Lorsqu'il s'agit de contrôler les polluants générés sur un chantier en ventilant tout le local on parle de ventilation générale. L'utilisation d'une ventilation générale implique d'accepter le fait que le polluant se répartira dans une certaine mesure sur tout l'espace du chantier, et pourra donc affecter les travailleurs éloignés de la source de contamination. La ventilation générale est donc une stratégie à l'opposé de extraction localisée. L'extraction localisée vise à éliminer le polluant en l'interceptant au plus près de la source (voir « Air intérieur : méthodes de contrôle et d'épuration », ailleurs dans ce chapitre).

L'un des objectifs fondamentaux de tout système de ventilation générale est le contrôle des odeurs corporelles. Ceci peut être réalisé en fournissant pas moins de 0.45 mètre cube par minute, m³/min, d'air neuf par occupant. Lorsque le tabagisme est fréquent ou que le travail est physiquement pénible, le taux de ventilation requis est plus élevé et peut dépasser 0.9 m³/min par personne.

Si les seuls problèmes environnementaux que le système de ventilation doit surmonter sont ceux que nous venons de décrire, il est bon de garder à l'esprit que chaque espace a un certain niveau de renouvellement d'air "naturel" au moyen de ce qu'on appelle "l'infiltration", qui se produit à travers les portes et les fenêtres, même lorsqu'elles sont fermées, et à travers d'autres sites de pénétration dans les murs. Les manuels de climatisation fournissent généralement de nombreuses informations à cet égard, mais on peut dire qu'au minimum le niveau de ventilation dû aux infiltrations se situe entre 0.25 et 0.5 renouvellement par heure. Un site industriel connaîtra couramment entre 0.5 et 3 renouvellements d'air par heure.

Lorsqu'elle est utilisée pour contrôler des polluants chimiques, la ventilation générale doit être limitée aux seules situations où les quantités de polluants générés ne sont pas très élevées, où leur toxicité est relativement modérée et où les travailleurs n'effectuent pas leurs tâches à proximité immédiate de la source de contamination. Si ces injonctions ne sont pas respectées, il sera difficile de faire accepter un contrôle adéquat de l'environnement de travail car il faut utiliser des taux de renouvellement si élevés que les vitesses élevées de l'air risquent de créer de l'inconfort, et parce que des taux de renouvellement élevés sont coûteux à maintenir. Il est donc inhabituel de recommander l'utilisation d'une ventilation générale pour le contrôle des substances chimiques, sauf dans le cas de solvants dont les concentrations admissibles sont supérieures à 100 parties par million.

Lorsque, en revanche, l'objectif de la ventilation générale est de maintenir les caractéristiques thermiques de l'environnement de travail en vue de limites légalement acceptables ou de recommandations techniques telles que les directives de l'Organisation internationale de normalisation (ISO), cette méthode présente moins de limites. La ventilation générale est donc plus souvent utilisée pour contrôler l'ambiance thermique que pour limiter la contamination chimique, mais son utilité en complément des techniques d'extraction localisée doit être clairement reconnue.

Alors que pendant de nombreuses années les phrases ventilation générale et ventilation par dilution étaient considérés comme synonymes, aujourd'hui ce n'est plus le cas en raison d'une nouvelle stratégie de ventilation générale : ventilation par déplacement. Même si la ventilation par dilution et la ventilation par déplacement correspondent à la définition de la ventilation générale que nous avons esquissée ci-dessus, elles diffèrent toutes deux largement dans la stratégie qu'elles emploient pour contrôler la contamination.

Ventilation par dilution a pour but de mélanger le plus complètement possible l'air introduit mécaniquement avec tout l'air déjà présent dans l'espace, de manière à ce que la concentration d'un polluant donné soit la plus uniforme possible dans l'ensemble (ou que la température soit la plus uniforme que possible, si le contrôle thermique est le but recherché). Pour réaliser ce mélange uniforme, de l'air est injecté depuis le plafond sous forme de courants à une vitesse relativement élevée, et ces courants génèrent une forte circulation d'air. Le résultat est un haut degré de mélange de l'air neuf avec l'air déjà présent à l'intérieur de l'espace.

Ventilation par déplacement, dans sa conceptualisation idéale, consiste à injecter de l'air dans un espace de manière à ce que de l'air nouveau déplace l'air qui s'y trouvait précédemment sans se mélanger avec lui. La ventilation par déplacement est réalisée en injectant de l'air neuf dans un espace à faible vitesse et à proximité du sol, et en extrayant de l'air près du plafond. L'utilisation de la ventilation par déplacement pour contrôler l'ambiance thermique présente l'avantage de bénéficier du mouvement naturel de l'air généré par les variations de densité elles-mêmes dues aux différences de température. Même si la ventilation par déplacement est déjà largement utilisée en situation industrielle, la littérature scientifique sur le sujet est encore assez limitée, et l'évaluation de son efficacité est donc encore difficile.

Ventilation par dilution

La conception d'un système de ventilation par dilution repose sur l'hypothèse que la concentration du polluant est la même dans tout l'espace considéré. C'est le modèle que les ingénieurs chimistes appellent souvent une cuve agitée.

Si vous supposez que l'air qui est injecté dans l'espace est exempt de polluant et qu'au moment initial la concentration dans l'espace est nulle, vous aurez besoin de connaître deux faits afin de calculer le taux de ventilation requis : la quantité du polluant généré dans l'espace et le niveau de concentration environnementale recherché (qui serait hypothétiquement le même partout).

Dans ces conditions, les calculs correspondants donnent l'équation suivante :

De

c (t) = la concentration du contaminant dans l'espace au moment t

a = la quantité de polluant généré (masse par unité de temps)

Q = le taux d'apport d'air neuf (volume par unité de temps)

V = le volume de l'espace en question.

L'équation ci-dessus montre que la concentration tendra vers un état stable à la valeur un/Q, et qu'il le fera d'autant plus vite que la valeur de Q/V, souvent appelé « le nombre de renouvellements par unité de temps ». Bien que parfois l'indice de la qualité de la ventilation soit considéré comme pratiquement équivalent à cette valeur, l'équation ci-dessus montre clairement que son influence se limite au contrôle de la vitesse de stabilisation des conditions environnementales, mais pas le niveau de concentration auquel un tel état d'équilibre se produira. Cela dépendra uniquement sur la quantité de polluant généré (a), et sur le taux de ventilation (Q).

Lorsque l'air d'un espace donné est contaminé mais qu'aucune nouvelle quantité de polluant n'est générée, la vitesse de diminution de la concentration sur une période de temps est donnée par l'expression suivante :

De Q et V ont la signification décrite ci-dessus, t₁ et t₂ sont respectivement les temps initial et final et c₁ et c₂ sont les concentrations initiale et finale.

Des expressions peuvent être trouvées pour les calculs dans les cas où la concentration initiale n'est pas nulle (Constance 1983 ; ACGIH 1992), où l'air injecté dans le local n'est pas totalement dépourvu de polluant (car pour réduire les coûts de chauffage dans la partie hivernale de l'air est recyclé, par exemple), ou lorsque les quantités de polluant généré varient en fonction du temps.

Si nous ne tenons pas compte de l'étape de transition et supposons que l'état d'équilibre a été atteint, l'équation indique que le taux de ventilation équivaut à a / c_lim, Où c_lim est la valeur de la concentration qui doit être maintenue dans l'espace donné. Cette valeur sera établie par la réglementation ou, à titre de norme annexe, par des recommandations techniques telles que les valeurs limites de seuil (TLV) de l'American Conference of Governmental Industrial Hygienists (ACGIH) qui recommande que le taux de ventilation soit calculé par la formule

De a et c_lim ont le sens déjà décrit et K est un facteur de sécurité. Une valeur de K entre 1 et 10 doit être choisi en fonction de l'efficacité du mélange d'air dans l'espace donné, de la toxicité du solvant (le plus petit c_lim c'est-à-dire que plus la valeur de K le sera), et de toute autre circonstance jugée pertinente par l'hygiéniste industriel. L'ACGIH, entre autres, cite la durée du procédé, le cycle des opérations et la localisation habituelle des travailleurs par rapport aux sources d'émission du polluant, le nombre de ces sources et leur localisation dans l'espace donné, la saisonnalité les changements dans la quantité de ventilation naturelle et la réduction anticipée de l'efficacité fonctionnelle de l'équipement de ventilation comme autres critères déterminants.

