Performance énergétique du bâtiment et qualité de l'air intérieur : l'équation impossible ?

Depuis les années 70 et les chocs pétroliers, les réglementations thermiques, énergétiques et désormais environnementales n'ont cessé de se renforcer, pour atteindre aujourd'hui des niveaux d'exigences élevés, qu'il s'agisse des bâtiments neufs avec la RE2020 et ses différents seuils, ou de la rénovation, avec le Décret Tertiaire.

Pourtant, le cadre bâti est avant tout construit pour l'Homme : il y passe 90% de son temps ! Son confort et sa santé doivent donc être des moteurs dans la conception des bâtiments, qu'il s'agisse de logements, de bureaux, d'établissements recevant du public, d'écoles et bâtiments d'enseignement...

I - La qualité de l'air intérieur (QAI) : quelle prise en compte lors de la conception d'un bâtiment ?

Les environnements clos sont jusqu'à 8 fois plus pollués que l'air extérieur. Ils sont soumis à deux types de pollutions :

• La pollution de l'air venant de l'extérieur : moteurs, pollution atmosphérique, combustions industrielles...
• La pollution de l'air émanant du bâtiment lui-même et de ses équipements : COV (composés organiques volatiles) issus des revêtements de sol, peintures, meubles...

Les conséquences directes de ces polluants sur la santé des occupants sont l'apparition d'allergies, d'asthme, de maux de tête voire de maladies respiratoires plus graves. Il est donc impératif de les limiter, et ceci, dès la conception des bâtiments.

Bien que la qualité de l'air intérieur soit généralement peu valorisée par rapport à la performance énergétique, les principales normes de qualité des bâtiments intègrent des critères de QAI. On peut citer par exemple :

• Les référentiels NF Habitat et NF Habitat HQE: ils prennent en compte le fonctionnement de la ventilation, l'identification des sources de pollution, la bonne circulation de l'air intérieur, le classement « étiquette A » des produits utilisés, l'utilisation de filtres à air avec la VMC... Mais seules les versions NF Habitat HQE 2 points et HQE 3 points intègrent un rapport de mesure de la QAI ⁽¹⁾.
• La certification BREEAM prévoit la réalisation d'un plan de qualité de l'air intérieur consistant à réduire, contrôler et supprimer les sources de polluants, effectuer des mesures à la réception du bâtiment, et prolonger le contrôle de la QAI pendant l'exploitation. Il mentionne aussi la présence de sondes de CO₂ pour ajuster le système de ventilation et l'utilisation de matériaux à faibles émissions.
• La certification LEED préconise la mise en œuvre de revêtements des sols, murs et plafonds peu émetteurs de composés organiques volatils (COV) et la réalisation de mesures avant l'entrée des occupants dans les locaux.
• WELL, premier standard de construction au monde se basant exclusivement sur la santé et le bien-être des occupants, a été lancé en 2015 aux États-Unis et fait également référence en Asie. Cette certification internationale vise la qualité de vie au travail et, concernant le contrôle de la qualité de l'air, elle impose des exigences élevées en matière de renouvellement et de purification de l'air ambiant, la mise en place de filtres au niveau des entrées d'air, l'élimination des contaminants via les mesures préventives. Elle demande l'analyse d'au moins 3 critères parmi : les PM2,5 ou PM10, le dioxyde de carbone, le monoxyde de carbone, l'ozone, le dioxyde d'azote, les COV. Enfin, une inspection annuelle des moisissures et de l'humidité est demandée. Au final, la QAI représente 11% de la note finale pour acquérir cette certification.

Pourtant, dans le contexte actuel de crise énergétique et d'effets de plus en plus concrets du changement climatique, la maîtrise de l'empreinte carbone et de la performance énergétique des bâtiments reste la préoccupation principale des maîtres d'œuvre et maîtres d'ouvrage, et l'amélioration de la qualité de l'air intérieur apparaît parfois contradictoire avec cet objectif :

• Le renouvellement de l'air intérieur se fait... avec de l'air extérieur ! Qu'il faut donc chauffer en hiver, parfois refroidir en été, et filtrer en toutes saisons (pour les ventilations disposant d'une filtration). Plus le taux de renouvellement de l'air est important, plus la consommation d'énergie pour l'amener à température ambiante et le filtrer augmente.
• Comme tous les systèmes électriques, les systèmes auxiliaires à la ventilation, comme des purificateurs d'air ou tout autre système de recirculation de l'air intérieur, sont eux aussi consommateurs d'énergie.

