”. Il monitoraggio ed il controllo della temperatura, dell’umidità e della concentrazione di anidride carbonica negli ambienti chiusi è fondamentale per il comfort di utilizzo di questi ultimi ed influisce in modo positivo sulla nostra salute.
I parametri più importanti per la qualità dell'aria
Il nostro comfort termico dipende principalmente da:
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temperatura dell'aria, eventuali minimi cambiamenti di quest’ultima possono essere fortemente avvertibili. Nel frattempo il controllo ed il mantenimento di una temperatura ottimale (18 – 22°C) è molto costoso e dipende dal fabbisogno energetico dell'edificio.
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l’umidità relativa, che determina la concentrazione di vapore acqueo nell'aria, dovrebbe rientrare nella gamma da 40 a 60%. Non costituisce un parametro critico e non viene controllata così accuratamente come la temperatura. Tuttavia valori molto diversi dall’intervallo ottimale causano un disagio significativo. Il controllo dell'umidità il più delle volte avviene attraverso l’essiccazione per circolazione dell'aria, mediante sistemi di condizionamento dell’aria.
- composizione dell'aria, determinata dalla miscela di gas atmosferici. Il parametro più importante dal punto di vista biofisico è la percentuale di ossigeno e anidride carbonica. La concentrazione di questi due gas può variare molto rapidamente negli ambienti chiusi per via della loro partecipazione ai processi metabolici, chimici e biochimici. La variazione della concentrazione di CO2 nell'aria inspirata ha un maggiore effetto sul corpo umano rispetto a cambianti paragonabili del contenuto di ossigeno. Pertanto la funzione fondamentale del monitoraggio della composizione dell'aria è il controllo della concentrazione di anidride carbonica.
Necessità del monitoraggio del CO2 nell'aria
La necessità di monitorare la qualità dell'aria, ed in particolare analizzare il contenuto di anidride carbonica negli ambienti, è di particolare importanza nel contesto di tre categorie di fattori:
- fisici,
- economici,
- legati alla salute.
Il mantenimento della qualità ottimale dell'aria e la riduzione della concentrazione di CO2 richiede una ventilazione continua dell’edificio. Tuttavia una ventilazione intensiva conduce ad una maggiore emissione di calore all'esterno dell'edificio. Nel frattempo i requisiti fisici prevedono una riduzione del fabbisogno energetico degli edifici, condizione raggiungibile mediante la riduzione delle emissioni di calore all'esterno dell'edificio.
Gli aspetti economici sono legati direttamente ai costi della ventilazione necessaria per mantenere la concentrazione di CO2 ad un livello accettabile.
Gli aspetti sanitari sono legati principalmente alla reazione negativa del corpo umano a concentrazioni di anidride carbonica più elevate nell'aria inspirata.
Un’elevata concentrazione di CO2 provoca il calo della concentrazione e sonnolenza. Quando la concentrazione di anidride carbonica raggiunge un valore comparabile alla concentrazione di ossigeno nell'aria (20% circa), ciò può costituire un pericolo per la vita. Il mantenimento di valori ottimali della concentrazione di anidride carbonica contribuisce indirettamente ad aumentare il nostro rendimento lavorativo e riduce il rischio di disturbi medici causati dall'esposizione ad elevate concentrazioni di CO2.
Norme giuridiche sulla concentrazione di CO2 negli ambienti chiusi
Nei paesi sviluppati del Nord America e dell’Europa viene posta particolare attenzione a tutte le tre categorie di fattori menzionati in precedenza. In queste regioni del mondo sono state introdotte norme che disciplinano la qualità dell'aria e raccomandazioni sulla concentrazione di CO2 negli ambienti.
Norme vigenti in materia di ventilazione:
- ASHRAE 62.1-2013 negli Stati Uniti
- EN-15251:2012, EN-15241:2011, EN-15242:2009 i EN-13779:2008 in Europa.
Queste hanno lo scopo di garantire una qualità accettabile dell’aria all’interno degli ambienti.
In Polonia fino al 2015 vigevano le norme: PN-83/B-03430 e PN-83/B-03430/Az3:2000, che sono state sostituite con le suddette norme europee.
Tutti i documenti citati regolano in modo simile l'intensità della ventilazione in funzione del numero di persone, del tipo e della cubatura dell’ambiente. L’intensità della ventilazione attualmente raccomandata per forzare lo scambio d’aria, rientra nella gamma da 15 a 40 m3/h per persona. Le disposizioni di legge si riferiscono anche ai limiti di concentrazione di CO2 dannosi o pericolosi per la salute.
