È così difficile progettare scuole comfortevoli e salubri? Qualche consiglio per il post-covid

In questi giorni di esami, i ricordi tornano a quando ero studente, e sono due le sensazioni che tornano alla mente: la tensione prima delle interrogazioni, e il malessere nello stare in aula. Personalmente, ho uno splendido ricordo della Scuola, mentre altrettanto non si può dire delle scuole in cui sono stato. A partire dal piccolo edificio scolastico di provincia, dove sono stato studente di elementari e medie, sino alla prestigiosa Università italiana dove ho fatto l’MBA, passando per il Politecnico, la memoria suggerisce sempre le stesse situazioni: aule vecchie, calde d’estate e fredde d’inverno, acusticamente scadenti, con una illuminazione errata, architettonicamente sbagliate in quanto realizzate in edifici adattatati o costruiti con tecnologie perlomeno superate. E soprattutto, è ricorrente lo stesso fenomeno: “l’effetto stalla”, esaltato nella aule di ingegneria prive di ventilazione meccanica, tale per cui se uscivi e poi rientravi eri investito da un concentrato di “profumi” in grado di toglierti l’appetito per svariate ore.

Eppure le scuole sono i luoghi in cui si formano i cittadini e i lavoratori del futuro, sono le “palestre” dove si allenano le menti che dovranno dirigere aziende e amministrazioni: come è possibile crescere culturalmente e umanamente in ambienti che non vedi l’ora di lasciare, tanto sono poco confortevoli?

Per carità di Patria, nulla conviene dire poi in merito alla sicurezza di tali fabbricati: quanti edifici scolastici sono a norma dal punto di vista della sicurezza strutturale e antincendio?

Ma quindi, è così difficile progettare e costruire scuole e università? E quali sono le peculiarità di un moderno edificio scolastico?

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Le scuole in Italia: dati energetici e aspetti di comfort interno

Il RAEE (Rapporto Annuale Efficienza Energetica) del 2017 riporta che le scuole italiane sono circa 51.000, per una superficie di circa 73 milioni di m2 e una volumetria di 256 milioni di m3.  La quota maggiore di edifici (39%) ha dimensione compresa tra 1.000 e 3.000 m2, con una superficie media di 1.819 m2. Il 43% circa degli edifici si divide tra tre classi di superficie: il 16% ha una superficie compresa tra 751 e 1.000 m2 (media 899 m2), il 14% tra 501 e 750 m2 (media 631 m2) e il 13% tra 351 e 500 m2 (media 435 m2). 

Il consumo di energia primaria si attesta mediamente intorno a 155 kWh/m2a per il servizio di climatizzazione e acqua calda sanitaria.  I consumi termici sono dovuti essenzialmente al fabbisogno di riscaldamento invernale, con un utilizzo trascurabile di ACS, mentre i consumi di energia elettrica sono dovuti principalmente all’illuminazione degli ambienti e alle apparecchiature legate alle attività di ufficio e didattiche. I consumi per raffrescamento sono trascurabili semplicemente perché pochissimi sono gli edifici scolastici dotati di tale impianto.

Per gli edifici a esclusivo e prevalente uso scolastico, la Struttura di Missione per l’edilizia scolastica della Presidenza del Consiglio dei Ministri, ha stimato che per i circa 41.000 edifici scolastici censiti e considerati, il consumo di energia termica si attesti su circa 9,5 TWh/a e quello di energia elettrica intorno a 3,66 TWh/a.

Il 40% delle scuole italiane è stato costruito prima degli anni 60’. In questi edifici si riscontrano facilmente problemi di ponti termici, legati a cattivo isolamento, deterioramento dei materiali, infiltrazioni di acqua: questo causa l’abbassamento della temperatura superficiale del muro e, in presenza di elevati tassi di umidità, provoca la proliferazione di muffe.

