Système de ventilation de laboratoire médical

L’emplacement du local technique de climatisation de la salle blanche influe directement sur le coût du projet, le bruit et les performances de la climatisation. C’est pourquoi l’aménagement de ce local doit être étudié dans sa globalité dès la phase de conception du plan d’étage. Il est préférable de placer le local technique de climatisation de la salle blanche à proximité des salles blanches nécessitant de grands débits d’air soufflé, afin de réduire au maximum la longueur des parcours de gaines.

Toutefois, pour la prévention du bruit et des vibrations, le local technique doit être séparé de la salle blanche. Ces deux aspects doivent être pris en compte. Il existe plusieurs modes de séparation :

1. Séparation structurelle

• 1.1 Séparation par joint de tassement : le joint de tassement est placé entre la salle blanche et le local technique et fait office de séparateur.
• 1.2 Séparation par mur à vide d’air : si le local technique est directement adjacent à la salle blanche, au lieu de partager une seule cloison, chaque espace dispose de sa propre cloison, un vide d’air d’une largeur déterminée étant ménagé entre les deux murs.
• 1.3 Séparation par local auxiliaire : un local auxiliaire est placé entre la salle blanche et le local technique pour faire office d’espace tampon.

2. Aménagement distribué

• 2.1 Distribution sur la toiture ou au-dessus des plafonds suspendus.
• 2.2 Distribution sous le niveau du sol : le local technique est installé au sous-sol.

Il va sans dire qu’en raison des débits d’air importants et des équipements de filtration d’air supplémentaires, le local technique d’un système de climatisation pour salle blanche est plus grand que celui d’un système de climatisation classique ; il faut tenir compte de la zone propre, calculer les dimensions des unités et réserver un espace suffisant pour le local technique.

Section 2 Système de ventilation des laboratoires médicaux

I. Notions fondamentales de la ventilation

• 1. Notions de ventilation et de sorbonne à fumées : la ventilation consiste à évacuer l’air intérieur contaminé vers l’extérieur, directement ou après purification, et à introduire de l’air neuf, afin de maintenir des conditions d’air intérieur conformes aux normes d’hygiène et aux exigences des procédés de production ; la première opération est appelée air extrait, la seconde air soufflé. Une sorbonne à fumées peut être simplement assimilée à une enceinte associée à un ventilateur : les gaz générés dans l’enceinte sont aspirés par le ventilateur puis rejetés dans l’atmosphère en toute sécurité.
• 2. Classification de la ventilation : selon la force motrice, les systèmes de ventilation se divisent en ventilation naturelle et ventilation mécanique ; la ventilation mécanique se subdivise elle-même en ventilation générale (par dilution) et ventilation locale. La ventilation générale est une méthode qui permet de ventiler l’intégralité d’une pièce ; la ventilation locale limite la zone de ventilation aux endroits où les substances nocives sont concentrées ou où le personnel travaille fréquemment, tels que les sorbonnes à fumées, les bras d’extraction articulés et les hottes d’absorption atomique.
• 3. Ventilation de laboratoire : la ventilation de laboratoire est la technologie qui permet de maîtriser l’influence et les dommages des substances dangereuses de laboratoire sur les environnements aériens intérieurs et extérieurs.

II. Objectifs et exigences de la ventilation

La ventilation de laboratoire diffère de la conception de la ventilation des systèmes de climatisation de confort ; son objectif principal est de fournir un environnement de travail sûr et confortable et de réduire le risque d’exposition du personnel à des environnements dangereux. La ventilation vise principalement à garantir la santé et la protection du travail du personnel de laboratoire dans son environnement de travail.

