3. Résultats obtenus
3.3. Scénarios basés sur la modélisation
3.3.1. Comparaison avec des modèles existants - analyse de scénarios influençant les précurseurs de radicaux
Avant de pouvoir valider le modèle INCA-Indoor avec les mesures intensives, il a été d’abord choisi de comparer les résultats du modèle à d'autres travaux de modélisation. Les travaux utilisés sont ceux de Carslaw [41] et Waring [44]. Ces travaux ont été choisis car les résultats de Carslaw sont basés sur un modèle chimique plus détaillé (MCM dans sa version 3.1) que celui de INCA-Indoor (SAPRC-07) et les conditions d’entrée du modèle sont suffisamment bien détaillées pour être utilisées dans INCA-Indoor (profils typiques d'une maison en environnement urbain en Angleterre). Pour leur part, les travaux de Waring rendent compte de conditions plus réalistes basées sur des mesures et incluent des activités
(nettoyage, utilisation d'un système de chauffage). Il est cependant à noter que les travaux de Waring sont basés sur des calculs d'équilibre pseudo-stationnaires et ne fournissent pas de profils mais des concentrations moyennes.
Différents scénarios ont donc été utilisés en se basant sur ceux proposés par Carslaw et Waring , et les résultats de INCA-Indoor comparés et analysés.
La pièce considérée a été représentée avec un volume de 250 m3, un ratio surface-volume de 3 m-1. Les vitesses de dépôt proviennent des valeurs de [40] et sont résumées en 6.2.8. Même si l’attribution des vitesses de dépôt à des COV puisse être discutée, la plupart des COV interagissent de manière réversible avec les matériaux via les phénomènes d’adsorption/désorption. Cependant, il est nécessaire de procéder de la même manière dans INCA-Indoor que dans les travaux originaux pour pouvoir comparer les résultats.
Les concentrations extérieures d’O3, NO et NO2 sont des valeurs classiques d’un environnement urbain du Royaume-Uni tandis que les concentrations de 49 COV, HNO3, H2O2 et NH3 sont considérées constantes sur la journée et proviennent des travaux de [40]. Les détails des conditions sont présentés en Annexe 2.
Dans le cas de base (scénario 1), les vitres ont des facteurs d’atténuation provenant de [34] (97% du rayonnement UV et 90% du visible), et le taux de renouvellement d’air est fixé à 2 h-1.
D'autres scénarios ont été utilisés pour comparer les résultats obtenus avec INCA-Indoor et ceux de Carslaw en faisant varier différents paramètres susceptibles d'influencer les niveaux de concentration des espèces présentes dans la pièce tels que :
- l’atténuation du rayonnement par les fenêtres (scénario 2, 3) - la vitesse de dépôt de l’ozone (4)
- le ratio surface-volume (5, 6)
- le taux de renouvellement d’air TRA (7, 8, 9)
- les concentrations extérieures d’ozone (10) et de NO (11) - la concentration de d-limonène (12)
- l’humidité relative (13) - la température de la pièce (14)
Enfin, des scénarios ont été définis pour étudier l'influence d'autres paramètres, non considérés dans l'étude de Carslaw mais étudiés dans les travaux de Waring. Le modèle de Waring n'étant pas un modèle résolu dans le temps, les résultats ne sont pas facilement comparables mais ces conditions représentent un panel intéressant au regard des processus d'oxydation. Les facteurs dont l’influence a été étudiée sont : - la concentration en HONO (15, 16)
- la présence de la lumière avec 10 ppb de HONO [20] à différents taux de renouvellement d’air (TRA) (17,18)
- l'utilisation d'un brûleur 2 h par jour (de 12:00 à 13:00 et de 20 :00 à 21:00, scénarios 19, 20)
- l'utilisation d'un produit ménager, source de limonène 1 h par jour (de 7:00 à 7:30 et de 17:00 à 17:30, scénario 21)
La liste de l'ensemble des scénarios est présentée dans le Tableau 21.
