This thesis evaluates the use of Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) as an approach to the increasingly difficult air sampling challenges within the field of occupational and environmental hygiene. The application of FTIR is exemplified by the assessment of emissions from and exposures in the sawmill and pellet industries. Open path FTIR was applied in the sawsheds and the terpene levels were monitored for several days. Traditional adsorbent sampling was used to evaluate the FTIR measurements. The volatile emissions from wood pellets were investigated in warehouses and in domestic storage rooms. The installation of open path FTIR in the harsh sawmill environment proved useful, however, attention must be paid to vibrations, beam blockage and limited sensitivity. Adsorbent sampling showed good agreement with open path FTIR. The uncontrolled airflows in sawsheds caused significant underestimation of emission rates. By the use of FTIR and a tracer gas a more accurate estimate was obtained. The total emission from processing of Scots pine was estimated to 660 g/m3 of roundwood under bark, and can amount to 700 tons annually from a large sawmill. Hexanal (111±32 mg/m3) and CO (56±4mg/m3) were recorded in pellet warehouses. Storage of wood pellets constitutes a potential occupational and domestic health hazard. Experiments from kiln drying of lumber show that the emissions of hexanal and carbon monoxide are not limited to wood pellets but are caused by general degradation processes of wood, facilitated by drying at elevated temperature. This is the first published report where low-temperature emission of carbon monoxide from wood materials is described. The FTIR method is a significant advancement in measurement technology. The retrieved data offers unparalleled information. It offers robust, convenient and efficient monitoring of gases over extended periods. FTIR spectroscopy should be considered a standard technique within the field of occupational and environmental hygiene.

Les chantiers de maintenance et d’assainissement dans les centrales nucléaires nécessitent la mise en place d’enceintes ventilées autour des zones contaminées afin de limiter la propagation de la contamination à l’environnement extérieur. L’air rentre dans l’enceinte aux travers d’ouvertures sous la forme d’un écoulement directionnel, orienté de l’extérieur vers l’intérieur, assurant ainsi le confinement dynamique. En raison des opérations qui se déroulent à l’intérieur de l’enceinte et des perturbations externes, il est possible que l’écoulement de confinement dynamique aux ouvertures soit perturbé et subisse des inversions locales et instationnaires, conduisant ainsi à transporter la contamination à l’extérieur de l’enceinte. La présente étude s’intéresse aux petites ouvertures de type fentes minces rectangulaires où l’écoulement au droit de celles-ci est généralement turbulent. Les principaux objectifs de la thèse sont d’une part d’identifier les conditions aérodynamiques susceptibles de produire le phénomène de rétrodiffusion aux ouvertures, d’autre part d’évaluer la capacité des approches de modélisation de la turbulence URANS et LES à reproduire les instabilités liées à ce type d’écoulement. Il a été montré que l’apparition du phénomène de rétrodiffusion est principalement liée à la présence d’une perturbation aéraulique additionnelle, de type jet turbulent ou sillage, en compétition avec l’écoulement initial de confinement dynamique. Des expériences de traçage gazeux ont été mises en place sur une maquette expérimentale dans le but de quantifier la rétrodiffusion en fonction des différentes conditions aérauliques à l’ouverture et des caractéristiques de celle-ci. Des visualisations des écoulements à l’ouverture ont également été réalisées à l’aide d’un dispositif de tomographie laser. Enfin, l’analyse des résultats des simulations CFD a démontré que les approches de type RANS ou URANS ne permettaient pas de reproduire les instabilités de l’écoulement conduisant au phénomène de rétrodiffusion, contrairement aux simulations des grandes échelles de la turbulence (LES) qui reproduisent fidèlement les structures locales et instantanées à l’origine du phénomène. / Operations of decommissioning and decontamination in nuclear facilities require setting up depressurized enclosures around contaminated areas in order to prevent leakage of radioactive materials, to the surrounding environment. Air passes through openings which generates a directional airflow ensuring the aerodynamic containment of hazardous material inside the enclosure. Due to operating activities inside or outside the enclosure, the directional flow might be disturbed. Consequently, local and unsteady backflows may occur at the opening leading to the outward transport of contamination. The current study is focused on airflow dynamics through small openings, such as rectangular slits where the initial inflow stream is turbulent. The main purposes of this work are to identify the required aerodynamic conditions likely to generate unsteady flow inversions at the studied opening and also to verify the ability of CFD simulations to predict this type of flow by using URANS and LES approaches. Results have shown that an additional flow, such as a turbulent jet or a wake in competition with inward flow, is the main cause leading to the leakage at the opening. Experiments, using gas tracer detection techniques, are conducted in order to quantify outflow leakage in the near field of the opening under different aerodynamic configurations and openings characteristics. A laser tomography technique is also implemented to visualize the external leakage airflow in the middle plane of the opening. CFD simulations have shown that a qualitative description of instantaneous leakage flow patterns at the opening can be achieved. This is characterized by the occurrence of local coherent structures transporting passive tracer outwards. Moreover, velocities obtained from CFD results (Large Eddy Simulations) are compared to those obtained from experimental measurements.

