La qualité de l'air intérieur

On passe l'essentiel de sa vie dans des locaux fermés, à respirer un air que les occupants, les matériaux et les activités chargent sans cesse. La ventilation dilue et emporte ces apports. Ce chapitre pose le bilan qui relie un débit d'air neuf à une teneur intérieure, montre comment cette teneur évolue dans le temps, et en tire les débits que retiennent les textes, l'effet de la position des bouches et le prix énergétique de l'air neuf.

15.1 Ce que l'on respire dans un bâtiment

L'air intérieur reçoit des polluants de familles très différentes. Les occupants rejettent du dioxyde de carbone, de la vapeur d'eau et des bioeffluents, ces composés odorants qui donnent à une salle de classe fermée son odeur caractéristique. Les matériaux, les meubles et les produits d'entretien émettent des composés organiques volatils, dont le formaldéhyde. Les particules viennent surtout de l'extérieur (trafic, chauffage au bois) et de la cuisson. Le radon, gaz radioactif naturel, monte du sol, surtout granitique ou volcanique, par les fissures des planchers bas. L'humidité, enfin, n'est pas un polluant au sens strict, mais un excès entretient moisissures et acariens (chapitre 1).

Chaque famille a ses repères publics. L'Organisation mondiale de la santé recommande depuis 2021 de ne pas dépasser 5 µg/m³ de PM_2,5 en moyenne annuelle et 15 µg/m³ en moyenne journalière, 15 et 45 µg/m³ pour les PM₁₀. En France, la valeur-guide du formaldéhyde dans l'air intérieur est de 100 µg/m³ en exposition de court terme depuis le 1^er janvier 2023 ; elle a remplacé la valeur de long terme (30 µg/m³ depuis 2015, 10 µg/m³ prévus en 2023). Le code de la santé publique fixe pour le radon un niveau de référence de 300 Bq/m³ en moyenne annuelle. Ces chiffres servent d'ordres de grandeur ; ils ne se règlent pas par la seule ventilation, qui doit aller avec le choix des matériaux, l'étanchéité des planchers bas et la filtration.

Le CO₂ tient une place à part. Aux teneurs rencontrées dans les bureaux, il n'est pas toxique : l'air extérieur en contient environ 420 ppm, une salle de réunion mal ventilée quelques milliers (§ 15.8), très loin des teneurs qui posent un problème physiologique. Mais il est produit par les occupants en proportion de leur activité, il se mesure facilement avec un capteur infrarouge peu coûteux, et il suit les bioeffluents. C'est donc un traceur de l'air vicié par l'occupation, et c'est à ce titre que les textes et les régulations l'utilisent. Il ne dit rien du formaldéhyde d'un meuble neuf ni du radon d'un sous-sol.

15.2 Le bilan d'un local bien mélangé

Prenons un local de volume V, balayé par un débit d'air neuf q de teneur C_ext, où n occupants rejettent chacun un débit G de CO₂. Si l'air y est parfaitement mélangé, la teneur C est la même partout, y compris dans l'air extrait. Ce qui entre moins ce qui sort, plus ce qui est produit, fait varier la quantité contenue :

V dC/dt = n G + q (C_ext − C)

Quand la teneur ne varie plus, l'apport des occupants est exactement emporté par l'air neuf. La teneur d'équilibre vaut :

C_∞ = C_ext + n G / q

Elle ne dépend ni du volume ni de la forme du local : seulement du débit par occupant. Le volume règle la vitesse à laquelle on y arrive. La solution de l'équation est une exponentielle :

C(t) = C_∞ + (C₀ − C_∞) e^−t/τ τ = V / q

La constante de temps τ est l'inverse du taux de renouvellement d'air. Au bout d'un τ, l'écart à l'équilibre a perdu 63 % ; au bout de trois, 95 %. Pour les unités, G en L/h, q en m³/h et C en ppm (millionièmes en volume) : n G/q en ppm vaut 1 000 n G/q.

Ce modèle suppose un polluant qui ne réagit pas et ne se dépose pas, et un mélange parfait. Le CO₂ remplit bien la première condition ; la seconde se discute au § 15.7.

