IT202200000077A1 - Metodo e sistema di controllo del rischio di contagio aereo indiretto negli ambienti chiusi - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Annessa a domanda di brevetto per INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo

?METODO E SISTEMA DI CONTROLLO DEL RISCHIO DI CONTAGIO

AEREO INDIRETTO NEGLI AMBIENTI CHIUSI?

RIASSUNTO

La presente invenzione ha per oggetto un sistema ed un relativo metodo di controllo della qualit? dell?aria e del rischio di contagio aereo indiretto per aerosolizzazione della carica virale in un qualsiasi ambiente chiuso occupabile da persone dotato di impianti di ventilazione meccanica controllata (VMC) di ricambio dell?aria. Per ?ambienti chiusi" si intendono qui tutti gli ambienti occupabili da persone e confinati da costruzioni nelle tre dimensioni di altezza, lunghezza e larghezza con possibilit? di aperture (uffici, abitazioni, scuole, centri commerciali, ospedali, stabilimenti, navi, aerei, automobili, ecc..).

A seguito dell?emergenza pandemica associata alla diffusione del virus SARS-CoV2 gli ambienti chiusi sono divenuti ambienti di rischio contagio anche a causa del fenomeno dell?aerosolizzazione della carica virale che pu? diffondersi anche a lunga distanza nell? ambiente chiuso e causare contagi indiretti. Monitorare e controllare la qualit? dell?aria all? interno degli edifici diviene quindi fondamentale in particolare negli ambienti di lavoro ed educativi dell? era post-pandemica.

Il comfort termoigrometrico negli ambienti chiusi non ? pi? quindi l?unico obiettivo da tenere in considerazione nel controllo dei parametri di qualit? dell?aria. Precedenti invenzioni come US5394934A, WO2006099125A2, ITMI20120506A1 avevano come obbiettivo il miglioramento della sola qualit? dell? aria di ambienti civili o di ambienti critici mediante aerazione automatizzata controllata dalla misurazione della concentrazione in aria di componenti gassosi e/o inquinanti aerei di diversa natura chimica e biologica. Grande rilevanza assume ora anche il controllo dei fattori di rischio contagio aereo da carica virale in ambiente esalata da individui potenzialmente infettivi, non direttamente collegabile ai livelli del solo parametro chimico o biologico misurato in ambiente ma influenzato anche da altri fattori quali il tempo di esposizione degli occupanti, l?attivit? e il numero degli occupanti, i fattori di ventilazione attivabili in quel particolare ambiente chiuso (misurati in ricambi d?aria orari) e dai parametri termoigrometrici.

L? ambito della presente invenzione inoltre non ? riconducibile alla sola epidemia da SARS-CoV2, ma potenzialmente estendibile anche a tutte le altre possibili infezioni virali a trasmissione aerea, noti i parametri specifici di esalazione della carica virale da individuo infetto associabile ad uno specifico virus o variante. Accanto al monitoraggio della temperatura e dell?umidit? dell?aria assumono rande rilevanza ai fini del controllo del rischio conta io aereo per aerosolizzazione, il monitoraggio di altri fattori quali la concentrazione di anidride carbonica (CO2) nell?aria, del numero di occupanti e del tempo di permanenza degli stessi (ovvero di esposizione) all? interno di un ambiente chiuso ove si possano trovare uno o pi? individui infetti. In questo nuovo contesto, la concentrazione cumulata di CO2 (misurata in ppm), pu? assumere il ruolo di indicatore indiretto di potenziale accumulo di carica virale nell? ambiente considerato, anche in base alla pi? recente e validata letteratura scientifica e tecnica. Il Richiedente ha ad esempio empiricamente verificato che in un?aula scolastica di normali dimensioni (150 mc) occupato da 15-20 persone in cui le uniche sorgenti emissive sono gli stessi occupanti della stanza, il valore di concentrazione della CO2 supera in poco tempo (meno di 1 ora) la soglia dei 1000 ppm, nota soglia indicatrice di bassa qualit? dell?aria secondo vari organismi internazionali tra cui il SAGE e L? ASHRAE, richiedendo quindi immediata apertura delle finestre per ricambiare l?aria in ambiente.

Non vi ? tuttavia una relazione semplice e diretta tra la concentrazione istantanea di CO2 e il rischio contagio degli occupanti. La stima del rischio contagio ? s? correlata alla CO2, ma non al suo valore istantaneo, bens? a quello cumulato nel tempo. La stima di rischio ? molto pi? complessa e coinvolge altri parametri, tra cui la variazione nel tempo del numero di occupanti/soggetti esposti e i fattori di aerazione. Un problema fondamentale nella costruzione di un sistema efficace di monitoraggio e controllo del rischio contagio per aerosolizzazione di carica virale in un ambiente chiuso ? quindi la corretta elaborazione e verifica periodica di numerosi fattori. Come evidenziato dalle pi? recenti pubblicazioni scientifiche, non basta infatti limitarsi all? informazione contenuta nel segnale della CO2 ed impostare soglie opportune sui livelli in ppm di concentrazione della stessa. Questo fatto ? facilmente comprensibile anche attraverso il seguente esempio: se fosse impostata una soglia di allarme, ad esempio, su 800 ppm e l?ambiente permanesse ad un livello di concentrazione di equilibrio di 700 ppm, ovvero sotto soglia, non si avrebbe alcuna segnalazione di rischio contagio in quanto sempre ?sotto soglia?. Tuttavia, ci? non esclude che alcuni occupanti siano rimasti nell? ambiente considerato sufficientemente a lungo tale da aver inspirato un cumulato di carica virale, che, pur sotto soglia, sia stato sufficiente ad infettarsi. Al contrario se le soglie critiche di CO2 fossero superate periodicamente ma pe intervalli brevissimi, ci? produrrebbe una continua segnalazione di allarmi e di richiesta di apertura delle finestre, a fronte di un cumulato di potenziale carica virale inalata dagli occupanti molto esiguo (ovvero le richieste di apertura sarebbero state inutilmente eccessive).