Dans tous les cas, l'utilisation de la formule ci-dessus nécessite une connaissance raisonnablement exacte des valeurs de a et K qui devraient être utilisés, et nous formulons donc quelques suggestions à cet égard.

La quantité de polluant généré peut assez fréquemment être estimée par la quantité de certains matériaux consommés dans le processus qui génère le polluant. Ainsi, dans le cas d'un solvant, la quantité utilisée sera une bonne indication de la quantité maximale que l'on peut trouver dans l'environnement.

Comme indiqué ci-dessus, la valeur de K doit être déterminé en fonction de l'efficacité du mélange d'air dans l'espace donné. Cette valeur sera donc plus petite en proportion directe de la qualité de l'estimation consistant à trouver la même concentration de polluant en tout point de l'espace donné. Ceci, à son tour, dépendra de la façon dont l'air est distribué dans l'espace ventilé.

Selon ces critères, les valeurs minimales de K doit être utilisé lorsque l'air est injecté dans l'espace de manière distribuée (en utilisant un plénum, ​​par exemple), et lorsque l'injection et l'extraction d'air sont aux extrémités opposées de l'espace donné. En revanche, des valeurs plus élevées pour K doit être utilisé lorsque l'air est fourni par intermittence et que l'air est extrait à des points proches de l'entrée d'air neuf (figure 1).

Figure 1. Schéma de circulation d'air dans une pièce avec deux ouvertures d'alimentation

Il est à noter que lorsque de l'air est injecté dans un espace donné, surtout si cela se fait à grande vitesse, le courant d'air créé exercera une traction considérable sur l'air qui l'entoure. Cet air se mélange ensuite au flux et le ralentit, créant également des turbulences mesurables. En conséquence, ce processus entraîne un mélange intense de l'air déjà présent dans l'espace et de l'air neuf qui est injecté, générant des courants d'air internes. La prévision de ces courants, même de manière générale, nécessite une grande dose d'expérience (figure 2).

Figure 2. Facteurs K suggérés pour les emplacements d'admission et d'échappement

Afin d'éviter les problèmes résultant de l'exposition des travailleurs à des courants d'air à des vitesses relativement élevées, l'air est couramment injecté au moyen de grilles de diffusion conçues de manière à faciliter le mélange rapide de l'air neuf avec l'air déjà présent dans l'espace. De cette façon, les zones où l'air se déplace à grande vitesse sont maintenues aussi petites que possible.

L'effet de courant qui vient d'être décrit ne se produit pas à proximité des points où l'air s'échappe ou est extrait par les portes, les fenêtres, les évents d'extraction ou d'autres ouvertures. L'air atteint les grilles d'extraction de toutes les directions, de sorte que même à une distance relativement courte de celles-ci, le mouvement de l'air n'est pas facilement perçu comme un courant d'air.

Dans tous les cas, en matière de distribution d'air, il est important de garder à l'esprit la commodité de placer les postes de travail, dans la mesure du possible, de manière à ce que l'air neuf parvienne aux travailleurs avant qu'il n'atteigne les sources de contamination.

Lorsque dans l'espace donné il y a d'importantes sources de chaleur, le mouvement de l'air sera largement conditionné par les courants de convection qui sont dus aux différences de densité entre l'air plus dense et froid et l'air plus léger et chaud. Dans des espaces de ce type, le concepteur de la distribution d'air ne doit pas manquer de garder à l'esprit l'existence de ces sources de chaleur, sinon le mouvement de l'air peut s'avérer très différent de celui prévu.

La présence de contamination chimique, en revanche, ne modifie pas de manière mesurable la densité de l'air. Alors qu'à l'état pur les polluants peuvent avoir une densité très différente de celle de l'air (généralement bien supérieure), compte tenu des concentrations réelles existantes sur le lieu de travail, le mélange air/polluant n'a pas une densité significativement différente de celle de densité de l'air pur.

De plus, il convient de souligner que l'une des erreurs les plus courantes commises dans l'application de ce type de ventilation est de n'alimenter l'espace qu'avec des extracteurs d'air, sans aucune prévoyance pour des apports d'air adéquats. Dans ces cas, l'efficacité des ventilateurs d'extraction est diminuée et, par conséquent, les taux réels d'extraction d'air sont bien inférieurs aux prévisions. Il en résulte des concentrations ambiantes du polluant plus importantes dans l'espace donné que celles initialement calculées.

Pour éviter ce problème, il convient de réfléchir à la manière dont l'air sera introduit dans l'espace. Le plan d'action recommandé est d'utiliser des ventilateurs d'immission ainsi que des ventilateurs d'extraction. Normalement, le taux d'extraction doit être supérieur au taux d'immission afin de permettre l'infiltration par les fenêtres et autres ouvertures. De plus, il est conseillé de maintenir l'espace en légère dépression pour éviter que la contamination générée ne dérive vers des zones non contaminées.

Ventilation par déplacement

Comme mentionné ci-dessus, avec la ventilation par déplacement, on cherche à minimiser le mélange d'air neuf et d'air précédemment trouvé dans l'espace donné, et on essaie d'ajuster le système au modèle dit piston. Ceci est généralement accompli en introduisant de l'air à des vitesses lentes et à de faibles altitudes dans l'espace donné et en l'extrayant près du plafond ; cela présente deux avantages par rapport à la ventilation par dilution.

En premier lieu, il permet des taux de renouvellement d'air plus faibles, car la pollution se concentre près du plafond de l'espace, là où il n'y a pas de travailleurs pour la respirer. Le moyen concentration dans l'espace donné sera alors supérieure à la c_lim valeur à laquelle nous nous sommes référés auparavant, mais cela n'implique pas un risque plus élevé pour les travailleurs car dans la zone occupée de l'espace donné, la concentration du polluant sera la même ou inférieure à un c_lim.

De plus, lorsque le but de la ventilation est le contrôle de l'ambiance thermique, la ventilation par déplacement permet d'introduire dans l'espace donné de l'air plus chaud que ne le demanderait un système de ventilation par dilution. En effet, l'air chaud extrait est à une température supérieure de plusieurs degrés à la température de la zone occupée du local.

Les principes fondamentaux de la ventilation par déplacement ont été développés par Sandberg qui, au début des années 1980, a développé une théorie générale pour l'analyse des situations où il y avait des concentrations non uniformes de polluants dans les espaces clos. Cela a permis de dépasser les limites théoriques de la ventilation par dilution (qui suppose une concentration uniforme dans l'espace donné) et a ouvert la voie à des applications pratiques (Sandberg 1981).

Même si la ventilation par déplacement est largement utilisée dans certains pays, notamment en Scandinavie, très peu d'études ont été publiées dans lesquelles l'efficacité de différentes méthodes est comparée dans des installations réelles. C'est sans doute à cause des difficultés pratiques d'installer deux systèmes de ventilation différents dans une usine réelle, et parce que l'analyse expérimentale de ces types de systèmes nécessite l'utilisation de traceurs. Le traçage se fait en ajoutant un gaz traceur au courant de ventilation d'air puis en mesurant les concentrations du gaz en différents points de l'espace et dans l'air extrait. Ce type d'examen permet de déduire la répartition de l'air dans l'espace et de comparer ensuite l'efficacité de différents systèmes de ventilation.

Les quelques études disponibles réalisées sur des installations réelles existantes ne sont pas concluantes, sauf sur le fait que les systèmes utilisant la ventilation par déplacement assurent un meilleur renouvellement d'air. Dans ces études, cependant, des réserves sont souvent exprimées sur les résultats dans la mesure où ils n'ont pas été confirmés par des mesures du niveau de contamination ambiant sur les chantiers.

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L'une des principales fonctions d'un bâtiment dans lequel s'exercent des activités non industrielles (bureaux, écoles, logements, etc.) est d'offrir aux occupants un environnement de travail sain et confortable. La qualité de cet environnement dépend, dans une large mesure, de la conception, de l'entretien et du bon fonctionnement des systèmes de ventilation et de climatisation du bâtiment.

Ces systèmes doivent donc fournir des conditions thermiques acceptables (température et humidité) et une qualité d'air intérieur acceptable. En d'autres termes, ils doivent viser un mélange approprié d'air extérieur et d'air intérieur et doivent utiliser des systèmes de filtration et de nettoyage capables d'éliminer les polluants présents dans l'environnement intérieur.

