Les défis de la détection du CO2

Les bienfaits de l'air frais pour la santé sont irréfutables, et le manque d'air frais nuit à notre santé et à notre capacité de concentration. Malheureusement, dans ce monde très occupé, peu d'entre nous peuvent passer autant de temps qu'ils le souhaiteriaent à l'extérieur. En moyenne, nous passons environ 90 % de notre vie à l'intérieur et la plus grande partie de ce temps est passé dans nos maisons. Même si nous sortons régulièrement de chez nous, une grande partie du temps passé à l'extérieur de la maison l'est dans un autre lieu intérieur, tel qu'un bureau, un restaurant ou un magasin. Cela montre clairement l'importance d'un air intérieur de haute qualité et d'une surveillance adéquate des niveaux de CO₂, en particulier dans les lieux très fréquentés.

Bien que des niveaux élevés de CO₂ et une mauvaise qualité de l'air ne soient pas synonymes, des concentrations élevées de CO₂ peuvent être une bonne indication que la pièce a besoin de plus de ventilation. De plus, une augmentation du CO₂ s'accompagne souvent d'une augmentation des concentrations de produits chimiques organiques volatils (COV), les deux étant émis par l'homme. Il est de notoriété publique que l'air vicié, en particulier les niveaux élevés de COV, peut nuire à la santé et augmenter le risque de transmission de virus aéroportés, tels que le SRAS-CoV-2. De plus, le manque d'air frais a également une incidence importante sur la productivité et la capacité à se concentrer - une affirmation confirmée par de nombreuses études.

Les extrêmes ne sont jamais bons et ceci s'applique également à la ventilation. Les systèmes de CVCA qui fonctionnent constamment au maximum de leur capacité entraînent une consommation d'énergie élevée et, par conséquent, des factures d'électricité exorbitantes, en particulier pendant les périodes très chaudes ou très froides. Il n'est donc pas surprenant que la ventilation à la demande soit actuellement considérée comme la référence standard des systèmes de CVCA, et que la concentration de CO₂ soit souvent utilisée comme paramètre de contrôle, car elle est étroitement liée à la qualité de l'air. Cette application repose sur des capteurs qui fournissent des informations précises sur les niveaux de CO₂ et qui activent le système lorsqu'une limite spécifiée est atteinte. Bien que les normes de confort varient d'un pays à l'autre, il existe un consensus sur le fait que les niveaux de CO₂ doivent toujours être maintenus en dessous de 1 000 ppm et ne pas dépasser 1 500 ppm pendant de longues périodes. Un bon compromis consiste à mesurer et à ajuster les niveaux de CO₂ toutes les 30 secondes, ce qui permet de garder l'air frais et les factures d'énergie à un faible niveau.

Un capteur de CO₂ classique se compose d'une source lumineuse et de deux détecteurs (figure 1). Lorsque la lumière traverse la chambre de mesure, remplie d'air intérieur ambiant, elle est absorbée par les molécules présentes. L'un des détecteurs est doté d'un filtre dont la fenêtre se situe aux alentours de 4,3 µm, ce qui correspond à une pointe dans le spectre d'absorption du CO₂, ce qui signifie qu'il n'enregistre que l'extinction de la lumière due à la présence de molécules de CO₂. En revanche, le détecteur de référence mesure l'intensité lumineuse non filtrée, ce qui permet de déterminer le niveau de CO₂ en comparant les deux mesures. Le concept à deux capteurs permet également de compenser la baisse d'intensité lumineuse due à la dégradation de la source lumineuse ou à la présence de petites particules de poussière. Pour améliorer encore la robustesse des capteurs, il convient de les équiper d'un couvercle anti-poussière qui empêche les particules d'interférer avec les détecteurs.

Bien que l'approche à deux canaux soit considérée comme précise, elle ne peut à elle seule garantir des mesures stables à long terme, car la ligne de base peut commencer à dériver au fil du temps en raison du vieillissement des composants du capteur. Ce problème peut être résolu grâce à la correction automatique de la ligne de base (ABC), qui suit en permanence la lecture la plus basse des capteurs et corrige toute dérive détectée. Cette approche fonctionne bien pour les bâtiments qui sont inoccupés pendant certaines périodes, comme les bureaux fermés pendant la fin de semaine. Cependant, cette dérive n'est pas aussi facile à identifier et à traiter dans les lieux qui sont occupés 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, par exemple les salles d'urgence des hôpitaux, les centres logistiques ou les usines. Il est donc essentiel d'utiliser des capteurs robustes qui fournissent des mesures précises à long terme sans nécessiter d'étalonnage constant, ce qui leur permet d'être utilisés dans toutes les applications, quels que soient les modes d'occupation.

Un capteur d'ambiance doit pouvoir mesurer avec précision les niveaux de CO₂ dans toutes les conditions, ce qui signifie qu'il doit avoir une bonne résistance aux changements graduels et aigus de pression, de température et d'humidité. Les différences de pression à différentes altitudes doivent également être prises en considération, car même une élévation de 400 m au-dessus du niveau de la mer entraîne un décalage de 70 ppm dans la concentration de CO₂  mesurée. Si l'on considère que certains organismes de réglementation - par exemple plusieurs gouvernements d'État aux États-Unis - n'autorisent qu'une tolérance de ±75 ppm, cela ne laisse pratiquement aucune marge d'erreur. Tout capteur de CO₂ à haute performance doit donc inclure une compensation de la pression absolue (figure 2)

Des tests approfondis doivent être effectués pour s'assurer que le capteur peut fonctionner dans différentes conditions afin de garantir sa stabilité et son fonctionnement à long terme. Les capteurs doivent donc être testés pendant une période prolongée (plusieurs semaines) et couvrir toutes les conditions météorologiques possibles en se concentrant sur celles qui sont connues pour exercer une forte pression sur l'appareil. Par exemple, la performance de la chaleur humide sans condensation peut être testée à 95 % d'humidité relative et à 35 °C pour s'assurer que le capteur présente une résistance à la corrosion et peut maintenir son efficacité. Les mesures de chaleur sèche doivent être effectuées à des températures plus élevées - 60-70  C - pour confirmer qu'il n'y a pas de dérive due à la différence des coefficients de dilatation des matériaux. Comme les gradients de température internes peuvent également jouer un rôle dans l'efficacité globale de l'appareil, les éléments du capteur doivent être construits de manière à minimiser l'auto-échauffement.