Hôpitaux et salles propres

Dans un bureau, l'air neuf dilue ce que rejettent les occupants. Dans une salle d'opération, l'air devient un instrument de soin : il doit écarter de la plaie les particules qui portent les bactéries, empêcher l'air des couloirs d'entrer et revenir à l'état propre en quelques minutes. Ce chapitre construit une salle d'exemple sous plafond soufflant, avec son sas et son couloir, et en tire les débits, les temps, les fuites et l'énergie propres à ces locaux.

55.1 Pourquoi ces locaux sont à part

Une bonne part de la contamination d'un site opératoire vient de l'air. Les personnes perdent sans cesse des squames de peau, des fibres et des gouttelettes ; une partie de ces particules porte des micro-organismes, et celles qui se déposent dans la plaie ou sur les instruments ouverts peuvent provoquer une infection. Le risque croît avec la durée de l'intervention et la taille de la plaie : la pose de prothèse orthopédique en est l'exemple classique.

Le traitement d'air protège le patient, en abaissant le nombre de particules au-dessus du champ opératoire. Il protège parfois les autres : une chambre d'isolement pour patient contagieux par voie aérienne fonctionne à l'inverse, en dépression. Et il doit durer : un bloc travaille la nuit et en urgence, ce qui pousse à doubler les ventilateurs et à changer les filtres sans tout arrêter. Trois leviers servent ces buts : filtrer l'air soufflé, souffler assez d'air au bon endroit, et tenir des pressions qui font circuler l'air du plus propre vers le moins propre.

55.2 Classes de propreté particulaire

La propreté d'une salle se mesure en comptant les particules en suspension, par tailles, avec un compteur optique. L'ISO 14644-1, dans son édition de 2015, range les salles en classes ISO 1 à ISO 9 par une formule publiée : la concentration maximale admissible des particules de taille supérieure ou égale à D décroît comme une puissance de la taille.

N est le numéro de classe et D la taille seuil, de 0,1 à 5 µm. Chaque classe autorise dix fois plus de particules que la précédente, et dans la limite d'une classe il y a toujours 120,2 fois plus de particules de 0,5 µm et plus que de 5 µm et plus. Retournée, la formule donne la classe équivalente d'une concentration mesurée :

1. Classe visée. La salle d'exemple vise la classe ISO 5 pour les particules de 0,5 µm et plus.
2. Facteur de taille. (0,1 / 0,5)^2,08 = 0,03517.
3. Limite. 10⁵ × 0,03517 = 3 516,8 particules par m³. La norme publie ses limites à trois chiffres significatifs : 3 520 par m³, soit 3,5 par litre d'air.
4. Lecture. La classe ISO 8 admet 3 520 000 particules par m³ : passer d'ISO 8 à ISO 5, c'est diviser la concentration par 1 000.
5. Grosses particules. La formule donne 29 par m³ à 5 µm pour la classe ISO 5. À si faible concentration, l'échantillon ne contient presque rien et le comptage n'est plus représentatif : l'édition de 2015 ne classe plus les salles les plus propres sur cette taille et propose au besoin un descripteur de macroparticules.

Une classe n'a de sens qu'avec son état d'occupation : la norme distingue la salle telle que construite, au repos (équipements en place, sans personnel) et en activité. En pleine intervention, une salle émet bien plus qu'au repos ; c'est pourquoi les textes fixent leurs exigences dans un état défini, et pourquoi le débit doit savoir ramener la salle à cet état.

55.3 Zones à risque des établissements de santé

En France, la NF S 90-351 (avril 2013) traite des zones à environnement maîtrisé des établissements de santé. D'après les présentations publiques qui en sont faites, elle classe les locaux en zones de risque, de la zone 1 (risque faible) à la zone 4 (risque très élevé, salles où l'on implante des prothèses par exemple), et associe à chaque zone trois familles de performances : une classe particulaire, exprimée en classes ISO ; une classe de cinétique de décontamination, qui fixe le temps que met la salle pour éliminer 90 % d'une contamination, c'est-à-dire le t₉₀ de la section 55.5 ; une classe bactériologique, qui plafonne le nombre d'unités formant colonie par m³ d'air. Elle pose aussi le principe d'une cascade de pressions entre zones.

