Chapitre 45 - La régulation des environnements intérieurs

Figure 45.1 Les citadins passent 80 à 90% de leur temps à l'intérieur

On a donc été amené à créer dans les locaux intérieurs un environnement plus confortable et plus homogène que l’environnement extérieur, lequel est par définition variable en fonction du climat. L’ambiance des locaux intérieurs est donc «climatisée», c’est-à-dire chauffée durant la saison froide et rafraîchie quand il fait chaud.

Pour que cette climatisation soit efficace et économique à la fois, il est nécessaire de contrôler les caractéristiques de l’air extérieur introduit dans les locaux; la plupart du temps, en effet, l’air extérieur n’a pas les caractéristiques thermiques voulues. C’est ainsi que les bâtiments sont devenus de plus en plus hermétiques, tandis qu’ils étaient dotés de systèmes destinés à contrôler d’une façon de plus en plus rigoureuse les quantités d’air atmosphérique servant à renouveler l’air intérieur stagnant.

La crise de l’énergie du début des années soixante-dix et, par conséquent, la nécessité de réaliser des économies d’énergie, ont créé un état d’esprit qui a souvent entraîné une diminution considérable des volumes d’air frais utilisés pour le renouvellement et la ventilation. La solution généralement adoptée consistait à recycler plusieurs fois de suite l’air intérieur des bâtiments dans le but de réduire les dépenses de climatisation. Cette politique a toutefois donné lieu à une autre difficulté: une très nette augmentation des doléances, de l’inconfort et des problèmes de santé des occupants, avec pour corollaire un alourdissement des coûts sociaux et financiers de l’absentéisme. Cette situation a amené les spécialistes à étudier l’origine de plaintes jusqu’alors jugées sans rapport avec la pollution de l’air ambiant.

Il n’a pas été nécessaire de chercher bien longtemps pour trouver les motifs de ces plaintes: les bâtiments sont construits pour être de plus en plus hermétiques, les volumes d’air traités par ventilation sont moindres, les quantités de matériaux d’isolation thermique augmentent, l’utilisation de produits chimiques et de matériaux synthétiques très divers se multiplie et la régulation individuelle du milieu ambiant, local par local, est progressivement abandonnée. Tous ces éléments aboutissent à des environnements intérieurs de plus en plus contaminés.

Les occupants des bâtiments à environnement dégradé réagissent, dans la plupart des cas, en se plaignant de tel ou tel aspect du milieu ambiant. Certains d’entre eux présentent en outre des symptômes cliniques: irritations des muqueuses (yeux, nez, gorge), maux de tête, essoufflement, fréquence accrue des rhumes et des allergies, etc.

Toutefois, lorsqu’il s’agit de définir les facteurs possibles de déclenchement de ces plaintes, la tâche, en apparence simple, devient beaucoup plus complexe. En effet, pour établir une relation de cause à effet, il faut étudier tous les facteurs, environnementaux ou autres, pouvant influer sur les doléances exprimées ou sur les problèmes de santé qui se manifestent.

La conclusion, après des années d’études, est que les problèmes rencontrés ont de multiples origines. En fait, on n’a réussi que très rarement à établir des relations claires de cause à effet, comme dans les cas de la maladie des légionnaires ou des cas d’irritation ou d’hypersensibilité dus à l’exposition au formaldéhyde.

Le phénomène, que l’on désigne sous le nom de syndrome des bâtiments malsains ou syndrome des édifices hermétiques , est défini par les symptômes que présentent les occupants d’un bâtiment où les doléances dues à des malaises non spécifiques sont plus fréquentes que ce que l’on peut normalement attendre.

Tableau 45.1 Nature et sources des polluants intérieurs les plus courants

A part la qualité de l’air intérieur, qui dépend de la présence de polluants chimiques et biologiques, le syndrome des bâtiments malsains est attribué à bien d’autres facteurs. Certains sont physiques (chaleur, bruit, éclairage), tandis que d’autres sont d’ordre psychosocial (organisation du travail, relations professionnelles, rythme et charge de travail).

La qualité de l’air intérieur joue cependant un rôle très important dans le syndrome des bâtiments malsains et sa maîtrise pourra donc aider, la plupart du temps, à éliminer ou à atténuer les conditions qui favorisent son apparition. Il ne faut pas, pour autant, perdre de vue que la qualité de l’air n’est pas le seul facteur à considérer dans l’évaluation des environnements intérieurs.

La régulation des environnements intérieurs

L’expérience montre que les difficultés rencontrées dans les environnements intérieurs résultent dans la plupart des cas de décisions prises au moment de la conception et de la construction du bâtiment. Certes, ces difficultés peuvent être réglées ultérieurement par des mesures correctives, mais il est plus efficace et moins onéreux de chercher à les prévenir et à les corriger durant la phase de conception.

La grande diversité des sources possibles de pollution explique la multiplicité des mesures correctives que l’on pourra prendre. Des professionnels de différentes disciplines participent à la conception d’un bâtiment: architectes, ingénieurs, architectes d’intérieur, etc. Il est donc essentiel à ce stade de prendre en compte les différents facteurs susceptibles d’éliminer ou d’atténuer les problèmes pouvant découler d’une mauvaise qualité de l’air. Les facteurs à considérer sont:

• le choix du site;
• la conception architecturale;
• la sélection des matériaux;
• les systèmes de ventilation et de climatisation utilisés pour contrôler la qualité de l’air intérieur.

Le choix du site de construction

L’air d’un site peut être pollué par des sources proches ou éloignées. La pollution de l’air est due en très grande partie aux gaz organiques et inorganiques produits par la combustion (véhicules, usines ou centrales électriques se trouvant à proximité) et aux particules en suspension dans l’air provenant de diverses origines.

La pollution émanant du sol est attribuable essentiellement aux composés gazeux que dégagent les matières organiques enfouies et au radon. Ces contaminants peuvent pénétrer dans le bâtiment par des fissures des matériaux de construction au contact du sol ou par migration à travers des matériaux semi-perméables.

Lors de la phase d’étude, les différents sites possibles devraient être évalués. La localisation la plus appropriée sera choisie en tenant compte des données ci-après:

1. Données indiquant le niveau de pollution environnementale dans la zone considérée, afin d’éviter les sources de pollution éloignées.
2. Analyse des sources de pollution voisines ou proches, en tenant compte de facteurs tels que la circulation automobile et les sources possibles de pollution industrielle, commerciale ou agricole.
3. Niveaux de pollution du sol et de l’eau et, notamment, présence de composés organiques volatils ou semi-volatils, de radon et d’autres produits radioactifs de filiation du radon. Ces informations seront utiles pour arrêter le choix d’un site ou décider des mesures à prendre pour empêcher les contaminants de pénétrer dans le futur bâtiment. Parmi les mesures que l’on peut envisager, citons l’étanchéification des voies de pénétration des contaminants et l’installation de systèmes de ventilation assurant le maintien d’une surpression à l’intérieur du bâtiment.
4. Renseignements sur les conditions climatiques et les vents dominants, ainsi que sur les variations journalières et saisonnières enregistrées dans la région. Ces données sont importantes pour décider de l’orientation à donner au bâtiment.

Il sera nécessaire, par ailleurs, de maîtriser les sources locales de pollution au moyen de diverses techniques telles que le drainage, l’assainissement, la dépressurisation du sol ou l’emploi de déflecteurs.

La conception architecturale

L’intégrité des ouvrages est, depuis des siècles, un impératif fondamental de la planification et de l’étude des bâtiments. Aujourd’hui comme par le passé, on doit se préoccuper de la résistance des matériaux aux dégradations produites par l’humidité, les variations de température, les mouvements de l’air, les rayonnements, les agents chimiques et biologiques et les catastrophes naturelles.

L’examen de ces facteurs, certes essentiels à la réalisation de tout projet architectural, déborde le cadre du présent article. Toutefois, il faut aussi tenir compte de la santé et du bien-être des occupants. Des décisions doivent être prises, en cours d’étude, au sujet de la conception des espaces intérieurs, du choix des matériaux, de la localisation d’éventuelles activités génératrices de pollution, des ouvertures du bâtiment vers l’extérieur, des fenêtres et du système de ventilation.

