Renouvellement de l'air intérieur - Définition et Explications

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Le renouvellement de l'air des volumes intérieurs est un problème important dans le domaine de l'architecture et de la conception des habitacles. Ses enjeux concernent le confort la santé, mais aussi les économies d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...).
La ventilation peut être passive ou mécaniquement assistée

Pourquoi aérer

Il est nécessaire de renouveler l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et...) intérieur d'une pièce habitée, d'un habitacle de véhicule (Un véhicule est un engin mobile, qui permet de déplacer des personnes ou des charges d'un...), d'un élevage, d'une serre (Une serre est une structure généralement close destinée à la production...).. , tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) d'abord parce que la respiration (Dans le langage courant, la respiration désigne à la fois les échanges gazeux (rejet...) animale (ou végétale, la nuit) y diminue la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) de dioxygène (Le dioxygène est une molécule composée de deux atomes d'oxygène, notée O2,...) disponible, augmente la quantité de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) carbonique et d'humidité ; Ce renouvellement est particulièrement important dans les enceintes totalement fermées (station spatiale, véhicule spatial, sous-marin (Un sous-marin est un navire capable de se déplacer dans les trois dimensions, sous la surface de...), certains avions, etc.).
Une étude estime qu'un manque d'apport d'air frais, peut diminuer le rendement de près de 15% des personnels dans les bureaux.

  • La présence d'humains ou d'animaux voire de certaines plantes génère des odeurs qui peuvent être désagréables (sueur, flatulences, etc.) ; d'autant plus que la promiscuité et la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) sont élevées.
  • L'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) humaine génère aussi de l'humidité (L'humidité est la présence d'eau ou de vapeur d'eau dans l'air ou dans une substance...) (expiration, transpiration générant de la condensation (La condensation est le nom donné au phénomène physique de changement d'état de la matière qui...) sur les parois froides, condensations qui favorisent les moisissures ;
  • L'air intérieur se charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) rapidement de particules, gaz et microbes (éventuellement pathogènes ; Cf. flore (La flore est l'ensemble des espèces végétales présentes dans un espace...) bactérienne ou fongique), virus (Un virus est une entité biologique qui nécessite une cellule hôte, dont il utilise...), etc. notamment dans certains endroits (toilettes, cuisines, salle de bain, locaux poubelle, etc.) ;
  • Certaines activités humaines générerent des gaz ou des odeurs (cuisine, cheminées.
    L'" Institut de la Terre " (Earth Institute) de L'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) de Columbia estime[1] qu'environ 1.5 million (Un million (1 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf...) de personnes meurent chaque année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié...) dans le monde (Le mot monde peut désigner :) parce qu'elles sont exposées au fumées, gaz et goudrons de foyer non fermé pour le chauffage (Le chauffage est l'action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un...) ou la cuisine (La cuisine est l'ensemble des techniques de préparation des aliments en vue de leur...) dans l'intérieur de leur logement (maison, hutte, tente, bidonville (Un bidonville est un ensemble plus ou moins vaste d'habitats précaires, où la misère...)..)
  • Les produits d'entretien, désinfectants ou produits divers utilisés pour la rénovation ou le travail peuvent être sources d'émanations gênante à toxiques.
  • Certaines activités génèrent des émanations dangereuses (risque toxique, corrosif, microbien ou d'explosion (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un...), avec dans le pire des cas Embrasement généralisé éclair ..) ;
  • Les aménagements et matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) modernes, notamment les colles (Colles (pluriel collis) est un mot d'origine latine désignant une petite colline ou une...) de matières plastiques (moquettes, certains sols plastique ou de linoléum, divers objets en plastique ou outils électroménagers, émettent des produit organiques volatils (POV), qui à long terme peuvent être toxiques (notamment cancérigènes ou reprotoxiques) ;
  • Du radon (Le radon est un élément chimique du tableau périodique de symbole Rn et de...) peut s'accumuler dans les lieux fermés particulièrement dans les sous-sols et demi sous-sols d'où le radon s'infiltre dans les locaux occupés.
  • La prolifération d'acariens peut générer des allergies chez les personnes allergiques (par contact avec leurs excréments).

