L’effetto della VMC sulla trasmissione aerea del SARS-CoV-2 nelle scuole: il caso delle Marche

Ventilazione meccanica controllata: l'impatto negli ambienti indoor

Lo sforzo della ricerca scientifica prodotto a seguito della pandemia di COVID-19 ha dimostrato che la trasmissione aerea è la principale modalità di trasmissione per diversi virus respiratori rispetto ad altre modalità ritenute, sino ad allora, erroneamente dominanti (es. trasmissione per contatto). Il ruolo della trasmissione aerea è stato riconosciuto dalle autorità sanitarie in gravoso ritardo anche a fronte di diversi studi condotti nella primissima fase della pandemia che da subito avevano evidenziato l’importanza di tale meccanismo di trasmissione. Nello specifico, l’Organizzazione Mondiale della Sanità (WHO) ha preso in considerazione la trasmissione aerea solo nel Dicembre 2021 e, comunque, le misure di protezione atte a mitigare tale modalità di trasmissione non sono mai state adeguatamente suggerite prediligendo altre soluzioni di prevenzione (es. lavaggio delle mani) ad una adeguata ventilazione degli ambienti.

Gli studi che hanno dimostrato l’impatto della ventilazione degli ambienti indoor sulla trasmissione di virus respiratori sono, ad oggi, pochissimi, ma la diffusione del SARS-CoV-1 e del MERS-CoV e, ora, del SARS-CoV-2 hanno dato un nuovo impulso alla ricerca in questo campo portando a nuove evidenze scientifiche e accrescendo la consapevolezza dell’importanza della ventilazione e della qualità dell’aria indoor per la salute pubblica. In particolare, tali studi hanno chiaramente messo in luce il ruolo chiave di un approccio ingegneristico per combattere le malattie trasmissibili per via aerea. A tal proposito, la ventilazione meccanica controllata, in grado di diluire la concentrazione particelle respiratorie presenti in aria con aria di rinnovo proveniente dall’ambiente esterno, risulta essere tra le soluzioni più valide.

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Le scuole rappresentano una tipologia di ambiente indoor particolarmente critico per effetto dell’elevato indice di affollamento (numero di persone rispetto alla superficie dell’aula), del tempo ivi trascorso, e del non adeguato ricambio d’aria. Non a caso, sono stati diversi i focolai di SARS-CoV-2 documentati nelle scuole di tutto il mondo.

L’obiettivo del presente lavoro è stato quello di investigare, mediante uno studio retrospettivo, l’associazione tra ventilazione e trasmissione di SARS-CoV-2 nelle scuole. A tal fine sono stati considerati i dati di trasmissione nelle scuole delle Marche; in tale regione, infatti, è stata finanziata l’installazione di sistemi di ventilazione meccanica controllata (VMC) nel 3% delle scuole del territorio e costituisce, quindi, un interessante caso di studio per effettuare confronti statisticamente validi tra aule con e senza sistemi di ventilazione meccanica. I risultati qui presentati rappresentano, infatti, la prima prova sperimentale su larga scala dell’effetto della ventilazione sulla trasmissione del COVID-19.

Metodologia

Descrizione dello studio

Nel Marzo del 2021 il governo regionale delle Marche ha stanziato 9 milioni di euro per l’installazione di sistemi VMC nelle aule scolastiche della regione al fine di prevenire la trasmissione aerea del SARS-CoV-2 e limitare la didattica a distanza. In particolare, sono stati installati sistemi VMC in 316 aule (di 56 scuole) frequentate nel periodo di interesse (13 Settembre 2021 – 31 Gennaio 2022) da 205347 studenti di diversi livelli scolastici (14.6% nelle suole dell’infanzia, 33.1% nelle scuole primarie, 18.9% nelle scuole secondarie di primo grado e 33.4% nelle scuole secondarie di secondo grado).

Ai fini dello studio sono state, quindi, considerate 1419 scuole, di cui 56 con sistemi VMC e 1363 senza VMC, per un totale di 10441 aule, di cui 316 con sistemi VMC e le restanti 10125 sprovviste di sistemi VMC.

Il dato relativo al numero di infezioni è stato raccolto considerando i “cluster di casi” e non il singolo caso; in particolare, per “cluster” è stata presa in considerazione la definizione da decreto del governo italiano per il periodo in questione: almeno 2 casi positivi fino al 31 dicembre 2021 e almeno 3 positivi dal Gennaio 2022. I dati sul numero di casi sono stati raccolti dall’osservatorio epidemiologico e dal dipartimento dell’istruzione e infrastrutture della regione Marche; tali dati sono stati trattati dalla David Hume Foundation, un istituto di ricerca specializzato nell’analisi dei dati, che ha identificato i cluster per il periodo totale di osservazione 13 Settembre 2021 – 31 Gennaio 2022. Va sottolineato che durante il periodo di osservazione erano in vigore diverse misure protettive nelle scuole italiane quali: distanziamento, mascherine, indicazione di ventilare l’aula aprendo le finestre.