Les ouvertures du bâtiment

Il importe, durant la phase d’étude, de bien localiser et orienter les ouvertures de façon à minimiser la quantité de polluants pouvant pénétrer dans le bâtiment à partir des sources préalablement détectées. Les considérations ci-après sont importantes:

Figure 45.2 Pénétration de la pollution extérieure

Les fenêtres

On a assisté, ces dernières années, à un renversement de la tendance qui régnait dans les années soixante-dix et quatre-vingt: de plus en plus, les nouveaux projets architecturaux comportent maintenant des fenêtres ouvrantes, ce qui assure plusieurs avantages. Tout d’abord, il devient possible d’introduire de l’air frais supplémentaire dans les zones (peu nombreuses, il faut l’espérer) qui en ont besoin, pourvu que le système de ventilation soit doté dans ces zones de capteurs permettant d’éviter une dégradation de la qualité de l’air ambiant. Rappelons que la possibilité d’ouvrir une fenêtre ne garantit pas toujours que de l’air frais sera admis à l’intérieur du local; en effet, si le système de ventilation est pressurisé, l’ouverture d’une fenêtre ne permettra pas l’entrée d’air extérieur. D’autres avantages sont d’ordre purement psychosocial, comme la possibilité pour les occupants d’agir dans une certaine mesure sur leur environnement et d’avoir un accès direct sur l’extérieur.

La protection contre l’humidité

Le principal moyen d’action est de réduire l’humidité dans les fondations du bâtiment où des micro-organismes, notamment des champignons, peuvent souvent se développer et se propager.

La déshumidification de la zone et la pressurisation du sol peuvent empêcher l’apparition d’agents biologiques et prévenir la pénétration des polluants chimiques présents dans le sol.

L’étanchéification et le contrôle des parties fermées du bâtiment qui sont les plus exposées à l’humidité de l’air sont d’autres mesures à envisager, étant donné que l’humidité peut endommager les matériaux de parement de l’immeuble, ceux-ci devenant à leur tour une source de contamination microbiologique.

L’aménagement des espaces intérieurs

Il est important de savoir, au stade de la planification, à quel usage et à quelles activités le bâtiment est destiné. Le plus important est de se renseigner sur les activités susceptibles de générer des contaminations, cette connaissance pouvant être mise à profit pour limiter et neutraliser les sources potentielles de pollution. Citons, comme exemples de telles activités, la préparation d’aliments, l’impression et les arts graphiques, l’usage du tabac et l’exploitation d’équipements de reprographie.

Il conviendra de localiser ces activités dans des zones particulières, isolées et à l’écart des autres opérations, afin de minimiser leurs effets sur les occupants.

Il est recommandé, pour ces activités, de prévoir un système d’extraction localisé ou de doter le système de ventilation générale de caractéristiques particulières. La première option consiste à capter les contaminants à la source. La seconde, applicable lorsque les sources sont multiples, qu’elles sont dispersées dans un espace donné ou que l’agent polluant est extrêmement dangereux, devrait répondre aux exigences suivantes: le système devrait fournir des volumes d’air frais en quantités conformes aux normes définies pour l’activité en question, il ne devrait pas recycler l’air en le mélangeant au flux général de ventilation du bâtiment et il devrait comporter une extraction forcée supplémentaire aux endroits nécessaires. Dans ces cas, il convient d’étudier soigneusement le réseau d’extraction de façon à éviter le transfert de polluants vers des locaux contigus grâce, par exemple, à la création de zones de surpression.

Il est parfois possible d’éliminer les polluants ou d’en réduire la concentration dans l’air par filtration ou par épuration chimique. Si l’on opte pour ces méthodes, il ne faut pas perdre de vue les caractéristiques physiques et chimiques des polluants. Ainsi, les systèmes de filtration permettent de dépoussiérer l’air (pourvu que le filtre soit adapté à la taille des particules à retenir), mais ils n’arrêtent pas les gaz et les vapeurs.

L’élimination de la source polluante est le meilleur moyen de lutter contre la pollution dans les espaces intérieurs. Les restrictions et interdictions s’appliquant à l’usage du tabac dans les lieux de travail en sont un bon exemple. En effet, dans les bâtiments où il est permis de fumer, on ne peut en général le faire que dans des zones réservées à cet usage, équipées de systèmes de ventilation spéciaux.

La sélection des matériaux

Pour éviter au départ les problèmes de pollution dans un bâtiment, il convient de choisir soigneusement les matériaux de construction et de décoration et les mobiliers en fonction des activités professionnelles qui y seront exercées ainsi que des méthodes envisagées pour nettoyer, désinfecter et déparasiter les locaux. Il sera également possible de réduire, par exemple, les niveaux de composés organiques volatils en sélectionnant dans un premier tri les matériaux et mobiliers dont les taux d’émission de ces composés sont connus, et en retenant ensuite ceux dont les taux sont les plus faibles.

Aujourd’hui, bien que divers organismes et laboratoires aient procédé à des études sur les émissions de ce type, les renseignements sur les taux d’émission des matériaux de construction sont rares. Il ne faut pas oublier non plus que le nombre de ces matériaux augmente rapidement et que beaucoup ont des caractéristiques variables dans le temps.

Malgré cette difficulté, certains fournisseurs ont commencé à étudier leurs produits et à inclure, généralement à la demande de l’utilisateur ou du professionnel de la construction, des informations sur les recherches effectuées. De plus, les produits portent de plus en plus des désignations telles que sans danger pour l’environnement ou non toxique .

Il reste cependant de nombreux écueils à cet égard, liés notamment au coût et à la durée des analyses nécessaires ainsi qu’à l’absence de normes quant aux méthodes d’essai des échantillons. Il faut ajouter à cela la difficulté d’interpréter les résultats obtenus du fait que les effets sur la santé de certains contaminants sont mal connus et les désaccords entre chercheurs sur le choix à faire lorsqu’on se trouve en face de matériaux dont les émissions sont fortes, mais de courte durée et, en même temps, de matériaux qui ont de faibles niveaux d’émission, mais pendant une longue période.

On peut s’attendre, toutefois, dans les années à venir, à une intensification de la concurrence sur le marché des matériaux de construction et de décoration ainsi qu’à des interventions législatives plus strictes. Ces facteurs entraîneront la disparition de certains matériaux ou leur remplacement par des produits à plus faible taux d’émission. Des tendances de ce genre se manifestent déjà dans le cas des adhésifs entrant dans la fabrication des moquettes de tapisserie et dans celui des peintures, qui sont maintenant exemptes de composés dangereux comme le mercure et le pentachlorophénol.

Jusqu’à ce que l’on en sache davantage et que la législation dans ce domaine produise ses effets, les décisions quant au choix des matériaux et des produits à employer dans les constructions nouvelles seront laissées aux professionnels. Voici quelques considérations qui pourront les guider dans leurs choix:

• Il faudrait disposer de renseignements fiables sur la composition chimique des produits et les taux d’émission des polluants, ainsi que sur les effets qu’ils pourraient avoir sur la sécurité, la santé et le confort des occupants. Ces renseignements devraient être fournis par les fabricants.
• On devrait sélectionner les produits dont les taux d’émission sont les plus faibles, en portant une attention particulière à la présence éventuelle de composés cancérogènes ou tératogènes, d’irritants, de substances toxiques systémiques, de composants odorants, etc. Toute utilisation d’adhésifs et de matériaux présentant de grandes surfaces d’émission ou d’absorption (matières poreuses, textiles, fibres non revêtues, etc.) devrait être notée et, dans la mesure du possible, limitée.
• Des mesures préventives devraient être prises dans la manipulation et la mise en œuvre de ces matériaux ou produits. Pendant et après leur mise en place, les locaux devraient être soigneusement ventilés et un processus de cuisson (voir ci-après) utilisé pour traiter certains produits. Des mesures d’hygiène adéquates devraient également être appliquées.
• L’une des méthodes recommandées pour minimiser l’exposition aux émissions de matériaux neufs durant les phases de pose et de finition ainsi que lors de la première occupation des locaux consiste à ventiler le bâtiment pendant 24 heures avec 100% d’air extérieur. Cette technique permet d’éliminer les composés organiques et d’empêcher leur rétention dans les matériaux poreux, qui pourraient autrement devenir des réservoirs et des sources ultérieures de pollution en libérant dans l’environnement les composés qu’ils auraient absorbés.
• On peut également pousser au maximum la ventilation dans les premières heures de la journée qui suit une période d’interruption du système de climatisation, en cas, par exemple, de fermeture du bâtiment ou après les fins de semaine et les vacances.
• Une technique spéciale de préconditionnement thermique ou de cuisson a été utilisée dans certains bâtiments pour «assainir» les matériaux neufs. Cette procédure consiste à élever la température du bâtiment pendant 48 heures ou davantage en réduisant le plus possible la circulation de l’air. La température élevée favorise la libération de composés organiques volatils, qui sont ensuite évacués par ventilation. D’après les résultats obtenus jusqu’ici, cette méthode peut être efficace dans certaines situations.

