La qualité de l'air intérieur est devenue une préoccupation de santé publique du fait notamment de l'augmentation du temps passé dans les environnements intérieurs et les espaces clos. L'objectif de ce travail est de développer des procédés mettant en œuvre la décharge couronne afin de traiter les polluants gazeux chimiques et particulaires dans l'air intérieur. Le premier volet du travail concerne la dégradation des polluants gazeux chimiques présents en très faibles concentrations dans l’air intérieur. Le couplage d’une décharge couronne et d’un catalyseur est mis en œuvre pour dégrader du toluène dans des conditions représentatives de l’air intérieur. Cette étude démontre la très bonne efficacité de la décharge couronne vis-à-vis du toluène avec de faibles densités d’énergie. Elle identifie les conditions opératoires optimales et propose des mécanismes réactionnels suite à l’identification des principaux produits de réaction. Cependant, le plasma génère des espèces indésirables comme l'ozone et les oxydes d'azote qui doivent impérativement être détruits. Nous avons choisi d'adjoindre à la décharge couronne un catalyseur à base d'oxydes de métaux de transition (MnOx/Al2O3). Différents catalyseurs sont synthétisés puis modifiés par greffage d’agents modifiants. Leur efficacité vis-à-vis de l’ozone et des NOx est quantifiée en présence de différentes teneurs en vapeur d’eau. Le deuxième volet concerne la collecte des particules par filtration électrostatique. Trois procédés sont étudiés ; ils associent un étage d’ionisation et un étage de collecte. L’ionisation est assurée soit par un électrofiltre fil-plaque soit par des aiguilles portées à un potentiel de quelques kilovolts. L’efficacité de collecte est mesurée dans la gamme de 10 nm à 20 µm en fonction de différents paramètres opératoires (tension, polarité, vitesse, paramètres géométriques, concentration en particules, humidité, etc.). Les aiguilles ont une efficacité légèrement inférieure à celle de l’électrofiltre mais présentent une très faible production de l'ozone et une consommation énergétique moindre. L’étude paramétrique permet de dimensionner, d'optimiser la géométrie du procédé et de définir les meilleures conditions de fonctionnement / Indoor air quality has become a public health issue because of the increased time spent in indoor environments and confined spaces. The goal of this work is to develop processes using corona discharge to treat chemical gaseous and particulate pollutants in indoor air. The first part of the work concerns the degradation of chemical gaseous pollutants present in very low concentrations in indoor air. The coupling of a corona discharge and a catalyst is implemented to degrade toluene under conditions representative of the indoor air. Tests were carried out under a range of operating and environmental conditions. This study demonstrates the very good efficiency of the corona discharge for toluene with very low specific density. Optimal operating conditions are identified and reaction mechanisms are proposed following the identification of the main reaction products. However, the generations of by-products, ozone and NOx, which can be hazardous compounds, have to be taken into account. The combination of corona discharge with catalysis seems as a promising way to ensure the suitability and the safety of non-thermal plasma as an indoor air cleaner. Different catalysts based on transition metal oxides (MnOx/Al2O3) are synthesized and then modified by grafting modifying agents. Their efficiency for ozone and NOx elimination is quantified in the presence of different water vapor contents. The second part concerns the particle collection by electrostatic precipitation. Three processes are studied; they combine an ionization stage and a collection stage. The ionization is ensured either by a wire-plate electrostatic precipitator (ESP) or by needles brought to a potential of a few kilovolts. The collection efficiency is measured in the range of 10 nm to 20 μm according to different operating parameters (voltage, polarity, velocity, geometrical parameters, particle concentration, humidity, etc.). The needles have a slightly lower efficiency than the ESP but present a very low production of ozone and a lower energy consumption. The parametric study makes it possible to dimension, to optimize the geometry of the process and to define the best operating conditions

Cette thèse développe les connaissances scientifiques sur l’origine et le comportement des polluants intérieurs en phases gazeuse et particulaire. Une description complète des processus physiques contrôlant les concentrations de polluants en air intérieur dans une pièce inoccupée et non meublée a été réalisée. En utilisant des paramètres bien quantifiés (taux de renouvellement d’air, facteur de pénétration et vitesse de dépôt), nous avons pu appliquer un modèle de bilan massique aux particules. Les résultats ont montré que, en l’absence significative de sources intérieures, une caractérisation fine des paramètres ci-dessus permettait de décrire de manière satisfaisante les concentrations intérieures en PM2.5 et PM10 à partir des données extérieures, tandis que les PM1 montrent