Qualità dell’aria indoor nei trasporti: test e analisi comparativa di dispositivi per il monitoraggio

La qualità dell’aria indoor in contesti particolari come le carrozze ferroviarie è stata spesso trascurata, nonostante l’accumulo di sostanze come CO₂, monossido di carbonio (CO), VOC e particolato (PM) possa provocare gravi problemi respiratori e cardiovascolari. Il presente studio mira a colmare tale lacuna, valutando ed analizzando un dispositivo, “Device Under Test” (DUT), sviluppato per monitorare e migliorare la qualità dell’aria in questi specifici ambienti.

Il presente articolo scientifico è stato realizzato da:

• Dott. Cialini Riccardo, Formatore in materia di salute e sicurezza nei luoghi di lavoro.
• Dott. Sardellitti Alessio, Tecnologo presso il Servizio di Prevenzione e Protezione dell’Università di Roma Tor Vergata, via Cambridge SNC – 00133 Roma.
• Prof. Sciarra Marco, RSPP presso Servizio di Prevenzione e Protezione dell’Università di Roma Tor Vergata, via Cambridge SNC – 00133 Roma.

Abstract

Il DUT è stato testato in un simulatore di carrozza ferroviaria, impiegando sensori ottici ed elettrochimici per il monitoraggio, nonché un sistema di filtrazione elettrostatica e sanificazione UV per ridurre gli inquinanti.

I risultati, confrontati con strumenti tarati e certificati hanno dimostrato la precisione del DUT nel rilevare alcuni dei livelli di inquinanti, confermandone l’efficacia nel monitoraggio della qualità dell’aria. Inoltre, la discussione ha sottolineato la necessità di normative più specifiche per questi ambienti e ha esplorato le potenziali applicazioni future del dispositivo, tra cui l’integrazione in sistemi di gestione dell’aria smart. Nonostante alcune limitazioni legate alla simulazione rispetto a condizioni reali, lo studio fornisce una solida base per ulteriori ricerche e miglioramenti tecnologici, il DUT si è rivelato uno strumento efficace per monitorare e gestire la qualità dell’aria indoor, con potenziali applicazioni in altri contesti come scuole, uffici e ospedali.

L’inquinamento dell’aria indoor nei mezzi di trasporto: un rischio sottovalutato per la salute

Negli ultimi decenni, l’inquinamento atmosferico è stato riconosciuto come uno dei principali fattori di rischio per la salute umana. Secondo l’Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS), circa 4,2 milioni di morti premature sono attribuibili all’inquinamento dell’aria esterna ogni anno, ma la qualità dell’aria indoor rappresenta una preoccupazione altrettanto critica, specialmente in spazi confinati dove la ventilazione è limitata[1]. Gli ambienti confinati come le carrozze ferroviarie offrono condizioni in cui l’aria può essere facilmente contaminata da inquinanti chimici e biologici, con possibili conseguenze sulla salute dei passeggeri e del personale di bordo[2]. Sebbene numerosi studi si siano concentrati sulla qualità dell’aria nei luoghi di lavoro e nelle abitazioni, meno attenzione è stata riservata ai trasporti pubblici, dove l’esposizione a lungo termine a inquinanti come CO₂, monossido di carbonio (CO), composti organici volatili (VOC) e particolato (PM) può portare a gravi problemi respiratori e cardiovascolari[3] [4]. La necessità di monitorare e migliorare la qualità dell’aria indoor in tali ambienti è quindi essenziale per garantire la sicurezza e il benessere dei passeggeri.

Motivazioni alla base dello studio

Il termine “ambiente indoor” si riferisce agli spazi di vita e di lavoro che non sono di natura industriale (gli spazi industriali sono soggetti a determinati vincoli normativi) e, in particolare, agli spazi utilizzati per dormire, mangiare, lavorare e spostarsi (mezzi di trasporto).

In linea con la definizione di ambiente indoor possiamo indicare anche le carrozze dei treni, che sono per l’appunto l’ambiente preso in esame per la progettazione del dispositivo, centro di questo studio, sviluppato in collaborazione con il Servizio di prevenzione e protezione dell’ateneo di Tor Vergata. Il progetto si avvale dunque di studi e ricerche effettuate sulla base della normativa vigente, il D.lgs. 155/2010 che, ad uno studio approfondito, è apparsa priva di elementi sufficienti a stabilire specifici valori limite di riferimento[5].

