Évaluer la consommation d’un système de climatisation “tout air”

L’année climatique type caractérise le climat qu’il fait dans une région bien particulière (par exemple à Uccle). Les températures et les humidités moyennes sont collectées heure par heure et ce pendant plusieurs années. Chaque point heure donne la température et l’humidité moyenne.

Sur base des points heures climatiques, il est intéressant de déterminer comment réagissent théoriquement les équipements composant un système de climatisation tout air neuf.

D’autre part, dans le cas où un recyclage de l’air est prévu, il sera également nécessaire de contrôler les débits d’air neuf et les taux de renouvellement.

Un savant dosage entre :

• un débit d’air neuf minimum afin de respecter les règlements et normes en vigueur sur la qualité de l’air respirable;

• un taux de brassage du volume ambiant minimum afin de répondre à une qualité particulaire et bactériologique de l’air à atteindre (suivant l’activité exercée dans la zone considérée);

• et un recyclage maximum de l’air extrait afin de mélanger cet air avec l’air neuf au point le plus proche possible des conditions d’ambiance interne. Un recyclage théorique de 100 %, sans déperdition ni apport, n’entraînerait aucune consommation de la part du système de climatisation;

permettrait de réduire les consommations de manière draconienne.

1. Chaleur sensible

Les apports internes

Ils sont de deux ordres, à savoir :

• liés à l’activité humaine (chaleur du corps des occupants);
• et à la chaleur dégagée par les équipements médicaux et de bureautique.

Les apports externes

Ils dépendent de la qualité (isolation) et la mise en œuvre des matériaux constituants l’enveloppe de la zone considérée en période chaude.

Les déperditions

Elles dépendent de la qualité (isolation) et la mise en œuvre des matériaux constituants l’enveloppe de la zone considérée en période froide.

Bilan

Il est nécessaire de tenir compte de ces apports et déperditions afin de règler la température de soufflage qui est fonction  :

• du taux de renouvellement exprimé en [volume/h];
• le volume de la salle en [m³];
• de la capacité thermique volumique de l’air ρc = 0,34 [Wh/m³K];
• de la température ambiante désirée pendant l’opération;
• du bilan des apports et des pertes.

2. Chaleur latente

En considérant que dans les hôpitaux les occupants sont très nombreux, il est intéressant d’évaluer l’apport d’eau dans l’air par transpiration et par conséquent de déterminer la valeur de la chaleur latente de vaporisation.

En conclusion, on devra légèrement déshumidifier plus pour tenir compte des apports d’eau interne. Mais quand on compare les puissances en présence, il ne sera pas nécessaire de surdimensionner la batterie froide pour englober les apports d’eau dans la déshumidification de l’air extérieur surtout à des débits aussi importants.

3. Profil d’occupation

Au niveau d’une salle d’opération, il est intéressant de se pencher sur son profil d’occupation sachant qu’en période :

• D’occupation, il est nécessaire de respecter les débits définis afin de respecter la classe de propreté particulaire et bactérienne et les débits hygiéniques de confort des utilisateurs.

• D’inoccupation et en considérant qu’il n’y a peu ou plus de source de contamination, on se contente de maintenir une surpression afin de conserver aussi la classe de propreté mais avec des débits réduits au minimum.

Pourquoi différentier les deux modes d’occupation ?
Tout simplement pour :

• montrer l’importance dans les bilans énergétique et économique de réduire les débits en période d’inoccupation;
• de tenir compte de l’absence d’apport interne quand la zone est inactive.

avec les débits d’air neuf suivants :

Le traitement de l’air est variable au cours de l’année suivant les conditions climatiques extérieures mais également intérieures si un recyclage est présent. La maîtrise des débits dans un système de recyclage est déterminante des consommations des équipements.

On analyse quelques cas de figure théoriques :

Les graphes des cas traités ci-dessous représentent 5 zones distinctes divisant la représentation de l’ensemble des binômes température-humidité extérieurs heure par heure au cours d’une année climatique type (sans canicule et froid sibérien). Pour amener l’air extérieur à une température de soufflage fixe, pour les différents points il est nécessaire de :

Au niveau énergétique, le choix du recyclage dans les zones de l’hôpital où les débits mis en présence sont importants saute aux yeux. C’est nettement moins évident au niveau de la garantie de la classe de qualité particulaire et bactérienne. Pourtant, l’expérience montre que ce concept, pour autant qu’il soit parfaitement maîtrisé en terme de maintenance et de monitoring, offre cette garantie. Les rapports des analyses particulaires et bactériennes placent les systèmes à recyclage avec filtration absolue terminale dans des meilleures classes.

