Les aérosols atmosphériques (par exemple les matières particulaires ou PM) sont une source majeure d’incertitude dans les modèles climatiques. Plusieurs études ont démontré que des concentrations élevées de PM réduisent l’espérance de vie. Les aérosols organiques secondaires (Secondary Organic Aerosols en anglais, SOA) sont formés dans l’atmosphère à partir des précurseurs gazeux à travers les réactions chimiques et les SOA représentent des composants majeurs de la masse des PM à l’échelle mondiale. Afin de mieux comprendre les processus chimiques responsables de la formation des SOA, un modèle en 0-D est élaboré pour simuler dynamiquement l’évolution des espèces organiques dans une parcelle d’air qui subit une oxydation photochimique produisant des SOA. Le modèle incorpore des paramètres récemment publiés pour la formation des SOA à partir des composés organiques volatiles (VOCs), ainsi que des composés organiques semi-volatiles et des composés organiques à volatilité intermédiaire (SVOCs et IVOCs). Le modèle est restreint par plusieurs mesures de précurseurs, incluant des mesures récemment développées qui fournissent des contraintes grandement améliorées sur les concentrations des précurseurs, et les prédictions sont comparées par rapport aux mesures des SOA prises au cours de la campagne CalNex. Lorsque les effets des pertes sur les parois des chambres à smog sont considérés pour les rendements des VOCs, la quantité et la vitesse de la formation des SOA dans le modèle sont plus en accord avec les observations. Les résultats de cette étude indiquent que les SVOCs et les IVOCs primaires sont responsables de la majorité (70 à 86 %) de la masse de SOA modélisée, accentuant leur grande contribution en tant que précurseurs des SOA. Cependant, la masse de SOA simulée est sous-estimée à des temps courts d’oxydation lorsque comparée aux données sur le terrain, mais à des temps plus longs, un accord modèle/mesures est observé. Cet écart peut être dû à un ΔIVOC/ΔCO ratio d’émission bas ou une sous-estimation basse des constantes d’oxydations des IVOCs, ce qui met en évidence la nécessité de poursuivre les études sur le terrain et dans les laboratoires de ces composés. / Atmospheric aerosols (i.e. particulate matter or PM) are a major source of uncertainty in climate models. Many studies have also shown that elevated concentrations of PM reduce life expectancies. Secondary organic aerosol (SOA) is formed in the atmosphere from gaseous precursors through chemical reactions and SOA represents a major component of PM mass globally. To better understand the chemical pathways responsible for SOA formation, a box model is designed to simulate dynamically the evolution of organic species in an air parcel as it undergoes photochemical oxidation producing SOA. The model incorporates recently published parameterizations for the formation of SOA from volatile organic compounds (VOCs), as well as from semi-volatile and intermediate-volatility organic compounds (SVOCs and IVOCs). The model is constrained by several measurements of precursors, including recently developed measurements that provide greatly improved constraints on precursor concentrations, and the predications are compared against measurements of SOA taken during the CalNex campaign. When accounting for the effect of chamber wall-losses on VOC yields, the amount and rate of SOA formation in the model is more consistent with observations. The results of this study also indicate that the primary SVOCs and IVOCs are responsible for a majority (70 – 86 %) of the model SOA mass, emphasizing their high contribution as SOA precursors. However, the SOA mass predicted is underestimated at shorter photochemical ages when compared to field measurements, but at longer ages, model/measurement agreement is observed. This bias may be due to low IVOC/CO emissions ratios or low estimated IVOC oxidation rate constants, which highlights the need for further field and laboratory studies of these compounds.

