Analyser les besoins thermiques : une salle d’opération

Afin de pouvoir estimer l’importance de la climatisation des salles d’opération par rapport à la consommation globale d’un hôpital, il est nécessaire de se référer à quelques ratios.

Consommations électriques

Le graphe suivant montre la consommation moyenne électrique annuelle du secteur.

(Source ICEDD).

Dans le cas considéré, la consommation annuelle est de 9,5 MWh/lit.an ou 1,9  GWh/200 lits.an.

Consommations thermiques

Le graphe suivant montre la consommation moyenne thermique annuelle du secteur.

(Source ICEDD).

Dans le cas considéré, la consommation annuelle est de 17,7 MWh/lit.an ou 3,5 GWh/200 lits.an.

1. Hypothèses

Un hôpital moyen comprend 200 lits. D’expérience, le nombre de salles d’opération est environ de 2 par 100 lits, ce qui signifie que l’on prend comme base un hôpital avec 4 salles d’opération.

Voici les prix moyens du kWh prix en compte dans la simulation

• électrique : 11 c€/kWh,
• thermique : 3,25 c€/kWh.

2. Apports

Les salles d’opération sont de plus en plus isolées et se rapprochent du concept des salles blanches rencontrées dans l’industrie :

• les apports externes sont limités,
• de par le développement de l’imagerie médicale dans les interventions chirurgicales, les apports internes deviennent importants,
• si un taux élevé de renouvellement d’air est jugé nécessaire à la garantie de l’hygiène de la salle, les débits sont importants.

En pratique, on distingue des apports :

• quelquefois solaires,
• souvent internes (luminaires, occupation, monitoring, imagerie médicale, etc.),
• faibles des parois (positifs ou négatifs selon la saison),
• faibles de ventilation et d’infiltration (positifs ou négatifs selon que l’air pénétrant dans le local est plus chaud ou plus froid que l’ambiance). Le local est en principe mis en surpression (ce qui annule les infiltrations), mais un régime en dépression peut aussi être choisi si le patient est infecté.

Suite à ces faibles besoins, la température de l’air pulsé sera très proche de la température de consigne ambiante. Dans l’exemple étudié, une température de pulsion d’air (18°C) seulement 2 degrés plus froide que l’ambiance (20°) suffit pour reprendre les charges.

Proportionnellement, c’est donc la demande thermique liée à la préparation de l’air neuf pulsé qui représente la source majeure de consommation.

3. Bilan thermique

Dans ce qui suit, on établit, de manière théorique, les consommations des équipements de climatisation de l’air de la salle d’opération.

Cette climatisation de l’air est variable au cours de l’année suivant les conditions climatiques extérieures et intérieures. Pour cette raison, on considère le fichier météo d’une année climatique-type (sans canicule et froid sibérien) à Uccle, par exemple.

Chaque point de la courbe représente une heure de l’année pendant laquelle on a relevé la température et l’humidité. Les 8 760 points-heures qui composent l’année peuvent alors être placés dans le diagramme de l’air humide.

Le fichier météo est ensuite divisé en 5 zones distinctes.

Pour amener l’air extérieur à une température (18°C) et une humidité de soufflage fixe (égale à celle de l’ambiance), pour les différents points-heures extérieurs il est nécessaire de :

Suivant les débits d’air mis en œuvre, l’intégration des différences d’enthalpies entre les différents points-heures de l’année et les conditions d’ambiance des salles constituent la consommation annuelle du système de traitement d’air, par chauffage, refroidissement, humidification et déshumidification.

On considère que les salles fonctionnent selon le profil d’occupation suivant:

avec les débits d’air neuf suivants :

Les résultats pour les 4 salles sont repris dans le tableau et le graphique ci-dessous.

Soit 7,2 % de la consommation totale de l’hôpital.

4. Bilan économique

Le bilan économique est synthétisé ci-dessous dans le tableau et sous forme de graphique :

Les coûts globaux des consommations énergétiques pour la climatisation de l’ensemble des 4 salles d’opération représentent 6 à 7 % de la facture énergétique de l’hôpital.

5. Conclusion

Les zones à risque de contamination élevé sont des postes consommateurs d’énergie importants. Les grands débits d’air neuf traités et le contrôle de l’humidité en sont responsables. C’est pour ces raisons qu’il est impératif, en conception nouvelle ou en rénovation, d’étudier l’alternative qui consiste à recycler l’air et à laisser varier l’humidité ambiante dans une plage qui respecte les normes et les règlements en vigueur.

Plusieurs approches sont possibles.

> sur base de la puissance électrique installée des ventilateurs :

> sur base du ratio Wh/m³ transporté :

En fonction de la qualité du ventilateur et des pertes de charge du réseau (de faibles diamètres de conduits entraînent des vitesses et des pertes de charge élevées), on aura :

> sur base des caractéristiques de conception du réseau :

La consommation électrique du (des) ventilateur(s) s’estime par :

Cons. transport_air [kWh/an] = q_v x  Δp x h / (η_v x 3 600 x 1 000)

où,

• q= débit d’air transporté [m³/h]
• Δp = pertes de charge (pulsion + extraction) [Pa]
• h = durée de fonctionnement [h/an]
• η_v = rendement total du système de transport de l’air (moyenne entre pulsion et extraction).