Quello che conta non ? quindi la concentrazione istantanea di CO2, ma la concentrazione cumulata effettivamente inalata di carica virale da parte degli occupanti, indirettamente associata alla CO2 effettivamente emessa ed inalata da uno qualsiasi degli occupanti per tutto il tempo di esposizione degli stessi nell? ambiente chiuso. Il segnale della CO2 ? importante per capire (indirettamente) come evolve istantaneamente una potenziale carica virale in ambiente, ma soltanto una sua complessa elaborazione temporale unita al monitoraggio di altri parametri quali il numero di occupanti nel tempo e dei fattori di ventilazione (ovvero di diluizione di carica virale), consente una stima corretta del rischio contagio durante tutto il tempo di esposizione. Al contrario, un sistema di allarme e segnalazione basato solo su semplici soglie, comunque arbitrarie, del valore istantaneo della concentrazione di CO2 pu? condurre ad una stima non corretta del rischio contagio e a non corrette segnalazioni di apertura/chiusura delle finestre. Vi ? inoltre da tenere in considerazione la situazione invernale, pi? critica di quella estiva per l?impossibilit? di tenere le finestre aperte per periodi troppo prolungati, che causa anche notevole dispendio energetico. Un sistema basato sul controllo della funzione di rischio contagio anzich? sul solo controllo delle soglie della concentrazione istantanea di CO2 consentirebbe di programmare ed eventualmente ri-programmare dinamicamente i tempi di ON/OFF di impianto e i livelli di portata d?aria di rinnovo nei singoli ambienti, riducendo allo stretto necessario le richieste di aerazione integrativa mediante apertura delle finestre. Inoltre, attraverso la misura di temperatura e umidit? relativa in ogni locale, il sistema pu? limitare il discomfort termico per gli occupanti ed il correlato spreco energetico per l?edificio che ospita l?ambiente considerato.

A tal fine, ? necessario basare il sistema di segnalazione su una funzione predittiva che stimi (sotto opportune ragionevoli ipotesi) la probabilit? di contagio future nel successivo periodo di esposizione a partire dall?ultimo ciclo di lettura dei valori misurati, verificando che anche negli istanti futuri il rischio contagio per gli occupanti rimanga sotto una soglia critica, definibile a priori. Accanto ad un sistema fisico di monitoraggio sar? quindi necessario implementare un modello matematico/probabilistico basato sulla stima attuale e predittiva della ?funzione di rischio contagio R?, associabile al cumulato dei livelli misurati di CO2, al numero di occupanti e allo storico degli effettivi livelli di aerazione.

Infine, anche un valore fissato e predeterminato dell'indice di affollamento dell'ambiente (ad esempio desunto da normative) pu? condurre ad una stima non sempre corretta del rischio contagio, in quanto il gruppo di persone nell? ambiente ? soggetto a cambiamenti anche rapidi durante il tempo di esposizione. E? quindi importante monitorare anche questo parametro. Il problema alla base della presente invenzione ? quindi quello di mettere a disposizione un metodo e un sistema fisico per controllare pi? correttamente e con feedback in tempo reale il rischio di contagio aereo per aerosolizzazione in uno o pi? ambienti chiusi mediante ventilazione meccanica integrabile con apertura delle finestre. Tale metodo e sistema dovr? garantire che determinate soglie di rischio contagio (indirettamente collegate alla concentrazione istantanea di CO2) non vengano superate per tutta la durata del tempo di esposizione degli occupanti. Nel seguito il termine ?rischio contagio? sottintender? ?rischio contagio indiretto per aerosolizzazione della carica virale in ambiente? e ?ambiente? sottintender? ?ambiente chiuso? con almeno un accesso e, una o pi? superfici finestrate apribili.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

Intendendo che i disegni allegati raffigurano solo forme di realizzazione esemplificative dell'invenzione e non devono quindi essere considerati limitanti nell'ambito della presente invenzione, essi vengono di seguito descritti:

FIG. 1 illustra una possibile realizzazione del sistema di monitoraggio e controllo del rischio di contagio indiretto in ambiente chiuso in presenza di impianto VMC integrabile da apertura controllata delle finestre

FIG. 2 illustra i componenti nelle sue collocazioni funzionali in una possibile realizzazione del sistema di monitoraggio e controllo del rischio di contagio indiretto mediante impianto VMC integrabile da apertura controllata delle finestre

FIG. 3.1 illustra un diagramma di flusso esemplificativo della logica concettuale di funzionamento esplicitata alla successiva FIG.3;

FIG. 3.2 illustra un diagramma di flusso in cui ? esplicitata la logica concettuale di funzionamento con riferimento alla precedente FIG.2;

FIG. 4 illustra la curva di concentrazione di CO2 in ppm nell? ambiente considerato da cui ricavare i parametri ERq (tasso emissivo di carica virale per il gruppo di N occupanti) e AERj (ricambi d?aria all? ora per una specifica configurazione di aperture j);

FIG. 5 illustra una forma di realizzazione di interfaccia grafica utente di esempio in cui ? esplicitata la sezione di monitoraggio parametri fisici;

FIG. 6 illustra una forma di realizzazione di interfaccia grafica utente di esempio in cui ? esplicitata la sezione di monitoraggio rischio contagio per un caso sotto soglia e 100% di occupanti vaccinati;

FIG. 7 illustra una forma di realizzazione di interfaccia grafica utente di esempio in cui ? esplicitata la sezione di monitoraggio rischio contagio per un caso sotto soglia e bassa percentuale di occupanti vaccinati;

FIG. 8 illustra una forma di realizzazione di interfaccia grafica utente di esempio in cui ? esplicitata la sezione di monitoraggio rischio contagio per un caso sopra soglia gestibile con apertura delle finestre;

FIG. 9 illustra una forma di realizzazione di interfaccia grafica utente di esempio in cui ? esplicitata la sezione di monitoraggio rischio contagio per un caso sopra soglia gestibile solo con evacuazione delle persone;

FIG. 10 illustra tre configurazioni di apertura di una porta e due finestre in una tipica aula scolastica e corrispondenti valori assunti della variabile AER (ricambi d?aria orari);

DESCRIZIONE DETTAGLIATA

Le problematiche sopra esposte attinenti la stima del rischio contagio nel tempo sono risolti, secondo il richiedente, da un sistema e un metodo complesso, quale quello proposto dalla presente invenzione, atto ad elaborare correttamente la funzione di rischio contagio R durante tutto il tempo di esposizione, di verificarne periodicamente le soglie di sicurezza e sulla base di ci? segnalare le contromisure pi? adatte per tenere i livelli di rischio contagio sotto determinate soglie critiche. Tali contromisure segnalate in tempo reale dal sistema potranno essere l? attivazione di un impianto di ricambio automatico dell? aria (VMC) ad un valore richiesto di portata integrato da intervalli ottimali di apertura di una combinazione di porte e/o finestre, o in casi estremi e qualora necessario anche l?evacuazione di parte degli occupanti in situazione di rischio critica e non risolvibile mediante ventilazione. La contromisura stabilita dal sistema potr? anche tenere conto della % dei vaccinati nel gruppo monitorato.

