Critères d’évaluation de l’efficacité de ventilation

Les normes et réglementations en vigueur proposent des débits recommandés pour satisfaire une bonne qualité d’air, mais ne qualifient pas réellement la performance de la ventilation. L’efficacité de la ventilation peut être exprimée à l’aide d’indices représentatifs de sa capacité à renouveler l’air et à éliminer les polluants (Mundt et al., 2004).

III.3.A. Efficacité du renouvellement d’air

L’efficacité de renouvellement de l’air intérieur d’un système de ventilation caractérise la rapidité à laquelle l’air d’une pièce est remplacé en comparaison avec le renouvellement d’air le plus rapide. Il peut être déterminé expérimentalement à l’aide de méthodes de gaz traceurs, mais il reste difficile à évaluer en cas de ventilation naturelle ou de bâtiments très perméables, du fait de la forte variabilité du renouvellement d’air.

61 Les différents indices d’efficacité du renouvellement d’air sont construits à partir des temps caractéristiques de l’air, que sont l’âge de l’air, le temps résiduel et le temps de résidence.

III.3.A.a. L’âge de l’air

C’est le temps écoulé depuis l’entrée dans un local d’une quantité de molécules ou de particules de l’air jusqu’à sa sortie. Il caractérise la « fraîcheur de l’air » et s’exprime différemment suivant la méthode de gaz traceur utilisée et selon s’il est localisé dans des zones d’intérêts particuliers. L’âge moyen de l’air peut être définie de manière locale , ou de manière globale (Tableau 1-3).

Tableau 1-3 – Age moyen local et global de l’air selon la méthode expérimentale de détermination du temps de séjour

Méthode Age de l’air local Age de l’air global

Injection par impulsion Injection constante Décroissance de la concentration Avec :

- : concentration locale de traceur en un point « P » en mol.m-3.

- : concentration moyenne en traceur sur la globalité du local en mol.m-3. - : concentration de traceur dans l’air soufflé à l’entrée du local en mol.m-3.

III.3.A.b. Le temps résiduel,

Il s’agit du temps mis par une molécule d’air quittant un point P donné du domaine étudié pour atteindre la sortie d’air (Koffi, 2009). Il s’exprime selon l’équation (1-8).

(1-8) Avec la concentration en polluant dans l’air extrait.

62 III.3.A.c. Le temps de résidence, , et le temps nominal,

Le temps de résidence est le temps que met une molécule d’air venant du soufflage ou de l’extérieur et passant un point P donné du domaine étudié pour atteindre la bouche d’extraction de ce domaine. Il correspond à la somme de l’âge de l’air local et du temps résiduel de l’air, équation (1-9) (Koffi, 2009).

(1-9)

Il peut également être considéré que le temps de résidence correspond au double de l’âge de l’air global, équation (1-10), quel que soit le système de ventilation.

(1-10)

Un temps de résidence prolongé peut entraîner un risque de mauvaise qualité de l’air intérieur. Le temps de résidence minimum de l’air ou temps nominal est défini comme étant l’inverse du taux de renouvellement d’air , équation (1-11).

(1-11) Avec :

- : volume du local en m3. - : débit d’air m3.s-1.

III.3.A.d. Indice d’efficacité de renouvellement d’air,

Cet indice permet d’évaluer la capacité du système de ventilation à renouveler l’air dans la pièce. Il correspond au rapport entre la constante de temps nominal et le temps de résidence de l’air, équation (1-12).

(1-12)

Selon le type de ventilation, cet indice sera compris entre 0 et 1, correspondant au minimum de . Le rendement de ventilation est considéré efficace s’il est compris entre 0,5 et 1,0.

Les meilleures efficacités de renouvellement d’air sont obtenues pour une ventilation par piston où l’air vicié est déplacé par l’air frais, généralement de bas en haut, ainsi l’air soufflé ne se mélangeant pas à l’air de la pièce (Figure 1-7-a). Dans le cas d’une ventilation par mélange, consistant à assurer une homogénéité parfaite de l’air frais avec l’air vicié, l’efficacité n’est que de 50 % car le temps de résidence de l’air dans le domaine est égal au double du temps nominal de renouvellement d’air (Figure 1-7-b). Enfin, si le système de ventilation génère des mouvements d’air avec des zones mortes provoquées par des

63 phénomènes de recirculation ou des courts-circuits (Figure 1-7-c) entre les bouches de soufflage et les grilles d’extraction, le rendement peut descendre en dessous de 50 %.

