Confinement et contrôle du flux d’air au plafond

Le mouvement de l’air dans un espace à des fins de chauffage, de refroidissement et de ventilation est fondamental pour la conception des bâtiments modernes.

La prise de conscience de la façon dont l’air circule à l’intérieur et entre les espaces s’accroît également, car les concepteurs réagissent à la pandémie de COVID-19 et se préparent à l’éventualité d’autres pandémies et, de manière générale, créent des espaces plus sains. Cet article explore les avantages de la réduction des fuites à travers le plan du plafond, offrant aux concepteurs et aux opérateurs un meilleur contrôle de leur espace.

La conception CVC de nombreux espaces, tels que les hôpitaux, les salles blanches, les zones abritant des équipements sensibles, les espaces de vie pour personnes âgées, les locaux des infirmiers ou les vestiaires doit également contrôler la façon dont l’air circule (séquences) dans les différentes pièces. L’objectif est d’éviter la contamination croisée dans les zones sensibles. La prise de conscience de la façon dont l’air circule à l’intérieur et entre les espaces s’accroît également, car les concepteurs cherchent à réagir à la pandémie de COVID-19 et se préparent à l’éventualité d’autres pandémies et, de manière générale, créent des espaces plus sains.

L’une des méthodes utilisées par les concepteurs pour contrôler la façon dont l’air circule entre les pièces et les espaces est la pressurisation. Cela implique de fournir un excès d’air dans certains espaces et un déficit dans d’autres. Cette pressurisation peut toutefois créer d’autres voies de circulation de l’air qui ne sont pas forcément prévues, par exemple à travers les murs et les plafonds, potentiellement dans des faux plafonds partagés et via des couloirs. Le degré de «débit de pressurisation» atteint dépendra des finitions de l’espace, y compris les portes, les panneaux de plafond ou la construction des murs ainsi que la quantité d’air en excès ou en déficit fourni (degré de pressurisation de l’espace). Le parcours de l’air en cascade sera largement dicté, mais pas toujours contrôlé, par la conception mécanique. L’air empruntera le chemin le plus facile vers sa destination. Le débit ira d’une zone de haute pression à une zone de basse pression dans un bâtiment par la voie qui entraîne la perte de pression la plus faible. Par conséquent, alors que la conception mécanique peut supposer une voie d’écoulement, l’air peut en prendre une autre.

Étant donné que la cascade d’air est importante, il est utile de savoir comment cet air se déplace des zones de haute pression aux zones de basse pression. Malgré le manque de contrôle et l’incertitude décrits ci-dessus, nous pouvons estimer la partie du flux de pressurisation qui sort d’un espace quelconque par les différents chemins. Ces chemins comprennent les portes, les murs et le plafond. Cela signifie que si l’on pressurise une pièce, avec l’objectif que l’air passe en cascade par la porte vers la zone adjacente à un certain débit, il est possible d’analyser les pressions et les débits pour confirmer que l’objectif est atteint. Cela permet ensuite de déterminer quelle quantité d’air de pressurisation en excès délivrée à un espace peut sortir par la porte, le plafond ou les murs. Il est probable que si l’on demandait à un concepteur mécanique s’il pense que le contrôle de la cascade de flux est une bonne idée pour un espace sensible, il répondrait par l’affirmative et qu’effectivement, cette pratique est courante. Cela signifie alors qu’il est utile de comprendre et de contrôler les flux non intentionnels à travers des frontières qui ne sont pas destinées à être des voies d’écoulement. Cet article vise à démontrer comment l’amélioration de la construction des panneaux de plafond et des systèmes de plafond peut conduire à une meilleure cascade de pression via différents niveaux d’étanchéité à l’air.

Les systèmes de ventilation peuvent fournir une pressurisation positive ou négative en équilibrant la quantité relative d’air fournie par rapport à la quantité d’air évacuée ou renvoyée de l’espace. Dans le cas d’une pièce à pression positive (Figure 1), l’apport d’air est supérieur à l’évacuation. L’excès d’air n’ayant nulle part où aller, pousse sur l’intérieur de l’espace et la pression dans la pièce augmente jusqu’à ce que l’air commence à s’échapper par les plafonds, les murs, sous les portes, autour des fenêtres et à travers les appareils tels que les lampes, les gicleurs, les gaines ou les conduits. Les effets opposés se produisent dans un espace à pression négative, où la quantité d’air fournie est inférieure à celle expulsée ou renvoyée. Cela réduira la pression dans la pièce et le système d’échappement tirera sur l’intérieur de la pièce jusqu’à ce que l’air commence à s’échapper des zones adjacentes.