Répondre à ce paradoxe nous semble clé pour des bâtiments sains pour l'Homme et vertueux pour la planète. Nous avons donc quantifié l'impact énergétique d'une amélioration de la QAI afin de sortir des idées reçues et de trouver les solutions les plus adaptées.

A noter : cet article publié mi-2023 s'appuie sur des données précises concernant la consommation énergétique et les objectifs d'amélioration de la QAI en logement. Vous trouverez à la fin de l'article , paragraphe IV, quelques précisions sur les formules de calcul utilisées et les hypothèses ayant servi de base à notre analyse. Cet article sera prochainement complété par une analyse similaire pour les bâtiments tertiaires.

II - Impact énergétique de la QAI : expérimentons !

1- Notre méthodologie

La situation de référence que nous avons utilisée est la qualité de l'air obtenue quand on applique les obligations réglementaires de ventilation dans un bâtiment neuf :

• 0,25 volume/heure pour une maison individuelle contemporaine équipée d'une VMC simple flux hygroréglable (0,28 volume/heure pour un bâtiment collectif)
• 0,88 volume/heure pour la ventilation naturelle
• 1 volume/heure pour un bâtiment tertiaire
• 3 volumes/heure pour une salle de classe

Le bilan énergétique que nous établissons dans cette étude englobe tout le « poste air » d'un bâtiment, à savoir à la fois la consommation d'énergie électrique du système de ventilation, mais aussi la consommation d'énergie pour le conditionnement thermique de l'air neuf, c'est-à-dire d'air extérieur entrant dans le bâtiment, qu'il faut notamment chauffer en saison froide.

L'amélioration de QAI et le débit d'air dépollué (en complément du débit d'air de ventilation) sont liés ensemble par une formule utilisée dans la norme NF 536 pour les purificateurs d'air : parmi un ensemble de paramètres que nous ne détaillerons pas ici, cette formule calcule un taux de réduction des 3 polluants les plus communs (poussière, pollen et fumée) en fonction du débit d'air purifié. Cet indicateur appelé CADR (Clean Air Delivery Rate) est l'indicateur deréférence pour le taux de distribution d'air pur à la sortie du purificateur.

Nous avons défini deux ambitions de qualité d'air intérieur :

• 80% de dépollution (division par 5 du niveau de référence) - cette valeur est notamment utilisée pour quantifier le débit d'air théorique souhaité pour un purificateur d'air.
• 67% de dépollution (division par 3 du niveau de référence) - cette valeur est ici utilisée pour quantifier quelle est l'impact sur la consommation d'énergie, par comparaison avec l'ambition 80%.

L'incrément d'énergie nécessaire à l'atteinte de ces ambitions de QAI est calculé en utilisant (exclusivement ou en combinaison) les modes de dépollution suivants :

• L'accroissement du débit d'air ventilé : les polluants intérieurs sont chassés, mais inversement, les polluants atmosphériques présents dans l'air extérieur sont susceptibles de pénétrer dans le bâtiment ;
• Un système de traitement par recirculation (l'air traité est prélevé dans le bâtiment) de type purificateurs d'air, à filtres conventionnels haute efficacité (HEPA H13) ou avec électrofiltre. Ces deux technologies de filtration sont les plus à même d'éliminer les polluants particulaires de toute nature : polluants urbains, virus, allergènes...
  • La filtration HEPA est la plus répandue en purification de l'air. Reconnue comme très efficace, elle présente l'inconvénient d'une consommation d'énergie assez élevée en moyenne, en raison d'un filtre à pertes de charges élevées, qui s'accroissent avec l'encrassement du filtre.
  • L'électrofiltration présente l'avantage de consommer peu d'énergie, du fait de ses faibles pertes de charges, quasiment constantes malgrè l'encrassement.

Il est à noter que l'impact énergétique de l'amélioration de la QAI varie selon le nombre d'heures annuelles où elle est appliquée : sauf mention contraire, les scénarios quantifiés ci-dessous prennent l'hypothèse que la fonction d'amélioration de la QAI est appliquée épisodiquement, 1000 heures par an (soit environ 11% de l'année). Cela correspond à un usage dans des situations particulières (pics de pollution aux particules, alertes pollen, période de grippe ou autre virus aéroporté) et non à une ambition de QAI forte de manière continue tout au long de l'année, hypothèse qui conduirait alors à un impact plus fort sur les consommations énergétiques.

