New experimental research approaches to comfort and indoor air quality

This thesis aims to make a significant contribution to the current literature on new experimental approaches to comfort and indoor air quality (IAQ), two fundamental aspects of Indoor Environmental Quality (IEQ). IEQ plays a crucial role in the well-being, health, and productivity of building occupants, especially considering that people spend 80-90% of their time indoors; therefore, scientific and regulatory attention has increased significantly in recent years. The first approach investigated proposes a framework for controlling HVAC systems in university study rooms. It includes a data-driven model capable of estimating the probability of user interaction with air conditioning and ventilation systems based on thermal sensation, perceived air quality, microclimatic parameters, and previous interactions with the system. The experimental setup allowed participants to carry out their usual study activities without supervision, reducing the risk of psychological conditioning. The results show that the operative temperature is the main determinant of thermal sensation, while perceived air quality depends not only on CO₂ concentration but also on thermal perception and air velocity. Three predictive models (heating, cooling, and IAQ) were developed from the experimental data to estimate the probability of user intervention on the system. The second approach focuses on improving IAQ in classrooms through controlled mechanical ventilation (CMV) systems. A measurement campaign was conducted in three different classrooms to analyze the dynamics of indoor air quality influenced by occupant behavior and the presence or absence of an CMV system. The focus was on temporal variations in CO₂ concentration. The results indicate that a combination of natural and mechanical ventilation is essential to achieve acceptable CO₂ levels. Since CMV systems can cause discomfort due to air velocity, their accurate assessment is often limited by high costs, long measurement times, and the need for dense spatial sampling. For this reason, a mobile biaxial measurement platform equipped with a point sensor and guided by an adaptive refinement algorithm was developed and validated. This system allows efficient mapping of air velocity fields, helping to identify potential areas of discomfort with reduced measurement effort. The thesis also explores an innovative approach based on Living Walls (LWs), biomechanical systems designed to reduce indoor CO₂ concentrations. The study evaluates the phytoremediation performance of two LWs in a simulated classroom under controlled indoor conditions, analyzing CO₂ decay curves. The results show that LWs significantly accelerate CO₂ reduction, highlighting their potential as effective elements within hybrid ventilation systems aimed at sustainable IAQ improvement. In conclusion, this thesis advances knowledge in the field of indoor environmental quality, with particular emphasis on thermo-hygrometric comfort and indoor air quality. The results provide relevant insights and introduce innovative experimental approaches to improve indoor conditions, ultimately contributing to healthier and more comfortable indoor environments.

Questa tesi mira a fornire un contributo significativo alla letteratura attuale sui nuovi approcci sperimentali al comfort e alla qualità dell’aria interna (IAQ), due aspetti fondamentali dell’Indoor Environmental Quality (IEQ). L’IEQ svolge un ruolo cruciale nel benessere, nella salute e nella produttività degli occupanti degli edifici, soprattutto considerando che le persone trascorrono l’80-90% del loro tempo in ambienti chiusi; pertanto negli ultimi anni, l’attenzione scientifica e normativa è notevolmente aumentata. Il primo approccio investigato propone un framework per il controllo dei sistemi HVAC nelle sale studio universitarie. Esso include un modello data-driven capace di stimare la probabilità di interazione degli utenti con i sistemi di climatizzazione e ventilazione sulla base della sensazione termica, della qualità dell’aria percepita, dei parametri microclimatici e delle interazioni precedenti con il sistema. L’assetto sperimentale ha consentito ai partecipanti di svolgere le loro abituali attività di studio senza supervisione, riducendo il rischio di condizionamenti psicologici. I risultati mostrano che la temperatura operante è il principale determinante della sensazione termica, mentre la qualità dell’aria percepita dipende non solo dalla concentrazione di CO₂ ma anche dalla percezione termica e dalla velocità dell’aria. Dai dati sperimentali sono stati sviluppati tre modelli predittivi (riscaldamento, raffrescamento e IAQ) per stimare la probabilità di intervento dell’utente sul sistema. Il secondo approccio si concentra sul miglioramento della IAQ nelle aule tramite sistemi di ventilazione meccanica controllata (VMC). È stata condotta una campagna di misurazioni in tre diverse aule per analizzare la dinamica della qualità dell’aria interna influenzata dal comportamento degli occupanti e dalla presenza o assenza di un sistema VMC. L'attenzione è stata rivolta alle variazioni temporali della concentrazione di CO₂. I risultati indicano che una combinazione di ventilazione naturale e meccanica è essenziale per raggiungere livelli accettabili di CO₂. Poiché i sistemi VMC possono generare discomfort a causa della velocità dell’aria, la loro valutazione accurata è spesso limitata da elevati costi, lunghi tempi di misura e dalla necessità di un campionamento spaziale denso. Per questo motivo, è stata sviluppata e validata una piattaforma mobile biassiale di misura, dotata di un sensore puntuale e guidata da un algoritmo di raffinamento adattivo. Questo sistema permette una mappatura efficiente dei campi di velocità dell’aria, aiutando a identificare potenziali aree di discomfort con un ridotto sforzo di misura. La tesi esplora inoltre un approccio innovativo basato sulle Living Walls (LWs), sistemi biomeccanici progettati per ridurre le concentrazioni di CO₂ all'interno. Lo studio valuta le prestazioni di fitorisanamento di due LWs in un’aula simulata in condizioni indoor controllate, analizzando le curve di decadimento della CO₂. I risultati mostrano che le LWs accelerano significativamente la riduzione della CO₂, evidenziando il loro potenziale come elementi efficaci all’interno di sistemi di ventilazione ibridi finalizzati al miglioramento sostenibile della IAQ. In conclusione, questa tesi avanza la conoscenza nel campo della qualità dell’ambiente interno, con particolare enfasi sul comfort termoigrometrico e sulla qualità dell’aria interna. I risultati forniscono spunti rilevanti e introducono approcci sperimentali innovativi per migliorare le condizioni indoor, contribuendo in ultima analisi a ambienti interni più salubri e confortevoli.