Tale scopo ? sostanzialmente raggiunto da un metodo e un sistema di seguito illustrati e secondo una o pi? delle seguenti rivendicazioni, nonch? secondo uno o pi? delle forme realizzative di seguito descritte che prevedono la rilevazione continua della concentrazione di CO2 nell'ambiente chiuso, l? eventuale rilevazione continua del numero effettivo degli occupanti N, nonch?, la stima indiretta dal decadimento della concentrazione della CO2 degli effettivi livelli di ventilazione naturale derivanti dalle diverse combinazioni di apertura di porte e finestre per differenti condizioni climatiche. Nella presente invenzione viene adottata la rigorosa definizione probabilistica di rischio contagio per aerosolizzazione della carica virale, secondo noti modelli dalla letteratura scientifica quali Riley (Am. J. Epidemiol. Vol 107, n.5, 431?432. 1978) e Gammaitoni (Emerg. Infect. Dis.335?342., 1997) con possibilit? di inserire i valori del parametro ERq da letteratura, ad esempio per la variante alpha del SARS-CoV2, da Buonanno (Environ. Int.2020 Aug;141:105794).

In un aspetto l'invenzione riguarda un metodo generale per il controllo del rischio contagio per aerosolizzazione in un ambiente chiuso mediante apertura manuale o automatica delle finestre o mediante controllo automatico di un preesistente impianto ad aria eventualmente integrabile dall? apertura controllata delle finestre. La contromisura di volta in volta stabilita dal sistema sulla base della stima del rischio contagio potr? anche tenere conto della % dei vaccinati nel gruppo monitorato, che abbassa il numero di soggetti suscettibili N, innalzando la relativa soglia di rischio di un contagio.

Con riferimento alla Figura 1, tale sistema comprende uno o pi? sensori di rilevazione di CO2 con incorporati sensori di temperatura e umidit? dell'aria in ambiente, anche detti multisensori (4), sensori magnetici di apertura/chiusura porte e finestre (6), una centralina di elaborazione (2.1) dotata di display e interfaccia utente eventualmente a bordo macchina. La centralina (2.1) riceve ed elabora i segnali da tutti i sensori e comunica con l?utente o gli utenti mediante un display (2.2) posizionato nell? ambiente monitorato. La centralina (2.1) pu? comandare in automatico eventuali attuatori (apertura automatica) o limitarsi a segnalare mediante allarme trasmesso al display (2.2) la richiesta di apertura/chiusura manuale delle superfici finestrate poste tra l?ambiente chiuso e l?esterno dell?edificio e/o della porta di ingresso nell? ambiente chiuso. L?apertura/chiusura delle superfici finestrate comunicanti con l?esterno in eventuale combinazione con l?apertura della porta di ingresso consente la ventilazione naturale dell'ambiente chiuso ad integrazione della VMC, dette aperture essendo dotate di mezzi di chiusura regolabili (e.g. ante o vasistas). Preferibilmente, ma non necessariamente, dette segnale di comando inviato da quest'ultima e ad attuare detti mezzi di apertura/chiusura in funzione di detto segnale di comando al fine di regolare automaticamente l?immissione in detto ambiente chiuso di aria di rinnovo proveniente dall'esterno.

Una peculiarit? che rende innovativo il sistema proposto rispetto ad arti anteriori (per quanto risultante al Richiedente) ? la capacit? del sistema di auto-misurare i fattori effettivi di aerazione (AERj<nat>) per una data combinazione j di aperture dello specifico ambiente ove verr? installato il sistema. La capacit? del sistema di ?auto-apprendere? i valori effettivi di aerazione di quello specifico ambiente (ad esempio di una determinata aula scolastica dotata di specifiche aperture finestrate) rende la stima del rischio contagio molto pi? affidabile e il controllo del rischio contagio pi? efficace. ? noto infatti che i valori di aerazione in termini di effettivi ricambi d?aria all?ora siano influenzati da vari fattori difficilmente conoscibili e programmabili a-priori per un particolare ambiente chiuso, quali:

- differenze di temperature ?T diverse nei diversi mesi dell?anno tra interno ed esterno dell? edificio (questo particolarmente nella stagione fredda)

- valori specifici di umidit? relativa (UR) in ambiente

- direzione del vento e variazioni di velocit? attraverso le varie superfici apribili

- ubicazione e orientamento di quella specifica aula o ambiente chiuso

Per i suddetti motivi la capacit? del sistema di auto-misurare valori di aerazione naturale nell? effettivo luogo di installazione del sistema (giorno per giorno a seguito di ogni evacuazione dell? ambiente) e monitorando la combinazione delle aperture consente al sistema di inserire nella stima della funzione di rischio contagio R e nella verifica della ?condizione di sicurezza? illustrati nella successiva sezione ?Schema Generale di Funzionamento? valori assolutamente sensati e ?misurati? dei parametri di aerazione naturale AERj<nat>. I sensori del sistema proposto potranno comunicare mediante cavo o mediante sistemi wireless come ad esempio il noto protocollo LoRa. Un?ulteriore peculiarit? del sistema proposto ? la possibilit? di trasmettere i segnali gi? raccolti dalla centralina dell?aula verso una sistema di gestione centralizzato all? interno della scuola o anche all?esterno dell?edificio mediante ad una ricevente antenna esterna collegabile ad un sistema in cloud, in grado di trasmettere/ricevere senza fili i dati anche a grande distanza. L?evidente vantaggio ? la possibilit? di creare una rete di monitoraggio wireless di aule all?interno dello stesso edificio e/o di scuole all? interno dello stesso distretto o provincia con monitoraggio e analisi dati in cloud. A supporto descrittivo della presente invenzione si allegano le Figure 1-10 precedentemente descritte.

