Titolo della tesi: Control of airborne biocontamination in HVAC systems through UV-C irradiation. An experimental and numerical study of the UV-C field.
La qualità dell’aria negli ambienti interni rappresenta una delle sfide più urgenti e interdisciplinari in ambito di salute pubblica e sicurezza ambientale. Essa coinvolge numerosi settori, dalla progettazione edilizia all’ingegneria dei sistemi, dalla medicina del lavoro alla sanità pubblica, ed è particolarmente importante negli spazi chiusi con elevata densità di occupazione o con specifici rischi per la salute, come ospedali, uffici, scuole, abitazioni e mezzi di trasporto pubblico.
Negli ultimi anni la questione è diventata ancora più urgente a causa della pandemia di COVID-19, che ha messo in luce in modo drammatico l’importanza della ventilazione, dell’aerazione naturale e del controllo dei contaminanti biologici negli ambienti chiusi. Allo stesso tempo la diffusione del lavoro da remoto ha profondamente cambiato il ruolo degli spazi domestici, trasformandoli in luoghi in cui si vive e si lavora. Questo cambiamento ha comportato un aumento del tempo trascorso in ambienti interni, accrescendo il rischio di esposizione a inquinanti invisibili come particolato fine, composti organici volatili (VOC), sostanze chimiche provenienti da materiali da costruzione o arredi e agenti microbiologici. Di conseguenza è diventato prioritario considerare la qualità dell’aria indoor come una questione di salute pubblica, sia negli spazi collettivi che in quelli privati.
Un fenomeno che evidenzia la complessità di questo tema è la cosiddetta sindrome da edificio malato (Sick Building Syndrome, SBS), introdotta dall’Organizzazione Mondiale della Sanità negli anni Ottanta. Essa descrive un insieme di sintomi aspecifici, come mal di testa, irritazione agli occhi e alle mucose, secchezza della pelle, disturbi respiratori, affaticamento, difficoltà di concentrazione o sensazione generale di disagio, che compaiono dopo un certo tempo trascorso in determinati edifici e tendono a scomparire o ridursi sensibilmente una volta lasciato l’ambiente. Questo dimostra un legame diretto tra le caratteristiche fisiche di un edificio e la salute dei suoi occupanti, evidenziando una relazione sottile ma significativa tra ambiente costruito e risposta umana.
Numerosi studi hanno indagato negli anni le possibili cause e i meccanismi della SBS. Due recenti revisioni sistematiche confermano che la sindrome non può essere attribuita a una sola causa, ma risulta dall’interazione di fattori fisici, chimici, biologici e psicosociali. Tra i principali contaminanti chimici si trovano i composti organici volatili emessi da materiali da costruzione, arredi, adesivi e vernici, la formaldeide, l’ozono, il monossido e il biossido di carbonio, e il particolato fine (PM2.5 e PM10), capace di penetrare nelle vie respiratorie e provocare risposte infiammatorie.
A questi si aggiungono fattori fisici come temperature estreme, umidità eccessiva o insufficiente, scarsa ventilazione, rumore ambientale e illuminazione inadeguata, tutti elementi che possono compromettere il comfort percepito e causare sintomi.
Particolare attenzione è oggi rivolta alla contaminazione microbiologica dell’aria interna, un fenomeno spesso trascurato ma sempre più riconosciuto come cruciale, soprattutto in ambienti sensibili come strutture sanitarie e socio-assistenziali. Muffe, batteri e bioaerosol proliferano in spazi umidi, poco ventilati o con problemi strutturali come perdite e condensa, e possono provocare reazioni allergiche, disturbi respiratori e disagio persistente. Le revisioni citate mostrano un legame crescente tra contaminanti biologici e sintomi associati alla SBS, in particolare nei casi di scarsa manutenzione degli impianti HVAC o bassa qualità dei materiali.
Oltre alla composizione chimica dell’aria, la letteratura sottolinea sempre più l’importanza di fattori soggettivi e psicologici, come la percezione del comfort, i livelli di stress o l’organizzazione del luogo di lavoro. Questi elementi influenzano non solo la risposta individuale agli stimoli ambientali, ma possono anche amplificare o attenuare la comparsa dei sintomi. In altre parole, la SBS si colloca all’intersezione tra ambiente fisico e interpretazione psicocomportamentale dell’individuo.
In un contesto così complesso e multidimensionale risulta evidente la necessità di sviluppare strategie integrate di monitoraggio e prevenzione, che non si limitino alla valutazione chimico-fisica dell’aria ma includano anche analisi microbiologiche e il monitoraggio dello stato fisico e psicologico degli occupanti. Solo un approccio multidisciplinare che unisca competenze in scienze ambientali, ingegneria, medicina e psicologia può garantire una comprensione completa del fenomeno e consentire interventi efficaci sui fattori di rischio.