L'idée que l'air extérieur propre est nécessaire au bien-être dans les espaces intérieurs est exprimée depuis le XVIIIe siècle. Benjamin Franklin a reconnu que l'air d'une pièce est plus sain s'il bénéficie d'une ventilation naturelle en ouvrant les fenêtres. L'idée que fournir de grandes quantités d'air extérieur pourrait aider à réduire le risque de contagion de maladies comme la tuberculose s'est imposée au XIXe siècle.

Des études menées au cours des années 1930 ont montré que, pour diluer les effluves biologiques humains à des concentrations qui ne causeraient pas de gêne due aux odeurs, le volume d'air extérieur neuf nécessaire pour une pièce est compris entre 17 et 30 mètres cubes par heure et par occupant.

Dans la norme n° 62 établie en 1973, l'American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers (ASHRAE) recommande un débit minimum de 34 mètres cubes d'air extérieur par heure et par occupant pour contrôler les odeurs. Un minimum absolu de 8.5 m³/h/occupant est recommandé pour empêcher le dioxyde de carbone de dépasser 2,500 XNUMX ppm, soit la moitié de la limite d'exposition fixée pour les environnements industriels.

Ce même organisme, dans la norme n° 90, fixée en 1975, en pleine crise énergétique, a adopté le minimum absolu précité en laissant temporairement de côté la nécessité de débits de ventilation plus importants pour diluer les polluants tels que la fumée de tabac, les effluves biologiques, etc. de suite.

Dans sa norme n° 62 (1981) l'ASHRAE a rectifié cette omission et a établi sa recommandation à 34 m³/h/occupant pour les zones où il est permis de fumer et 8.5 m³/h/occupant dans les zones où il est interdit de fumer.

La dernière norme publiée par l'ASHRAE, également n° 62 (1989), établissait un minimum de 25.5 m³/h/occupant pour les espaces intérieurs occupés indépendamment du fait qu'il soit permis ou non de fumer. Il recommande également d'augmenter cette valeur lorsque l'air introduit dans le bâtiment n'est pas suffisamment mélangé dans la zone respiratoire ou s'il existe des sources inhabituelles de pollution présentes dans le bâtiment.

En 1992, la Commission des Communautés européennes a publié son Lignes directrices pour les exigences de ventilation dans les bâtiments. Contrairement aux recommandations existantes en matière de normes de ventilation, ce guide ne précise pas les volumes de débit de ventilation à prévoir pour un espace donné ; au lieu de cela, il fournit des recommandations calculées en fonction de la qualité d'air intérieur souhaitée.

Les normes de ventilation existantes prescrivent des volumes fixes de flux de ventilation qui doivent être fournis par occupant. Les tendances mises en évidence dans les nouvelles directives montrent que les calculs de volume ne garantissent pas à eux seuls une bonne qualité de l'air intérieur pour chaque environnement. C'est le cas pour trois raisons fondamentales.

Premièrement, ils supposent que les occupants sont les seules sources de contamination. Des études récentes montrent que d'autres sources de pollution, en plus des occupants, doivent être prises en considération comme sources possibles de pollution. Les exemples incluent les meubles, les tissus d'ameublement et le système de ventilation lui-même. La deuxième raison est que ces normes recommandent la même quantité d'air extérieur quelle que soit la qualité de l'air acheminé dans le bâtiment. Et la troisième raison est qu'ils ne définissent pas clairement la qualité de l'air intérieur requise pour l'espace donné. Par conséquent, il est proposé que les futures normes de ventilation soient basées sur les trois prémisses suivantes : la sélection d'une catégorie définie de qualité de l'air pour l'espace à ventiler, la charge totale de polluants dans l'espace occupé et la qualité de l'air extérieur disponible .

La qualité perçue de l'air

La qualité de l'air intérieur peut être définie comme le degré auquel les demandes et les exigences de l'être humain sont satisfaites. Fondamentalement, les occupants d'un espace exigent deux choses de l'air qu'ils respirent : percevoir l'air qu'ils respirent comme frais et non infect, vicié ou irritant ; et de savoir que les effets néfastes sur la santé pouvant résulter de la respiration de cet air sont négligeables.

Il est courant de penser que le degré de qualité de l'air dans un espace dépend plus des composants de cet air que de l'impact de cet air sur les occupants. Il peut donc sembler aisé d'évaluer la qualité de l'air, en supposant qu'en connaissant sa composition on puisse s'assurer de sa qualité. Cette méthode d'évaluation de la qualité de l'air fonctionne bien en milieu industriel, où l'on retrouve des composés chimiques impliqués ou dérivés du processus de production et où existent des appareils de mesure et des critères de référence pour évaluer les concentrations. Cette méthode ne fonctionne cependant pas dans des environnements non industriels. Les milieux non industriels sont des lieux où se trouvent des milliers de substances chimiques, mais à des concentrations très faibles, parfois mille fois inférieures aux limites d'exposition recommandées ; l'évaluation de ces substances une par une entraînerait une fausse évaluation de la qualité de cet air, et l'air serait probablement jugé de bonne qualité. Mais il y a un aspect manquant qui reste à prendre en compte, et c'est le manque de connaissances qui existe sur l'effet combiné de ces milliers de substances sur les êtres humains, et c'est peut-être la raison pour laquelle cet air est perçu comme étant infect, vicié ou irritant.

La conclusion qui en est tirée est que les méthodes traditionnelles utilisées en hygiène industrielle ne sont pas bien adaptées pour définir le degré de qualité qui sera perçu par les êtres humains qui respirent l'air évalué. L'alternative à l'analyse chimique consiste à utiliser des personnes comme appareils de mesure pour quantifier la pollution de l'air, en employant des panels de juges pour effectuer les évaluations.

L'être humain perçoit la qualité de l'air par deux sens : le sens olfactif, situé dans la cavité nasale et sensible à des centaines de milliers de substances odorantes, et le sens chimique, situé dans les muqueuses du nez et des yeux, et sensible à une nombre similaire de substances irritantes présentes dans l'air. C'est la réponse combinée de ces deux sens qui détermine la façon dont l'air est perçu et qui permet au sujet de juger si sa qualité est acceptable.

L'ancienne unité

UN olf (du latin = olfactif) est le taux d'émission de polluants atmosphériques (bioeffluents) d'une personne standard. Une personne standard est un adulte moyen qui travaille dans un bureau ou dans un lieu de travail similaire non industriel, sédentaire et en confort thermique avec un équipement standard hygiénique à 0.7 bain/jour. La pollution par un être humain a été choisie pour définir le terme olf pour deux raisons : la première est que les effluves biologiques émises par une personne sont bien connues, et la seconde est qu'il y avait beaucoup de données sur l'insatisfaction causée par de tels effluves biologiques.

Toute autre source de contamination peut être exprimée en nombre de personnes standard (OLF) nécessaires pour causer le même degré d'insatisfaction que la source de contamination évaluée.

La figure 1 représente une courbe qui définit un olf. Cette courbe montre comment la contamination produite par une personne standard (1 olf) est perçue à différents taux de ventilation, et permet de calculer le taux d'insatisfaits, c'est-à-dire ceux qui percevront la qualité de l'air comme inacceptable juste après ils sont entrés dans la chambre. La courbe est basée sur différentes études européennes dans lesquelles 168 personnes ont jugé la qualité de l'air pollué par plus d'un millier de personnes, hommes et femmes, considérée comme standard. Des études similaires menées en Amérique du Nord et au Japon montrent un degré élevé de corrélation avec les données européennes.

Figure 1. Courbe de définition Olf

L'unité décipol

La concentration de la pollution dans l'air dépend de la source de contamination et de sa dilution sous l'effet de la ventilation. La pollution de l'air perçue est définie comme la concentration d'effluves biologiques humains qui causerait le même inconfort ou la même insatisfaction que la concentration d'air pollué qui est évaluée. Un décipol (du latin la pollution) est la contamination causée par une personne standard (1 olf) lorsque le débit de ventilation est de 10 litres par seconde d'air non contaminé, de sorte que l'on peut écrire

1 décipol = 0.1 olf/(litre/seconde)

La figure 2, issue des mêmes données que la figure précédente, montre la relation entre la qualité perçue de l'air, exprimée en pourcentage d'insatisfaits et en décipols.