Il existe de nombreux types d’espaces différents où la pressurisation est nécessaire, et bien d’autres où cela pourrait être utile. Il s’agit notamment de salles blanches, d’hôpitaux (salles d’environnement protecteur et salles d’isolement), de laboratoires, d’espaces de vie pour personnes âgées, de locaux pour infirmiers, de vestiaires ou de salles de contrôle de fabrication. Sous certains climats, la pressurisation est utilisée pour réduire les infiltrations dans les bâtiments afin d’éviter les problèmes d’humidité. La pressurisation dans un bâtiment est utile, car elle donne aux concepteurs un moyen de contrôler la direction du flux d’air et de créer une couche de séparation supplémentaire. Généralement, la pressurisation se fait en cascade des zones devant être propres (positives) à celles qui peuvent être contaminées (négatives) (Figure2). Par exemple, une salle blanche électronique dotée d’équipements très sensibles serait sous pression positive, tandis qu’un stationnement souterrain serait sous pression négative. En milieu hospitalier, l’air circulerait des environnements protecteurs (positifs) où se trouveraient les patients vulnérables aux chambres d’isolement (négatives) où se trouverait une personne contagieuse.

Idéalement, le débit excédentaire requis pour pressuriser un espace est réduit au minimum. En effet, plus de débit signifie des ventilateurs plus gros, des systèmes plus gros et plus d’énergie consommée pour le chauffage/refroidissement et conditionnement de l’excès d’air. Si cet excès d’air peut être réduit, tout en respectant les exigences de pressurisation et de débit, alors l’énergie est économisée et potentiellement les coûts d’investissement aussi.

La zone sous les portes et et autour de celles-ci, les petites fissures autour des fenêtres, les petits espaces ou imperfections dans l’enveloppe et les cloisons internes, et d’autres chemins d’écoulement de l’air contribuent à la quantité de flux de pressurisation. De manière générale, plus une enveloppe fuit autour d’un espace, plus il est difficile de pressuriser cet espace. Une autre conséquence de la mise en pression d’un espace est qu’il peut y avoir des pertes ou des flux parasites qui se propagent vers des parties non prévues du bâtiment; un faux plafond ou un couloir partagé par exemple. Dans le contexte actuel de sensibilisation accrue à la propagation des maladies infectieuses, il semble que limiter cette propagation potentielle serait bénéfique, même si ce bénéfice n’est pas facilement quantifiable.

Les panneaux de plafond sont utilisées dans la plupart des conceptions d’espaces publics lorsqu’il y a un désir de cacher l’espace au-dessus des plafonds suspendus où se trouvent des conduits, des tuyaux ou d’autres accessoires tout en fournissant un accès pratique à cet espace. Ces panneaux de plafond constituent le plan de fuite entre l’espace occupé et le faux plafond au-dessus. D’autres éléments dans le plan du plafond tels que les lumières, les grilles ou les gicleurs contribuent à cette fuite globale. Cependant, les panneaux de plafond présentent la plus grande surface de fuite potentielle dans le plan du plafond. Cette étude a été menée pour évaluer si la réduction des fuites au niveau du plan du plafond avait une incidence bénéfique et donc d’évaluer l’avantage de fournir un moyen de diminuer les fuites à travers les panneaux en augmentant la performance des joints.

Pour étudier la pression et les débits induits par la pressurisation de l’espace, un outil numérique détaillé a été utilisé. Dans l’outil, chaque pièce ou sous-zone d’un espace est modélisée sous forme de nœud relié par la résistance au flux d’air à travers les éléments du bâtiment (c’est-à-dire l’enveloppe du bâtiment, les cloisons intérieures, les portes et les plafonds). Chaque type de chemin d’écoulement était représenté dans le modèle, y compris les portes, les fuites globales à travers différents types de construction, les espaces autour des gicleurs, etc. L’outil de modélisation numérique utilisé dans cette étude utilise le solveur CONTAMW du NIST pour prédire les débits et les pressions à travers chaque élément du bâtiment pour les conditions mécaniques prescrites.

