Smart School for Healthier Classrooms (SSHC)

La qualità dell’aria è da sempre un tema fondamentale per tutti gli ambienti: interni ed esterni e per qualsiasi destinazione d’uso. La Direttiva (UE) 2918/844 sull’efficienza energetica in edilizia, recepita in Italia con il D.Lgs. 48/2020, sancisce l’importanza della qualità dell’ambiente interno nei suoi diversi aspetti: comfort termico, acustico e visivo e qualità dell’aria interna, anche nota come IAQ, acronimo di Indoor Air Quality. In particolare, la emergenza sanitaria legata alla COVID-19 ha messo in evidenza la necessità garantire una buona qualità dell’aria interna, soprattutto negli ambienti ad uso pubblico, in particolare nelle scuole. “L’inquinamento indoor si definisce come la modificazione della normale composizione o stato fisico dell’aria atmosferica interna, dovuta alla presenza nella stessa di una o più sostanze in quantità e con caratteristiche tali da alterare le normali condizioni ambientali e di salubrità dell'aria stessa e tali da costituire un pericolo ovvero un pregiudizio diretto o indiretto per la salute dell'uomo” (fonte: Direzione generale della prevenzione sanitaria). A differenza dell’inquinamento dell’aria atmosferica esterna oggetto di grande attenzione già da molti anni solo recentemente si è affrontato il problema dell’inquinamento indoor e degli effetti sanitari legati a questo fenomeno. Tra le patologie correlate agli edifici, le malattie allergiche respiratorie hanno un grande rilievo per il loro impatto sulla salute e la loro incidenza sta aumentando in tutta Europa. L’asma colpisce la popolazione adulta europea nella misura del 3-8%, mentre la prevalenza nella popolazione pe-diatrica è ancora maggiore” (fonte: Direzione generale della prevenzione sanitaria). Negli ambienti chiusi l'ossigeno presente nell’aria diminuisce gradatamente e con la respirazione e la traspirazione umana sono immessi nell’aria componenti quali: vapore acqueo, anidride carbonica (CO2) e diverse sostanze organiche. In assenza di adeguata ventilazione, la qualità dell’aria interna tende ad alterarsi, come conseguenza della presenza e dell’accumulo di sostanze inquinanti che ne alterano la salubrità. Tipicamente l’aria “impura” indoor, spesso indicata con il termine “aria viziata", si riconosce istintivamente con l’olfatto in quanto, a differenza dell’aria pulita, presenta un odore spesso sgradevole. Secondo la norma ASHRAE 62-1, riconosciuta a livello internazionale, “La qualità dell’aria in un ambiente è considerata accettabile quando non sono presenti inquinanti in concentrazioni dannose, secondo quanto stabilito dalle autorità competenti, e quando una notevole quantità di persone (80% almeno) non esprime insoddisfazione”. Uno degli elementi fondamentali da considerare quando si parla di IAQ è che la qualità dell’aria negli ambienti confinati è generalmente peggiore di quella dell’ambiente esterno, dal momento che negli ambienti interni vengono immessi gli inquinanti presenti nell’aria esterna, quando questa non viene opportunamente filtrata da sistemi ad hoc, ai quali si aggiungono gli inquinanti emessi dalle attività antropiche e dagli elementi di costruzione e di arredo, oltre che quelli prodotti a causa di una errata progettazione termotecnica degli edifici. E’ evidente che la soluzione ai problemi di IAQ consiste nella realizzazione di impianti di ventilazione che immettono aria esterna filtrata in quantità adeguata, secondo quanto previsto dalla norma UNI EN 16798-1, così da diluire la concentrazione degli inquinanti. Va sottolineato che tutto ciò non è realizzabile con la semplice apertura delle finestre, che non garantisce né le portate richieste, né una adeguata diffusione dell’aria in ambiente, oltre a presentare problemi di discomfort termico per gli occupanti e uno spreco di energia termica. In definitiva, il problema dell’IAQ si coniuga indissolubilmente con quello del comfort termico e con le esigenze di risparmio energetico. Fermandosi in Italia, un gruppo di ricerca coordinato dalla professoressa Francesca Romana d’Ambrosio, ordinaria di Fisica Tecnica Ambientale presso l’Università