2- Consommation énergétique d'une augmentation du débit de ventilation avec des systèmes classiques en logement (collectif ou individuel)

Le graphique ci-après (figure 1) présente l'ordre de grandeur de la consommation d'énergie annuelle du poste ventilation (par unité de surface au sol du bâtiment) pour les trois systèmes courants de ventilation ⁽²⁾ :

• Ventilation naturelle (pas de ventilation mécanique) ;
• Ventilation par VMC hygroréglable B (couramment appelée ventilation simple flux, la plus courante dans les constructions neuves) ;
• Ventilation par VMC double-flux (la plus performante énergétiquement, mais dont l'installation est plus onéreuse et contraignante en termes d'encombrement). 

Ces valeurs sont fortement dépendantes du débit de ventilation pris en hypothèse de calcul. Comme précisé dans notre méthodologie, nous avons adopté les obligations réglementaires (0,88 volume/heure pour la ventilation naturelle comme demandé par la RE2020 contre 0,25 volume/heure pour un logement équipé d'une VMC hygro B, qui ajuste le débit de ventilation en fonction de l'humidité ambiante).

La VMC double-flux est très performante énergétiquement grâce à la récupération de chaleur de son échangeur thermique.

Figure 1 : Consommation d'énergie annuelle du poste ventilation pour les 3 systèmes les plus courants (en KWh/m²)

Cette situation correspond à celle d'une QAI dite de référence, c'est-à-dire où le renouvellement d'air assuré par le système de ventilation habituel assure l'évacuation des polluants de l'air intérieur. Il est à noter que, sauf utilisation d'un filtre performant dans une VMC double-flux, l'air entrant n'est pas filtré et contient des polluants extérieurs.

Le graphique ci-après montre qu'améliorer la QAI par une augmentation du débit de ventilation est une approche très énergivore : non seulement cette méthode augmente les besoins de chauffage (et de climatisation le cas échéant), en particulier dans le cas d'une VMC simple-flux, mais elle accroît aussi les consommations électriques de la ventilation. Par contraste avec la VMC simple-flux, l'accroissement de la consommation par VMC double-flux peut paraître faible, mais il est tout de même de 40% pour une QAI améliorée de 80%, ce qui est loin d'être négligeable du point de vue performance énergétique du bâtiment.

Figure 2 : Evolution de la consommation d'énergie lorsque la QAI est améliorée par une augmentation de la ventilation (en KWh/m²)

Par ailleurs, cette approche est peu crédible car elle oblige à dimensionner le système de ventilation en conséquence, avec le surcoût que cela représente lors de son installation. Enfin, l'augmentation de la ventilation et du renouvellement d'air dit « neuf » s'accompagne naturellement de la pénétration de polluants atmosphériques, donc la dépollution intérieure n'est que partielle : on chasse des polluants intérieurs, mais on apporte des polluants extérieurs ^(3).

3- Consommation d'énergétique de l'utilisation de purificateurs d'air en logement (collectif ou individuel)

Nous estimons maintenant l'incrément de consommation d'énergie dans le cas de l'utilisation de purificateurs d'air, d'une part à filtration HEPA, d'autre part à électrofiltration, pour les deux niveaux d'ambition de QAI précédents, en supposant que le débit de ventilation est à sa valeur de référence.

On constate que, en proportion de la consommation de la ventilation, la consommation d'un système de purification de l'air par filtration HEPA n'est pas négligeable, en particulier pour une ambition élevée de dépollution (80%). Pour un fonctionnement du système de dépollution, dans notre hypothèse actuelle, de 1000 heures par an, soit seulement environ 11% du temps total de l'année, l'augmentation des besoins en énergie est de +20% dans le cas d'une VMC simple-flux, +50% dans le cas d'une VMC double-flux, dont la consommation est plus faible ⁽⁴⁾.

La purification par électrofiltration, quant à elle, a un impact nettement plus réduit sur la consommation d'énergie globale du poste « air », y compris pour une ambition QAI élevée (80% de dépollution) : 4% dans le cas d'une VMC simple-flux, 10% dans le cas d'une VMC double-flux.