Figure 2. Relation entre la qualité perçue de l'air exprimée en pourcentage d'insatisfaits et en décipols

Pour déterminer le taux de ventilation requis du point de vue du confort, sélectionner le degré de qualité de l'air souhaité dans l'espace donné est essentiel. Trois catégories ou niveaux de qualité sont proposés dans le tableau 1, et ils sont dérivés des figures 1 et 2. Chaque niveau correspond à un certain pourcentage de personnes insatisfaites. Le choix de l'un ou l'autre niveau dépendra avant tout de l'utilisation de l'espace et de considérations économiques.

Tableau 1. Niveaux de qualité de l'air intérieur

¹ En supposant que l'air extérieur est propre et que l'efficacité du système de ventilation est égale à un.

Source : CCE 1992.

Comme indiqué ci-dessus, les données sont le résultat d'expériences menées avec des jurys, mais il est important de garder à l'esprit que certaines des substances présentes dans l'air qui peuvent être dangereuses (composés cancérigènes, micro-organismes et substances radioactives, par exemple) ne sont pas reconnus par les sens, et que les effets sensoriels d'autres contaminants n'ont aucune relation quantitative avec leur toxicité.

Sources de contamination

Comme nous l'avons indiqué précédemment, l'un des défauts des normes de ventilation actuelles est qu'elles ne prennent en compte que les occupants comme sources de contamination, alors qu'il est reconnu que les normes futures devraient prendre en compte toutes les sources possibles de pollution. Outre les occupants et leurs activités, y compris la possibilité qu'ils fument, il existe d'autres sources de pollution qui contribuent de manière significative à la pollution de l'air. Les exemples incluent les meubles, les tissus d'ameublement et les tapis, les matériaux de construction, les produits utilisés pour la décoration, les produits de nettoyage et le système de ventilation lui-même.

Ce qui détermine la charge de pollution de l'air dans un espace donné, c'est la combinaison de toutes ces sources de contamination. Cette charge peut être exprimée en contamination chimique ou en contamination sensorielle exprimée en olfs. Ce dernier intègre l'effet de plusieurs substances chimiques telles qu'elles sont perçues par l'être humain.

La charge chimique

La contamination qui émane d'un matériau donné peut être exprimée comme le taux d'émission de chaque substance chimique. La charge totale de pollution chimique est calculée en additionnant toutes les sources, et est exprimée en microgrammes par seconde (μg/s).

En réalité, il peut être difficile de calculer la charge de pollution car souvent peu de données sont disponibles sur les taux d'émission de nombreux matériaux couramment utilisés.

Charge sensorielle

La charge de pollution perçue par les sens est causée par les sources de contamination qui ont un impact sur la qualité perçue de l'air. La valeur donnée de cette charge sensorielle peut être calculée en additionnant tous les olfs des différentes sources de contamination qui existent dans un espace donné. Comme dans le cas précédent, il n'y a pas encore beaucoup d'informations disponibles sur les olfs par mètre carré (olfs/m²) de nombreux matériaux. Pour cette raison, il s'avère plus pratique d'estimer la charge sensorielle de l'ensemble du bâtiment, y compris les occupants, le mobilier et le système de ventilation.

Le tableau 2 montre la charge polluante en olfs par les occupants du bâtiment lors de l'exercice de différents types d'activités, en proportion de ceux qui fument et ne fument pas, et la production de divers composés comme le dioxyde de carbone (CO₂), le monoxyde de carbone (CO) et la vapeur d'eau. Le tableau 3 montre quelques exemples de taux d'occupation typiques dans différents types d'espaces. Et enfin, tcapable 4 reflète les résultats de la charge sensorielle - mesurée en olfs par mètre carré - trouvée dans différents bâtiments.

Tableau 2. Contamination due aux occupants d'un bâtiment

¹ 1 met est le taux métabolique d'une personne sédentaire au repos (1 met = 58 W/m² de la surface de la peau).
² Consommation moyenne de 1.2 cigarette/heure par fumeur. Taux d'émission moyen, 44 ml de CO par cigarette.
³ De la fumée de tabac.
⁴ Applicable aux personnes proches de la neutralité thermique.

Source : CCE 1992.

Tableau 3. Exemples de degré d'occupation de différents bâtiments

Source : CCE 1992.

Tableau 4. Contamination due au bâtiment

¹ Données obtenues dans 24 bureaux ventilés mécaniquement.
² Données obtenues dans 6 écoles ventilées mécaniquement.
³ Données obtenues dans 9 CPE ventilées mécaniquement.
⁴ Données obtenues dans 5 salles ventilées mécaniquement.
⁵ Objectif qui devrait être atteint par de nouveaux bâtiments.

Source : CCE 1992.

Qualité de l'air extérieur

Une autre prémisse, qui complète les apports nécessaires à l'élaboration des normes de ventilation du futur, est la qualité de l'air extérieur disponible. Les valeurs d'exposition recommandées pour certaines substances, tant à l'intérieur qu'à l'extérieur des espaces, figurent dans la publication Directives sur la qualité de l'air pour l'Europe par l'OMS (1987).

Le tableau 5 montre les niveaux de qualité perçue de l'air extérieur, ainsi que les concentrations de plusieurs polluants chimiques typiques trouvés à l'extérieur.

Tableau 5. Niveaux de qualité de l'air extérieur

¹ Les valeurs de la qualité de l'air perçue sont des valeurs moyennes quotidiennes.
² Les valeurs des polluants correspondent aux concentrations annuelles moyennes.

Source : CCE 1992.

Il convient de garder à l'esprit que dans de nombreux cas, la qualité de l'air extérieur peut être inférieure aux niveaux indiqués dans le tableau ou dans les directives de l'OMS. Dans de tels cas, l'air doit être nettoyé avant d'être transporté dans les espaces occupés.

Efficacité des systèmes de ventilation

Un autre facteur important qui affectera le calcul des exigences de ventilation pour un espace donné est l'efficacité de la ventilation (E_v), qui est défini comme le rapport entre la concentration de polluants dans l'air extrait (C_e) et la concentration dans la zone respiratoire (C_b).

E_v = C_e/C_b

L'efficacité de la ventilation dépend de la répartition de l'air et de la localisation des sources de pollution dans l'espace donné. Si l'air et les contaminants sont complètement mélangés, l'efficacité de la ventilation est égale à un ; si la qualité de l'air dans la zone de respiration est meilleure que celle de l'air extrait, alors l'efficacité est supérieure à un et la qualité d'air souhaitée peut être atteinte avec des taux de ventilation inférieurs. En revanche, des débits de ventilation plus importants seront nécessaires si l'efficacité de la ventilation est inférieure à un, ou pour le dire autrement, si la qualité de l'air dans la zone respiratoire est inférieure à la qualité de l'air extrait.

Pour calculer l'efficacité de la ventilation, il est utile de diviser les espaces en deux zones, l'une dans laquelle l'air est envoyé, l'autre comprenant le reste de la pièce. Pour les systèmes de ventilation qui fonctionnent selon le principe du mélange, la zone où l'air est fourni se trouve généralement au-dessus de la zone de respiration, et les meilleures conditions sont atteintes lorsque le mélange est si poussé que les deux zones ne font plus qu'une. Pour les systèmes de ventilation fonctionnant selon le principe du déplacement, l'air est fourni dans la zone occupée par les personnes et la zone d'extraction se trouve généralement au-dessus de la tête ; ici, les meilleures conditions sont atteintes lorsque le mélange entre les deux zones est minimal.

L'efficacité de la ventilation est donc fonction de l'emplacement et des caractéristiques des éléments qui fournissent et extraient l'air et de l'emplacement et des caractéristiques des sources de contamination. De plus, il est également fonction de la température et des volumes d'air fournis. Il est possible de calculer l'efficacité d'un système de ventilation par simulation numérique ou en prenant des mesures. Lorsque les données ne sont pas disponibles, les valeurs de la figure 3 peuvent être utilisées pour différents systèmes de ventilation. Ces valeurs de référence tiennent compte de l'impact de la répartition de l'air mais pas de la localisation des sources de pollution, en supposant plutôt qu'elles sont uniformément réparties dans l'espace ventilé.

Figure 3. Efficacité de la ventilation en zone respiratoire selon différents principes de ventilation

Calcul des besoins en ventilation

La figure 4 montre les équations utilisées pour calculer les besoins en ventilation tant du point de vue du confort que de celui de la protection de la santé.