III. Principe de l’air neuf

Un système d’air neuf fonctionne selon le principe suivant : des équipements dédiés insufflent de l’air neuf dans une pièce fermée d’un côté, tandis que des équipements dédiés évacuent l’air vers l’extérieur de l’autre côté, créant un « champ d’écoulement d’air neuf » à l’intérieur qui répond au besoin d’échange d’air neuf intérieur. Sa mise en œuvre est la suivante : un moteur sans balais à courant continu à grande vitesse, à haute hauteur manométrique, haut débit et faible puissance, entraîne un ventilateur centrifuge ; l’air est introduit de force dans la pièce d’un côté par énergie mécanique, et un ventilateur d’extraction d’air neuf spécialement conçu évacue l’air vers l’extérieur de l’autre côté, contraignant la formation d’un champ d’écoulement d’air neuf dans le système. Pendant l’insufflation de l’air, l’air entrant est filtré, stérilisé, désinfecté, enrichi en oxygène et préchauffé (en hiver). Lorsque l’air extrait traverse l’unité principale, la chaleur est récupérée et échangée avec l’air neuf, et la majeure partie de l’énergie récupérée est renvoyée à l’intérieur avec l’air neuf. En s’inspirant du schéma de formation d’espace propre sur une grande surface, l’air pénétrant dans la pièce est garanti propre, permettant ainsi d’obtenir une purification de l’air intérieur.

Les systèmes d’air neuf se divisent en : systèmes d’air neuf à flux unidirectionnel, systèmes d’air neuf à flux bidirectionnel et systèmes d’air neuf à flux bidirectionnel avec échange thermique.

1. Système d’air neuf à flux unidirectionnel

Mis en œuvre avec un ventilateur et une entrée d’air de type fenêtre : lorsque le ventilateur démarre, l’air intérieur contaminé est évacué vers l’extérieur, créant une dépression à l’intérieur ; sous l’effet de la pression atmosphérique extérieure, l’air extérieur pénètre dans la pièce par l’entrée de type fenêtre, réalisant le remplacement de l’air.

2. Système d’air neuf à flux bidirectionnel

Mis en œuvre avec deux unités principales : un ventilateur évacue de force l’air intérieur contaminé vers l’extérieur tandis que l’autre aspire de l’air neuf dans la pièce. La caractéristique d’un système à flux bidirectionnel est l’insufflation et l’extraction forcées d’air, avec un système de filtration d’air (optionnel) ajouté en amont de l’unité d’insufflation pour garantir que l’air fourni à l’intérieur est propre — il est adapté aux laboratoires.

3. Système d’air neuf à flux bidirectionnel avec récupération de chaleur

Une unité principale de récupération de chaleur : dans les régions septentrionales, où la différence de température entre l’intérieur et l’extérieur est importante en hiver et l’air insufflé à l’intérieur est froid, l’unité de récupération de chaleur échange la chaleur entre l’air évacué vers l’extérieur et l’air neuf entrant afin de réaliser des économies d’énergie.

[Figure : Plan d’aménagement de la ventilation d’air neuf et d’extraction d’air de climatisation de laboratoire, incluant le hall de biochimie, la chambre froide, la zone de stockage des échantillons, les toilettes, la zone de bureau, les salles de réunion et de formation, le hall d’accueil et diverses zones tampons, la zone d’électrophorèse, la zone de séquençage, la zone de test de banque, la zone d’amplification, etc., avec les dimensions de la trame d’axes et le tracé des gaines marqués]

Fig. 6-25 Plan d’aménagement de la ventilation d’air neuf et d’extraction d’air de climatisation

IV. Composition de base d’un système de ventilation

• Équipements terminaux de ventilation : incluent principalement des hottes aspirantes, des bras d’extraction articulés, des hottes d’absorption atomique, des hottes d’extraction à poussé-tirage, etc., comme illustré dans les Figures 6-26 et 6-27.

[Figure : Photographie d’un laboratoire avec plusieurs bras d’extraction articulés rouges montés au-dessus des paillasses de laboratoire]

Fig. 6-26 Bras d’extraction articulé

[Figure : Photographie d’un laboratoire avec plusieurs hottes d’absorption atomique en acier inoxydable montées au-dessus d’une paillasse d’analyse instrumentale]

Fig. 6-27 Hotte d’absorption atomique

2. Système de réseau de gaines de ventilation : inclut principalement des gaines, des registres, des silencieux, des tours de traitement des gaz résiduaires, etc.