Schema generale di funzionamento

Lo schema generale di funzionamento ? illustrato nel diagramma di flusso delle Figure 2 e 3 e fa riferimento alle configurazioni di esempio di Figura 1, ove il sistema ? ipotizzato installato, in un?aula di una struttura scolastica (senza perdita di generalit? per altre tipologie di edificio) ove ? gi? presente un impianto di VMC (10) in grado di operare ad un dato volume di ricambi d?aria richiesti mediante modulazione locale con valvole VAV (8.1 e 9.1) a volume d?aria variabile.

Con riferimento a tali Figure, le fasi dello schema di funzionamento della centralina 2.1 ? di seguito riportato:

100 - Inizializzazione di tutte le variabili del sistema di controllo: N ? numero degli occupanti (se presente un contapersone N=0); livello di CO2 iniziale CO2=CO2,0 ; Vi (vettore dei volumi di tutti gli ambienti monitorati), variabile contacicli n=0; t=00:00; tcontrol = xx minuti; tend = tempo totale di permanenza medio degli occupanti nello specifico ambiente considerato (nel caso di un?aula scolastica tend= 5h); W (vettore degli stati aperto/chiuso di apertura delle finestre e di ON/OFF della VMC); Inserimento opzionale del valore del fattore emissivo virale medio ERq,viral o del valore di ? (si veda fase 200).

200 - Acquisizione continua del numero di occupanti N(t) dal contapersone (5). Acquisizione continua della concentrazione di anidride carbonica in aria CO2(t), della temperatura ambiente T(t) e dell?umidit? relativa UR(t) dai sensori 4_1 e 4_2. Acquisizione del livello di ventilazione di impianto

Aggiornamento della variabile di stato Wj di segnalazione aperto/chiuso di tutte le porte e le finestre. Aggiornamento della variabile conta-cicli di controllo n = n 1. Possibile acquisizione del numero dei soggetti vaccinati in ambiente e calcolo della relativa percentuale.

Stima ciclica dell? effettivo parametro emissivo medio di anidride carbonica

che pu? essere o calcolato partendo dal valore noto di a persona o

ricavato durante il ciclo di controllo n-esimo applicando al segnale tempo-dipendente CO2(t) ad ogni ciclo di controllo di durata tcontrol una regressione, ad esempio di tipo esponenziale:

Dove ? il valore di fondo misurato senza occupanti o all? esterno dell? edificio,

? ? il volume dell?ambiente i e ?? ? il particolare valor medio di ricambi d? aria

orari per ventilazione naturale ottenuto da una particolare configurazione j di apertura di porte e finestre dell?ambiente monitorato (6) o, alternativamente, ? un possibile livello di ricambio d?aria orario dovuto ad un impianto di ricambio dell? aria meccanico automatizzato (8), se presente in detto ambiente. Inizialmente i differenti livelli

sono definiti dall? utente, successivamente, con il passare dei giorni, sono auto-appresi dal sistema, mediante la procedura illustrata alla successiva fase 390.

Da ci? il sistema pu? stimare e archiviare il fattore emissivo virale medio per persona presente durante il ciclo n, mediante una costante di proporzionalit?? inseribile nel sistema da valori di letteratura per una situazione di riferimento relativa a singolo soggetto emettitore con attivit? respiratoria media di riferimento. In alternativa si pu? assumere un valore di da letteratura, ad esempio da (Environ. Int.2020 Aug;141:105794).

300 - Verifica della condizione t = n*tcontrol sul tempo trascorso (al fine di attivare il controllo periodico della funzione di rischio Rn) unita alla condizione sul numero di occupanti N>0 (verifica di almeno un presente nell? ambiente).

Se la condizione 300 ? soddisfatta allora ? necessario effettuare il controllo della funzione di rischio R e si passa alla fase 400. Se la condizione 300 non ? soddisfatta si effettua un?ulteriore veri fica sul numero degli occupanti (350) al fine di procedere ad una stima dei parametri AERj<nat >(se non ci sono occupanti)

350 ? Verifica istantanea del numero degli occupanti N>0. Se questa verifica NON ? soddisfatta, ovvero se N=0, si avvia una procedura che riguarda le sotto-fasi (360, 370, 380) atta a verificare che la condizione di assenza di occupanti perduri per almeno mezzora al fine di procedere con l? autostima di un parametro di ventilazione naturale AERj<nat>.

360 ? Acquisizione successiva (o con intervallo temporale sufficientemente piccolo non superiore ad un minuto) del numero degli occupanti N(t) e del segnale CO2 (t) per t?30 minuti a partire dall? istante t di avvio della fase 360

370 ? Verifica periodica del numero di occupanti N. Se per tutti i 30 minuti ? stato verificato N = 0, si procede all? acquisizione del parametro di aerazione AERj<nat >in assenza di occupanti passando alla fase 390 (l?assenza di occupanti ? necessaria per non influenzare i livelli di CO2 e quindi tale misura).

390 ? Mediante il metodo del decadimento della concentrazione di CO2 in ppm a seguito di evacuazione completa dell?ambiente (secondo quanto illustrato nella Figura 4) si procede all? auto-misura mediante regressione non lineare del coefficiente di ventilazione naturale mediante funzione di decadimento esponenziale, dove

? il valore di picco all? istante tstart della concentrazione di CO2 in ppm prima

del decadimento:

Il valore stimato AERjnat ? relativo ad una particolare combinazione j di apertura di finestre e porte e per una specifica coppia di valori di temperatura T in ?C e umidit? relativa UR. La terna di valori AERjnat (T, UR) verr? trasmessa per archiviazione alla centralina.

400 ? Stima ciclica della funzione di rischio Rn(t) dall?istante attuale ? fino al termine del tempo di esposizione texp utilizzando o il valore di ricavato alla fase 200 o valori di letteratura per l?attivit? respiratoria prevalente dei soggetti emettitori e i valori automisurati alle fasi 370-390 mediante stima numerica approssimata della formula:

(*)

Dove ? la funzione nel tempo dei ricambi d?aria complessivi somma dei ricambi per ventilazione naturale e ventilazione meccanica composta da una parte antecedente l? istante attuale che contiene lo storico dei valori AERjnat come rilevati dalla registrazione delle aperture dei sensori magnetici (6) e da una parte futura che ipotizza l?ultimo ciclo di apertura ripetuto ciclicamente dall? istante attuale fino al raggiungimento del tempo totale di esposizione texp. Il parametro texp corrisponde al tempo totale di permanenza in ambiente degli occupanti assunto come tempo totale di esposizione. Nel caso di un?aula scolastica esso corrisponde normalmente a 5 ore.