Figure 4. Équations pour le calcul des besoins en ventilation

Exigences de ventilation pour le confort

Les premières étapes du calcul des exigences de confort consistent à décider du niveau de qualité de l'air intérieur que l'on souhaite obtenir pour l'espace ventilé (voir Tableau 1), et d'estimer la qualité de l'air extérieur disponible (voir Tableau 5).

L'étape suivante consiste à estimer la charge sensorielle, en utilisant les tableaux 8, 9 et 10 pour sélectionner les charges selon les occupants et leurs activités, le type de bâtiment, et le niveau d'occupation par mètre carré de surface. La valeur totale est obtenue en additionnant toutes les données.

Selon le principe de fonctionnement du système de ventilation et à l'aide de la figure 9, il est possible d'estimer l'efficacité de la ventilation. L'application de l'équation (1) de la figure 9 donnera une valeur pour la quantité de ventilation requise.

Exigences de ventilation pour la protection de la santé

Une procédure similaire à celle décrite ci-dessus, mais utilisant l'équation (2) de la figure 3, fournira une valeur pour le flux de ventilation nécessaire pour prévenir les problèmes de santé. Pour calculer cette valeur il faut identifier une substance ou un groupe de substances chimiques critiques que l'on se propose de contrôler et estimer leurs concentrations dans l'air ; il faut aussi prévoir différents critères d'évaluation, en tenant compte des effets du contaminant et de la sensibilité des occupants que l'on souhaite protéger, des enfants ou des personnes âgées par exemple.

Malheureusement, il est encore difficile d'estimer les besoins en ventilation pour la protection de la santé en raison du manque d'information sur certaines des variables qui entrent dans les calculs, comme les taux d'émission des contaminants (G), les critères d'évaluation des espaces intérieurs (C_v) et d'autres.

Des études menées sur le terrain montrent que les espaces où la ventilation est nécessaire pour atteindre des conditions de confort, les concentrations de substances chimiques sont faibles. Néanmoins, ces espaces peuvent contenir des sources de pollution dangereuses. La meilleure politique dans ces cas est d'éliminer, de substituer ou de contrôler les sources de pollution au lieu de diluer les contaminants par une ventilation générale.

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En matière de chauffage, les besoins d'une personne donnée dépendront de nombreux facteurs. Ils peuvent être classés en deux groupes principaux, ceux liés à l'environnement et ceux liés aux facteurs humains. Parmi ceux liés à l'environnement, on peut citer la géographie (latitude et altitude), le climat, le type d'exposition de l'espace dans lequel se trouve la personne, ou les barrières qui protègent l'espace contre l'environnement extérieur, etc. Parmi les facteurs humains figurent la la consommation d'énergie du travailleur, le rythme de travail ou la quantité d'effort nécessaire pour le travail, les vêtements ou les vêtements utilisés contre le froid et les préférences ou les goûts personnels.

Le besoin de chauffage est saisonnier dans de nombreuses régions, mais cela ne signifie pas que le chauffage est superflu pendant la saison froide. Les conditions environnementales froides affectent la santé, l'efficacité mentale et physique, la précision et peuvent parfois augmenter le risque d'accidents. Le but d'un système de chauffage est de maintenir des conditions thermiques agréables qui préviendront ou minimiseront les effets néfastes sur la santé.

Les caractéristiques physiologiques du corps humain lui permettent de supporter de grandes variations de conditions thermiques. Les êtres humains maintiennent leur équilibre thermique à travers l'hypothalamus, au moyen de récepteurs thermiques dans la peau ; la température corporelle est maintenue entre 36 et 38°C comme le montre la figure 1.

Figure 1. Mécanismes de thermorégulation chez l'homme

Les systèmes de chauffage doivent avoir des mécanismes de contrôle très précis, en particulier dans les cas où les travailleurs effectuent leurs tâches en position assise ou fixe qui ne stimule pas la circulation sanguine vers leurs extrémités. Lorsque le travail effectué permet une certaine mobilité, le contrôle du système peut être un peu moins précis. Enfin, lorsque le travail effectué se déroule dans des conditions anormalement défavorables, comme dans des chambres réfrigérées ou dans des conditions climatiques très froides, des mesures d'accompagnement peuvent être prises pour protéger des tissus particuliers, pour réguler le temps passé dans ces conditions ou pour fournir de la chaleur par des systèmes électriques incorporés dans les vêtements du travailleur.

Définition et description de l'environnement thermique

Une exigence qui peut être exigée de tout système de chauffage ou de climatisation fonctionnant correctement est qu'il doit permettre le contrôle des variables qui définissent l'environnement thermique, dans des limites spécifiées, pour chaque saison de l'année. Ces variables sont

1. température de l'air
2. température moyenne des surfaces intérieures qui définissent l'espace
3. l'humidité de l'air
4. vitesses et uniformité des vitesses d'écoulement de l'air dans l'espace

Il a été démontré qu'il existe une relation très simple entre la température de l'air et des surfaces murales d'un espace donné, et les températures qui procurent la même sensation thermique perçue dans une pièce différente. Cette relation peut être exprimée comme

De

T_manger = température de l'air équivalente pour une sensation thermique donnée

T_dbt = température de l'air mesurée avec un thermomètre à bulbe sec

T_ast = température de surface moyenne mesurée des murs.

Par exemple, si dans un espace donné l'air et les murs sont à 20°C, la température équivalente sera de 20°C, et la sensation de chaleur perçue sera la même que dans une pièce où la température moyenne des murs est de 15°C et la température de l'air est de 25°C, car cette pièce aurait la même température équivalente. Du point de vue de la température, la sensation perçue de confort thermique serait la même.

Propriétés de l'air humide

Lors de la mise en œuvre d'un plan de climatisation, trois éléments doivent être pris en considération : l'état thermodynamique de l'air dans l'espace donné, de l'air extérieur et de l'air qui sera fourni à la pièce. Le choix d'un système capable de transformer les propriétés thermodynamiques de l'air fourni à la pièce sera alors basé sur les charges thermiques existantes de chaque composant. Il faut donc connaître les propriétés thermodynamiques de l'air humide. Ils sont les suivants :

T_dbt = la température de bulbe sec, mesurée avec un thermomètre isolé de la chaleur rayonnante

T_dpt = la lecture de la température du point de rosée. C'est la température à laquelle l'air sec non saturé atteint le point de saturation

W = une relation d'humidité qui va de zéro pour l'air sec à W_s pour l'air saturé. Elle s'exprime en kg de vapeur d'eau par kg d'air sec

RH = humidité relative

t* = température thermodynamique avec bulbe humide

v = volume spécifique d'air et de vapeur d'eau (exprimé en unités de m³/kg). C'est l'inverse de la densité

H = enthalpie, kcal/kg d'air sec et vapeur d'eau associée.

Parmi les variables ci-dessus, seules trois sont directement mesurables. Il s'agit de la lecture de la température du bulbe sec, de la lecture de la température du point de rosée et de l'humidité relative. Il existe une quatrième variable mesurable expérimentalement, définie comme la température de bulbe humide. La température de bulbe humide est mesurée avec un thermomètre dont le bulbe a été humidifié et qui est déplacé, typiquement à l'aide d'une élingue, dans de l'air humide non saturé à une vitesse modérée. Cette variable diffère d'une quantité insignifiante de la température thermodynamique avec un bulbe sec (3 %), de sorte qu'elles peuvent toutes deux être utilisées pour des calculs sans trop se tromper.

Schéma psychrométrique

Les propriétés définies dans la section précédente sont fonctionnellement liées et peuvent être représentées sous forme graphique. Cette représentation graphique est appelée diagramme psychrométrique. Il s'agit d'un graphique simplifié dérivé des tables de l'American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers (ASHRAE). L'enthalpie et le degré d'humidité sont indiqués sur les coordonnées du diagramme ; les lignes tracées montrent les températures sèches et humides, l'humidité relative et le volume spécifique. Avec le diagramme psychrométrique, connaître deux des variables précitées permet de déduire toutes les propriétés de l'air humide.

Conditions de confort thermique

Le confort thermique se définit comme un état d'esprit qui exprime la satisfaction vis-à-vis de l'environnement thermique. Elle est influencée par des facteurs physiques et physiologiques.

Il est difficile de prescrire des conditions générales à respecter pour le confort thermique car les conditions diffèrent selon les situations de travail ; des conditions différentes pourraient même être exigées pour un même poste de travail lorsqu'il est occupé par des personnes différentes. Une norme technique relative aux conditions thermiques requises pour le confort ne peut s'appliquer à tous les pays en raison des conditions climatiques différentes et de leurs coutumes vestimentaires différentes.

