VENTILATION ET CLIMATISATION
Install Magazine 980 – novembre 2021

Règles de conception pour la purification de l’air en phase gazeuse comme alternative à la ventilation

Le nombre de publications sur les purificateurs d’air ainsi que la vente de tels appareils ne fait que croître à travers le monde. Tout cela soulève la question de l’effet des purificateurs d’air sur la qualité de l’air intérieur, le confort, le bien-être et la santé. Il est important de savoir dans quelle mesure la purification de l’air peut être une alternative à la ventilation pour garantir une bonne qualité de l’air. Plus précisément, dans quelle mesure la purification de l’air répond aux exigences de ventilation selon les diverses normes ? Les normes internationales relatives à la ventilation (qualité de l’air intérieur), comme EN 16798-1, ISO 17772-1 et ASHRAE 62.1, sont souvent basées sur la qualité de l’air telle qu’elle est perçue (Perceived Air Quality PAQ). Ces critères sont parfois exprimés sous la forme de niveaux de CO₂, comme contrainte subie par les personnes.

Si, toutefois, on utilise des purificateurs d’air, on atteindra un niveau équivalent de qualité de l’air pour des concentrations plus élevées de CO₂ . On part du fait que, lorsque la ventilation est utilisée pour garantir la PAQ, d’autres substances nocives comme le radon ou les VOC seront diluées. Les purificateurs d’air en phase gazeuse sont testés sur base de critères chimiques, une méthode qui ne tient pas compte de la PAQ et de bio-effluents comme source de pollution. Cet article traite des avantages et inconvénients d’un remplacement partiel de la ventilation par la purification de l’air en phase gazeuse.

La ventilation équivaut à environ 20% de la consommation d’énergie destinée à créer, à travers le monde, un climat intérieur agréable. Dans la plupart des normes et directives, les exigences de ventilation se basent sur une qualité de l’air extérieur acceptable. Le nombre de publications sur les purificateurs d’air ainsi que la vente de tels appareils ne fait que croître à travers le monde. Des recherches sur l’influence des purificateurs d’air sur la qualité de l’air intérieur, le confort, le bien-être et la santé sont donc nécessaires. Il est important de savoir si la purification de l’air peut soutenir la ventilation pour assurer une bonne qualité de l’air. En d’autres mots, dans quelle mesure cette technique répond aux exigences de ventilation selon les diverses normes ? Quel impact ont les purificateurs d’air sur la consommation d’énergie de la ventilation ? En de nombreux endroits à travers le monde, la qualité de l’air extérieur est si mauvaise qu’on évite le plus possible la ventilation. Dans ces cas, les purificateurs d’air constituent une alternative à la ventilation, afin d’aboutir à une qualité de l’air intérieure acceptable. Même avec de l’air extérieur de bonne qualité, on peut utiliser des purificateurs d’air comme alternative à la ventilation, de manière à devoir acheminer moins d’air extérieur. Cela se traduit par des déperditions thermiques dues à la ventilation moindres et une consommation d’énergie plus faible pour les ventilateurs. Dans la mesure où la purification de l’air améliore la qualité de l’air intérieur et réduit la consommation d’énergie nécessaire à la ventilation, il s’agit d’une technique très intéressante pour le futur. Nous devons mieux comprendre le potentiel de la purification de l’air en phase gazeuse comme alternative à la ventilation pour obtenir une bonne qualité de l’air intérieur. Il est aussi nécessaire de développer des méthodes de test standard pour évaluer les performances des purificateurs d’air.

Purification de l’air en phase gazeuse comme alternative à la ventilation

Pour déterminer le potentiel de la purification de l’air comme alternative à la ventilation, nous devons avant tout examiner les diverses normes internationales posant des exigences pour la qualité de l’air intérieur.

Normes internationales relatives à la qualité de l’air intérieur et à la ventilation

Le débit de ventilation exigé pour une IAQ acceptable peut être déterminé à l’aide de normes usuelles comme EN 16798-1.2019, ISO 17772-1,2018 et ASHRAE 62.1, 2019.

L’efficacité de la ventilation indique la qualité de l’air qui est acheminé vers la zone de respiration, où 1 correspond à un mélange complet.

Les normes comportent des tableaux avec les valeurs conseillées en termes d’émissions des utilisateurs et du bâtiment. EN 16798-1 et ISO 17772-1 travaillent avec quatre catégories d’acceptabilité, avec 15 à 40 % d’insatisfaits, alors que ASHRAE se base sur une acceptabilité de moins de 20% d’insatisfaits.