Les systèmes de ventilation et de régulation des ambiances intérieures

La ventilation est l’un des moyens de régulation les plus efficaces pour agir sur la qualité de l’air dans les espaces clos. On dénombre tellement de sources de pollution dans ces espaces et les caractéristiques des polluants présents sont tellement diverses qu’il est pratiquement impossible de gérer tous ces paramètres dans la phase de conception du bâtiment. La pollution engendrée par les occupants eux-mêmes (du fait de leurs activités et des produits qu’ils utilisent pour leur hygiène personnelle) en est un bon exemple. En règle générale, ces sources de pollution échappent à la volonté du concepteur.

La ventilation constitue donc la méthode normalement utilisée pour diluer et éliminer les contaminants des locaux pollués. Elle peut se faire avec de l’air extérieur propre ou avec de l’air recyclé convenablement épuré.

De nombreux facteurs interviennent dans la conception d’un système de ventilation pouvant agir efficacement contre la pollution. Citons notamment la qualité de l’air extérieur devant être utilisé, les exigences spéciales qu’imposent certains polluants ou leurs sources d’émission, l’entretien préventif du système de ventilation (qui doit lui-même être considéré comme une source possible de contamination) et la distribution de l’air à l’intérieur du bâtiment.

Tableau 45.2 Caractéristiques de base d'un système de ventilation par dilution

Dans un système typique de ventilation et de climatisation, l’air prélevé à l’extérieur et mélangé dans une certaine proportion à l’air recyclé subit plusieurs phases de conditionnement: il est généralement filtré, puis chauffé ou refroidi suivant la saison, et enfin humidifié ou déshumidifié selon les besoins.

Une fois traité, l’air est amené par des conduits dans toutes les parties du bâtiment et distribué par des grilles de diffusion. Il se mélange à l’air présent dans les locaux, échangeant de la chaleur et renouvelant l’atmosphère intérieure avant d’être aspiré, dans chaque local, par les conduits de retour ou d’extractions.

La quantité d’air extérieur à utiliser pour diluer et éliminer les polluants fait encore l’objet de nombreuses études et controverses. Ces dernières années, les recommandations concernant l’apport d’air extérieur et les normes de ventilation publiées ont évolué, le plus souvent dans le sens d’une augmentation des volumes d’air extérieur introduits. On a constaté cependant que ces mesures ne suffisent pas pour contrôler efficacement toutes les sources de pollution. La raison en est que les normes définies se fondent sur une occupation donnée des locaux et négligent d’autres sources importantes de pollution, telles que les matériaux de construction, les mobiliers et la qualité de l’air prélevé à l’extérieur.

En conséquence, l’étude de la ventilation devrait se baser sur trois considérations fondamentales: la qualité de l’air que l’on veut obtenir, la qualité de l’air extérieur et la charge totale de pollution dans le local à ventiler. C’est le point de départ des travaux menés par le professeur P.O. Fanger et son équipe (Fanger, 1988, 1989) en vue d’établir de nouvelles normes de ventilation répondant aux exigences de qualité de l’air et assurant un niveau de confort jugé acceptable par les occupants.

L’un des facteurs qui déterminent la qualité de l’air intérieur est la qualité de l’air extérieur. Par leur nature, les sources extérieures de pollution (circulation automobile, activités industrielles ou agricoles, etc.) sont indépendantes de la volonté des concepteurs, des propriétaires et des occupants du bâtiment. C’est là que les autorités responsables de la protection de l’environnement doivent intervenir pour définir des règles et veiller à leur application. Il existe cependant de nombreux moyens d’action pouvant contribuer à éliminer ou à réduire la pollution atmosphérique.

Comme nous l’avons déjà mentionné, il importe d’étudier soigneusement la localisation et l’orientation des prises d’air et des bouches d’extraction, afin d’éviter la réintroduction de la pollution provenant du bâtiment lui-même et de ses installations (tours de refroidissement, bouches d’extraction des cuisines et des toilettes, etc.), ou encore des constructions situées dans son voisinage immédiat.

Si l’on constate que l’air extérieur ou l’air recyclé est pollué, les mesures préconisées sont le filtrage et l’épuration. La méthode la plus efficace d’élimination des poussières est l’emploi de filtres électrostatiques et mécaniques; ceux-ci seront d’autant plus efficaces qu’ils seront bien adaptés à la taille des particules à éliminer.

L’emploi de systèmes d’élimination des gaz et des vapeurs par absorption ou adsorption chimique est rare hors des établissements industriels. Toutefois, il est courant de recourir dans les bâtiments ordinaires à des systèmes qui masquent le problème, en particulier celui des odeurs, au moyen de désodorisants.

L’ionisation et l’ozonisation sont d’autres techniques possibles d’épuration et d’amélioration de la qualité de l’air, auxquelles il ne faudrait cependant faire appel qu’avec la plus grande prudence, tant qu’on ne connaîtra pas mieux leurs propriétés réelles et leurs éventuels effets négatifs sur la santé.

Une fois que l’air a été traité et refroidi ou chauffé, il est introduit dans les espaces intérieurs. La qualité de la distribution dépendra en grande partie du modèle, du nombre et de l’emplacement des grilles de diffusion.

Figure 45.3 Exemple montrant comment la distribution d'air frais peut être
court-cicuitée dans un local

La distribution de l’air peut poser des problèmes très différents, selon le cloisonnement et l’agencement des espaces de travail. Par exemple, dans les locaux paysagers où les grilles de diffusion sont au plafond, le mélange de l’air peut être incomplet. Le problème tend à se compliquer quand le système de ventilation utilisé est d’un type à débit variable. Dans ce cas, les conduits de distribution sont dotés à leurs extrémités de dispositifs pouvant modifier le débit de l’air en fonction des informations fournies par les thermostats de zone.

Des difficultés peuvent également surgir quand l’air circule à faible débit à travers un certain nombre de ces dispositifs: dès que le local a atteint la température de consigne du thermostat, la puissance du ventilateur qui souffle l’air est automatiquement réduite. Le débit total de l’air dans les conduits peut alors diminuer suffisamment pour que l’introduction d’air frais extérieur soit totalement interrompue. On peut éviter cette situation et maintenir en permanence un débit minimal d’air frais en plaçant des détecteurs qui commandent le volume introduit au niveau des prises d’air.

Tableau 45.3 Mesures de contrôle de la qualité de l'air intérieur et effets sur le milieu ambiant

Tableau 45.4 Modifications de l'environnement de travail et leurs effets sur la
qualité de l'air ambiant

Au stade de la conception, la qualité de l’environnement global d’un bâtiment dépend, dans une large mesure, de la manière de gérer ce problème, mais beaucoup aussi d’une attitude positive envers les occupants. Ceux-ci sont les meilleurs «détecteurs» dont les exploitants puissent se servir pour juger le fonctionnement des installations destinées à assurer la qualité de l’environnement intérieur.

Les systèmes complètement automatisés, qui régissent toutes les conditions de l’ambiance intérieure — éclairage, température, ventilation, etc. — en fonction de critères strictement objectifs tendent à avoir un effet négatif sur le bien-être psychologique et sociologique des occupants, qui ont alors l’impression d’être plus ou moins privés de la possibilité d’agir pour créer des conditions d’ambiance répondant à leurs besoins. En outre, il est parfois impossible d’adapter les systèmes de ce type aux exigences environnementales nouvelles résultant d’un changement des activités exercées dans un local donné, du nombre de personnes qui y travaillent ou de l’aménagement des locaux.

La solution pourrait consister à installer un système de gestion centralisé doté de commandes locales que les occupants puissent régler. Ce concept, très souvent appliqué en matière d’environnement visuel (éclairage général complété par des éclairages localisés), devrait être étendu à d’autres domaines, par exemple, à la gestion à la fois centrale et locale du chauffage et de la climatisation, de l’apport d’air frais, etc.

