Harvard Laboratory for Integrated Science and Engineering (LISE)

Cambridge, Massachusetts, États-Unis

Analyse de la ventilation et des émissions pour un laboratoire de recherche de pointe comprenant une salle blanche

Le Harvard Laboratory for Integrated Science and Engineering (LISE) est un établissement de 41150 mètres carrés comprenant des milieux de recherche spécialisée axés sur la nanoscience et la science à mésoéchelle. Situé au cœur d’un groupe de bâtiments existants à vocation scientifique, le LISE a été conçu dans le but de favoriser la collaboration entre les scientifiques qui étudient les matériaux à l’échelle atomique tout en créant des liens avec des chercheurs de laboratoires situés à proximité. 

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  • Le défi

    Les deux objectifs clés du bâtiment — faciliter la recherche de pointe et assurer l’intégration des diverses communautés scientifiques à l'œuvre dans le groupe de bâtiments du complexe scientifique North Yard d'Harvard — ont tous deux soulevé des défis techniques. On a fait appel à nos services de modélisation et d'analyse dans le but d'aider les concepteurs du laboratoire à relever ces défis.

    Un des plus importants atouts en matière de recherche du bâtiment du LISE est sa salle blanche, un grand laboratoire sans poussière doté de conditions environnementales contrôlées avec précision et conçu afin de permettre aux nanoscientifiques d’étudier les particules et de créer des dispositifs à l’échelle atomique (plusieurs fois plus petit que les particules de poussière). La salle blanche devait être dotée d'un système de ventilation sophistiqué qui évacue presque toutes les poussières et qui assure un écoulement d’air uniforme et unidirectionnel afin de permettre aux scientifiques de travailler de façon efficace.

    Se trouvant dans un quartier du campus de Harvard trépidant d'activités scientifiques, le site du LISE était un excellent choix pour favoriser la collaboration entre les chercheurs, mais sa proximité avec d’autres laboratoires a également posé des défis de conception. Le LISE et ses voisins ont tous des exigences uniques et rigoureuses sur le plan de la ventilation et des émissions; le LISE étant plus élevé que ses voisins, la conception de son système d’alimentation en air sur le toit devait tenir compte des sorties d'évacuation des établissements tout près. L'évacuation des émissions associées aux produits chimiques utilisés dans la salle blanche du LISE devait aussi être gérée en ayant à l’esprit les installations adjacentes, l'ensemble du campus et la qualité de l’air du voisinage. 

    En dernier lieu, le LISE a été construit sur un site où se trouve un sentier très fréquenté. Rafael Moneo, architecte espagnol qui a reçu le prix Pritzker, a conçu le bâtiment de manière à préserver ce chemin d’accès en installant la partie principale de l’édifice sur trois socles, permettant ainsi aux piétons de traverser un portique au niveau du sol. En plus de nos travaux visant à faciliter le rendement des laboratoires, nous avons été également engagés dans le but d'effectuer une analyse du confort des piétons portant sur l'expérience des personnes marchant tout simplement devant cette installation de recherche de pointe. 

  • Notre approche

    Après avoir travaillé avec les concepteurs afin d’acquérir une compréhension globale de l’immeuble, de ses laboratoires et de son environnement, nous avons débuté notre analyse des trois défis propres au site liés à l’air.

    Ventilation de la salle blanche. En utilisant l'approche en matière de ventilation élaborée par les concepteurs, nous avons réalisé la modélisation de la mécanique des fluides numérique (CFD) afin d'acquérir une compréhension détaillée de la façon dont la conception proposée fonctionnerait. Nous avons étudié les configurations d'écoulement de l’air dans l'ensemble de la salle blanche de 3048 mètres carrés. Nous avons porté une attention particulière aux façons dont la géométrie de l’équipement et les sources de chaleur internes pourraient créer des conditions d’écoulement défavorables. En réalisant des simulations de plusieurs configurations possibles de la ventilation et du matériel, nous avons été en mesure de fournir des informations qui ont permis aux concepteurs d'optimiser l’environnement des laboratoires afin qu'il convienne au niveau de sensibilité requis pour la recherche nanométrique et à mésoéchelle; en empêchant des écoulements d'air potentiellement problématiques, nous avons favorisé des performances accrues.

    Dispersion des émissions. Notre équipe a effectué des essais en soufflerie et des travaux de modélisation visant à assurer une coexistence sécuritaire et conviviale entre le LISE et ses voisins sur le campus, notamment les laboratoires à proximité. Nous avons collaboré à ces travaux pendant plusieurs années avec l’équipe de conception et le groupe de santé et sécurité d'Harvard. Dans le cadre de cet exercice, nous avons travaillé avec les concepteurs en ce qui concerne l’emplacement des nouvelles prises d’air du bâtiment du LISE, tout en tenant compte des répercussions potentielles des sources d'émissions existantes sur les bâtiments des laboratoires tout près. À l’aide de la modélisation détaillée de la dispersion des émissions et d’essais en soufflerie ainsi qu’en vérifiant plusieurs scénarios d'évacuation selon différentes conditions météorologiques, nous avons pu procéder à l’évaluation des risques de rejets chimiques provenant de la salle blanche et d’autres laboratoires de manière éclairée et prudente. Nous avons travaillé en étroite collaboration avec Harvard et l’équipe de conception afin de faire connaître nos résultats et leurs implications aux parties prenantes intéressées. Finalement, l’Université et sa communauté ont acquis la certitude que la conception des sorties d'évacuation pouvait permettre de diluer sans risque et de manière efficace toute substance que les scientifiques sont susceptibles d'utiliser dans la salle blanche.

    Confort des piétons dans le portique. Nous avons mené des essais en soufflerie afin d’étudier les conditions de vent pour les piétons selon deux configurations du site : nous avons évalué les conditions existantes avant la construction du nouveau bâtiment du LISE et évalué les modifications aux conditions dans le passage du portique après que le bâtiment soit en place. Une comparaison des conditions avant et après la construction, qui comprenait les zones sous et autour du nouveau bâtiment, a permis de conclure que le bâtiment n’aurait pas une incidence importante sur le confort des piétons. 

    Une fois regroupées, les analyses que nous avons fournies ont aidé l’équipe de conception du LISE à optimiser ses plans et à aller de l’avant en sachant que tout fonctionnerait comme prévu. Les renseignements que nos experts ont fournis ont également aidé Harvard à bien faire connaître à ses partenaires la nature des risques que présentaient les nouvelles installations et les mesures précises prises dans le but d'assurer la sécurité des occupants de l'immeuble et des membres de la communauté. Le résultat est un laboratoire de haute performance qui jouit du soutien de la communauté.

  • Le résultat

    La construction du LISE a été achevée en 2007. Il fonctionne de façon sécuritaire et concluante depuis presque une décennie, favorisant le travail de chercheurs de haut niveau dans des domaines de la science en pleine effervescence. Les administrateurs ont constaté que le LISE a mis les installations de Harvard sur le même pied que celles d’établissements dédiés à la nanoscience et à la mésoscience équipés de salles blanches comme le MIT et Stanford. Le professeur de physique Charles M. Marcus, cité dans le Harvard Gazette, résume ainsi le succès de l’édifice qu'il qualifie de véritable prouesse technique et de présence significative sur le campus : « Il résout un grand nombre de problèmes techniques et logistiques associés à l'emplacement d'un bâtiment techniquement sophistiqué dans un espace dense, sans rien perdre de son élégance et de son unicité. »