Per quanto riguarda la qualità dell’aria interna degli edifici scolastici, il report di GARD-I (Baglioni et al., 2010) riporta come la IAQ all’interno delle scuole è determinata dai seguenti principali gruppi di fattori, il cui rapporto la influenza qualitativamente e quantitativamente:

  1. le caratteristiche architettoniche, edilizie ed impiantistiche della struttura scolastica che influenzano direttamente il microclima ed indirettamente le potenziali fonti di inquinamento indoor;
  2. il microclima (temperatura, umidità, ventilazione e ricambi d’aria);
  3. le fonti inquinanti indoor di natura biologica (es. acari, muffe) e chimica-fisica (es. COV, PM);
  4. gli inquinanti outdoor che penetrano nell’aria indoor (es. particolato, NOx, benzene, IPA e ozono).

Dimensioni dell’aula e numero degli scolari sono parametri che influenzano la concentrazione di inquinanti e il microclima interno. Affinché le impurità non si accumulino nel locale, l’aria satura e «viziata» deve essere espulsa tramite il ricambio di aria e sostituita con l’equivalente quantità di aria fresca. Secondo uno studio dell’EURAC, nelle aule senza ventilazione meccanica, l’altezza dei battenti delle finestre può influenzare il tasso di ricambio dell’aria: maggiore è l’altezza dei battenti, maggiore è il volume di aria che entra nel locale

I risultati del progetto SEARCH II (School Environment and Respiratory Health of Children) evidenziano che il sovraffollamento nelle aule è causa di una cattiva IAQ: aumentare il tasso di ricambio di aria, arieggiando durante le pause e tenendo aperte le finestre durante l'orario di insegnamento può migliorare la qualità dell’aria e diminuire la concentrazione di CO2.  Una riduzione della concentrazione di CO2 garantisce un incremento che può arrivare sino al 30% della capacità di concentrazione degli studenti all’interno delle aule.  Come evidenziato da Mendell & Heath nella loro analisi di letteratura, la qualità dell´aria può esercitare un´influenza sulla performance di tipo diretto o indiretto, causando in quest'ultimo caso malattie respiratorie e allergie a loro volta connesse con una riduzione della performance e con un incremento dell'assenteismo, associato a sua volta ancora a una riduzione di performance (Mendell & Heath, 2005).

La stessa scelta di collocare le scuole in zone centrali, oltre ad essere causa di incremento del traffico veicolare (tipica l’immagine del genitore che, con fare iperprotettivo, deve accompagnare “la creatura” con la macchina sin davanti alla porta di ingresso!), è causa di un peggioramento della qualità dell’aria interna. L’ubicazione dell’edificio scolastico vicino a strade trafficate o zone industriali determina infatti una maggiore concentrazione nell’aria interna di inquinanti quali PM10, NO2 e particelle ultrafini (HESE, 2006), a causa dell’alta concentrazione di queste sostanze nell’aria esterna, prodotte principalmente dal traffico veicolare e dalle attività urbane e industriali.

I risultati dello studio “Health Effects of School Environment” (HESE, 2006) e i risultati di altri studi condotti negli USA hanno evidenziato una correlazione fra esposizione a CO2, PM e muffe e maggiori rischi di tosse secca notturna, rinite e tosse persistente (Baglioni et al., 2010), mentre l’ipertensione nei bambini è stata associata ad una eccessiva esposizione ai PM che possono provocare squilibrio del sistema nervoso autonomo e disfunzione vascolare arteriosa e/o vasocostrizione (Kelishadi et al., 2011).

Da segnalare infine che il progetto EnVIE (“Health, exposure and source issues”), ha sviluppato uno strumento per valutare la relazione quantitativa tra malattie correlate all'IAQ (allergie, sintomi di asma, polmonare, broncopneumopatia cronica ostruttiva, infezioni respiratorie trasportate dall'aria, morbilità cardiovascolare e mortalità, sindrome dell'edificio malato), fonti di esposizione interna rilevanti e l'impatto delle misure politiche attuate.  Il progetto EnVIE ha identificato due strategie per il controllo della IAQ

  1. controllo delle fonti (eliminando o mitigando le fonti);
  2. controllo dell'esposizione (tramite ventilazione meccanica). 