Detta examensarbete presenterar resultatet från en experimentell studie med syfte att undersöka sambandet mellan ventilation i kontor och smittspridning av luftburna virus och bakterier. Fokuset i studien har framför allt riktats mot coronaviruset och även avgränsats till att enbart studera omblandande-, och deplacerande ventilation under den experimentella delen. Studien genomfördes i ett testrum lokaliserat vid Högskolan i Gävle. Syftet för studien har varit att besvara hur exponeringen av luftburna smittämnen förändras i andningszonen när distributionen av tilluften ändras och om placering av smittkällan i sig har någon betydelse. Studien har även haft för avsikt att besvara vilken utav deplacerande eller omblandande ventilation som lämpar sig bäst vad gäller minimering av överföringssannolikheten från en smittad persons andning. För att besvara studiens frågeställningar genomfördes spårgasmätningar och parallellt med spårgasmätningarna granskades även lufthastigheter och temperaturer på flera positioner i rummet. För omblandande ventilation undersöktes två olika riktningar på tilluftsstrålen, som valdes till vertikal och horisontell. För deplacerande ventilation undersöktes två olika inblåsningstemperaturer vilka var 21,3 ˚C och 16 ˚C. Resultatet av studiens experimentella del visade att deplacerande ventilation hade en mindre överföringssannolikhet vid jämförelse med omblandande ventilation. Detta då överföringssanolikheten låg på 0,3–0,5 % för omblandande och 0,1–0,3 % för deplacerande, vilket visar att deplacerande ventilation generellt varit på en lägre nivå oavsett position av smittkällan. Att deplacerande ventilation har en mindre benägenhet att sprida infektioner vidare bland olika individer i samma rum bekräftas också av flera tidigare artiklar som studerat ämnet. Då omblandande ventilation undersöktes visade studiens experimentella del att resultatet vad gäller riktningen på tilluftstrålen hade en inverkan på överföringssannolikheten. Den vertikala tilluftstrålen påverkade forceringen mellan de termiska dockor som placerades framför varandra, vilket resulterade i en minskning på överföringssannolikheten mitt emot de två olika positionerna där de infekterade dockorna satt. För bägge ventilationssystemen - förutom vid vertikal riktning på tilluftstrålen vid omblandande ventilation - visade avståndet mellan smittkällan och frånluftsdonet ha en effekt på smittspridningen. Detta eftersom överföringssanolikheten varit lägre vid placeringen mitt emot smittkällan och diagonalt från smittkällan vilket är ett större avstånd än vad positionering bredvid smittkällan är. Vad gäller deplacerande ventilation har placeringen av smittkällan visat effekt då överföringssannolikheten varit lägre vid placering av smittkällan närmare frånluftdonet samt att det minsta avståndet från smittkällan i det fallet haft lägst överföringssannolikhet. / This thesis presents the results of an experimental study with the aim to investigate the connection between ventilation in offices and spread of airborne viruses and bacteria. The focus is on coronavirus and this thesis only investigates mixed ventilation and displacement ventilation in the experimental part. The study is done in a full scale mook up room located in Högskolan i Gävle. The aim of the study was to answer how the exposure of airborne diseases change in the breathing zone when the distribution of supply air changes and if placement of the source of infection has any affect. The study also aims to investigate if displacement or mixing ventilation is the best choice to minimize transfer probability from an infected persons breath. Tracer gas measurements was done to answer the main questions. The tracer gas measurements were studied parallel to measurements of air velocities and temperatures on several positions in the room. For mixing ventilation, the measurements were done for two different directions of supply air jet, vertical and horizontal. For displacement ventilation measurements are done for two different temperatures on the supply air which was 21,3 ˚C and 16 ˚C. The results of the experimental part of this study showed that displacement ventilation had a lower transfer probability between an infected person and a non-infected person when compared to mixing ventilation. The transfer probability was 0,3 – 0,5 % for mixing ventilation and 0,1 – 0,3 % for displacement ventilation, which shows that displacement ventilation is generally at a lower level than mixing ventilation regardless of the position of the source of infection. The result in this thesis is like results found in the literature review which also shows that displacement ventilation has a lower tendency to spread infections between persons in the same room. The result for mixing ventilation regarding the direction of the supply air jet showed an impact on the transfer probability. The vertical supply air jet was affecting the force of the breath jet between the thermal manikin placed in front of each other, which is done as part of reduction in the transfer probability at the two different positions for the same direction of the supply air jet. For both ventilation systems – except for the vertical direction of the supply air jet in the case of mixing ventilation - the distance between the source of infection and exhaust diffuser has been shown to have an impact on the transfer probability. This means the transfer probability was lower at the location opposite the source of infection and diagonally from the source of infection, which is a greater distance than the location next to the source of infection. In terms of displacement ventilation, the location of the source of infection has shown an effect as the transfer probability was lower when the source of infection was placed closer to the exhaust diffuser and that the minimum distance from the source of infection in that case was the lowest.