Come funziona lo strumento DUT

Questo studio si propone di esaminare un dispositivo innovativo progettato per rilevare e mitigare i principali inquinanti nell’aria all’interno di una carrozza ferroviaria simulata. Lo scopo è quello di confrontare le sue prestazioni con gli standard normativi esistenti e individuare potenziali aree di miglioramento, offrendo un contributo significativo alla gestione della qualità dell’aria indoor nei trasporti pubblici[6] [7].

Il “Device Under Test” – D.U.T. è composto da tre parti:

• La prima parte, testata durante le analisi, è quella dedicata al monitoraggio ambientale composta da rilevatori ottici e rilevatori elettrochimici. Il sensore ottico, che trasforma i segnali luminosi in segnali elettronici.
• La seconda parte del DUT è composta dal metodo attuativo di filtrazione dell’aria, presenta una griglia elettrostatica che per funzione della corrente elettrica, al passaggio dell’aria viene filtrata è quindi in grado di sedimentare sia le polveri che composti chimici come ad esempio ossidi di azoto. Dunque, siamo riusciti a monitorare i tipi di inquinanti presenti; ove uno di questi superi la soglia consentita si avvia la griglia elettrostatica che filtra tali inquinanti tra cui polveri, agenti chimici, diossina ecc. Oltre agli inquinanti sopracitati troviamo anche componenti microbiologiche come batteri, virus, funghi e muffe.
• La terza parte è per l’appunto deputata alla sanificazione attraverso l’utilizzo di una luce UV (ultravioletta) che sterilizza l’aria in entrata eliminando gli agenti patogeni.

Diverse ricerche hanno dimostrato che l’inquinamento dell’aria indoor può essere anche più nocivo di quello outdoor, soprattutto in spazi confinati dove la ventilazione è limitata[8] [9]. Studi precedenti hanno evidenziato l’importanza di monitorare parametri come CO₂, CO, VOC e particolato in ambienti come uffici, scuole e trasporti pubblici, ma le normative specifiche per ambienti indoor particolari sono ancora scarse[10].

Tabella 1. Composti Organici Volatili in ambienti indoor.

Materiali e metodi

Come precedentemente indicato, il DUT è stato progettato per monitorare i principali inquinanti e attivare processi di purificazione dell’aria quando sono superate determinate soglie; tali soglie, più precisamente sono state definite sulla base delle Normative Europee[11].

Il simulatore e la postazione sperimentale

Lo studio è stato condotto utilizzando un simulatore di ambiente di carrozza ferroviaria per testare il Device Under Test (DUT).

Sono state utilizzate tre diverse altezze per i test (130 cm, 180 cm, 270 cm) per determinare il posizionamento ottimale per letture accurate. Le letture del dispositivo sono state confrontate con strumenti tarati e certificati per valutarne l’accuratezza e l’affidabilità.

Inoltre, il DUT è stato dotato di un sistema di sanificazione UV per migliorare ulteriormente la qualità dell’aria, mirato ai patogeni aerodispersi.

Il simulatore per le sue caratteristiche fisiche di larghezza, lunghezza e altezza ripropone una carrozza ferroviaria, la parte esterna alta 2,70m e lunga 13,05m il materiale è coibentato proprio per simulare la stessa coibentazione che riscontriamo sia all’esterno che all’interno di una carrozza. [Fig.1]

Figura 1. Il Simulatore.

All’interno del simulatore è stata creata una stazione di test composta da un tavolo, necessario per le attrezzature elettroniche, quali personal computer per la visualizzazione di tutti i data e fogli di calcolo. È stato inoltre costruito un pannello completamente adeso alle strutture, sul quale sono state fissate tre barre, ognuna di queste ad altezze differenti, la prima a 1,30m da terra, la seconda a 1,80m, mentre la terza è stata posta nel punto più alto plausibile di 2,70m. [Fig.2]

Figura 2. DUT – PC interno del simulatore.

Il simulatore è stato inizialmente testato sulla base di strumentazione tarata e certificata [Tab.2], in possesso del Servizio di prevenzione e protezione, per verificare la discrepanza del valore ottenuto dal DUT rispetto la strumentazione tarata.