une variabilité significativement plus marquée due aux transformations physicochimiques. Par la suite, les composés organiques volatils (COV) et la composition chimique des particules submicroniques ont été mesurés en temps réel lors d’une campagne intensive. Un enrichissement important des concentrations en COV a été observé lorsque l’air ambiant pénètre à l’intérieur du bâtiment, en particulier pour les COV oxygénés qui présentent une dépendance significative avec l’humidité relative, tandis que pour les particules les changements observés dépendent de leur composition chimique et de leur diamètre, montrant une diminution de 20% pour les PM1 à 86% pour les plus grosses particules (>5 μm). L’excès d’ammonium observé dans les deux environnements a permis de déconvoluer les nitrates organiques des inorganiques, ceux-ci présentant une dépendance plus forte avec la température, révélant une décomposition thermique plus importante en air intérieur. En résumé, l’environnement intérieur agit principalement comme une source d’émissions continues de COV, alors qu’une tendance inverse est observé pour les particules, du fait de transformations possibles pouvant se produire même dans les conditions les plus simples, sans occupant ni mobilier. / This thesis improves the scientific knowledge on the origin, behavior and fate of gas and particle-phase pollutants indoors under unoccupied unfurnished conditions. A first campaign provided a complete description of the physical processes controlling the indoor concentrations. Using well quantified parameters (air exchange rate, penetration factor and deposition rate), a mass balance model provided insights for the particle budget closure. The results showed that when indoor sources are not significant, a careful characterization of the abovementioned parameters allows to estimate PM2.5 and PM10 in a satisfying manner from outdoor data. However the PM1 fraction shows a significantly higher variability due to physicochemical transformations. Subsequently, a second intensive campaign was performed to investigate volatile organic compounds (VOC) and PM1 chemical composition in real time. A strong increase in VOC concentrations was observed when outdoor air penetrates indoors, especially oxygenated VOC which exhibited a significant dependence on relative humidity, while the changes observed for particles once indoors depend on their chemical composition and diameter, showing a decrease from 20% for submicron particles up to, 86% for large ones (>5. µm). The investigation of ammonium neutralization revealed an excess of ammonium indoors and outdoors, which is attributed to organic- in addition to inorganic-bonded ammonium nitrate. The latter showed a stronger dependency on temperature gradient from outdoors to indoors, revealing stronger thermal decomposition once indoors. In summary, the indoor environment acts mainly as a continuous emission source of VOCs, while the opposite trend is observed the particles due to possible transformations that can occur even under the simplest conditions, with no occupants and no furnishing.

La pollution de l'air est l'un des principaux problèmes de santé publique de notre siècle et surtout de l'air intérieur alors que nous passons environ 90% de notre temps dans des environnements fermés. Parmi les polluants les bioaérosols ont été peu étudiés. Cependant des études épidémiologiques ont déjà montré une relation entre les bioaérosols et la santé. Le but de cette thèse est d’étudier les virus respiratoires dans les milieux clos via les systèmes de ventilation. A l’issue d’un état de l’art des polluants de l’air, il est important de définir ceux nécessitant d’être traités, les systèmes de ventilation, les procédés de filtration par médias fibreux et les procédés de traitement pouvant être mis en oeuvre. Les effets des bioaérosols viraux dans les environnements intérieurs sur la santé publique ont été discutés dans une revue bibliographique. Une méthodologie a été mise en oeuvre pour étudier le comportement des virus dans une centrale de traitement de l’air (CTA). Les virus respiratoires, mengovirus (virus nu à ARN de la même famille que les rhinovirus responsables du rhume) et adénovirus (virus respiratoire nu à ADN), ont été choisis et étudiés dans un système expérimental miniature représentatif des systèmes de traitement d’air. La performance de filtration d’un filtre de CTA vis-à-vis des aérosols viraux a été évaluée avec une validation du système expérimental utilisé. Cette étude a montré la capacité des virus de passer à travers le filtre tout en restant infectieux. Peu de littérature existant sur le sujet, ce projet a permis d’ajouter de nouvelles données pertinentes quant à la persistance des virus respiratoires dans l’air intérieur et plus précisément au niveau des filtres dans les centrales de traitement d’air. / Air pollution is one of the major public health problems of our century and especially of indoor air as we spend about 90% of our time in closed environments. Among pollutants bioaerosols have been poorly studied. However, epidemiological studies have already shown a relationship between bioaerosols and human health. The aim of this PhD work