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Smog, aria interna: come ridurre il PM2.5 proveniente dall’esterno

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Ecco come scegliere i filtri per i sistemi di ventilazione dell’area per ridurre il PM2.5 proveniente dall’esterno

 

Una elevata concentrazione di contaminanti presenti nell’aria esterna è strettamente connessa a una serie di effetti sulla salute, di tipo acuto e cronico (West et al., 2016); in particolare, l’esposizione al particolato fine, ad esempio il PM2.5, definito come il particolato costituito da particelle di diametro aerodinamico inferiore a 2,5 µm, determina molti degli effetti negativi sulla salute associati con l’inquinamento dell’aria esterna (EPA, 2009). Il PM2.5 è il settimo fattore di rischio di mortalità ed è responsabile di più di 3 milioni di morti premature a livello internazionale, soprattutto in Asia (Forouzanfar et al., 2015; Lelieveld et al., 2015). Sebbene queste informazioni derivino da studi epidemiologici sull’associazione tra la concentrazione di PM2.5 all’esterno e l’insorgere di malattie (Burtnett et al., 2015), la maggioranza dell’esposizione dell’uomo al PM2.5 di origine esterna si ha spesso negli ambienti interni, nei quali le persone trascorrono la maggior parte del proprio tempo (Ji e Zhao, 2015).

La progettazione e la gestione dei sistemi HVAC possono fortemente condizionare la frazione di PM2.5 di origine esterna, che penetra e rimane all’interno degli edifici (Montgomery et al., 2015; Chan et al., 2016; Beko e al., 2008; Stephens, 2015); anche le attività antropiche contribuiscono a determinare la concentrazione di particolato nella zona di respirazione, per cui si può trarre un maggiore vantaggio adottando sistemi di filtrazione volti a rimuovere il particolato dall’aria esterna prima che questo entri nell’ambiente interno. Negli edifici commerciali è prassi comune la filtrazione del particolato della portata di aria immessa, costituita da quote diverse di aria di ricircolo e aria esterna, mentre solo recentemente questa prassi sta diventando una necessità anche negli edifici di tipo residenziale.

Per esempio, lo Standard ASHRAE 62.2 del 2016 attualmente prevede, ma limitatamente agli impianti in semplice estrazione, l’immissione meccanica, continua o intermittente, di una portata d’aria esterna negli spazi interni, anche se questa non passa attraverso un sistema di filtrazione ma è dovuta, ad esempio, alla permeabilità dell’involucro.

L’adozione dei nuovi requisiti previsti per le abitazioni fa porre una domanda: in assenza di filtrazione della portata di aria esterna, la qualità dell’aria immessa è migliore di quella dell’aria espulsa? La risposta comunemente fornita a livello mondiale è “NO”.

Al fine di aiutare i progettisti a migliorare la qualità dell’aria interna negli edifici sia residenziali sia commerciali, di seguito riportiamo, per 100 delle città più popolose a livello mondiale, i valori raccomandati della classificazione MERV, Minimum Efficiency Reporting Value, al fine di conseguire un livello minimo della qualità dell’aria esterna presente nell’aria immessa attraverso i sistemi di ventilazione meccanica. Tali raccomandazioni sono basate a livello locale sulla concentrazione di PM2.5 presente nell’aria esterna.

Concentrazione media annuale di PM2.5 a livello mondiale

In Figura 1 è possibile trovare la stima della distribuzione spaziale globale delle concentrazioni medie annuali di PM2.5 rilevate in ambiente, nel 2014 o nell’anno più recente per i quali erano disponibili tali dati. Tale stima è stata effettuata utilizzando una combinazione di diversi dati provenienti da fonti diverse: satellitari, simulazioni e monitoraggi (van Donkelaar et al., 2016). I dati sono forniti on-line con una griglia di mappatura di 0,1° x 0,1° o di 0,01° x 0,01° [1]. Nel 2014 la concentrazione di PM2.5 media annuale a livello mondiale oscilla in un intervallo compreso tra meno di 5 µg/m3 o 10 µg/m3, nelle zone del Nord America, sud America e Australia, a più di 100 µg/m3 in zone dell’Asia orientale e meridionale e nell’Africa settentrionale e occidentale. Questi ampi intervalli di concentrazioni hanno elevate implicazioni per la salute umana in ciascuna regione del mondo.