Tabella 2. Strumentazione tarata e Certificata.

Appurato che i dati erano vicini gli uni con gli altri si è proceduto per la prova a differenti altezze per vedere la percentuale di errore tra il valore nel punto ideale di 1,80m e quelli alle altezze di 1,30m e 2,70m.

È possibile fare un esempio con la CO₂ (anidride carbonica) che si stratifica principalmente in basso. Se infatti il DUT – posizionato a 2,70m – ci restituisce un valore di 5000 Ppm significherà che al di sotto il valore sarà molto più alto (15000 Ppm).

Figura 3. Postazione Sperimentale.

Metodologia di test e acquisizione Dati

Per ogni parametro da testare tra cui polveri e CO₂, i test durano 60 minuti ed in questo lasso di tempo sia il DUT che la strumentazione in nostro possesso sono stati attivati contemporaneamente; con la capacità di un’acquisizione al minuto ricaviamo 120 misurazioni in toto. Otteniamo quindi 60 acquisizioni dal DUT e 60 dalla strumentazione tarata del Servizio di prevenzione e protezione.

Ogni singolo valore misurato dal DUT è stato confrontato con i valori della strumentazione tarata. Il tempo necessario al test per ogni valore è durato un’ora; il test è stato ripetuto per tre volte per ogni singola altezza presa in esame.

Dopo la messa a punto del sistema e DUT si sono effettuate 2 sessioni di prova, seguendo le schede di prova riportate di seguito:

• una relativa a polveri (PM10 – PM2.5);
• una relativa a CO₂.

I risultati della sperimentazione

I risultati hanno dimostrato che il DUT ha monitorato e gestito efficacemente la qualità dell’aria all’interno del simulatore di carrozza ferroviaria.

La capacità del dispositivo di rilevare e rispondere agli inquinanti come CO₂, CO, VOC e particolato è stata coerente a diverse altezze di test. Il confronto con strumenti standard calibrati ha mostrato un margine di errore minimo, confermando l’accuratezza del DUT.

Tuttavia, lo studio ha anche evidenziato lacune nelle attuali normative sulla qualità dell’aria indoor, in particolare la mancanza di soglie specifiche per gli ambienti confinati di trasporto pubblico.

Di seguito vengono mostrate le misurazioni effettuate:

Negli Esiti prova CO2, le misure analitiche al secondo de D.U.T. comprensive di misure di Umidità e Temperature coerenti con quelle rilevate da strumentazione terza in ambiente di misura si riportano di seguito nella tabella di sintesi in cui il valore rilevato è stato adeguato ad un fattore di 1.000.000.000 per riportarlo in scala paragonabile al sensore campione che rileva CO2 in ppm.

Le future ricerche dovrebbero concentrarsi sul perfezionamento delle capacità del DUT e sull’esplorazione della sua applicazione in altri ambienti non solo di trasporto pubblico, ma anche sanitari.

Limiti dello Studio

Una limitazione di questo studio è rappresentata dal fatto che i test sono stati condotti in un simulatore di ambiente ferroviario e non in una carrozza operativa reale. Inoltre, la varietà di scenari testati è limitata, e futuri studi potrebbero considerare condizioni operative più diversificate per validare ulteriormente i risultati.

Prospettive future

Le future ricerche dovrebbero focalizzarsi sul miglioramento del dispositivo per l’uso in diversi tipi di ambienti confinati, includendo non solo trasporti pubblici, ma anche ambienti di lavoro e residenziali[12]. Inoltre, l’integrazione con sistemi di smart building potrebbe rappresentare un ulteriore passo avanti per ottimizzare la gestione della qualità dell’aria indoor[13]. Sebbene il dispositivo testato in questo studio abbia dimostrato efficacia nel monitoraggio e nella mitigazione degli inquinanti principali, ci sono diverse direzioni in cui la ricerca e lo sviluppo tecnologico possono progredire per affrontare in modo più completo questa problematica[14].