Le tableau 1 indique les débits de ventilation conseillés pour un bureau d’une personne de 10 m², avec un bâtiment faiblement polluant. Le débit de ventilation total peut être exprimé comme le total de l/s, l/s par personne ou l/s par m².

Ces normes comprennent aussi une méthode d’analyse (procédure pour la qualité de l’air intérieur) destinée à calculer la dilution de certaines matières spécifiques, avec l’équation du bilan massique ci-dessous.

Le débit de ventilation de consigne pour diluer une matière donnée .

La purification de l’air est mentionnée dans EN 16798-1 et ISO 17772-1. Dans la 2^e Partie de la directive, on présente également une configuration qui tient compte de la purification de l’air en phase gazeuse, mais les normes ne contiennent pas de procédure directe pour abaisser le débit de ventilation ou pour afficher l’effet positif potentiel sur l’IAQ.

ASHRAE 62.1 fournit certes une possibilité de tenir compte de l’effet de la purification de l’air, à l’aide de la méthode d’analyse décrite précédemment. Cela implique toutefois que, pour certaines matières spécifiques, l’efficacité de la purification ait déjà été testée selon une norme existante.

Mesure de l’efficacité de la purification de l’air pour des polluants spécifiques

On utilise ici des gaz connus pour simuler des polluants. Pour les VOC, ce sont par ex. le toluène et l’acétone. La concentration de polluants est mesurée avant et après le purificateur d’air. L’efficacité pour chaque polluant est exprimée en %.

Dans les normes, les critères pour débits de ventilation sont principalement basés sur la qualité de l’air perçue (PAQ), par un panel de personnes test. Il convient donc également de tester l’effet de la purification de l’air sur la PAQ. Cet effet peut être exprimé en %.

Lorsque le purificateur d’air est testé avec des mesures chimiques selon l’équation (4), on doit alors réduire la pollution due aux émissions du bâtiment (équation (1)), avec un facteur basé sur l’efficacité mesurée du purificateur d’air (en l/s).

Par ailleurs, si le purificateur d’air a été testé sur la PAQ, avec une combinaison de personnes et le bâtiment comme source de pollution, le débit de ventilation total peut alors être réduit par le débit d’alimentation d’air pur ou l’efficacité du purificateur d’air.

Tests de purificateurs d’air en phase gazeuse

De plus en plus de méthodes et de produits sont développés pour les purificateurs d’air pour particules et gaz. Ceux-ci comprennent aussi bien des filtres à particules ou à absorption, que des purificateurs d’air qui éliminent des gaz et polluants par réaction chimique (oxydation photocatalytique – PCO, ionisation, techniques UV, etc.).

ISO (ISO 10121-2 :2013) et ASHRAE (145.2-2016) ont des méthodes de test standard pour l’efficacité des purificateurs d’air, ou la quantité équivalente d’arrivée d’air frais (Clean Air Delivery Rate – CADR).

On a besoin de meilleures méthodes de test pour purificateurs d’air, car les méthodes actuelles sont généralement basées sur des mesures chimiques. L’effet sur l’odeur ou la PAQ est à cet égard négligé. Il est aussi important de déterminer les ‘polluants’ qui seront utilisés dans le test.

La figure 1 montre un test pour PAQ. Cette dernière a été mesurée par un panel test qui est venu dans la pièce et a directement évalué la qualité de l’air. La pollution venait tant des utilisateurs que du bâtiment.

La figure 2 montre les résultats de tests pour la PAQ, avec un purificateur d’air pour différentes sources de pollution. Pour les matériaux de construction, le purificateur d’air améliore la PAQ, mais pour les émissions biologiques des personnes, l’appareil rend la qualité de l’air plus mauvaise. Cela démontre l’importance de la PAQ comme paramètre de test et de l’utilisation de polluants biologiques comme polluant type.

Il existe des normes pour mesurer la PAQ, et une nouvelle norme a été développée par ISOTC146SC6, qui est spécifiquement destinée aux tests des purificateurs d’air en phase gazeuse.