Acid-base equilibria in organic particulate matter (PM) are poorly understood, but have important implications for air quality and public health. First, acid-base reactions in organic particulate matter affect the gas/particle partitioning of organic compounds in the atmosphere, and these processes are not currently represented in atmospheric and climate change models. Second, the acid-base balance of tobacco smoke affects the amount of nicotine absorbed by the smoker, and a greater understanding of this balance would help to relate cigarette smoke composition to the addictive properties of cigarettes. This work presents data related to both air quality and tobacco smoke modeling. The gas/particle partitioning behavior of organic acids and bases is highly dependent on acid-base equilibria and speciation between neutral and ionic forms, because ionic compounds do not volatilize. Descriptions of acid dissociation behavior in atmospheric PM have, to date, focused primarily on phases in which the solvent is water; however, atmospheric PM may include up to 90% organic matter. Data is presented here describing the acid dissociation behavior of organic acids and protonated amines in organic/aqueous mixtures (chosen to approximate the characteristics of organic PM) with varying levels of water content. In such mixtures, the preferential solvation of ions and neutral molecules (by the aqueous portion or the organic portion, respectively) affects the acid-base equilibria of the solutes. It is demonstrated that neutralization reactions between acids and bases that create ions are likely to have non-negligible effects on gas/particle partitioning under certain atmospheric conditions. Thus, including acid-base reactions in organic gas/particle partitioning models could result in a greater proportion of acidic and basic compounds partitioning to the particulate phase. In addition, the acid dissociation constants (pKa values) of atmospherically-relevant acids and bases vary with water content. Specifically, as water content increases, the pKa values of organic acids decrease dramatically, while the pKa values of protonated amines changes only slightly. This situation can result in drastically different speciations and partitioning behavior depending on water content. This second part of this work reports some of the data needed to develop an acid-base balance for tobacco smoke PM using electroneutrality as a governing principle. Five brands of cigarettes were sampled and the smoke PM extracted. Cations (sodium, potassium, and ammonia) and anions (organic acids, nitrate, nitrite, and chloride) were measured using ion chromatography. Ammonia and organic acids were also re-measured after the acidification of the sample in order to determine whether "bound" forms of these compounds exist in cigarette PM. Weak acids were determined by acid-base titration to determine whether or not all of the weak acids (including organic acids) had been accounted for by the ion chromatography. Weak bases were also determined by acid-base titration, and the majority of weak base is expected to be accounted for by total nicotine (to be measured in a separate analysis). In terms of total acidic species and total basic species, two of the five cigarette brands measured were relatively basic, and three were relatively acidic. Between 50% and 89% of the titrated acids were accounted for by the anionic species measured in ion chromatography. Based on samples tested after sample acidification, about half of the potential ammonia in tobacco smoke PM exists in "bound" form. The speciation of weak acids and bases in tobacco smoke PM cannot be determined from this data alone, because the equilibrium constants of acid-base reactions are not understood in complex organic media. The data presented here, when combined with data from free-base and total nicotine analyses, represent a first step toward a predictive model of acid-base behavior in tobacco smoke PM.

La qualité microbienne de l’air intérieur représente un enjeu sanitaire important, notamment dans le secteur professionnel. Ces travaux de thèse ont permis d’étudier les conditions favorisant le développement des espèces microbiennes collectées sur des médias fibreux utilisés dans des CTA, ainsi que leur réentrainement an aval de la filtration, susceptible de dégrader la qualité de l’air. La première partie de l’étude s’est déroulée en laboratoire à partir de la filtration d’un consortium bactérien – fongique composé de Staphylococcus epidermidis et Penicillium oxalicum. L’influence de trois paramètres a été étudiée sur la croissance microbienne : le taux d’humidité relative (HR) de l’air, la nature du média fibreux, la présence/absence de flux d’air. Les résultats ont révélé notamment que quelles que soient les conditions,S. epidermidis n’arrive pas à croître. En revanche, lorsque l’HR de l’air approche 100%, P. oxalicum se développe sur les filtres et des spores sont relarguées en aval des filtres après une reprise de la filtration. Une