Contrôle intelligent de la Qualité de l'Air Intérieur

Loan LUU - Responsable Marché de la Qualité de l'Air Intérieur Belimo

LA PROBLEMATIQUE : maîtriser efficacement la qualité de l’air

Résumé de cette parole d’expert !

• La maîtrise de la Qualité de l'Air Intérieur (QAI) repose sur une ventilation efficace et ciblée, ajustée en fonction des besoins spécifiques, au bon endroit et au bon moment.
• Les avancées technologiques permettent une approche complète et holistique de la QAI, en traitant l'ensemble des données relatives aux polluants présents.
• Une ventilation à la demande concilie un air sain et une consommation énergétique écologiquement responsable.

Reprenons la problématique, l’analyse et le savoir-faire de BELIMO pour découvrir les solutions.

La qualité de l'air intérieur (QAI) est d'autant plus importante que notre exposition quotidienne en milieu intérieur représente 80% de notre temps. Cela inclut les habitats, les moyens de transports, les espaces de travail ou d'autres espaces clos.

Dans ces espaces, nous sommes inconsciemment exposés à une grande diversité de polluants. La présence d'agents physico-chimiques résulte de nos activités et habitudes, des sources émettrices dans les matériaux de construction et de décoration intérieure, et du transfert entre les environnements extérieur et intérieur.

A court terme, les effets de certains polluants peuvent entraîner des conséquences sur notre acuité mentale dont une diminution de la concentration, des maux de tête ou des irritations. Les effets à long terme de l'exposition chronique à des niveaux même modérés de pollutions, peuvent aussi avoir un impact sur notre santé, notamment au niveau des systèmes respiratoires et cardiovasculaires.

La préservation de notre santé et de notre bien être implique un air propre sans présence de polluants, ou à minima inférieurs aux niveaux réglementaires.

Une surveillance des polluants présents est donc une condition préalable à une stratégie de ventilation adéquate.

ANALYSE ET SAVOIR-FAIRE : maîtriser la QAI avec une ventilation à la demande

Surveillance de la qualité de l'air pour le diagnostic

Le marché offre une vaste gamme de capteurs de visualisation, qui se différencie par le nombre et le type de paramètres mesurés, ainsi que par les technologies de détection.

Bien que ces capteurs ne se substituent pas aux opérations de vérification réglementaires, ils ouvrent de nouvelles perspectives en matière de surveillance environnementale, et comportent d'autres avantages :  

• Un degré de précision suffisamment élevé pour caractériser et estimer les concentrations de certains polluants présents en temps réel.
• Un archivage des données qui permet de monitorer l'évolution des polluants et de comprendre les comportements dynamiques physico-chimiques.
• Un coût modéré qui autorise une utilisation en plus grand nombre et donc une couverture des espaces plus étendue.

Grâce à la visualisation des données, les prises de décision pour appliquer des mesures correctives sont simplifiées, tout en sensibilisant et engageant le personnel envers la QAI.

Le pilotage optimisé de la ventilation pour garantir le résultat

Un système de ventilation mécanique contrôlée (VMC) est la solution la plus utilisée dans les bâtiments. Il garantit un air propre en éliminant les polluants grâce à une dilution et un processus de filtration. Il maintient également un confort hygrothermique approprié.  

Ce système doit répondre aux contraintes réglementaires en vigueur et garantir une consommation énergétique minimale.

La ventilation constante dimensionnée sur le besoin maximum conduit à une surconsommation énergétique. Pour optimiser ces systèmes de ventilation, des approches plus efficientes proposent des fonctionnalités avancées telles que la gestion de l'intermittence, le zoning et l'adaptation aux variations saisonnières.

Le CO₂ n'est pas représentatif de la qualité de l'air intérieur dans son ensemble. Il constitue seulement un seul critère parmi d'autres de la QAI.

Pour garantir un air réellement sain, il convient de prendre en compte la présence d'une multitude d'autres polluants en fonction de la spécificité de chaque espace, tels que :

• Les particules en suspensions (PM2,5 et PM10),
• Les composés organiques volatils (COV),
• Le formaldéhyde,
• Le benzène,
• Le monoxyde de carbone (CO), etc.