Impact des purificateurs d’air en phase gazeuse sur la consommation d’énergie

Si la qualité de l’air extérieur est trop mauvaise, la purification de l’air est clairement la seule possibilité pour améliorer l’IAQ. Un autre argument en faveur de l’utilisation de la purification de l’air en phase gazeuse est l’économie d’énergie potentielle, parce qu’une quantité moindre d’air extérieur doit être amenée à température. Cette économie dépend du placement du purificateur d’air (intégré dans l’installation de ventilation ou isolé), de la potentielle récupération de chaleur, ainsi que des conditions météo. Il est en outre possible de réduire la consommation d’énergie des ventilateurs. Sinon, le ventilateur du purificateur d’air représente une consommation supplémentaire. Un purificateur d’air dans le système de ventilation peut aussi causer des pertes de charge supplémentaires. Moins d’alimentation en air extérieur signifie aussi moins d’énergie pour l’humidification et la déshumidification. Dans les climats plus froids, on aura besoin de moins d’humidification en hiver si une quantité moindre d’air extérieur sec est fournie. Dans d’autres cas, une alimentation d’air frais moindre peut entraîner une humidité trop élevée, par ex. dans les habitations. Dans des climats chauds et humides, on peut économiser sur la consommation d’énergie nécessaire à la déshumidification.

Lorsque la température de l’air extérieur est plus basse que la température intérieure souhaitée, on peut alors recourir au free-cooling, surtout la nuit. Toutefois, si le débit de ventilation est abaissé par l’utilisation de purificateurs d’air, cet effet sera moindre.

Recours au CO₂ comme mesure de la qualité de l’air

L’utilisation de purificateurs d’air en phase gazeuse pose la question de la pertinence du CO₂ comme mesure de l’IAQ et comme paramètre pour la ventilation à la demande. Dans la mesure où il n’y a pas de preuve solide des effets négatifs du CO₂ sur la santé, dans des concentrations inférieures à 5.000 ppm (un niveau qu’on ne trouve que très rarement dans les bâtiments), le CO₂ peut uniquement être utilisé comme mesure d’efficience de la ventilation pour la charge des personnes. La mesure du CO₂ peut donc remplacer la mesure de la ventilation, mesure dans laquelle des concentrations élevées en CO₂ démontrent une faible ventilation et inversement, pour un nombre égal de personnes dans la pièce. Le tableau 3 donne un exemple de concentrations de CO₂ calculées dans un bureau, avec et sans purificateur d’air. Le purificateur d’air garantit un équivalent d’alimentation en air frais (CADR), de sorte que le débit de ventilation peut être abaissé avec la même quantité. Cela signifie qu’on atteint un IAQ comparable avec un purificateur d’air pour une concentration élevée en CO₂. Le purificateur d’air en question fournit la même PAQ avec 20% d’insatisfaits (Catégorie IEQII), avec un débit d’air inférieur de 30%. Voir figure 1.

Les catégories de ventilation sont basées sur différents pourcentages escomptés d’insatisfaits : IEQ_I-15%, IEQ_II-20%; IEQ_III-30% en IEQ_IV-40%. Etant donné que les normes conseillent un minimum de 4l/s par personne, nous avons indiqué chaque taux de CO₂ plus faible en gras, avec ensuite -entre parenthèses- le débit sur base de 4l/s par personne. De là, on peut clairement voir qu’il est possible d’atteindre une catégorie équivalente de qualité de l’air intérieur pour différentes concentrations de CO₂.

Dans les normes, si on ventile en fonction d’une catégorie donnée de PAQ, on part du constat que le débit sera assez élevé pour diluer également d’autres polluants en deçà du seuil de danger. Si toutefois, on abaisse le débit de ventilation à cause de l’utilisation de purificateurs d’air, cela pourrait ne pas toujours être le cas. Selon la technique du purificateur d’air, cet appareil éliminera néanmoins une certain nombre de polluants spécifiques.

Discussions

Le concept qui est présenté dans cet article implique de nouvelles méthodes de test pour purificateurs d’air, qui tiennent également compte des bio-effluents d’origine humaine, afin d’également utiliser la PAQ comme paramètre de test. L’IEA-EBC Annex 78 collabore avec ISOTC142 et ISOTC156WG6 pour élaborer de telles méthodes. Le défi clé consiste à développer une méthode standardisée pour évaluer la pollution de source humaine et pour mesure la PAQ.

En ce qui concerne les émissions du bâtiment, on peut mesurer et calculer le CADR avec les méthodes de test existantes d’ ISO 10121-2:2013 dans ASHRAE 145.5-2016. Sur base de cette valeur, il est possible d’abaisser le débit de ventilation. Dans des espaces à faible taux d’occupation, comme des bureaux individuels ou des bureaux paysagers, les émissions dues au bâtiment ont une importance relativement plus grande. Dans des locaux à fort taux d’occupation, comme des salles de classe ou des auditoires, les émissions d’origine humaine sont à nouveau plus importantes. Les méthodes de test ne tiennent toutefois pas compte d’éventuels produits dérivés d’un purificateur d’air lorsque des bio-effluents humains y pénètrent. La formation d’un produit dérivé varie en fonction de la technique spécifique du purificateur d’air.