Mauvaise aération fréquente

En théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...), on estime que l'air d'une maison (Une maison est un bâtiment de taille moyenne destiné à l'habitation d'une famille,...) ancienne se renouvelle en ½ h, que celui d'une maison moderne non isolée se renouvelle en 1 h, et que sans ventilation, l'air d'une maison bien isolée se renouvelle en 10 heures, mais ce n'est pas toujours le cas en réalité. Une étude récente[2] a porté sur la ventilation de 567 logements jugés représentatifs des 24 millions de résidences principales du pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue...) a été étudiée. 50 % de ces logements dataient d’avant 1967, avant 1969 et 1982, dates des 1ères réglementations imposant une aération permanente minimale.
L’étude a montré que près de 20% des logements réalisés après 1975 ne respectaient aucune de ces deux réglementations. De plus il s’est avéré que la ventilation mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...) contrôlée (VMC) n’était pas plus efficace que la ventilation passive naturelle (ces 2 modes d’aération constituant l’aération de 70% environ du parc (Un Parc est un terrain naturel enclos,[1] formé de bois ou de prairies, dans lequel ont été...) étudié) avaient la même efficacité dans 56% des logements étudiés, en particulier ceux construits de 1969 à 1982, qui présentaient un débit (Un débit permet de mesurer le flux d'une quantité relative à une unité de temps au travers...) total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un...) minimal insuffisant et ne respectant pas la loi..
Le taux de CO2 et le débit de renouvellement d’air nocturne ont été mesurés dans les chambres à coucher. Dans les logements datant d’après 1982 les débits étaient moindres et homogènes, et à peu près similaire pour tous les système de ventilation sur l’ensemble du parc étudié (VMC ou sans aucun dispositif).
L’OQAI a aussi montré que le fait d’ouvrir la nuit une porte ou une fenêtre (En architecture et construction, une fenêtre est une baie, une ouverture dans un mur ou un pan...) d’une chambre y améliorait fortement le débit de renouvellement d’air nocturne, quel que soit le système de ventilation présent. Et des études antérieures avaient déjà montré qu'aérer une chambre la nuit avait peu d’effet sur les taux de formaldéhyde généré par les sources habituelles d'une maison, il faut donc parallèlement en diminuer les sources en utilisant des écomatériaux. L'OQAI conduit aussi des études (en cours) sur les origines du formaldéhyde, et sur la relation entre ventilation, pollution (La pollution est définie comme ce qui rend un milieu malsain. La définition varie selon le...) et humidité.

Ces problèmes ont souvent été exacerbés par l'isolation croissante des logements et par le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) croissant que nous passons dans les locaux et les habitacles de véhicules :

  • L' isolation thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de...) se développe pour économiser l'énergie en évitant les fuites de chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent :...) dans les bâtiments à faible hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.). Dans les édifices élevés, (à plusieurs étages) la ventilation mécanique est d'autant plus nécessaire que les vitres y sont souvent scellées.
  • La climatisation (La climatisation est la technique qui consiste à modifier, contrôler et réguler les...) en circuit fermé se développe ; mais un minimum d'air extérieur doit être introduit dans le bâtiment.
  • L' isolation phonique plus fréquente et souvent nécessaire, diminue aussi le renouvellement d'air qui se faisait naturellement dans les maisons anciennes, mal isolées ou avec cheminées.