Des études ont été menées auprès de travailleurs effectuant des travaux manuels légers, établissant une série de critères de température, de vitesse et d'humidité qui sont présentés dans le tableau 1 (Bedford et Chrenko 1974).

Tableau 1. Normes proposées pour les facteurs environnementaux

Les facteurs ci-dessus sont interdépendants, nécessitant une température de l'air plus basse dans les cas où il y a un rayonnement thermique élevé et nécessitant une température de l'air plus élevée lorsque la vitesse du flux d'air est également plus élevée.

Généralement, les corrections à effectuer sont les suivantes :

La température de l'air doit être augmentée:

• si la vitesse du flux d'air est élevée

• pour les situations de travail sédentaires

• si les vêtements utilisés sont légers

• lorsque les gens doivent être acclimatés à des températures intérieures élevées.

La température de l'air doit être diminuée :

• si le travail implique un travail manuel lourd

• lorsque des vêtements chauds sont utilisés.

Pour une bonne sensation de confort thermique, la situation la plus souhaitable est celle où la température de l'environnement est légèrement supérieure à la température de l'air et où le flux d'énergie thermique rayonnante est le même dans toutes les directions et n'est pas excessif au-dessus. L'augmentation de la température en fonction de la hauteur doit être minimisée, en gardant les pieds au chaud sans créer trop de charge thermique au-dessus de la tête. Un facteur important qui influe sur la sensation de confort thermique est la vitesse du flux d'air. Il existe des diagrammes qui donnent des vitesses d'air recommandées en fonction de l'activité pratiquée et du type de vêtement utilisé (figure 2).

Figure 2. Zones de confort basées sur les lectures des températures globales et la vitesse des courants d'air

Dans certains pays, il existe des normes pour les températures ambiantes minimales, mais les valeurs optimales n'ont pas encore été établies. En règle générale, la valeur maximale de la température de l'air est de 20 °C. Avec les récentes améliorations techniques, la complexité de la mesure du confort thermique s'est accrue. De nombreux indices sont apparus, dont l'indice de température effective (ET) et l'indice de température effective, corrigé (CET) ; l'indice de surcharge calorique; l'indice de stress thermique (HSI); la température du bulbe humide (WBGT); et l'indice de Fanger des valeurs médianes (IMV), entre autres. L'indice WBGT permet de déterminer les intervalles de repos nécessaires en fonction de l'intensité du travail effectué afin d'éviter le stress thermique dans les conditions de travail. Ceci est discuté plus en détail dans le chapitre Chaleur et froid.

Zone de confort thermique dans un diagramme psychrométrique

La plage sur le diagramme psychrométrique correspondant aux conditions dans lesquelles un adulte perçoit le confort thermique a été soigneusement étudiée et a été définie dans la norme ASHRAE en fonction de la température effective, définie comme la température mesurée avec un thermomètre à bulbe sec dans une pièce uniforme avec 50 pour cent d'humidité relative, où les gens auraient le même échange de chaleur par énergie rayonnante, convection et évaporation qu'ils le feraient avec le niveau d'humidité dans l'environnement local donné. L'échelle de température effective est définie par l'ASHRAE pour un niveau de vêtement de 0.6 clo — clo est une unité d'isolation ; 1 clo correspond à l'isolation apportée par un ensemble normal de vêtements - qui suppose un niveau d'isolation thermique de 0.155 K m²W^-1, où K est l'échange de chaleur par conduction mesuré en Watts par mètre carré (W m^-2) pour un mouvement d'air de 0.2 ms^-1 (au repos), pour une exposition d'une heure à une activité sédentaire choisie de 1 met (unité de métabolisme = 50 Kcal/m²h). Cette zone de confort est illustrée à la figure 2 et peut être utilisée pour les environnements thermiques où la température mesurée par la chaleur rayonnante est approximativement la même que la température mesurée par un thermomètre à bulbe sec et où la vitesse du flux d'air est inférieure à 0.2 ms.^-1 pour les personnes vêtues de vêtements légers et exerçant des activités sédentaires.

Formule confort : La méthode Fanger

La méthode développée par PO Fanger est basée sur une formule qui met en relation des variables de température ambiante, température radiante moyenne, vitesse relative du flux d'air, pression de vapeur d'eau dans l'air ambiant, niveau d'activité et résistance thermique des vêtements portés. Un exemple dérivé de la formule de confort est présenté dans le tableau 2, qui peut être utilisé dans des applications pratiques pour obtenir une température de confort en fonction du vêtement porté, du taux métabolique de l'activité exercée et de la vitesse du flux d'air.

Tableau 2. Températures de confort thermique (°C), à 50% d'humidité relative (selon la formule de PO Fanger)

Systèmes de chauffage

La conception de tout système de chauffage doit être directement liée aux travaux à effectuer et aux caractéristiques du bâtiment où il sera installé. Il est difficile de trouver, dans le cas des bâtiments industriels, des projets où les besoins de chauffage des ouvriers sont pris en compte, souvent parce que les process et les postes de travail restent à définir. Normalement, les systèmes sont conçus avec une plage très libre, en ne considérant que les charges thermiques qui existeront dans le bâtiment et la quantité de chaleur qui doit être fournie pour maintenir une température donnée dans le bâtiment, sans tenir compte de la distribution de chaleur, de la situation des postes de travail et d'autres facteurs similaires moins généraux. Cela entraîne des lacunes dans la conception de certains bâtiments qui se traduisent par des lacunes telles que des points froids, des courants d'air, un nombre insuffisant d'éléments chauffants et d'autres problèmes.

Pour aboutir à un bon système de chauffage lors de la planification d'un bâtiment, voici quelques-unes des considérations à prendre en compte :

• Considérez le placement approprié de l'isolant pour économiser de l'énergie et minimiser les gradients de température dans le bâtiment.

• Réduire au maximum les infiltrations d'air froid dans le bâtiment afin de minimiser les variations de température dans les zones de travail.

• Maîtriser la pollution de l'air par extraction localisée d'air et ventilation par déplacement ou diffusion.

• Maîtriser les émissions de chaleur dues aux procédés mis en œuvre dans le bâtiment et leur répartition dans les zones occupées du bâtiment.

Lorsque le chauffage est assuré par des brûleurs sans cheminées d'évacuation, une attention particulière doit être portée à l'inhalation des produits de combustion. Normalement, lorsque les matériaux combustibles chauffent du mazout, du gaz ou du coke, ils produisent du dioxyde de soufre, des oxydes d'azote, du monoxyde de carbone et d'autres produits de combustion. Il existe des limites d'exposition humaine pour ces composés et elles doivent être contrôlées, en particulier dans les espaces clos où la concentration de ces gaz peut augmenter rapidement et l'efficacité de la réaction de combustion peut diminuer.

La planification d'un système de chauffage implique toujours d'équilibrer diverses considérations, telles qu'un faible coût initial, la flexibilité du service, l'efficacité énergétique et l'applicabilité. Par conséquent, l'utilisation de l'électricité pendant les heures creuses, alors qu'elle pourrait être moins chère, par exemple, pourrait rendre les radiateurs électriques plus rentables. L'utilisation de systèmes chimiques de stockage de chaleur pouvant ensuite être mobilisés lors des pics de consommation (à l'aide de sulfure de sodium par exemple) est une autre option. Il est également possible d'étudier le placement de plusieurs systèmes différents ensemble, en les faisant fonctionner de manière à optimiser les coûts.

L'installation d'appareils de chauffage pouvant fonctionner au gaz ou au mazout est particulièrement intéressante. L'utilisation directe de l'électricité signifie consommer une énergie de premier ordre qui peut s'avérer coûteuse dans de nombreux cas, mais qui peut offrir la flexibilité nécessaire dans certaines circonstances. Les pompes à chaleur et autres systèmes de cogénération qui profitent de la chaleur résiduelle peuvent offrir des solutions qui peuvent être très avantageuses d'un point de vue financier. Le problème de ces systèmes est leur coût initial élevé.

