CRITÈRES D’ÉVALUATION DE LA QUALITÉ DE L’AIR INTÉRIEUR 

CRITÈRES D’ÉVALUATION DE LA QUALITÉ DE L’AIR INTÉRIEUR 

Rôle des systèmes de ventilation

La majorité des gens passent 90% de leurs temps ou plus à l’intérieur des édifices (Kuehn, 2003). Le rôle du système de ventilation dans les édifices à bureaux, édifices publics et autres immeubles ne se limite pas à maximiser les conditions de confort thermique, mais aussi à éliminer les polluants. Ces derniers peuvent être d’origine chimique ou biologique. Les polluants biologiques proviennent des êtres vivants. Ils sont sous forme de gaz ou de particules. La concentration de polluant varie selon la nature des activités et la densité d’occupation des occupants. Cette concentration n’est pas constante le long d’une journée (Beggs et al., 2008). De plus, la température et l’humidité relative peuvent influencer le niveau de contamination de l’air. Par exemple, le rôle de la moisissure en tant que pneumoallergène est connu depuis longtemps (Lévesque et al., 2003). Ces moisissures auront tendance à croître très rapidement si l’humidité relative est supérieure à 70%. Quant aux polluants gazeux tel que le monoxyde de carbone et les composés organiques volatils, ils proviennent principalement de la fumée de tabac, des peintures, parfums, pesticides et produits d’usage ménagers (A.P, 2010). Certains équipements de bureau tel que les photocopieurs laser génèrent de l’ozone. Présentement, il existe quelque 30 000 substances chimiques d’usage courant. L’utilisation de produits chimiques modernes à la maison, dans l’alimentation, de traitement des eaux et pour la lutte antiparasitaire sont des sources de  polluants. La plupart de ces derniers sont rarement présents en concentrations élevés, donc leurs effets sur la santé sont, en général, loin d’être immédiats ou évidents (Zhang et Smith, 2003). Un système de ventilation bien conçu permettra d’assurer un environnement confortable pour les occupants. Un système de ventilation doit également être efficace du point de vue énergétique. Il a été reconnu que la ventilation à elle seule consomme de 30 à 60% des besoins énergétiques des bâtiments aux États-Unis (Lee et Awbi, 2004).

Problématique particulière du secteur hospitalier

Une bonne qualité de l’air intérieur en secteur hospitalier est un facteur primordial pour la santé des malades, des visiteurs et du corps médical. En effet, les bénéficiaires sont particulièrement vulnérables aux infections transmises par voie aérienne.
Ces dernières années, nous trouvons divers travaux de chercheurs qui se sont penchés sur l’étude des modes de circulation et distribution de l’air, la dispersion des polluants gazeux et particulaire et le rôle des systèmes de ventilation au sein des établissements de santé. La ventilation des établissements de santé et en particulier les hôpitaux pose un défi particulier.
On note la présence de nombreux procédés dont certains dégagent des contaminants susceptibles de nuire à la santé. De plus, les préoccupations récentes face au virus H1N1 et l’épisode du SARS en 2003, ont soulevé des questions sur l’efficacité des systèmes de ventilation en milieu hospitalier. Les problèmes que nous venions de citer font en sorte que le contrôle des contaminants dans les hôpitaux pose un défi de taille. Les polluants proviennent du milieu intérieur comme de l’extérieur de l’hôpital. En outre, plus le nombre d’occupants augmente plus le nombre de bactéries libérées augmente aussi (Beggs et al., 2008). Par exemple, aux États-Unis, l’Association américaine des architectes (AIA) spécifie, dans ses lignes directrices, la taille des chambres, le nombre de changements d’air minimum et le nombre maximum de patients par chambre.
Tung et al. (2009) ont publié les résultats d’une étude expérimentale visant à déterminer l’influence du nombre de changements d’air par heure sur l’efficacité de la ventilation dans une pièce isolée. Les résultats montrent que plus le débit de ventilation est élevé, meilleur est la qualité de l’air.