In (*) ? ? un valore costante desumibile da letteratura scientifica che corrisponde ad un valore di aerazione corrispondente al tasso di auto-disattivazione della carica virale in ambiente.

Verifica della ?condizione di sicurezza? che definisce il pi? basso livello di rischio L0 (rischio molto basso) sulla base della funzione di rischio calcolata al ciclo di controllo n-esimo per valori della variabile temporale t compresi tra l?istante attuale e il tempo totale di esposizione:

Per la verifica della ?condizione di sicurezza? L0 ? necessaria la lettura del numero istantaneo N(tn) di occupanti all?istante tn. La formula estesa di ? ? riportata in (*). La condizione (**) esprime matematicamente l?assenza di probabili contagi per aerosolizzazione in un gruppo di N persone gi? esposte per un tempo t e fino alla fine del tempo di esposizione, ove sia supposta la presenza di una sorgente infettiva, e noti il volume dell? aula e gli specifici fattori di aerazione dell? ambiente chiuso.

Se la condizione (400) ? soddisfatta ovvero se il livello di rischio attuale e previsto ? molto basso, non lanciare alcun segnale di allarme e passa alla fase (450).

Se la condizione (400) NON ? soddisfatta allora passa alla fase 500 (contromisure per abbassare il rischio contagio).

450 - [opzionale in caso di lettura del dato %vaccinati nella variabile %vx] verifica la %vaccinati e innalza la soglia di rischio di un contagio assegnando un valore corrispondente al parametro k nella condizione (**) mediante la relazione k = kv = 1 / %vx . Es. se %vx =50%, allora kv = 2.

460 - [opzionale in caso di lettura del dato %vaccinati] se (450) ? verificata, segnala la possibilit? di togliere le mascherine e torna alla fase (200)

470 - [opzionale in caso di lettura del dato %vaccinati] se (450) non ? verificata, segnala la necessit? per tutti gli occupanti di tenere indossate le mascherine e torna alla fase (200)

500 ? Se durante il ciclo di controllo n-esimo (fase 400) la ?condizione di sicurezza? (**) per il pi? basso livello di rischio (L0) non ? stata verificata, la centralina 2.2 invia uno specifico segnale di allarme agli occupanti e comunica madiante il display 2.1 in ambiente una specifica contromisura da attuarsi in base al valore attuale della funzione di rischio e al valore finale al termine del previsto tempo di esposizione

= Rtexp, di modo da soddisfare nuovamente la ?condizione di sicurezza? (*).

Tale specifico segnale potr? differenziarsi per differenti livelli di rischio in base al valore assegnato al parametro di sicurezza k e richieder? differenti livelli di contromisure corrispondenti che l?operatore o gli occupanti potranno attivare. Un possibile valore di k ?, ad esempio, 0.5 che dimezza la soglia di rischio di un contagio, rendendola il doppio pi? stringente. A titolo puramente esemplare si potranno definire quattro livelli di rischio (basso L1, intermedio L2, elevato L3, molto alto L4), tali che per i primi tre livelli L1-L3, la nuova funzione di rischio Rtexp,2 calcolata al termine del tempo di esposizione texp soddisfi nuovamente la condizione di sicurezza L0 per un dato valore di k.

A titolo esemplare ed in riferimento ad esempio alla Figura 1 (illustrante tipiche aule scolastiche con tre aperture ovvero due finestre e una porta e impianto a VMC) e alla Figura 9 si segnaleranno differenti condizioni di aerazione manuale tali che:

- al livello di rischio L1 corrisponda la richiesta di apertura di una sola finestra e un livello minimo di aerazione naturale AER1<nat>

- al livello di rischio L2 corrisponda la richiesta di apertura di entrambe le finestre e un livello intermedio di aerazione naturale AER12<nat >

- al livello di rischio L3 corrisponda la richiesta di tutte le aperture (sia finestre che porte) a cui far corrispondere il massimo livello di aerazione naturale AERall<nat >

In questo esempio specifico e non limitante, durante questa fase (500) la centralina calcoler? un nuovo ciclo di apertura/chiusura ciclica definito dal rapporto tow / tcw (tow = tempo di apertura, tcw = tempo di chiusura) delle superfici apribili nella configurazione j suggerite dalla centralina tale da aversi nuovamente soddisfatta la ?condizione di sicurezza? L0 in (400) con la nuova funzione di rischio Rtexp,2 calcolata con un nuovo ciclo di aerazione mista AER2(tow / tcw)= AER2<nat>(tow / tcw) AER2<VMC >(ton / toff) in cui sono state aumentate progressivamente il numero delle aperture per ventilazione naturale e/o eventualmente il valore AER2<VMC >della ventilazione meccanica nell? ambiente considerato. Esempi di funzioni AER(tow / tcw) sono illustrate con linee tratteggiate di diversi colori nelle Figure 6-9. Sulla base del nuovo ciclo di apertura la centralina segnaler? sul display (TSD) gli intervalli di apertura/chiusura di una combinazione ottimale j di porte e finestre.

Qualora infine non fosse possibile soddisfare la ?condizione di sicurezza L0? neanche con il massimo valore di ventilazione naturale e meccanica ottenibile Max[AER2] nell?ambiente considerato, si configura una situazione di rischio contagio molto alto non sanabile per nessun valore di portata di ventilazione meccanica integrata da combinazione di apertura di porte e finestre (L4):

- a questo livello di rischio L4 corrisponder? una richiesta di abbassamento immediato del tono di voce di tutti gli occupanti ed in particolare della sorgente di carica virale maggiore (il docente) ad esempio mediante richiesta di utilizzo di microfono, unita ad una richiesta di indossare mascherina FFP2 per il docente con un corrispondente aggiornamento del parametro emissivo virale ERq nella (*). Se, nuovamente, la nuova funzione di rischio R non soddisfacesse la condizione L0 (**), la centralina richieder? l?evacuazione parziale o totale dell?ambiente chiuso, come illustrato in Figura 10.

NOTA: Una versione ulteriormente migliorativa della presente invenzione potr? considerare la chiusura/apertura ottimale in base ai gradienti termici stagionali misurati tra ambiente ed esterno dell? edificio.