Negli ultimi anni, anche a seguito della pandemia di SARS-CoV-2, il mercato ha visto la diffusione di numerosi purificatori d’aria basati su diversi principi fisici e chimici, talvolta combinati tra loro. Tuttavia, il loro successo commerciale non sempre è accompagnato da studi scientifici rigorosi, in particolare per quanto riguarda la dose effettiva di radiazione applicata ai contaminanti biologici. Alcuni di questi nuovi dispositivi dichiarano di utilizzare radiazioni UV-C, la cui efficacia germicida è oggi oggetto di crescente interesse scientifico, affrontato con approcci sia sperimentali che numerici.
Gli studi sperimentali valutano le prestazioni germicide attraverso tecniche di coltura microbiologica, confrontando le unità formanti colonia dei campioni irradiati con quelle dei controlli non esposti. Tuttavia, la letteratura disponibile spesso riporta dati incompleti, limitandosi al tempo di esposizione o al flusso radiante nominale della sorgente UV-C, senza specificare la dose effettiva ricevuta dai microrganismi. Ciò rende difficile il confronto diretto tra studi diversi e ne limita la riproducibilità. Inoltre, fattori come la non uniformità spaziale dell’irradianza, l’auto-ombreggiamento e le proprietà ottiche dei materiali circostanti influenzano sensibilmente i risultati ma raramente vengono quantificati.
Sul piano numerico, la valutazione dell’efficacia della radiazione UV-C si basa su misurazioni radiometriche e simulazioni di fluidodinamica computazionale. Questi metodi consentono di prevedere la distribuzione spaziale dell’irradianza, della fluence radiante e della conseguente dose locale all’interno di un determinato volume. Quando combinati con modelli di trasporto microbico, permettono di stimare l’esposizione effettiva dei microrganismi nei flussi d’aria in movimento. Tuttavia, molti studi numerici trascurano l’interazione tra trasferimento radiativo e fluidodinamica. In particolare, la velocità e la turbolenza del flusso influenzano significativamente il tempo di permanenza dei microrganismi nella zona irradiata e quindi l’efficacia del processo di inattivazione. Se la velocità del flusso è troppo elevata, i microrganismi possono attraversare il campo UV troppo rapidamente per ricevere la dose necessaria alla disattivazione, anche se il valore medio di fluence risulta sufficiente in condizioni statiche.
Per questo motivo, una valutazione accurata dell’efficacia germicida della radiazione UV-C negli ambienti interni richiede un approccio multifisico che combini modelli radiativi, fluidodinamici e cinetici biologici. Tale approccio deve considerare anche le proprietà ottiche dei materiali, gli effetti di scattering e i fenomeni di riemissione che possono influenzare la distribuzione locale della fluence. Solo standardizzando la definizione di dose, misurando accuratamente i pattern di irradianza e modellando in modo realistico il movimento dell’aria è possibile confrontare in modo coerente i risultati sperimentali e numerici e sviluppare sistemi di disinfezione UV-C realmente efficaci per il miglioramento della qualità dell’aria indoor.
La novità di questa ricerca consiste nella combinazione di metodi sperimentali e numerici per valutare il campo effettivo di irraggiamento UV-C nei sistemi HVAC. A differenza della maggior parte degli studi esistenti, che esaminano separatamente gli aspetti ottici o microbiologici, questo lavoro mira a costruire un quadro unificato che colleghi la distribuzione dell’irradianza, il flusso d’aria, la dose e l’inattivazione microbica in condizioni operative reali.
Nel presente lavoro un contributo originale riguarda la modellazione ottica delle sorgenti LED UV-C mediante simulazioni di ray tracing, un ambito ancora poco esplorato nella ricerca attuale. Inoltre, lo studio propone lo sviluppo di un modello robusto e versatile, facilmente riproducibile e adattabile a diverse tipologie di sorgenti UV-C, configurazioni geometriche e scenari applicativi.
La fase sperimentale è stata realizzata in collaborazione con Sagicofim S.p.A., azienda specializzata in tecnologie di filtrazione dell’aria e camere bianche. È stato costruito un prototipo in scala reale di un condotto in acciaio zincato equipaggiato con moduli LED UV-C. Ciascun modulo comprendeva trentadue diodi disposti in una configurazione “80–110”, progettata per massimizzare l’irraggiamento uniforme sulla superficie di un filtro HEPA a valle. I LED emettevano a tre lunghezze d’onda tipiche della banda germicida, 254, 265 e 275 nanometri, permettendo una valutazione comparativa dell’efficienza spettrale e del comportamento ottico.
Le misurazioni di irradianza sono state effettuate con un fotodiodo Newport 918D collegato a un misuratore di potenza ottica di precisione 1919-R. Gli strumenti sono stati calibrati su standard certificati per garantire tracciabilità e ripetibilità. Le misure sono state condotte su una griglia di 494 punti disposti su diversi piani ortogonali al flusso d’aria, ricostruendo mappe dettagliate dell’irradianza e della distribuzione spaziale della luce all’interno del condotto.