seconde partie de l’étude a consisté à travailler avec un aérosol atmosphérique semi urbain. Deux unités de filtration d’air ont fonctionné pendant 5 mois en parallèle. La ventilation d’une des deux unités a été stoppée chaque week-end et redémarrée en début de semaine. Un suivi de la température, de l’humidité de l’air, de la perte de charge des filtres et de la concentration des particules totales dans l’air en amont de la filtration a été assuré tout au long de l’étude. Les concentrations en microorganismes cultivables ont été mesurées chaque semaine en amont et en aval de chaque filtre, notamment au redémarrage de la ventilation. En fonction des variations saisonnières de la concentration des microorganismes, les résultats ont montré en particulier des efficacités de filtration vis-à-vis des particules bactériennes faibles, voire négatives, dans l’unité de filtration fonctionnant en continu. / Microbial indoor air quality is an important issue in particular in the professional sector. This thesis aims to investigate the conditions leading to microbial development on to fibrous filters and to microbial release down stream of filters that could decrease air quality. The first part of the thesis was realized on laboratory and consisted in the filtration of a microbial consortium composed with Staphylococcus epidermidis (bacterium specie) and Penicillium oxalicum (fungi specie). The effects of three parameters on the microbial behavior were studied : the relative humidity (RH) of the air, the filter material, the airflow presence/absence. Whatever conditions, S. epidermidis did not grow up. However, P. oxalicum has demonstrated its ability to develop itself when RH was close to 100% and some P. oxalicumspores were released downstream of filter after growth, when ventilation was restarted. The second part of the thesis consisted in working with a semi-urban outdoor air. Two air handling unit (AHU) have operated during 5 months. The ventilation of one AHU was stopped each week-end and restarted each beginning of week. Temperature and RH of the air, filters pressure drop and total concentration of PM in air before filtration were monitored. Concentration of total cultivable microorganisms upstream and downstream of both filters was also measured each week, in particular at the restart of ventilation for one AHU. According to seasonal variations of microbial concentrations, results have revealed for instance that the filtration efficiency of cultivable bacteria was particularly weak, and sometimes negative, for the AHU operating continuously.

Aero-terestric algae occure on a wide range of substrates, such as soil, plant, stone and rock surfaces and also on a variety of anthropogenic substrates. Morphological convergence towards coccoid or filamentous thalli, caused by frequent dessication stress, is typical for this group. Algae are frequently used for biomonitoring of various biotopes, mostly water biotopes, but also for bioindication of air quality. My diploma thesis is based on a study of autotrophic microbial growths on spruce and yew needles in relation to various air quality measures evaluating air pollution of sites. The results show that the occurence of microbial growths on needles is primarily influenced by the orientation towards cardinal points. However, the air pollution factors also proved to be significantly related to the quantitative measures of the microbial assemblages. Among them, the relative proportion of algae in microbial growths was the most tightly related to air pollution.

Cette thèse porte sur l’étude de l’évolution de la qualité de l’air en Europe et en France dans les prochaines décennies à l’aide de simulations numériques. Dans les études des impacts de l’évolution du climat sur la qualité de l’air, les modèles de chimie atmosphérique utilisent des sorties de modèles climatiques globaux ou régionaux qui fournissent les « forçages », c’est-à-dire les conditions météorologiques simulées pour les périodes futures. Contrairement aux analyses météorologiques, qui représentent la variabilité jour à jour du temps, les sorties des modèles de climat doivent nécessairement être interprétées de manière statistique : elles ne représentent la météorologie que dans un sens climatologique. Afin de pouvoir commenter utilement les simulations futures de qualité de l’air, il est nécessaire d’évaluer au préalable et pour le climat présent, la qualité des simulations calculées avec des forçages climatiques par rapport aux références que constituent les simulations calculées avec des forçages analysés et, bien entendu, les observations. Trois simulations pluri-annuelles (6 ans) ont été lancées pour la période actuelle (2000-2010) et ont été comparées ; elles différent par l’utilisation d’analyses météorologiques ou de forçages de modèle de climat (pour les paramètres atmosphériques seuls et par ailleurs, pour les paramètres atmosphériques et le calcul des échanges en surface) en entrée du modèle de chimie-transport tridimensionnel