Ad esempio se la differenza di temperatura ? maggiore di una soglia e.g di 15 ?C, ci? corrisponde ad una condizione invernale e ai fini del comfort termoigrometrico e dell? efficienza energetica il sistema suggerir? sempre la chiusura di tutte le aperture una volta ottenuto un livello di aerazione minimo per un tempo minimo tow atto a soddisfare la ?condizione di sicurezza? 400 e un? ulteriore vincolo sul calo di temperatura in ambiente (ad esempio: T > 19?C sempre).

Se, al contrario, la differenza di temperatura sar? di pochi gradi centigradi (clima moderatamente estivo), il sistema potr? segnalare invece una combinazione ottimale di apertura/chiusura nella quale non verranno mai chiuse tutte le finestre ma soltanto alcune mentre altre resteranno sempre aperte o parzialmente aperte (nel caso ad esempio di sistemi di chiusura a vasistas o mediante fermafinestre), atte sempre a garantire il soddisfacimento della ?condizione di sicurezza?400 e, ad esempio, T > 19?C .

600 ? Se la funzione di rischio contagio predittiva ha gi? superato la soglia di sicurezza L1 (rischio moderato), segnalazione di allarme di livello L1 e indicazione tramite display (2.2) di apertura di una sola finestra corrispondente a un livello di aerazione AER1 con tempi ciclici di apertura/chiusura (tow/tcw)1 o, alternativamente, invio di di apertura finestre e porta e di ON di impianto di ventilazione meccanica, nella variabile W.

700 ? Se la funzione di rischio contagio predittiva ha gi? superato la soglia di sicurezza L1 (rischio intermedio), segnalazione di allarme di livello L2 e richiesta tramite display (2.2) di apertura di entrambe le finestre corrispondenti a un livello di aerazione intermedio AER12 con tempi ciclici di apertura/chiusura stimati dalla centralina (tow/tcw)12, o, alternativamente, invio di segnale di ON all?impianto di ventilazione meccanica con richiesta di livello di ricambio d?aria AER2. Aggiornamento status di apertura finestre e porta o, alternativamente, di ON di impianto di ventilazione meccanica, nella variabile W.

800 ? Segnalazione di allarme di livello L3 in quanto la funzione di rischio contagio predittiva ha superato la soglia di sicurezza L3 (rischio elevato) e indicazione tramite display di richiesta immediata di microfono FFP2 per il docente, abbassamento del tono di voce per tutti gli occupanti richiesta di apertura tutte le finestre e le porte dell? ambiente chiuso e invio di segnale di ON all?impianto di ventilazione meccanica con richiesta di livello massimo di ricambio d?aria AERmax. Ci? corrisponde al massimo livello di aerazione naturale AERall<nat >e al massimo livello di ricambio d?aria mediante impianto di ventilazione meccanica. La durata della condizione di massima apertura o massima ventilazione ? data dalla ri-verifica della condizione L2. Aggiornamento status di apertura finestre e porta o, alternativamente, di ON di impianto di ventilazione meccanica, nella variabile W.

900 ? Segnalazione di allarme di livello L4 in quanto la funzione di rischio contagio predittiva ha superato la soglia di sicurezza L3 (rischio elevato) che non pu? essere sanata mediante in alcun modo mediante ricambio dell?aria naturale o meccanica. Indicazione tramite display di evacuazione parziale o totale degli occupanti apertura di tutte le finestre e le porte dell? ambiente chiuso o, alternativamente, invio di segnale di ON all?impianto di ventilazione meccanica con richiesta di livello massimo di ricambio d?aria AERmax. Ci? corrisponde al massimo livello di aerazione naturale AERall con tempi ciclici di apertura/chiusura (tow/tcw)all. Aggiornamento status di apertura finestre e porta o, alternativamente, di ON di impianto di ventilazione meccanica, nella variabile W.

Esempio: sistema di controllo del rischio contagio indiretto del virus SARS-COV2 per aerosolizzazione della carica virale in un?aula scolastica non dotata di impianto di ventilazione automatica ma di sole finestre.

Segue una descrizione dettagliata di una forma di realizzazione esemplare, ma non esclusiva, di un metodo e un relativo sistema di controllo della qualit? dell'aria in un ambiente chiuso (aula scolastica) in accordo con la presente invenzione. Tale descrizione verr? esposta qui di seguito con riferimento al disegno allegato delle Figure 1-3.

L? esempio raffigurato in Figura 2 rappresenta il sistema oggetto della presente invenzione per una tipica aula scolastica o universitaria (1) o realizzazioni multiple della stessa nello stesso edificio, dotate ognuna nello specifico esempio di due superfici finestrate apribili monitorabili mediante i sensori (6.1 e 6.2), della porta di ingresso monitorabile mediante il sensore (6.3) ed eventualmente di un impianto di ricambio dell? aria meccanico automatizzato (10), detto anche a VMC, in grado di evacuare ed immettere aria di rinnovo dall?esterno dell? aula con livelli controllabili e misurabili di volumi ora riambiati AERj<VMC >(in questo caso j si riferisce ai diversi livelli di ricambio d?aria ottenibili dal solo impianto a VMC). In riferimento a tale figura si hanno l?ambiente chiuso aula identificato dal numero 2, nel caso di sola ventilazione naturale il sistema fa riferimento alle due superfici finestrate apribili.

All? interno di detta aula uno o pi? sensori interni di CO2 (4) e un sensore esterno opzionale (4.1) sono operativamente collegati alla centralina (2.1) e atti a rilevare in almeno un punto dell'ambiente chiuso un valore istantaneo rappresentativo della concentrazione reale assoluta e relativa di biossido di carbonio (CO2), ove la concentrazione relativa ? calcolata o sottraendo dal segnale dei sensori interni il segnale di fondo misurato all? esterno dal sensore (4.1) o, in assenza di sensore esterno, sottraendo il segnale di equilibrio misurato dagli stessi sensori interni in assenza di occupanti. Un ulteriore sensore ? posto in prossimit? della porta di ingresso con la funzione di contapersone (5), in grado di trasmettere alla centralina il numero N di occupanti in aula ad un dato istante.

