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Digeste de la construction au Canada, 1972-09
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La ventilation et la qualite de l'air
Digeste de la Construction au Canada
Division des recherches en construction, Conseil national de
recherches Canada
CBD 110F
La ventilation et la qualite de l'air
Publié à l'origine en septembre 1972A.G. Wilson
Veuillez noter
Cette publication fait partie d'une série qui a cessé de paraître et qui est archivée en tant que référence historique. Pour savoir si l'information contenue est toujours applicable aux pratiques de construction actuelles, les lecteurs doivent prendre conseil auprès d'experts techniques et juridiques.
La ventilation est l'opération par laquelle l'air est introduit ou évacué d'un local, par des moyens naturels ou mécaniques, et ainsi le maintenir à un niveau de qualité acceptable. L'air fourni à cet effet vient généralement de l'extérieur. On peut établir une distinction entre la ventilation forcée, qui implique généralement une certaine forme de contrôle manuel ou automatique, et l'aération involontaire qu'on appelle souvent fuites d'air (CBD 23F).
Les besoins de ventilation découlent habituellement de la nécessité de contrôler la concentration des éléments polluants aptes à produire des odeurs désagréables ou des effets toxiques. On a fréquemment recours à la ventilation par l'air extérieur non traité dans les édifices non conditionnés pour réduire la sensation d'inconfort créée par l'excès de chaleur en été, et empêcher que l'humidité relative ne devienne excessive en hiver (CBD 1F). On recourt également à la ventilation pour améliorer l'air des locaux de séjour, et éliminer la chaleur, l'humidité et les éléments polluants qui résultent des processus industriels.
Les besoins de ventilation sont fonction de la densité d'occupation et de l'utilisation du bâtiment. La ventilation est essentielle pour créer une ambiance satisfaisante dans les locaux. Elle implique habituellement des frais d'immobilisation et d'exploitation assez considérables. Elle constitue donc un élément important à considérer dans la conception du bâtiment.
Les Procédés de Ventilation
La ventilation peut comporter un ou deux procédés à la fois. S'il est possible d'isoler facilement la source polluante (y compris la chaleur et l'humidité excessives), l'air contaminé du voisinage immédiat de la source polluante peut être capté et dirigé vers le système d'évacuation, avant qu'il ne se diffuse au travers du local occupé. Une bonne conception est nécessaire pour réaliser un arrangement efficace. Ce procédé est couramment employé dans l'industrie; les hottes au-dessus des appareils de cuisson en sont un exemple courant.
Lorsque toute une pièce est source de contamination, on peut utiliser un système d'évacuation de façon à l'isoler du reste, du bâtiment, comme cela se fait souvent avec les salles de toilettes. L'évacuation de l'air pollué dans ce cas doit se faire tout en prévoyant l'introduction d'une quantité satisfaisante d'air de renouvellement, ou d'air d'apport.
Dans la plupart des cas, les sources de pollution, généralement les occupants eux-mêmes et leurs activités, ne sont pas faciles à isoler. On utilise alors le procédé de ventilation, dit "de dilution." L'air frais est entièrement mélangé à l'air du local occupé, et déplace un volume égal d'air du local, qui est à la température moyenne de la pièce lorsqu'il quitte le local. Le taux net d'évacuation des éléments polluants par ce procédé est égal à la quantité d'air introduit multipliée par la différence entre la concentration des polluants de l'air vicié et celle de l'air d'apport. Lorsque la concentration des éléments polluants du local a atteint un niveau constant, c'est-à-dire lorsqu'elle est stable, le taux d'apport des polluants est égal au taux de leur évacuation. Si l'air du local est de l'air frais au départ, il se passera quelque temps avant qu'il n'atteigne une concentration constante en polluants, en raison de l'effet de dilution de l'air ambiant original. La période de temps dépendra du volume du local, du taux de production des éléments polluants (habituellement en rapport avec la densité d'occupation), et du taux d'air pur fourni. Etant donné cette influence du temps, les besoins de ventilation diminuent, à mesure que le volume du local par personne augmente.
