Solutions optimales de filtration pour la réduction des concentrations intérieures en particules ultrafines dans les bâtiments tertiaires
Acronyme : AQACIA 2024 - NANOFIL
Programme : AQACIA 2024 - Gérer les pollutions à l’ozone et sectorielles
Mots-clés : Qualité de l'air
Contexte : Les problématiques de qualité de l’air intérieur (QAI) ont sensiblement évolué depuis dix ans, sous l’effet conjugué des règlementations européennes, de la règlementation française, et des progrès technologiques qui tendent à éradiquer certaines substances de l’air intérieur et à en faire émerger d’autres. Dans le même temps, la médiatisation des épisodes de pollution atmosphérique et les préoccupations sociales grandissantes en matière de qualité de l’air ont contribué à remettre au goût du jour la problématique des transferts de polluants atmosphériques de l’extérieur vers l’intérieur des bâtiments, avec pour nouvelle toile de fond les inégalités sociales relatives aux bâtiments situés à proximité des sources de pollution atmosphérique et la nécessaire refonte des politiques d’urbanisme pour intégrer les questions d’exposition globale à la pollution de l’air. Les risques sanitaires afférents à la pollution atmosphérique par les particules en suspension sont connus depuis longtemps. Ce constat, combiné à celui maintes fois établi de la prépondérance du temps de résidence des populations dans des environnements intérieurs, a conduit l’OMS à opter en 2021 pour une approche holistique des risques sanitaires résultant de l’exposition aux particules : d’une part il n’est plus fait de distinction entre exposition extérieure et intérieure, et d’autre part les valeurs guides pour une exposition sur le long terme ont été abaissées à 5 µg/m3 pour les PM2.5, et à 15 µg/m3 pour les PM10, en moyennes annuelles, sur la base des nouvelles connaissances scientifiques. En revanche, aucune valeur guide n’existe pour les particules ultrafines, dont les preuves d’effets délétères sur la santé s’accumulent pourtant depuis une décennie : effets cardiovasculaires, cancérigènes, respiratoires, et sur le développement. La méta-analyse des facteurs d’infiltration et des ratios de concentrations intérieure / extérieure des principaux polluants atmosphériques qui a été réalisée par l’ANSES montre que les transferts extérieur / intérieur constituent la première source d’émission des particules dans les bâtiments. Elle cible donc la filtration de l’air de ventilation comme le premier levier à activer pour réduire l’exposition à l’intérieur des bâtiments disposant d’un système de VMC par insufflation (ventilation double-flux ou centrale de traitement d’air), c’est-à-dire principalement les bâtiments tertiaires. Les normes internationales traitant de la filtration mécanique de l’air dans les bâtiments ont évolué au cours des dernières années. La norme NF EN ISO 16890 (2017), qui a succédé à la norme NF EN 13779, classe désormais les filtres en 4 groupes et 49 classes reflétant leur efficacité de filtration à attendre vis-à-vis des PM10, des PM2.5 et des PM1. La norme NF EN 16798-3 (2017) indique quant à elle l’efficacité globale de la chaîne de filtration à atteindre pour satisfaire une certaine classe de qualité de l’air insufflé (5 classes), définie en termes de concentrations en PM2.5 et en PM10, en fonction de la classe de qualité de l’air extérieur (3 classes). Enfin, la norme NF EN 13053 (2019) définit à quel moment les filtres doivent être renouvelés, principalement sur des critères de perte de charge atteinte.