Bref, on peut dire, dans chaque cas, qu’il faudrait qu’une partie des conditions d’ambiance soit optimisée au moyen d’une gestion centralisée fondée sur des considérations de sécurité, de santé et d’économie, et que le réglage des conditions locales soit laissé aux utilisateurs des locaux, qui peuvent avoir des réactions et des besoins différents face à des conditions données. Des compromis de ce genre auraient sans nul doute des effets bénéfiques sur la satisfaction, le bien-être et la productivité des occupants.

Tableau 45.5 Efficacité des filtres (seon la norme ASHRAE 52-76) pour des particules de
0,3 µm de diamètre

La précipitation électrostatique

Cette méthode permet également de retenir les matières particulaires. Dans un filtre électrostatique, les particules contenues dans le flux d’air sont ionisées, puis captées par une électrode collectrice. L’ionisation se produit quand l’effluent contaminé traverse le champ électrique engendré par la haute tension appliquée entre une électrode collectrice et une électrode de décharge. L’électrode collectrice présente une grande surface qui porte habituellement une charge positive, l’électrode de décharge portant une charge négative.

Les principaux facteurs influant sur l’ionisation des particules sont l’état et le débit de l’effluent, ainsi que les caractéristiques des particules (taille, concentration, résistance, etc.). L’efficacité de captage augmente avec l’humidité, la taille et la densité des particules et diminue lorsque la viscosité de l’effluent augmente.

Les filtres électrostatiques sont très efficaces pour arrêter les particules solides et liquides, même lorsque leur calibre est très fin. Ils sont en outre utilisables en présence de débits élevés et de hautes températures. La perte de charge qu’ils occasionnent est minime. Ils présentent certains inconvénients: leur coût, leur encombrement et les risques associés aux très hautes tensions de fonctionnement, en particulier dans les applications industrielles.

Ces filtres sont utilisés tant en milieu industriel, pour réduire les émissions de particules, qu’en milieu résidentiel, pour améliorer la qualité de l’air intérieur. Il s’agit dans ce cas de petits appareils fonctionnant à des tensions de 10 000 à 15 000 volts. Ils sont équipés d’ordinaire d’un système de régulation automatique assurant en permanence le maintien d’une tension suffisante pour produire l’ionisation, mais pas assez élevée pour provoquer une décharge entre les deux électrodes.

La production d’ions négatifs

Cette méthode permet également d’éliminer les particules en suspension dans l’air. Certains auteurs la préconisent pour créer des environnements plus sains. Toutefois, son efficacité est encore à l’étude, de même que ses effets sur la santé et le confort.

L’épuration par adsorption

Cette méthode permet de capter les polluants gazeux ou à l’état de vapeur tels que le formaldéhyde, le dioxyde de soufre, l’ozone, les oxydes d’azote et les vapeurs organiques. L’adsorption est un phénomène physique dans lequel des molécules de gaz sont piégées par un adsorbant, c’est-à-dire un solide poreux présentant une très grande surface spécifique. Pour débarrasser l’air de ses contaminants gazeux, on le fait passer dans une cartouche remplie d’adsorbant, le plus souvent du charbon actif, qui retient toute une série de gaz inorganiques et de composés organiques, tels que les hydrocarbures aliphatiques, chlorés et aromatiques, les cétones, les alcools et les esters.

Le gel de silice, autre adsorbant inorganique, sert à retenir les composés polaires tels que les amines et l’eau. Il existe aussi des adsorbants organiques formés de polymères poreux. Précisons que les adsorbants ne peuvent retenir qu’une fraction des polluants qui les traversent et qu’une fois saturés ils doivent être régénérés ou remplacés. On se sert également d’adsorbants solides formés d’un mélange d’alumine et de charbon activés imprégnés de réactifs spécifiques. Certains oxydes métalliques, par exemple, retiennent les vapeurs de mercure, le sulfure d’hydrogène et l’éthylène. Il faut rappeler que le dioxyde de carbone n’est pas retenu par adsorption.

L’épuration par absorption

L’élimination des gaz et des vapeurs par absorption fait appel à une réaction chimique entre les molécules polluantes et la solution absorbante qu’elles traversent. C’est un processus sélectif qui utilise des réactifs très spécifiques choisis en fonction des polluants à capturer.

Tableau 45.6 Réactifs utilisés pour absorber certains contaminants

L’ozonisation

Cette méthode d’amélioration de la qualité de l’air intérieur se base sur l’utilisation de l’ozone pour retenir les contaminants en suspension dans l’air. L’ozone s’obtient en soumettant de l’oxygène à un rayonnement ultraviolet ou à une décharge électrique. En raison de son grand pouvoir oxydant, l’ozone est indiqué comme agent bactéricide, désodorisant et désinfectant, ainsi que pour la neutralisation des gaz et vapeurs nocifs. Il sert également à assainir des locaux contenant de fortes concentrations de monoxyde de carbone. En milieu industriel, on l’utilise pour traiter l’air des cuisines, des cafétérias, des usines de conditionnement des aliments et du poisson, des usines de produits chimiques, des installations de traitement d’eaux usées, des usines de caoutchouc, des installations frigorifiques, etc. Dans les bureaux, il est employé dans les installations de climatisation pour améliorer la qualité de l’air intérieur.

L’ozone est un gaz bleuâtre d’une odeur pénétrante caractéristique à concentration élevée; il est toxique, voire mortel, pour l’humain. Il est produit par l’action d’un rayonnement ultraviolet ou d’une décharge électrique sur l’oxygène. Il convient de distinguer entre la production délibérée, accidentelle et naturelle d’ozone. C’est un gaz extrêmement toxique et irritant, même en cas d’exposition de courte durée. Compte tenu de son mécanisme d’action sur l’organisme, il n’y a pas de niveaux connus auxquels il est dépourvu d’effet biologique. On trouvera un exposé plus détaillé de ces questions dans le chapitre n^o 104, «Aide-mémoire des substances chimiques», de la présente Encyclopédie .

Les procédés qui font appel à l’ozone devraient être confinés dans des espaces fermés ou comporter une aspiration localisée pour capter tout dégagement de gaz à la source. Les bouteilles d’ozone devraient être stockées dans des endroits réfrigérés, à l’écart d’agents réducteurs, de matières inflammables ou de produits pouvant catalyser sa décomposition. On peut minimiser les risques de fuite en faisant fonctionner les ozoniseurs sous dépression et en les dotant de dispositifs assurant leur arrêt automatique en cas de dérèglement.

L’équipement électrique des installations utilisant de l’ozone devrait être parfaitement isolé et entretenu par du personnel expé-rimenté. Les conduits et accessoires devraient comporter des dispositifs arrêtant immédiatement la marche des ozoniseurs en cas de détection d’une fuite, d’une chute d’efficacité de la ventilation, de la déshumidification ou de la réfrigération, ou encore lors d’une surpression ou d’une dépression (suivant le système utilisé) ou lorsque le débit des ozoniseurs est soit excessif, soit insuffisant.

Si des ozoniseurs sont installés, les locaux devraient être équipés de détecteurs spécifiques d’ozone. On ne peut se fier au sens de l’odorat des occupants, que l’ozone peut saturer. Les fuites d’ozone peuvent être détectées au moyen de papier réactif à l’iodure de potassium, qui vire au bleu. Néanmoins, cette méthode n’est pas spécifique, car la réaction est positive pour la plupart des oxydants. Il est préférable de disposer d’un système continu de détection des fuites par cellules électrochimiques, photométrie en ultraviolet ou chimiluminescence. Le détecteur choisi devrait être relié directement à un système d’alarme activé dès qu’une certaine concentration est atteinte.

Figure 45.4 Schéma de circulation de l'air dans un local comportant deux orifices d'admission

Figure 45.5 Facteurs K recommandés selon l'emplacement des orifices d'admission
et d'extraction de l'air

Afin d’éviter que les travailleurs ne soient soumis à des courants d’air relativement rapides, l’air est en général injecté par des grilles de diffusion conçues pour favoriser un mélange rapide de l’air frais et de l’air déjà présent dans le local. On limite ainsi l’étendue de la zone parcourue par des courants d’air désagréables.