Come la concentrazione di CO2 influisce sulla nostra salute
Bisogna tenere a mente che in presenza di elevate concentrazioni di anidride carbonica nell'aria, che assumono un valore superiore al 20%, in casi estremi può condurre al decesso. Nel caso di concentrazioni medie, il più delle volte si riscontra la comparsa di sonnolenza e calo della concentrazione. Un aumento della concentrazione di CO2 nell'aria inspirata superiore alle 1000 ppm, non solo è causa di un calo della concentrazione e sonnolenza, ma di un aumento della frequenza respiratoria, respiro affannoso e palpitazioni cardiache.
Nella tabella vengono presentate le concentrazioni di anidride carbonica nell'aria inspirata ed il loro effetto sul corpo umano.
Livelli caratteristici di concentrazione di CO2 e loro effetto sul corpo umano
| Concentrazione di anidride carbonica nell'aria | Condizioni |
|---|---|
| 350-450 ppm | concentrazione tipica di CO2 nell'aria atmosferica con tendenza all’aumento a seguito dell’attività umana |
| 600-800 ppm | concentrazione accettabile a lungo termine tale da non causare effetti collaterali |
| 1000 ppm | livello limite di concentrazione prolungata negli ambienti chiusi |
| 5000 ppm* | livello accettabile per 8 ore di esposizione |
| 6000-30000 ppm | concentrazione accettabile per l’esposizione breve |
| 3-8% | gamma di concentrazioni di CO2 che inducono cambiamenti biofisici |
| >10% | livello di CO2, in cui appaiono sintomi dell’intossicazione |
| >20% | concentrazione di CO2 pericolosa per la vita |
*valore tipico della concentrazione di CO2 nell'aria espirata
Velocità di variazione della concentrazione di CO2
Concentrazioni elevate di CO2 possono essere raggiunte rapidamente nei locali pubblici, in cui nello stesso tempo sono presenti molte persone. Ciò è dovuto al fatto che anche in caso di ridotto sforzo fisico, il contenuto di anidride carbonica nell’aria espirata raggiunge le 5000 ppm.
Teoricamente in un ambiente chiuso e senza ventilazione di volume 20 m3, una persona nel corso di 8 ore di sonno è in grado di modificare il livello di concentrazione di anidride carbonica da 350 ppm a circa 6000 ppm.
Pertanto la concentrazione di anidride carbonica può variare molto rapidamente, perciò la misurazione dei parametri dell'aria, con particolare attenzione alla questione della concentrazione di CO2, è di vitale di importanza.
Il miglioramento della qualità dell'aria mediante la semplice ventilazione rimane in disaccordo con le altrettanto importanti linee guida sull’aumento dell'isolamento termico degli edifici e la riduzione del fabbisogno energetico. Pertanto, la questione del monitoraggio del livello di CO2, dell’umidità e della temperatura dell'aria costituisce attualmente uno dei principi fondamentali del processo di ottimizzazione dei sistemi di riscaldamento e dei sistemi di ventilazione e condizionamento dell'aria presenti negli edifici.
Controllo della ventilazione e monitoraggio dell’aria
Prestando attenzione al livello di CO2 è possibile gestire in modo molto più efficiente il bilancio termico dei locali e degli edifici, ed allo stesso tempo mantenere un comfort d’utilizzo adeguato. La soluzione a questo problema è costituita dai dispositivi dedicati per il monitoraggio della qualità dell'aria e per il controllo della ventilazione, come il dispositivo AXIOMET AX-CO2-1. Si tratta di un sistema digitale per il monitoraggio e la registrazione, dotato di funzione di misurazione di temperatura, umidità relativa e concentrazione di CO2.
Lo strumento è dotato di un'uscita binaria, il cui stato può essere innescato da livelli di allarme precedentemente programmati dall'utente. Ciò consente l’applicazione di un semplice sistema di regolazione del tipo ON/OFF nel sistema di ventilazione forzata.
Riassumendo
La questione del monitoraggio e del controllo del microclima negli ambienti chiusi dovrebbe essere considerata in stretta connessione con la problematica del miglioramento dell’efficienza degli edifici e la riduzione del loro fabbisogno energetico. Da un lato entrano in gioco gli aspetti economici legati all’utilizzo degli edifici, dall’altro quelli legati alla salute.