Analyse des effets du recyclage

Sur le diagramme de l’air humide ci-dessus, le point M représente l’équilibre du mélange de l’air recyclé et de l’air neuf. Ce point se “ballade” sur la droite reliant les points d’ambiance et extérieure. Son emplacement sur cette droite est fonction du rapport des masses d’air mises en présence au point de mélange suivant les lois :

Cas SANS recyclage de l’air intérieur : débit de 4500 m³/h d’air neuf

• En période chaude, il est nécessaire de refroidir l’air extérieur, de le déshumidifier et dans certains cas de le post-chauffer; il y a donc destruction de l’énergie,

• En période froide, il est nécessaire de le chauffer et de l’humidifier.

Partons des points-heures représentatifs d’une année climatique type dans un diagramme de l’air humide. En d’autres termes, chaque point ( 8 760 points de l’année) représentera une heure pendant laquelle la température et l’humidité sont précisées.

La densité et la surface qu’occupent les nuages de points de couleurs différentes traduisent l’importance des périodes pendant lesquelles il est nécessaire de climatiser l’air extérieur pour l’amener aux conditions d’ambiance de la salle d’opération.

Pour un fonctionnement en “tout air neuf”, on voit tout de suite qu’il y a beaucoup de périodes où :

• il faut chauffer et humidifier,
• il faut refroidir, déshumidifier et post-chauffer.

Cas AVEC recyclage de l’air intérieur : débit de 900 m³/h d’air neuf et débit de recyclage de 3 600 m³/h

Le diagramme de l’air humide suivant traduit les résultats obtenus où l’on observe la concentration de plus en plus importante des points de mélange à l’entrée de la centrale de traitement d’air. La valeur de 900 m³/h n’est pas choisie par hasard! En effet, dans la pratique on considère que le taux d’air neuf minimum doit être de l’ordre de 20 %. La norme suisse SWKI (1987) préconise, quant à elle, un débit d’air neuf de 80 m³/h.personne; soit si on considère 10 personnes maximum par salle (comme vu dans certains cahiers des charges de bureaux d’étude spécialisés), on obtient 800 m³/h de débit d’air neuf.

Dans la figure ci-dessus, les valeurs de débit d’air neuf (900 m³/h) et de débit de recyclage sont choisis sur base de la bonne pratique où on limite le taux de recyclage à 80 %. En fonction de la valeur qu’indiquerait une sonde de qualité d’air (sonde CO₂ ou sonde COV), on pourrait augmenter le taux de recyclage jusqu’à atteindre un apport d’air neuf minimum permis par les réglementations ou normes en vigueur (soit 80 m³/h.personne ou 800 m³/h si l’on prend un maximum de 10 personnes).

On voit tout de suite l’intérêt du recyclage. En effet, Plus le recyclage est important plus le point de mélange se rapproche du point d’ambiance; en d’autres termes, si le recyclage était de 100 %, il n’y aurait qu’un léger appoint de froid à donner pour compenser les apports internes (pour rappel, dans ce cas-ci, les déperditions sont négligeables).

Dans le graphe ci-dessus, suite au mélange entre air recyclé et air neuf, on voit tout de suite que les périodes où il faut :

• chauffer et humidifier sont réduites à peu de chose,
• déshumidifier et post-chauffer deviennent négligeable.

Par exemple, si la zone à climatiser est en demande de refroidissement et que l’air extérieur est plus frais, il est utile de mélanger l’air recyclé avec l’air neuf pour obtenir la bonne température de soufflage dans la zone.

L’efficacité de ce système est aussi dû au fait que le recyclage partiel de l’air extrait permet de valoriser aussi bien l’énergie sensible que l’énergie latente (chaleur et humidité).

Il s’agit ici d’estimer les consommations de chauffage, d’humidification, de refroidissement et de déshumidification de l’air d’une salle d’opération en fonction des débits d’air neuf et de recyclage en assurant toujours un taux de renouvellement optimal dans la salle en période d’occupation et minimum en période d’inoccupation afin de maintenir une surpression minimum nécessaire.

Cas où il n’y a pas de recyclage

Avec un débit en “tout air neuf” de :

• 4 500 m³/h en période d’occupation;
• 900 m³/h (20 %) en période d’inoccupation.

Cas où il y a un recyclage

Avec :

• 3  600 m³/h d’air recyclé et 900 m³/h d’air neuf en période d’occupation;
• 900 m³/h (20 % du débit nominal) d’air 100 % recyclé en période d’inoccupation.

Le résultat des calculs donne :

Et traduit sous forme graphique et regroupé par type d’énergie:

Énergies mises en jeu lors de la climatisation “tout air” de la salle d’opération.