Aujourd'hui, la tendance des systèmes de chauffage et de climatisation est de viser un fonctionnement optimal et des économies d'énergie. Les nouveaux systèmes comprennent donc des capteurs et des commandes répartis dans les espaces à chauffer, obtenant un apport de chaleur uniquement pendant les temps nécessaires pour obtenir le confort thermique. Ces systèmes peuvent économiser jusqu'à 30% des coûts énergétiques de chauffage. La figure 3 montre quelques-uns des systèmes de chauffage disponibles, en indiquant leurs caractéristiques positives et leurs inconvénients.

Figure 3. Caractéristiques des systèmes de chauffage les plus couramment utilisés sur les chantiers

Systèmes de climatisation

L'expérience montre que les environnements industriels proches de la zone de confort pendant les mois d'été augmentent la productivité, ont tendance à enregistrer moins d'accidents, ont un absentéisme plus faible et, en général, contribuent à l'amélioration des relations humaines. Dans le cas des commerces, des hôpitaux et des bâtiments de grandes surfaces, la climatisation a généralement besoin d'être dirigée pour pouvoir apporter un confort thermique lorsque les conditions extérieures l'exigent.

Dans certains environnements industriels où les conditions extérieures sont très sévères, l'objectif des systèmes de chauffage est davantage de fournir suffisamment de chaleur pour prévenir d'éventuels effets néfastes sur la santé que de fournir suffisamment de chaleur pour un environnement thermique confortable. Les facteurs à surveiller attentivement sont l'entretien et la bonne utilisation des équipements de climatisation, en particulier lorsqu'ils sont équipés d'humidificateurs, car ils peuvent devenir des sources de contamination microbienne avec les risques que ces contaminants peuvent présenter pour la santé humaine.

Aujourd'hui, les systèmes de ventilation et de climatisation tendent à couvrir, conjointement et souvent avec la même installation, les besoins de chauffage, de réfrigération et de climatisation de l'air d'un bâtiment. Plusieurs classifications peuvent être utilisées pour les systèmes de réfrigération.

Selon la configuration du système, ils peuvent être classés de la manière suivante :

• Unités hermétiquement fermées, avec fluide frigorigène installé en usine, pouvant être ouvertes et rechargées dans un atelier de réparation. Il s'agit d'unités de conditionnement d'air normalement utilisées dans les bureaux, les habitations et autres.

• Unités semi-hermétiques de taille moyenne, fabriquées en usine, qui sont de plus grande taille que les unités domestiques et qui peuvent être réparées par des ouvertures conçues à cet effet.

• Systèmes segmentés pour entrepôts et grandes surfaces, constitués de pièces et de composants clairement différenciés et physiquement séparés (le compresseur et le condenseur sont physiquement séparés de l'évaporateur et du détendeur). Ils sont utilisés pour les grands immeubles de bureaux, les hôtels, les hôpitaux, les grandes usines et les bâtiments industriels.

Selon la couverture qu'ils offrent, ils peuvent être classés de la manière suivante :

• Systèmes pour une seule zone : une unité de traitement d'air dessert plusieurs pièces d'un même bâtiment et en même temps. Les pièces desservies ont des besoins similaires en chauffage, réfrigération et ventilation et elles sont régulées par une commande commune (un thermostat ou un appareil similaire). Les systèmes de ce type peuvent finir par être incapables de fournir un niveau de confort adéquat à chaque pièce si le plan de conception n'a pas pris en compte les différentes charges thermiques entre les pièces d'une même zone. Cela peut se produire lorsqu'il y a une augmentation de l'occupation d'une pièce ou lorsque de l'éclairage ou d'autres sources de chaleur sont ajoutés, comme des ordinateurs ou des photocopieurs, qui n'étaient pas prévus lors de la conception originale du système. L'inconfort peut également survenir en raison des changements saisonniers de la quantité de rayonnement solaire reçue par une pièce, ou même en raison des changements d'une pièce à l'autre au cours de la journée.

• Systèmes pour plusieurs zones : les systèmes de ce type peuvent fournir à différentes zones de l'air à différentes températures et humidités en chauffant, refroidissant, humidifiant ou déshumidifiant l'air dans chaque zone et en faisant varier le débit d'air. Ces systèmes, même s'ils disposent généralement d'une unité de refroidissement d'air commune et centralisée (compresseur, évaporateur, etc.), sont équipés de divers éléments, tels que des dispositifs de contrôle du débit d'air, des serpentins de chauffage et des humidificateurs. Ces systèmes sont capables d'ajuster les conditions d'une pièce en fonction de charges thermiques spécifiques, qu'ils détectent au moyen de capteurs répartis dans les pièces de la zone qu'ils desservent.

• En fonction du débit d'air que ces systèmes pompent dans le bâtiment, ils sont classés de la manière suivante :

• Volume constant (CV) : ces systèmes pompent un flux d'air constant dans chaque pièce. Les changements de température sont effectués en chauffant ou en refroidissant l'air. Ces systèmes mélangent fréquemment un pourcentage d'air extérieur avec de l'air intérieur recyclé.

• Volume variable (VAV) : ces systèmes maintiennent le confort thermique en faisant varier la quantité d'air chauffé ou refroidi fourni à chaque espace. Même s'ils fonctionnent principalement selon ce principe de mélange, ils peuvent également être combinés avec des systèmes qui modifient la température de l'air qu'ils introduisent dans la pièce.

Les problèmes qui affectent le plus souvent ces types de systèmes sont un chauffage ou un refroidissement excessif si le système n'est pas ajusté pour répondre aux variations des charges thermiques, ou un manque de ventilation si le système n'introduit pas une quantité minimale d'air extérieur pour renouveler la circulation. l'air intérieur. Cela crée des environnements intérieurs viciés dans lesquels la qualité de l'air se détériore.

Les éléments de base de tous les systèmes de climatisation sont (voir également figure 4) :

• Unités pour retenir les matières solides, généralement des filtres à manches ou des précipitateurs électrostatiques.

• Unités de chauffage ou de refroidissement à air : la chaleur est échangée dans ces unités par échange thermique avec de l'eau froide ou des liquides réfrigérants, par ventilation forcée en été et par chauffage avec des serpentins électriques ou par combustion en hiver.

• Unités de contrôle de l'humidité : en hiver, l'humidité peut être ajoutée par injection directe de vapeur d'eau ou par évaporation directe de l'eau ; en été, il peut être éliminé par des serpentins réfrigérés qui condensent l'excès d'humidité dans l'air, ou par un système d'eau réfrigérée dans lequel l'air humide circule à travers un rideau de gouttes d'eau plus froide que le point de rosée de l'air humide.

Figure 4. Schéma simplifié du système de climatisation

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L'ionisation est l'une des techniques utilisées pour éliminer les particules de l'air. Les ions agissent comme des noyaux de condensation pour les petites particules qui, en se collant, croissent et précipitent.

La concentration en ions dans les espaces intérieurs clos est, en règle générale et s'il n'y a pas de sources supplémentaires d'ions, inférieure à celle des espaces ouverts. D'où la conviction que l'augmentation de la concentration d'ions négatifs dans l'air intérieur améliore la qualité de l'air.

Certaines études basées sur des données épidémiologiques et sur des recherches expérimentales planifiées affirment que l'augmentation de la concentration d'ions négatifs dans les environnements de travail entraîne une amélioration de l'efficacité des travailleurs et améliore l'humeur des employés, tandis que les ions positifs ont un effet négatif. Cependant, des études parallèles montrent que les données existantes sur les effets de l'ionisation négative sur la productivité des travailleurs sont incohérentes et contradictoires. Il semble donc qu'il ne soit toujours pas possible d'affirmer sans équivoque que la génération d'ions négatifs est réellement bénéfique.

Ionisation naturelle

Les molécules de gaz individuelles dans l'atmosphère peuvent s'ioniser négativement en gagnant ou positivement en perdant un électron. Pour que cela se produise, une molécule donnée doit d'abord acquérir suffisamment d'énergie - généralement appelée énergie d'ionisation de cette molécule particulière. De nombreuses sources d'énergie, tant d'origine cosmique que terrestre, existent dans la nature et sont capables de produire ce phénomène : rayonnement de fond dans l'atmosphère ; les ondes solaires électromagnétiques (en particulier les ultraviolets), les rayons cosmiques, l'atomisation de liquides tels que les embruns causés par les chutes d'eau, le mouvement de grandes masses d'air à la surface de la terre, les phénomènes électriques tels que la foudre et les orages, le processus de combustion et les substances radioactives .