Enfin, les systèmes de climatisation consistant à évacuer les calories à l'extérieur peuvent être responsables de bulles de chaleur auto-entretenues (le climatiseur renvoie la chaleur à l'extérieur, ce qui réchauffe l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...) et l'habitat s'il est mal isolé, ce qui force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) le climatiseur à fonctionner en entretenant un cercle (Un cercle est une courbe plane fermée constituée des points situés à égale...) vicieux), notamment dans les quartiers urbains denses ou les cours fermées. La climatisation contribue au phénomène d'îlot de chaleur urbain

Solution

Dans les pays ou ces problèmes ont été pris en compte, des normes de construction fixent un débit minimal, en général on estime que la moitié de l'air d'une pièce doit être renouvelé par heure (L'heure est une unité de mesure  :). S'il n'y a pas de circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles...) d'air spontanée, il faut avoir recours à une ventilation mécanique contrôlée (VMC).

Le principal problème consiste à concilier isolation et renouvellement d'air. En effet, un renouvellement spontané suppose une circulation d'air avec l'extérieur, et donc une fuite de chaleur (l'air chaud sort) ou d'air frais. Sans précaution, l'isolation phonique est également fortement diminuée. (Les sons pénètrent par les ouvertures permettant le passage de l'air). Il existe des entrées d'air dites "acoustiques" (ECA) permettant de laisser passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques...) l'air tout en arrêtant les sons.

Pour le problème thermique, il existe plusieurs solutions :

  • Le " puits canadien " (ou " puits provencal ") prélève l'air entrant à l'extérieur en le faisant passer dans un long tuyau situé sous terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...) jouant le rôle d'échangeur thermique passif (comme la température sous quelques dizaines de centimètres sous terre est globalement constante, l'air s'y réchauffe en hiver (L'hiver est une des quatre saisons des zones tempérées.) et se rafraîchit en été ; on perd de l'énergie par l'air sortant, mais on en dépense moins pour mettre l'air entrant à la température visée ;
  • La ventilation mécanique à double flux : un échangeur de chaleur permet à l'air entrant de s'approcher de la température de l'air sortant ;
  • L'hyperventilation nocturne : dans les entreprises, on utilise un flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments...) d'air modéré durant la journée, et on utilise un flux d'air important la nuit ; il y a trois avantages :
    • L'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la...) est en général moins chère la nuit ;
    • Le bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son....) de la ventilation ne gêne personne ;
    • En hiver, l'arrivée d'air froid (Le froid est la sensation contraire du chaud, associé aux températures basses.) ne gêne personne, il a le temps d'être réchauffé le matin à l'arrivée des employés ; en été, on prélève l'air au moment où il est le plus frais.

On peut aussi faire varier la ventilation en fonction du taux d'humidité utilisé ou du taux de CO2, le confort à une température donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire,...) dépendant beaucoup du taux d'humidité et du CO2. On sait qu'un fort taux de CO2 diminue la vigilance (Son attention prend un aspect d'intensité pour solliciter l'ensemble de ses capacités de...) et le rendement du personnel jusqu'à 15%.

Problèmes en cas d'incendie et d'accident industriel

Le feu (Le feu est la production d'une flamme par une réaction chimique exothermique d'oxydation...) est alimenté par l'air. Dans un bâtiment où l'air circule facilement (maison mal isolée, entrepôt), le feu se développe relativement rapidement. Si par contre l'air circule mal, le feu se développe plus lentement, mais on risque un accident thermique lors de l'ouverture d'une porte ou d'une fenêtre (pour la fuite des occupants et l'intervention des pompiers).

Une des principales préoccupations des pompiers est donc la maîtrise (La maîtrise est un grade ou un diplôme universitaire correspondant au grade ou titre de...) de l'air, et notamment :

  • Fermer au maximum les ouvertures pour éviter les entrées d'air et la propagation de la fumée (La fumée, parfois appelée boucane en Amérique du Nord, est un nuage de particules...) qui elle doit être évacuée ;
  • Couper les VMC et les systèmes de climatisation, qui, outre l'apport d'air, provoquent un mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses...) des gaz et de l'air et une homogénéisation de la température (naturellement, l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) se stratifie, les gaz chauds et toxiques se trouvent en haut, l'air froid et respirable en bas) ;
  • Certaines procédures opérationnelles prévoient une ventilation opérationnelle destinée à chasser la fumée, pour faciliter les opérations d'évacuation et d'extinction (D'une manière générale, le mot extinction désigne une action consistant à éteindre quelque...), mais cette technique est difficile à maîtriser.