degli Studi di Salerno, e di cui fa parte il prof. Giorgio Buonanno, ordinario di Fisica Tecnica Ambientale presso l’Università di Cassino e del Basso Lazio, esperto internazionale della diffusione in aria dell’aerosol, il prof. Mauro Strada, già ordinario di Fisica Tecnica Ambientale presso lo IUAV e presidente di Steam, società di Ingegneria che opera a livello internazionale, l’ing. Michele Vio, tra i più noti progettisti italiani di impianti di condizionamento, ha condotto uno studio sulla valutazione del rischio di contagio da SARS-CoV-2 negli ambienti chiusi, anche in riferimento a quelli scolastici. Dai risultati che riguardano gli ambienti scolastici, è emerso con chiarezza che in un’aula senza impianto di ventilazione meccanica controllata (VMC), qualora sia presente un infetto, docente o allievo, quand’anche tutti gli occupanti indossassero una mascherina con un opportuno livello di filtrazione, per ottenere un numero di ricambi d’aria adeguato a ridurre il rischio di contagio sia individuale che collettivo sarebbe necessario tenere le finestre aperte per un tempo non compatibile con le condizioni di comfort termico, né con le prescrizioni sulla temperatura interna. Il progetto denominato SSHC acronimo di Smart School for Healthier Classrooms, si pone l’obiettivo di realizzare una soluzione a basso impatto architettonico basata su un’architettura IoT per misurare e gestire le condizioni di IAQ Il progetto qui proposto prevede la realizzazione di un sistema che, ricorrendo ad opportuni senso-ri, consenta di rilevare i valori di concentrazione di alcuni contaminanti che spesso sono presenti negli ambienti scolastici: • CO2 • VOC • particolato. ARCHITETTURA DEL SISTEMA Il sistema è costituito da un data logger (di seguito chiamato D.L.) di aula, equipaggiato con scheda WiFi NUCLEO-IDW01M1, è collegato, attraverso l’infrastruttura di rete dell’istituto, ad una centrale di controllo di edificio basata su un Netbook/Raspberry che funge da server di data analysis e di configurazione dinamica dei data logger. Al D.L. sono collegate delle stazioni di rilevamento a soffitto (il numero dipende dalla geometria dell’aula) distribuite nell’aula che consentono una rilevazione del livello dei parametri termoigrometrici e della concentrazione dei contaminanti nelle aree sottostanti in cui è stata suddivisa l’aula. E’ previsto anche un sensore PIR per rilevare la presenza degli alunni nell’aula in modo da disattivare il sistema di rilevazione in caso in cui l’aula non sia occupata oltre a sensori magnetici per verificare lo stato delle finestre e delle porte. Il sistema prevede una stazione di monitoraggio di alcuni parametri esterni quali: • Temperatura • Umidità • Velocità del vento • Pioggia • Particolato collegata al server centrale che servirà per valutare la possibilità di areazione parziale delle aule con apertura delle finestre. Il D.L. integra il controllo di un sistema di ventilazione dell'edificio a doppio flusso con recupero di calore (VMC) che provvede al ricambio dell'aria nell’aula limitando al minimo il dispendio energetico. Quest’ultimo controllo è coordinato con il sistema di rilevazione outdor centrale e, nel caso in cui i parametri esterni consentano il ricambio d’aria attraverso l’apertura delle finestre, valutato da un algoritmo di AI, il server invierà un frame ai data logger delle aule che provvederanno alla disattivazione del VMC e, attraverso opportuna segnalazione, avviseranno quando sarà necessario aprire le finestre. In ogni aula è prevista una segnalazione della qualità dell’aria interna rilevata dai sensori attraverso un display o direttamente sul laptop d’aula su cui verranno visualizzati i vari valori e, nel caso di segnalazione da parte del server, verrà suggerita l’apertura delle finestre anche attraverso il blink di un avvisatore luminoso posizionato alle spalle della cattedra (eventualmente si può utilizzare un buzzer per una segnalazione acustica (ovviamente temporizzata). E’ prevista la realizzazione di un sistema Wearable di rilevamento del distanziamento sociale e funzionalità remote da far indossare agli alunni. .