3. Unités de ventilateurs de ventilation : principalement des ventilateurs.

V. Paramètres de conception du système de ventilation

1. Pour les clients nécessitant une conception de ventilation pour laboratoires, le volume d’échange d’air de ventilation peut être déterminé à partir du taux de renouvellement d’air de la pièce ; le taux de renouvellement d’air d’un laboratoire est de 10 à 12 renouvellements par heure, et peut être augmenté en conséquence dans des cas particuliers. [Pour la ventilation de pièce, une hotte en tôle de 500 mm × 500 mm est généralement sélectionnée comme dispositif terminal ; chaque hotte peut ventiler jusqu’à 600 m³/h. Longueur de pièce × largeur × hauteur × 10 (renouvellements d’air) = volume horaire de ventilation de la pièce ; diviser le volume horaire de ventilation par 600 donne le nombre de hottes ; les vitesses dans les conduits de branchement et le conduit principal sont calculées sur la base de 6 m/s.]

2. La vitesse dans le conduit de branchement des hottes à fumées est de 6 à 10 m/s (10 m/s est généralement utilisé pour les calculs) ; dans des cas particuliers, elle peut dépasser 10 m/s mais ne doit pas excéder 12 m/s ; la vitesse dans le conduit principal est de 10 à 14 m/s (10 m/s est généralement utilisé ; choisir 12 m/s pour les conduits longs et 14 m/s pour les grands volumes d’air).

3. La vitesse de face de la hotte à fumées est généralement contrôlée entre 0,375 et 0,75 m/s ; la norme de réception est généralement de 0,5 m/s, et la vitesse de face optimale est de 0,508 m/s. (Lors de la mesure de la vitesse de face, la vitre coulissante est généralement relevée à 5 cm ; une vitesse de 0,3 à 0,5 m/s est considérée comme acceptable. Si l’ouverture de la vitre coulissante est trop importante, la vitesse mesurée 5 cm sous la vitre peut également être acceptée.) Voir le tableau 6-4.

Tableau 6-4 Paramètres de vitesse de face des hottes à fumées

4. Le bruit extérieur doit être contrôlé à 70 dB(A), et le bruit intérieur du laboratoire à 55 dB(A) (la limite GB de bruit intérieur de 60 dB est dépassée lorsque le bruit extérieur est d’environ 75 dB). Le bruit du ventilateur se divise en bruit mécanique propre du ventilateur (principalement causé par des différences de qualité des ventilateurs) et en bruit lié au flux d’air (qui constitue le bruit principal). Lorsque la puissance du ventilateur n’est pas élevée, le bruit lié au flux d’air peut être réduit en ajoutant un capot de protection contre la pluie au-dessus du ventilateur ; pour les ventilateurs de haute puissance, des silencieux sont généralement ajoutés à l’entrée et à la sortie du ventilateur. Le bruit mécanique est principalement traité par la construction de murs insonorisés ou de petites enceintes acoustiques, ou par l’ajout de raccords flexibles à l’entrée et à la sortie du ventilateur. La principale méthode d’amortissement des vibrations consiste à faire de la base du ventilateur un socle isolé contre les vibrations et à installer des isolateurs de vibrations ou des coussinets amortisseurs.

5. Volume de ventilation (Q) = vitesse de face (vs) × surface d’ouverture de la hotte à fumées. La fonction d’une vanne électronique de régulation de volume d’air est de régler le volume de ventilation de chaque hotte à fumées en ajustant le rayon du conduit de chaque hotte, afin que la vitesse de face reste constante lorsque la surface d’ouverture de la hotte change.

6. Volume d’évacuation (Q) = vitesse de face (vs) × surface d’ouverture de la hotte à fumées. La fonction d’un système à variateur de fréquence (VFD) est de modifier la vitesse du ventilateur et donc le volume de ventilation de celui-ci ; lorsque seules quelques hottes à fumées d’un système de ventilation fonctionnent, le système VFD règle automatiquement la vitesse du ventilateur, modifie le volume de ventilation du ventilateur et maintient ainsi constante la vitesse de face de la hotte à fumées. Le système VFD a une fonction similaire à celle d’une vanne de régulation de volume d’air, mais si seules des vannes de régulation sont utilisées, le ventilateur fonctionne toujours à sa vitesse maximale lorsque seules quelques hottes sont en service ; avec un système VFD, le réglage de la vitesse du ventilateur permet d’économiser de l’énergie.

