Les défis de la mesure du CO2

Les bénéfices de l'air frais pour la santé sont irréfutables : s'il vient à manquer, notre santé et notre capacité de concentration se voient affectées. Malheureusement, dans ce monde au rythme effréné, peu d'entre nous peuvent passer autant de temps à l'extérieur qu'ils le voudraient. Nous restons en moyenne jusqu'à 90 % de nos vies à l'intérieur, la plupart de ce temps dans nos foyers. Même si nous quittons nos maisons régulièrement, une partie importante du temps passé hors de nos foyers l'est dans un autre espace intérieur, tel qu'un bureau, un restaurant ou un magasin. Cela montre clairement l'importance d'un air intérieur sain et d'une gestion adéquate des niveaux de CO₂, en particulier dans les lieux très fréquentés.

Bien que les hauts niveaux de CO₂ ne soient pas synonymes de mauvaise qualité d'air, des concentrations élevées de CO₂ peuvent être une bonne indication que la pièce nécessite une ventilation supplémentaire. De plus, une augmentation du CO₂ s'accompagne souvent d'une augmentation des concentrations en composés organiques volatils (COV), car ces deux éléments sont émis par les êtres humains. Nous savons tous que l'air de mauvaise qualité, spécialement lorsqu'il contient un haut niveau de COV, peut affecter négativement la santé et augmenter le risque de transmission des virus par voie aérienne comme le SARS-CoV-2. De plus, le manque d'air frais a un grand impact sur la productivité et la capacité de concentration, ceci étant corroboré par de nombreuses études.

Les extrêmes ne sont jamais bons et c'est également vrai pour la ventilation. Les systèmes CVC fonctionnant constamment au maximum de leur capacité entraîneront une forte consommation d'énergie et donc des factures d'électricité exorbitantes, particulièrement pendant les périodes très chaudes ou très froides. Il n'est donc pas surprenant que la régulation de la demande de ventilation soit actuellement considérée comme la norme absolue pour les systèmes CVC et que la concentration en CO₂ soit souvent utilisée comme paramètre de contrôle de par sa forte corrélation avec la qualité d'air. Cette application s'appuie sur des capteurs fournissant des informations exactes sur les niveaux de CO₂, en activant le système lorsqu'une limite spécifique a été atteinte. Bien que les normes de confort varient dans le monde, il existe un consensus selon lequel les niveaux de CO₂ devraient toujours se situer en deçà des 1 000 ppm et ne jamais dépasser 1 500 ppm pendant des périodes prolongées. Un bon compromis est la mesure et le réglage des niveaux de CO₂ toutes les 30 secondes, ce qui permet de garder l'air frais et les factures d'énergie à un bas niveau.

Une conception commune de capteur de CO₂ inclut une source de lumière et deux détecteurs (Schéma 1). Lorsque la lumière passe au travers de la chambre de mesure, remplie d'air intérieur ambiant, elle est absorbée par les molécules présentes. Un détecteur est équipé d'un filtre comprenant une fenêtre à environ 4,3 µm – ce qui correspond à une pointe du spectre d'absorption du CO₂, ce qui signifie qu'il n'enregistre que la disparition de lumière due à la présence de molécules de CO₂. Quant à lui, le détecteur de référence mesure l'intensité de la lumière non filtrée, ce qui permet de déterminer le niveau de CO₂ en comparant les deux mesures. La conception avec deux capteurs aide aussi à lutter contre la chute de l'intensité lumineuse ayant pour origine la dégradation de la source lumineuse ou causée par les petites particules de poussière. Pour améliorer davantage la robustesse des capteurs, il faut les équiper d'un couvercle anti-poussière qui empêche les particules d'interférer avec les détecteurs.

Bien que l'approche à deux détecteurs soit considérée comme exacte, elle ne peut garantir à elle seule des mesures stables au long terme car la ligne de référence peut commencer à dériver au fil du temps à cause du vieillissement des composants des capteurs. Ceci peut être résolu grâce à la correction automatique de la ligne de référence (ABC), qui scanne constamment la lecture la plus basse des capteurs et corrige toute déviation détectée. Cette approche fonctionne bien pour les bâtiments non occupés pendant un certain temps, comme les bureaux fermés pendant le weekend. Toutefois, cette dérivation n'est pas facile à identifier et à corriger dans les espaces occupés 24h/24, 7j/7, comme les salles d'urgence des hôpitaux, les centres logistiques ou les usines. Il est donc crucial d'utiliser des capteurs robustes fournissant des mesures exactes au long terme sans avoir besoin d'une calibration constante, ce qui permet leur utilisation dans toutes les applications, quelle que soit les structures d'occupation.

Un capteur d'ambiance doit pouvoir mesurer de manière fiable les niveaux de CO₂ dans toutes les conditions. Cela signifie qu'il doit bien résister à la fois aux changements "progressifs" et "rapides" de pression, température et humidité. Les différences de pression à différentes altitudes doivent aussi être prises en compte : une élévation de 400 m au-dessus du niveau de la mer résultant en un décalage de 70 ppm lors de la mesure de la concentration de CO₂. Si l'on prend en compte que certains organismes régulatoires, comme c'est le cas de plusieurs gouvernements des États-Unis, n'admettent qu'une tolérance de ±75 ppm, ceci ne laisse pratiquement aucune marge d'erreur. Tout capteur de CO₂ de haute performance devrait donc inclure une compensation de la pression absolue (Schéma 2)

Des tests extensifs doivent être réalisés pour s'assurer que le capteur peut fonctionner dans des conditions variées afin de garantir une stabilité et un fonctionnement au long terme. Les capteurs doivent être testés pendant une période prolongée, pendant plusieurs semaines, afin de couvrir toutes les conditions atmosphériques possibles et en se centrant sur celles dont on sait qu'elles provoquent une charge importante sur l'appareil. Par exemple, la performance dans des conditions de chaleur humide sans condensation peut être testée à une humidité relative de 95 % et une température de 35 °C afin de s'assurer que le capteur résiste à la corrosion et peut maintenir sa performance. D'autre part, les mesures de chaleur sèche doivent être réalisées à des températures plus élevées – 60-70 °C – afin de confirmer qu'aucune dérivation n'a lieu suite à la différence des coefficients d'expansion des matériaux. La température interne pouvant également jouer un rôle dans les performances globales de l'appareil, les éléments du capteur doivent être conçus de manière à minimiser l'auto-échauffement.