Come dovrebbero essere le scuole

La Conferenza unificata dell’11 aprile 2013 ha approvato le nuove linee guida contenenti indirizzi progettuali di riferimento per la costruzione di nuove scuole. Tra gli obiettivi di fondo delle nuove linee guida vi è garantire edifici scolastici sicuri, sostenibili, accoglienti e adeguati alle più recenti concezioni della didattica.
Lo stesso MIUR ha precisato che le Linee Guida rinnovano i criteri per la progettazione dello spazio e delle dotazioni per la scuola del nuovo millennio.
Per questo motivo si discostano dallo stile prescrittivo delle precedenti, risalenti al 1975.

La nuova logica, infatti, è di tipo prestazionale, e rende i criteri di progettazione più agevolmente adattabili alle esigenze didattiche e organizzative di una scuola in continuo mutamento.

Vengono dunque riconfigurate le architetture interne, proponendo una concezione dello spazio differente da un modello di organizzazione della didattica rimasto ancorato alla centralità della lezione frontale. Le Linee Guida propongono spazi modulari, facilmente configurabili e in grado di rispondere a contesti educativi sempre diversi, ambienti plastici e flessibili, funzionali ai sistemi di insegnamento e apprendimento più avanzati. Se infatti cambiano le metodologie della didattica, superando l’impostazione frontale, anche la realizzazione degli edifici scolastici dovrà rispondere a parametri e criteri architettonici e dell’organizzazione dello spazio del tutto nuovi.

Per quanto concerne gli aspetti urbanistici, nelle linee guida viene precisato la posizione deve essere scelta in modo che il nuovo edificio diventi elementi di connessione per la loro naturale possibilità di diventare “civic center” e contribuire alla qualità del tessuto urbano circostante. Si indicano zone salubri, poco rumorose, lontane da strade importanti, in situazioni orografiche favorevoli, possibilmente pianeggianti per consentire l’organizzazione di attrezzature di gioco e sportive e, se le condizioni sono difficili, le aree dovranno essere adeguatamente ingrandite. Eventuali deroghe devono essere riservate alle zone ad alta densità urbana o in ambienti collinosi o montani.  In particolari condizioni il plesso scolastico può essere costituito da edifici situati in aree tra loro vicine, a condizione che siano a una distanza ragionevole, come un tempo di percorrenza di massimo 4-5 minuti o poste a metri 250-300 e collegate da un percorso sicuro.

Ogni parte dell’edificio scolastico deve essere dotata a ogni piano di servizio igienico a norma per disabili, facilmente raggiungibile e in posizione facilmente identificabile, ed eventuali cucine devono essere preferibilmente alimentate con energia elettrica e questo rappresenta una sicurezza intrinseca per l’edificio

Gli edifici devono (dovrebbero…) rigorosamente rispettare la vigente normativa antisismica, e i progetti devono rispettare i criteri di sicurezza previsti dalla normativa vigente per quanto riguarda resistenza al fuoco delle strutture e dimensionamento delle vie di fuga, con particolare attenzione a escludere quei materiali, in genere isolanti, che bruciando producono fumi tossici

La sicurezza dai rischi elettrici è affidata a differenziali e alla suddivisione degli impianti. L’impianto elettrico deve essere protetto dalle scariche atmosferiche mediante scaricatori di sovratensione.

Gli infissi devono rispondere alla recente normativa europea ed essere realizzati con vetri antisfondamento sia all’interno che all’esterno dell’infisso, di classe 2B2, come prescritto dalla direttiva UNI EN 12600 e di classe 1B1 per le superfici finestrate ad altezza parapetto fino a cm 90 da terra o comunque a pericolo di caduta.  Gli edifici devono essere dotati di linee-vita per tutti i lavori di manutenzione e di un adeguato piano di sicurezza per la gestione delle emergenze.