VI. Classification et exigences relatives aux matériaux des conduits de ventilation

1. Classification par matériau de conduit : conduit en acier galvanisé, conduit en acier inoxydable, conduit en fibre de verre inorganique (FRP), conduit en panneau de silicate, conduit en panneau isolant composite, conduit flexible, etc.

Les conduits en acier galvanisé sont couramment utilisés pour les conduits d’alimentation et de retour de climatisation (avantages : longue durée de vie, faible résistance au frottement, fabrication rapide et facile ; inconvénient : limité par les équipements de traitement, l’épaisseur ne doit pas dépasser 1,2 mm). Les conduits en acier inoxydable sont couramment utilisés comme conduits de soufflage en aval des filtres HEPA dans les systèmes ultra-propres, ainsi que pour les conduits transportant des gaz corrosifs (avantages : aspect esthétique, paroi interne lisse, faible résistance, bonne étanchéité à l’air, haute résistance à la pression, résistance à la corrosion, résistance aux hautes températures ; inconvénient : coût élevé).

Les conduits en fibre de verre inorganique (FRP) sont couramment utilisés dans les systèmes de climatisation et les systèmes de contrôle et d’évacuation des fumées d’incendie (avantages : résistance à la corrosion, longue durée de vie, résistance relativement élevée, coût essentiellement identique à celui des conduits en acier ; inconvénients : qualité instable, surface interne rugueuse, résistance élevée, densité importante, poids élevé et réparation difficile sur site).

Les conduits en panneaux de silicate sont couramment utilisés pour les conduits d’évacuation des fumées (avantages similaires à ceux des panneaux en fibre de verre inorganique ; leur caractéristique notable est une meilleure performance au feu ; inconvénient : coût global relativement élevé).

Les conduits courants en panneaux isolants composites incluent les conduits isolants en polyuréthane à feuille d’aluminium, en phénolique à feuille d’aluminium, en polyuréthane BBS et en laine de verre à feuille d’aluminium.

Les conduits flexibles servent à raccorder les conduits de ventilation et de climatisation aux appareils terminaux.

Les autres conduits incluent principalement les conduits en brique, les conduits en ciment et les conduits en tissu.

[Figure : Conduits en acier inoxydable (coudes, tés et autres raccords)]

Fig. 6-28 Conduits en acier inoxydable

[Figure : Conduit en fibre de verre inorganique (conduit rectangulaire blanc)]

Fig. 6-29 Conduit en fibre de verre inorganique

[Figure : Photographie de conduits à feuille d’aluminium ; plusieurs sections de conduits rectangulaires et coudes posés au sol]

Fig. 6-30 Conduit à feuille d’aluminium

[Figure : Image produit de conduits en acier galvanisé ; conduits rectangulaires avec coudes, tés et autres raccords]

Fig. 6-31 Conduit en acier galvanisé

• Par fonction du conduit : conduits de soufflage, de reprise, d’évacuation d’air, d’air frais, etc.
• Par pression de fonctionnement du système de conduits : systèmes basse pression, moyenne pression et haute pression.
• Par forme du conduit : conduits circulaires et rectangulaires.

Les conduits circulaires présentent une haute résistance et une faible consommation d’acier, mais occupent plus d’espace utile, et leurs coudes et tés nécessitent des parcours plus longs ; les conduits à haute vitesse doivent utiliser des conduits circulaires spiralés.

Les conduits rectangulaires occupent moins d’espace utile et sont plus faciles à agencer ; le rapport entre les côtés long et court d’une section rectangulaire ne doit pas dépasser 4, et ne doit en aucun cas dépasser 10.

