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Theses Year : 2020

Optimal strategies for controlling air quality in offices : assessment of sorptive materials

Stratégies optimales de maîtrise de la qualité de l’air dans les bureaux : évaluation du potentiel des matériaux adsorbants

Abstract

The numerous studies carried out in France and in the rest of the world over the past twenty years have led to consider indoor air quality as a full environmental issue. The challenge of this thesis is the characterization of air quality in office buildings, from its qualification by the selection of relevant indicators to the definition of improvement solutions. It has two components with complementary objectives.The first one deals with the ability of sorptive materials to control indoor air quality. 6 commercially-available products, including 3 paints and 3 gypsum-based materials, were assessed against 6 well-known pollutants. Various experiments were carried out to address the influence of concentration on adsorption rate, the adsorption capacity of the materials, the irreversibility of the adsorption processes, and the decrease in the emissions from the walls when they are coated with sorptive materials. The reduction in formaldehyde concentrations that sorptive materials can provide is then evaluated from simulations of the air quality in a representative office. The model associates a zonal modeling of heat, airflows and pollutant transports in the room volume, and a detailed modeling of pollutants transfers within buildings materials. The simulation results show the influence of the type and arrangement of sorptive materials in the room (ceiling / wall). They also provide relevant information to assess the air cleaning efficiency of these materials by reference to other technical solutions for controlling indoor air quality. The second part of the thesis widens the discussion by tackling the identification of the most relevant pollutants to consider for an objective assessment of indoor air quality in office buildings. 307 substances having concentration measurements have been evaluated with regard to their threshold effects, through the calculation of a risk index (IR), and their carcinogenic, mutagenic reprotoxic or endocrine disruptor (CMRPE) effects, through existing hazard classifications. Among them, 57 are considered as priority contaminants due to their CMRPE classification. 11 others have an IR greater than 1. The graphical representation of the method results allows easy selection and updating of the data, for a more targeted study or a dynamic monitoring of the ranking. 130 substances including some selected as having no or very few concentration data have been measured in 30 office buildings located in Nouvelle-Aquitaine, France. These measurements were used to complete and refine the ranking based on published data.
Les nombreuses études menées en France et dans le reste du monde au cours des vingt dernières années ont permis d’inscrire la qualité de l’air intérieur comme une problématique environnementale à part entière. L’enjeu de cette thèse repose sur l’évaluation de la qualité de l’air dans les bâtiments de bureaux, de sa qualification par le choix d’indicateurs pertinents à la recherche de solutions d’amélioration. Elle comporte deux volets aux objectifs complémentaires. Le premier traite de la caractérisation fine du potentiel des matériaux adsorbants pour la maîtrise de la qualité de l’air, sur la base de 6 polluants de familles chimiques différentes. Différents protocoles expérimentaux sont mis en œuvre afin de caractériser les différents aspects de la performance de 6 matériaux du marché, à savoir l’influence de la concentration sur les flux adsorbés, leur capacité d’adsorption, l’irréversibilité des processus, et la réduction des émissions des matériaux sur lesquels ils sont disposés. L’abattement des concentrations en formaldéhyde que peuvent procurer les matériaux adsorbants est ensuite évalué par des simulations de la qualité de l’air dans un bureau représentatif, en couplant une modélisation zonale des transferts aérauliques et de polluants dans l’ambiance à une modélisation détaillée des transferts dans les matériaux constitutifs des parois. Les résultats obtenus permettent d’analyser l’influence du type et de la position des matériaux adsorbants dans la pièce (plafond ou mur) et de juger de l’intérêt de recourir à ces matériaux par référence à d’autres stratégies de contrôle de la qualité de l’air. Le second volet de la thèse élargit la discussion en abordant la définition des traceurs les plus pertinents de la qualité de l’air dans les bâtiments de bureaux, en termes de risques sanitaires encourus par leurs occupants. Une méthode originale de hiérarchisation sanitaire des polluants présents dans l’air de ce type de bâtiments est proposée. 307 substances ayant fait l’objet de mesures de concentrations dans le monde sont ainsi évaluées vis-à-vis de leurs effets à seuil, via le calcul d’un indice de risque (IR), et de leurs effets cancérigène, mutagène, reprotoxique ou perturbateur endocrinien (CMRPE), via une classification de danger. Parmi elles, 57 sont considérées comme prioritaires de par leur classification CMRPE et 11 de par leur IR. Le mode de représentation graphique des résultats permet une sélection ou une actualisation facile des données, pour une analyse sur un périmètre géographique ou une période de mesure donnée, ou un suivi dynamique de la hiérarchisation. 130 substances dont certaines choisies car ne disposant pas ou peu de données de concentration dans la littérature ont fait l’objet d’une campagne de mesure dans 30 immeubles de bureaux de Nouvelle-Aquitaine. Les résultats obtenus permettent de compléter et d’affiner la hiérarchisation.
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Origin : Version validated by the jury (STAR)

Dates and versions

tel-03027718 , version 1 (27-11-2020)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03027718 , version 1

Cite

Guillaume Serafin. Stratégies optimales de maîtrise de la qualité de l’air dans les bureaux : évaluation du potentiel des matériaux adsorbants. Matériaux. Université de La Rochelle, 2020. Français. ⟨NNT : 2020LAROS001⟩. ⟨tel-03027718⟩
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