Filtres [ventilation]

• Sur les circuits d’aspiration d’air neuf extérieur,
• sur les circuits d’air repris, avant recyclage,
• sur les circuits de distribution d’air dans les locaux,
• sur les circuits d’air repris, avant rejet vers l’extérieur,
• sur les circuits d’air repris, avant batterie de récupération de chaleur.

Exemple

• Débarrasser l’air des polluants : champignons et bactéries allergogènes et pathogènes, des particules de fibre de verre, …

Exemple. Chez l’homme, la desquamation constante de la peau, la respiration, l’agitation des vêtements, entraînent par seconde une génération de 10 millions de particules de plus de 0,1μm , pour une personne en mouvement actif.

• Protéger les équipements des locaux (électroniques, photographies,…) contre les poussières  pour augmenter leur durée de vie et diminuer leur maintenance.

• Protéger l’installation de ventilation elle-même. Sans filtration, des dépôts apparaissent dans les conduits, leurs joints, dans les bouches de distribution, sur les batteries d’échange, les ventilateurs, les registres et les sondes de régulation. L’accumulation de poussières peut provoquer la prolifération de champignons, bactéries, …

Exemple. une installation de ventilation, située dans une ville industrielle, pulse un débit d’air neuf de 36 000 m³/h. La teneur en poussière de l’extérieur est de 0,25 mg/m³  (0,1 mg/m³ pour une ville classique). Le débit de poussière est donc de 9 g/h. En 12 mois de fonctionnement continu, l’installation a aspiré près de 80 kg de poussière dont la majorité s’est déposée dans les composants de l’installation (batteries, boues dans les humidificateurs, gaines, bouches de soufflage et peintures des plafonds).

Batterie protégée par un filtre de performance insuffisante.

• Éviter la propagation d’incendie par les poussières et les risques d’explosion.

• Protéger les terrasses et toitures en n’évacuant pas les particules directement vers l’extérieur.

Fonctionnement

Dans ces filtres, l’air à épurer traverse une couche poreuse ou fibreuse dans laquelle il abandonne ses poussières. C’est le mode de filtration de l’air actuellement le plus répandu, tant pour la préfiltration “de protection” que pour la filtration de “confort”, de salubrité (immeubles, bureaux), de haute et de très haute efficacité (salles blanches, salles d’opérations “stériles”).

Dans ce type de filtre, l’interception des poussières se fait par :

Tamisage (ou effet de crible)

Il faut que les pores de l’élément filtrant aient des dimensions inférieures à celles des particules : ce peut être un amas de particules arrêtées par le filtre qui constitue un tamis filtrant vis-à-vis des particules plus fines se présentant ultérieurement.

Impact (ou effet d’inertie)

Les particules lourdes ne peuvent pas accompagner le courant d’air quand celui-ci s’incurve autour d’une fibre. Elles s’attachent alors à la fibre à l’endroit de l’impact.

Interception (ou effet de barrage)

Les petites particules légères accompagnant le courant d’air seront interceptées si leur centre passe à une distance de la fibre inférieure à leur rayon. Ainsi, un média filtrant offrant un bon effet d’interception doit contenir un grand nombre de fibres fines, de même diamètre moyen que celui des particules à séparer.

Diffusion

Les particules dont le diamètre est inférieur à 1 μm ont un mouvement vibratoire dû aux mouvements des molécules d’air. Elles se fixent sur les fibres si elles entrent en contact avec elles. La probabilité d’impact croissant quand la vitesse, le diamètre des particules et le diamètre des fibres diminuent (l’amplitude du mouvement est de 7,4  μm pour une particule de 1 μ m et de 37 μm pour une particule de 0,1 μm).

Forces électrostatiques

Les forces électrostatiques peuvent prendre naissance soit sur les poussières soit sur les filtres. Elles provoquent l’agglomération des poussières entre elles et facilitent leur filtration. Pour favoriser ce principe de filtration, les fibres du filtre sont polarisées.

Attention : une erreur fort répandue consiste à penser que la filtration, c’est principalement un effet de tamisage et que le maillage de fibres doit être de plus en plus fin à mesure que la dimension des particules à arrêter diminue. Il n’en est rien. L’effet de tamisage n’a qu’une importance accessoire pour l’efficacité du filtre, encore qu’il puisse, dans le cas d’un filtre mal conçu, atténuer sa longévité (accroissement de perte de charge par effet de surface).