VII. Dimensions des conduits de ventilation et méthodes de calcul

• Dimensions courantes des conduits circulaires : ① une seule hotte d’absorption atomique utilise principalement un tuyau de Φ160 (DN150) ; ② les bras d’extraction articulés utilisent principalement un tuyau de Φ110 (DN100) ; ③ les conduits de branchement et principaux pour une ou deux hottes à fumées utilisent principalement un tuyau de Φ315 (DN300).
• Dimensions courantes des conduits rectangulaires : si le système est plus complexe, ou si trois hottes à fumées ou plus sont installées en parallèle dans la même pièce, ou si la hauteur du laboratoire est limitée de sorte que les conduits circulaires ne peuvent pas être installés, des conduits rectangulaires peuvent être envisagés. Les longueurs de côté standard des conduits rectangulaires (en mm) sont : 120, 160, 200, 320, 400, 500, 630, 800, 1000, 1250. Comme la largeur de la hotte à fumées est de 800 mm, le côté long d’un conduit rectangulaire ne doit pas dépasser 630 mm ; les conduits carrés sont préférés — si les conditions ne le permettent pas, des conduits rectangulaires peuvent être utilisés, mais chaque projet doit être uniforme.
• Méthodes de dimensionnement des conduits : ① calcul des conduits circulaires : Q = (3600 × πd²v)/4 (Q — débit d’évacuation, (coupé en bas de page)

(Suite de la page précédente) m³/h ; d — diamètre du conduit, mm ; v — vitesse de l’air dans le conduit, m/s) ; ② calcul des conduits rectangulaires : Q = 3600 × a·b·v (Q — débit d’évacuation, m³/h ; a, b — longueurs de côté du conduit, mm ; v — vitesse de l’air dans le conduit, m/s).

4. Normes d’épaisseur des conduits : conformément aux normes nationales, les systèmes de ventilation sélectionnés ici sont des systèmes basse et moyenne pression. Les normes d’épaisseur des conduits circulaires en PVC dans les systèmes basse et moyenne pression sont présentées dans le Tableau 6-5.

Tableau 6-5 Normes d’épaisseur des conduits circulaires en PVC dans les systèmes basse et moyenne pression

Les normes d’épaisseur des conduits rectangulaires en PVC pour les systèmes à moyenne et basse pression sont présentées dans le tableau 6-6.

Tableau 6-6 Normes d’épaisseur des conduits rectangulaires en PVC pour les systèmes à moyenne et basse pression

Les normes d’épaisseur des conduits circulaires en fibre de verre (PRF) pour les systèmes à moyenne et basse pression sont présentées dans le tableau 6-7.

Tableau 6-7 Normes d’épaisseur des conduits circulaires en fibre de verre pour les systèmes à moyenne et basse pression

VIII. Conception des conduits de ventilation

1. Déterminer d’abord à partir du plan d’étage le nombre de hottes aspirantes que comprend chaque système, puis déterminer le volume de ventilation approximatif du système à partir du nombre de hottes aspirantes de chaque système (le volume d’air de conception de chaque hotte aspirante de 1200 mm est de 1300 m³/h, (tronqué en bas de page)

(Suite de la page précédente) chaque hotte aspirante de 1500 mm a un débit de 1700 m³/h, chaque hotte aspirante de 1800 mm de 2100 m³/h, chaque hotte à absorption atomique de 600 m³/h, et chaque bras d’extraction articulé de 250 ou 300 m³/h), puis sélectionner un ventilateur dont le volume de ventilation est légèrement supérieur à celui du système.

• Calculer la perte de charge au cours du processus de ventilation : la résistance d’un système à hotte aspirante unique est d’environ 80 à 100 Pa ; chaque mètre de conduit entraîne une perte de 5 à 6 Pa ; chaque coude entraîne une perte de 40 à 50 Pa ; la sortie du ventilateur et l’entrée d’extraction entraînent chacune une perte de 60 Pa ; un silencieux entraîne une perte de 50 Pa. Sélectionner ensuite un ventilateur adapté à partir des graphiques de courbes caractéristiques, sur la base du volume de ventilation et de la pression calculés (lors du calcul, seule la différence de pression de la hotte aspirante la plus éloignée est calculée, et une marge de 200 à 300 Pa est réservée).