Réglementations et normes

Au Québec comme ailleurs au Canada, il n’y a pas encore une loi portant spécifiquement sur la qualité de l’air intérieur dans les milieux non industriels. Il faut s’en remettre à la législation et la réglementation portant sur la sécurité de travail et santé publique (Nguyen et al., 1999) pour identifier une source législative de normalisation de la qualité de l’air intérieur. De plus, les villes et les municipalités du Québec ont le pouvoir d’adopter des règlements relatifs à la ventilation des édifices situés sur leur territoire (Nguyen et al., 1999).
En fait, ces législations et réglementatations soit au Québec ou dans les autres provinces du Canada sont inspirées des normes américaines telles que l’ASHRAE-170 et le Center of Diseased Control (CDC).
Au Québec, les systèmes de ventilation dans le secteur hospitalier doivent être conformes aux règles de l’art et aux règlements en vigueur spécifiés par les organismes suivants :
• ASHRAE, Standard 170-2008, Ventilation for Health Care Facilities (ASHRAE, 2008).
• Norme de l’Association Canadienne de Normalisation, CAN/CSA-Z317.2-01, qui porte sur les systèmes de chauffage, de ventilation et de conditionnement de l’air dans les établissements de soins de santé (Canada, 2003).
• Loi sur la santé et la sécurité du travail, Règlement sur la qualité du milieu de travail (R.R.Q., c. S-2.1, r.15) (CSST, 2010)

Modélisation de la qualité de l’air intérieur dans le secteur hospitalier

La modélisation des écoulements d’air est un outil incontournable pour comprendre le mouvement de l’air et de chaleur dans des espaces fermés (Beggs et al., 2008). Les méthodes basées sur la mécanique des fluides numériques (méthodes CFD) sont des outils puissants pour étudier les stratégies de ventilation (Ho, Rosario et Rahman, 2009). En particulier, l’utilisation de la CFD a contribué à la compréhension du transport et de la dispersion des contaminants dans les hôpitaux. L’influence du débit et de la température de l’air de soufflage ainsi que l’emplacement des grilles de soufflage et d’extraction peut être étudié sans avoir recours aux mesures expérimentales. Memarzadeh a étudié avec Manning (Ho, Rosario et Rahman, 2009) le dépôt de contaminants par une étude CFD. Ils ont conclu que la ventilation par flux laminaire est le meilleur choix pour le système de ventilation quand on tient compte des dépôts des particules, virus et bactéries.
Ho et al. (Ho, Rosario et Rahman, 2009) ont fait neuf simulations numériques pour certains emplacements de grille de soufflage et de sortie de façon à étudier leurs influences sur le confort thermique et l’élimination des contaminants dans une salle d’opération. Comme la pièce présente une symétrie, ils ont modélisé juste sa moitié afin de diminuer le temps de  calcul du modèle numérique. Ces auteurs ont conclu que, plus la grille de soufflage est au centre de la pièce plus le confort thermique et l’élimination des contaminants est efficace.
Cheong et Phua. (2006) ont tiré comme conclusion de leurs travaux que les types de stratégies de ventilation ont une influence primordiale sur la circulation de l’air et distribution des polluants dans une chambre. D’après les études que nous venions de citer, il est clair que les simulations numériques ont facilitées la compréhension de comportement de l’air et la transport des contaminants au sein des espaces fermés. Puisqu’il est parfois difficile et coûteux de faire des mesures in situ, seule l’approche numérique peut apporter les informations souhaitées.

CRITÈRES D’ÉVALUATION DE LA QUALITÉ DE L’AIR INTÉRIEUR

Âge de l’air

L’âge de l’air est défini comme étant le temps qu’il faut à une molécule d’air pour aller de la grille de soufflage à point précis de coordonnées P(x,y,z) dans la pièce étudiée. C’est un critère utile pour identifier les régions où les zones qui sont moins bien ventilées. Les endroits où l’âge de l’air est faible correspondent aux zones où l’air de soufflage remplace rapidement l’air vicié. Dans les zones où l’âge de l’air est élevé, l’air est stagnant et son temps de séjour dans la pièce est élevé. La concentration de contaminants gazeux et particulaires risque d’être plus élevée dans ces régions.