is to learn about respiratory viruses in closed environments via ventilation systems in order to study indoor air quality. At the end of state of the art of air pollutants, it is important to define those present in the air that need to be treated, ventilation systems, filtration processes by fibrous media and the processing methods being able to be implemented. The effects of viral bioaerosols on public health in indoor environments were discussed and drafted in a bibliographic review. The methodology of the study was to assess the fate of respiratory viruses, mengoviruses and adenoviruses, in a miniature experimental system similar to air treatment systems used in closed environments. The experimental system used was validated and the filter performance against viral aerosols was investigated. This study presented originality for the characterization and the fate of two non-enveloped respiratory viruses, mengovirus (RNA) and adenovirus (DNA), in indoor environments and their fate on fiber glass filter. This study showed the ability of viruses to pass through the filter and to remain infectious upstream and downstream the filter. There is scarce literature on this subject, and this project allowed us to add new relevant data on the persistence of respiratory viruses in indoor air and more precisely at the level of filters in air handling units.

La présente thèse porte sur la prédiction numérique de l’impact des transferts thermique et massique sur la qualité de l’air et sur le confort thermique à l’intérieur des cavités ventilées ou non et remplies de polluant. En effet, les cavités ventilées sont généralement considérées comme étant une approximation pour la modélisation des locaux ventilés.Pour mener à bien cette étude, nous avons choisi un modèle numérique basé sur la résolution des équations régissant les transferts de quantité de mouvement, de chaleur et de masse. La première partie du mémoire est consacrée à quelques généralités sur la ventilation, la qualité de l’air et le confort thermique ainsi qu’à la revue bibliographique des travaux réalisés. La démarche suivie est décrite dans le chapitre 2. Celle-ci est basée sur l’approximation de Boussinesq. Le modèle RNG k-ε est utilisé pour traiter la turbulence. La discrétisation des équations est réalisée à l’aide de la méthode des volumes finis associée à l’algorithme SIMPLEC pour traiter le couplage pression-vitesse. Dans la seconde partie, nous considérons d’abord la convection thermique et la convection thermosolutale dans des cavités fermées. Le principal but visé est: a) de valider le modèle considéré en confrontant nos résultats avec ceux de la littérature et b) d’étudier l’influence du nombre de Rayleigh thermique et du rapport de flottabilité. Les résultats obtenus révèlent que le modèle adopté prédit correctement les transferts thermique et massique.Ensuite, nous appliquons cette approche au cas des cavités bidimensionnelles ventilées soumises à des gradients de température et de concentration. Les indices de qualité de l’air et d’efficacité de la ventilation sont calculés et discutés. Nous achevons ce travail en analysant l’influence de la ventilation sur la qualité de l’air intérieur dans une pièce tridimensionnelle en régime transitoire. Cette analyse concerne différents scénarios de ventilation mécanique simple flux en vue de trouver la meilleure configuration en termes d’efficacité et de qualité de l’air intérieur. / This thesis deals with the numerical prediction of heat and mass transfer impact on the air quality and thermal comfort within either ventilated or not cavities filled with pollutants. Indeed, ventilated areas are first modeled to be as ventilated cavities in a first approximation.To carry out this study, we adopt a numerical model based on solving equations governing momentum, heat and mass transfer. The first part of this thesis is dedicated to some generalities on ventilation, air quality and thermal comfort and the bibliographic review of previous works. The adopted approach is described in Chapter 2. It is based on the Boussinesq approximation. The RNG k-ε model is used to handle turbulence. The finite-volume method (FVM) is used to discretize of the set of equations, and the pressure-velocity coupling is achieved via the SIMPLEC algorithm. In the second part, we consider the thermal convection and thermosolutal convection in closed cavities. The main aim is a) to validate the considered model by comparing our results with those of literature, and b) to investigate influence of the thermal Rayleigh number and the buoyancy ratio. Our findings indicate that the model accurately predicts heat and mass transfer.Then, we apply this approach to the case of two-dimensional ventilated cavities subjected to temperature and concentration gradients. The indices of air quality and ventilation efficiency are calculated and discussed. We end this work by analyzing the influence of ventilation on the quality of indoor air in a three-dimensional room in transient regime. This investigation covers different scenarios from the simple flow mechanical ventilation which aims to find the best configuration in terms of efficiency and quality of indoor air.