Les valeurs de chaque zone, l'état d'occupation où elles se vérifient et les tolérances sont à lire dans le texte en vigueur. Ce chapitre retient seulement des valeurs d'exemple couramment rencontrées pour la zone la plus exigeante : classe ISO 5 sous le flux, et 15 Pa entre deux locaux de classes différentes. Ce sont des hypothèses de travail, pas une lecture de la norme.

55.4 Diluer ou balayer

La dilution par mélange est celle du chapitre 33 : des diffuseurs à induction brassent tout le volume, la concentration devient à peu près uniforme et baisse d'autant plus vite que le débit est grand. Elle suffit pour la plupart des locaux d'un hôpital : à 20 volumes par heure, la salle d'exemple recevrait 2 730 m³/h.

Le flux unidirectionnel, qu'on appelle souvent flux laminaire bien qu'il ne le soit pas au sens de la mécanique des fluides, procède autrement. Un plafond soufflant, caisson garni de filtres à très haute efficacité et fermé par une toile de diffusion, envoie vers le bas un air propre à faible vitesse, en filets presque parallèles. Sous le plafond, l'air ne mélange pas : il chasse les particules émises au-dessus de la plaie vers le sol, puis vers les reprises basses placées dans les angles. La zone protégée est celle que couvre le plafond, ni plus ni moins.

Ce piston d'air est fragile. Les filets s'évasent près du sol, s'écartent autour des têtes et de la coupole du scialytique et laissent des sillages où l'air tourne ; les panaches chauds des corps et des lampes remontent contre le flux, et gagnent si la vitesse est trop faible. On rencontre couramment des vitesses de sortie de 0,20 à 0,30 m/s : assez pour tenir le flux jusqu'à la table, pas assez pour gêner l'équipe.

1. Salle. 7,0 × 6,5 m, soit 45,5 m², et 3,0 m sous plafond : V = 136,5 m³.
2. Surface soufflée. Plafond de 3,0 × 3,0 m centré sur la table : S = 9,00 m², 19,8 % du sol.
3. Débit. À v = 0,25 m/s, Q = v · S = 2,250 m³/s, soit 8 100 m³/h.
4. Taux de brassage. n = Q / V = 8 100 / 136,5 = 59,3 volumes par heure.
5. Sensibilité. À 0,20 m/s, 6 480 m³/h et 47,5 h⁻¹ ; à 0,30 m/s, 9 720 m³/h et 71,2 h⁻¹. Agrandir le plafond pour couvrir les tables d'instruments coûte autant que d'accélérer l'air.
6. Ordre de grandeur. 178 m³/h par m² de sol, contre 2,31 pour le plateau de bureaux de l'installation de référence : 77 fois plus d'air par mètre carré.

55.5 Revenir à l'état propre

Une porte qui s'ouvre ou une personne qui entre relâchent une bouffée de particules. Dans un local bien mélangé, le bilan est simple : l'air soufflé, filtré, n'apporte presque rien, et l'air repris emporte la concentration du moment.

n est le taux de brassage et ε l'efficacité de ventilation : 1 en mélange parfait, moins quand une partie de l'air soufflé file droit aux reprises. Le chapitre 15 la définit au § 15.7, la rapproche de l'âge de l'air et compte lui aussi un débit utile ε · Q ; ici, on la fait varier. Le rapport de 100 à 1 est celui de l'essai de récupération de l'ISO 14644-3:2019.

1. Salle à 59,3 h⁻¹. t₉₀ = ln 10 / 59,3 h = 2,33 min ; t₁₀₀ = 4,66 min.
2. Simple dilution à 20 h⁻¹. t₉₀ = 6,91 min ; t₁₀₀ = 13,82 min : 2,97 fois plus lent, exactement le rapport des débits.
3. Mélange imparfait. Avec ε = 0,7 : 3,33 et 6,65 min à 59,3 h⁻¹, 9,87 et 19,74 min à 20 h⁻¹.
4. Retour à la classe visée. De 3 520 000 particules par m³, la limite ISO 8, à la limite ISO 5 de 3 517 : 6,99 min à 59,3 h⁻¹, 20,73 min à 20 h⁻¹.

