La pollution de l'air intérieur est un enjeu majeur pour la santé humaine. Pour réduire les concentrations de polluants des milieux confinés, notre étude s'est basée sur la conception et les tests d'un nouveau média photocatalytique innovant composé de textile rendu lumineux grâce à la présence de fibres optiques microstructurées. Le textile est rendu photocatalytique après ajout de TiO2 en suivant différentes méthodes de dépôt. Les fibres optiques ont alors deux rôles fondamentaux : premièrement d'être le support du catalyseur et deuxièmement d'être le moyen d'amener le rayonnement UVA au coeur du lit photocatalytique. La rencontre des trois constituants de la photocatalyse, les photons UV, le catalyseur et le polluant, est alors favorisée par l'utilisation de ce type d'échantillon. Les propriétés structurales et optiques de ce nouveau matériau ont été caractérisées par des analyses de surface (microscopie otique et microscopie électronique à balayage environnementale (MEBE)), des mesures d'irradiance UV et des analyses permettant de localiser le TiO2 à la surface de l'échantillon (Raman et MEB‐EDX). L'influence de différents paramètres tels que la structure textile, la méthode de dépôt, les caractéristiques d'irradiation, les débits molaires sur la dégradation de deux composés organiques volatiles, le formaldéhyde et le toluène, a été étudiée et corrélée aux propriétés physicochimiques du matériau / The indoor air pollution is a major challenge for human health. To reduce the concentrations of pollutants in confined area, our study is based on the design and testing of a new innovative photocatalytic media composed of textile which is lighted with microstructured optical fibres. The textile becomes photocatalytic after the coating of TiO2 with different methods. The optical fibers have then two fundamental roles: first to be the catalyst support and secondly to be the light transmission support from the source into the photocatalytic bed. The meeting of the three constituents of photocatalysis (UV photons, catalyst and pollutants) is then enhanced by the use of this type of sample. The structural and optical properties of this new material were characterized by surface analysis (optical microscopy and electronic secondary electron microscopy (ESEM)), with measurements of UV irradiance and methods to determinate the location of the TiO2 on the sample surface (Raman spectroscopy and EDX‐SEM). The influence of different parameters such as textile structure, coating method, irradiation characteristics, molar flow on the degradation of two volatile organic compounds, formaldehyde and toluene, was studied and correlated to the physical‐chemical properties of the material