Description : Le projet NANOFIL concerne la problématique des transferts de particules ultrafines (PUF ou PM0.1) de l’extérieur vers l’intérieur des bâtiments ventilés par insufflation d’air dans les locaux (centrales de traitement d’air ou VMC double-flux). Il vise à caractériser l’abattement de concentrations en PUF que peut procurer la filtration mécanique de l’air de ventilation, en fonction des caractéristiques de la pollution de l’air extérieur et du type de filtres mis en place dans l’installation. Le projet NANOFIL se compose de 5 lots techniques / scientifiques (lots 1 à 5) et d’un lot correspondant aux tâches de coordination, communication et valorisation (lot 6). Lot 1 : Caractérisation de la pollution de l’air extérieur par les particules ultrafines Responsable : ATMO Nouvelle-Aquitaine L’objectif de ce lot est dans un premier temps de compléter les connaissances existantes en produisant des profils granulométriques par typologie d’influence de site, en tenant compte de la saisonnalité. Le traitement se basera sur un large volume de données nationales et européennes (tâche 1.1). Les données collectées serviront également à construire un modèle de machine learning pour la reconstitution des concentrations de PUF à l’échelle horaire (tâche 1.2). Tâche 1.1 Collecte et synthèse des jeux de données existants sur la mesure des PUF en France et en Europe (8 mois à partir de T0) La première tâche consistera à réunir dans une base de données accessible au partenaire l’ensemble des jeux de données de mesures et métadonnées des PUF. La diversité dans les technologies utilisées et dans le détail granulométrique (classes de tailles) des résultats de mesures pour les PUF sera géré à travers un important travail de classement et d’homogénéisation de la donnée. Afin de compléter les données disponibles, des mesures seront réalisées par ATMO Nouvelle-Aquitaine sur l’agglomération de Bordeaux Métropole, avec un CPC (Condensation Particule Counter). La durée cumulée des mesures sera de 2 mois. A l’issue de la phase de collecte des données et métadonnées, un travail de définition des profils types de concentrations de PUF sera réalisé par typologie d’influence et par saison. Ces résultats seront utilisés comme données d’entrée des travaux prévus dans le lot 3. Tâche 1.2 : Génération de séries temporelles de concentrations extérieures en PUF par modélisation de type Machine Learning (8 mois à partir de T0 + 4 mois) Un des enjeux de la tâche 1.2 sera ainsi de tester plusieurs modèles de type machine learning pour identifier le(s) plus générique(s) d’entre eux. Les résultats de la tâche 1.2 alimenteront les travaux du lot 5. Productions attendues lot 1 : Mesures de concentrations en PUF dans l’air extérieur (P1.1) / Typologie de profils granulométriques de PUF (P1.2) / Séries temporelles de concentrations en PUF (P1.3) Lot 2 : Mesure de l’efficacité de filtration des PUF et de la perte de charge des filtres à air de ventilation générale Responsable : LaSIE/La Rochelle Université Les travaux prévus dans le cadre du lot 2 visent à mesurer l’efficacité spectrale de filtration des PUF par les filtres à air de ventilation générale à l’état neuf, et à caractériser l’évolution conjointe de la perte de charge et de l’efficacité globale de filtration des particules de toutes tailles avec le colmatage des filtres. Tache 2.1 : Constitution de l’échantillon de filtres à tester (4 mois à partir de T0) Il est prévu qu’un maximum de 30 filtres soient testés. La sélection des filtres sera effectuée sur la base des considérations suivantes : niveau de filtration, géométrie des filtres, et données existantes. Tache 2.2 : Mesure de l’efficacité spectrale et de la perte de charge des filtres neufs et usagés (15 mois à partir de T0 + 3 mois) Les mesures seront réalisées sur le banc d’essai du LaSIE, qui est de type veine d’air. Les filtres seront testés individuellement, dans leurs conditions nominales de fonctionnement (3600 m3/h soit une vitesse frontale de 2,7 m/s). Quelques filtres seront également testés à un débit plus faible pour caractériser l’influence de ce paramètre sur l’efficacité de filtration des PUF. Deux types de générateurs