Natural ventilation is the dominating ventilation process in ancient buildings like churches, and also in most domestic buildings in Sweden and in the rest of the world. These buildings are naturally ventilated via air infiltration and airing. Air infiltration is the airflow through adventitious leakages in the building envelope, while airing is the intentional air exchange through large openings like windows and doors. Airing can in turn be performed either as single-sided (one opening) or as cross flow ventilation (two or more openings located on different walls). The total air exchange affects heating energy and indoor air quality. In churches, deposition of airborne particles causes gradual soiling of indoor surfaces, including paintings and other pieces of art. Significant amounts of particles are emitted from visitors and from candles, incense, etc. Temporary airing is likely to reduce this problem, and it can also be used to adjust the indoor temperature. The present study investigates mechanisms and prediction models regarding air infiltration and open-door airing by means of field measurements, experiments in wind tunnel and computer modelling. In natural ventilation, both air infiltration and airing share the same driving forces, i.e. wind and buoyancy (indoor-outdoor temperature differences). Both forces turn out to be difficult to predict, especially wind induced flows and the combination of buoyancy and wind. In the first part of the present study, two of the most established models for predicting air infiltration rate in buildings were evaluated against measurements in three historical stone churches in Sweden. A correction factor of 0.8 is introduced to adjust one of the studied models (which yielded better predictions) for fitting the large single zones like churches. Based on field investigation and IR-thermography inspections, a detailed numerical model was developed for prediction of air infiltration, where input data included assessed level of the neutral pressure level (NPL). The model functionality was validated against measurements in one of the case studies, indicating reasonable prediction capability. It is suggested that this model is further developed by including a more systematic calibration system for more building types and with different weather conditions. Regarding airing, both single-sided and cross flow rates through the porches of various church buildings were measured with tracer gas method, as well as through direct measurements of the air velocity in a porch opening. Measurement results were compared with predictions attained from four previously developed models for single‑sided ventilation. Models that include terms for wind turbulence were found to yield somewhat better predictions. According to the performed measurements, the magnitude of one hour single-sided open-door airing in a church typically yields around 50% air exchange, indicating that this is a workable ventilation method, also for such large building volumes. A practical kind of diagram to facilitate estimation of suitable airing period is presented. The ability of the IDA Indoor Climate and Energy (IDA-ICE) computer program to predict airing rates was examined by comparing with field measurements in a church. The programs’ predictions of single-sided airflows through an open door of the church were of the same magnitude as the measured ones; however, the effect of wind direction was not well captured by the program, indicating a development potential. Finally, wind driven air flows through porch type openings of a church model were studied in a wind tunnel, where the airing rates were measured by tracer gas. At single-sided airing, a higher flow rate was observed at higher wind turbulence and when the opening was on the windward side of the building, in agreement with field measurements. Further, the airing rate was on the order of 15 times higher at cross flow than at single-sided airing. Realization of cross flow thus seems highly recommendable for enhanced airing. Calibration constants for a simple equation for wind driven flow through porches are presented. The measurements also indicate that advection through turbulence is a more important airing mechanism than pumping.   