Qualification énergétique et sanitaire des systèmes d'épuration intégrés aux réseaux de ventilation

Energy and health qualification purification systems integrated with ventilation systems

• Auteur / Autrice : Céline Tourreilles
• Direction : Patrice Blondeau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et thermique
• Date : Soutenance le 30/09/2015
• Etablissement(s) : La Rochelle
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Sciences de l’Ingénieur pour l’Environnement (La Rochelle)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Jacques Roux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrice Blondeau, Jean-Jacques Roux, Laurence Le Coq, Monika Woloszyn, Francis Allard, Marc Abadie, Anne-Lise Tiffonnet, Thierry Duforestel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurence Le Coq, Monika Woloszyn

Mots clés

Mots clés contrôlés

Habitations -- Chauffage et ventilation

Constructions -- Économies d'énergie

Air -- Qualité -- Gestion

Mots clés libres

Qualité de l’air intérieur

Épuration

Modélisation numérique couplée

Thermique

Ventilation

Indoor air quality

Air cleaning

Coupled numerical simulation

Heat and mass transfers

Ventilation

Résumé

La qualité de l’air à l’intérieur des bâtiments basse consommation devient une problématique préoccupante dans le contexte actuel de règlementations thermiques de plus en plus exigeantes. Une des solutions envisagées pour concilier qualité de l’air intérieur et performance énergétique dans les bâtiments est l’intégration de systèmes d’épuration dans les réseaux de ventilation. Peu de retour d’expériences in situ permettent d’évaluer l’intérêt de ces systèmes pour répondre à la problématique. La solution envisagée dans ces travaux est l’évaluation par la simulation numérique. Ce choix a nécessité le développement d’un outil numérique capable de représenter de façon couplée les phénomènes thermiques, aérauliques et ceux liés à la qualité de l’air intérieur par une représentation multipolluant, à l’échelle d’un bâtiment ou d’une partie d’un bâtiment. Cet outil a été développé dans l’environnement Dymola sous le langage Modelica. Des expérimentations ont été menées dans ces travaux dans le but de compléter l’outil numérique par des lois empiriques caractérisant, d’une part les phénomènes de sorption des polluants gazeux par les matériaux de revêtement intérieur, d’autre part le comportement, à la fois énergétique et sanitaire, de six solutions d’épuration. Pour illustrer la capacité d’étude acquise grâce aux développements numériques et expérimentaux qui ont été réalisés dans le cadre des travaux de thèse, une zone de bureaux d’un bâtiment tertiaire a été simulée pour deux zones climatiques et pour deux types de pollution extérieure sur une année type complète. Les trois solutions d’épuration ayant montrées des performances tangibles lors de la phase expérimentale ont été simulées sous plusieurs conditions de fonctionnement puis comparées à deux cas de surventilation des locaux (sans épuration de l’air). Un indice global combinant performance sanitaire et énergétique a été ainsi défini dans le but de hiérarchiser les différentes stratégies simulées. Les résultats obtenus permettent de valider la méthodologie employée, notamment en montrant à la fois l’intérêt de contextualiser les solutions envisagées pour les évaluer, et l’importance de travailler, lors des expérimentations, à des conditions représentatives de la réalité des environnements intérieurs. Plusieurs voies d’amélioration de l’outil numérique développé sont également proposées en conclusion, ainsi que différents points de discussion qui méritent l’attention de travaux futurs dans le domaine.

Indoor air quality in low-energy buildings has become these recent years an important topic with the rigorous performance expectations in terms of envelope airtightness and energy consumption set by the RT2012 thermal building code. One possible solution to conciliate indoor air quality and energy performance is to integrate air-cleaning systems in the building ventilation system. Because of the lack of scientific results regarding the suitability of those systems to solve this problematic, an investigation using numerical simulation has been conducted in the present work. This choice led to the development of a numerical tool that resolves in a coupled way, the heat and mass transfers, considering a multi-pollutant representation at the scale of the building/rooms. This tool was developed in the Dymola environment, using the Modelica programming language. Several experiments were also performed in the present work to acquire complementary data about the sorption of gaseous pollutants by indoor covering materials and about the cleaning effectiveness and energy consumption of six air-cleaning systems. To illustrate the capabilities of the numerical tool, simulations have been performed for an office building zone. The building has been located in two climatic zones and submitted to two levels of outdoor pollution, for a whole year. Three of the tested solutions that have shown the best air-cleaning performances in the experimental phase have been simulated under various operating conditions. Two cases of higher amount of fresh air, i.e. without any air-cleaning system, have been also included to the study. One index has then been defined to compare the performance of the different solutions considering both the exposure reduction to eight pollutants and the induced energy consumption. The results obtained in the present study confirm the adequacy of the proposed methodology. In particular, the importance of evaluating the solutions in their real context and not simply relying on their intrinsic performances to judge their performances when applied to indoor environments has been demonstrated. Another important issue is the need to conduct experimental characterizations of sorption processes and air-cleaning system under environmental conditions representative of real indoor spaces, i.e. low pollutant concentration and adequate air temperature, humidity and velocity. Future developments needed to improve the capabilities of the numerical tool are presented in conclusion as well as some important issues that would need a careful attention for further works in the domain.