Caractérisation détaillée des mécanismes de transfert de COV à l'interface matériau-air pour le développement de modèles numériques prévisionnels de la qualité de l'air intérieur

Detail characterisation of VOC transfer mechanisms at the material-air interface for the development of predictive numerical models of indoor air quality

• Auteur / Autrice : Florent Caron
• Direction : Frédéric Thévenet
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie physique, théorique, aléatoire
• Date : Inscription en doctorat le 01/02/2018
• Etablissement(s) : Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Lille Douai
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Villeneuve d'Ascq, Nord)
• Partenaire(s) de recherche : Fondation : Institut national de recherche et de sécurité (France)

Mots clés

Mots clés libres

Air intérieur

Emission

Cov

Transfert de masse

Modélisation

Cfd

Ventilation

Prédiction

Indoor air

Emission

Voc

Mass transfer

Modeling

Cfd

Ventilation

Prediction

Résumé

Les espaces de stockage, les commerces et leurs zones tertiaires adjacentes sont des environnements professionnels où évoluent des salariés en présence de produits manufacturés neufs avec un fort pouvoir d’émission de composés organiques volatils (COV). Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est d'étudier les processus de transfert de COV entre des matériaux solides et l'air ambiant afin de développer un outil numérique prévisionnel de la Qualité de l'Air Intérieur (QAI). Deux approches complémentaires, l’une expérimentale et l’autre numérique, sont menées afin de : (i) renseigner expérimentalement les interactions entre les émissions de COV et la ventilation, et (ii) développer un modèle numérique basé sur la CFD (computational fluid dynamics) intégrant les mécanismes impliqués dans l’émission des COV. L’approche expérimentale permet d’établir : (i) la sensibilité des taux d’émissions de certains COV au taux de renouvellement d’air, (ii) la dépendance du comportement d’émission des COV à la nature du matériau considéré et, (iii) le rôle clé de la diffusion des COV au sein du matériau pour leurs transferts. Les développements expérimentaux permettent de déterminer, pour chaque COV émis, les trois paramètres caractérisant le processus d’émission (coefficient de partition, coefficient de diffusion, concentration initiale émissible). Ces données, permettent de confirmer le rôle clé de la diffusion et d’alimenter le modèle en données d’entrée. Enfin, le développement du modèle de transfert de COV, son couplage avec un modèle CFD et la validation expérimentale de l’aéraulique et du transport sont présentés et illustrés par le comportement d'un COV issu des matériaux ciblés. Ces travaux permettent de souligner l’importance des interactions entre les émissions des COV et la ventilation, dont le rôle est central en qualité de l’air intérieur. Ils permettent de construire un modèle validé par l’expérience qui permettra de prédire la répartition des concentrations intérieures en COV et d’optimiser les stratégies de prévention dans des situations types à des fins de prévention professionnelle.

Storage rooms, retail stores and their contiguous offices are workplace environments where workers are exposed to brand new manufactured products with a recognized ability to emit VOCs (volatile organic compounds). In that context, the objective of this PhD thesis is to investigate the VOC transfer process from solid materials to ambient air in order to develop a relevant numerical tool for Indoor Air Quality (IAQ) prediction. Two complementary approaches are used, experimental and numerical, : (i) to address experimentally the interactions between VOC emissions and ventilation, and (ii) to develop a model relying on CFD (computational fluid dynamics) and encompassing accurate mechanisms related to the VOC emissions. The experimental approach evidences : (i) the dependence of some VOC emission rates on air change rate, (ii) the dependence of the VOC emission process on the type of material, and (iii) the key role of the VOC diffusion in the material on its gas phase transfer. Experimental developments allow determining, for each VOC, the three parameters governing the emission (partitionning coefficient, diffusion coefficient, initially emittable concentration). These results confirm the key role of the diffusion and are used as input data for the model. Finally, the development of the VOC transfer model, its coupling with CFD model combined with the airflow and transport validation are reported and typified. This work highlights the significance of the interactions between VOC emissions and ventilation, central in indoor air quality. It allows building an experimentally validated model to predict the distribution of indoor VOC concentrations and to optimize prevention strategies for specific workplaces.