L’effet de courant d’air que nous venons de décrire ne se produit pas à proximité des bouches d’extraction ou des points par où l’air s’échappe (portes, fenêtres et autres orifices). L’air parvient aux grilles d’extraction de toutes les directions, de sorte que même à peu de distance de ces grilles, son mouvement n’est pas assez rapide pour être perçu comme un courant d’air.

Il est toujours préférable de disposer les postes de travail de façon que l’air frais atteigne les travailleurs avant d’avoir été en contact avec des sources de contamination.

Lorsque d’importantes sources de chaleur existent dans le local, le mouvement de l’air dépendra dans une grande mesure des courants de convection produits par les différences de densité entre l’air froid, qui tend à descendre, et l’air chaud, qui tend à monter. Dans ce cas, le concepteur du système de distribution d’air devra évidemment tenir compte de ces sources de chaleur, faute de quoi le mouvement de l’air pourra être très différent de ce qu’il aura prévu.

Par contre, la présence d’un contaminant chimique n’a pas d’effet sensible sur la densité de l’air. Bien qu’un polluant puisse, à l’état pur, avoir une densité très différente de celle de l’air (généralement beaucoup plus élevée), la densité du mélange air-polluant sera le plus souvent très proche de celle de l’air pur, compte tenu de la concentration réelle du polluant dans le local.

L’une des erreurs les plus communes, lors de l’installation de systèmes de ventilation de ce type, consiste à prévoir uniquement des bouches d’extraction, sans se préoccuper des entrées d’air. Dans ce cas, les ventilateurs d’extraction ne pourront pas fonctionner à plein rendement, ce qui aboutira à des débits réels d’extraction très inférieurs à ceux prévus et à des concentrations ambiantes de polluants sensiblement plus élevées que celles initialement calculées.

Pour éviter cette situation, il faut réfléchir à la façon dont l’air sera introduit dans le local considéré. Il est recommandé d’utiliser des ventilateurs tant pour l’insufflation d’air frais que pour le refoulement de l’air usé. Normalement, le débit d’extraction doit être plus élevé que le débit d’injection afin de tenir compte des fuites par les fenêtres et autres ouvertures. En outre, il est conseillé de garder le local en légère dépression afin d’éviter que la contamination pouvant exister sur place ne puisse être entraînée vers des zones non polluées.

La ventilation par déplacement

Ainsi qu’on l’a déjà dit, la ventilation par déplacement tend à minimiser le mélange de l’air frais à l’air existant, le mouvement de l’air se faisant selon le modèle dit de l’écoulement à bouchons. Dans ce mode de ventilation, l’air est habituellement introduit à petite vitesse au niveau du plancher, ou légèrement au-dessus, et extrait à proximité du plafond. Cette technique présente deux avantages par rapport à la ventilation par dilution.

En premier lieu, elle permet de réduire les débits de renouvellement d’air du fait que les polluants tendent à se concentrer au voisinage du plafond, c’est-à-dire à l’écart des postes de travail. La concentration moyenne dans l’espace considéré est alors plus élevée que la valeur c_lim mentionnée plus haut, mais cela ne fait pas courir un plus grand risque aux travailleurs puisque, dans la zone occupée du local, la concentration des polluants est égale ou inférieure à c_lim.

En second lieu, si le but de la ventilation est la régulation de l’ambiance thermique, la ventilation par déplacement permet d’introduire de l’air plus chaud que dans un système de ventilation par dilution, puisque l’air extrait au voisinage du plafond a une température de plusieurs degrés supérieure à celle de la zone occupée du local.

Les principes fondamentaux de la ventilation par déplacement ont été développés par Sandberg qui, au début des années quatre-vingt, a élaboré une théorie générale pour l’analyse des situations comportant des concentrations non uniformes de polluants dans des espaces clos. Cette théorie a permis de surmonter les limitations théoriques de la ventilation par dilution (qui présuppose une concentration uniforme dans tout l’espace considéré) et a ouvert la voie à des applications pratiques (Sandberg, 1981).

Bien que la ventilation par déplacement soit largement utilisée dans certains pays, particulièrement en Scandinavie, les études comparant l’efficacité des deux méthodes dans des installations réelles sont plutôt rares. Cette situation tient sans doute aux difficultés pratiques que poserait l’installation de deux systèmes de ventilation différents dans une usine et au fait que l’analyse expérimentale de ces types de systèmes nécessite l’emploi de traceurs. On procède en effet à cette analyse en injectant un gaz traceur dans le courant de ventilation et en mesurant sa concentration en différents points de l’espace considéré et dans l’air extrait, ce qui permet de déterminer comment l’air est distribué et de comparer l’efficacité de différents systèmes.

Les quelques études menées dans des installations existantes n’ont pas abouti à des résultats concluants, même si elles ont prouvé que la ventilation par déplacement assure un meilleur renouvellement de l’air. De plus, les auteurs de ces études ont souvent exprimé des réserves au sujet des résultats, dans la mesure où ceux-ci n’ont pas été confirmés par des mesures du niveau de contamination ambiant dans les lieux de travail.

Figure 45.6 Courbe de définition de l'olf

Le décipol

La concentration de la pollution dans l’air intérieur dépend de la source ou des sources de contamination et du degré de dilution assuré par la ventilation. La pollution perçue est définie par la concentration de bioeffluents humains qui causerait le même inconfort ou la même insatisfaction que la concentration de polluants dans l’air à évaluer. Un décipol (du latin pollutio , souillure) correspond à la contamination produite par une personne stan-dard (1 olf) sous un débit de ventilation de 10 litres/s d’air non contaminé, d’où la définition:

Figure 45.7 Relation entre la qualité perçue de l'air, exprimée par le pourcentage de
personnes insatisfaites (PPI) et cette même qualité exprimée en décipols

Tableau 45.7 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 l’unité.

Source: CCE, 1992.

Ainsi qu’on l’a dit, ces données résultent d’expériences faites sur des groupes de personnes à qui l’on demandait de juger la qualité de l’air. Il ne faut pas oublier toutefois que certains contaminants dangereux présents dans l’air (substances cancérogènes, micro-organismes, substances radioactives, etc.) ne sont pas décelés par les sens et que les effets sensoriels d’autres contaminants n’ont aucun lien quantitatif avec leur toxicité.

Les sources de contamination

Les normes actuelles en matière de ventilation, on l’a vu, ont l’inconvénient de ne tenir compte que des occupants comme sources de contamination. Les normes futures devront prendre en considération toutes les sources possibles de pollution. En dehors des occupants et de leurs activités (y compris dans certains cas le tabagisme), d’autres sources contribuent sensiblement à la pollution de l’air: le mobilier, les moquettes, les matériaux de construction, les articles utilisés pour la décoration, les produits de nettoyage et le système de ventilation lui-même.

La combinaison de toutes ces sources détermine la charge de pollution de l’air dans un espace donné. Cette charge peut être exprimée sous forme soit de contamination chimique, soit de contamination sensorielle (en olfs). Dans ce dernier cas, le résultat comprend les effets de diverses substances chimiques tels qu’ils sont perçus par l’être humain.

La charge de pollution chimique

La contamination émanant d’un matériau donné peut s’exprimer par le taux d’émission de chacune des substances chimiques qu’il contient. La charge totale de pollution chimique se calcule en additionnant toutes les sources et s’exprime en microgrammes par seconde (µg/s).

En réalité, il est souvent difficile de calculer la charge chimique, car on connaît mal les taux d’émission de nombreux matériaux couramment utilisés.

La charge de pollution sensorielle

La charge de pollution perçue par les sens est due aux émanations polluantes qui ont un effet sur la qualité perçue de l’air. On la calcule en additionnant les olfs des différentes sources de contamination présentes dans un espace donné. Comme dans le cas précédent, on ignore encore le taux d’émission spécifique (en olfs/m²) de nombreux matériaux. C’est pourquoi il est plus commode d’estimer la charge sensorielle du bâtiment pris dans son ensemble, avec ses occupants, son mobilier et son système de ventilation.

Tableau 45.8 Contamination due aux occupants d'un bâtiment

¹ 1 met est l’activité métabolique d’une personne sédentaire au repos (1 met = 58 W/m² de peau).² Consommation moyenne de 1,2 cigarette/h par fumeur. Taux d’émission moyen: 44 ml de CO par cigarette.³ Dû à la fumée de tabac.⁴ Applicable aux personnes proches de la neutralité thermique.