Il comfort e impianti all’interno delle scuole

Negli ambienti di lavoro scolastici, come le aule, le condizioni microclimatiche di riferimento per garantire il benessere (fisico e conseguentemente psicologico) degli occupanti sono:

  • Umidità dell’aria: 40 – 50% in inverno e 50 – 60% in estate;
  • Portata d’aria fresca di rinnovo: almeno 25 m3/ora per occupante;
  • Temperatura dell’aria: 19 - 22°C in inverno; 24 - 26°C in estate;
  • Velocità dell’aria: minima 0,05 m/s, massima in inverno 0,15 m/s, in estate 0,25 m/s.

La portata d’aria di rinnovo è direttamente connessa alla qualità dell’aria interna, aspetto che sarà fondamentale garantire nel post-COVID per ridurre al minimo la presenza di virus nell’aria. La riduzione del numero di persone in ambiente aiuterà sicuramente in questo senso, ma potrebbe essere necessario comunque un aumento della portata d’aria di rinnovo immessa, l’implementazione di sistemi di filtraggio adeguati (dove siano presenti di impianti di ventilazione meccanica) e un monitoraggio continuo degli inquinanti presenti nell’aria.

Un ruolo molto importante nel mantenimento delle condizioni di comfort interno è legato all’utilizzo di impianti di climatizzazione HVAC, i quali consentono il controllo delle quattro grandezze sopra elencate e contemporaneamente della qualità dell’aria interna. 

Particolare attenzione va fatta alle situazioni di discomfort locale, ovvero situazioni/posizioni in cui i valori delle grandezze fondamentali sopra indicate sono diversi da quelli medi. Le principali fonti di disagio di questo tipo sono:

  • Asimmetria radiante, ovvero la differenza di temperatura piana radiante tra due superfici opposte (ad esempio uno studente posizionato accanto alla parete esterna mal coibentata e quindi molto più fredda delle altre superfici dell’aula);
  • Gradiente termico verticale (tra la temperatura dell’aria all’altezza della testa, ad 1,10 m dal suolo, e quella in corrispondenza delle caviglie devono esserci al massimo 3°C di differenza);
  • Temperatura del pavimento (né troppo calda né troppo fredda);
  • Presenza di correnti d'aria eccessive.

Gli impianti di condizionamento, possono tuttavia rappresentare pericolose fonti di inquinamento biologico o chimico, in particolar modo se vertono in cattivo stato di pulizia e manutenzione: i microrganismi possono facilmente proliferare negli impianti in cui vi è presenza di acqua, per lo più stagnante, come umidificatori e condizionatori di aria, vaporizzatori, sistemi di riscaldamento e impianti idrici. Di conseguenza, anche gli aspetti relativi alla manutenzione dei sistemi HVAC influenzano la qualità dell’aria indoor.  Ogni componente dell’impianto, dalle griglie ai filtri, dalle canalizzazioni ai diffusori, fino ad arrivare alle batterie di riscaldamento e raffreddamento, è soggetto ad azioni di degrado, generando una sorta di effetto domino tale da rendere gli elementi stessi sorgenti di inquinamento, diffusione e amplificazione di contaminanti. Al fine del mantenimento di una qualità dell’aria salubre, gli interventi manutentivi dovranno essere accuratamente programmati ed effettuati, assicurando valori termoigrometrici sufficienti e un corretto ricambio d’aria.

Tra le operazioni manutentive, la pulizia e la disinfezione rivestono particolare importanza, a maggior ragione dato il periodo di emergenza di natura pandemica che stiamo attraversando, e devono interessare l’impianto in ogni sua parte, dalla presa dell’aria esterna fino all’ultimo terminale, considerando sia le condotte di mandata che quelle di ricircolo. Una programmazione periodica delle ispezioni, secondo un preciso piano di controllo e monitoraggio, garantisce una migliore risposta degli impianti di aerazione al rischio contaminazione da Covid-19.

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Il «Pacchetto Scuola» per la riqualificazione impiantistica ed energetica degli edifici 

Una facciata termoregolata, un recuperatore attivo termodinamico e valvole da radiatore con bilanciamento dinamico DB per la riqualificazione degli impianti. Sono le tre soluzioni che compongono il «Pacchetto Scuola» messo a punto da Giacomini per rinnovare gli impianti di condizionamento dell’aria delle ambienti didattici e allo stesso tempo rendere gli edifici più efficienti dal punto di vista energetico.