de Météo-France, MOCAGE. Nous avons évalué ces différentes simulations par comparaison aux observations de la base de données européenne AirBase. Nous avons ensuite comparé les performances de ces simulations pour un grand nombre de scores quantitatifs, en analysant d’une part les effets liés aux champs météorologiques (température, vent, humidité, etc.) et d’autre part, ceux liés aux échanges en surface (comme les vitesses de dépôts, les émissions biogéniques) qui dépendent également de la météorologie. Nous avons ainsi évalué comment ces changements affectent les distributions horizontales et verticales des polluants. In fine, nous avons caractérisé la fiabilité des simulations de qualité de l’air reposant sur des forçages issus de modèles climatiques pour le climat présent : des indicateurs (biais moyens, biais moyens normalisés, RMSE, déviations standards) et des index de qualité de l’air (comme le dépassement de seuils) se distinguent et peuvent donc servir de base fiable pour l’interprétation des résultats pour les simulations du futur. Enfin dans une troisième partie, ces indicateurs considérés comme pertinents ont été utilisés pour étudier des simulations de qualité de l’air aux horizons 2030 et 2050 (5 ans). Comme attendu, l’évolution des paramètres météorologiques (température, précipitation, vent) modifie les quantités et la dispersion des polluants dans l’atmosphère, mais l’évolution des émissions en Europe et dans le reste du monde joue aussi un rôle important. Ainsi, face à l’évolution du climat et la hausse des émissions dans certains pays du monde, en Asie notamment, les effets des politiques Européennes pour réduire les émissions anthropiques sont mitigés selon les régions et les polluants, dépendant de l’influence relative des phénomènes locaux et du transport de polluant à longue distance. / This thesis aims at predicting how European and French air quality could evolve over the next decades using numerical modeling. In order to study the impacts of climate change up on regional air quality, atmospheric chemistry models rely on global or regional climate models to produce “forcings”, i.e. meteorological conditions for future periods. Unlike meteorological analyses, which can represent specifically each date and hour thanks to the assimilation of observations, climate model outputs need to be averaged and can only be interpreted in a climatological sense. And so are air quality hindcasts relying on them for their forcings. In order to properly interpret air quality simulations in a future climate, it is a pre-requisite to assess how realistic air quality hindcasts are when driven by forcings from climate models for the current period in comparison to the references, which are simulations with the same set-up but relying on meteorological analyses and observations. Three six-year simulations for the current climate (2000-2010) have been run with the three-dimensional chemistry transport model of Météo-France, MOCAGE. These simulations only differ by the meteorological forcings used, either operational meteorological analyses or outputs from climate simulations (for atmospheric parameters only ; for atmospheric parameters as well as surface exchanges, which depend also on the weather). We compared the three simulations and evaluated them against the European air quality database of the European Environment Agency, AirBase. Further, we investigated how statistical skill indicators compare in the different simulations, assessing the effects of meteorology on atmospheric fields (temperature, wind, humidity,...) and on the dependent emissions and deposition processes (such as deposition velocities, volatile organic compound emissions, ...) that depend upon meteorology. We have in particular studied how these factors affect the horizontal and vertical distributions of species. In the end, we have estimated how reliable are skill indicators for the simulations run with “climate” forcings : some indicators (mean bias, mean normalized bias, RMSE, deviation standards, number of exceedance days) are sufficiently close to the ones obtained with the reference configuration (relying on analysed meteorological forcings) to be considered reliable. They can thus be used to interpret simulations for future periods. We have run simulations of European air quality in the 2030s and 2050s (5 years for each period). They are discussed using the indicators previously indentified. As expected, the changes in meteorological parameters (temperature, precipitation, wind, ...) affect the quantities and distributions of pollutants in the atmosphere, but the future evolutions in European and global emissions also play a significant role. Faced with climate change and increased emissions in some countries in the world, as in Asia, the impacts of European policies for reducing anthropogenic emissions are mitigated, depending on the regions and the pollutants due to the respective influence of local emission and of long-range transport of pollutants.