L'évacuation des éléments polluants par le procédé de dilution laisse supposer qu'il n'est pas nécessaire de les éliminer complètement; une personne peut assimiler de petites quantités sans qu'elle n'éprouve d'effets désagréables, ou du moins sans dommage permanent. Ce concept s'applique largement au domaine de l'hygiène industrielle; il est la base des valeurs de concentrations maximales permises pour les expositions de courte et de longue durée qui ont été développées pour toute une gamme de produits polluants. On peut aisément illustrer une application du principe de dilution par le contrôle de la pollution de l'air causée par le processus normal de respiration.
Contrôle des Taux d'Oxygène et de Gaz Carbonique
L'air frais venant de l'extérieur contient environ 21 pour cent d'O2et 0.03 pour cent de CO2en
volume (le reste étant surtout de l'azote). Des variations importantes de ces proportions peuvent le rendre impropre à la respiration. Le seuil de pureté de l'air propre à la respiration pour une exposition prolongée est d'une concentration minimale de 16 pour cent en O2 et
maximale de 0.5 pour cent en CO2(allant parfois jusqu'à 1½ pour cent).
Une personne inactive physiquement inhale habituellement environ 18 pieds cubes d'air par heure. L'air exhalé contient environ 16 pour cent d'O2et environ 4 pour cent de CO2. Ainsi, si
on introduit seulement 18 pieds cubes par heure d'air frais par personne dans un local continuellement occupé, les concentrations en O2 et en CO2 s'approcheraient de ces limites.
Une exposition, même de brève durée, à une concentration en CO2 de 4 pour cent amènerait
une perte temporaire de vitalité et de capacité pour les occupants. Si, toutefois, on fournissait dix fois plus d'air frais (180 pieds cubes par heure ou 3 pieds cubes par minute), le taux final de CO2ne serait que de 0.4 pour cent et la carence en O2, de 0.5 pour cent, au lieu de 5 pour
cent. On peut alors considérer qu'il faut introduire environ 3 pi³ d'air extérieur ou l'équivalent par minute par personne, pour contrôler, dans les limites acceptables, la concentration en CO2
provoquée par la respiration des personnes au repos, seulement un dixième de cette quantité est requis pour maintenir la teneur en O2nécessaire. La consommation d'O2et la production de
CO2 augmentent en fonction des activités, ce qui fait augmenter les besoins de ventilation. Les
valeurs, pour les gens debout, sont d'environ 50 pour cent supérieures à celles qui prévalent pour les gens assis.
Dans la période qui suit immédiatement le début d'occupation d'une pièce, le volume d'air frais dans ce local a une influence sur le temps nécessaire pour que la concentration en CO2atteigne
un niveau donné. Ainsi, si l'on suppose un apport d'air frais de 3 pieds cubes par minute par personne, le niveau de CO2 atteindra sa valeur stable finale en environ 3 heures, lorsqu'on
prévoit 200 pieds cubes d'espace par personne, et en environ 30 heures, avec 2000 pieds cubes par personne. S'il n'y a pas de ventilation, mais une bonne circulation d'air dans le local pour 200 pieds cubes d'espace par personne, le CO2 atteindra un niveau de 0.5 pour cent en
environ l'heure après l'occupation du local.
Pour différents locaux et différentes densités d'occupation, la quantité d'air extérieur fourni, excède celle requise pour contrôler l'influence de la respiration sur les niveaux d'O2 et de CO2
dû au fait que l'infiltration et l'exfiltration sont hors contrôle. Dans les résidences unifamiliales, par exemple, les fuites d'air, toutes fenêtres fermées, équivalent à au moins un changement complet d'air toutes les quatre heures; en supposant 200 pieds cubes par personne, ces fuites s'élèvent à environ 8 pieds cubes par minute par personne. Dans une salle de classe à forte densité d'occupation, un apport d'air non pollué équivalant à un changement d'air par heure est requis pour procurer 3 pieds cubes par minute par personne, et les fuites d'air ne peuvent pas toujours fournir cette quantité.