Il sistema ? inoltre dotato di un router dedicato (3) per la rice-trasmissione wireless dei dati via protocollo LoRa [LoRa] verso ricevente esterna che consente poi, mediante opportuni server, la gestione in web-cloud di tutti i dati misurati dai sensori per una successiva elaborazione e ri-trasmissione alla centralina (2.1) e ai display di segnalazione (2.2, 2.3). In alternativa, la centralina stessa (2.1 o 2.3) potr? fungere da ?data logger?locale mediante apposito sistema locale di archiviazione (e.g. tipicamente memorie estraibili del tipo SD card o SSD).

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI Annesse alla domanda di brevetto per INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo ?SISTEMA DI CONTROLLO DEL RISCHIO DI CONTAGIO AEREO INDIRETTO NEGLI AMBIENTI CHIUSI? 1. Un sistema di componenti, comprendente, nella sua forma pi? generale: - uno o pi? sensori fisici (4) (detti anche multi-sensori) ognuno atto a monitorare in continua e trasmettere attraverso un gateway (3) direttamente alla centralina a bordo macchina (2.1), ai display nei singoli ambienti (2.2) e/o ad un display di gestione centralizzata sito in apposito locale (2.3), la concentrazione di biossido di carbonio (CO2), la temperatura e l?umidit? relativa all?interno dell?ambiente chiuso (1) e, opzionalmente, un sensore posto all? esterno dell?edificio (4.1) per la misura del valore di fondo della concentrazione di CO2 in ppm - un eventuale contapersone (5) per la stima automatica del numero di occupanti ad ogni istante (da realizzarsi ad esempio mediante sensore a infrarossi o mediante telecamere stereoscopiche) atto a stabilire il valore istantaneo del numero di occupanti N(t), sostituibile dalla possibilit? di inserimento manuale del valore medio di N - un gateway (3) connesso a Internet in grado di raccogliere tutti i segnali da una rete di multisensori (4) situati nelle molteplici realizzazioni di detto ambiente (1) in un edificio, tramite protocolli Wi-Fi standard o tramite protocollo di comunicazione LoRaWAN, e inviarli verso un server esterno - un impianto di ventilazione meccanica controllata VMC (10) dotato di misuratore di portata (10.1) collegato elettricamente alla centralina di controllo (2.1), costituito, nella sua forma pi? essenziale, almeno dai seguenti sottocomponenti: o una condotta aeraulica di mandata principale (7.1) dell?aria di rinnovo proveninente dall?esterno dell?edificio (11) collegata alla VMC (10), e alle sottocondotte per la distribuzione dell?aria in tutti gli ambienti (1) attraverso una o pi? bocchette di immissione dotate di valvola di apertura/chiusura di tipo VAV (volume d?aria variabile) (8) e segnalatore di apertura (8.1) o una condotta aeraulica di ritorno principale (7.2) dell?aria da espellere in punto sito all?esterno dell?edificio (12) collegata alla VMC (10), e alle sottocondotte per la l?estrazione dell? aria in tutti gli ambienti (1) attraverso una o pi? bocchette di estrazione dotate di valvola di apertura/chiusura di tipo VAV (volume d?aria variabile) (9) e segnalatore di apertura (9.1) o uno o pi? ventilatori di mandata/ritorno calettati all? interno della VMC, opportunamente alimentati con uno di essi dotato di misuratore di portata (10.1) e collegato o elettricamente o senza fili via LoRa o Wifi alla centralina (2.1) o uno o pi? filtri dell? aria posizionati all?interno della VMC o uno o pi? silenziatori posizionati all?interno della VMC - una unit? di elaborazione o centralina (2.1) comprendente un?interfaccia utente visualizzabile tramite display (TSD) collegata senza fili via Wifi o LoRa ai multisensori (4) e al contapersone (5) del singolo ambiente chiuso, ai sensori di apertura delle bocchette (8.1 e 9.1), e altres? atta alla ricezione di un segnale di stato ON/OFF (acceso/spento) e del relativo livello di portata (in m<3>/h) dall? impianto VMC (10) e altres? atta alla trasmissione di un segnale di richiesta ON/OFF (accensione/spegnimento) all?impianto VMC (10) e dell? indicazione, nel caso di segnale ON, del livello di portata richiesto (in m<3>/h) o di ricambio dell? aria (in vol/h), caratterizzata dalla capacit? di: o calcolare e periodicamente aggiornare la funzione di rischio contagio per aerosolizzazione R(t) (*) in funzione del tempo per tutto il tempo di esposizione, nonch? verificare periodicamente la ?condizione di sicurezza? (**) o automisurare i fattori di ventilazione naturale AERj<nat>(?T,UR) da decadimento della concentrazione di CO2 in ppm rilevata dal multisensore (4); memorizzare i set di valori AERj<na >(T, ?Tin-out, %UR) in un dataset aggiornato giornalmente 2. Un metodo per il monitoraggio predittivo automatico e il controllo del rischio di contagio indiretto da patologie virali a trasmissione aerea per aerosolizzazione della carica virale in un ambiente chiuso o in molteplici realizzazioni dello stesso; tale metodo ? caratterizzato da: - lettura continua (200) della concentrazione di CO2 in ppm, della temperatura T in ?C, dell? umidit? relativa % UR mediante uno o pi? multisensori (4) e del numero di occupanti N in ambiente o tramite un contapersone (5) o tramite immissione manuale del dato (ad esempio attraverso il display TSD della centralina (3)) - elaborazione periodica, con periodo definito dalla variabile di ciclo tcontrol tale che l?istante attuale tn dopo n cicli di controllo sia pari a tn=n*tcontrol, della funzione di rischio predittiva calcolata dall? istante attuale tn fino al tempo totale di esposizione texp mediante stima numerica approssimata della formula, con riferimento all? n-simo ciclo di controllo (300, 400):