Per esempio, la relazione tra concentrazione di inquinanti e risposta dell’uomo, ricavata da studi epidemiologici, mostra tipicamente un aumento di circa il 10% del rischio relativo a problemi quali mortalità, ictus o patologie cardiache, per ogni aumento di 1 µg/m3 della concentrazione di PM2.5 a lungo termine in ambiente (Zhao et al., 2015). Questa relazione è fortemente non lineare in alcuni intervalli di concentrazione di PM2.5 di origine esterna, sebbene sia evidente che una esposizione mitigata al PM2.5 di origine esterna può portare a un sostanziale miglioramento nella salute globale. Questi valori sulla concentrazione di PM2.5 sono riferiti alla media annuale nel 2014 e varieranno di giorno in giorno e di anno in anno; inoltre, negli ultimi anni, le concentrazioni medie annuali di PM2.5 di origine esterna sono diminuite in alcuni Paesi e aumentate in altre.

pm 2.5

Requisiti minimi di filtrazione negli Standard ASHRAE

Negli Stati Uniti molti sistemi di filtrazione per gli impianti HVAC sono valutati sulla base della loro efficienza di rimozione del particolato, determinata secondo la procedura di prova di laboratorio descritta nello Standard ASHRAE 52.2 (ASHRAE, 2012).

La procedura di prova classifica l’efficienza di rimozione del particolato dei filtri a singolo passaggio degli impianti HVAC, determinata a partire dalla loro minima efficienza di rimozione delle particelle, in tre intervalli riferiti alle dimensioni di queste ultime (da 0,3 µm a 1 µm, da 1 µm a 3 µm e da 3 µm a 10 µm), sotto diverse condizioni di carico. I valori minimi di efficienza di rimozione in questi tre intervalli sono utilizzati per assegnare ai filtri degli impianti HVAC una classificazione di efficienza secondo la classificazione MERV; in generale, a elevati valori di MERV corrisponde una elevata efficienza di rimozione per uno o più intervalli di dimensioni delle particelle. Una procedura di verifica e classificazione simile è utilizzata a livello Europeo con la norma EN 779 (UNI, 2012).

smogIl valore minimo di MERV per l’aria immessa negli edifici commerciali attualmente richiesto dallo Standard ASHRAE 62.1 del 2016 (ASHRAE, 2016a), pari a 8, è molto più elevato del valore 6 riportato nella versione del 2010 dello stesso Standard (ASHRAE, 2010). Lo Standard ASHRAE 62.2 del 2013, per gli edifici residenziali con meno di 4 piani, richiede attualmente un valore minimo di MERV 6 sull’aria di ricircolo (ASHRAE, 2016b). In particolare, negli edifici residenziali, l’installazione di sistemi di filtrazione ad alta efficienza del particolato sulla presa di aria esterna dei sistemi di ventilazione meccanica è più vantaggiosa rispetto alle infiltrazione di aria esterna attraverso l’involucro dell’edificio o all’aerazione attraverso l’apertura di finestre. Laddove le norme e le linee guida sulla qualità dell’aria interna non sono rispettate a causa delle concentrazioni di PM2.5 di origine esterna, entrambi gli Standard raccomandano di adottare sistemi di filtrazioni del particolato a elevata efficienza di rimozione, ad esempio MERV 11; però gli Standard non forniscono esplicitamente la necessità di adottare livelli di filtrazione elevati in ambienti fortemente inquinati, quali quelli di molte delle città mostrate in Figura 1.