I dati sperimentali hanno mostrato una chiara dipendenza dell’irradianza sia dalla lunghezza d’onda che dalla geometria. La configurazione operante a 265 nanometri ha fornito la maggiore potenza radiante, coerente con il picco di assorbimento degli acidi nucleici, mentre i LED a 275 nanometri hanno mostrato una potenza inferiore e una copertura meno uniforme. Sono state osservate marcate non uniformità vicino agli angoli e alle pareti del condotto, attribuite a perdite per riflessione e ombreggiamenti dovuti ai componenti strutturali. Questi risultati evidenziano la necessità di integrare l’analisi sperimentale con la modellazione numerica per guidare l’ottimizzazione del progetto.
Per interpretare i risultati è stato sviluppato un modello tridimensionale dettagliato mediante il modulo Ray Optics di COMSOL Multiphysics. Il modello ha simulato il profilo di emissione dei LED considerando la dispersione angolare, le riflessioni multiple e l’assorbimento superficiale. Le proprietà ottiche dei materiali del condotto sono state determinate sperimentalmente e inserite nella simulazione per migliorarne l’accuratezza. Il confronto tra le mappe di irradianza simulate e quelle misurate ha mostrato un’elevata correlazione, validando il modello come strumento predittivo affidabile per la progettazione di sistemi UV-C.
Una volta validato, il modello è stato utilizzato per uno studio parametrico sugli effetti delle variabili geometriche e dei materiali. La regolazione dell’orientamento dei LED, della loro spaziatura e della riflettività delle pareti ha permesso di ottimizzare la distribuzione della luce. Le simulazioni hanno mostrato che rivestimenti con riflettività superiore all’85% migliorano significativamente l’uniformità della fluence e riducono le zone a bassa irradianza. Anche piccole variazioni negli angoli di inclinazione dei LED o nella distanza tra i moduli hanno prodotto miglioramenti misurabili dell’efficienza ottica.
Oltre all’analisi ottica, la ricerca ha definito procedure standardizzate per la calibrazione delle misure, la stabilizzazione dei LED e l’elaborazione dei dati. Ogni fase, dal controllo della tensione al monitoraggio della temperatura, è stata regolata per garantire la riproducibilità dei risultati. L’approccio combinato sperimentale e numerico ha fornito un quadro completo per identificare le fonti di non uniformità e prevedere le prestazioni del sistema in diverse configurazioni.
Sebbene i test di inattivazione microbica e la valutazione dell’efficienza energetica non rientrassero nell’ambito del presente studio, il lavoro fornisce una base solida per future ricerche volte a estendere i risultati ottici alla validazione biologica. Le mappe di irradianza e i modelli numerici validati costituiscono un database utile per stimare la dose germicida e progettare moduli UV-C ottimizzati in termini di sicurezza, efficienza e affidabilità nel tempo.
Da un punto di vista ingegneristico, lo studio mette in evidenza l’influenza della lunghezza d’onda, dell’emissione angolare, della riflettività dei materiali e della geometria del sistema sulle prestazioni UV-C. La metodologia proposta consente una valutazione quantitativa di ciascun parametro, offrendo linee guida per la progettazione e l’integrazione di tecnologie di disinfezione a LED nei sistemi HVAC. L’approccio favorisce inoltre la standardizzazione e la comparabilità tra studi, supportando lo sviluppo di normative per i sistemi UV-C.
In un contesto più ampio, questa ricerca contribuisce agli sforzi scientifici per armonizzare le procedure di prova e misurazione della disinfezione UV-C. La metodologia sperimentale e numerica proposta può servire come riferimento per futuri standard, consentendo valutazioni riproducibili, tracciabili e verificabili dei sistemi UV-C in condizioni reali.
In conclusione, la ricerca di dottorato presentata in questa tesi stabilisce un quadro integrato che combina caratterizzazione sperimentale e modellazione ottica per l’analisi e l’ottimizzazione dei sistemi LED UV-C applicati alla disinfezione dell’aria. I risultati forniscono a ingegneri e ricercatori strumenti validati per progettare soluzioni efficienti, sicure e sostenibili. Gli sviluppi futuri si concentreranno sull’integrazione della modellazione ottica e termica, sulla valutazione della stabilità a lungo termine dei LED e sull’implementazione di sistemi di controllo in tempo reale in grado di adattare l’intensità della radiazione UV-C alle variazioni della qualità dell’aria. In ultima analisi, questo lavoro mira a contribuire alla creazione di ambienti interni più sani e sicuri attraverso l’uso responsabile e innovativo della tecnologia UV-C.
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