Les configurations électriques des ions qui se forment de cette manière, bien qu'elles ne soient pas encore complètement connues, semblent inclure les ions de carbonatation et H₊H₃O₊, L'₊, N₊, OH^-H₂O^- et O₂^-. Ces molécules ionisées peuvent s'agréger par adsorption sur les particules en suspension (brouillard, silice et autres contaminants). Les ions sont classés selon leur taille et leur mobilité. Ce dernier est défini comme une vitesse dans un champ électrique exprimée comme une unité telle que des centimètres par seconde par une tension par centimètre (cm/s/V/cm), ou, plus compact,

Les ions atmosphériques ont tendance à disparaître par recombinaison. Leur demi-vie dépend de leur taille et est inversement proportionnelle à leur mobilité. Les ions négatifs sont statistiquement plus petits et leur demi-vie est de plusieurs minutes, tandis que les ions positifs sont plus gros et leur demi-vie est d'environ une demi-heure. Le charge spatiale est le quotient de la concentration en ions positifs et de la concentration en ions négatifs. La valeur de cette relation est supérieure à un et dépend de facteurs tels que le climat, le lieu et la saison de l'année. Dans les espaces de vie, ce coefficient peut avoir des valeurs inférieures à un. Les caractéristiques sont données dans le tableau 1.

Tableau 1. Caractéristiques des ions de mobilités et de diamètre donnés

Ionisation artificielle

L'activité humaine modifie l'ionisation naturelle de l'air. L'ionisation artificielle peut être causée par des processus et des incendies industriels et nucléaires. Les particules en suspension dans l'air favorisent la formation d'ions Langevin (ions agrégés sur les particules). Les radiateurs électriques augmentent considérablement la concentration d'ions positifs. Les climatiseurs augmentent également la charge spatiale de l'air intérieur.

Les lieux de travail disposent de machines qui produisent simultanément des ions positifs et négatifs, comme dans le cas des machines qui sont d'importantes sources locales d'énergie mécanique (presses, machines à filer et à tisser), d'énergie électrique (moteurs, imprimantes électroniques, copieurs, lignes et installations à haute tension ), l'énergie électromagnétique (écrans cathodiques, téléviseurs, écrans d'ordinateur) ou l'énergie radioactive (thérapie au cobalt 42). Ces types d'équipements créent des environnements avec des concentrations plus élevées d'ions positifs en raison de la demi-vie plus élevée de ces derniers par rapport aux ions négatifs.

Concentrations environnementales d'ions

Les concentrations d'ions varient selon les conditions environnementales et météorologiques. Dans les zones peu polluées, comme dans les forêts et les montagnes, ou à de grandes altitudes, la concentration de petits ions augmente ; dans les zones proches de sources radioactives, de chutes d'eau ou de rapides, les concentrations peuvent atteindre des milliers de petits ions par centimètre cube. A proximité de la mer et lorsque les niveaux d'humidité sont élevés, par contre, il y a un excès de gros ions. En général, la concentration moyenne d'ions négatifs et positifs dans l'air pur est respectivement de 500 et 600 ions par centimètre cube.

Certains vents peuvent transporter de grandes concentrations d'ions positifs : le Föhn en Suisse, le Santa Ana aux États-Unis, le Sirocco en Afrique du Nord, le Chinook dans les Rocheuses et le Sharav au Moyen-Orient.

Dans les lieux de travail où il n'y a pas de facteurs ionisants significatifs, il y a souvent une accumulation de gros ions. Cela est particulièrement vrai, par exemple, dans les endroits hermétiquement fermés et dans les mines. La concentration d'ions négatifs diminue considérablement dans les espaces intérieurs et dans les zones contaminées ou poussiéreuses. Il existe de nombreuses raisons pour lesquelles la concentration d'ions négatifs diminue également dans les espaces intérieurs équipés de systèmes de climatisation. L'une des raisons est que les ions négatifs restent piégés dans les conduits d'air et les filtres à air ou sont attirés par les surfaces chargées positivement. Les écrans cathodiques et les écrans d'ordinateur, par exemple, sont chargés positivement, créant dans leur voisinage immédiat un microclimat déficient en ions négatifs. Les systèmes de filtration d'air conçus pour les "salles blanches" qui exigent que les niveaux de contamination par des particules soient maintenus à un minimum très bas semblent également éliminer les ions négatifs.

D'autre part, un excès d'humidité condense les ions, tandis qu'un manque d'humidité crée des environnements secs avec de grandes quantités de charges électrostatiques. Ces charges électrostatiques s'accumulent dans les fibres plastiques et synthétiques, aussi bien dans la pièce que sur les personnes.

Générateurs d'ions

Les générateurs ionisent l'air en délivrant une grande quantité d'énergie. Cette énergie peut provenir d'une source de rayonnement alpha (telle que le tritium) ou d'une source d'électricité par l'application d'une haute tension à une électrode pointue. Les sources radioactives sont interdites dans la plupart des pays en raison des problèmes secondaires de radioactivité.

Les générateurs électriques sont constitués d'une électrode pointue entourée d'une couronne ; l'électrode est alimentée par une tension négative de milliers de volts et la couronne est mise à la terre. Les ions négatifs sont expulsés tandis que les ions positifs sont attirés vers le générateur. La quantité d'ions négatifs générés augmente proportionnellement à la tension appliquée et au nombre d'électrodes qu'elle contient. Les générateurs qui ont un plus grand nombre d'électrodes et utilisent une tension plus faible sont plus sûrs, car lorsque la tension dépasse 8,000 10,000 à XNUMX XNUMX volts, le générateur produira non seulement des ions, mais aussi de l'ozone et certains oxydes d'azote. La dissémination des ions est réalisée par répulsion électrostatique.

La migration des ions dépendra de l'alignement du champ magnétique généré entre le point d'émission et les objets qui l'entourent. La concentration d'ions entourant les générateurs n'est pas homogène et diminue fortement à mesure que l'on s'éloigne de ceux-ci. Les ventilateurs installés dans cet équipement augmenteront la zone de dispersion ionique. Il est important de se rappeler que les éléments actifs des générateurs doivent être nettoyés périodiquement pour assurer un bon fonctionnement.

Les générateurs peuvent également être basés sur l'atomisation de l'eau, sur des effets thermoélectriques ou sur des rayons ultraviolets. Il existe de nombreux types et tailles de générateurs différents. Ils peuvent être installés sur les plafonds et les murs ou peuvent être placés n'importe où s'ils sont du type petit et portable.

Mesurer les ions

Les dispositifs de mesure d'ions sont fabriqués en plaçant deux plaques conductrices à 0.75 cm l'une de l'autre et en appliquant une tension variable. Les ions collectés sont mesurés par un picoampèremètre et l'intensité du courant est enregistrée. Des tensions variables permettent de mesurer des concentrations d'ions de mobilités différentes. La concentration d'ions (N) est calculé à partir de l'intensité du courant électrique généré selon la formule suivante :

De I est le courant en ampères, V est la vitesse du flux d'air, q est la charge d'un ion univalent (1.6x10^-19) à Coulombs et A est la surface effective des plaques collectrices. On suppose que tous les ions ont une seule charge et qu'ils sont tous retenus dans le collecteur. Il convient de garder à l'esprit que cette méthode a ses limites en raison du courant de fond et de l'influence d'autres facteurs tels que l'humidité et les champs d'électricité statique.

Les effets des ions sur le corps

Les petits ions négatifs sont ceux qui sont censés avoir le plus grand effet biologique en raison de leur plus grande mobilité. Des concentrations élevées d'ions négatifs peuvent tuer ou bloquer la croissance d'agents pathogènes microscopiques, mais aucun effet indésirable sur l'homme n'a été décrit.

Certaines études suggèrent que l'exposition à de fortes concentrations d'ions négatifs produit des changements biochimiques et physiologiques chez certaines personnes qui ont un effet relaxant, réduisent la tension et les maux de tête, améliorent la vigilance et réduisent le temps de réaction. Ces effets pourraient être dus à la suppression de l'hormone neurale sérotonine (5-HT) et de l'histamine dans des environnements chargés d'ions négatifs ; ces facteurs pourraient affecter un segment hypersensible de la population. Cependant, d'autres études parviennent à des conclusions différentes sur les effets des ions négatifs sur le corps. Par conséquent, les avantages de l'ionisation négative sont encore sujets à débat et une étude plus approfondie est nécessaire avant que la question ne soit tranchée.

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