Source: CCE, 1992.

Tableau 45.9 Taux d'occupation de quelques locaux et bâtiments

Source: CCE, 1992.

Tableau 45.10 Contamination due à différents locaux et bâtiments

¹ Données recueillies dans 24 bureaux à ventilation mécanique.² Données recueillies dans 6 écoles à ventilation mécanique.³ Données recueillies dans 9 garderies à ventilation mécanique.⁴ Données recueillies dans 5 salles de spectacle à ventilation mécanique.⁵ Objectifs qui devraient être atteints dans les bâtiments neufs.

Source: CCE, 1992.

La qualité de l’air extérieur

La qualité de l’air extérieur est le dernier paramètre de base nécessaire à l’élaboration des normes futures de ventilation. La publication Air Quality Guidelines for Europe de l’Organisation mondiale de la santé (OMS) (OMS, 1987) donne les limites d’exposition recommandées pour certaines substances, tant à l’intérieur qu’à l’extérieur.

Tableau 45.11 Niveaux de qualité de l'air extérieur

¹ Les valeurs présentées sont des moyennes quotidiennes.² Les valeurs présentées sont des concentrations annuelles moyennes.

Source: CCE, 1992.

Il importe de souligner que la qualité de l’air extérieur peut, dans bien des cas, être inférieure aux niveaux indiqués dans le tableau ou dans le guide de l’OMS. Il faut alors épurer l’air avant de l’injecter dans les locaux occupés.

L’efficacité des systèmes de ventilation

L’efficacité du système de ventilation est un autre facteur important qui intervient dans le calcul des besoins de ventilation. Cette efficacité E_v est définie par le rapport entre la concentration de polluants dans l’air extrait (C_e) et la concentration de polluants dans la zone occupée (C_b).

L’efficacité de la ventilation dépend de la distribution de l’air et de l’emplacement des sources de pollution dans le local. Si l’air et les polluants sont parfaitement mélangés, l’efficacité de la ventilation est égale à l’unité. Si la qualité de l’air respiré dans la zone occupée est meilleure que celle de l’air extrait, l’efficacité est supérieure à l’unité, ce qui signifie que des débits de ventilation moindres suffiraient pour assurer la qualité d’air souhaitée. Par contre, des débits de ventilation plus importants seront nécessaires si l’efficacité est inférieure à l’unité, c’est-à-dire si la qualité de l’air dans la zone occupée est inférieure à la qualité de l’air extrait.

Pour déterminer l’efficacité de la ventilation, il est utile de diviser l’espace considéré en deux zones, celle où l’air est introduit et le reste du local. Dans le cas d’un système de ventilation par dilution, la zone d’entrée de l’air se situe généralement au-dessus de la zone de respiration et les meilleures conditions sont atteintes quand le mélange est si intime que les deux zones n’en font plus qu’une. Dans le cas d’un système de ventilation par déplacement, l’air est introduit dans la zone occupée et l’extraction se fait généralement en hauteur. Dans ce cas, les conditions optimales sont obtenues quand le mélange entre les deux zones est minimal.

Figure 45.8 Efficacité de la ventilation dans les zones occupées, selon le type de ventilation

Le calcul des débits de ventilation

Figure 45.9 Formules à utiliser pour calculer les débits de ventilation

La ventilation nécessaire pour le confort

Figure 45.10 Mécanismes thermorégulateurs chez l'être humain

Tout système de chauffage doit posséder un mécanisme de régulation très précis, surtout si les travailleurs sont assis ou immobiles dans une position qui ne stimule pas la circulation du sang vers les extrémités. Si la nature du travail permet une certaine mobilité, la régulation peut être un peu moins précise. Enfin, lorsque le travail s’effectue dans des conditions particulièrement défavorables, comme dans des chambres frigorifiques ou par temps très froid, des mesures d’appoint peuvent être prises pour protéger certains tissus, limiter le temps d’exposition ou assurer un apport de chaleur extérieure grâce à des dispositifs électriques incorporés dans les vêtements de travail.

La définition et la description de l’environnement thermique

Tout système de chauffage ou de climatisation doit permettre de contrôler, dans des limites prescrites, les variables qui définissent l’environnement thermique durant chaque saison de l’année. Ces variables sont:

1. la température de l’air;
2. la température moyenne des surfaces intérieures (parois, plancher et plafond), qui délimitent le local considéré;
3. la teneur de l’air en humidité;
4. la vitesse d’écoulement de l’air et l’uniformité de sa distribution.

Il existe une relation très simple entre la température de l’air, la température des surfaces intérieures du local et la température qui donnerait la même perception de chaleur dans un local différent. Cette relation s’exprime par la formule ci-après:

dans laquelle

T_eq = température équivalente de l’air qui donne une perception thermique donnée

T_tbs = température de l’air mesurée avec un thermomètre à bulbe sec

T_ms = température moyenne mesurée à la surface des parois du plancher et du plafond du local.

Si, par exemple, dans un local donné, l’air et les parois sont à 20 °C, la température équivalente sera de 20 °C, c’est-à-dire la même que dans un local où la température moyenne des parois serait de 15 °C et la température de l’air de 25 °C. Du point de vue de la température, les occupants des deux locaux auraient donc la même sensation de confort thermique.

Les propriétés de l’air humide

Il importe, dans un projet de climatisation, de tenir compte de trois éléments: les caractéristiques thermodynamiques de l’air dans le local, celles de l’air extérieur et celles de l’air de ventilation. Le choix d’un système capable d’agir sur les propriétés thermodynamiques de l’air insufflé par la ventilation dépend alors des charges thermiques de chaque élément. Il est donc indispensable de connaître les propriétés thermodynamiques de l’air humide, à savoir:

T_tbs = température «sèche» mesurée à l’aide d’un thermomètre à bulbe sec à l’abri de toute source de rayonnement calorifique

T_r = point de rosée, c’est-à-dire la température sèche à laquelle l’air humide non saturé doit être abaissé pour arriver à saturation

W = taux d’humidité absorbée, allant de zéro pour l’air sec à W_s pour l’air saturé de vapeur d’eau. Il s’exprime en g de vapeur d’eau par m³ d’air sec

HR = humidité relative

t = température thermodynamique mesurée à l’aide d’un thermomètre à bulbe humide

v = volume spécifique de l’air humide (en m³/kg). C’est l’inverse de la masse volumique

H = enthalpie, en kcal/kg, de l’air sec et de la vapeur d’eau associés.

Parmi les variables ci-dessus, seules trois sont directement mesurables, la température «sèche», le point de rosée et l’humidité relative. Une quatrième variable est également mesurable par des moyens empiriques: c’est la température «humide», déterminée au moyen d’un thermomètre dont le réservoir est mouillé et que l’on déplace à une vitesse modérée dans de l’air humide non saturé, en général à l’aide d’un ressort. Cette variable diffère très peu de la température thermodynamique du thermomètre à bulbe sec (3%), de sorte que les deux peuvent être utilisées dans les calculs sans risque excessif d’erreur.

Diagramme psychrométrique

Les propriétés définies au paragraphe précédent ont entre elles des relations qu’il est possible de représenter sous forme graphique. Les courbes ainsi obtenues sont appelées diagrammes psychrométriques. Ce sont des graphiques simplifiés basés sur les tables de la Société américaine des ingénieurs en chauffage, réfrigération et climatisation (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE)). Les coordonnées sont l’enthalpie et le degré d’humidité; différentes courbes correspondent aux températures sèche et humide, à l’humidité relative et au volume spécifique. Grâce aux diagrammes psychrométriques, il suffit de connaître deux variables pour déduire l’ensemble des propriétés de l’air humide.

Les conditions de confort thermique

Le confort thermique se définit comme la sensation ressentie par une personne satisfaite de son ambiance thermique. Il est influencé par des facteurs physiques et physiologiques.

Il est difficile de définir quelles sont les conditions générales capables d’assurer le confort thermique, car ces conditions diffèrent suivant les situations de travail. Il est même possible que les conditions requises varient pour un même poste s’il est occupé par des personnes différentes. En outre, il est impossible d’appliquer dans tous les pays une même norme technique définissant les conditions de confort thermique en raison de la multiplicité des conditions climatiques et des coutumes vestimentaires.