I sistemi VMC installati nelle aule sono unità di ventilazione per singola aula, molte delle quali dotate anche di unità di recupero termico e di filtri F7 o G15 per la filtrazione di particelle in sospensione nell’ambiente outdoor. Tali sistemi VMC venivano accesi prima dell’inizio delle lezioni e tenuti in funzione per l’intera giornata alla massima portata nominale di funzionamento. Le macchine installate, opportunamente dimensionate in ragione della volumetria delle aule in esame, presentano portate massime nominali da 100 a 1000 m³ h^-1 (con 25th, 50th, e 75th percentile pari a 360 m3 h-1, 600 m³ h^-1, and 800 m³ h^-1, rispettivamente) garantendo un ricambio personale Qp (stimato per un’occupazione media di 20 studenti ed un volume tipico di 150 m³ tra 1.4 e 14 L s^-1 studente^-1, e pertanto superiore ai tipici ricambi conseguibili mediante ventilazione naturale (Qp <1 L s-1 studente^-1). Si tenga presente che ai fini della qualità dell’aria indoor, la normativa italiana prevederebbe un ricambio d’aria (ACH) nelle aule fino a 5 h^-1, ossia un ricambio personale Qp=10 L s^-1 studente^-1 per livelli di occupazione e volumetria sopra citati, e che il ricambio personale tipico nelle aule europee varia tra 1.5 to 9 L s^-1 studente^-1, dove i valori più bassi sono rappresentativi delle aule con ventilazione naturale.

Sulla base di questi valori tipici, al fine di stratificare l’analisi statistica, le aule con VMC sono state suddivise in due sotto-coorti: i) sotto-coorte 1 rappresentativa delle aule con VMC in grado di fornire un ricambio personale Qp tra 1.4 e 10 L s-1 studente^-1, ossia che rispettano gli standard di ventilazione per la qualità dell’aria indoor, ii) sotto-coorte 2 che include le aule con VMC in grado di fornire un Qp > 10 L s^-1 studente^-1 (e fino a 14 L s^-1 studente^-1).

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Analisi statistica

I dati sul numero di studenti positivi sono stati forniti come: i) incidenza (incidence cases, IC), ossia il numero di casi contati, come descritto sopra, solo se appartenenti a dei cluster e forniti separatamente per aule con e senza VMC nei differenti periodi di osservazione, ii) incidenza cumulativa (incidence proportions, IP), ossia il numero di studenti positivi per 1000 studenti (contati solo nei cluster e forniti separatamente per aule con e senza VMC nei differenti periodi di osservazione), iii) rapporto tra le incidenze cumulative (incidence proportion ratio, IPR), ossia il rapporto tra i valori di IP in aule con e senza VMC.

La valutazione della riduzione del rischio è stata effettuata considerando diversi indicatori; per brevità se ne discute qui il più semplice, ossia l’indicatore cardinale y₁ espresso come numero totale di casi in un’aula, meno il caso “caso zero”, diviso il numero totale di studenti dell’aula. La riduzione del rischio è stata valutata calcolando (i) il rischio relativo (relative risk, RR), cioè il rapporto tra i valori di y₁ nelle aule con VMC e senza VMC, e (ii) la riduzione di rischio relativo (relative risk reduction, RRR) calcolato come 1-RR e rappresentativo della riduzione di eventi nel gruppo di controllo rispetto a quello investigato (classe con VMC). Tale analisi è stata condotta tenendo opportunamente in considerazione le variabili confondenti (es. grado scolastico, numero di studenti per aula, etc.). Per ulteriori dettagli sull’analisi statistica condotta (metodi di analisi, test di significatività, software utilizzati) e sugli altri indicatori analizzati si suggerisce di prendere visione dell’articolo di recente pubblicazione Buonanno et al., 2022.

Risultati e discussioni

In Figura 1 sono riportati il numero di casi (Incidence cases, IC) in aule con e senza VMC divisi per periodo di osservazione (Settembre-Dicembre 2021, Gennaio 2022, ed intero periodo). Durante l’intero periodo di osservazione sono stati registrati 3121 casi (all’interno dei cluster) di cui solo 31 in aule con VMC. Dato che il numero di aule con VMC è molto inferiore a quelle senza VMC, per un confronto appropriato occorre considerare il numero di casi per 1000 studenti, tale dato, l’Incidence proportion, è riportato in Figura 2 dove si nota chiaramente che, sull’intero periodo, l’IP per aule con sistemi di ventilazione è pari a 4.9 mentre per aule sprovviste di VMC è risultato di 15.3 da cui si stima un incidence proportion ratio IPR=0.32.

Analizzando separatamente i due diversi periodi di osservazione, si nota che l’IPR è pari a 0.45 per il periodo Settembre-Dicembre 2021 e 0.23 nel periodo Gennaio 2022, in altre parole l’installazione di sistemi VMC è risultata addirittura più determinante nel periodo caratterizzato dalla più elevata diffusione del virus; si tenga presente, infatti, che nel Gennaio del 2022 si è verificato un sensibile aumento di casi su scala nazionale e regionale dovuto alla diffusione della variante Omicron (numero medi di casi giornalieri su scala regionale: <4000 casi giornalieri nel periodo Settembre-Dicembre 2021; >16000 nel Gennaio 2022).

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• I risultati dello studio sono estremamente interessanti per le autorità pubbliche responsabili della salubrità e della salute negli ambienti indoor così come per organizzazioni e agenzie che lavorano nel campo della ventilazione degli ambienti.