Par ailleurs, certains accidents industriels peuvent provoquer des émanations de gaz toxiques (fuite, explosion, accident de la route (Un accident de la route (ou accident sur la voie publique - AVP) est un choc qui a lieu sur le...) ou catastrophe (Une catastrophe est un événement brutal, d'origine naturelle ou humaine, ayant généralement la...) ferroviaire impliquant un camion- ou un wagon-citerne). Dans ces cas-là, l'unique mesure de protection des populations est le confinement, ce qui implique de limiter au maximum le renouvellement de l'air : couper les VMC et climatisations, fermer toutes les ouvertures (portes, fenêtres, trappes), boucher les aérations et les fuites (dessous de porte), et couper toutes les flammes (chauffe-eau, cuisinière). Ceci devrait être une conduite réflexe (Le réflexe d'une façon générale fait intervenir des propriétés intégratrices d'un centre...) en cas d'alerte aux populations, avant même de connaître l'origine du problème, sauf cas particulier (par exemple, alerte spéciale pour les zones en aval des barrages ou pour les zones côtières menacées de tsunami).

cas particulier

Aération des habitacles d'automobiles

Le problème de renouvellement de l'air se pose aussi pour les automobiles. En effet, le véhicule est dans le flux de la circulation exposé à la pollution des véhicules le précédant, et les matières plastiques sont de plus en plus utilisées par les constructeurs (avec une odeur caractéristiques de " neuf ", incluant des polluants organiques volatils, en particulier lorsque la voiture chauffe au soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile...). Par ailleurs, les entrées d'air se situent en général sur le capot, à la base du pare-brise (Un pare-brise est une vitre située à l'avant d'un véhicule qui permet de protéger les passagers...). Elles permettant à un air très pollué par les gaz d'échappement des véhicules précédents de pénétrer dans l'habitacle, en particulier dans les tunnels, voies en tranchées et rues très circulantes et peu aérées. (voir disvution).

Une étude[3] récente a montré que la pollution de l'air mesurée en bord de route (Le mot « route » dérive du latin (via) rupta, littéralement « voie...) ne reflète pas ce qui est respiré à l’intérieur des habitacles (de plus pour éviter les dégradations les capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une...) sont parfois placés à plus de 2 m de hauteur et en recul par rapport aux grands axes). L'étude a mesuré la pollution intérieure (La notion de pollution intérieure désigne les formes de pollution touchant les milieux...) de l’habitacle d’un véhicule équipé d’appareils de mesure en continu des polluants de l’air intérieur (particules, NO,NO2,SO2,ozone (L’ozone (ou trioxygène) est un composé chimique comportant 3 atomes...), etc.). Au fur (Fur est une petite île danoise dans le Limfjord. Fur compte environ 900 hab. . L'île...) et à mesure, l’environnement du véhicule et son trajet et sa vitesse (On distingue :) étaient mesurés avec l’aide notamment d’un GPS et d’une caméra (Le terme caméra est issu du latin : chambre, pour chambre photographique. Il désigne un appareil...) fixée à l’avant. La première partie de l'étude a porté sur 2 parcours différents : 72 km en agglomération (Une agglomération est un ensemble urbain qui repose sur la continuité du bâti....) rouennaise et 400 km en agglomération parisienne (soit 5000 km au total). A titre de comparaison, la pollution de proximité a aussi été mesurée (en bordure de route) et la pollution de fond (en ville) enregistrée à Rouen.
Résultats :