Les BTEX est une famille de polluants très répandue en air intérieur. Ils présentent des effets nocifs sur la santé humaine à des faibles concentrations ce qui a emmené le législateur à fixer des seuils afin de limiter l'exposition des gens. L'objectif de ce travail de recherche est de développer et de mettre en place une méthode analytique sensible, précise et rapide basée sur un dispositif de mesure. Le dispositif ainsi mis en place est un chromatographe en phase gazeuse miniaturisé équipé d'un mini détecteur à photo ionisation dédié à la détection des BTEX en temps quasi-réel. Le système analytique est très portable ayant une consommation gazeuse très faible assurant une autonomie élevée sur de longues durées. Son mode de fonctionnement se base sur l'échantillonnage de l'air dans une boucle connecté à une vanne six voies. L'injection de l'échantillon sur une colonne analytique placée dans un four pour la séparation est assurée par le changement de la position de la vanne avant la détection par photo ionisation. Le nouveau dispositif miniaturisé a été déployé lors de deux campagnes intensives menées dans un collège énergétiquement performant. Cette étude a porté sur la surveillance temporelle de la concentration des polluants présents en air intérieur, y compris les BTEX. Les résultats ainsi obtenus pour les BTEX avec notre dispositif ont été comparés à ceux fournis par d'autres techniques dites techniques de référence. Ces campagnes de terrain ont permis donc de valider les performances analytiques, la robustesse et l'autonomie de cette nouvelle méthodologie. / BTEX are very widespread indoor air pollutants. Their harmful effects on human health had led the legislator to set thresholds in order to limit the population exposure. The aim of this thesis is to develop a sensitive, accurate and fast analytical method based on a measurement device. Therefore, the device implemented is a miniaturized gas chromatography (GC) equipped with a mini photo ionization detector dedicated to BTEX detection in indoor air in near-real time. The miniaturized GC is very portable with a very low gas consumption which enhances its autonomy over a long period. Its operation mode is based on air sampling inside a sample loop which is connected to a six port valve. The injection over a heated analytical column is ensured by switching the valve position before detection by a photo ionization detector. This novel device was used in real conditions during two field campaigns conducted in an energy efficient college. This study focused on the temporal monitoring of indoor air pollutant concentrations including BTEX. The results obtained with our miniaturized device for BTEX were compared to those given by other techniques known as reference techniques. These field campaigns have therefore enabled us to validate the analytical performances, the robustness and the autonomy of this novel analytical method.