15.3 Ce que rejette un occupant

Le CO₂ rejeté est lié à l'oxygène consommé, donc au métabolisme (chapitre 14). La formule publiée par l'ASHRAE et reprise par Persily et de Jonge en 2017 donne la consommation d'oxygène en litres par seconde, avec A_D la surface corporelle de Du Bois en m², M le métabolisme en met et RQ le quotient respiratoire, rapport du CO₂ rejeté à l'oxygène consommé :

V_O2 = 0,00276 A_D M / (0,23 RQ + 0,77) V_CO2 = RQ · V_O2

Pour un adulte de 70 kg et 1,75 m, A_D vaut 1,844 m². Avec RQ = 0,83 et 1,2 met de travail de bureau (1 met = 58,15 W/m²), il dégage 129 W et rejette 19,0 L/h de CO₂, la valeur du chapitre 35. Le rejet suit l'activité :

Un enfant rejette moins, un sportif beaucoup plus. Un débit d'air neuf « par personne » sous-entend donc toujours une activité.

15.4 Exemple : la matinée du bureau de référence

Le bureau de référence du cours mesure 21,6 m² pour 60,48 m³ ; deux personnes y travaillent et la centrale du plateau lui envoie 50 m³/h d'air neuf, 25 m³/h par personne. La centrale démarre à 7 h ; on admet qu'à l'arrivée des occupants, à 8 h, le local est à la teneur extérieure.

1. Équilibre : n G/q = 1 000 × 2 × 19,0 / 50 = 760 ppm au-dessus de l'extérieur, soit 1 180 ppm.
2. Constante de temps : τ = 60,48 / 50 = 1,21 h, soit 72,6 min ; le local est renouvelé 0,83 fois par heure.
3. Montée : à 9 h, la teneur atteint 847 ppm, 56 % du chemin ; à 10 h, 1 034 ppm ; à midi, 1 152 ppm, 96,3 % du chemin.
4. Les 95 % sont atteints après trois constantes de temps, 3,63 h ; le seuil de 1 000 ppm est franchi 1,74 h après l'arrivée.

La matinée entière se passe donc en régime transitoire. Une mesure ponctuelle à 9 h donnerait une image flatteuse de la ventilation : elle lirait 847 ppm là où l'équilibre est à 1 180 ppm. C'est ce que montre la figure 15.1 : la trace de l'enregistreur monte vers son palier, et le palier, non la valeur du moment, dit si le débit suffit.

15.5 Décroissance et gaz traceur

Quand les occupants sortent, l'apport s'annule et l'écart à l'extérieur décroît en exponentielle avec la même constante de temps :

C − C_ext = (C₀ − C_ext) e^−t/τ

Deux lectures suffisent alors pour retrouver le débit d'air neuf :

q = V ln[(C₁ − C_ext) / (C₂ − C_ext)] / (t₂ − t₁)

C'est la méthode du gaz traceur par décroissance, décrite par l'ISO 12569 et l'ASTM E741. On peut injecter un gaz étranger ou utiliser le CO₂ des occupants ; elle complète les mesures de débit aux bouches et dans les gaines du chapitre 10 (hotte de mesure, jaugeage au tube de Pitot), car elle donne le débit qui renouvelle vraiment le local, fuites et transferts compris.

1. Les deux occupants du bureau partent déjeuner de 12 h à 13 h. Le modèle donne 1 152 ppm à 12 h, 904 ppm à 12 h 30, 740 ppm à 13 h.
2. Avec les lectures arrondies 1 152 et 740 ppm et C_ext = 420 ppm : ln(732 / 320) = 0,8275.
3. Débit : 60,48 × 0,8275 / 1 = 50,0 m³/h, le débit réel.
4. Si l'on prend 400 ppm pour l'extérieur au lieu de 420, on lit 48,0 m³/h, 4,0 % de moins. Un capteur décalé de +30 ppm, avec le bon extérieur, donne 47,1 m³/h (−5,9 %). Une erreur de gain de +3 % appliquée à toutes les lectures, extérieur compris, ne change rien : 50,0 m³/h.

Le rapport des écarts annule une erreur proportionnelle, mais pas un décalage ni une mauvaise teneur extérieure. Mesurer l'extérieur avec le même capteur, au même moment, est la règle de l'art.

