La ventilation dans le secteur hospitalier

 La ventilation dans les bâtiments

De nos jours, la plupart des gens passent la majorité de leur temps dans des lieux fermés (maison, travail, centre commercial, etc.). Le renouvellement de l’air de ces espaces fermés devient incontournable. Dans les milieux fermés, les contaminants peuvent être d’origine chimique (dioxyde de carbone, composants organiques volatils, etc.), ou d’origine biologique. Le moyen le plus efficace pour prévenir la présence de contaminants dans l’air intérieur demeure le contrôle des émissions de contaminants à la source (Sherman, 2004). Les fuites d’eau, les fissures des murs, l’emploi de matériaux toxiques ainsi que la consommation de tabac à l’intérieur augmentent considérablement les risques de contamination des enceintes fermées. Certaines sources de contamination sont faciles à localiser, mais d’autres sont plus difficiles à détecter. D’autres sources de contamination sont dues à l’introduction volontaire dans nos bâtiments de substance ou d’objets tels que les tapis, les plastiques et certains équipements bureautiques. Enfin, les activités des occupants sont considérées comme une source de pollution intérieure parfois difficiles à contrôler. Cependant, le taux de ventilation a des répercussions directes sur la qualité de l’air intérieur (Laverge et al., 2011).

Les premières études de la qualité de l’air ont été réalisées au début des années 60. À l’époque, la préoccupation majeure était la fumée de cigarette (Sundell, 2004). De nos jours, la qualité de l’air intérieur est une préoccupation majeure du public et de nombreux chercheurs. Les études de Gang et Ma (2011) et Kung et al. (2011) ont permis d’étudier la qualité de l’air à l’intérieur de quelques édifices publics tels que deux centres commerciaux, une salle d’attente d’une gare, un bâtiment d’enseignement et deux restaurants. Dans ces études, les principaux contaminants de l’air intérieur mesurés étaient CO2, NO2, NO, SO2, CO et les COV (Composés organiques volatils). Les résultats de ces études ont indiqué que l’air intérieur de tous les espaces publics présentaient un taux relativement élevé de CO2, NO2 et NO à l’exception du bâtiment d’enseignement. Une étude de la ventilation dans une cuisine a été élaborée par Hou et al. (2012). Elle a permis d’optimiser la qualité de l’air intérieur par l’analyse de la vitesse de soufflage, l’humidité, le taux de changement d’air ainsi que la température de l’air d’alimentation. Cette étude a donné des valeurs optimales de la qualité de l’air pour un taux de 30 changements d’air par heure, une température de soufflage de 301,15 K et une vitesse de soufflage de 0,41 m/s. Les polluants peuvent être éliminés en utilisant des systèmes d’extraction localisés telle une hotte. La ventilation naturelle permet elle aussi de minimiser la concentration de polluants dans une enceinte fermée. L’analyse de la qualité de l’air se fait avec des instruments permettant de déterminer la concentration de divers polluants (Chaffin et al., 1995).

L’augmentation de la population dans les villes, la diminution des espaces verts, les infiltrations dans les bâtiments ainsi que la construction des bâtiments d’une manière anarchique augmente considérablement le risque et le taux de la pollution. Rajouté à cela l’augmentation des électroménagers dans les maisons et les lieux publics qui génèrent de la poussière pouvant causer des problèmes de qualité de l’air. L’objectif principal recherché, ces dernières années au niveau de la ventilation, est de réduire la consommation d’énergie des systèmes, tout en offrant un niveau de confort adéquat, et de respecter les normes d’hygiène pour les occupants (Teixeira et al., 2012). L’étude de Laverge et al. (2011) a permis de démontrer qu’une bonne isolation, avec une utilisation efficace de la ventilation dans les bâtiments, réduit environ de moitié la facture énergétique. Ceci fait en sorte que la ventilation est une cible attrayante pour les mesures d’économie d’énergie. Le travail d’Ahmadzadehtalatapeh et Yau (2011) a permis d’étudier l’effet des échangeurs de chaleur à caloducs sur le système de climatisation existant dans une salle d’hôpital située en Malaisie.

Cette recherche emploie un logiciel de simulation numérique permettant de visualiser des géométries très adaptées telles que TRNSYS pour l’étude de la performance du système de climatisation ainsi que la qualité de l’air à l’intérieur de la salle. Cette étude a démontré que la ventilation au sein de cet hôpital ne répondait pas aux exigences des normes et des règles de l’art. Les conditions de ventilation peuvent être améliorer en se basant sur l’étude numérique élaboré. L’étude de Nyrud, Bringslimark et Englund (2011) a évaluée l’impact de l’utilisation du bois dans un milieu hospitalier. L’objectif de cette étude était d’évaluer les avantages éventuels pour la santé humaine lors de l’utilisation des matériaux en bois dans les chambres des patients, et de quantifier la qualité de l’air intérieur et le climat en raison de l’influence des matériaux d’ameublement. Cette étude a permis d’affirmer que l’influence de l’utilisation du bois dans la fourniture de chambres d’hôpital a une influence négligeable sur la qualité de l’air intérieur.

