Qualité de l’Air Intérieur : Quand le Confort Moderne peut générer une Pollution Invisible – Mesurer l’AQI avec un IoT

Les TVOC

Qu'est-ce que les TVOC ?

Les composés organiques volatils totaux (TVOC) désignent l'ensemble des composés organiques volatils (COV) présents dans un environnement donné, mesurés comme un groupe sans distinction des espèces chimiques individuelles. Ce sont des substances chimiques qui s'évaporent facilement à température ambiante, ce qui les rend particulièrement préoccupantes pour la qualité de l'air intérieur.

Origine des TVOC

Les TVOC proviennent d'un large éventail de sources naturelles et anthropiques. Ils sont émis par les produits de construction et d'aménagement intérieur comme les peintures, vernis, colles et résines. Les produits ménagers tels que les détergents, nettoyants et désodorisants en sont également une source. De plus, les équipements électroniques, notamment les imprimantes, dégagent des solvants ou des plastiques en cours d'utilisation. Les activités humaines, comme la cuisine, le tabagisme ou l'usage de bougies et de parfums d'ambiance, contribuent aussi à leur présence.

Propriétés et Effets sur la Santé

Les TVOC incluent une grande variété de molécules telles que les hydrocarbures (benzène, toluène), les alcools (éthanol), les aldéhydes (formaldéhyde) et les cétones (acétone). Leur forte volatilité les rend présents en phase gazeuse même à basse température, ce qui leur permet de se propager rapidement dans un espace clos.

L'exposition prolongée ou aiguë aux TVOC peut entraîner des irritations des yeux, du nez et de la gorge, des maux de tête, des nausées et de la fatigue. À long terme, ils peuvent altérer les fonctions respiratoires, augmenter les risques d'allergies ou d'asthme, et certains sont potentiellement cancérigènes comme le benzène ou le formaldéhyde.

Importance de la Mesure des TVOC

Dans les espaces clos, la concentration des TVOC peut être jusqu'à dix fois supérieure à celle de l'air extérieur. Mesurer les TVOC, c'est la possibilité de pouvoir identifier les sources de pollution intérieure et mettre en place des solutions adaptées comme l'aération, la filtration ou l'élimination des matériaux problématiques (j'ai tendance à privilégier les meubles anciens pour mon intérieur pour cet raison). Cela garantit un environnement sain, notamment dans les espaces où les personnes passent beaucoup de temps comme les bureaux, les écoles et les maisons. La marge de progression sur ces questions est malheureusement énorme.

Les capteurs MEMS environnementaux permettent une surveillance en temps réel des TVOC. Ils offrent des données précises pour ajuster les niveaux de ventilation, optimiser les conditions de confort et de santé, et identifier rapidement les pics de pollution.

La Problématique des constructions modernes

Les constructions modernes privilégient une étanchéité accrue pour améliorer l'efficacité énergétique. Si cela réduit les pertes thermiques, cela limite également le renouvellement naturel de l'air. Les polluants intérieurs, y compris les TVOC, peuvent alors s'accumuler à des niveaux préoccupants.

On pourrait penser qu'une solution simple consisterait à n'utiliser que des matériaux ne libérant pas de TVOC. Cependant, en pratique, cela s'avère difficile. Même les matériaux réputés inertes peuvent émettre des TVOC à des niveaux faibles mais non négligeables. De plus, les sources de TVOC ne se limitent pas aux matériaux de construction : les meubles et les produits ménagers contribuent également de manière significative. Éliminer toutes les sources potentielles de TVOC est donc malheureusement quasi impossible dans un environnement domestique moderne.

Pour pallier ce problème, les systèmes de Ventilation Mécanique Contrôlée (VMC) sont utilisés dans les bâtiments modernes. Ils assurent un renouvellement constant de l'air intérieur tout en récupérant la chaleur de l'air sortant pour préchauffer l'air entrant (pour les double flux). Cependant, ces systèmes fonctionnent souvent à un débit constant, sans tenir compte des variations de la qualité de l'air en temps réel.

Capteurs Environnementaux à Bas Coût : AHT20 et ENS160

J'ai utilisé dans mon dispositif un breakout board sur lequel est disponible deux capteurs environnementaux : l'AHT20 et l'ENS160. Comme je l'ai dit plus haut ils sont disponibles à faible coût principalement parce qu'ils sont utilisés de plus en plus systématiquement dans les systèmes d'asservissement des VMC et autres applications de surveillance de la qualité de l'air, réduisant ainsi leur prix unitaire.

L'AHT20 est un capteur de température et d'humidité haute précision. Il offre une excellente stabilité et une faible consommation d'énergie. L'ENS160, quant à lui, est basé sur une technologie MOS (Metal Oxide Semiconductor). Il est équipé de quatre plaques chauffantes, chacune revêtue de matériaux sensibles différents. Ces plaques chauffantes permettent de modifier les conditions thermiques pour rendre possible la détection de divers composés organiques volatils. Lorsque ces composés entrent en contact avec les plaques, une réaction chimique modifie la conductivité électrique du matériau, ce qui est ensuite traduit en données numériques via une électronique intégré au capteur (c'est pourquoi il faut un petit temps de chauffe avant de pouvoir exploiter la mesure rendue par le capteur). Ce principe permet une surveillance en temps réel de la qualité de l'air intérieur en détectant une large gamme de TVOC.

Présentation du Dispositif et de la Démonstration

Le dispositif développé intègre un ESP32 pour le traitement des données et la connectivité Wi-Fi, les capteurs AHT20 et ENS160 pour les mesures environnementales, un écran SPI ST7789 pour l'affichage en temps réel, et un serveur Wi-Fi hébergé sur l'ESP32 pour accéder aux données via un navigateur web.

L'ensemble a été conçu pour être très compact et peu énergivore.

Conclusion

La surveillance de la qualité de l'air intérieur est essentielle pour garantir un environnement sain, surtout dans les habitations modernes où l'étanchéité accrue favorise l'accumulation de polluants. Bien qu'il serait idéal de n'utiliser que des matériaux n'émettant pas de TVOC, cela n'est pas réalisable dans la pratique, tellement les produits dérivés de la pétrochimie ont envahi nos vies depuis les années 50.
Dans ce contexte, des solutions IoT comme celle-ci, permettant la mesure la teneur en TVOC de l'air intérieur, sont pertinentes.

N'hésitez pas à visionner la vidéo de démonstration et à partager vos commentaires ou questions.

C'est ici qu'intervient l'asservissement des VMC en fonction des niveaux de TVOC. Des systèmes de VMC équipés de capteurs peuvent ajuster grâce à un asservissement le débit d'air en réponse aux concentrations de polluants détectés.

De tels systèmes existent et sont de plus en plus intégrés dans les constructions modernes et les rénovations. D'ailleurs le fait que les capteurs de TVOC soient de plus en plus utilisés dans ces applications contribue à réduire leur coût : cela explique pourquoi ils sont maintenant disponibles, intégrés à des breakout boards, pour seulement quelques euros, sur des plateformes comme AliExpress.