Tableau 45.12 Facteurs d'ambiance: critères proposés

Les facteurs ci-dessus sont interdépendants. Ainsi, il faut abaisser la température de l’air en cas de rayonnement thermique important et l’élever si la vitesse de l’air augmente.

En règle générale, les corrections à apporter sont les suivantes:

Il faut élever la température:

• si la vitesse d’écoulement de l’air est élevée;
• si le travail est sédentaire;
• si les vêtements portés sont légers;
• s’il faut habituer les occupants à des températures intérieures élevées.

De même, la température de l’air devrait être abaissée:

• si le travail impose un important effort physique;
• si les vêtements portés sont chauds.

Figure 45.11 Zones de confort en fonction de la température globale et de la vitesse
d'écoulement de l'air

Certains pays ont établi des normes de température ambiante minimales, mais pour l’heure aucune valeur optimale n’a été proposée. La valeur maximale de la température de l’air est généralement fixée à 20 °C. Les récents perfectionnements techniques ont accru la complexité de la mesure du confort thermique. De nombreux indices ont été définis, notamment l’indice de température effective (ET), l’indice de température effective corrigée (CET), l’indice de surcharge calorifique, l’indice de contrainte thermique (HSI), l’indice de température au thermomètre globe à bulbe humide (WBGT) et l’indice des valeurs médianes de Fanger (IMV). L’indice WBGT permet de déterminer les intervalles de récupération nécessaires en fonction de l’intensité de l’effort physique, de façon à éviter la contrainte thermique au travail. On trouvera une description détaillée de ces indices dans le chapitre n^o 42, «Les réponses physiologiques à l’environnement thermique».

La zone de confort thermique dans un diagramme psychrométrique

Tableau 45.13 Températures cutanées de confort thermique (en °C) pour une humidité relative
de 50% en fonction de différents paramètres (sur la base de la formule de Fanger)

Les systèmes de chauffage

La conception d’un système de chauffage devrait être fondée sur les caractéristiques des locaux à chauffer et les activités censées s’y dérouler. Il est cependant rare, dans le cas des établissements industriels, que les besoins des travailleurs en matière de chauffage soient pris en compte, souvent parce que les processus et les postes de travail n’ont pas encore été définis. Les installations sont donc conçues en fonction de critères très généraux, tenant uniquement compte des charges thermiques prévues et de l’apport de chaleur nécessaire pour maintenir une température donnée dans les locaux, abstraction faite de la répartition de la chaleur, de la localisation des postes de travail et d’autres facteurs plus spécifiques. C’est ce qui explique les déficiences du chauffage dans certains bâtiments, qui se traduisent par la présence de points froids et de courants d’air, par l’insuffisance du nombre d’éléments chauffants et par d’autres problèmes.

Pour bien concevoir le système de chauffage au stade de la planification d’un bâtiment, il importe de considérer au moins les points ci-après:

• Localisation adéquate des matériaux isolants, afin de réduire la consommation d’énergie et minimiser les gradients de température dans le bâtiment.
• Réduction des infiltrations d’air froid, afin de limiter le plus possible les variations de température dans les zones de travail.
• Prévention de la pollution de l’air, grâce à des extractions localisées et à une ventilation par déplacement ou par dilution.
• Contrôle des dégagements de chaleur résultant des processus mis en œuvre et étude de leur répartition dans les zones occupées du bâtiment.

Lorsque le chauffage est directement produit par des brûleurs sans conduits d’évacuation, il faut porter une attention particulière à l’inhalation par les occupants des produits de combustion. En brûlant, des combustibles tels que le mazout, le gaz naturel et le coke produisent en général du dioxyde de soufre, des oxydes d’azote, du monoxyde de carbone et d’autres produits de combustion. Il existe pour ces composés des limites d’exposition qu’il importe de respecter, surtout dans les espaces clos où leur concentration peut monter rapidement et où le rendement de la réaction de combustion peut baisser.

L’étude d’un système de chauffage implique toujours des compromis entre différents facteurs tels que le coût initial, la facilité d’entretien, le rendement énergétique et l’applicabilité. C’est ainsi que l’on pourra envisager d’utiliser des radiateurs électriques pour chauffer les locaux pendant les heures creuses, lorsque l’électricité est moins chère, ou des systèmes chimiques (au sulfure de sodium, par exemple) pouvant stocker la chaleur et être mis en service aux heures de pointe. On peut également prévoir d’installer simultanément plusieurs systèmes différents et de les faire fonctionner de manière à optimiser les frais de chauffage.

L’installation d’appareils de chauffage pouvant indifféremment brûler du gaz ou du mazout est particulièrement intéressante. En chauffant directement à l’électricité, on consomme une forme d’énergie supérieure qui peut souvent se révéler coûteuse, mais qui peut en même temps assurer la souplesse nécessaire dans certains cas. Les pompes à chaleur et autres systèmes de cogénération tirant parti de la chaleur résiduelle peuvent offrir des solutions avantageuses du point de vue financier, en dépit de leur coût initial élevé.

Figure 45.12 Caractéristiques des systèmes de chauffage les plus couramment utilisés
sur les lieux de travail

Les systèmes de climatisation

L’expérience montre qu’en milieu industriel une ambiance proche de la zone de confort durant les mois d’été augmente la productivité, réduit la fréquence des accidents, diminue l’absentéisme et favorise en général de meilleures relations humaines. Dans les commerces de détail, les hôpitaux et les grandes surfaces, la climatisation doit ordinairement être réglée pour assurer le confort thermique lorsque les conditions extérieures l’imposent.

Dans certains environnements industriels soumis à des conditions extérieures particulièrement rigoureuses, les systèmes de climatisation sont davantage destinés à éviter les effets négatifs de conditions extrêmes sur la santé qu’à assurer le confort thermique. On veillera à surveiller étroitement la maintenance et l’utilisation des installations, surtout si elles sont dotées d’humidificateurs, car ceux-ci peuvent devenir de dangereuses sources de contamination microbiologique.

Aujourd’hui, les systèmes de ventilation et de climatisation tendent à répondre simultanément, souvent à l’aide des mêmes installations, aux besoins de chauffage, de refroidissement et de conditionnement de l’air d’un bâtiment. De multiples classifications permettent de catégoriser les systèmes de refroidissement.

Ainsi, ils peuvent être classés, selon leur configuration, en:

• Unités hermétiques dont le réfrigérant a été préchargé en usine. Ces appareils, qui peuvent être ouverts et rechargés dans un atelier de réparation, sont en général employés dans les bureaux, les logements et autres locaux semblables.
• Unités semi-hermétiques de taille moyenne fabriquées en usine. Elles sont plus grandes que les unités domestiques et peuvent être réparées grâce à des trappes d’accès conçues à cette fin.
• Systèmes modulaires destinés aux entrepôts et aux grandes surfaces, formés de sous-ensembles clairement différenciés et matériellement distincts (le compresseur et le condenseur sont distincts de l’évaporateur et du détendeur). Ils sont utilisés dans les grands ensembles de bureaux, les hôtels, les hôpitaux, les usines et les bâtiments industriels.

Les systèmes de climatisation peuvent également être classés d’après la zone desservie en:

• Systèmes monozones: un même groupe de traitement d’air dessert simultanément plusieurs pièces d’un bâtiment qui ont des besoins semblables de chauffage, de refroidissement et de ventilation et sont régulées par une commande commune (thermostat ou appareil similaire). Les systèmes de ce type ne peuvent pas toujours assurer un niveau de confort adéquat dans toutes les pièces, surtout s’ils n’ont pas été conçus en fonction de la charge thermique particulière de chacune d’elles. La charge thermique peut d’ailleurs varier, par exemple lorsque le nombre d’occupants d’un local augmente ou que l’on ajoute un luminaire ou une autre source de chaleur (ordinateur, photocopieuse, etc.) qui n’avait pas été prévue au départ. L’inconfort peut également découler des variations saisonnières de l’ensoleillement dans une même pièce, ou même des variations de l’ensoleillement d’une pièce à l’autre dans la même journée.
• Systèmes multizones: ces systèmes peuvent fournir à plusieurs zones de l’air à des températures et à des niveaux d’humidité différents en chauffant, refroidissant, humidifiant ou déshumidifiant l’air, ou en en modifiant le débit. Ces systèmes, même s’ils sont généralement dotés d’une unité centrale commune de réfrigération (compresseur, évaporateur, etc.), sont équipés de nombreux éléments complémentaires: dispositifs de commande du débit, serpentins de chauffage, humidificateurs, etc. Ils peuvent réguler les conditions de température et d’humidité dans les locaux desservis en fonction des charges thermiques ponctuelles détectées au moyen de capteurs.