15.6 Les débits de référence

La norme EN 16798-1:2019 traite les paramètres d'ambiance intérieure. Son annexe B, informative, propose de sommer une part liée aux occupants et une part liée au bâtiment, qui couvre les émissions des matériaux :

q = n · q_p + A · q_B

Les valeurs par défaut de q_p sont 10, 7, 4 et 2,5 L/s par personne pour les catégories I à IV ; celles de q_B valent 1,0, 0,7, 0,4 et 0,3 L/(s·m²) pour un bâtiment faiblement polluant, la moitié pour un bâtiment très faiblement polluant. L'annexe propose aussi des écarts de CO₂ au-dessus de l'extérieur de 550, 800 et 1 350 ppm pour les catégories I, II et III ; la catégorie IV y reprend l'écart de la III. La catégorie II, niveau d'attente moyen, est la référence usuelle d'un bâtiment neuf. La catégorie IV, attente faible, n'est admise que pour une partie limitée de l'année ou dans un bâtiment existant contraint ; le chapitre 35 s'en tient aux trois premières. Le débit total ne descend jamais sous 4 L/s par personne, plancher que respectent les cas de ce chapitre. Une annexe nationale peut changer ces valeurs, qu'il faut relire dans le texte en vigueur.

Bureau de 21,6 m² pour deux personnes ; plateau de 2 160 m² pour 200 personnes, bâtiment faiblement polluant. En catégorie II, le bureau demande 50,4 m³/h pour les personnes et 54,4 m³/h pour le bâtiment.

Les 50 m³/h du bureau ne tiennent que la catégorie IV en bâtiment faiblement polluant, la catégorie III s'il est très faiblement polluant. Au plateau, les 5 000 m³/h de la centrale sont 2,10 fois en dessous de la catégorie II, qui demanderait 10 483 m³/h. Rapportés aux surfaces, 5 000 m³/h font 2,31 m³/(h·m²), soit 0,643 L/(s·m²), et 25 m³/h par personne font 6,94 L/s.

Le critère de CO₂ donne une autre lecture. Avec 19,0 L/h par personne, tenir 550, 800 ou 1 350 ppm d'écart demande 34,5, 23,7 ou 14,1 m³/h par personne. Les 25 m³/h du bureau tiennent ainsi la catégorie II pour le CO₂, avec ses 760 ppm d'écart, alors que la somme personnes plus bâtiment le classe en IV. Les deux critères ne mesurent pas la même chose : le CO₂ ne voit que les occupants, la part surfacique couvre les matériaux.

En France, le texte opposable dépend du local. Pour les locaux de travail à pollution non spécifique ventilés mécaniquement, l'article R4222-6 du code du travail impose un minimum d'air neuf par occupant : 25 m³/h dans les bureaux, 30 m³/h dans les salles de réunion, la restauration et la vente, 45 m³/h pour un travail physique léger, 60 m³/h au-delà. Les établissements recevant du public relèvent du règlement sanitaire départemental, dont chaque département a sa version, tirée du règlement type. Les logements relèvent de l'arrêté du 24 mars 1982 relatif à l'aération des logements, qui raisonne en débits extraits par pièce de service (chapitre 18). Ces minima réglementaires sont des planchers d'hygiène, pas des objectifs de qualité.

Une maison montre l'autre extrême. Celle du chapitre 18, 300 m³ ventilés par 105 m³/h extraits (0,35 vol/h), a une constante de temps de 2,86 h ; quatre personnes assises au repos, 15,8 L/h chacune, y amènent l'équilibre à 1 023 ppm, mais seulement au bout d'une longue soirée.

15.7 L'efficacité de ventilation

Le mélange parfait est une hypothèse. Dans un vrai local, la teneur dépend de l'endroit, et c'est celle de la zone respirée qui compte. L'efficacité de ventilation compare la teneur de l'air extrait C_e à celle de la zone respirée C_i, l'air soufflé étant à C_s :

ε = (C_e − C_s) / (C_i − C_s) C_i = C_ext + n G / (ε q)

En mélange, ε vaut 1. Quand la reprise est placée près de la bouche de soufflage, une partie du jet repart sans avoir balayé les occupants : ε tombe sous 1, c'est le court-circuit. En déplacement, l'air frais est soufflé à basse vitesse près du sol, monte avec les panaches chauds des occupants et emporte leurs rejets vers une reprise haute : la zone respirée est plus propre que l'air extrait et ε dépasse 1. Les guides de ventilation donnent des ordres de grandeur ; ce chapitre retient 0,7, 1,0 et 1,3 comme hypothèses d'exemple. La diffusion qui produit ces régimes est traitée au chapitre 33. On les compare aussi par l'âge de l'air, temps moyen écoulé depuis son entrée dans le local : en mélange parfait, il vaut partout la constante de temps, 1,21 h dans le bureau ; un court-circuit le vieillit dans la zone respirée, le déplacement l'y rajeunit.