Au lieu de calculer la baisse potentielle du débit de ventilation suite au recours à des purificateurs d’air, on peut également exprimer l’effet comme une amélioration de la qualité de l’air intérieur selon EN16798-1 ou ISO 17772-1, pour un débit constant.

Avec des purificateurs d’air en phase gazeuse, il est possible de réduire le débit de ventilation, tout en conservant la qualité de l’air. Dans le cas d’une ventilation à la demande sur base de CO₂, on doit alors relever le point de consigne. En fonction du CADR, l’effet direct sur les performances de concentrations élevées en CO₂ peut toutefois représenter un problème, bien que les concentrations continueront à rester inférieures au seuil de danger de 5.000 – 10.000 ppm.

Avantage supplémentaire d’un débit de ventilation plus faible : il y a moins de bruit. Le purificateur d’air même produira toutefois aussi du bruit, ce qui peut annihiler cet effet.

Conclusions

Les techniques de purification de l’air en phase gazeuse sont de plus en plus utilisées pour améliorer la qualité de l’air.

Nous avons présenté un concept destiné à remplacer partiellement la ventilation par de la purification d’air.

On a besoin de nouvelles méthodes tenant compte de la qualité de l’air perçue et des bio-effluents humains.

L’effet sur la consommation d’énergie des purificateurs d’air doit être mieux étudié. Un débit de ventilation plus faible est favorable à la consommation pour les aspects suivants :

Amener l’air extérieur à température
Humidifier ou déshumidifier
Énergie nécessaire à l’entraînement des ventilateurs.

Par contre, la consommation d’énergie peut augmenter en raison :

De la consommation supplémentaire des ventilateurs des appareils isolés
De la consommation supplémentaire des ventilateurs à cause d’une chute de pression plus grande due à un purificateur d’air intégré
Des possibilités moindres de free-cooling.

On doit également veiller à ce que le débit de ventilation reste suffisamment élevé pour diluer d’autres polluants.

On doit recourir à différents niveaux de CO₂ pour l’évaluation de la qualité de l’air et comme paramètre pour la ventilation à la demande.

Remerciements

Cette étude a été réalisée dans le cadre de l’IEA-EBC Annex 78, avec le soutien du gouvernement danois EUDP projet n° 64018-0599. Cet article est une traduction du VIP (Ventilation Information Paper) 42 de l’AIVC (Air Infiltration and Ventilation Centre)

9Références

ANSI/ASHRAE Standard 62.1-2019 ”Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality”

ANSI/ASHRAE Standard 145.2-2016 ”Laboratory Test Method for Assessing the Performance of Gas-Phase Air-Cleaning Systems: Air-Cleaning Devices”.

CEN, EN 16798-1:2019 Energy performance of buildings- Ventilation for buildings – Part 1: Indoor environmental input parameters for design and assessment of energy performance of buildings addressing indoor air quality, thermal environment, lighting and acoustics, CEN, 2019.

CEN, TR 16798-2:2019 Energy performance of buildings – Ventilation for buildings – Part 2: Interpretation of the requirements in EN 16798-1 – Indoor environmental input parameters for design and assessment of energy performance of buildings addressing indoor air quality, thermal environment, lighting and acoustics, CEN, 2019.

IEA EBC, Annex 78 - Supplementing Ventilation with Gas-phase Air Cleaning, Implementation and Energy Implications, Accessed 18-02-2020, https://annex78.iea-ebc.org.

ISO 10121-2:2013 ”Test methods for assessing the performance of gas-phase air cleaning media and devices for general ventilation – Part 2: Gas-phase air cleaning devices (GPACD)”.

ISO 16000-30:2014 “Indoor Air-Part 30: Sensory Testing of Indoor Air”, 2014

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ISO 17772-2 2018: Part 2: Guideline for Using Indoor Environmental Input Parameters for the Design and Assessment of Energy Performance of Buildings., ISO, Geneva, 2018.

Kolarik and Wargocki: Can a photocatalytic air purifier be used to improve the perceived air quality indoors? Indoor Air 2010;20, 255-262.

Lei Fang, Pawel Wargocki, Adam Targowski, Toshio Tanaka, Kenkichi Kagawa, 2011, Performance of a Non-Thermal Plasma Air Purifier Examined with Sensory Assessments of Air Quality, 12th Int. Conf. on Indoor Air Quality and Climate.

Par Bjarne Olesen (DTU Danemark)

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Pawel Wargocki (DTU Danemark)