Il faut des taux de ventilation supérieurs à ceux-ci pour contrôler les odeurs et, là où il n'y a pas de rafraîchissement, pour équilibrer les gains de chaleur, qui comprennent les pertes de chaleur du corps. Si l'on peut ouvrir les fenêtres, elles le seront habituellement pour remédier à un état d'air vicié ou à de températures excessives, avant que les niveaux de CO2 n'excèdent
les limites acceptables.
Le CO2 et d'autres gaz, particulièrement le CO et la vapeur d'eau, sont produits dans le
processus de combustion. Lorsque les installations de chauffage par combustion ne comportent pas de système d'évacuation, il est nécessaire d'estimer soigneusement les volumes d'éléments polluants produits et d'assurer que l'aération est suffisante pour maintenir les concentrations à l'intérieur des limites établies. Le problème se pose, par exemple, dans les garages fermés où chaque automobile produit 35 pi³ de CO, par heure, lorsque le moteur est en marche. On ne peut tolérer que de très bas niveaux de CO; on spécifie parfois une valeur maximale de 0.02 pour cent pour une exposition de 8 heures, et de 0.1 pour cent, pour des expositions occasionnelles. Ces chiffres commandent des taux de ventilation de l'ordre de 3000 pieds cubes et de 600 pieds cubes par minute respectivement pour chaque voiture, ce qui dans des conditions normales, peut nécessiter une quantité d'air frais équivalant à 10 changements d'air et plus par heure. Ceci représente une dépense importante d'énergie, dans le cas d'un garage chauffé l'hiver.
Contrôle des odeurs
Le contrôle des odeurs détermine les besoins d'air frais, ou son équivalent, dans la plupart des pièces destinées aux activités humaines. Les sources sont nombreuses: les odeurs du corps et la fumée du tabac seront particulièrement nuisibles dans les bureaux ou les salles de réunion; la préparation des aliments et l'accumulation des ordures ménagères représentent un apport important et périodique de polluants; les odeurs peuvent provenir de revêtements de finition et de garnitures et même de serpentins mouillés des systèmes de conditionnement d'air, à mesure qu'ils deviennent sales; et l'air extérieur lui-même peut être une source importante dans des endroits où la pollution de l'air est élevée.
Bien que l'air vicié n'est pas la cause de maladies organiques, les odeurs désagréables peuvent provoquer des effets nocifs temporaires, y compris les nausées, la respiration difficile et l'insomnie. Le nez est extrêmement sensible et de très petites concentrations peuvent être décelées. La perception des odeurs est à son maximum au moment de l'exposition initiale, et le nez peut subséquemment devenir insensible. Il peut donc ne pas détecter une augmentation graduelle de la concentration des contaminants odorifères, bien que les effets peuvent encore se faire sentir. L'air qui semble vicié est habituellement contaminé par une variété d'odeurs liées aux activités humaines, et peut produire un état d'oppression plutôt qu'une sensation d'odeur spécifique.
Des normes de concentration maximale d'odeurs n'ont pas encore été mises au point pour les locaux occupés en raison de la difficulté d'identifier et de mesurer les diverses vapeurs produisant des odeurs, et de relier les mesures au comportement humain. Au lieu de cela, les codes du bâtiment et d'autres cahiers des charges semblables spécifient les taux minimaux d'approvisionnement d'air frais, ou l'équivalent, requis pour diverses densités d'occupation, habituellement en pieds cubes par minute par personne, pour fournir une dilution suffisante. Ces valeurs sont basées tant sur les résultats d'études en laboratoire des réactions subjectives des gens que sur l'expérience. Les taux requis dépendent du genre d'activités et du nombre de fumeurs, et varient de 5 à 50 pieds cubes par minute par personne; une variation de 10 à 30 pieds cubes par minute par personne couvre la majorité des situations. Les valeurs sont
quelquefois ajustées pour le volume d'espace par personne, bien que ceci est maintenant considéré comme une pratique douteuse, sauf pour une occupation passagère; le temps qui suit l'occupation initiale, durant lequel le volume original d'air dans la pièce influence les niveaux de concentration est réduit à mesure que le taux d'aération augmente.