Bureau de référence, deux personnes, 50 m³/h d'air neuf, critère de 800 ppm d'écart.

Avec le même débit, un court-circuit fait passer le bureau de la catégorie II à la III : il faudrait 67,8 m³/h pour revenir en II. Le troisième curseur de la figure 15.1 rejoue ces trois cas. La figure traite la zone respirée comme un local balayé par le seul débit utile ε q : la teneur y monte avec la constante V/(ε q), plus lentement en court-circuit, plus vite en déplacement, alors que la constante nominale V/q affichée par la lecture reste la même.

15.8 Exemple : la salle de réunion

On réunit huit personnes dans un local du volume du bureau, avec le même débit de 50 m³/h. C'est le cas typique d'une petite salle dont la ventilation a été dimensionnée comme un bureau.

1. Équilibre : les huit personnes ajoutent 1 000 × 8 × 18,99 / 50 = 3 038 ppm (rejet non arrondi), soit 3 458 ppm. La constante de temps reste 1,21 h.
2. Montée : 1 449 ppm au bout de 30 min, 2 129 ppm au bout d'une heure. Le seuil de 1 220 ppm, limite de la catégorie II, est franchi après 22,2 min.
3. Avec le minimum du code du travail pour une réunion, 30 m³/h par personne, le débit passe à 240 m³/h, soit 3,97 vol/h. La constante de temps tombe à 15,1 min, et la teneur atteint 1 041 ppm au bout d'une heure, pour un équilibre de 1 053 ppm.

Une réunion courte cache le problème, puisque le régime transitoire est lent ; une réunion de deux heures le révèle. Dimensionner sur l'occupation réelle, ou moduler le débit sur un capteur, est la seule réponse.

15.9 Filtrer l'air neuf

Pour un polluant qui vient de l'extérieur, comme les particules fines, la ventilation n'est pas un remède : elle les apporte. C'est le filtre de la centrale qui protège. Si l'air neuf filtré était la seule source et si l'on néglige le dépôt, la teneur intérieure vaudrait (1 − η) fois la teneur extérieure, η étant l'efficacité du filtre. Une journée urbaine à 15 µg/m³ de PM_2,5, la valeur guide journalière de l'OMS, et un filtre de la famille ePM₁ à 70 % d'efficacité sur ces particules donnent 4,5 µg/m³ à l'intérieur. Ce calcul est un ordre de grandeur ; les sources intérieures, les infiltrations et le dépôt le modifient. La classification des filtres selon l'ISO 16890-1:2016 et leur entretien sont traités au chapitre 71, l'hygiène des centrales et des conduits au chapitre 73.

15.10 Ventilation à la demande et énergie de l'air neuf

L'air neuf coûte cher en hiver : il faut le chauffer, après récupération, et le faire circuler. Sur un plateau, l'occupation varie au fil de la journée ; une ventilation à la demande règle le débit sur un capteur de CO₂ placé dans la reprise ou dans les locaux, avec une régulation à boucle (chapitre 57) supervisée par la GTB (chapitre 67).

1. Cas : la centrale du plateau, 5 000 m³/h pour 200 personnes, récupérateur à 75 %, en marche de 7 h à 18 h, un jour de janvier aux normales de Montsouris (3,2 °C au matin, 7,6 °C l'après-midi, 5,4 °C en moyenne), air extérieur à 90 % d'humidité relative. La température de l'heure va de 3,74 °C à 7,58 °C.
2. Présence : de 10 % à 7 h à 90 % en milieu de matinée et d'après-midi, 50 % à midi, 65,5 % en moyenne. À la demande, le débit suit la présence, avec un minimum de 30 % du débit de projet pour la diffusion et la part des matériaux, comme le minimum des boîtes à débit variable du chapitre 41.
3. Air traité : 55 000 m³ à débit fixe, 37 000 m³ à la demande, 32,7 % de moins.
4. Chaleur de l'air neuf, toute à la batterie ce jour-là, l'humidification n'étant pas sollicitée : 45,6 kWh contre 34,9 kWh, 23,4 % de moins. On suppose que le besoin de l'air suit le débit, ce qui est prudent : à débit réduit, l'efficacité réelle du récupérateur augmente (chapitres 40 et 42). Toute la puissance du ventilateur finit en chaleur dans l'air (chapitre 42) : ralenti, il en fournit moins, et la batterie reprend cette part, d'où un gain inférieur à celui de l'air traité.
5. Ventilateur de soufflage : 1 706 W en continu, 18,76 kWh ; avec variateur, 127 W au minimum de 30 % et 7,88 kWh sur la journée, 58,0 % de moins. La puissance chute plus vite que le débit (chapitre 31).
6. Total : 64,4 kWh contre 42,8 kWh, 33,5 % d'économie. À la demande, le CO₂ du plateau plafonne à 1 180 ppm, celui du débit de 25 m³/h par personne ; à débit fixe, son équilibre n'est que de 496 ppm à 7 h, preuve que l'air neuf était alors surabondant.