Classification

L’efficacité d’un filtre est synthétisée de façon précise par une série de grandeurs dépendant des caractéristiques de l’air entrant : température et humidité, teneur en poussières, granulométrie des poussières, nature et structure physique des poussières. Concrètement, cela se traduit par une classification des performances en fonction des particules à arrêter.

Les filtres sont classés en fonction de leur capacité à arrêter des particules de plus en plus petites. La dénomination de leur classe dépend de la méthode de mesure utilisée pour les essais. Par exemple, GRA signifie “méthode gravimétrique”, OPA, “méthode opacimétrique”. Les filtres faisant l’objet d’un essai “DOP” atteignent 100 % d’efficacité par les méthodes opacimétrique et gravimétrique. Ce sont les filtres absolus.

Voici la correspondance de classification entre différentes normes de mesure (américaine, belge et européennes). Ce sont les principales dénominations que l’on retrouve dans la documentation des fabricants.

Filtres grossiers.

Filtres fins.

Filtres absolus.

Correspondance entre les filtres.

Efficacité

On classe les filtres à couche poreuse en fonction de leur efficacité :

Filtres à basse efficacité (classes G1 à G3)

Les filtres à chocs ou labyrinthe sont composés de profilés en quinconce qui interceptent les particules de graisse, principalement :

• Par effet d’inertie : à chaque virage autour d’un profilé, les particules sont projetées en dehors du flux d’air.

• Par condensation des particules sur les surfaces “froides”. Dès lors, le rendement s’accroît avec une diminution de la vitesse de l’air. Le filtre à choc est donc l’outil optimal pour la filtration de l’air dans des zones humides, genre laverie ou lave-casseroles.

Les filtres à treillis correspondent à des filtres plans composés d’un treillis de fils d’acier.Ils s’encrassent plus facilement que les filtres à choc et sont moins facilement nettoyés.

Ces types de filtres sont généralement utilisés pour effectuer une préfiltration.

Filtre à treillis métallique et filtre à choc.

Filtres à moyenne efficacité (classes G1 à G4)

La surface filtrante est composée de fibre de verre grossière ou de fibre synthétique maintenue dans des cadres en carton ou métallique. Les filtres peuvent être plan ou légèrement plissés pour augmenter la surface filtrante, donc la longévité. On trouve également des médias en mousse de polyuréthane ou polyester expansée, utilisée sous forme de couches planes ou des tricots en fil d’acier galvanisé ou inoxydable, montés dans des cadres.

Ils fonctionnent principalement par l’effet d’inertie des particules.

Filtre plan.

Filtres à haute efficacité (classes F5 à F9)

Ces filtres sont composés soit d’un papier-filtre plissé en cellulose ou en fibres de verre, soit de poches (on parle de filtres à poches) disposées dans un cadre sous forme de sacs flottants qui leur donnent une surface de filtration pouvant aller jusqu’à 27 fois la surface frontale.

Les filtres à poches ont une forte capacité de colmatage et un coût d’exploitation peu élevé.

Ils fonctionnent principalement par effet d’interception et de diffusion.
Ils sont largement utilisés pour la filtration de l’air dans les systèmes de ventilation.

Filtre à poches et filtre à dièdre.

Filtres à très haute efficacité ou absolus (classes H10 à H14)

Le milieu filtrant est constitué de papiers de fibres de verre maintenues par un liant, pour les plus hautes efficacités, ou bien d’un mélange de fibres de cellulose et de fibres minérales. Ces papiers sont plissés sur toute la profondeur du filtre. Chaque pli est parfois maintenu par un séparateur ondulé. La surface de filtration peut atteindre 100 fois la surface frontale pour les filtres dits absolus.

Dans ces filtres, c’est l’effet de diffusion qui devient prépondérant.

Filtres absolus.

 Cas particulier : Filtres à nettoyage automatique

Il existe des filtres plans à déroulement automatique, en fonction de la perte de charge qu’ils engendrent.

Il existe également des filtres nettoyés automatiquement : les éléments filtrants sont montés sur une chaîne sans fin et viennent tremper successivement dans un bac où se fait leur nettoyage avant de reprendre place dans le courant d’air à filtrer. Le mouvement de rotation qui est très lent, peut être à commande manuelle et intermittent, ou mieux, mécanique et continu.