L'objectif de cette thèse est le développement d'outils technologiques et logiciels permettant un monitoring de la qualité de l'air intérieur. Cela comprend la conception de capteurs miniaturisés permettant la détection simultanée d'un grand nombre de polluants, ainsi que le développement de modèles numériques inverses utilisant les données issues de ces capteurs et permettant la reconstruction de sources de polluants. Ces travaux ont mené à l'élaboration d'un prototype fonctionnel de micro-chromatographe en phase gazeuse, système d'analyse chimique miniaturisé permettant la détection de multiples polluants. La colonne de séparation fabriquée en technologie MEMS a permis la séparation de divers composés organiques volatils en quelques dizaines de secondes. Le micro-détecteur TCD, fondé sur une mesure 4-pointes couplée à un circuit d'asservissement en température original, a permis la détection des composés séparés dans la colonne. Afin d'améliorer et de tirer au mieux parti des micro-chromatographes, des méthodes d'injections stochastiques ont été développées. Il a été démontré que ces méthodes ont plusieurs intérêts. D'une part, elles permettent facilement un gain de rapport signal/bruit de l'ordre de la décade, ce qui permet la détection de polluants plus faiblement concentrés. Il a été observé d'autre part qu'il est possible de suivre en temps réel l'évolution moyenne de la concentration des polluants alors que cela n'est pas possible lorsque le chromatographe est utilisé de manière standard. Enfin, une méthode d'injection et de traitement du signal permettant l'analyse simultanée de plusieurs échantillons avec un unique capteur a été développée. Enfin, ces travaux ont été complétés par le développement de modèles inverses 2D permettant, à partir de données issues de micro-chromatographes placés dans l'espace, la reconstruction de sources de polluants et de champs de vitesses par méthode des gaz traceur. Ces modèles sont fondés sur une approche de contrôle optimal et utilisent une résolution des équations de Navier-Stokes et de diffusion-advection par la méthode éléments finis. L'utilisation de bases orthonormées obtenues par POD a permis de régulariser ces modèles inverses / The goal of this thesis is the development of technological and numerical tools for the monitoring of indoor air quality. That comprises the design of miniaturized sensors capable of detecting a large number of pollutants, and the development of inverse models allowing the reconstruction of pollutant sources from concentration measurements. In this work we present the realization of a micro-gas chromatograph, miniaturized chemical-analysis system fabricated with silicon-based MEMS technology. The separation column can separate multiple volatile organic compounds in less than a minute. The integrated thermal conductivity detector, based on a 4-points measurement technique coupled with an original temperature control circuit, can detect compounds separated in the column. In order to improve the performances of such micro-chromatographs, stochastic injection techniques have been developped. We have shown that these techniques easily allow to reduce the detection noise by an order of magnitude so that low-concentrated pollutants can be detected. We also observed that it is possible to follow in real time the mean evolution of the concentration with such techniques. We finally developped an original multiplexing technique that allows to monitor multiple sample streams simultaneoulsy with a single sensor. Finally, this work is completed by the development of 2D inverse models that allow, from data measured by micro-chromatographs placed in a room, to reconstruct pollutant sources, concentration fields or airflow patterns. Those models are based on an optimal control approach and use the resolution of Navier-Stokes and diffusion-advection equations with the finite element method. POD orthonormal basis are used for the regularization of the problem

Doctor of Philosophy / Department of Mechanical Engineering / Steven J. Eckels / Byron W. Jones / Poor air quality in commercial aircraft cabins can be caused by volatile organophosphorus (OP) compounds emitted from the jet engine bleed air system during smoke/fume incidents. Tri-cresyl phosphate (TCP), a common anti-wear additive in turbine engine oils, is an important component in today’s global aircraft operations. However, exposure to TCP increases risks of certain adverse health effects. This research analyzed used aircraft cabin air filters for jet engine oil contaminants and designed a jet engine bleed air simulator (BAS) to replicate smoke/fume incidents caused by pyrolysis of jet engine oil. Field emission scanning electron microscopy (FESEM) with X-ray energy dispersive spectroscopy (EDS) and neutron activation analysis (NAA) were used for elemental analysis of filters, and gas chromatography interfaced with mass spectrometry (GC/MS) was used to analyze used filters to determine TCP isomers. The filter analysis study involved 110 used and 74 incident filters. Clean air filter samples exposed to different bleed air conditions simulating cabin air contamination incidents were also analyzed by FESEM/EDS, NAA, and GC/MS. Experiments were conducted on a BAS at various bleed air conditions typical of an operating jet engine so that the effects of temperature and pressure variations on jet engine oil aerosol formation could be determined. The GC/MS analysis of both used and incident filters characterized tri-m-cresyl phosphate (TmCP) and tri-p-cresyl phosphate (TpCP) by a base peak of an m/z = 368, with corresponding retention times of 21.9 and 23.4 minutes. The hydrocarbons in jet oil were characterized in the filters by a base peak pattern of an m/z = 85, 113. Using retention times and hydrocarbon thermal conductivity peak (TCP) pattern obtained from jet engine oil standards, five out of 110 used filters tested had oil markers. Meanwhile 22 out of 74 incident filters tested positive for oil fingerprints. Probit analysis of jet engine oil aerosols obtained from BAS tests by optical particle counter (OPC) revealed lognormal distributions with the mean (range) of geometric mass mean diameter (GMMD) = 0.41 (0.39, 0.45) [mu]m and geometric standard deviation (GSD), [sigma][subscript]g = 1.92 (1.87, 1.98). FESEM/EDS and NAA techniques found a wide range of elements on filters, and further investigations of used filters are recommended using these techniques. The protocols for air and filter sampling and GC/MS analysis used in this study will increase the options available for detecting jet engine oil on cabin air filters. Such criteria could support policy development for compliance with cabin air quality standards during incidents.