Les bâtiments à très basse consommation d’énergie bénéficient d’une isolation thermique performante et d’une bonne étanchéité à l’air, souvent couplées à une conception bioclimatique du bâtiment. L’apport d’énergie nécessaire au chauffage et au rafraîchissement de l’ambiance s’en trouve considérablement réduit. Dans ce contexte, il devient possible d’utiliser l’air comme unique vecteur d’énergie, à des débits suffisamment faibles pour permettre son intégration dans le système de ventilation sanitaire, et avec un écart de température réduit entre l’air soufflé et l’ambiance. Une unité terminale de soufflage, ou diffuseur d’air, a alors pour rôle d’assurer un mélange optimal de l’air neuf avec l’air ambiant, de façon à obtenir une répartition homogène de température et de vitesse dans les pièces d’habitation, et un bon renouvellement de l’air intérieur. Ce travail de thèse propose une étude du confort thermique et de l’efficacité de ventilation dans une cellule climatique à échelle 1 en conditions contrôlées, dans le contexte d’utilisation d’un système combiné de ventilation, chauffage et rafraîchissement. Une stratégie de ventilation par mélange est mise en œuvre à l’aide d’un diffuseur d’air composé de douze buses lobées de géométrie complexe, et l’occupation est prise en compte par des mannequins cylindriques, qui constituent des sources de chaleur sensible et de dioxyde de carbone. La vitesse d’air, la concentration en CO2 ainsi que les températures d’air, de globe noir et des parois de la cellule sont suivies expérimentalement pour différentes conditions de soufflage d’air chaud et froid. Les mesures expérimentales sont complétées par des simulations numériques de mécanique des fluides (CFD), qui visent à caractériser l’écoulement dans la cellule. Cette approche fait intervenir une méthode de modélisation en deux temps afin d’intégrer correctement la géométrie complexe du diffuseur d’air dans les simulations. Des études paramétriques sont ensuite proposées pour des conditions non testées expérimentalement. Celles-ci visent à mettre en évidence l’impact des conditions de soufflage et des charges internes sur l’écoulement et sur le confort, pour les conditions spécifiques aux bâtiments à très basse consommation d’énergie. / Low-energy buildings benefit from a good thermal insulation and air tightness, associated with a smart integration of the building in its environment. Consequently, the required power for heating and cooling of the building is reduced to a great extent. This allows the use of conditioned ventilation air as the only energy vector: the air is supplied into the rooms at a low-velocity and with a low temperature difference with the indoor air. Air terminal devices are used, whose aim is to provide a homogeneous distribution of temperature and velocity inside of the rooms, and an efficient disposal of the indoor air pollutants. In this prospect, the thermal comfort and ventilation effectiveness in a test room (scale 1) resulting from an integrated heating, cooling and ventilation system is assessed both experimentally and numerically. The air is supplied close to the ceiling through a wall-mounted diffuser of complex geometry composed of twelve lobed nozzles, and the occupancy is modeled by two cylindrical manikins releasing sensible heat and carbon dioxide. Experimentally, the air velocity, CO2 concentration, indoor air, wall and black globe temperatures are monitored in order to assess the Predicted Mean Vote and draught rate in the occupied zone as well as the ventilation efficiency. Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations are then performed in order to provide valuable information on the airflow patterns in the room. The air diffuser’s geometry being too complex for a direct simulation, a two-step modeling approach is adopted in order to take it into account in the simulations and to accurately represent the heat and mass transfers in the room. Furthermore, parametric studies are performed in order to investigate the influence of the supplying conditions and the internal heat gains on the airflow and on the resulting comfort, for particular conditions corresponding to those of low-energy buildings.

Les COV présents en air intérieur sont une source d’inconfort pour les occupants et peuvent être nocifs pour la santé. La photocatalyse apparaît comme un procédé prometteur pour l’abattement de ces polluants. ArcelorMittal Liège Research développe à cet effet des films minces de TiOB2B déposé sur acier qui peuvent être intégrés dans des systèmes de purification d’air. Les objectifs de cette recherche sont, d’une part, identifier les paramètres influençant la dégradation photocatalytique de ces COV avec ce type de catalyseur et d’autre part, valider la possibilité de prédire les performances d’un réacteur photocatalytique par un modèle couplant l’écoulement et la réaction photocatalytique. Pour réaliser l’étude cinétique à des teneurs de quelques ppm, un dispositif expérimental adapté a été conçu ; il utilise un réacteur annulaire continu. L’acétaldéhyde a été choisi comme polluant modèle. La conversion dépend de la concentration en polluant, du taux d’humidité, de la température, de l’intensité lumineuse en UV et de la présence d’autres COV. La réaction est modélisée avec un modèle théorique surfacique de la réaction photocatalytique. Afin de prédire les performances d’un réacteur photocatalytique utilisant des films minces de TiOB2B, une méthodologie consistant à coupler l’écoulement et la réaction photocatalytique a été développée et validée. La distribution spatio-temporelle de la concentration en polluant est alors déterminée par une approche de mécanique des fluides numériques. La comparaison des résultats expérimentaux et des simulations obtenus avec un réacteur photocatalytique de laboratoire et un autre à l’échelle semi-pilote est très satisfaisante / VOCs are a source of discomfort for occupants and can have harmful effects on health. Photocatalysis is a promising process to remove these compounds. ArcelorMittal Liège Research has indeed developed TiOB2 Bthin film coated on steel which can be easily integrated into purification air systems. Objectives of this research are firstly, identifying parameters which influence the photocatalytic degradation of these VOCs using of such catalyst. Secondly, validate the possibility to predict performances of the photocatalytic reactor by combining fluid flow and photocatalytic reaction. An experimental set-up including an annular reactor has been designed and realized in order to conduct kinetic studies. Acetaldehyde has been chosen as a pollutant model and studied mainly with concentrations of few ppm ranges. Its conversion yield depends on pollutant concentration, relative humidity, temperature, UV light intensity and presence of others VOCs. Based on a theoretical surface model of the photocatalytic reaction, and using experimental data, this reaction is modelled. In order to predict performances of the photocatalytic reactor packed thin film of TiOB2B, a methodology which consists to combine fluid flow and photocatalytic reaction has been developed and validated. Space-time distribution of pollutant concentration is then determined with a computational fluid dynamics approach. Comparison between experimental data and numerical simulations obtained with a photocatalytic reactor at the laboratory scale and another one in semi-pilot scale are well satisfactory