La ventilation dans le secteur hospitalier

La qualité de l’air dans les salles d’opération des hôpitaux est l’une des grandes préoccupations pour les patients et le personnel médical. Cependant, une utilisation énergétiquement efficace des systèmes de ventilation et de climatisation est exigée (Dascalaki et al., 2008). Une bonne qualité de l’air dans ce secteur permet de donner un certain confort pour le personnel hospitalier et limiter le risque de propagation des maladies transmissibles. Au cours de la dernière décennie, il y a eu une augmentation de l’intérêt pour la qualité de l’air intérieur et la conception appropriée des systèmes de climatisation et de ventilation mécanique. Cela est particulièrement crucial dans les hôpitaux où l’air contaminé est le deuxième facteur de risque en importance de contracter une maladie pour les patients, les travailleurs de la santé et les visiteurs. Les systèmes de ventilation et de climatisation dans les hôpitaux ont également un rôle très important pour assurer un confort thermique (Cheong et Phua, 2006). Les résultats rapportés par Cheong et Phua, ont montré que les chambres d’isolement et les salles d’autopsie devraient être maintenues à une pression d’air négative par rapport aux pièces voisines et au couloir.

La pression négative est maintenue en gardant un débit d’air extrait plus grand que le débit d’air soufflé. L’article de Mendez et al. (2008), donne une analyse sur la circulation d’air de ventilation dans une chambre d’hôpital à deux lits. Le modèle numérique construit permet de calculer l’âge de l’air et de voir le comportement aérodynamique de l’air à l’intérieur de la chambre. Les résultats obtenus ont donné une configuration optimale de la ventilation de la salle. L’utilisation de la mécanique des fluides numériques (CFD) pour la modélisation de la ventilation des salles d’isolement est bien adaptée. On retrouve plusieurs études sur cette problématique. L’une des plus intéressante et récente est l’étude de King et al. (2013) qui a comparé des résultats numériques et expérimentaux. Les résultats expérimentaux et numériques obtenues sont presque similaire. Dans le même contexte, l’étude de Carla Balocco (2010) et Hathway et al. (2011), ont modélisé la propagation de la toux dans une chambre d’isolement à l’aide d’outils numériques, cette étude a permis. L’étude a permis de valider l’outil numérique pour la propagation des polluants dans une chambre fermé.

L’article de Cheong et Phua (2006), présente une étude de l’influence des stratégies de ventilations sur la qualité de l’air à l’intérieur d’une chambre d’isolation d’un hôpital. Les auteurs ont conclu que le déplacement des grilles d’extraction et de soufflage influence sur l’indice de la qualité de l’air à l’intérieur de la chambre d’isolement. D’après Lakhouit (2011), la meilleure façon de contrôler et de maintenir une concentration de contaminants acceptable, est de prévoir l’admission d’air frais provenant du plafond avec des bouches d’évacuation situées au bas des murs de 20 à 30 cm du sol (ASHRAE, 2007). Toutefois, la plupart des hôpitaux ne répondent pas à cette exigence. L’étude de H. Qian (2010), a apporté une analyse sur quelques stratégies de ventilation dans une chambre d’isolation d’un hôpital à l’aide d’outils numériques. Il a été conclu que l’extraction de l’air contaminé par le plafond donne de meilleurs résultats de qualité de l’air intérieur. Dans le même contexte que notre étude, des travaux effectués par Kumar, Kumar et Gupta (2008), présentent la qualité de l’air dans une salle d’isolement d’un hôpital. Les résultats obtenus ont fait l’objet de calcul du temps de séjour moyen d’un contaminant et des bactéries qui peuvent être libérés de la bouche d’un patient contagieux.