Ce calcul est prudent pour la zone protégée : sous un flux tenu, l'air qui baigne la plaie vient directement des filtres. Il vaut pour le reste du volume, et c'est lui que mesure l'essai de récupération.

55.6 Cascade de pressions, sas et portes

Une salle propre est en surpression sur ses voisins, pour que l'air fuie vers l'extérieur. La surpression ne se règle pas directement : elle naît d'un débit de transfert, la différence entre l'air neuf soufflé et l'air extrait, qui ne trouve d'issue que par les jeux des portes et les traversées. Chaque ouverture se comporte comme un orifice :

avec C_d = 0,65, ordre de grandeur courant pour un jeu ou une baie, et ρ = 1,2 kg/m³. Le débit croît comme la racine de la surpression : il faut quatre fois plus de pression pour doubler une fuite.

1. Fuites. Porte coulissante de 1,40 × 2,10 m avec un jeu de 2 mm sur 7,0 m de pourtour : 0,0140 m². Autres défauts d'étanchéité supposés : 0,016 m². Total : 0,030 m².
2. Vitesse à 15 Pa. √(2 × 15 / 1,2) = 5,000 m/s, ramenée à 3,25 m/s en moyenne dans le jeu par la contraction.
3. Débits. Par le jeu de la porte, 163,8 m³/h ; par toute la salle, 351 m³/h. C'est le débit de transfert à tenir : 17,5 % de l'air neuf, 4,3 % du soufflé. Avec 2 000 m³/h d'air neuf, l'extraction reprend 1 649 m³/h. À 5 Pa, il suffirait de 202,6 m³/h ; à 30 Pa, il en faudrait 496,4.
4. Porte ouverte. La baie offre 2,94 m². Pour y tenir encore 15 Pa, il faudrait 34 749 m³/h, bien plus que tout le soufflage. Avec les 351 m³/h réels, la surpression tombe à 0,0015 Pa et l'air sort à 0,033 m/s en moyenne : la cascade a disparu.

La surpression effondrée, c'est la température qui commande. Entre une salle à 20 °C et un sas à 22 °C, l'écart relatif de masse volumique vaut 0,00680 : dans la baie, l'air froid de la salle sort par le bas et l'air du sas entre par le haut. L'écoulement bidirectionnel de Brown et Solvason donne le débit dans chaque sens :

Pour la porte d'exemple, sans débit net, 858 m³/h dans chaque sens, à 0,162 m/s en moyenne. Le transfert sortant relève le plan neutre, où les deux courants s'équilibrent, sans le chasser : la pression variant linéairement avec la hauteur, l'entrée ne s'annule qu'à un débit net de 2^1,5, soit 2,83 fois l'échange, plan neutre au linteau. Avec 351 m³/h, 690 m³/h d'air du sas entrent encore. Une ouverture de 20 s en fait passer 3,83 m³, 2,8 % du volume. Si le sas est à la limite ISO 7, la salle monte à 9 880 particules par m³, classe équivalente 5,45, et revient sous la limite ISO 5 en 1,04 min à 59,3 h⁻¹, en 3,10 min à 20 h⁻¹. Annuler l'entrée porte grande ouverte demanderait 2 428 m³/h de transfert, encore 1 718 m³/h avec 1 K d'écart. Le transfert ne l'emporte qu'en deçà de 14,5 % d'ouverture environ ; à 30 %, il ramène l'entrée de 257 à 105 m³/h.

D'où le sas : un volume tampon entre deux portes qui ne s'ouvrent jamais ensemble, en pression intermédiaire, pour qu'une ouverture n'expose la salle qu'à de l'air déjà propre. L'exemple prend deux marches de 15 Pa, salle sur sas et sas sur couloir, affichées à chaque porte par un indicateur de pression différentielle dont la lecture n'a de sens que porte fermée.

