Qualification énergétique et sanitaire des systèmes d'épuration intégrés aux réseaux de ventilation

Résumé et principaux résultats

L'étude présentée dans ce document vise à caractériser la performance et l'innocuité de systèmes d'épuration destinés à être installés dans le réseau de ventilation des bâtiments tertiaires, et plus précisément sur le circuit de recyclage d'air des bâtiments climatisés. Six systèmes intégrant des techniques d'épuration différentes (filtres mécanique à particules et filtre moléculaire, filtre électrostatique, photocatalyse, ionisation plasma, catalyse sous UVC) et dimensionnés pour fonctionner à un débit nominal proche de 3600 m3/h ont été testés sur deux bancs d'essai correspondant à des veines d'air contrôlées en température, en hygrométrie et en concentrations en polluants. L'efficacité (ou taux d'abattement) de chacun des systèmes vis-à-vis des particules, de COV (acétaldéhyde, acétone, heptane, formaldéhyde, toluène) et de microorganismes (Aspergillus brasiliensis (champignon) et Staphylococcus epidermidis (bactérie)), a été mesurée pour plusieurs débits d'air, dans deux conditions hygrothermiques de l'air différentes, et à trois niveaux de concentration représentatifs d'ambiances réelles pour ce qui concerne les COV (maximum 100 microg/m3). Les paramètres définissant la consommation énergétique des systèmes (perte de charge et puissance électrique directement absorbée), ainsi que la production d'ozone et de formaldéhyde, ont également été mesurés. Les résultats obtenus montrent une diversité de profils de performance qui est à l'image de la variété des systèmes étudiés. Pour deux systèmes, aucun effet sur la qualité de l'air n'a pu être mis en évidence. Pour un troisième, l'efficacité est au rendez-vous, mais la consommation d'énergie induite est importante et le système n'est manifestement pas optimisé. Enfin, deux systèmes présentent véritablement un potentiel intéressant au regard de leurs débits d'air épurés, de leur spectre d'action sur la pollution de l'air intérieur, et de leur impact énergétique. De manière générale, l'étude fournit des éléments chiffrés objectifs et détaillés pour juger dans un premier temps de l'intérêt de recourir aux systèmes CVC (Chauffage Ventilation conditionnement d'air) plutôt qu'à l'utilisation de systèmes autonomes ou d'une augmentation du débit de ventilation, puis ensuite pour choisir la solution la plus adaptée au contexte environnemental du bâtiment pour lequel la mise en place d'une stratégie d'amélioration de la qualité de l'air intérieur est étudiée.
Title : Experimental characterization of the efficiency and energy consumption of central ventilation air cleaning systems
Abstract : During the past decade, various indoor air cleaning solutions have come to the market, including stand-alone devices, photoactive or adsorbent materials, and in-duct systems. The present study aimed at characterizing the efficiency of 6 systems which are designed to be implemented in the central ventilation system of office or commercial buildings. The systems use different air cleaning technologies: mechanical filtration, electrostatic precipitation, gas filtration, ionisation / cold plasma, photocatalysis oxidation (PCO) and catalysis under UV light. They were tested against particles having different sizes, a mixture a volatile organic compounds (acetone, acetaldehyde, toluene, heptane and formaldehyde), and two bioaerosols: Aspergillus brasiliensis (fungus) and Staphylococcus epidermidis (bacteria). The test rigs consisted in a ventilated open duct having seven sections for fresh air filtration, temperature and humidity control, generation and injection of the challenge pollutants, measurement of upstream concentrations, air cleaning system to be tested, measurement of downstream concentrations and exhaust fan, respectively. The single pass efficiency of each system was determined for 3 airflow rates, ranging from 1200 m3/h to 3600 m3/h, and combinations of temperature and humidity at the system inlet that are representative of winter and summer indoor air conditions. The concentrations of the challenge VOC were also varied in the range from 30 to 100 ?g/m3 as a way to characterize their influence upon efficiency at realistic concentration levels for non-industrial buildings. Ozone and formaldehyde measurements downstream of the air cleaners were also achieved to determine the rate of harmful by-products that the systems can release. Finally, the energy issue was addressed by measuring the electric consumption (if any) and pressure loss of the devices. The results show that single pass efficiencies can vary in a wide range from one system to another. For a same system, it can also vary a lot from one challenge contaminant to another, which is somewhat a more intuitive conclusion. Two systems have no efficiency at all, or negligible impact on the concentrations of the challenge pollutants. The air handling unit containing a F8 class mechanical filter, a PCO reactor and a gas filter proves to be quite efficient in removing pollutants but it seems it will significantly add to the energy consumption of the building. Finally, two systems show very interesting performances based on their computed clean air delivery rate (CADR) for a wide range of contaminants and energy consumption. In a general way, the study provides detailed information to assess the benefits of using central ventilation in-duct air cleaners compared to stand-alone units or fresh air increase, and to determine which system is most suited for a building, based on indoor air quality, cost and energy criteria.

Commissions

Ventilation industrielle et assainissement des atmosphères de travail

Thème

Ventilation et qualité de l'air

Auteurs

GINESTET Alain, PUGNET Dominique