Valori approssimativi in termini di efficienza di rimozione del PM2.5 per filtri classificati MERV

Lo Standard ASHRAE 55.2 del 2012 non prova esplicitamente la capacità di rimozione del PM2.5 dei filtri, ma è possibile utilizzarne i risultati dei test per approssimare l’efficienza di rimozione del PM2.5 per uno specifico filtro. L’Organizzazione Internazionale di Standardizzazione, ISO, ha recentemente pubblicato una nuova norma di prova dei filtri, che considera la massa di particolato catturato dai filtri (ISO, 2016); qui noi usiamo però una procedura diversa per approssimare l’efficienza di rimozione di PM2.5 per un filtro classificato MERV. Per un approfondimento sulla ISO 16890 si faccia riferimento a Tronville e Rivers (2016).

L’efficienza di rimozione del particolato di un filtro è fortemente dipendente dalle dimensioni del particolato stesso: i normali filtri con medium-filtrante rimuovono sia le particelle più grandi, con diametri maggiori di circa 1 µm, sia le più piccole, con diametro minore di 0,1 µm, con efficienze maggiori rispetto a quelle con dimensioni comprese nell’intervallo tra circa 0,1 µm e circa 1 µm (Hinds, 1999).

Lo Standard ASHRAE 52.2 valuta l’efficienza di rimozione di un filtro su un numero base di particelle, anche se solo per dimensioni da 0,3 µm a 10 µm.

 

Comunque, nella maggior parte degli ambienti esterni la stragrande maggioranza di particolato, per numero, ha diametro inferiore a 0,3 µm e molta della massa di PM2.5 ha un diametro compreso tra 0,5 micron e 1 µm (Azimi et al., 2014). Quindi, l’efficienza di rimozione in massa di PM2.5 di un filtro varierà in funzione della curva di efficienza del filtro per queste dimensioni delle particelle e della distribuzione delle dimensioni delle particelle che lo attraversano.

figura 3 smog

Inoltre, mentre le efficienze di rimozione del filtro ricavate dai test dello Standard ASHRAE 52.2 sono generalmente considerate rappresentative dei comportamenti reali, in pratica i risultati possono variare molto in base alla distribuzione delle dimensioni delle particelle, delle condizioni di polverosità, delle velocità frontale e delle condizioni di by-pass dell’aria che si riscontrano negli edifici reali.

Un recente studio ha mappato circa 200 distribuzioni di dimensioni del particolato di origine esterna reperibili nella letteratura internazionale per un grande intervallo di filtri per impianti HVAC classificati MERV misurati in laboratorio (Hecker e Hofacre, 2008) e ha usato questi dati per stimare la loro efficienza di rimozione del PM2.5 di origine esterna (Azimi et al., 2014).

In Figura 2 sono mostrati i valori medi per approssimare l’efficienza di rimozione del PM2.5 di origine esterna per alcuni filtri classificati MERV. L’efficienza di rimozione a singolo passaggio del PM2.5 di origine esterna varia tra meno del 10% per MERV 6 a più del 95% per i filtri MERV 16 e HEPA. Lo studio mostra come l’efficienza di rimozione del PM2.5 rappresentativa dei filtri MERV 8, cioè il livello di filtrazione attualmente richiesto dallo Standard ASHRAE 62.1 del 2016, sia minore del 30%.

Come scegliere i filtri classificati MERV per impianti di ventilazione dell’aria sulla base della loro efficienza di rimozione del PM2.5

Passiamo ora a considerare la stima globale della concentrazione media annuale del PM2.5 in ambiente riportata in Figura 1 e stimiamo le efficienze di rimozione del PM2.5 di origine esterna per i filtri riportati in Figura 2, i cui valori possono essere usati come base delle raccomandazioni per il livello di filtrazione minimo richiesto per la ventilazione dell’aria in differenti città del mondo.