Doctor of Philosophy / Department of Biological and Agricultural Engineering / Ronaldo G. Maghirang / Emission of particulate matter (PM) and various gases from open-lot beef cattle feedlots is becoming a concern because of the adverse effects on human health and the environment; however, scientific information on feedlot emissions is limited. This research was conducted to estimate emission rates of PM[subscript]10 from large cattle feedlots. Specific objectives were to: (1) determine feedlot PM[subscript]10 emission rates by reverse dispersion modeling using AERMOD; (2) compare AERMOD and WindTrax in terms of their predicted concentrations and back-calculated PM[subscript]10 emission rates; (3) examine the sensitivity of both AERMOD and WindTrax to changes in meteorological parameters, source location, and receptor location; (4) determine feedlot PM[subscript]10 emission rates using the flux-gradient technique; and (5) compare AERMOD and computational fluid dynamics (CFD) in simulating particulate dispersion from an area source. PM[subscript]10 emission rates from two cattle feedlots in Kansas were determined by reverse dispersion modeling with AERMOD using PM[subscript]10 concentration and meteorological measurements over a 2-yr period. PM[subscript]10 emission rates for these feedlots varied seasonally, with overall medians of 1.60 and 1.10 g /m[superscript]2 -day. Warm and prolonged dry periods had significantly higher PM emissions compared to cold periods. Results also showed that the PM[subscript]10 emissions had a diurnal trend; highest PM[subscript]10 emission rates were observed during the afternoon and early evening periods. Using particulate concentration and meteorological measurements from a third cattle feedlot, PM[subscript]10 emission rates were back-calculated with AERMOD and WindTrax. Higher PM[subscript]10 emission rates were calculated by AERMOD, but their resulting PM[subscript]10 emission rates were highly linear (R[superscript]2 > 0.88). As such, development of conversion factors between these two models is feasible. AERMOD and WindTrax were also compared based on their sensitivity to changes in meteorological parameters and source locations. In general, AERMOD calculated lower concentrations than WindTrax; however, the two models responded similarly to changes in wind speed, surface roughness, atmospheric stability, and source and receptor locations. The flux-gradient technique also estimated PM[subscript]10 emission rates at the third cattle feedlot. Analyses of PM[subscript]10 emission rates and meteorological parameters indicated that PM[subscript]10 emissions at the feedlot were influenced by friction velocity, sensible heat flux, temperature, and surface roughness. Based on pen surface water content measurements, a water content of at least 20% (wet basis) significantly lowered PM[subscript]10 emissions at the feedlot. The dispersion of particulate from a simulated feedlot pen was predicted using CFD turbulence model ([kappa]-[epsilon] model) and AERMOD. Compared to CFD, AERMOD responded differently to wind speed setting, and was not able to provide detailed vertical concentration profiles such that the vertical concentration gradients at the first few meters from the ground were negligible. This demonstrates some limitations of AERMOD in simulating dispersion for area sources such as cattle feedlots and suggests the need to further evaluate its performance for area source modeling.