Il existe aussi des filtres en tricots métalliques ou plastiques nettoyés de façon cyclique par lavage à l’aide de rampes de pulvérisation d’eau.

Filtre à déroulement automatique.

Recommandations ASHRAE
Filtres grossiers
50 – 74 % GRA	installations de climatisation pour l’industrie textile batteries de chauffage, humidificateurs et ventilateurs installations de ventilation sans critère de pureté de l’air
75 – 84 % GRA	groupes de ventilation, batteries de chauffage, rideaux d’air chaud, climatiseurs de fenêtre ventilation des cabines haute tension, des garages, halls d’usine, sans critère de pureté d’air préfiltre pour filtres fins climatisation des véhicules
> 85 % GRA	installations avec déshumidification armoires de climatisation préfiltre pour installation de climatisation préfiltre pour filtres fins rideaux d’air pour magasins d’alimentation cuisines
Filtres fins
40 – 69 % OPA	installations de chauffage et de climatisation pour écoles, cuisines, salles d’archives, ateliers de mécanique de précision ventilation des machineries ascenseurs rideaux d’air chaud pour magasin d’alimentation chauffage à air chaud des églises des halls de sport climatisation des restaurants et salles de réception magasins d’alimentation
70 – 89 % OPA	installations de climatisation et de ventilation des laboratoires, salles de soins des hôpitaux, bureaux, abattoirs, théatres centrales téléphoniques, ateliers d’optique, studios de radio-télévision, salles d’ordinateur
90 – 98 % OPA	installations de climatisation pour salles blanches, salles d’opération et de stérilisation, vestiaires d’accès à ces salles, laboratoires de radiologie, animaleries, laboratoires pour produits pharmaceutiques, laboratoires d’optique et d’électronique, laboratoire de recherche
Filtres absolus
85 – 94 % OP	installations de climatisation desservant des laboratoires de mesure de haute précision, laboratoires photographiques salles d’opération, de stérilisation salles blanches et postes de travail stériles industrie horlogère
95 – 99 % OP	salles d’opération et de stérilisation salles blanches et postes de travail stériles industrie pharmaceutique centrales nucléaires
> 99,97 % OP	salles d’opération et de stérilisation postes de travail stériles salles blanches avec flux laminaire laboratoires bactériologiques, isotopiques

Recommandations SICC (Société suisse des ingénieurs en chauffage et climatisation)
Éléments à filtrer	Classe suivant EN 779	Applications
Insectes, fibres textiles, cheveux, sable, cendres, pollen, ciment	G1 G2	Utilisations simples (protection contre les insectes)
	G3 G4	Préfiltre et filtre pour les installations de protection civile Évacuation de l’air des cabines de peinture, des cuisines Protection anti-pollution pour les climatiseurs (par exemple de fenêtre) Préfiltre pour les classes de filtration F6 à F8
Pollen, ciment, particules salissantes (poussière), germes, poussières chargées de bactéries	F5	Filtre sur l’air neuf des locaux à faible exigence (ateliers, garages, entrepôts)
	F5 F6 F7	Préfiltre et filtre pour les centrales de traitement de l’air Filtre final dans les installations de climatisation pour magasins, bureaux et locaux de fabrication Préfiltre pour classes F9 à H12
Fumées d’huile et de suie agglomérées, fumée de tabac, fumée d’oxyde métallique	F7 F8 F9	Filtre final dans les installations de climatisation pour bureaux, locaux de fabrication, hôpitaux, centrales électriques, locaux ordinateurs Préfiltre pour filtres absolus et filtres à charbon actif
Germes, bactéries, virus, fumée de tabac, fumée d’oxyde métallique	H10 H11 et H12 H13 et H14 U15 et U16	Filtre final pour locaux à haute exigence, laboratoires, alimentation, pharmacies, mécanique de précision, industrie optique et électronique
	H11 et H12	Filtre final pour salles blanches
Vapeur d’huile et suie en formation, particules radioactives	H13 et H14 U15 et U16	Filtre final pour salles blanches Filtre final pour salle d’opération Filtre final pour évacuation d’air des installations nucléaires