  • Les filtres classiques d’habitacles sont peu performants : ils laissent passer la grande majorité des particules émises par les moteurs (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique,...) Diesel (et on n’a pas ici mesuré les nanoparticules) ;
  • NO2 : 200 µg/m3 en moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de...) dans l’habitacle, soit 10 fois plus que la pollution de fond (22 µg/m3 à Rouen), et plus de deux fois la pollution de proximité (75 µg/m3 à proximité de la route)  ;
  • Particules : jusqu'à 40 fois plus dans l’habitacle que ce qui est mesuré dans la pollution de fond ;
  • Fumées noires (suspectées d'être cancérigènes et impliquées dans de nombreux problèmes de santé (La santé est un état de complet bien-être physique, mental et social, et ne consiste...), asthme (L'asthme (phon. : [asm]) du latin asthma signifiant « respiration...), allergies...) ; une heure (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur...) passée dans l'habitacle en circulant, équivaut à 24 heures de fond urbain hors véhicule.
  • Les concentrations dans l’habitacle varient peu entre Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région...) et Rouen, sont plutôt homogènes sur la totalité du parcours hormis deux cas de figures :
    - les tunnels (400 µg/m3 pour le NO2 en moyenne, et la moitié de la dose qui imposerait de fermer un site industriel, pour la partie terminale du tunnel (Un tunnel est une galerie souterraine livrant passage à une voie de communication (chemin de...) de la Défense),
    - rouler dans le sillage d’un bus ou d’un camion (Le camion est un véhicule automobile à roues destiné à transporter des marchandises. Le routier...) (Ex : 6 min dans le sillage d’un bus équivaut à 8 heures de fond urbain…)
  • Passer plus d’1h/jour en voiture dans le flux de circulation, revient à dépasser très largement le seuil d’alerte de la population (200 µg/m3 de NO2 au maximum 18 h/an).
  • Les taux de polluants de l’habitacle varient selon la proximité du et les caractéristique des véhicules suivis, plus que selon la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) du trafic.
  • La position du pot d’échappement a une importance : ceux des camions orientés vers la route augmentent fortement la pollution au ras du sol en Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un...), alors qu'aux Etats-Unis, le pot dirigé vers le haut pollue moins les basses-couches, mais contribue alors à une pollution plus largement dispersée.

L'auteur recommande de ne pas activer la ventilation dans un tunnel ou quand on sent l'odeur des échappements dans l’habitacle mais avant d'être dans cette situation (En géographie, la situation est un concept spatial permettant la localisation relative d'un...) et conclue que les études épidémiologiques d’exposition aux polluants automobiles devraient maintenant aussi tenir compte du temps passé (Le passé est d'abord un concept lié au temps : il est constitué de l'ensemble...) en voiture.

Les concentrations de particules de 300 µg/m2 et des concentrations de NO2 de 2000 µg suffisent à provoquer une ischémie myocardique à l’effort (ou " angine de poitrine ") chez les insuffisants cardiaque[4].Or ces taux sont susceptible d'être atteints dans un habitacle de voiture. Des aménagements de voirie (La voirie désigne à la fois :) peuvent favoriser la dispersion (La dispersion, en mécanique ondulatoire, est le phénomène affectant une onde dans un...) des polluants pour éviter l’effet " canyon " (en sachant que c’est aussi disperser la pollution plus loin) et exposer un plus grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) de gens à de faibles doses.

Cas des habitacles de tracteurs

Les conducteurs de tracteurs et engins agricoles sont exposés à des poussières quand il fait chaud et sec, à des germes (virus, bactéries (Les bactéries (Bacteria) sont des organismes vivants unicellulaires procaryotes, caractérisées...).. champignons lors des épandages de lisiers et fumiers) et parfois à leur propre fumée de diesel ou à celle d'un autre engin agricole, et aussi à des pesticides (lors des épandages) ou résidus ou métabolites de pesticides toxiques. Les tracteurs modernes sont pour cette raison équipés d'une climatisation avec filtration (La filtration est un procédé de séparation permettant de séparer les...) de l'air plus ou moins efficace (il faut un filtre (Un filtre est un système servant à séparer des éléments dans un flux.) à charbon activé régulièrement changé pour épurer l'air des pesticides qu'il véhicule).

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