Abbiamo attribuito il valore di riferimento 100 all’area metropolitana più larga al mondo in termini di densità di popolazione nella griglia 0,1° x 0,1° di PM2.5 globale, per poi assegnare a ciascuna città una concentrazione media annuale di PM2.5 nel 2014; sono state considerate solo 99 città perché per una mancano i dati di PM2.5. Ciascuna di queste aree metropolitane ha una popolazione di almeno 3 milioni di persone.

tabella 2Abbiamo quindi calcolato l’efficienza di rimozione di PM2.5 dei filtri a singolo passaggio che sarebbe necessario avere sull’aria esterna immessa per mantenere la concentrazione interna sotto quella massima media annuale in ambiente attualmente consentita dal NAAQS, il National Ambient Air Quality Standard, pari a 12 µg/m3 [5]. Questa procedura assume conservativamente che sia immesso il 100% di aria esterna; nel caso di miscelazione con aria di ricircolo, è necessario considerare anche la dimensione e l’influenza delle sorgenti interne di particolato. Le linee guida dell’Organizzazione Mondiale per la Sanità, l’OMS, mantengono un valore inferiore della concentrazione media annuale esterna di PM2.5, pari a 10 µg/m3 [6]. Noi abbiamo utilizzato il valore del NAAQS, per coerenza con le applicazioni negli Stati Uniti, ma abbiamo anche provato a usare il valore dell’OMS.

Ci sono alcune evidenze che gli effetti sia acuti che cronici dell’esposizione al PM2.5 in ambiente continuano sotto le attuali norme EPA statunitensi (Shi et al.,2015).

La Figura 3 mostra il livello minimo di filtrazione, cioè la classificazione MERV, richiesta all’aria esterna immessa per soddisfare i valori NAAQS in alcune delle 99 località più popolose al mondo analizzate, in funzione della concentrazione media annuale di PM2.5 di origine esterna registrata nel 2014 in queste città. La lista completa delle 99 città è riportata in Tabella 1: delle 20 città al mondo con la più alta concentrazione di PM2.5, 16 si trovano in Cina. In queste città sarebbe necessario installare filtri con un valore minimo di MERV pari a 16 sulle prese di aria esterna per mantenere la concentrazione di PM2.5 nell’aria esterna di ventilazione al di sotto dei valori massimi raccomandati dall’EPA. In altre 30 città, da Kuala Lumpur in Malesia a Surat in India, per soddisfare le norme di qualità ambiente EPA la classe minima di filtrazione dovrebbe essere MERV 14. Nelle 19 città che hanno una concentrazione media annuale di PM2.5 al di sotto di 12 µg/m3 dovrebbero essere installati sulla presa di aria esterna dei sistemi di ventilazione filtri di tipo MERV 6, sebbene siano consistenti solo con i requisiti minimi previsti dagli Standard ASHRAE 62, parte 1 e parte 2 del 2016. I filtri MERV 6 proteggono sempre i componenti meccanici da particolato di grandi dimensioni come polvere e detriti presenti anche nelle aree non inquinate. E’ da notare che la maggioranza delle città con minore concentrazione di particolato è localizzata negli Stati Uniti, dove vengono applicate le norme EPA.

Infine, per i progettisti che vogliono raggiungere questo stesso livello di pulizia dell’aria dal particolato in città internazionali non riportate in figura 3, la Tabella 4 fornisce i valori di MERV raccomandati per soddisfare sia il valore della norma americana NAAQS, a 12 µg/m3, sia quello delle linee guida dell’OMS, a 10 µg/m3, basati solo sugli intervalli di concentrazione media annuale in ambiente del PM2.5. Per soddisfare i valori delle linee guida dell’OMS potrebbero essere richiesti anche livelli più elevati di filtrazione negli impianti.

Articolo redatto da:

Brent Sthephens, Illinois Institute of Technolgy, Chicago
Terry Brennan, Canroden Associates, Westmoreland, NY
Lew Harriman, Mason-Grant Consulting, Portsmouth, N.H.

(traduzione a cura di Luca Alberto Piterà, Segretario Tecnico AiCARR)

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