Vers une meilleure prise en compte de la qualité de l’air intérieur et de la santé dans les logements individuels basse consommation : Développement d’une approche performantielle de la ventilation

Towards a better integration of indoor air quality and health issues in low-energy dwellings: Development of a performance-based approach for ventilation

• Auteur / Autrice : Gaëlle Voisin
• Direction : Evelyne Gonze, Monika Woloszyn
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Energétique et Génie des Procédés
• Date : Soutenance en 2018
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences et ingénierie des systèmes, de l'environnement et des organisations (Chambéry ; 2007-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Optimisation de la Conception et Ingénierie de l'Environnement
• Jury : Président / Présidente : Jean-Jacques Roux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Evelyne Gonze, Patrice Blondeau, Arnold Janssens, Monika Woloszyn
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrice Blondeau, Arnold Janssens

Mots clés

Mots clés libres

Qualité d'air intérieur

Perméabilité à l'air

Ventilation

Multizone

Performance

Maison basse consommation

Indoor air quality

Air leakage

Ventilation

Multizone

Performance

Low-energy house

Résumé

Les futures réglementations à l’horizon 2020 intégreront la notion de performance globale des bâtiments, incluant la qualité de l’air intérieur (QAI). Dans le domaine de l’énergie, les approches performantielles se sont développées afin de vérifier que le bâtiment respecte, à la conception, une consommation maximale d’énergie. Or, dans le domaine de la ventilation, les réglementations se basent généralement sur des approches prescriptives, fixant des débits de ventilation. Cette thèse vise donc le développement d’une approche performantielle afin de s’assurer, dès la conception, que la ventilation permet d’éviter un risque pour la santé des occupants. Par ailleurs, dans un contexte de généralisation des bâtiments à quasi zéro énergie, la perméabilité à l’air est aujourd’hui de plus en plus intégrée dans les réglementations thermiques en Europe. Comme l’évaluation de la performance porte souvent sur l’efficacité énergétique, et rarement sur la QAI, l’impact de la présence de plusieurs zones, interconnectées par des défauts de perméabilité à l’air sur les cloisons intérieures (perméabilité intérieure), combinées à une non-uniformité de la perméabilité d'enveloppe, est une problématique rarement étudiée et traitée dans cette thèse. Pour répondre à cette problématique, une campagne inédite de mesure des distributions de la perméabilité à l’air sur 23 maisons a permis de développer une base de données. Son analyse révèle que la perméabilité intérieure est non négligeable devant un détalonnage de porte, et que le type de structure (légère/lourde) a un impact considérable. A l’issue de ce travail, nous avons proposé des données d’entrées dans les modèles multizones sur ces distributions de perméabilité à l’air. Ensuite, un travail de quantification des impacts de ces distributions détaillées sur la QAI a pu être réalisé sur un cas d’étude modélisant le CO2, l’humidité et le formaldéhyde dans une maison basse consommation. Elle est équipée soit d’une ventilation simple-flux (SF), soit d’une ventilation double-flux (DF). Des impacts importants ont été mis en évidence. Pour évaluer la QAI, il est donc nécessaire de modéliser finement la perméabilité à l’air d’enveloppe et intérieure. A l’issue d’un travail bibliographique intense, combiné à des analyses complémentaires présentées ci-avant, nous avons pu proposer une approche performantielle pour la ventilation à utiliser dans une étude réglementaire au stade de la conception. Nous avons proposé 5 indicateurs de QAI à prendre en compte incluant des doses de CO2, formaldéhyde et PM2.5, deux indicateurs sur l’humidité portant sur l’évaluation du risque de condensation et la santé des occupants. Nous avons également proposé des scénarios d’occupation et d’émission en polluants à prendre en compte. Enfin, nous avons décrit le type de modèle multizone à mettre en œuvre, les modèles physiques et hypothèses associées, les conditions limites à utiliser. Nous avons souhaité tester cette approche en l’appliquant sur une maison basse consommation servant de cas d’étude. Nous avons donc supposé être au stade de sa conception et devoir respecter une hypothétique réglementation fixant des objectifs de performance sur la QAI. Nous avons ainsi démontré comment une telle approche permettrait de faire des choix clés au stade de la conception, comme le type de structure (aux vues de son impact sur les distributions de perméabilité), le type de système de ventilation, le niveau de pollution intérieure (en lien avec le choix de labels ou d’étiquetage par exemple), au regard de leur impact sur la QAI. En effet, dans notre cas d’étude, seule une ventilation DF combinée à une émission faible ou médium de formaldéhyde permet de respecter les objectifs de QAI. Nous avons également montré qu’une telle approche serait utile au stade de la conception pour mieux dimensionner la distribution des entrées d’air ou des bouches d’extraction, voir même les débits de ventilation, afin d’atteindre les objectifs de QAI.

In future building regulations 2020, building performance is going to be extended to global performance, including indoor air quality (IAQ). In the energy performance (EP) field, successive regulations pushed for a "performance-based" approach, based on an energy consumption requirement at the design stage. Nevertheless, ventilation regulations throughout the world are still based on prescriptive approaches, setting airflows requirements. This thesis should develop a performance-based approach to insure that ventilation is designed to avoid risks for occupant’s health. Given the European context with the generalization of nearly zero energy buildings, envelope airtightness is often included in EP-calculations, frequently through single-zone models with uniform air leakage. Because more consideration is often given to EP than to IAQ issues, impact of several zones interconnected by unevenly distributed leaks, on the envelope and on internal partition walls, is a rarely investigated issue. We propose to study it in this thesis. Faced with this issue, we conducted an experimental study on multizone air leakages of 23 detached houses and developed an innovative database. The analysis of this database reveals that internal air leakage can become significant at door undercuts and that the type of building structure has a great influence. We proposed airleakage values and dispersion input data for multizone IAQ models. Then, through a multizone modelling of a low energy house case study, we quantified impacts of these airleakage distribution data on IAQ. We modelled CO2, humidity and formaldehyde with two type of ventilation (exhaust-only or balanced). We highlighted strong impacts and concluded that detailed airleakage distributions should be used in IAQ performance assessment methods. An extensive review work combined with complementary analysis allowed us to come up with the development of a performance-based approach for house ventilation to be used at the design stage in a regulatory calculation. We selected the use of five relevant IAQ performance indicators, based on CO2, formaldehyde and PM2.5 exposures, and RH-based indicators assessing both condensation and health risks. We proposed also pollutant emission data and occupancy schedules to be used. Lastly, we described the multizone modelling laws and assumptions to be used, the physical models and associated assumptions, and the boundary conditions. Importantly, we demonstrated that our proposed method was applicable, applying it to a low-energy house case study. We assumed being at the design stage of a house which should comply with a hypothetical regulation, requiring IAQ performance indicators and associated thresholds. We also demonstrated how such an approach could help at the design stage in key choices as the type of structure (regarding its impact on airleakage distributions), the type of ventilation system, the level of pollutant emissions. Indeed, in the case study studied case, only the balanced ventilation combined with low or medium-emission class of formaldehyde emissions allow to fulfill the IAQ requirements. We showed also that such an approach could help in the ventilation design, notably the distribution of the air inlets and/or outlets, or even the airflows, in order to secure the fulfillment of IAQ requirements.