>>> Tutti i dettagli <<<

Da un punto di vista dei carichi termici, si deve considerare un affollamento delle aule di una persona ogni 2 m2, con un apporto termico dovuto metabolismo pari a 75 W di calore sensibile e 50 W di calore latente a studente. Il carico dovuto alle luci si può stimare in 10 W/m2, e analogo valore può essere dato per i computer nelle aule informatiche. I carichi sono tuttavia estremamente variabili, in quanto gli spazi risultano occupati in modo costante solo durante determinati periodi della settimana.

La maggior parte delle scuole italiane è dotata di solo impianto di riscaldamento, normalmente a radiatori, ed è priva di sistema di ventilazione.  Si tratta quindi di capire come intervenire per:

  1. migliorare il patrimonio scolastico esistente;
  2. realizzare nuovi edifici scolastici.

Per gli edifici esistenti, prioritario è operare per migliorare la ventilazione degli spazi, ricorrendo a macchine per la VMC, sempre dotate di recupero di calore sull’aria di espulsione. 

In epoca post Covid, sarebbe opportuno non avere ricircolo, o, comunque, effettuarlo solo per singolo ambiente per ridurre la diffusione di patologie in aule differenti. 

Con l’impiego di una filtrazione efficiente si riduce il carico delle particelle infettive. I filtri, se opportunamente selezionati e distribuiti, contribuiscono al controllo della sorgente del flusso d’aria, oltre a ridurre le concentrazioni di aerosol infettivi. A tal proposito ci viene in aiuto la UNI EN ISO 16890-1:2017 che stabilisce un sistema di classificazione dell'efficienza dei filtri per ventilazione basato sul particolato (PM).

Più complesso intervenire per dotare le aule di impianto di raffrescamento. Si può operare a livello centralizzato con impianti VRF, o con un unico chiller che produca acqua refrigerata che vada ad alimentare ventil convettori o i più efficienti sistemi radianti a soffitto (più facili e flessibili da installare rispetto a quelli a pavimento).  Da evitare il proliferare di monosplit per ogni aula: oltre ad essere complessivamente poco efficienti, generano la comparsa di decine di moto-condensanti sulla facciata esterna dell’edificio, con effetto devastante sul decoro urbano.

Nel realizzare nuovi edifici scolastici, scartando per ragioni legate agli insegnamenti “pandemici” la soluzione degli impianti a tutt’aria, la soluzione ottimale parrebbe essere quella mista, con terminali di emissione che possono essere travi fredde, ventilconvettori o sistemi radianti, a soffitto ma anche a pavimento, soprattutto nel caso degli spazi destinati ad usi che comportano un maggior contatto con il medesimo. I sistemi radianti rispetto agli altri terminali garantiscono un ottimo comfort acustico, non prevedendo sistemi meccanici in movimento come invece ci sono nel fan coils.

Le scuole del futuro in sintesi

Qualcuno accetterebbe che i propri figli mangino in un piatto sporco, seduti su sedie traballanti, in un ristorante umido e malsano, da cui cadono i calcinacci dal soffitto e in cui c’è un terribile tanfo?

Evidentemente no!

Eppure quotidianamente migliaia di genitori salutano i propri figli che si recano in scuole che sono esattamente come il ristorante “da incubo” in cui nessuno vorrebbe mangiare.

La domanda che ci si pone è: perché tanta indifferenza?

Le scuole dovrebbero essere il luogo della cultura, della crescita, dell’educazione: una scuola dovrebbe concretamente rappresentare l’attenzione che un Paese dedica alle future generazioni e al proprio futuro in generale.
Dovrebbero essere luoghi luminosi, caldi d’inverno e freschi d’estate, ben ventilati ed efficienti, silenziosi e sicuri, puliti e salubri.  E quando invece non è così?  Cosa significa?

Conferma quanto detto sopra: la scuola è la rappresentazione concreta dell’attenzione che un Paese dedica al proprio futuro, soprattutto quando questa attenzione è prossima allo zero.

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