Deux types de patients ont été choisis pour différentes stratégies de ventilation : des patients atteints de graves maladies pulmonaires et des patients infectieux. Le corps du patient est simulé comme un cylindre avec des valeurs approximatives pour les propriétés physiques et thermiques en considérant une source de chaleur constante émise par le corps humain. D’après l’étude de Micas, Nazaroff et Hubbard (2005), l’air contaminé est le premier facteur responsable de la transmission de maladies. Les personnes malades peuvent émettre des aérosols pathogènes susceptibles d’atteindre la région alvéolaire des poumons. Lors des éternuements, le diamètre des particules varie entre 1 et 2 000 μm, mais 95% de ces gouttelettes ont des diamètres compris entre 2 et 100 μm (Steven W. Lenhart, 2004). D’après l’étude menée par Yassi (2004), le diamètre des aérosols provenant d’une toux se compare à ceux émis par un éternuement. Par contre, pour un éternuement, la vitesse des particules est nettement plus élevée pouvant atteindre près de 100 m/s. D’après la même étude, la majorité des virus et bactéries donnant lieu à des maladies respiratoires, et qui peuvent être inhalées par le personnel hospitalier, ont un diamètre qui varie entre 5 et 10 μm. La récente étude de William G. Lindsley et al. (2012) admet que le diamètre des particules d’aérosols est dans une plage comprise entre 0,35 à 10 μm. Le volume moyen de particules émises lors d’une toux est de 26 pL (Picolitre).

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 PROBLÉMATIQUE ET OBJECTIFS DE LA RECHERCHE
1.1 Objectifs de la recherche
CHAPITRE 2 REVUE DE LITTÉRATURE
2.1 La ventilation dans les bâtiments
2.2 La ventilation dans le secteur hospitalier
2.3 Normes et exigences
2.3.1 La Norme ASHRAE-170-2008
2.3.2 La Norme CAN/CSA-Z317
2.3.3 Loi sur la santé et sécurité de travail
2.4 Mode de ventilation
2.4.1 Ventilation par mélange
2.4.2 Ventilation par déplacement
2.4.3 Ventilation naturelle
2.4.4 Ventilation mécanique
CHAPITRE 3 MESURE DE LA QUALITÉ DE L’AIR
3.1 Calcul de l’âge moyen de l’air
3.1.1 Calcul de l’âge par la méthode croissante (step-up) :
3.1.2 Calcul de l’âge par la méthode décroissante (step-down) :
3.1.3 Calcul de l’âge moyen de l’air par la méthode permanente :
3.2 Indice de la qualité de l’air intérieur :
3.3 Indice d’exposition :
3.4 Indice cumulatif d’inhalation
3.5 Efficacité de ventilation
CHAPITRE 4 DESCRIPTION DE FDS ET MODÈLE MATHÉMATIQUE
4.1 Introduction au logiciel FDS
4.1.1 Le modèle mathématique
4.1.2 Équation de conservation de la masse :
4.1.3 Équation de conservation de la quantité de mouvement
4.1.4 Équation de conservation de l’énergie
4.1.5 Fichiers d’entrées de FDS
4.1.6 Fichiers de sorties de FDS
4.1.7 Smokeview
4.2 Modèles numériques
4.2.1 Méthode de simulation des grandes échelles (LES)
4.2.2 Méthode numérique DNS
4.3 Intégration des conditions aux limites
4.4 Présentation de l’unité de bronchoscopie
4.4.1 Géométrie du modèle
4.4.2 Modèle géométrique de la salle étudiée
4.4.3 Scénarios de simulation et ventilation modélisés
4.4.3.1 Scénario de ventilation utilisé
4.4.3.2 Modèle de simulation utilisé
CHAPITRE 5 VALIDATION DU MODÈLE NUMÉRIQUE
5.1 Validation du scénario étudié
5.2 Validation du modèle numérique
5.2.1 Concentration du gaz traceur en fonction du temps
5.2.2 Déposition des particules aéroportées
5.2.3 Étude de maillage
5.2.3.1 Procédures de maillage
5.2.3.2 Procédure mathématique
5.2.3.3 Résultats de calcul
CHAPITRE 6 RÉSULTATS NUMÉRIQUES
6.1 Introduction
6.2 Choix de la grille de maillage et conditions aux limites
6.3 Âge moyen de l’air
6.4 Coefficient d’échange d’air
6.5 Modélisation par la méthode scalaire passif
6.5.1 Concentration du contaminant en fonction du temps
6.5.2 Indice d’inhalation
6.5.3 Exposition cumulée
6.5.4 Coefficient de ventilation
6.6 Modélisation avec le modèle de glissement
6.6.1 Concentration du contaminant en fonction du temps
6.6.2 Indice d’inhalation
6.6.3 Efficacité de ventilation
6.6.4 Déposition
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
ANNEXE I FICHIER DE CALCUL DU GCI
ANNEXE II FICHIER DE SIMULATION
ANNEXE III PHOTOS DE L’UNITÉ
BIBLIOGRAPHIE

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