Il est nécessaire de fournir de l'air frais de façon à assurer un bon mélange avec l'air ambiant. Dans les bâtiments qui ont des systèmes de ventilation mécanique, ceci est accompli en mélangeant l'air extérieur avec une grande quantité d'air venant du bâtiment et en distribuant le mélange au local (CBD 106F). L'air amené de l'extérieur doit être chauffé en hiver. Dans les bâtiments comportant un système central de conditionnement de l'air, le mélange se fait dans la centrale pour fournir les exigences de chaleur et d'humidité du local (CBD 109F), la quantité totale d'air qui doit être distribuée étant déterminée par ces exigences. Les débits typiques de circulation totale d'air pour le conditionnement de l'air d'un bureau sont de 1 à 2 pieds cubes par pied carré de superficie de plancher, environ 15 pour cent de cet air venant de l'extérieur. Ces valeurs changent considérablement, toutefois, suivant le type d'occupation et le genre de construction. Il n'est pas rare de vouloir réduire la charge imposée à la centrale en réduisant la proportion d'air extérieur durant les périodes de pointe du chauffage ou du rafraîchissement, bien que cette pratique ne soit pas nécessairement bonne.
Vu le coût du conditionnement de l'air extérieur et l'accroissement des niveaux de pollution dans certaines régions, le concepteur pourrait envisager comme alternative le traitement de l'air intérieur avec une installation pour l'évacuation des odeurs. Ceci peut se faire sous bien des formes. Le procédé le plus couramment utilisé pour le traitement de l'air d'un bâtiment a recours à l'adsorption par du charbon de bois activé. Ce matériau est disponible sous forme de boulettes; il est disposé en couche au-travers de laquelle l'air passe. La performance varie suivant la préparation du lit et le choix des matériaux. Lorsque le charbon a adsorbé sa pleine capacité de matières odorantes, on le retourne généralement au fabriquant pour y être régénéré et on le remplace par du charbon de bois neuf. La conception d'un tel système serait normalement basée sur les besoins établis pour l'air extérieur. Par exemple, si les besoins d'air extérieur pour le contrôle des odeurs s'élèvent à 20 pour cent de l'air circulé, le traitement complet de l'air intérieur circulé avec un dispositif de contrôle des odeurs qui serait efficace à 20 pour cent donnerait des résultats comparables. L'air extérieur, toutefois, serait normalement requis en quantité suffisante pour maintenir les niveaux de CO2 à l'intérieur de limites
acceptables. Dans des situations inhabituelles, où l'air extérieur n'est pas disponible, comme dans les sous-marins, les niveaux de CO2peuvent être contrôlés par traitement chimique. Contrôle des Particules Véhiculées par l'Air
L'air extérieur introduit aux fins de ventilation, contient une variété de particules véhiculées par l'air, comme la poussière, la fumée, les pollens, et les organismes microscopiques. D'autres particules sont ramenées dans le local ou prennent naissance des activités des occupants. Le maintien des concentrations d'éléments polluants à l'intérieur de limites acceptables est un autre aspect important du contrôle de la qualité de l'air; il comporte principalement la technologie spéciale de la purification de l'air qui est hors du cadre du présent Digest. Le taux total de circulation de l'air détermine le taux auquel les particules sont éliminées par l'installation de dépoussiérage de l'air et est, par conséquent, un facteur dans le degré de propreté de l'air réalisée. La ventilation peut être un facteur significatif pour la diminution de la concentration des particules fines véhiculées par l'air qui ont pris naissance à l'intérieur, comme celles qui se trouvent dans la fumée de tabac. Le contrôle des poussières suscitées par les opérations industrielles peut s'effectuer grâce à des installations de hottes d'évacuation.