La performance d’un système doit être bien définie, atteignable et surtout mesurable. Ce n’est pas le cas aujourd’hui pour la ventilation. D’une part, les performances des systèmes de ventilation sont habituellement exprimées sur des considérations énergétiques ou tout simplement sur une estimation trop approximative des débits de ventilation. Les performances liées au confort thermique et à la qualité de l’air intérieur sont abordées séparément à travers des outils d’évaluation dédiés. D’autre part, les outils d’évaluation existants sont aujourd’hui limités dans leur mise en pratique pour des mesures in situ, notamment lorsqu’il s’agit de ventilation naturelle et mixte. L’objectif de cette thèse est alors d’examiner et d’expérimenter les techniques expérimentales existantes à échelle réelle afin de proposer des améliorations sur les méthodes d’évaluation et de commissionnement. La thèse aborde la performance de la ventilation en prenant en compte l’efficacité de ventilation comme performance intrinsèque et le confort thermique comme performance globale.La première partie est consacrée à l’évaluation in situ des performances intrinsèques de ventilation (taux de ventilation, âges moyens de l’air et efficacité de renouvellement d’air), en se basant sur des techniques de gaz traceurs. Après une analyse théorique des différents indicateurs de performance de ventilation et de leurs techniques de mesure correspondantes, une étude expérimentale a été menée dans une salle de cours sous différentes stratégies de ventilation (mécanique, naturelle et mixte). Les analyses ont démontré l’importance de la mise en application des techniques de décroissance de gaz traceurs sur l’incertitude des taux de renouvellement d’air avec notamment une forte influence des temps de mesure et des concentrations de gaz utilisées. Une méthodologie a été adaptée puis testée pour la mesure de l’efficacité de renouvellement d’air en ventilation mécanique, naturelle et mixte en s’affranchissant de mesures en bouches d’extraction (technique habituellement utilisée et préconisée par les normes).La deuxième partie est consacrée à l’évaluation expérimentale in situ du confort thermique sous différentes configurations de ventilation. Différentes méthodes, standards et techniques d’évaluation ont été testés et comparés avec la perception des occupants. Les résultats ont démontré la présence de plusieurs inadéquations lors de la mise en pratique des méthodes et normes existantes. Principalement, il s’agit de l’inadéquation des méthodes statiques (PMV PPD) pour l’évaluation du confort en présence de conditions thermiques fluctuantes, y compris en ventilation mécanique. Les analyses d’incertitudes liées aux erreurs de mesure ont démontré l’incohérence des normes actuelles dans la classification des catégories de confort. / The performance of a system must be well defined, attainable and above all measurable. This is not the case today for ventilation. On the one hand ventilation performance is usually declined on energy efficiency considerations or simply on a rough estimation of ventilation rates. The performance related to thermal comfort and IAQ are addressed separately through dedicated evaluation tools. On the other hand, the existing evaluation tools today are nowadays limited in their practical applications for in situ measurements, in particular in the case of natural and mixed ventilation. The aim of the present thesis is to examine the existing experimental technics, at full scale building in order to propose improvements on evaluation methods and commissioning protocols. The present thesis deals with ventilation performance taking into account ventilation efficiency as intrinsic performance and thermal comfort as overall performance.The first part is devoted to the in situ assessment of intrinsic ventilation performance (ventilation rates, mean age of air, and air exchange efficiency), based on decay tracer gas techniques. After a theorical analysis of the various performance indexes and their corresponding measurement techniques, an experimental study was carried out in a classroom under different ventilation strategies (mechanical, natural & mixed mode). The analysis proved the importance of the application of the tracer gas decay on ventilation rates accuracy with in particular a strong influence of measurement times and used tracer gas concentration. A methodology has been adapted and tested for the measurement of the air exchange efficiency in natural and mixed mode ventilation, by avoiding measurements in exhaust vents (a technique usually used and advocated by current standards).The second part is devoted to in situ assessment of thermal comfort under different ventilation strategies. Different methods, standards and evaluation techniques were tested and compared with occupants’ perception. The results demonstrated the presence of several inadequacies during the implementation of existing methods and standards. Mainly, it concerns the inadequacy of static methods (PMV PPD) for thermal comfort assessment in the presence of fluctuating thermal conditions, even with mechanical ventilation. Uncertainty analysis related to measurement errors has demonstrated the incoherence of current standards in the classification of comfort categories.