Trois types d’espaces ont été sélectionnés pour l’étude. Il convient de noter que ces espaces ont été étudiés de manière isolée et que les résultats présentés ici sont des démonstrations du potentiel des plafonds à faible fuite; ils peuvent ne pas être applicables à chaque conception. Chaque conception doit être examinée dans le contexte du reste du bâtiment. Les trois espaces étudiés étaient une chambre d’isolement des infections aéroportées (AIIR) (Figure 3), une salle d’environnement protecteur (PER) (Figure 3) et une série de salles adjacentes avec une alimentation par conduit et un retour par faux plafond sans conduit (Figure 4). L’application étant un bureau de soins de santé, l’intention est d’équiper le faux plafond d’un filtre à air afin de réduire la charge des contaminants potentiels qui se dirigent vers l’appareil de traitement de l’air (ATA). Cependant, comme d’autres secteurs s’inspirent de la santé pour la conception, la configuration de l’alimentation par conduit et du retour sans conduit est également applicable à des espaces tels que les locaux réservés aux infirmiers dans les écoles ou les résidences pour personnes âgées.

Pour l’AIIR et le PER, l’air soufflé et les retours sont canalisés. Cependant, au-dessus de la chambre du patient, des toilettes et de l’antichambre, le faux plafond est commun. Chaque chambre d’isolement a été modélisée comme une pièce de 30 pi x 20 pi avec des cloisons intérieures de conception d’hôpital typique. Le schéma CVC appliqué aux modèles AIIR et PER a été défini pour répondre aux exigences spécifiées dans la norme ASHRAE 170-2017.

Dans chacun des espaces, des valeurs de fuite typiques ont été utilisées pour les lumières, les murs, les portes, les gicleurs et les cloisons. Les taux de fuite pour six panneaux de plafond différentes (Tableau1) ont été testés, allant des panneaux de plafond typiques aux panneaux de plafond à faible fuite avec joints, afin de voir comment les différentes panneaux de plafond affectaient les performances de pressurisation des espaces. Tous les autres paramètres de fuite ont été maintenus constants. Dans les cas où les pièces nécessitaient une pressurisation, les débits CVC ont été ajustés pour atteindre cette pressurisation dans une tolérance de 0,01 lb/pi² de la valeur requise.

Les données de sortie des modèles AIIR et PER montrent une série de résultats prédits différents, notamment: la variation du débit à travers le plafond; les débits CVC requis pour respecter les niveaux de pressurisation du code; et les changements de pressurisation obtenus dans la pièce en fonction du type de panneau de plafond utilisée.

Pour le modèle AIIR, les résultats montrent que lorsque le plafond est rendu plus serré, le débit à travers les panneaux de plafond diminue (Tableau2), ce qui est un résultat attendu. Cependant, l’un des résultats est le chemin emprunté par l’air avec les panneaux de plafond les moins étanches (Catégorie1). L’air sort de l’antichambre via les panneaux de plafond à travers le faux plafond dans la chambre du patient et les toilettes, ce qui, du point de vue de la conception, n’est pas prévu. Ce transfert d’air via le faux plafond présente un risque d’introduction de contaminants dans le vide du plafond et de rejet potentiel vers l’extérieur.

Avec les panneaux de plafond plus serrées (Catégorie 3C), le débit d’air nécessaire pour pressuriser l’espace est réduit. La pression dans la pièce augmente également ce qui pourrait justifier des réductions de débit. Les résultats de la réduction des fuites au plafond et du débit mécanique montrent l’avantage du resserrement du plafond (Catégorie 1 contre Catégorie 3C) du point de vue du fonctionnement mécanique, c’est-à-dire une réduction des débits (la fuite au plafond est passée de 38 pi³/min à 5 pi³/min) et une pressurisation plus facile (une réduction du débit CVC de 10 pi³/min). La Figure 5 montre les flux à travers l’AIIR pour les types de panneaux de plafond de Catégorie 1 et 3C à titre d’exemple.