55.7 Filtrer jusqu'au bout

Les filtres terminaux du plafond, à très haute efficacité, sont placés au plus près de la salle pour que rien ne recharge l'air après eux. L'EN 1822-1:2019 et, au plan international, l'ISO 29463-1:2024 les classent en familles E, H et U selon leur efficacité à la taille de particule la plus pénétrante (MPPS), là où le média arrête le moins bien ; H13 et H14 sont courants en salle d'opération. En amont, des filtres classés selon l'ISO 16890 retiennent l'essentiel de la charge et prolongent la vie des filtres terminaux.

Un tel filtre ne vaut que par son montage : un joint mal serré ou un caisson non étanche laissent passer bien plus d'air non filtré que le média. Les caissons sont donc étanches, avec des joints à fluide ou à lèvre, et chaque filtre installé subit un essai d'intégrité décrit par l'ISO 14644-3 : un aérosol dispersé en amont, une sonde qui balaie lentement à l'aval toute la face et le joint ; une fuite locale se voit aussitôt. Le média se charge avec le temps et le ventilateur doit compenser pour garder le débit, faute de quoi vitesse et cascade dérivent ensemble (chapitre 71).

55.8 Température et humidité

Une salle d'opération se règle salle par salle : air frais pour une équipe sous blouse, gants et lampes pendant des heures, air plus chaud pour éviter l'hypothermie d'un enfant ou d'un grand brûlé. Le confort se juge comme au chapitre 14, avec une vêture lourde et une activité soutenue. L'exemple retient 20 °C. L'humidité se tient dans une plage : assez contre l'électricité statique et le dessèchement des muqueuses, pas trop contre les condensations. À 20 °C et 50 %, l'air contient 7,24 g/kg ; l'exemple plafonne l'air neuf à 7,0 g/kg, ce qui oblige à refroidir sous 8,75 °C puis à réchauffer (chapitre 37), et le relève par de la vapeur à 5,8 g/kg au moins (chapitre 38). Le texte de référence et le projet médical fixent les vraies consignes.

55.9 Ce que coûte l'air propre

Souffler 8 100 m³/h tout en air neuf obligerait à chauffer, refroidir, sécher et humidifier tout ce débit. On recycle donc l'air repris à travers les filtres et l'on n'introduit que l'air neuf utile à l'hygiène, aux gaz anesthésiques et au transfert : l'exemple recycle 6 100 m³/h et prend 2 000 m³/h d'air neuf, 24,7 % du soufflé, encore 14,7 volumes par heure. Hors occupation, la salle doit rester propre et en surpression, pas prête à opérer : la réduction de débit est l'économie majeure, à condition de garder la cascade.

1. Ventilateurs. 900 Pa au soufflage, 1 200 Pa sur l'air neuf, 450 Pa à l'extraction, rendement global 0,60 (chapitre 31) : 3 375 + 1 111 + 344 = 4 830 W.
2. Mode réduit. 50 % du soufflé et de l'air neuf, transfert gardé à 351 m³/h : 4 050 m³/h soufflés, 1 000 d'air neuf, 649 extraits, 811 W, soit 16,8 % du nominal. La loi du cube promettait 12,5 % ; les filtres, dont la perte de charge suit le débit et non son carré, en retiennent une part.
3. Air neuf. Récupération sur l'air extrait par boucle à eau glycolée d'efficacité 0,5, sans contact entre les airs (chapitre 40). Par −7 °C, il reste 9 999 W de chauffage et 7 816 W de vapeur ; par 25 °C, 21 414 W de froid pour sécher et 6 960 W de réchauffage (chapitres 36 et 37).
4. Année sans réduction. Climat de Paris-Montsouris du modèle commun du cours, 3 129 heures occupées et 5 631 réduites. Ventilateurs 42 308 kWh, chaleur 44 946 kWh, froid 39 904 kWh (7 652 kWh électriques), vapeur électrique 9 622 kWh : 59 581 kWh d'électricité, 1 309 kWh/m².
5. Avec réduction. Ventilateurs 19 676 kWh, chaleur 31 648 kWh, froid 27 078 kWh, vapeur 6 529 kWh : 31 397 kWh d'électricité, 690 kWh/m². Les ventilateurs gagnent 53,5 %, l'électricité 47,3 %, la chaleur 29,6 %.
6. Comparaison. Même réduit, le seul traitement d'air de la salle consomme par mètre carré 12,3 fois l'électricité totale du plateau de bureaux de référence, éclairage et bureautique compris (56,2 kWh/m²).

