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 ainsi que 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 ainsi que V ont la signification décrite ci-dessus, t1 ainsi que t2 sont respectivement les temps initial et final et c1 ainsi que 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 / clim, Où clim 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 ainsi que clim 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 clim 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 ainsi que 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 clim 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 clim.
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.