Dans les hôpitaux où le contrôle des sources d'infection transmise par l'air a une importance toute particulière, on se sert de la ventilation pour fournir une pression supérieure à la normale dans les locaux occupés par des patients sujets à l'infection, et une pression inférieure dans les locaux occupés par des patients atteints de maladies hautement contagieuses. Il est courant aussi de faire circuler une forte proportion d'air extérieur, jusqu'à 100 pour cent, dans des locaux tels que les salles d'opération. Ceci cause une charge de chauffage et de refroidissement particulièrement élevée pour la ventilation, et amène les concepteurs à considérer l'aspect
économique d'installer des dispositifs de récupération de la chaleur dans le système d'évacuation d'air.
Dans les bâtiments qui n'ont pas de système de conditionnement de l'air, la ventilation sans apport d'air extérieur est utilisée en été pour dissiper les gains de chaleur interne et ceux du rayonnement solaire. Par temps chaud, les conditions intérieures ne seront tolérables que si les températures intérieures n'excèdent pas celles de l'extérieur que de quelques degrés. Les bâtiments sans conditionnement de l'air devrait donc être conçus de façon à réduire au minimum les gains de chaleur et procurer des taux de ventilation élevés; par exemple, l'équivalent de 30 changements d'air et plus par heure. On peut habituellement mieux réaliser ces conditions avec de grandes fenêtres ouvrantes disposées pour la ventilation au-travers de la zone occupée. L'écoulement de l'air autour des occupants donne une sensation supplémentaire de bien-être vu augmentation des pertes de chaleur par convection.
Les édifices commerciaux et d'enseignement sont parfois conçus avec des systèmes de traitement de l'air ayant en vue le conditionnement futur de l'air, mais qui ne fournissent initialement que la ventilation mécanique. La quantité d'air de ventilation fourni par ce moyen sera presque toujours insatisfaisante pour dissiper la chaleur en été et, à moins d'une ventilation supplémentaire au travers de fenêtres ouvertes, les conditions seront probablement intolérables par temps chaud.
Conclusion
La ventilation satisfaisante des locaux occupés avec l'air extérieur, ou son équivalent, est une exigence fondamentale pour obtenir des conditions environnantes acceptables à l'intérieur des bâtiments. A moins qu'elle ne soit prévue, la qualité de l'environnement et le bien-être des occupants en souffriront. Elle est, par conséquent, un élément essentiel de la conception d'un bâtiment et de ses services. Les constituants incorporés aux bâtiments pour la ventilation comportent généralement quelques dépenses additionnelles en immobilisation; les charges frigorifiques et calorifiques représentées par l'air extérieur constituent une dépense importante en frais d'exploitation. Dans les situations spéciales, l'utilisation d'une installation de récupération de la chaleur ou de purification de l'air peut présenter une option économique. Par conséquent, une bonne conception demande de connaître les facteurs qui déterminent les exigences de ventilation et les moyens d'arriver à ces fins.
A.G. Wilson
Ventilation is the process of supplying or removing air, to or from a space, by either natural or mechanical means in order to maintain an acceptable level of air quality. The air supplied for this purpose usually comes from outside. A distinction can be made between intentional ventilation, which generally implies some form of manual or automatic control, and unintentional ventilation, commonly referred to as air leakage (CBD 23).
The need for ventilation usually results from the necessity to control the concentration of contaminants that may produce objectionable odours or toxic effects. Ventilation with untreated outdoor air is commonly used in non-airconditioned buildings to reduce discomfort from over-heating in summer and to prevent excessive relative humidities in winter (CBD 1). It is also used to improve occupational environments and to discharge heat, moisture and contaminants arising from industrial processes.