Les composés organiques semi-volatils (COSVs) regroupent un grand nombre de composés chimiques utilisés notamment comme substances actives ou additifs dans les matériaux de construction, de décoration et dans de nombreux produits de consommation. Les COSVs sont omniprésents dans les environnements intérieurs et fréquemment détectés dans les poussières sédimentées et dans le compartiment aérien. Cette thèse a permis de documenter les concentrations de 57 composés dans 30 logements français et d'utiliser ces mesures pour tester un modèle d'équilibre visant à prédire leur répartition dans les différents compartiments de l'environnement intérieur. De ce travail, il ressort une forte ubiquité des COSVs dans les logements étudiés. Les concentrations les plus élevées ont été observées pour les phtalates et dans une moindre mesure pour le bisphénol A, les muscs synthétiques et certains pesticides et HAPs. Ces résultats confirment l'intérêt de mieux caractériser l'exposition de la population générale aux COSVs dans l'habitat français. Les travaux portant sur le modèle d'équilibre ont montré que le coefficient de partage entre l'air et l'octanol (Koa) peut être un bon prédicteur pour estimer la concentration d'un composé donné dans un ensemble de logements. Cependant, certaines limites ont été identifiées et une meilleure caractérisation des paramètres utilisés est recommandée. / Semivolatile organic compounds (SVOCs) include a large number of chemicals compounds used as active substances or additives in building materials and in many consumer products. SVOCs are ubiquitous in indoor environments and frequently detected in settled dust and indoor air. This work has investigated indoor concentrations of 57 target compounds in 30 French dwellings and measurements were used to test an equilibrium model to predict their partitioning in indoor compartments. The results showed a strong ubiquity of SVOCs in French dwellings. The highest concentrations were measured for phthalates and to a lesser extent for bisphenol A, synthetic musks, some pesticides and PAHs. These results confirm the interest to assess human exposure to SVOCs in the French dwellings. The work on the predictive model showed that octanol/air partitioning coefficient (Koa) is a good predictor to estimate SVOC concentrations in a large number of buildings. However, some limits were identified and a better estimation of the parameters used in these models is required.