Une expertise solide dans le domaine de la QAI sera alors nécessaire pour comparer ces concentrations mesurées aux valeurs guides existantes.

La surventilation impacte négativement la performance énergétique. Il conviendra donc de contrôler le plus efficacement possible cet apport d'air neuf traité et filtré.

Une approche consiste à recueillir les données sur les polluants et à mettre en œuvre une stratégie de régulation qui concilie une bonne qualité de l'air intérieur tout en minimisant les pertes d'énergie. Grâce à ces avancées, la méthodologie évolue d'une simple observation vers une approche proactive et optimisée du pilotage de la ventilation.

Pour répondre à cette demande, il existe plusieurs solutions :

Campagnes ponctuelles / Remédiation à l'instant "t"

Des campagnes de mesures précises et ponctuelles peuvent être effectuées par des méthodes conventionnelles, en s'appuyant sur des bureaux de contrôle et des laboratoires certifiés.

Ils peuvent apporter des préconisations en ce qui concerne la ventilation et la purification de l'air. Toutefois, pour élaborer une stratégie de la ventilation, tenant compte de paramètres tels que la quantité d'air à insuffler dans l'espace, la mise en place d'un mode de régulation et d'une commande associée, il sera nécessaire de consulter des experts de la QAI qui répondront à ces spécificités.

Ces ajustements sont conçus pour traiter une pollution présente à l'instant "t", mais peuvent être plus complexes à mettre en œuvre sur la durée.

Experts de la qualité de l'air / Pilotage à l'aide d'un algorithme personnalisé

Les experts QAI utilisent des techniques avancées d'analyse en combinant des algorithmes sophistiqués et l'apprentissage automatique pour intervenir sur la régulation de la ventilation. Ce procédé présente plusieurs étapes clés :

• L'acquisition et l'analyse des données pour identifier les tendances et les fluctuations des polluants dans le temps.
• La conception de modèles prédictifs à partir des données historiques, basés sur des techniques statistiques et d'apprentissage automatique. Elle permet de prévoir de manière précise l'évolution des niveaux de polluants.
• La création d'un algorithme de régulation à partir des éléments précédents pour ajuster automatiquement les débits d'air.

Ce travail se révèle être exigeant en termes de temps et de complexité. En effet, il implique le traitement d'un historique volumineux de données et le développement de divers algorithmes sur mesure. Ces algorithmes seront enrichis par l'apprentissage automatique, sous la supervision de l'expert QAI. Par conséquent, il peut être coûteux en raison des qualifications nécessaires et de l'investissement requis.

Automatisation évolutive grâce aux algorithmes de QAI

Une alternative plus simple à mettre en œuvre, consiste à utiliser un algorithme développé spécifiquement, capable de prendre en compte les informations sur la QAI, le confort thermique ainsi que d'autres critères (luminosité, bruit) qui impactent le confort des occupants. On fera alors référence à la Qualité de l'Environnement Intérieur (QEI).

Tous les polluants ne doivent pas être traités de la même manière en fonction de leur impact sur la santé, leur niveau de dangerosité, leur relation dose-effet ainsi que le temps d'exposition moyen des occupants à ces composés. Ils sont intégrés dans les valeurs de référence de QAI (Valeur guide réglementaire, Valeur guide de l'air intérieur, Valeur toxique de référence, etc.) pour faciliter la prise de décision.

Cet algorithme traite les données en hiérarchisant les polluants en fonction de leur importance respective, en comparant les concentrations mesurées aux valeurs de référence, puis génère automatiquement un signal de pilotage optimisé.

Cet algorithme peut être intégré dans les systèmes de gestion du bâtiment. Toutefois, il peut également être directement incorporé dans les capteurs de qualité de l'air d'aujourd'hui. Il est possible de regrouper dans un seul produit autonome, un dispositif capable d'assurer à la fois la surveillance de la qualité de l'air, voire de son environnement et le pilotage de la ventilation.  

Ces "smart capteurs" jouent également un rôle crucial pour les utilisateurs finaux, car ils permettent de présenter les résultats et de sensibiliser le personnel, comme le requièrent certains labels de bâtiment tels que le WELL ou le HQE. Ils contribuent à l'obtention de ces labels, garantit une bonne qualité de l'air intérieur, dissipent les inquiétudes des occupants concernant en affichant des résultats.