Ventilation needs depend on the occupancy and building use. Ventilation is essential if an adequate environment in buildings is to be provided; it usually involves a significant capital and operating expenditure. It is, therefore, an important consideration in building design.
The Ventilation Process
Ventilation may involve one or both of two processes. Where a source of contamination (including excessive heat and moisture) can be readily isolated, air can be exhausted from its immediate vicinity in such a way that contaminants are captured and directed into the exhaust system before they can diffuse into the occupied space. Good design is required to achieve an
effective arrangement. This approach is widely used in industrial applications, an exhaust hood often utilized over cooking ranges being a common example.
Where an entire room is a source of contamination, an exhaust system may be used to isolate it from the rest of the building, as is often done with washrooms. In removing contaminants in this way, provision must be made for an adequate supply of replacement or "make-up" air. In most situations the sources of contaminants, usually the occupants themselves and their activities, are not readily isolated. The ventilation process then employed is that of dilution. Fresh air is thoroughly mixed with the air in the occupied space and displaces an equal volume of room air, which is at the average room condition when it leaves the space. The net rate at which the contaminant is removed from the space by this process is equal to the quantity of air supplied multiplied by the difference between the concentration of the contaminant in the air leaving the space and that in the supply air. When the concentration of contaminants in the space has reached a constant level, i.e. at steady conditions, the rate of contaminant generation is equal to its rate of removal. If the air in the space is initially fresh, it will take some time after occupancy begins for the concentration of contaminants to approach a steady value because of the dilution effect of the original room air. The length of time will depend upon the room volume, the rate at which the contaminant is produced (usually in proportion to the number of occupants), and the rate of fresh air supply. Because of this time effect, ventilation requirements are sometimes lessened as the volume of space per person increases.
The basic assumption in removing contaminants by the process of dilution is that their complete elimination is not necessary; a person can assimilate small quantities without any objectionable effects, or at least without any permanent injury. This concept is applied broadly in the field of industrial hygiene and is the basis of maximum allowable concentration values for short- and long-time exposures that have been developed for a wide range of contaminants. Application of the dilution principle can be readily illustrated in terms of the control of air contamination resulting from the normal respiratory process.
Control of oxygen and carbon dioxide levels
Fresh outdoor air contains about 21 per cent O2 and 0.03 per cent CO2on a volume basis (the
remainder being mainly nitrogen). Significant variations in these proportions can render it unfit for human use. For prolonged exposure a minimum concentration of 16 per cent O2 and a
maximum concentration of 0.5 per cent CO2 (sometimes extended to 1 ½ per cent) are
commonly accepted standards.
A person, when seated, usually inhales about 18 cu ft of air per hr. The exhaled air contains about 16 per cent O2 and about 4 per cent CO2. Thus, if only 18 cu ft per hr of fresh air were
provided for each person in a continuously occupied space the concentrations of O2 and CO2
would approach these levels. Exposure for even a short time to a CO2level of 4 per cent would
result in a temporary loss of vitality and ability. If, however, ten times this amount of fresh air were provided (180 cu ft per hr or 3 cu ft per minute), the ultimate CO2level would be only 0.4
per cent and the O2deficiency would be only 0.5 per cent, instead of 5 per cent. Approximately
3 cfm per person may thus be regarded as the minimum rate of supply of outdoor air, or equivalent, that is required to control within accepted limits the concentration of CO2 arising
from respiration of people at rest; only one tenth of this is required to maintain the required levels of O2. Consumption of O2 and production of CO2 increase with activity, and ventilation
requirements increase correspondingly. For people who are standing, the values are about 50 per cent higher than for those seated.