Potential determinants of exposure to culturable airborne fungal and bacterial aerosols and carbon dioxide were examined as an aid to the interpretation and evaluation of indoor air quality assessments. Concentration measurments for culturable bioaerosols and CO2 were evaluated against published standards and guidelines. METHOD: All 39 schools from one British Columbia school district were enrolled in the study to ensure different building ages and construction materials, but the same maintenance protocols, were included. Schools were randomly assigned to winter, spring or fall sampling. Data collected included: number of occupants and patterns of occupancy, CO2 levels, temperature and relative humidity, total suspended particles, and air exchange rates using tracer gas (SF6) decay. Other characteristics of the classrooms included the presence or absence of forced air heat, carpets, live animals or aquaria, plants, and the siting of the school or portable classroom. Culturable indoor and outdoor aerosols of fungi and bacteria were collected. Determinants of exposure were modelled by constructing multiple linear regression equations for indoor fungi, indoor bacteria and indoor carbon dioxide. RESULTS: The multiple regression models were able to explain a considerable proportion of the variance for the outcomes of interest (total R2 = 0.59 for mesophilic fungi, 0.61 for bacteria, and 0.68 for CO2). Increased outdoor temperature and outdoor fungal counts were associated with higher concentrations for indoor fungi. Variables describing ventilation and conditions of occupancy were significant to all outcomes of interest but functioned differently in the models. For example, fungal concentration was higher in the presence of natural ventilation, but lower with increased mechanical ventilation. In contrast, CO2 was lower with both ventilation types, and lower with higher outdoor temperature. CONCLUSIONS: Using variables measured during an indoor air quality investigation, predictive models can be constructed which are useful in identifying determinants of bioaerosol and bioeffluent concentrations. Ranges of bioaerosol and bioeffluent concentrations for high occupancy buildings in a coastal temperate zone may differ from guidelines written for other indoor settings and climate zones. / Graduate and Postdoctoral Studies / Graduate

Les champignons sont des biocontaminants courants des environnements intérieurs. De nombreuses études ont démontré leur rôle dans la dégradation des supports que ces microorganismes colonisent tels que les matériaux de construction, les ouvrages ou les œuvres d'art. De plus, ces biocontaminants sont susceptibles d'induire des allergies, des infections, des toxi-infections ou encore des irritations. Depuis 2005, une technique de détection de la croissance fongique, basée sur la recherche de traceurs chimiques spécifiques dans l'air, et un indice de contamination fongique (ICF), ont été développés et validés au cours de différentes campagnes de mesures dans l'habitat, les bureaux, les écoles, les crèches… L'objectivation d'une croissance fongique dans un environnement s'appuie sur des prélèvements par adsorption, une analyse chromatographique au laboratoire (GC/MS) et le calcul de l'ICF. Dans le cadre de la surveillance de la qualité microbiologique de l'air des environnements intérieurs, cette thèse a pour ambition de prolonger ces travaux en développant notamment un système de microcapteurs chimiques adapté à la mesure in situ. Cette recherche repose à la fois sur la méthode de détection fongique développée au CSTB et sur l'expertise scientifique et technique de l'ESIEE en matière de miniaturisation d'instruments de mesure, grâce à l'apport des microtechnologies. Le premier axe de cette étude a consisté à identifier expérimentalement les COV du métabolisme fongique spécifiques d'un développement sur des matériaux du patrimoine. Ces molécules ont permis de consolider l'ICF et de définir deux indices spécifiques à la problématique des sites patrimoniaux, validés dans des châteaux, musées, bibliothèques, grottes ornées… Le second axe porte, d'une part, sur la conception la réalisation et la caractérisation des briques élémentaires du microsystème d'analyse, à savoir un module de préconcentration (adsorption TENAX), un module de séparation (microGC) et un module de détection (capteurs polymères) et d'autre part sur les intégrations et pilotage de ces briques / Fungi are common microbial contaminants of indoor environments. Many studies have demonstrated their role in the partial or total degradation of materials they colonize such as building materials, or works of art. Moreover, those microbial contaminants are likely to lead to allergies, infections, poisoning or irritation. Since 2005, a new technique based on researching specific chemical tracers in the air, was developed and validated during different measurement campaigns. This approach is now applied to various indoor environments (houses, offices, schools, child care centers…) and allows the detection of recent and/or hidden contamination. The purpose of this work is to study and characterize a rapid and continuous air analysing microsystem for detection of fungal contamination in closed spaces. This study falls within the field of monitoring air microbiological quality in indoor environments. In addition to the time saved by the absence of any laboratory analysis, this system must provide a permanent monitoring of environments frequented by people, such as museums, schools, hospitals... This research is based both on the fungal detection method developed by CSTB and on scientific and technical expertise of ESIEE : specialised in design and manufacturing of miniaturized analysis systems obtained using microtechnology. The first step of this study was to define the compounds' nature to be detected for different cases of contamination along with the sampling strategy for the system. The second step focuses on the microstructures design and fabrication to be used in microanalytical system based on gas chromatography and the development of a miniaturised analysis system. So the first part of the study consisted in defining specific fungal contamination tracers for heritage conservation sites. This list allowed to reinforce a fungal contamination index for indoor environments and to define two specific indexes designed for heritage conservation sites. The validation of these different indexes allowed checking their compliance with those types of environments (castles, museums, libraries, decorated caves...) by detecting all cases of contamination, along with the control remediation of former contaminated environments. The second part of the study enabled the design and validation of three main modules constitutive of the microanalytical system based on gas chromatography. A miniaturised analysis system based on three modules has been developed