L'optimisation de la ventilation de manière autonome garantit une bonne qualité de l'air, réduit les coûts énergétiques et l'empreinte carbone des installations. Elle contribue simultanément à notre bien-être individuel et à la préservation de l'environnement.

SOLUTION RECOMMANDEE : multi-capteurs pour optimiser la Qualité de l'Environnement Intérieur (QEI)

Smart multicapteur QAI avec contrôle optimisé de la ventilation

Pour répondre à ces exigences, Belimo propose sa gamme de multicapteur QAI EP5000MMx-N, conçue pour la mesure des composants physico-chimiques.

Les algorithmes intégrés dans le multicapteur simplifient le traitement de l’ensemble des mesures et permettent de maîtriser la qualité de l’air ainsi que le bien-être des usagers, via l’émission d’une consigne unique de ventilation contrôlée en Modbus.

3 modèles disponibles :

EP5000MM-N
Multicapteur QAI Modbus maître avec contrôle de servomoteurs Modbus de Belimo

EP5000MML-N
Multicapteur QAI Modbus maître avec contrôle de servomoteurs Modbus de Belimo et communication hôte sans fil “LoRa”

EP5000MME-N
Multicapteur QAI Modbus maître avec contrôle de servomoteurs Modbus de Belimo et communication hôte sans fil “EnOcean”

Les EP5000MMx-N sont des multicapteurs QAI compacts, à installer en encastré. Ils peuvent mesurer 13 paramètres physico-chimiques de l’air intérieur et fournir 6 indices physiologiques.

La ventilation est assurée par des boîtes à débit variable ou des registres commandés par des servomoteurs de Belimo, communiquant en Modbus RTU avec le multicapteur.

Le multicapteur se comporte en Maître Modbus, et peut gérer jusqu’à 8 servomoteurs. Le commissionnement se fait automatiquement à l’aide de l’application EP5000 QAI probe sur Smartphone NFC Android.

Avantages : adaptabilité, autonomie, accessibilité.

Chaque modèle intègre 2 algorithmes de contrôle PI au choix :

• Mode “valeurs seuils” : consigne de ventilation en fonction de 4 paramètres : CO2, COVt, PM et rH
• Mode “effets physiologiques” : consigne de ventilation via l’algorithme Smart QAI combinant les différents paramètres mesurés

*indicateurs physiologiques basés sur l’algorithme Smart QAI by NanoSense :
- Cognitivité/productivité
- Absence de risque d’irritations
- Santé des occupants
- Qualité du sommeil
- Confort olfactif
- Santé du bâtiment

Application : mode autonome QAI

Multicapteur EP5000MMx-N (Modbus maître) :

Le multicapteur EP5000MMx-N peut être connecté jusqu’à 8 servomoteurs Belimo en protocole Modbus RTU (RS485).
Il mesure en permanence les paramètres physico-chimiques présents dans les espaces monitorés, calcule grâce à ses algorithmes en temps réel les débits de ventilation nécessaire pour optimiser l’apport d’air neuf selon le besoin, et envoie de manière autonome la consigne vers les servomoteurs associés.

La lecture des données et la modification des paramètres du multicapteur et des servomoteurs se fait par l’intermédiaire de l’application EP5000 QAI probe sur Smartphone NFC et peuvent être remontées avec des communications “hôte”.

Remontée d’informations : systèmes de supervision

Multicapteur EP5000MML-N* :

Si l’application nécessite aussi une remontée des mesures de l’air intérieur et des paramètres de fonctionnement des actionneurs vers une application hôte (GTB, supervision, monitoring QAI, etc…), le multicapteur EP5000MML-N dispose d’une interface radio LoRa pour communiquer avec une passerelle LoRa/IP (non fournie).

Une documentation sur le CODEC de l’EP5000 est disponible pour l’implémenter dans la passerelle de son choix. Suivant la passerelle LoRaWAN/IP utilisée, l’application hôte peut accéder aux données de l’EP5000MML-N en lecture (flux ascendants) et en écriture (flux descendants) en Modbus TCP, BACnet IP, RestAPI ou MQTT.

* existe également en version EnOcean (EP5000MME-N)