La piscine fait partie des établissements publics les plus fréquentés dans notre société. En effet, il ne s’agit pas uniquement d’un lieu de pratique d'activités physiques, mais également un espace de détente, de jeu, d’éducation et de lien familial. Il est de toute évidence essentiel, de fournir un environnement intérieur confortable et sain pour ses occupants. Cependant, en raison de sa dimension, son besoin excessif en énergie et la complexité des phénomènes physiques évoluant à l’intérieur, il est difficile de parvenir à un équilibre optimum entre : qualité de l’air intérieur, confort thermique des occupants et efficacité énergique du bâtiment. Il faut pour cela, parvenir à une description des mécanismes qui façonnent la structure de l’écoulement de l’air par une analyse profonde de ces phénomènes qui sont à l'origine des transferts de chaleur et de masse mis en jeu à l’intérieur. Ainsi, l’objectif visé de cette thèse est de présenter une étude numérique thermo aéraulique, par CFD en régime stationnaire et transitoire, qui permet d’évaluer le comportement dynamique, thermique et thermodynamique des différents phénomènes physiques qui évoluent à l’intérieur de la piscine intérieure semi-olympique de l’université Bishop’s (Sherbrooke, Canada) afin d’améliorer la qualité de l’air intérieur et le confort thermique ainsi que son rendement énergétique. Les simulations sont réalisées avec le logiciel libre OpenFOAM en utilisant une approche RANS. Une étude thermo-aéraulique par CFD a d’abord été réalisée sur une cavité rectangulaire avec plancher chauffé, afin d’appréhender les simulations thermo aérauliques. Cela a abouti à la détermination de la meilleure configuration d’aération pour une qualité de l’air et un confort thermique optimum. Plusieurs simulations CFD du flux d'air tridimensionnel avec transfert de chaleur et de masse ont été aussi effectuées ultérieurement pour la piscine, afin d’évaluer les effets des conditions climatiques extérieures et ceux des nageurs sur l'atmosphère intérieure. En adoptant plusieurs modèles de turbulence de type RANS, la comparaison des résultats obtenus avec les données expérimentales de référence a permis de valider le code OpenFOAM. Les données expérimentales ont été recueillies au préalable au sein de la piscine de l’Université Bishop’s à l’aide d’un dispositif conçu et adapté aux conditions internes propre à la piscine et qui est équipé de plusieurs capteurs pour la mesure de : température, humidité relative et vitesse. Enfin, une étude thermo-aéraulique de la piscine en régime turbulent transitoire pour une durée de 24 heures pour les jours typiques d'été et d'hiver a été réalisée afin de prédire l’évolution de la distribution des paramètres tels que la vitesse, la température et l'humidité relative. Une analyse statistique a permis de montrer que les conditions climatiques extérieures n'ont pas d'effet sur l'environnement interne de celle-ci. D’ailleurs, sa très bonne isolation thermique démontrée par un calcul détaillé des pertes thermiques à travers son enveloppe confirme ce constat. D’autre part, l’évaluation de la qualité de l'air intérieur et le confort thermique des occupants a révélé que ces derniers sont inacceptables. Suite auxquels, un ajustement des paramètres de conditionnement de l’air a été apporté pour fin d’amélioration. / Abstract : The swimming pool is one of the most popular public establishments in our society and is not just a place for physical activities but also a space for relaxation, play, education and family ties. It is therefore important to ensure a healthy and comfortable indoor environment for the occupants. However, given the size, energy requirement and complexity of the physical phenomena that take place within such space, it is difficult to achieve an optimum balance between interior air quality, thermal comfort of occupants and energy efficiency of the building. This requires a description of the mechanisms, which determine the structure of the airflow by a profound analysis of these phenomena, which are the origin of the heat and mass transfers involved inside such spaces. The objective of this thesis is to present a numerical thermo-ventilation study using CFD (computational fluid dynamic) in stationary and transient regime that allows to evaluate the dynamic, thermal and thermodynamic behaviors of the various phenomena that take place inside the semi-Olympic closed swimming pool at Bishop's University (Sherbrooke, Qc, Canada). The aim is to improve the indoor air quality and thermal comfort of occupants as well as its energy efficiency. The simulations are carried out using OpenFOAM (Open Field Operation and Manipulation) using a Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) approach. To do this, a CFD thermo-ventilation study was first carried out on a rectangular cavity with heated floor in order to understand the thermo-ventilation simulations. This has led to the determination of the best ventilation configuration for optimum air quality and thermal comfort. Several CFD simulations of the three-dimensional airflow with heat and mass transfer were also carried out later for the indoor swimming pool to evaluate the effects of outdoor climatic conditions and swimmers on the indoor atmosphere of the pool. By adopting several RANS turbulence models, the comparison of the results obtained with the experimental data allowed to validate the OpenFOAM code. The experimental data were collected in the pool at Bishop's University using a device designed and adapted to the pool’s internal conditions. The devise is equipped with several sensors to measure temperature, relative humidity and velocity. Finally, a thermo-ventilation study of the swimming pool in transient turbulent regime for a duration of 24 hours for typical days of summer and winter was conducted in order to predict the distribution of the various parameters such as velocity, temperature and relative humidity. A statistical analysis showed that the external climatic conditions have no effect on the internal environment of the swimming pool. Moreover, its good thermal insulation demonstrated by a detailed calculation of the thermal losses through building envelope confirms this observation. On the other hand, the evaluation of the indoor air quality and the thermal comfort of occupants revealed that the conditions inside the pool are unacceptable. After which, an adjustment of the air conditioning parameters was made for improvements.