Nombre de changement d’air

Le nombre de changements d’air par heure (CAH) est un facteur important dans le domaine de ventilation. La norme ASHRAE-62 sur la qualité de l’air dans les bâtiments commerciaux et institutionnels et la norme ASHRAE-170 qui s’applique dans le secteur des établissements de santé, utilisent le concept du nombre de changement d’air à l’heure pour leurs recommandations sur les débits de ventilation à fournir. Le CAH recommandé par ces normes varie en fonction du type de pièce à ventiler et dans certains cas en fonction de la densité d’occupation de la pièce exprimé en nombre d’occupant par mètre carré de plancher.
En connaissant le volume d’une pièce, on peut fixer le débit de soufflage de l’air qui doit être acheminé aux grilles d’entrée d’air.
Pour choisir le nombre de CAH, on se réfère aux normes fixées par ASHRAE (Standard 170- 2008), l’Association canadienne de normalisation (CAN/CSA-Z317.2-01) et la loi sur la santé et la sécurité du travail. ASHRAE(ASHRAE, 2008) recommande 12 CAH pour la ventilation d’une unité de bronchoscopie dont 2 CAH en air frais. Par contre, CAN/CSAZ317.2-01(Canada, 2003) recommande 20 CAH dont 6 en air frais. Quant à la loi sur la santé et la sécurité du travail (CSST, 2010) elle nous renvoie aux règles d’art applicable dans le domaine.

Indices de confort thermique

Dans ce paragraphe, on présente brièvement les indices de confort thermique, d’une façon générale, sans rentrer dans les détails. Le confort thermique dépend des échanges thermiques entre le corps humain et son environnement. Il se définit comme étant un état de satisfaction vis-à-vis l’environnement thermique. C’est un indice difficile à quantifier. Il dépend de plusieurs facteurs reliés à l’habitat (température, vitesse de l’air, humidité relative, rayonnement) et reliés à l’occupant (métabolisme et habillement). Les indices mesurant le confort thermique sont :
L’indice PMV (Predicted Mean Vote) prédit la valeur moyenne des votes d’un groupe de personne sur l’échelle de perception thermique à sept points allant de +3 à -3 telle que :
• +3 très chaud;
• +2 chaud;
• +1 légèrement chaud;
• 0 ni chaud, ni froid (neutre);
• -1 légèrement froid;
• -2 froid;
• -3 très froid.
Une valeur de PMV de zéro exprime une sensation de confort thermique optimale. Une valeur de PMV négative signifie qu’une sensation de froid est ressentie.
L’indice PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied) donne, en fonction de l’indice PMV d’une situation thermique précise, le pourcentage de personnes insatisfaites des conditions thermiques.

Efficacité de ventilation

Un système de ventilation déplace une quantité d’air frais par les grilles de soufflage à l’intérieur de l’édifice. Il garantit l’extraction de l’air pollué par les grilles de sortie d’air. La qualité de l’air intérieur dépend de l’efficacité du système de ventilation. Ce dernier paramètre est défini comme étant le pourcentage d’air neuf, introduit par les grilles d’entrée d’air, qui atteint effectivement les occupants d’un local.
Les chercheurs Rim et Novoselac de l’Université du Texas ont publié un article à propos l’efficacité de la ventilation (Rim et Novoselac, 2008) dans une chambre de volume 5,5 ݉*4,5 ݉* 2,7 ݉. Ils ont étudié la relation entre l’efficacité de ventilation et les propriétés des particules. Ils ont constaté qu’un facteur élevé de l’efficacité de ventilation indique une meilleure élimination des particules fines (1μm). Les deux chercheurs utilisent l’efficacité de renouvellement de l’air pour évaluer l’efficacité de ventilation. L’efficacité de renouvellement de l’air mesure la rapidité avec laquelle le système de ventilation remplace l’air ambiant de la pièce en se basant sur l’âge de l’air.  L’efficacité de ventilation dépend étroitement des paramètres suivants :
• opération du système de ventilation;
• stratégie de ventilation;
• propriétés des gaz et des particules;
• type de source polluante (équipement, tapis, occupants, etc.).