d’aérosol pourront être mobilisés pour les essais : le générateur de poudres PALAS BEG-1000 et le générateur d'aérosol GRIMM 7811. Capteurs et mesures réalisées : capteur de pression différentielle qui mesure la perte de charge du filtre, mesures des concentrations en nombre des particules en amont et en aval des filtres. La manière dont le vieillissement des filtres (augmentation du colmatage) sera réalisé reste à déterminer. Production attendue lot 2 : Base de données compilant les pertes de charge et les efficacités des filtres à air de ventilation générale neufs et usagés vis-à-vis des PM10, PM2.5, PM1 et PM0.1 (P2.1) Lot 3 : Evaluation de l’efficacité de filtration des PUF suivant les recommandations de la norme NF EN 16798-3 (6 mois à partir de T0 + 17 mois) Responsable : LaSIE/La Rochelle Université La méthode utilisée combinera les résultats des lots 1 et 2. Elle se compose des deux étapes suivantes, qui seront répétées pour chacune des combinaisons de classes de qualité de l’air extérieur (ODA) et insufflé (SUP) : Détermination des ncf chaînes de filtration qui permettent d’atteindre l’efficacité globale de filtration spécifiée par la norme NF EN 16798-3, pour la combinaison ODA/SUP ; Pour chacune des ncf chaînes de filtration, calcul de l’efficacité intégrale de filtration des PUF pour chaque combinaison de profil granulométrique de PUF associé à la classe ODA et d’efficacité spectrale de filtration des PUF mesurée pour les classes de filtres qui composent la chaîne de filtration. Productions attendues lot 3 : Efficacités de filtration des PUF pouvant correspondre aux recommandations de la norme NF EN 16798-3 (P3.1) - Analyse des corrélations entre efficacités en PM0.1 et efficacités en PM1, PM2.5 et PM10 (P3.2) Lot 4 : Méthode/ outil d’aide à la décision pour la conception de la chaîne de filtration (9 mois à partir de T0 + 21 mois) Responsable : LaSIE/La Rochelle Université Le lot 4 a pour objectif de développer un outil d’aide à la décision pour la sélection des filtres à particules à mettre en place dans un bâtiment, ce dernier étant caractérisé par le niveau de pollution de l’air extérieur du site d’implantation. Cet outil, à destination des prescripteurs et des bureaux d’étude, utilisera comme données d’entrée les profils types de concentrations extérieures issus du lot 1, et les efficacités de filtration mesurées dans le cadre du lot 2, pour les filtres neufs et chargés en particules. Quatre critères seront considérés pour hiérarchiser les différentes solutions de chaînes de filtration et identifier la ou les plus adaptées : l’efficacité globale de filtration (résultat du lot 3) ; la consommation ou le coût énergétique annuel de la filtration ; le coût annuel afférent au renouvellement des filtres ; et l’impact environnemental. L’outil pourra être développé sous MS Excel, avec un fichier téléchargeable depuis le site internet du LaSIE pour faciliter sa diffusion auprès des professionnels concernés. Productions attendues lot 4 : Outil numérique (P4.1) / Document décrivant les méthodes utilisées (P4.2) / Notice d’utilisation de l’outil (P4.3) Lot 5 : Modélisation de la réduction des concentrations intérieures en PUF par la filtration de l’air Responsable : LaSIE/La Rochelle Université Le lot 5 vise à établir la correspondance entre concentrations en PUF dans l’air insufflé et concentrations en PUF dans l’air intérieur. Tache 5.1 : Développement du modèle SIMPM (4 mois à partir de T0) Le modèle SIMPM est un modèle récent qui a été développé au LaSIE dans le cadre des projets WINFIL (ANR, 2024) et EVOLUTION (ADEME, 2024). Les développements numériques prévus visent à améliorer la finesse de la représentation des phénomènes qui gouvernent les transferts de particules ultrafines, en intégrant à SIMPPM des modèles élémentaires de condensation/évaporation, et d’adsorption/désorption sur les particules. Tache 5.2 : Simulations numériques et analyse comparée des concentrations intérieures et extérieures en PUF (7 mois à partir de T0 + 28 mois) Les simulations numériques cibleront deux types de bâtiments tertiaires : les immeubles de bureau et les écoles. les simulations seront réalisées sur des