With the need for excellent living standards to escalate day by day, the need to breathe good quality air remains of paramount importance for a prosperous, happy life. The indoor air quality picture is improving decade by decade. However, the importance of maintaining good indoor air quality remains unsatisfactory. Indoor air quality is one of the world’s most significant environmental problems. Statistics states that as of 2017, approximately 1.6 million premature deaths are caused by bad indoor air quality. The majority of these deaths result from the presence of Volatile Organic compounds in the air. VOCs are the common pollutants that are found indoors, which are not only toxic but also dangerous to health on long exposures. Even though several norms are put in place, why is the picture still persistent even after many technological advancements in the industry? This notion of this idea inspired the authors to conduct the current thesis. The thesis is based on a case study at a Swedish Air-cleantech company, Company-X, that developed efficient air filtration technologies to eliminate VOCs from the indoor air. However, for efficient diffusion of the technology, studying the market is of utmost importance. For this, the study is done by qualitative interviewing of professionals from the Swedish air filtration market. The interactions helped the authors to comprehend the more in-depth picture of influencing facets in persistent VOC issues in the indoor airs. Secondly,the meetings guided the authors with the industry choice for efficient technologies to eliminate VOCs from the indoor air. The collected data led to the conclusions that, various actors like awareness and buying decision factors, technologies are involved for VOCs still being a persistent issue in indoor airs. The industry’s awareness regarding Volatile Organic Compounds has been mediocre, and the significant factor for the buying decision is the price. Speaking of the technology, it has been reckoned that Activated Carbon filters are the best and economically efficient technology to eliminated VOCs from the air.

The diploma thesis deals with automated measurement of humidity and CO2 concentration inside buildings. Results of this measurement form the input parameters for the effective management of technologies reducing the energy performance of buildings. In the introduction, the issue of indoor air quality of buildings and indicators characterizing this quality are approached. The technical part of the thesis consists of making a measuring device which contains two prototype sensors provided by Teco Inc. with online access to measured data. The measurement of relative humidity, CO2 concentration and temperature in the interior of the building with the made device is compared with commercially available devices for measuring selected parameters. For unambiguous interpretation of online data, the virtual machine with an online database is configured for the created measuring device. The possibilities of using the prepared measuring device to achieve a reduction in the energy performance of buildings are discussed in the final part.

The work deals with indoor air quality and ventilation control based on indoor air quality. Based on the analysis of the concentration of CO2, heat and moisture gains can suggest the optimal way to reduce excessive ventilation

This thesis deals with the influence of the location of exhaust outlets on the air quality. The study examines the performance of the hybrid ventilation system installed in an experimental house. The central point of this work is a numerical model of a bedroom with heat and carbon dioxide sources. The temperature, speed and concentration fields have been solved for, from which further quantities of thermal comfort PMV, PPD and DR were evaluated. Finally, the impact of changes in the quality of the microclimate using these quantities and in the energy efficiency ventilation is assessed.