In the period immediately following the beginning of occupancy the volume of fresh air in the space has an influence on the time required for the concentration of CO2 to reach a particular
level. For example, with a fresh air supply of 3 cfm per person, the CO2 level will essentially
reach its final steady value in about 3 hr when there is 200 cu ft of space per person, and in about 30 hr when there is 2000 cu ft per person. With no ventilation but with good mixing of the room air and with 200 cu ft of space per person, the CO2will reach a level of 0.5 per cent in
For many kinds of spaces and occupancies, supplies of outside air in excess of that required to control the effect of respiration on O2and CO2levels occur through uncontrolled infiltration and
exfiltration. In single-family residences, for example, air leakage, with windows closed, usually amounts to at least one complete change of air every 4 hr; assuming 2000 cu ft per person this leakage amounts to about 8 cfm per person. In a crowded classroom, with only 200 cu ft per person, a supply of uncontaminated air equivalent to one air change per hr is required to provide 3 cfm per person and air leakage may not always provide this amount.
Ventilation rates greater than this are required to control odours and, where cooling is not provided, to offset heat gains, which include body heat losses. If windows can be opened, they usually will be opened in response to an awareness of stale air or excessive temperatures before CO2levels exceed accepted limits.
CO2 and other gases, particularly CO and water vapour, are generated in the process of
combustion. Where unvented combustion heating devices are used, it is necessary to estimate carefully the volumes of contaminants produced and to ensure that there is sufficient ventilation to keep the concentrations within established limits. This problem arises, for example, with enclosed garages where each automobile generates about 35 cu ft per hr of CO with motor running. Only very low levels of CO can be tolerated; a maximum value of 0.02 per cent is sometimes specified for 8-hr exposure, and 0.1 per cent for short-term occupancy. These call for ventilation rates of about 3000 and 600 cfm respectively for each car which for average conditions, may require fresh air equivalent to 10 or more air changes per hour. This represents a substantial expenditure for energy if the garage is heated in winter.
Control of Odours
The control of odours determines requirements for fresh air, or its equivalent, in most spaces accommodating human activities. The sources are many: body odours and tobacco smoke will usually be the most objectionable in offices or places of assembly; food preparation and garbage are frequent contributors; odours may come from finishing materials and furnishings and even the wetted coils of air conditioning systems as they become dirty; and the outdoor air itself may be an important source in areas where there is serious air pollution.
Although odorants are not the cause of organic disease, obnoxious odours may cause temporary ill effects, including nausea, impaired respiration and insomnia. The nose is extremely sensitive and very small concentrations can be objectionable. Odour perception is greatest on initial exposure and the nose may subsequently become desensitized. It may not, therefore, detect a gradual increase in odour concentration, although the effects may still be felt. Air that seems to be stale or stuffy is usually contaminated with an assortment of odours associated with human activities, and may produce depression rather than the sensation of a specific odour.
Standards of maximum odour concentration for occupied spaces have not yet been developed because of the difficulty of identifying and measuring the various odour producing vapours, and of relating the measurements to human response. Instead, building codes and other design guides currently specify minimum rates of fresh air supply, or equivalent, required for various kinds of occupancies, usually in terms of cubic feet per minute per person, to provide adequate dilution. These values are based on both the results of laboratory studies of the subjective reactions of people and on experience. The rates required are dependent upon the kind of activity and amount of smoking, and vary from 5 to 50 cfm per person; a range of 10 to 30 cfm per person covers the majority of situations. Values are sometimes adjusted for the volume of space per person although this is now regarded as a questionable practice except for transient occupancy; the time after initial occupancy during which the original volume of air in the room influences the concentration levels is reduced as the rate of ventilation increases.
It is necessary to supply fresh air in a manner that will ensure good mixing with the room air. In buildings with mechanical ventilation systems this is accomplished by blending the outdoor air with a larger quantity of air from the building and distributing the mixture to the space (CBD 106). The air brought in from outdoors must be heated in winter. In centrally air
conditioned buildings, the mixture is processed in the plant to handle the heat and moisture loads of the space (CBD 109), the total amount of air that must be circulated being determined by these loads. Typical rates of total air circulation for office air conditioning are 1 to 2 cfm per sq ft of floor area, with about 15 per cent of this being outdoor air. These values vary widely, however, with the type of occupancy and construction. Although not necessarily regarded as good practice, it is not uncommon to reduce the proportion of outdoor air during periods of peak heating or cooling requirements in order to reduce the load on the plant.