Figure 1-7 – Efficacité des modes de ventilation, inspiré de (Roulet, 2008) cité par (Dhalluin, 2012)

L’indice évalue l’efficacité de renouvellement de l’air de tout le domaine ventilé et pas celui d’une zone d’occupation. Pour cela, l’indice local de renouvellement d’air , qui s’exprime en fonction de l’âge de l’air, équation (1-13), est utilisé.

(1-13)

Cet indicateur quantifie la fraicheur de l’air parvenant au point considéré et équivaut au double de l’indice d’efficacité de renouvellement d’air.

III.3.B. Efficacité d’élimination des polluants

Il s’agit d’évaluer la rapidité à laquelle un polluant est évacué de l’enceinte. L’indice d’efficacité d’élimination des polluants est défini, en régime établi, comme étant le ratio de la différence de concentrations dans l’air extrait, , et l’air insufflé, , par rapport à la différence de concentrations dans l’air intérieur en moyenne à l’état stationnaire, , et dans l’air insufflé, équation (1-14).

(1-14)

L’utilisation de gaz traceur permet de simplifier cette équation puisque les concentrations en soufflage sont alors nulles. Le système de ventilation est d’autant plus efficace que l’indice a une valeur élevée. Il est supérieur à 1 pour la ventilation à effet de piston du fait d’une meilleure dilution et donc qualité de l’air dans le domaine étudié que dans l’air extrait. Il est égal à 1 dans le cas des systèmes de ventilation par mélange. Dans les autres cas, quand l’indice d’efficacité est inférieur à 1, le polluant s’accumule dans le domaine étudié, la qualité de l’air y est donc dégradée.

De la même façon que pour l’efficacité de renouvellement d’air, il est possible de calculer l’indice local d’efficacité d’évacuation des polluants en remplaçant la concentration

64 moyenne de la pièce en régime permanent par la concentration au point considéré. Des indices similaires ont également été proposés en considérant la zone d’occupation, la zone de respiration ou encore l’air inhalé, aussi appelé indice d’exposition personnel (Mundt et al., 2004). (Koffi, 2009) recense également d’autres indices exprimant l’efficacité d’élimination des polluants, comme « l’indice d’efficacité de captation de polluant », permettant d’évaluer la capacité d’un système d’extraction mécanique (type hotte de cuisine ou salle blanche) à capter et à extraire les polluants d’un local ventilé. Mais aussi, le débit de purge d’un polluant émis par des sources ponctuelles, qui sert à quantifier la vitesse à laquelle ce polluant est purgé à un point du domaine par le système de ventilation.

III.3.C. Coût des systèmes de ventilation

La réduction de la consommation énergétique des bâtiments passe par la réduction des déperditions thermiques via son enveloppe ou isolation et via le renouvellement de l'air. Les logements étant de plus en plus étanches, la mise en place d'une ventilation efficace est nécessaire pour lutter contre les risques de condensation, pour contribuer à l'hygiène de l'air et pour améliorer le confort des occupants aussi bien du point de vue thermique qu’acoustique. Les déperditions énergétiques par renouvellement d'air deviennent ainsi une priorité (XPAIR, 2014).

Pour les habitations, le renouvellement d’air des systèmes de ventilation représente entre 20 et 30 % des pertes en chaleurs (QuelleEnergie, 2014). Le type de VMC utilisé influence donc la consommation d'énergie, et son choix dépend essentiellement des économies souhaitées. La réglementation fixe la consommation maximale admise pour les ventilateurs de VMC installés ou remplacés. Elle est de 0,25 Wh/m3 par ventilateur (ADEME, 2014a). Par ailleurs, pour les entreprises, l’ADEME estime que 10 % de la consommation d’énergie électrique est dû aux installations de ventilation (ADEME, 2014b).

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IV. Systèmes de traitement de l’air