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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