périodes de 24 h, en utilisant les séries temporelles de concentrations extérieures en PUF générées dans le cadre du lot 1. La base de données PANDORA et les données issues de la littérature scientifique seront quant à elles exploitées pour définir des scénarios d’émission internes en particules représentatifs de bureaux et de salles de classe. Productions attendues lot 5 : Fonctionnalités de l’outil de simulation des concentrations en PUF dans l’air intérieur (P5.1) / Analyse des bénéfices sanitaires et des coûts induits par la filtration de l’air de ventilation (P5.2) Lot 6 : Coordination, communication et valorisation des résultats Responsable : LaSIE/La Rochelle Université Tâche 6.1 : Pilotage Le pilotage du projet par le LaSIE consistera à faire le lien technique et scientifique entre les deux partenaires du projet et l’ADEME ; organiser les comités de suivi ; rédiger les comptes rendus de réunion et/ou relevés de décision ; veiller au bon déroulement du projet ; présenter ou représenter le projet à l’occasion de diverses manifestations ; coordonner la rédaction du rapport intermédiaire et du rapport final. Tâche 6.2 – Communication et valorisation La valorisation scientifique se fera par le biais d’articles soumis dans des revues de bon rang, et de communications dans des conférences thématiques internationales, associant les deux partenaires. Les résultats et les réalisations (outil numérique développé dans le lot 4 notamment) pourront également faire l’objet d’une proposition de publication dans une revue technique du bâtiment ou du génie climatique (CVC, CFP, REHVA european HVAC journal, etc.) afin de toucher directement les professionnels concernés. Une page web dédiée au projet sera créée. La percolation des résultats jusqu’aux pratiques de terrain est aussi à envisager via la formation initiale ou continue des professionnels de la ventilation et du conditionnement d’air. Enfin, La Rochelle Université comme ATMO Nouvelle-Aquitaine accordent une attention toute particulière à la communication de leurs activités et résultats de recherche auprès du grand public. Productions attendues lot 6 : Communications(s) (P6.3) et publication(s) scientifique(s) (P6.4) / Support(s) destiné(s) à la communication auprès du grand public (P6.5) / Thèse de doctorat
Objectifs et résultats attendus : Le projet NANOFIL vise à combler les lacunes des normes actuelles en mesurant l’efficacité spectrale des filtres de ventilation générale dans le domaine des PUF (10-100 nm), en identifiant d’éventuelles corrélations avec l’efficacité mesurée pour des particules de taille plus importante (suivant la norme NF EN ISO 16890), et en étudiant la correspondance entre efficacité globale de filtration des PUF (ou concentrations en PUF dans l’air insufflé) et concentrations en PUF dans l’air intérieur. L’objectif du projet est d’acquérir des données sur l’efficacité des filtres de ventilation générale dans le domaine des particules ultrafines afin : d’identifier des géométries de filtres (poches, polydièdres, panneau, etc.) qui favorisent la captation des PUF ; de déterminer à quelle efficacité de filtration des PUF correspondent les recommandations de la norme NF EN 16798-3 (recommandations définies donc pour les PM10, PM2.5 et PM1) ; de développer une méthode de sélection des filtres à installer dans un bâtiment sur des critères d’optimalité en termes d’efficacité, de consommation énergétique (ventilateurs), de coût économique (renouvellement des filtres) et d’impact environnemental (émissions de GES). Il vise également, par une approche de modélisation, à caractériser la réduction des concentrations en PUF qui peut être obtenue dans une école ou un immeuble de bureaux en fonction des caractéristiques de l’aérosol extérieur et des filtres mis en place dans l’installation de ventilation. Par ailleurs, le consortium participera aux actions de restitution AQACIA des résultats finaux acquis, notamment le colloque de restitution.
Bénéficiaire : ATMO NOUVELLE AQUITAINE
Localisation : Mérignac, Nouvelle-Aquitaine, FRANCE
Début : 01/09/2025 — Durée : 36 mois
Budget total : 213101.56 € — Aide ADEME : 132173.56 €
Statut : Suivi du projet