Les systèmes de climatisation peuvent en outre être classés selon les caractéristiques des débits d’air insufflés dans les locaux en:

• Systèmes à débit constant: ces systèmes injectent un débit d’air constant dans chaque local, la température étant régulée par chauffage ou refroidissement de l’air insufflé. L’air intérieur est le plus souvent recyclé après adjonction d’un certain pourcentage d’air frais.
• Systèmes à débit variable: ces systèmes assurent le confort thermique en modulant la quantité d’air chauffé ou refroidi introduit dans chaque local. Ils fonctionnent principalement par modification du débit, mais peuvent être combinés à des dispositifs qui modifient la température de l’air injecté.

Les problèmes les plus courants rencontrés dans ces divers systèmes sont soit l’excès de chauffage ou de refroidissement (s’ils ne sont pas capables de réagir aux variations de charge thermique), soit une ventilation insuffisante (s’ils n’apportent pas une quantité minimale d’air extérieur pour renouveler l’air intérieur). Cela peut créer des ambiances intérieures confinées où la qualité de l’air se dégrade peu à peu.

Figure 45.13 Schéma simplifié d'un système de climatisation

Tableau 45.14 Caractéristiques des ions selon leur mobilité et leur diamètre

L’ionisation artificielle

L’activité humaine modifie l’ionisation naturelle de l’air. L’ionisation artificielle, quant à elle, peut être provoquée par les processus industriels et nucléaires ou par le feu. Les matières particulaires en suspension dans l’air favorisent la formation d’ions Langevin (ions fixés à des particules). Les radiateurs électriques augmentent considérablement la concentration en ions positifs. Les climatiseurs accroissent également la charge spatiale des ambiances intérieures.

En milieu de travail, il y a des machines qui produisent des ions tant positifs que négatifs. C’est le cas des machines qui libèrent localement d’importantes quantités d’énergie mécanique (presses, métiers à filer et à tisser), d’énergie électrique (moteurs, imprimantes électroniques, photocopieuses, lignes et installations à haute tension), d’énergie électromagnétique (écrans cathodiques, téléviseurs, moniteurs d’ordinateurs) ou de radioactivité (bombes au cobalt 42). Ces équipements créent autour d’eux des environnements plus riches en ions positifs, ceux-ci ayant une durée de vie plus longue que les ions négatifs.

Les concentrations ioniques ambiantes

Les concentrations ioniques varient avec les conditions environnementales et météorologiques. Dans les zones faiblement polluées, comme les forêts et les montagnes ou en haute altitude, la concentration en ions de petite taille augmente. A proximité de sources radioactives, de chutes d’eau ou de rapides, la concentration peut atteindre des milliers de petits ions par cm³. Par contre, au voisinage de la mer et là où les niveaux d’humidité sont élevés, les ions de grande taille prédominent. En général, les concentrations moyennes dans l’air pur sont de 500 ions négatifs et 600 ions positifs par cm³.

Certains vents peuvent transporter de fortes concentrations d’ions positifs: le föhn en Suisse, le Santa Ana dans l’ouest des Etats-Unis, le sirocco en Afrique du Nord, le chinook dans les Rocheuses et le khamsin au Moyen-Orient.

Dans les lieux de travail où n’existent pas d’importants facteurs ionisants, il y a souvent une accumulation d’ions de grande taille. C’est notamment le cas dans les espaces hermétiquement clos et les mines. La concentration en ions négatifs diminue nettement à l’intérieur et dans les zones contaminées ou poussiéreuses. Plusieurs raisons expliquent la baisse de la concentration en ions négatifs dans les locaux climatisés. D’abord, ces ions sont retenus dans les conduits et les filtres ou sont attirés par les surfaces à charge positive. Ainsi, les écrans cathodiques, du fait qu’ils sont chargés positivement, créent dans leur voisinage immédiat un microclimat pauvre en ions négatifs. Les systèmes de filtration conçus pour les «chambres propres», où les niveaux de contamination doivent être maintenus à un niveau infime, semblent également éliminer les ions négatifs.

Par ailleurs, un excès d’humidité condense les ions, tandis qu’un air sec crée des ambiances dans lesquelles de nombreuses charges électrostatiques s’accumulent sur les plastiques et les fibres synthétiques présents dans les locaux ou portés par les occupants.

Les générateurs d’ions

Ces générateurs ionisent l’air en produisant une grande quantité d’énergie; celle-ci peut provenir d’une source de rayonnement alpha (comme le tritium) ou être engendrée par une source électrique en portant une électrode très pointue à une tension élevée. Les sources radioactives sont interdites dans la plupart des pays en raison de la radioactivité qu’elles émettent.

Les générateurs électriques sont constitués d’une cathode pointue portant une tension négative de plusieurs milliers de volts, entourée d’une anode en couronne mise à la terre. Les ions négatifs sont repoussés vers l’extérieur, tandis que les ions positifs sont attirés vers le générateur. La quantité d’ions négatifs produits augmente avec la tension appliquée et le nombre d’électrodes. Les générateurs à électrodes multiples fonctionnant à une tension moyenne sont les plus sûrs, car l’utilisation de tensions dépassant 8 000 à 10 000 volts libère également de l’ozone et des oxydes d’azote. La dispersion des ions est obtenue par répulsion électrostatique.

La migration des ions dépend de l’alignement du champ magnétique qui s’établit entre le point d’émission et les objets qui l’entourent. La concentration ionique n’est pas homogène autour du générateur et diminue fortement avec la distance. Des ventilateurs permettent d’élargir la zone de dispersion ionique. Il y a lieu de noter qu’un nettoyage régulier des éléments actifs du générateur est indispensable à son bon fonctionnement.

On peut également produire des ions en ayant recours à l’atomisation de l’eau, à l’effet thermoélectrique ou au rayonnement ultraviolet. Il existe de nombreux types et tailles de générateurs pouvant être montés au plafond ou fixés à une paroi; les petits appareils portatifs peuvent être placés n’importe où.

La mesure de la concentration ionique

Les appareils de mesure de la concentration ionique sont formés de deux plaques conductrices placées à 0,75 cm l’une de l’autre et entre lesquelles règne un champ électrique variable. Les ions sont attirés par la plaque de polarité. On mesure l’intensité du courant traversant l’une des plaques à l’aide d’un picoampèremètre. La tension variable permet de mesurer les concentrations d’ions de différentes mobilités. La concentration ionique N est donnée par la formule:

dans laquelle I est le courant en ampères, V la vitesse de l’air en cm/s, q la charge d’un ion monovalent (1,6 × 10^-19 coulomb) et Α la surface efficace des plaques conductrices en cm². On suppose que tous les ions ont une charge unitaire et qu’ils sont tous captés par les plaques. Il faut noter que cette méthode a ses limites en raison de la présence de courants de fond non négligeables et de l’influence d’autres facteurs tels que l’humidité et l’électricité électrostatique.

L’effet des ions sur l’organisme

Les petits ions négatifs sont censés avoir l’effet biologique le plus important du fait de leur plus grande mobilité. Des concentrations élevées d’ions négatifs peuvent tuer les micro-organismes pathogènes ou arrêter leur croissance, sans que l’on ait apparemment décelé d’effets nuisibles sur l’humain.

Certaines études laissent penser que l’exposition à de fortes concentrations d’ions négatifs produit chez certaines personnes des modifications biochimiques et physiologiques qui ont un effet relaxant, réduisent la tension et les maux de tête, augmentent la vigilance et diminuent les temps de réaction. Ces effets pourraient être dus à l’inhibition, chez certains sujets hypersensibles, de l’hormone neurale sérotonine (5-HT) et de l’histamine dans les environnements riches en ions négatifs. Toutefois, d’autres études aboutissent à des conclusions différentes quant aux effets des ions négatifs sur l’organisme. Les bienfaits de l’ionisation négative restent donc contestés et d’autres études devront être entreprises avant qu’il soit possible de clore le débat.