Figure 3 a et 3b- Consommation d'énergie annuelle des postes ventilation + dépollution de l'air (en kWh/m2) pour une durée de 1000h/an

Pour terminer, voici une estimation du coût de l'amélioration de la QAI, dans un scénario d'ambition intermédiaire (67%), si on l'utilise presque en permanence (80% de l'année et non 11% comme précédemment) avec le système de ventilation le plus largement répandu sur le marché français : une VMC simple-flux. On constate que la consommation d'énergie de la purification HEPA utilisée en continu est très coûteuse, puisqu'elle double presque la consommation de la ventilation, chauffage de l'air inclus. L'impact de l'électrofiltration est sensiblement plus modéré (15% d'augmentation).

Figure 4 - Influence du temps d'usage du système de dépollution pendant l'année, associé à une VMC simple flux

III - Conclusion et vision de TEQOYA

En conclusion de cette étude, il nous paraît donc intéressant de retenir les idées suivantes :

• Améliorer la qualité de l'air intérieur d'un bâtiment a un coût énergétique qui ne peut pas être négligé ;
• Si l'amélioration de la QAI est un objectif vertueux et souhaitable du point de vue sanitaire dans de nombreuses situations, l'efficacité énergétique des systèmes employés doit être questionnée ;
• Les systèmes à fortes pertes de charges aérauliques (filtres HEPA en tête, auxquels sont souvent adjoints des filtres à charbon actif), s'ils sont très performants, sont également très énergivores. Une façon de réduire (partiellement) cet impact consiste à remplacer fréquemment les filtres (pour réduire l'impact de leur encrassement), ce qui induit d'autres types de coûts, à la fois financiers et « carbone », lorsqu'on s'inscrit sur l'ensemble du cycle de vie de l'équipement ;
• L'utilisation fractionnée, limitée dans le temps, est également un moyen efficace ;
• L'asservissement du système de dépollution à la mesure de QAI est également une solution pour moduler l'utilisation d'un système de dépollution, l'utiliser au « juste nécessaire » et réduire le coût de fonctionnement et la consommation d'énergie. Toutefois, cette mesure présente aujourd'hui des limites : elle ne permet pas de mesurer de manière fiable les particules ultrafines les plus toxiques et les plus fréquentes (PM0.5) ni de détecter des bio-contaminants.

IV - Quelques précisions sur les données et les formes de calcul utilisées dans cet article

• Evaluation de la consommation énergétique

Nous avons évalué la consommation des différents équipements - caisson de ventilation en VMC simple flux, caisson de ventilation en VMC double flux, purificateur d'air par e-filtration, purificateur d'air HEPA⁽⁴⁾ - en tenant compte de la puissance électrique moyenne à l'état neuf de ces équipements et de leur perte de charge moyenne tout au long de leur durée de vie.

• Evaluation de l'amélioration de la QAI

La formule de calcul utilisée est la suivante :

Il est intéressant de noter que, plus le taux de renouvellement d'air est faible (cas d'un logement mal ventilé) et la vitesse d'élimination naturelle du polluant est faible (cas des particules ultrafines et des micro-organismes légers), plus le CADR est efficace, c'est-à-dire qu'il réduit plus fortement la concentration en polluant.

Sources et notes

1. Association Qualitel : www.qualitel.org et https://portail.cerqual-pro.net/documents/10192/63927/Applicatif+CONSTRUCTION+LOGEMENTS-V4.1-29092022
2. Réglementation Thermique 2020, NT 2018/031 du CETIAT et données constructeurs sur le SEC de systèmes de ventilation.
3. Des systèmes de filtration pour VMC existent, en particulier pour les VMC double-flux, mais également pour les VMC simple-flux depuis récemment grâce à Aldes et Teqoya. Dans le cas des filtres mécaniques utilisés couramment dans les VMC double-flux, les filtres sont le plus souvent peu performants (ePM10=50%, ce qui équivaut à une filtration quasi-nulle sur les particules utlrafines) et s'ils sont performants, ils induisent une consommation d'énergie non négligeable.
4. Il est à noter que, concernant la filtration HEPA, un facteur multiplicatif de 2,5 a été appliqué sur la consommation d'énergie “état neuf”. Ce ratio est issu des données de la littérature technique sur l'accroissement des pertes de charges induites par l'encrassement d'un filtre. Une autre hypothèse consisterait à considérer que, à puissance constante, le débit purifié (CADR) diminue, mais cela réduirait la performance et ne permettrait pas de tenir dans le temps un objectif de QAI.