Il est à noter qu'il existe certaines différences dans les conditions de modélisation entre les deux modèles : - le calcul des constantes de photolyse : celles du modèle INCA-Indoor sont calculées à partir du modèle TUV proposé par [100] alors qu'elles sont calculées directement dans le MCM pour le modèle de Carslaw, - la prise en compte des espèces secondaires extérieures dans le modèle de Carslaw, qui pénètrent dans la pièce par la ventilation. Pour INCA-Indoor, il a été choisi dans un premier temps de ne considérer que les espèces primaires extérieures. Cette différence impacte nécessairement les concentrations des espèces chimiques en air intérieur et introduit un biais entre les résultats d’INCA-Indoor et du MCM. Cependant, les conditions de simulation étant les mêmes en ce qui concerne les données d’entrée, les tests permettent d’évaluer la sensibilité des espèces aux paramètres clés de l’air intérieur.
En définitive, les concentrations absolues ne sont donc pas forcément directement comparables mais l’évolution des concentrations en fonction des scénarios doit toutefois être similaire pour valider le développement du modèle INCA-Indoor.
Dans le Tableau 22 sont présentées les concentrations moyennées entre 9h00 et 18h00 pour les principales espèces permettant de caractériser la qualité de l’air intérieur mais également les variations entre les scénarios 2 à 14 par rapport au cas de base pour les deux modèles.
La concentration de chaque espèce ainsi que la différence de variation entre le cas de base et le scénario pour INCA-Indoor et le MCM est reportée pour chaque scénario. La moyenne des différences de concentration entre les concentrations obtenues avec INCA-Indoor et le MCM moyennée sur l’ensemble des scénarios est reportée en fin de tableau (Moyenne des Différences en Concentration : MDC) ainsi que la Moyenne des différences de Variations de Concentration en % (MVC).
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Tableau 21 : description des différents scénarios étudiés (1-14 : comparaison Carslaw, 15-21 : conditions de Waring)
Scenario appellation
1 Cas de base
2 + lumière
3 - lumière
4 dépôt O3 × 2
5 S/V = 2.5 m-1
6 S/V = 3.5 m-1
7 TRA = 0.2 h-1
8 TRA = 1.0 h-1
9 TRA = 5.0 h-1
10 [O3] ext × 2
11 [NO] ext × 2
12 [limonene]int x 2
13 RH 75%
14 T = 298 K
15 [HONO] = 0 ppb
16 [HONO] = 10 ppb
17 [HONO] = 10 ppb + lumière
18 [HONO] = 10 ppb + lumière + TRA = 0.2 h-1
19 brûleur + lumière
20 Brûleur (émissions / 10) + lumière
21 ménage (40 ppb limonène)
Tableau 22 : concentrations en OH, HO2, O3, NO, NO2, PANs, d-limonène, HCHO moyennées entre 9:00 et 18:00 obtenues avec INCA-Indoor et en gris, la différence entre les variations obtenues par rapport au cas de base avec INCA-Indoor et avec le modèle de Carslaw. La moyenne des différences de variations absolues de concentration (MDC) sur l'ensemble des scénarios est reportée en %, de même que la moyenne des différences de variation de concentration (MVC).