Dans le PER les résultats montrent également une réduction des pertes parasites (71 pi³/min pour la Catégorie1 contre 8 pi³/min pour la Catégorie 3C) avec les panneaux de plafond plus serrées ainsi qu’un meilleur contrôle sur les chemins de fuite. Les fuites pour les panneaux de plafond typiques (Catégorie 1) sont encore plus importantes que les fuites AIIR correspondantes à travers le plafond. Cela est dû au fait que l’air circule à la fois dans les toilettes et dans l’antichambre (Tableau 3) depuis la chambre du patient via le faux plafond. Comme l’AIIR, les débits nécessaires au maintien de la pressurisation sont également réduits avec le plafond plus serré (de 15 pi³/min). La Figure 6 montre les flux à travers le PER pour les types de panneaux de plafond de Catégorie 1 et 3C à titre d’exemple.

Dans la série de pièces adjacentes avec alimentation canalisée et retour sans conduit, il n’y a pas de pressurisation. Cependant, en raison du retour sans conduit, l’air peut contourner les grilles de retour (et les filtres, le cas échéant) et fuir à travers le plafond dans le faux plafond commun. Les résultats montrent que le débit de fuite au plafond diminue avec les panneaux de plafond plus serrées (Tableau 4). La Figure 7 montre les flux à travers le PER pour les types de panneaux de plafond de Catégorie 1 et 3C à titre d’exemple. Dans ce cas, un plafond plus étanche peut être justifié par la nécessité de s’assurer que l’air passe par la grille du plafond. Pour la Catégorie 1, environ 68% du débit passait par la grille alors que pour la Catégorie 3C, environ 95% du débit passait par la grille.

Fournir des panneaux de plafond plus étanches pour l’AIIR et le PER devrait réduire le risque de fuite parasite à travers le plan du plafond. Dans la présente étude pour les panneaux typiques (Catégorie 1), l’air passait d’une pièce à l’autre via les panneaux de plafond à travers le faux plafond et retournait dans la zone occupée via les panneaux de plafond. Ce chemin de fuite a été considérablement réduit pour les panneaux à faible fuite (Catégorie 3). La réduction de ces fuites parasites aidera à séparer les espaces cloisonnés du point de vue du contrôle du débit et réduira le risque que des contaminants pénètrent dans l’espace au-dessus du plafond et soient ramenés plus tard dans la zone occupée. Cette situation suscite de plus en plus d’inquiétude avec la prise de conscience de la propagation de maladies infectieuses dans les espaces, comme la COVID-19.

L’étanchéité à l’air des panneaux de plafond devrait également affecter les débits nets requis pour atteindre les différences de pression cibles entre une pièce avec des exigences de pressurisation spéciales et les espaces adjacents. Les panneaux de plafond plus serrées devraient permettre de réduire les besoins en débit net, ce qui rendra la pressurisation plus efficace sur le plan énergétique. Pour les scénarios AIIR et PER étudiés, environ 10 à 15 pi³/min d’air ont été économisés en utilisant des panneaux de plafond plus serrées. Ces 10 à 15 pi³/min représentent quelques pour cent du débit total de CVC.

L’installation des panneaux de plafond plus serrées dans les pièces adjacentes qui partagent un retour sans conduit devrait réduire les fuites d’air dans le faux plafond d’évacuation par les panneaux de plafond, ce qui signifie qu’une plus grande partie de l’air évacué passera par les bouches de retour. Cela améliore le contrôle du débit dans les pièces, ce qui facilite la surveillance et le maintien de la qualité de l’air entrant et sortant d’une pièce. Cela peut être utile dans plusieurs scénarios, y compris lorsque l’air quittant une pièce doit être nettoyé avant d’entrer dans le faux plafond.

Dans l’ensemble, l’utilisation de panneaux de plafond mieux serrées avec des joints fiables appliqués par le fabricant (ou des joints d’étanchéité) donne au concepteur et à l’opérateur plus de contrôle et permet aux espaces de fonctionner plus facilement conformément à leur intention. Cette solution présente également l’avantage de consommer moins d’énergie et d’utiliser des systèmes CVC potentiellement plus petits pour atteindre le même objectif.

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