Les filtres

Il y a toute une série de filtres dans le marché. Ils sont utilisés dans un système de ventilation pour capter et éliminer les contaminants externes et internes. Le choix des filtres est fait selon la taille des contaminants à capter. Dans le secteur hospitalier, les filtres HEPA sont largement utilisés. Le terme HEPA (High efficiency particulate air filter) s’applique à tout filtre capable de capter 99,97% des particules possédant un diamètre supérieur ou égal à 0,3µm.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 PROBLÉMATIQUE ET OBJECTIFS DE LA RECHERCHE 
1.1 Problématique de la qualité de l’air intérieur
1.2 Objectifs de la recherche
CHAPITRE 2 REVUE DE LITTÉRATURE 
2.1 Rôle des systèmes de ventilation
2.2 Problématique particulière du secteur hospitalier
2.3 Réglementations et normes
2.3.1 La norme ASHRAE-170
2.3.2 Norme CAN/CSA-Z317
2.3.3 Loi sur la santé et la sécurité du travail
2.4 Typologies et stratégies de ventilation
2.4.1 Ventilation naturelle
2.4.2 Ventilation mécanique
2.4.3 Stratégies de ventilation
2.4.3.1 Ventilation par mélange
2.4.3.2 Ventilation par déplacement
2.4.3.3 Ventilation par flux laminaire
2.5 Modélisation de la qualité de l’air intérieur dans le secteur hospitalier
CHAPITRE 3 CRITÈRES D’ÉVALUATION DE LA QUALITÉ DE L’AIR INTÉRIEUR 
3.1 Âge de l’air
3.1.1 Définition
3.1.2 Méthodes de calcul de l’âge de l’air
3.2 Indices de qualité de l’air dans un local
3.3 Nombre de changement d’air
3.4 Indices de confort thermique
3.5 Efficacité de ventilation
3.6 Les filtres
3.7 Les facteurs physiques
3.7.1 La température
3.7.2 L’humidité
3.7.3 Le rayonnement
3.7.4 Vitesse de l’air
CHAPITRE 4 MÉTHODOLOGIE
4.1 Logiciel FDS
4.1.1 Introduction et présentation du logiciel
4.1.2 Modèles numériques
4.1.2.1 Modèle hydrodynamique
4.1.2.2 Méthodes LES et DNS
4.1.2.3 Méthode numérique
4.1.2.4 Conditions aux frontières et pas de temps
4.1.3 Fichiers d’entrées de FDS
4.1.4 Fichiers de sorties
4.1.5 Les limitations de FDS
4.2 Description de l’unité de bronchoscopie
4.2.1 L’unité de bronchoscopie à l’étude
4.2.2 Ventilation de l’unité de bronchoscopie
4.3 Méthode de gaz traceur
4.3.1 L’hexafluorure de soufre
4.3.2 Les propriétés physico-chimiques de l’hexafluorure de soufre
4.4 Effet de la géométrie et du maillage
4.4.1 Géométrie
4.4.2 Maillage
4.5 Smokeview
CHAPITRE 5 DÉVELOPPEMENT DES SCÉNARIOS ET STRATÉGIES DE VENTILATION 
5.1 La géométrie de la chambre étudiée
5.2 Scénarios de ventilation
5.3 Simulations numériques
5.3.1 Les conditions initiales et aux limites
5.3.2 Le maillage
5.3.2.1 Propriétés du maillage utilisé
5.3.2.2 Étude du GCI
5.3.2.3 Exemple de maillage
5.4 Résultats
5.4.1 Résultats bruts
5.4.2 Premier scénario de ventilation
5.4.3 Scénarios 2 et 3
5.4.4 Indice d’élimination des polluants
5.5 Conclusions
CHAPITRE 6 ÉTUDE DES STRATÉGIES DE VENTILATION DANS L’UNITÉ DE BRONCHOSCOPIE 
6.1 Description de l’unité de bronchoscopie
6.2 Les conditions initiales et aux limites
6.3 Stratégies de ventilation
6.3.1 Description
6.3.2 Résultats obtenus
6.3.2.1 Concentration de SF6
6.3.2.2 Indice de qualité de l’air
6.3.2.3 Âge de l’air dans l’unité de bronchoscopie
6.4 Étude de maillage
CONCLUSION

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