   dove, pa indica il tasso medio di inalazione polmonare delle persone esposte in ambiente chiuso durante l?attivit? specifica che esse si trovano a svolgere in tale ambiente; indica la concentrazione complessiva istantanea di carica virale in ambiente all? istante t secondo il modello di Riley-Gammaitoni; indica la variazione nel tempo dei valori di ricambi d?aria dell? ambiente chiuso; la funzione ??????<(>?<) >? composta da una parte antecedente l? istante attuale contenente lo storico dei valori di portata del?l'impianto VMC) e da una parte predittiva rispetto l?istante attuale ? che ipotizza l?ultimo ciclo di ON/OFF della VMC ripetuto ciclicamente dall? istante attuale ? fino al raggiungimento del tempo totale di esposizione ? il parametro emissivo medio di carica virale per occupante che pu? essere o immesso manualmente o ricavato dal sistema di controllo ad ogni ciclo di controllo, mediante approssimazione lineare del tipo noto il fattore di proporzionalit? ricavabile per un singolo soggetto emettitore avente tipologia di attivit? respiratoria di riferimento media affine a quella monitorata o comunque prevalente, di cui sono noti dalla letteratura scientifica i valori emissivi di carica virale <?> per singolo soggetto emettitore; ? il parametro emissivo medio per persona di anidride carbonica che pu? essere a sua volta o immesso manualmente o ottenuto per regressione non lineare dal segnale misurato dai sensori (4) della concentrazione di CO2 , noti il valore di fondo misurato senza occupanti o all? esterno dell? edificio CO2,0, il valore medio di ricambi d?aria orari dell?ambiente desunto dallo storico delle portate di impianto misurate dal misuratore di portata della VMC monitorato durante il ciclo di controllo n-esimo e il numero medio di occupanti rilevati dal contapersone (5) nell?ambiente nell?intervallo di osservazione n-esimo; ? ? un valore costante, sempre desumibile da letteratura scientifica, che corrisponde al tasso di auto-disattivazione della carica virale in ambiente misurato in ricambi d?aria orari equivalenti - auto-misurazione (350-390) del numero dei ricambi d?aria orari AERj, associabili ad una specifica configurazione j delle aperture dell? ambiente chiuso dovuti all? apertura singola o combinata di porte e finestre dello specifico ambiente ove ? installato il sistema (segnalata dai sensori di apertura 6 e 7) o associabili ad uno stato ON/OFF di un impianto di ricambio automatico dell? aria (8), mediante regressione non lineare dell? intervallo di decadimento della concentrazione di CO2 in ppm in assenza di occupanti mediante, ad esempio, l?impiego di una funzione di decadimento esponenziale, del tipo:

   dove ? il valore di picco misurato dal sensore (4) all? istante tstart della concentrazione di CO2 in ppm prima del decadimento e ? il valore di fondo misurato o all? esterno dell?edificio o nell? ambiente chiuso in assenza di occupanti trascorsi almeno 30 minuti dalla completa evacuazione dello stesso - verifica (400) del non-superamento da parte della funzione di rischio Rn(t ? tn), calcolata all?istante attuale tn, delle soglie critiche di rischio contagio mediante disequazione, di seguito nominata ?condizione di sicurezza? (**), da verificarsi per tutti i valori della funzione di rischio Rn calcolata al ciclo di controllo n-esimo per valori della variabile temporale t dall?istante attuale fino al raggiungimento del tempo totale di esposizione previsto

   (**) ove k ? un coefficiente di sicurezza con valori compresi tra zero e uno (0 < k < 1) atto ad abbassare le soglie di rischio (rendendole pi? stringenti) e definire i differenti livelli di rischio, da determinarsi anche in funzione di presenti e future normative di sicurezza specifiche - in caso di non soddisfacimento della ?condizione di sicurezza? (**), determinazione dei livelli di rischio attuali (500) in base ai valori di (livello di rischio calcolato all? istante attuale durante il ciclo di controllo attuale n); Rtexp = (livello di rischio previsto al raggiungimento del tempo di esposizione olato durante il ciclo attuale di controllo n con l? ultima funzione di aerazione ove tow = tempo di ON impianto, tcw = tempo di OFF impianto); Rtexp,2 (livello di rischio previsto al raggiungimento del tempo di esposizione con il nuovo ciclo di aera n pi? elevato livello di portata dell? impianto - in caso di soddisfacimento della (**) con di segnale ON all? impianto VMC con richie ripetizione dell? invio del segnale ON/OFF

   - nel caso di impossibilit? di soddisfare la (**) mediante alcun livello raggiungibile dall? impianto a VMC del parametro in modalit? continua o ciclica, segnalazione agli occupanti di una richiesta di evacuazione parziale o totale (900) - trasmissione delle segnalazioni di allarme ad un eventuale centro di controllo esterno all? ambiente monitorato 3. Un programma per computer comprendente istruzioni che, quando il programma ? eseguito dal sistema hardware della rivendicazione 1, esegue il metodo della rivendicazione 2. 4. Un programma per computer comprendente istruzioni che, quando eseguito da un sistema hardware descritto dalla rivendicazione 1, ovvero in cloud, eseguendo il metodo della rivendicazione 2, assicuri il funzionamento del sistema di segnalazione e controllo del rischio contagio per aerosolizzazione oggetto della presente invenzione, sia con modalit? di conteggio ed inserimento manuale del numero degli occupanti che in modalit? di conteggio automatico del numero degli occupanti mediante ?contapersone? e per ogni ambiente chiuso dotato di impianto di ventilazione automatica per il rinnovo dell? aria sia in grado di: - ricevere dall? utente una sola volta i dati di input per la configurazione iniziale del sistema in quella specifica aula (200) e inviare i dati di input all'unit? di elaborazione come mostrato nella Sezione ?Parametri di Input? del touch-screen (TSD), includendo tali dati di input il volume dell?aula V, il tempo di controllo t_control, i coefficienti di aerazione AERj dell'aula definiti dall?utente e infine in assenza di monitoraggio automatico del numero di occupanti , anche il valore del numero di occupanti N - inviare in continua (o comunque con intervalli temporali non superiori a 1 minuto) alla centralina (3) il segnale della concentrazione di CO2 in ppm e i parametri fisici di temperatura T in ?C, umidit? relativa % UR rilevata nell?aula dai multisensori (4), lo stato ON/OFF di apertura di porte e finestre come rilevato dai sensori di apertura (6), il numero N di occupanti rilevato dal contapersone (5) o manualmente inserito - elabora periodicamente la funzione di rischio Rn e verifica la relativa "condizione di sicurezza" (**), inviando richieste di ON/OFF all'impianto di ventilazione meccanica per il rinnovo dell?aria (9) con un livello di portata di rinnovo d?aria AERj corrispondente al livello di rischio attualmente stimato secondo la rivendicazione 2; se necessario mostra un allarme di evacuazione con segnalazione acustica sul display (TSD) della centralina (3).