Development of analytical and experimental models to evaluate emissions and removal of respiratory particles for indoor air quality management

Come hanno evidenziato gli ultimi anni, una buona qualità dell'aria è un aspetto di importanza primaria nella riduzione della trasmissione di malattie infettive. La ricerca, infatti, ha ancora urgente bisogno di approfondire le modalità di emissione, trasporto e rimozione delle particelle aerodisperse, nonché il ruolo strategico dei sistemi HVAC e delle tecnologie di purificazione dell'aria nella riduzione del rischio di infezione. In particolare, è fondamentale valutare le strategie di rimozione dei patogeni considerando sia il consumo energetico sia il comfort delle persone. Questa tesi progetta, sviluppa e valida un sistema sperimentale per simulare la trasmissione delle malattie e confrontare quantitativamente diverse strategie di rimozione. Un disco nebulizzatore a ultrasuoni (operante a una frequenza di 108 kHz) è stato utilizzato per simulare le emissioni prodotte durante le attività respiratorie. Sono stati condotti test preliminari di emissione in un box di prova controllato in polistirene espanso, dotato di condotti miscelatori stampati in 3D, un ventilatore, sensori anemometrici di flusso e un sistema di imaging ottico e a infrarossi ad alta velocità, per consentire il confronto con le simulazioni CFD del gruppo del Prof. Marco Cavazzuti (DISMI, Università di Modena e Reggio Emilia). È stata sviluppata in laboratorio una soluzione acquosa che simula i fluidi mucosalivari umani, utilizzando come tracciante l'inchiostro di seppia, per la sua buona visibilità anche a basse concentrazioni e per il residuo solido simile a quello della saliva umana. Misure gravimetriche hanno caratterizzato le portate dell'atomizzatore, mentre un'analisi granulometrica (condotta con lo Spraytec, strumento sviluppato da Malvern Panalytical) ha fornito la distribuzione dimensionale delle particelle dell'aerosol, confermandone la coerenza con i dati di letteratura sulle emissioni naturali. Per la rimozione delle particelle sono stati studiati i filtri a elettrete, una tecnologia elettrostatica promettente ma poco esplorata; tuttavia, non sono stati utilizzati a causa della limitata disponibilità commerciale e delle metodologie di fabbricazione pericolose (che richiedono tensioni superiori a 10 kV). Sono state quindi confrontate strategie alternative: filtri elettrostatici non a elettrete, filtri HEPA portatili e filtrazione HEPA integrata nell'impianto HVAC. Infine, è stato realizzato internamente un filtro utilizzando un tessuto filtrante, condotti stampati in 3D e un ventilatore assiale. Sulla base delle fonti di letteratura, è stato sviluppato un modello computazionale in Excel e MATLAB per confrontare l'efficienza di rimozione e il consumo energetico nei diversi scenari. In particolare, il modello ha simulato un'aula scolastica discretizzandola in celle elementari, ciascuna caratterizzata dalla presenza o dall'assenza di un filtro e/o di una persona (emettitrice). Ciò ha permesso di calcolare l'efficienza di rimozione complessiva per uno scenario basato esclusivamente su purificatori d'aria portatili; lo stesso livello di purificazione è stato poi ottenuto con un impianto HVAC centralizzato, e i due scenari sono stati confrontati in termini di consumo energetico e di comfort. I valori di efficienza dei filtri sono stati determinati sperimentalmente. I risultati mostrano che un impianto HVAC centralizzato può eguagliare l'efficienza di purificazione dei purificatori portatili solo adottando ricambi d'aria superiori a quelli normalmente utilizzati nelle aule, con un aumento del consumo energetico e una riduzione del comfort. I purificatori portatili decentralizzati offrono una soluzione più efficiente dal punto di vista energetico. Nel complesso, questa tesi stabilisce una metodologia sperimentale per generare e caratterizzare emissioni che simulano i patogeni e per valutare comparativamente le strategie di rimozione.

As recent years have highlighted, good air quality is an aspect of major importance to reduce of infective diseases transmission. In fact, there is still a pressing need in research to fully understand the methods of emission, transport and removal of airborne particles, and the strategic role of HVAC and air purification technologies in reducing infection risk. In particular, it is fundamental to assess pathogen removal strategies considering both energy consumption and human comfort. This thesis designs, develops, and validates an experimental system to simulate the transmission of diseases and quantitatively compare different removal strategies. An ultrasonic nebulizer disk (operating at a 108 kHz frequency) was used to simulate emissions during respiratory activities. Preliminary emission tests were performed in a controlled expanded-polystyrene test box with 3D-printed mixing ducts, a fan, anemometric flow sensors, and high-speed optical and infrared imaging, to allow comparison with CFD simulations from Prof. Marco Cavazzuti's group (DISMI, University of Modena and Reggio Emilia). An aqueous solution was developed in-lab to simulate human mucosalivary fluids using cuttlefish ink as a tracer, due to its good visibility properties even at low concentrations and a solid residue similar to that of human saliva. Gravimetric measurements characterised the atomiser's flow rates, while a granulometric analysis (using the Spraytec, an apparatus developed by Malvern Panalytical) provided the aerosol's particle size distribution, confirming consistency with literature data on natural emissions. For particle removal, electret filters were investigated as a promising but underexplored electrostatic technology; however, they weren’t used due to their limited commercial availability and hazardous fabrication methodologies (requiring voltages greater than 10 kV). Alternative strategies were therefore compared: non-electret electrostatic filters, portable HEPA filters, and HVAC-integrated HEPA filtration. Eventually, a filter was built in-house using a filtering cloth, 3D-printed ducts, and an axial fan. Building on literature sources, a computational model was developed in Excel and MATLAB to compare removal efficiency and energy consumption across scenarios. Specifically, the model simulated a classroom environment by discretising it into elementary cells, each characterised by the presence or absence of a filter and/or a person (emitter). This allowed the overall removal efficiency to be computed for a scenario relying only on portable air purifiers; the same level of purification was then achieved using a centralised HVAC system, and the two scenarios were compared in terms of energy consumption and human comfort performance. Filter efficiency values were determined experimentally. Results show that a centralised HVAC system can match the purification efficiency of portable air purifiers only by using air change rates higher than those typically used in practice for classroom environments and by increasing energy consumption and reducing comfort. Decentralised portable purifiers offer a more energy-efficient solution. Overall, this thesis establishes an experimental methodology for generating and characterising pathogen-simulating emissions and for comparatively evaluating removal strategies.