Mechanical ventilation for italian school classrooms

The recent COVID-19 pandemic has highlighted the problem of ventilation in school classrooms empha-sizing the key role of building ventilation to reduce the infection risk of airborne pathogens besides providing a general improvement of Indoor Air Quality. Among the ventilation strategies, mechanical ventilation appears to be the only one that can provide both adequate ventilation rates and thermal com-fort with the addition of heat recovery of exhaust air. For this reason, it should be adopted in classrooms with particular reference to the heating period. In this context, the proposed research wants to investigate and promote National strategies to equip the existing Italian school classrooms with low invasive me-chanical ventilation systems. To this aim, a set of recurring archetype models of the Italian school build-ing stock have been defined to investigate the integration of possible ventilation systems. In this regard, a variety of ventilation schemes have been defined and numerically simulated to evaluate the ventilation performances of the solutions. The more effective solutions have been designed and relative intervention costs have been analysed. Finally, dynamic energy simulations have been run to assess the relative poten-tial energy and economic impacts on school buildings. As a result, emerges that the implementation of mechanical ventilation systems in Italian classrooms has a potential positive primary energy impact. In particular, it has been estimated that it can reduce the annual primary energy relating to the Italian stock by 30%. Analysis at the regional level revealed that more than 70% of the National savings is associated with classrooms in northern Italy. The national incidence re-duces moving to the south, in proportion to both the mitigation of the climate and the decreasing of the building stock density. On an economic level, however, savings on energy costs have been observed on-ly in the harshest climate zones (zone E and zone F) with variations depending on the type of construc-tion and the installed power of the ventilation unit. In this regard, decentralized units reveal the greatest reductions in energy costs as they have lower operation costs than centralized systems. However, in all the contexts analysed, the investment costs do not offer a substantial economic return, as the payback pe-riod is relatively long compared with the useful life of the ventilation units. In conclusion, this research demonstrates that in the Italian climate context, the implementation of MVHR systems in classrooms rep-resents an investment aimed at reducing the risk of contagion and the relative public health costs, im-proving the IAQ without interfering with the thermal comfort of occupants, during the heating season, as in the case of NV. The overall results of this work offer valuable insight to support the definition of na-tional policies for the implementation of MVHR within the Italian classroom stock.

La recente pandemia di COVID-19 ha evidenziato il problema della ventilazione nelle aule scolastiche, sottolineando il ruolo chiave della ventilazione degli edifici nel ridurre il rischio di infezione da patogeni trasportati per via aerea, oltre a garantire un generale miglioramento della qualità dell'aria interna. Tra le strategie di ventilazione, la ventilazione meccanica appare l'unica in grado di fornire sia tassi di ventilazione adeguati che comfort termico, con l'aggiunta del recupero di calore dall'aria esausta. Per questo motivo, dovrebbe essere adottata nelle aule, con particolare riferimento al periodo di riscaldamento. In questo contesto, la ricerca proposta intende indagare e promuovere strategie nazionali per dotare le aule scolastiche italiane esistenti di sistemi di ventilazione meccanica a basso impatto invasivo. A tal fine, è stato definito un insieme di modelli archetipici ricorrenti del patrimonio edilizio scolastico italiano per studiare l'integrazione di possibili sistemi di ventilazione. A questo proposito, sono stati definiti e simulati numericamente diversi schemi di ventilazione per valutare le prestazioni delle soluzioni. Le soluzioni più efficaci sono state progettate e i relativi costi di intervento sono stati analizzati. Infine, sono state effettuate simulazioni energetiche dinamiche per valutare i potenziali impatti energetici ed economici sui edifici scolastici. I risultati evidenziano che l'implementazione di sistemi di ventilazione meccanica nelle aule italiane ha un potenziale impatto positivo sull'energia primaria. In particolare, si stima che possa ridurre del 30% il consumo annuale di energia primaria relativo al patrimonio edilizio scolastico italiano. L'analisi a livello regionale ha rivelato che oltre il 70% del risparmio nazionale è associato alle aule del nord Italia. L'incidenza nazionale diminuisce spostandosi verso sud, in proporzione sia alla mitigazione del clima che alla diminuzione della densità del patrimonio edilizio. A livello economico, tuttavia, i risparmi sui costi energetici sono stati osservati solo nelle zone climatiche più rigide (zone E e F), con variazioni in base al tipo di costruzione e alla potenza installata dell'unità di ventilazione. In questo senso, le unità decentralizzate mostrano le maggiori riduzioni dei costi energetici, avendo costi operativi inferiori rispetto ai sistemi centralizzati. Tuttavia, in tutti i contesti analizzati, i costi di investimento non offrono un sostanziale ritorno economico, poiché il periodo di recupero è relativamente lungo rispetto alla vita utile delle unità di ventilazione. In conclusione, questa ricerca dimostra che, nel contesto climatico italiano, l'implementazione di sistemi MVHR (recupero di calore da ventilazione meccanica) nelle aule rappresenta un investimento volto a ridurre il rischio di contagio e i relativi costi per la salute pubblica, migliorando la qualità dell'aria interna (IAQ) senza compromettere il comfort termico degli occupanti durante la stagione di riscaldamento, come nel caso della ventilazione naturale. I risultati complessivi di questo lavoro offrono preziose indicazioni per supportare la definizione di politiche nazionali per l'implementazione dei sistemi MVHR nel patrimonio scolastico italiano.