La pollution de l’air intérieur est aujourd’hui reconnue comme un enjeu de santé publique. La règlementation impose depuis 2012 un étiquetage des matériaux de construction et d’ameublement en matière d’émission de polluants volatils. Bien que les méthodes de mesure d’émission de polluants soient nombreuses, il n’existe aucun matériau-standard émissif de référence pour les polluants de l’air intérieur qui permettrait la comparaison et la validation des mesures d’émission. L’objectif de ce travail est de produire des matériaux émissifs de référence en utilisant des matériaux à porosité contrôlée avec des tailles de pores adaptées à celle du polluant-cible pour un relargage contrôlé en concentration en fonction du temps. Les matériaux étudiés sont des polymères inorganiques ou hybrides organique-inorganiques synthétisés par voie sol-gel sous forme de blocs monolithiques ou déposés sur des substrats solides (verre ou textile). Différents matériaux microporeux ou/et mésoporeux ont été dopés au toluène et au naphtalène par exposition à leur vapeur saturante pendant des durées variables (2h à plusieurs jours). Ceci permet d’étudier l’influence de la taille des pores du matériau sur la vitesse de relargage du polluant. Le suivi cinétique du relargage spontané des polluants est réalisé selon un 1er mode statique avec une mesure optique du spectre d’absorption du polluant gazeux dans l’UV en fonction du temps. Dans le 2ème mode, le relargage dynamique sous balayage d’air du matériau dopé disposé dans une cellule FLEC normalisée est réalisé avec une mesure en continu de la concentration du polluant par chromatographie en phase gazeuse. Nous avons montré qu’il est possible de produire des matériaux à porosité contrôlée avec des gammes de distributions de tailles de pores allant de 0,8 à 12 nm. En choisissant judicieusement la matrice poreuse et la durée de dopage et en contrôlant les conditions de mise en œuvre (température, humidité), nous pouvons imposer la vitesse de relargage du polluant. Les gammes de vitesses d’émission vont de 30 µg.m-3.h-1 (classe A+) à 8.104 µg.m-3.h-1 (classe C) pour le toluène et de 2,6.103 à 2,6.104 µg.m-3.h-1 pour le naphtalène. Ces résultats montrent que ces matériaux pourront être utilisés pour une large gamme de polluants. / Indoor air pollution is now recognized as a public health issue. Since 2012, the regulations have required the labelling of construction and furnishing materials with regard to the emission of volatile pollutants. Although there are many methods for measuring pollutant emissions, there is no standard reference emissive material for indoor air pollutants that would allow for comparison and validation of emission measurements. The objective of this work is to produce reference emissive materials by using porous materials with pore sizes tailored to the doped target pollutant with controlled release in pollutant concentration over time. The materials studied are inorganic or hybrid organic-inorganic polymers synthesized by sol-gel in the form of monolithic blocks or deposited on solid substrates (glass or textile). Various microporous and/or mesoporous materials have been doped with toluene and naphthalene pollutants by exposure to the latters’ saturated vapour for varying periods of time (2 hours to several days). The influence of the size of the pores of the material on the release of the pollutant has been studied. The kinetic monitoring of the spontaneous release of pollutants is carried out in two independent modes. A 1st static mode involves an optical measurement of the absorption spectrum of the gaseous pollutant in the UV as a function of time. In the 2nd mode, the dynamic air-sweeping release of the doped material placed in a standard FLEC cell is carried out with continuous measurement of the pollutant concentration by gas chromatography. We have shown that it is possible to produce materials with controlled porosity with narrow pore size distributions over the 0.8 to 12 nm domain. Further, by choosing judiciously the porous matrix and doping time and controlling the experimental conditions of release (temperature, humidity), we can impose the rate of release of the pollutant. The emission velocity ranges from 30 µg.m-3.h-1 (class A+) to 8.104 µg.m-3.h-1 (class C) for toluene and from 2.6.103 to 2.6.104 µg.m-3.h-1 for naphthalene. These results indicate that these materials can be used for a wide range of pollutants.