• Ottimizzazione e Miniaturizzazione del Dispositivo: Un’importante direzione per il futuro è l’ulteriore sviluppo del dispositivo, con l’obiettivo di ridurne le dimensioni e migliorarne l’efficienza energetica. Un dispositivo più compatto e a basso consumo energetico potrebbe essere integrato direttamente nelle infrastrutture dei trasporti pubblici, come nei sistemi HVAC (Heating, Ventilation, and Air Conditioning) delle carrozze ferroviarie. Questo approccio consentirebbe un monitoraggio continuo e una gestione in tempo reale della qualità dell’aria, senza necessità di interventi manuali frequenti.
• Integrazione con Sistemi di Smart Building e IoT: La crescente adozione di tecnologie IoT (Internet of Things) e Smart Building offre opportunità uniche per integrare il dispositivo in reti più ampie di monitoraggio ambientale. Con l’integrazione nei sistemi di smart building, i dati raccolti dal dispositivo potrebbero essere trasmessi in tempo reale a una piattaforma centrale, dove algoritmi di intelligenza artificiale (IA) potrebbero analizzare i dati per identificare tendenze, prevedere eventi critici e attivare automaticamente sistemi di purificazione dell’aria o allarmi.
• Espansione a diverse tipologie di Ambienti confinati: oltre al trasporto ferroviario, ci sono molti altri ambienti confinati in cui la qualità dell’aria è critica, come aerei, navi, autobus, scuole, uffici, e persino abitazioni private. Espandere l’applicazione del dispositivo a questi ambienti potrebbe migliorare significativamente la qualità dell’aria che respiriamo quotidianamente. Ad esempio, nelle scuole, il dispositivo potrebbe contribuire a ridurre l’esposizione dei bambini a inquinanti potenzialmente dannosi, migliorando così la loro salute e le loro prestazioni cognitive.
• Ricerca sugli effetti della qualità dell’aria sulla salute: un’altra prospettiva importante è la collaborazione con il settore medico per studiare gli effetti a lungo termine dell’esposizione a diversi livelli di inquinanti indoor. Dati più dettagliati potrebbero aiutare a stabilire nuove soglie di sicurezza e a sviluppare normative più rigorose. Inoltre, comprendere meglio come vari inquinanti interagiscono e contribuiscono a condizioni di salute come asma, allergie, e malattie cardiovascolari potrebbe guidare ulteriormente lo sviluppo del dispositivo e la sua configurazione per massimizzare la protezione della salute umana.

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[1] World Health Organization. (2018). Ambient (outdoor) air quality and health. Retrieved from WHO website.

[2] European Environment Agency. (2020). Air pollution: how it affects our health. Retrieved from EEA website.

[3] Kim, K. H., Kabir, E., & Kabir, S. (2018). A review on the human health impact of airborne particulate matter. Environment International, 74, 136-143.

[4] D’Amato, G., Cecchi, L., D’Amato, M., & Annesi-Maesano, I. (2014). Urban air pollution and respiratory allergy. European Respiratory Review, 23(132), 160-169.

[5] Legislative Decree no. 155 of 13 August 2010. Implementation of Directive 2008/50/EC on ambient air quality and cleaner air for Europe.

[6] European Commission. (2013). Directive 2010/31/EU of the European Parliament and of the Council of 19 May 2010 on the energy performance of buildings. Official Journal of the European Union.

[7] Directive 2008/50/EC of the European Parliament and of the Council of 21 May 2008 on ambient air quality and cleaner air for Europe.

[8] World Health Organization. (2010). WHO guidelines for indoor air quality: selected pollutants. Copenhagen: WHO Regional Office for Europe.

[9] ANSES (2013). Carbon dioxide in indoor air: concentrations and health effects.

[10] Bernasconi, C., & Valsangiacomo, C. (2014). Indoor air quality guidelines. WHO.

[11] Legislative Decree no. 155 of 13 August 2010. Implementation of Directive 2008/50/EC on ambient air quality and cleaner air for Europe.

[12] D’Amato, G., Cecchi, L., D’Amato, M., & Annesi-Maesano, I. (2014). Urban air pollution and respiratory allergy. European Respiratory Review, 23(132), 160-169.

[13] Allen, J. G., MacNaughton, P., Cedeno-Laurent, J. G., & Spengler, J. D. (2016). Green buildings and health. Current Environmental Health Reports, 3(3), 250-258.

[14] Chen, C., Zhao, B. (2011). Review of relationship between indoor and outdoor particles: I/O ratio, infiltration factor and penetration factor. Atmospheric Environment, 45(2), 275-288.