Scenario OH HO2 O3 NO NO2 PANs d-limonene HCHO
105 cm-3 ppt ppb ppb ppb ppb ppb ppb
1 Cas de base 4,7 11,1 10,5 0,4 4,0 0,2 3,1 23.6
2 + lumière 17,4 19,1 14,0 0,9 3,7 0,5 2,3 23.7
-14,3 19,6 -13,4 -36,8 6,0 -148,3 -2,4 -3.0
3 - lumière 3,3 9,8 10,0 0,3 4,1 0,2 3,2 23.5
10,6 -2,9 2,5 18,6 -1,5 36,9 1,0 0.3
4 dépôt O3× 2 4,3 6,9 6,3 0,7 4,0 0,2 3,3 23.5
-3,9 0,4 0,4 11,6 1,7 -7,4 1,6 0.2
5 S/V = 2.5 m-1 4,8 12,2 11, 8 0,4 4,6 0,3 3,1 24.4
-1,5 2,9 0,5 8,4 7,4 -1,0 1,3 0.1
6 S/V = 3.5 m-1 4,5 10,0 9,4 0,5 3,6 0,2 3,2 22.7
-5,0 -2,2 0,0 9,2 -5,2 4,9 1,4 0.2
7 TRA = 0.2 h-1 0,2 17,8 1,4 0,1 0,5 0,5 30,9 69.5
-3,6 8,7 -2,0 -3,7 -10,1 149 60,4 -2.3
8 TRA = 1.0 h-1 2,4 15, 7 6,5 0,2 2,3 0,4 5,9 36.0
-14,2 3,4 -2,4 -11,0 -16,5 72 3,8 -0.7
9 TRA = 5.0 h-1 6,5 5,2 16,5 0,9 7,5 0,1 1,5 13.1
5,2 -13,2 2,1 58,4 57,4 -52 0,7 0.5
10 [O3] ext × 2 5,0 17,3 21, 3 0,2 4,0 0,4 2,8 23.6
0,4 -0,6 2,8 7,8 -0,8 22,3 -0,2 0.3
11 [NO] ext × 2 5,9 6,8 9,3 1,2 5,1 0,2 3,1 23.6
10,0 1,3 -0,4 39,4 1,9 -0,5 -1,8 0.3
12 [limonene]int x 2 4,5 14,9 10,6 0,3 4,0 0,4 6,1 23.7
-2,7 7,9 0,3 7,2 -0,2 25,0 0,2 0.1
13 RH 75% 4,6 11,0 10,5 0,4 4,0 0,3 3,1 23.6
-3,2 0,9 0,0 0,4 0,0 8,9 0,2 0.0
14 T = 298 K 4, 9 13,7 10,5 0,4 4,1 0,3 3,1 23.9
0,3 13,3 0,5 2,5 0,3 17,2 0,9 1.6
MDC (%) 34 38 -4,3 -35 -63 -88 -7,5 -4,6
MVC (%) -1.7 3,0 -0,7 8,6 3,1 9,8 5,1 -0,2
L'analyse des résultats des variations de conditions montre que la concentration en polluants qui sont principalement d’origine extérieure, tels que l’ozone, NO et NO2, est fortement augmentée quand le taux de renouvellement d’air augmente. A contrario, les concentrations des espèces secondaires telles que le formaldéhyde ou des espèces émises par des sources internes (d-limonène) diminuent.
Le ratio surface-volume est également un paramètre prépondérant dans la concentration d’ozone puisque le dépôt aux surfaces est une voie non négligeable de perte après la réaction entre l’ozone et les alcènes.
La comparaison entre les résultats des deux modèles montre que les niveaux d'ozone et les variations d'un scénario à l'autre sont très similaires. Cela est cohérent avec le fait que les données d'entrée sont semblables entre les deux modèles : la source d'ozone est liée aux niveaux extérieurs (même TRA) et les pertes par le dépôt sont caractérisées par une même vitesse de dépôt. Seule la chimie d'ozonolyse des alcènes peut être différente mais elle ne semble pas influencer les niveaux d'ozone : notons par exemple la différence de variation qui n’est que de 0.3 ppb pour le scénario 12 avec deux fois plus de limonène.
Les concentrations de NO et NO2 sont par contre respectivement sous-estimées de 37% et 63% par INCA-Indoor par rapport au MCM. En revanche, leurs variations relatives par rapport au cas de base sont bien reproduites puisque leurs MVC sont égales à 8,6 et 3,1 %. Cela montre donc que même s'il existe une différence systématique entre les concentrations obtenues par les deux modèles, les impacts des changements de conditions sont bien reproduits. Ces différences pourraient provenir de la différence dans les mécanismes concernant les espèces de type nitrates organiques plus nombreux dans le MCM.