• Calculer ensuite le rayon du conduit à partir de la formule : volume de ventilation = section transversale du conduit × vitesse de l’air dans le conduit (les conduits de dérivation sont sélectionnés avec un diamètre de 315 mm en fonction de la taille de la hotte aspirante).

IX. Classification et sélection des ventilateurs

• Classification des ventilateurs : selon le mode de circulation de l’air, les ventilateurs sont divisés en types centrifuges (généralement placés à l’extérieur), axiaux (généralement placés à l’intérieur) et à flux mixte (flux diagonal) ; selon le matériau, les ventilateurs sont principalement des ventilateurs en acier ordinaire, en acier inoxydable, en PVC et en fibre de verre (PRF). Lors de la sélection d’un ventilateur, sa sortie doit être plus grande que la taille du conduit principal.

• ① Caractéristiques des ventilateurs axiaux : faible consommation d’énergie et faible coût de fonctionnement, mais bruit élevé et faible aspiration du ventilateur (faible pression d’air) ; adaptés aux systèmes simples, généralement installés sur des murs ou des conduits. ② Caractéristiques des ventilateurs centrifuges : consommation d’énergie et coût de fonctionnement élevés, bruit relativement élevé et forte aspiration du ventilateur (haute pression d’air) ; adaptés aux systèmes complexes, principalement installés à l’extérieur ou sur des toits. ③ Caractéristiques des ventilateurs à flux diagonal : leur consommation d’énergie, leur coût de fonctionnement et leur aspiration se situent entre les deux types précédents ; leur bruit est plus faible ; adaptés aux systèmes simples, généralement installés à l’intérieur.

• Principaux paramètres des ventilateurs : ① Débit (Q) : volume de fluide traversant une section transversale donnée du conduit par unité de temps. ② Vitesse du ventilateur (n) : vitesse du rotor du ventilateur, exprimée en tr/min. ③ Rendement (η) : rendement de travail du ventilateur η = (W_utile/W_total) × 100 %. ④ Pression (P) : la pression totale (Pt) du ventilateur est divisée en pression dynamique (Pd) et pression statique (Ps). La pression statique est la pression dont le ventilateur doit disposer pour surmonter la résistance par frottement de l’ensemble du système de ventilation, déterminée par les caractéristiques de l’ensemble du système — hottes aspirantes, persiennes, vannes de régulation, conduits et ventilateur. La pression dynamique est la partie de la pression possédée par le gaz évacué à une certaine vitesse ; dans des conditions standard, sa formule est : Pd = 0,5ρV² (ρ — masse volumique de l’air, généralement 1,2 ; V — vitesse de l’air, en m/s).

• Sélection du ventilateur : pour des valeurs inférieures à 3,5 F et à 4 000 m³/h, et pour un maximum de 2 hottes à fumées, un ventilateur à flux diagonal peut être sélectionné ; au-delà de ces valeurs, sélectionnez un ventilateur centrifuge. ① Pour un bras d’aspiration articulé unique ou une hotte d’absorption atomique, si le parcours de gaine est relativement simple — traversant directement le mur ou la fenêtre vers l’extérieur — un ventilateur à flux diagonal en fibre de verre peut être sélectionné. Le concepteur peut sélectionner les ventilateurs à flux diagonal de modèle FSJG-2,5F (puissance du moteur N = 0,09 kW) ou FSJG-3,0F (N = 0,18 kW) selon les conditions du système ; si le parcours de gaine est plus complexe et comporte de nombreux coudes, les ventilateurs centrifuges de modèle F4-72-3,0A (N = 0,55 kW ou 0,75 kW) ou F4-72-3,2A (N = 0,55 kW ou 0,75 kW) peuvent être sélectionnés. ② Pour une hotte à fumées unique, si le système de gaines est relativement simple (tronqué en bas de page)