Le réchauffage après séchage pèse lourd : 54,6 % de la chaleur sans réduction, 52,6 % avec. Une consigne de séchage pas plus basse que nécessaire en est le premier remède. Le calcul ignore les apports internes de la salle, se fait à la moyenne journalière et suppose l'humidité extérieure : c'est un ordre de grandeur.

55.10 Réception et requalification

Une salle propre se prouve par la mesure, à la réception puis périodiquement (chapitre 69) : débits et vitesse sous le plafond, différences de pression et leur sens dans tous les modes de marche, intégrité des filtres installés, classe particulaire avec le nombre de points de l'ISO 14644-1, temps de récupération, température et humidité. Les prélèvements bactériologiques relèvent de l'équipe d'hygiène, avec qui l'exploitant partage le suivi (chapitre 73). Le mode réduit s'essaie comme le nominal : la salle y passe la majorité de l'année.

55.11 Salles propres industrielles

La même physique sert la microélectronique, l'optique ou la pharmacie. Les classes y descendent plus bas, jusqu'aux premières classes ISO pour les semi-conducteurs, et des salles entières sont sous flux unidirectionnel, reprises par un faux plancher ajouré. La pharmacie suit en Europe les bonnes pratiques de fabrication, avec leurs propres classes de A à D. On y confine souvent le produit dans un minienvironnement ou un isolateur plutôt que de rendre propre tout le local.

55.12 Erreurs fréquentes

Les portes laissées ouvertes, ou ouvertes ensemble sur le sas, sont l'erreur la plus courante : la surpression disparaît et l'échange thermique prend le relais. Un scialytique au-dessus de la plaie, une équipe penchée ou un plateau sous le plafond cassent le flux juste là où il faudrait de l'air propre. Des reprises masquées par un chariot ralentissent la récupération. Enfin, une réduction mal réglée peut inverser la cascade : réduire de moitié l'air neuf et l'extraction ensemble fait tomber le transfert à 175,5 m³/h et la surpression à 3,75 Pa ; réduire l'air neuf en gardant l'extraction donne −649 m³/h et −51,3 Pa, la salle aspirant l'air du couloir. Asservir l'extraction à la surpression mesurée et mettre une alarme sur chaque indicateur évitent ce piège.

À retenir

• La classe ISO se calcule : C_n = 10^N (0,1 / D)^2,08 ; ISO 5 admet 3 520 particules de 0,5 µm et plus par m³.
• Le flux unidirectionnel ne protège que la zone sous le plafond ; 0,25 m/s sur 9 m² font déjà 8 100 m³/h et 59,3 volumes par heure.
• Une contamination se divise par 100 en ln 100 / (ε n) : 4,66 min à 59,3 h⁻¹, 13,82 min à 20 h⁻¹.
• La surpression naît d'un débit de transfert à travers les fuites, 351 m³/h pour 15 Pa ici ; porte ouverte, rien ne la tient.
• Les filtres terminaux ne valent que par l'étanchéité de leur montage.
• Réduire le débit hors occupation divise presque par deux l'électricité, à condition de garder le transfert.

Sources publiques : ISO 14644-1:2015 (formule de classification) ; ISO 14644-3:2019, méthodes d'essai ; NF S 90-351 (avril 2013), citée par ses principes ; EN 1822-1:2019 et ISO 29463-1:2024, filtres à très haute efficacité ; ISO 16890-1:2016 ; W. G. Brown et K. R. Solvason, « Natural convection through rectangular openings in partitions », International Journal of Heat and Mass Transfer, 1962 ; ASHRAE Handbook, HVAC Applications, chapitres sur les établissements de santé et les salles propres ; W. Whyte, Cleanroom Technology, Wiley, 2010 ; normales de Paris-Montsouris (Météo-France) et méthode de Hitchin par le modèle commun du cours. Nombres : le modèle du cours, qui importe le modèle commun du cours.