The present work adds knowledge particularly to the issues of air infiltration and airing through doors, in large single zones. The results can be applicable also to other kinds of large single-zone buildings, like industry halls, atriums and sports halls. / Naturlig ventilation är den dominerande ventilationsprocessen i äldre byggnader såsom kyrkor, och även i de flesta småhus i Sverige och övriga delar av världen. Luftinfiltration och vädring utgör viktiga komponenter i naturlig ventilation, där luftinfiltration är luftflöde genom oavsiktliga läckage i byggnadsskalet, medan vädring är avsiktligt luftutbyte genom stora öppningar såsom fönster och dörrar/portar. Vädring kan i sin tur ske ensidigt (genom en öppning) eller som tvärdrag (genom två eller flera öppningar belägna på olika ytterväggar). Det totala luftutbytet påverkar värmeförluster och inomhusluftens kvalité. I kyrkor orsakar avsättning av luftpartiklar en gradvis nedsmutsning av invändiga ytor, inklusive väggmålningar och andra konstföremål. Betydande mängder partiklar avges från besökare, tända ljus, rökelse, o.d. Tillfällig vädring kan minska detta problem, men även användas för att justera innetemperaturen. Föreliggande studie analyserar mekanismer och predikteringsmodeller gällande luftinfiltration och dörrvädring genom fältmätningar, vindtunnelförsök och datorsimuleringar. Luftinfiltration och vädring har samma drivkrafter, d.v.s. vind och termik (inne‑ute temperaturskillnader). Båda dessa drivkrafter är svåra att predicera, särskilt vindinducerade flöden och kombinationen av termik och vind. Två av de mest etablerade modellerna för luftinfiltrationsprediktering i byggnader har utvärderats via mätningar i tre kulturhistoriska stenkyrkor i Sverige. En korrigeringsfaktor av 0,8 föreslås för bättre prediktion av den ena modellen (som gav bäst resultat) gällande höga en-zonsbyggnader såsom kyrkor. En detaljerad numerisk modell är utvecklad för luftinfiltrationsprediktering, där indata baseras på fältundersökningar, inkl. IR-termografering och uppmätt av neutrala tryckplanet (NPL). Modellens funktionalitet har validerats via mätningar i en av fallstudierna och pekar på tämligen god prediktionsprestanda. Vidare utveckling av modellen föreslås, inkl. ett mer systematiskt kalibreringssystem, för olika typer av byggnader och väderförhållanden. Gällande vädring mättes både ensidigt flöde och tvärdrag genom portar i olika kyrkobyggnader med hjälp av spårgas samt direkta lufthastighetsmätningar i portöppning. Mätresultaten jämfördes med erhållna prediktioner från fyra tidigare utvecklade modeller för ensidig ventilation. De modeller som tog hänsyn till vindturbulens gav något bättre resultat. Enligt utförda mätningar medför en timmes ensidig portvädring i en kyrka cirka 50 % luftutbyte, vilket indikerar att detta är en tillämpbar ventilationsmetod, även för så pass stora byggnadsvolymer. Ett särskilt vädringsdiagram presenteras, som syftar till att underlätta uppskattning av erforderlig vädringsperiod. Vidare studerades predikteringsprestanda hos IDA Indoor Climate and Energy (IDA-ICE) simuleringsprogram avseende vädring, där simuleringsdata jämfördes med fältmätningar i en kyrka. Programmets prediktion av ensidigt luftflöde genom en öppen kyrkport var av samma storlekordning som det uppmäta; dock klarade programmet inte av att hantera inverkan av vindriktning så väl, vilket pekar på en utvecklingspotential. Avslutningsvis undersöktes vinddrivet flöde igenom portöppningar i en kyrkmodell i vindtunnel, där luftomsättningen mättes med hjälp av spårgasmetoden. Vid ensidig vädring observerades högre flöde vid högre vindturbulens och när öppningen var på vindsidan av byggnaden, i överensstämmelse med fältmätningarna. Dessutom var vädringsflödet vid tvärdrag i storleksordningen 15 högre än det vid ensidig vädring. Det verkar alltså som att man kan öka vädringstakten avsevärt om man kan åstadkomma tvärdrag. Kalibreringskonstanter presenteras också för en enkel ekvation för vinddrivet flöde genom portar. Vindtunnelstudien indikerar vidare att advektion genom turbulens är en viktigare vädringsmekanism än pumpning. Föreliggande arbete bidrar med kunskap speciellt kring luftinfiltration och vädring genom portar i höga en-zonsbyggnader. Resultaten kan även vara tillämpliga på andra typer av höga en-zonsbyggnader såsom industrihallar, atrier/ljusgårdar och idrottshallar. / Church project