Because of the cost of conditioning outdoor air, and because of increasing pollution levels in some areas, the designer may wish to give consideration to the conditioning of indoor air with odour removing equipment as an alternative to ventilation with outdoor air. This can take a number of forms, the one most widely applied to building air conditioning being adsorption by activated charcoal. This material is supplied in pellet form and applied as a bed through which the air stream passes. Performance can be varied through the design of the bed and the selection of the material. When the charcoal has adsorbed its full capacity of odorants, it is usually returned to the manufacturer for regeneration and replaced with fresh charcoal. The design of such a system would normally be based on established requirements for outdoor air. For example, if outdoor air requirements for odour control amount to 20 per cent of the air being circulated, processing all of the circulating indoor air with an odour controlling device that is 20 per cent effective would give comparable results. Outdoor air would, however, normally be required in sufficient quantity to maintain CO2 levels within acceptable limits. In unusual
situations where outdoor air is not available, such as in submarines, the CO2 levels can be
controlled by chemical treatment.
Control of Airborne Particles
A variety of airborne particles, such as dust, smoke, pollens and organisms, are contained in the outdoor air brought in for ventilation while others are brought indoors or generated by the activities of the occupants. Limiting the concentrations of these contaminants is another important aspect of air quality control; it involves primarily the special technology of air cleaning which is beyond the scope of this Digest. The total rate of air circulation determines the rate at which particles are gathered by the air cleaning equipment and is, therefore, a factor in the degree of air cleanliness achieved. Ventilation can be a significant factor in reducing the concentration of fine air-borne particles generated indoors, such as those in tobacco smoke. Control of dusts evolved in industrial processes may be effected with exhaust-hood arrangements.
In hospitals, where the control of infection from airborne sources is of special importance, ventilation is used to provide positive pressures in spaces containing patients prone to infection and negative pressures in spaces containing patients with highly communicable diseases. It is common practice also to circulate a high proportion of outdoor air, up to 100 per cent, in areas such as operating rooms. This results in a particularly high heating and cooling load for ventilation and leads designers to consider the economics of heat recovery devices in the exhaust air stream.
Ventilation and Summer Cooling
In buildings without air conditioning systems, ventilation with outdoor air is utilized in summer to dissipate the internal heat gains and that from solar radiation. In hot weather, inside conditions will be tolerable only if indoor temperatures are not allowed to exceed those outdoors by more than a few degrees. Buildings without air conditioning should, therefore, be designed to minimize heat gains and to provide high rates of ventilation; for example, the equivalent of 30 or more air changes per hour. This can usually best be achieved with large openable window areas arranged for ventilation through the occupied zone. The flow of air past occupants provides an additional measure of relief by increasing convective heat losses.
Commercial and institutional buildings are sometimes designed with air handling systems intended for future air conditioning but which provide only mechanical ventilation initially. Ventilation quantities supplied by this means will almost always be inadequate for the relief of
summer heat and unless additional ventilation is available through openable windows, conditions will probably be intolerable on warm days.
Conclusion
Adequate ventilation of occupied spaces with outside air, or its equivalent, is a basic requirement for achieving acceptable environmental conditions within buildings. Unless it is provided, the quality of the environment and the well-being of the occupants will suffer. It is, therefore, an essential element in the design of a building and its services. The components incorporated in buildings for ventilation usually involve some additional capital expenditure; the heating and cooling load represented by outdoor air involves a significant operating expense. In special situations the use of air purifying or heat recovery equipment may provide some economic options. Good design, therefore, requires a knowledge of the factors determining ventilation requirements and the ways in which the purposes of ventilation are achieved.