Le résultat est édifiant car on divise les consommations par 6 lorsque l’on recycle l’air intérieur. Il est certain que l’approche est fortement simplifiée en période d’inoccupation. En effet, on n’a pas tenu compte des déperditions qui, même si elles sont minimes, augmentent :

• le travail de la batterie froide en période chaude (apports dus à l’inertie du bâtiment qui risquent d’être transférés de l’extérieur vers l’intérieur de la salle à travers les parois);

• le travail de la batterie chaude en période froide (déperditions de l’intérieur vers l’extérieur de la salle au travers des parois et des grilles de fuite contrôlée.

Le résultat final en période d’inoccupation n’est donc pas nul mais faible.

Remarque.
En recyclage les fuites contrôlées entre la zone à risque et les locaux adjacents est primordiales afin de toujours maintenir une surpression dans cette zone par rapport au “monde extérieur” et donc de garantir la classe de propreté désirée.

Comme précédemment, on considère les coûts liés aux consommations électriques d’une part et thermiques d’autre part.

Consommations électriques

Le tableau des coûts énergétiques électriques donne :

Consommations thermiques

Le tableau des coûts énergétiques thermiques donne :

Synthèse

Sous forme graphique, on retrouve la comparaison des coûts des consommations énergétiques :

Comparaison des coûts des consommations d’énergie “tout air neuf / air recyclé”.

Synthèse : recyclage ou pas recyclage ?

En final, on obtient les résultats suivants pour 4 salles d’opération :

Le tableau de synthèse ci-dessus montre l’intérêt d’optimiser le débit de recyclage en permanence puisqu’on peut diviser les consommations par 6,5.

Le budget de fonctionnement énergétique des salles d’opération est, quant à lui, divisé par 7, et passe de 38 161 Euros/an à 5 350 Euros/an.

Un fonctionnement en tout air neuf est donc économiquement à éviter, même avec des systèmes de récupération de chaleur !

Et l’hygiène dans tout ça ?

Quantité minimale d’air neuf à apporter

Il est difficile de savoir quelle valeur de référence prendre sachant qu’en Belgique :

• Le RGPT impose l’évacuation des gaz d’anesthésie par une prise d’extraction directe sur le circuit patient du respirateur (ce qui réduit la quantité d’air neuf à apporter et d’air vicié à extraire).

• Le RGPT et la réglementation wallonne demandent un apport d’air neuf de 30 m³/h.pers.

• Les normes relatives à l’apport d’air neuf dans les locaux à risque de contamination, et notamment dans les salles d’opération, varient en fonction des pays. Il est difficile de nous prononcer pour l’une ou l’autre des prescriptions. Il semble cependant que les normes allemandes DIN 1946/4, suisse SWKI (1987) et française NF S90-351 soient souvent reconnues comme les plus adéquates. La norme suisse est souvent citée comme référence en matière d’apport d’air neuf (80 m³/h.pers) par les professionnels.

Le “tout air neuf” ne garantit-il pas une meilleure qualité hygiénique ?

Ce sujet est très controversé et chacun peut avoir sa propre opinion. Il est quand même nécessaire de considérer ce qui suit :

• La qualité particulaire et bactérienne de l’air est essentiellement fonction de la classe des filtres.

• L’expérience montre que le recyclage, pour autant que la maintenance s’exécute dans les règles de l’art, permet d’obtenir des qualités de filtration supérieures à celles obtenues avec du “tout air neuf” (d’après l’expérience de certains responsables techniques d’hôpitaux);

• Il faut quand même rester prudent avec cette dernière affirmation. Effectivement, si le patient est non infecté, on recycle de l’air plus stérile que l’air extérieur mais par contre si le patient est infecté, l’air recyclé risque d’être contaminé (d’où la recommandation de passer en mode “tout air neuf” en cas d’activité contaminante à l’intérieur de la zone).

À l’heure actuelle, la France, l’Allemagne, les États- Unis, la Suisse et l’Italie admettent le recyclage (il n’y a pas de norme officielle en Belgique).

Dans la norme NF S90-351, les systèmes de traitement d’air avec recyclage sont décrits avec des restrictions bien particulières comme :

• Le volume d’air extrait d’une salle ou zone contrôlée doit être réinjecté dans la même salle ou zone afin d’éviter les biocontaminations croisées.

• Le réseau de recyclage et l’environnement doit être protégé par un dispositif de filtration au niveau des grilles d’extraction de la salle ou de la zone.

Celle-ci conduit en général à régler la différence entre l’air neuf hygiénique ou de sécurité souhaité, et le taux de brassage minimum nécessaire à l’épuration de l’air ambiant par :

• un recyclage partiel de l’air extrait,
• sa filtration,
• et son mélange avec de l’air neuf.

Dans les locaux à haute protection, on préfère ainsi la mise en œuvre de “recycleurs” individuels, telles que les armoires climatiques, afin d’éviter les contaminations croisées et les pertes énergétiques importantes.