Le gain vient des heures creuses ; il disparaît dans un local occupé en continu. Il suppose un capteur juste : un capteur qui lit trop bas fait économiser de l'énergie au détriment des occupants, sans que personne ne s'en aperçoive.

15.11 Erreurs courantes

Traiter le CO₂ comme un toxique conduit à chercher à l'épurer, alors qu'il signale un débit insuffisant pour l'occupation. Confondre débit soufflé et débit d'air neuf fausse tout : une centrale qui recycle une partie de l'air peut souffler beaucoup et renouveler peu, et seul l'air neuf entre dans le bilan. Oublier le régime transitoire fait conclure trop tôt, comme la mesure de 9 h du § 15.4. Placer le capteur près d'une bouche de soufflage, d'une fenêtre ou au-dessus d'une tête le fait lire l'air neuf ou une haleine ; la règle de l'art est de le poser sur une paroi intérieure, à hauteur de la zone respirée et loin des jets, ou dans la gaine de reprise si le local est bien mélangé. Enfin, un capteur de CO₂ doit être étalonné et vérifié comme tout instrument de la chaîne de mesure (chapitre 67) ; sa dérive s'accumule avec les années.

À retenir

• Le CO₂ est un traceur de l'occupation, pas un toxique aux teneurs des bâtiments ; il ne renseigne ni sur les composés organiques volatils, ni sur les particules, ni sur le radon.
• Un local bien mélangé tend vers C_∞ = C_ext + n G / q, avec la constante de temps τ = V / q ; trois constantes de temps pour 95 % du chemin.
• Un occupant de bureau rejette 19,0 L/h de CO₂ ; 25 m³/h par personne donnent 760 ppm d'écart à l'équilibre.
• La décroissance après le départ des occupants donne le débit réel ; la teneur extérieure doit être mesurée, pas supposée.
• L'EN 16798-1 ajoute une part par mètre carré à la part par personne ; les minima du code du travail sont des planchers, pas des objectifs.
• L'efficacité de ventilation dépend des bouches : un court-circuit gâche l'air neuf, le déplacement le valorise.
• Moduler l'air neuf sur le CO₂ économise l'énergie des heures creuses, à condition d'un capteur juste et bien placé.

Sources publiques : bilan de masse d'un local bien mélangé et méthode du gaz traceur par décroissance, décrite par l'ISO 12569 et l'ASTM E741 (nommées seulement, aucune valeur reprise) ; ASHRAE, Handbook, volume Fundamentals, émission de CO₂ des occupants, et A. Persily et L. de Jonge, Indoor Air 27, 2017 ; D. et E. F. Du Bois, 1916, pour la surface corporelle ; NOAA, teneur moyenne mondiale en CO₂ ; EN 16798-1:2019, annexe B informative, pour les débits et écarts de CO₂ par catégorie ; code du travail, article R4222-6 (version en vigueur depuis le 1^er mai 2008) ; règlement sanitaire départemental type ; arrêté du 24 mars 1982 relatif à l'aération des logements ; OMS, lignes directrices mondiales sur la qualité de l'air, 2021 ; décret n° 2011-1727 du 2 décembre 2011 relatif aux valeurs-guides pour l'air intérieur pour le formaldéhyde et le benzène, et décret n° 2022-1689 du 27 décembre 2022, qui a remplacé ces valeurs au 1^er janvier 2023 (code de l'environnement, article R221-29 et annexe) ; code de la santé publique, article R1333-28, niveau de référence du radon ; guide n° 2 de la REHVA (Ventilation Effectiveness, 2004) pour les notions d'efficacité de ventilation et d'âge de l'air, les valeurs retenues étant des hypothèses d'exemple ; ISO 16890-1:2016 pour la classification des filtres. Normales climatiques de Paris-Montsouris (Météo-France). Tous les nombres de ce chapitre sont calculés par le modèle du cours.