La surveillance de la qualité de l'air est actuellement effectuée avec des mesures de concentration et à partir d'outils de modélisation de la dispersion atmosphérique. Ces modèles numériques évaluent les concentrations des polluants avec une résolution spatio-temporelle plus fine que les mesures. Néanmoins, les estimations fournies par ces modèles sont moins précises que les mesures. Dans ce projet de recherche, nous avons étudié les approches de couplage d'échelles et d'assimilation de données pour améliorer les estimations fournies par le modèle de dispersion atmosphérique SIRANE, dédié à l'échelle urbaine. L'approche de couplage d'échelles consiste à déterminer les conditions aux limites d'une simulation à partir d'une autre simulation à plus grande échelle. Au cours de ce travail de thèse, nous avons analysé trois méthodes afin de coupler le modèle urbain SIRANE et le modèle à méso-échelle CHIMERE. Cette étude montre que ces méthodes permettent potentiellement d'estimer la qualité de l'air à l'échelle urbaine de manière plus satisfaisante que les modèles à méso-échelle (utilisés seuls). Cependant, elles n'améliorent pas forcément la modélisation des conditions aux limites d'une simulation à l'échelle urbaine et les estimations fournies par celles-ci. Cela est a priori lié au fait que les estimations fournies par le modèle CHIMERE ne sont pas suffisamment satisfaisantes sur notre cas d'étude. Il est néanmoins possible que ces méthodes améliorent les résultats à l'échelle urbaine en utilisant une simulation à l'échelle régionale de meilleure qualité. L'approche d'assimilation de données consiste à combiner les mesures et les données modélisées afin de déterminer la meilleure estimation de l'état d'un système. Durant cette thèse, nous avons étudié trois méthodes d'assimilation de données : la méthode de débiaisement, la méthode que nous avons nommée modulation de la contribution des sources et la méthode Best Linear Unbiased Estimator. Cette étude indique que ces méthodes permettent globalement d'améliorer les estimations fournies par le modèle SIRANE. L'étude de sensibilité vis-à-vis du nombre de mesures utilisées lors de l'assimilation de données indique qu'en général, plus ce nombre est élevé plus les résultats sont satisfaisants. Enfin, les résultats montrent que les performances statistiques associées à ces trois méthodes d'assimilation de données sont globalement comparables entre elles sur notre cas d'étude. / Air quality monitoring is currently carried out with concentration measurements and with atmospheric dispersion modeling tools. These numerical models evaluate pollutant concentrations with a finer spatio-temporal resolution than measurements. Nevertheless, the estimates provided by these models are less accurate than measurements. In this research project, we studied multiscale coupling and data assimilation approaches to improve the estimates provided by the SIRANE atmospheric dispersion model, dedicated to the urban scale. The multiscale coupling approach consists in determining the boundary conditions of a simulation from another simulation on a larger scale. In this thesis work, we analyzed three methods for coupling the SIRANE model with the CHIMERE mesoscale model. This study shows that these methods can potentially estimate the air quality at the urban scale more satisfactorily than the mesoscale models (used alone). However, they do not necessarily improve the modeling of the boundary conditions of a simulation at the urban scale and the estimates provided by them. This is a priori due to the fact that the estimates provided by the CHIMERE model are not sufficiently good on our case study. It is possible, however, that these methods improve the results at the urban scale by using a better simulation at the regional scale. The data assimilation approach consists of combining the measurements and the modelled data to determine the best estimate of the system state. During this thesis, we studied three data assimilation methods : the unbiased method, the method that we called source apportionment modulation, and the Best Linear Unbiased Estimator method. This study indicates that these methods generally improve the estimates provided by the SIRANE model. The sensitivity study on the number of measurements used during the data assimilation indicates that, in general, higher is this number, more satisfactory are the results. Finally, the results show that the statistical performances associated with these three data assimilation methods are globally comparable on our case study.