Les concentrations en OH and HO2 sont surestimées par INCA-Indoor (34% et 38%) mais les variations d'un scénario à l'autre sont en bon accord (MVC de -1.7% et 3%), ce qui montre que la chimie des radicaux HOx est bien représentée dans INCA-Indoor. Les différences observées ne peuvent pas être expliquées par les différences de concentrations des NOx qui pourraient modifier le cycle entre OH et HO2. En effet, une conversion plus lente de HO2 en OH mènerait à une surestimation de HO2, mais dans le même temps à une sous-estimation de OH, ce qui n’est pas le cas. Les différences pourraient venir de la simplification de la chimie des radicaux RO2 dans le mécanisme SAPRC-07 ainsi que de différences dans les fréquences de photolyse.
La concentration en Nitrate de Peroxyacétyl (PAN : C2H3O3NO2) est très sous-estimée dans les simulations INCA-Indoor (-88%), probablement à cause de la non prise en compte de la chimie secondaire en air extérieur (incluant la formation de PAN par réaction d'espèces secondaires hydrocarbonées avec NO2). De plus, le mécanisme SAPRC-07 considère seulement 3 espèces de type PAN (le PAN appartenant à la famille des nitrates de péroxyacyles PANs de formule générique CxHyO3NO2) alors que le MCM en comporte 200. Cependant, on peut observer que les concentrations en PAN sont liées à celles de NO2, en accord avec les simulations de Carslaw.
Les données sur des espèces particulièrement importantes en air intérieur comme le formaldéhyde sont bien reproduites par INCA-Indoor. Une analyse de contribution détaillée en fonction des conditions est présentée dans le paragraphe 3.3.3 pour estimer le rôle des différents processus en air intérieur sur les espèces pouvant être d'origine primaire ou secondaire (suite à des transformations chimiques de type oxydation).
En conclusion de cette comparaison, les résultats d’INCA-Indoor sont en bon accord avec les résultats d’un mécanisme de référence plus complexe. Le modèle INCA-Indoor est sensible aux différents paramètres clés de l’air intérieur et est opérationnel pour apporter des informations essentielles sur la chimie de l’air intérieur. Ces simulations montrent qu’il est possible de représenter correctement la dynamique de la qualité de l’air intérieur sans qu’il soit nécessaire d’implémenter un mécanisme chimique détaillé. Ce mécanisme semi-détaillé présente donc l’avantage d’être suffisamment précis pour décrire la qualité de l’air intérieur tout en limitant le nombre de réactions chimiques. Il est donc plus aisé d’analyser les résultats et d’identifier les voies de formation et de destruction prépondérantes des espèces suivies.
Pour compléter ces résultats, d'autres paramètres ont été étudiés afin de déterminer leur impact sur la formation des oxydants en air intérieur, en particulier les radicaux HOx, source potentielle de transformations chimiques.
Les scénarios 15 à 21 ont été définis pour tester des conditions très variables de précurseurs de radicaux HOx (photolyse de HONO, ozonolyse des alcènes), mais réalistes (niveaux de HONO mesurés en air intérieur sans [20] ou avec une source de combustion). Le Tableau 23 présente les résultats obtenus. Ils mettent en évidence le rôle de la photolyse de HONO (scénario 17) sur la formation des HOx et de l'augmentation de HO2 en condition de faible renouvellement de l'air (induisant un apport moindre de NO convertissant HO2 en OH). L'apport de HONO via des appareils de combustion ne se révèle par contre pas aussi efficace car cela amène également des quantités importantes de NOx qui viennent perturber le cycl e OH/HO2 par une consommation rapide de HO2 sans recyclage en OH. Les profils de concentration des radicaux OH et HO2, ainsi que la contribution des différentes voies de formation et de consommation des
81 radicaux OH et HO2, sont présentés en Figure 61 pour les scénarios 15 à 20. La Figure 62 présente ces profils pour les épisodes de nettoyage.
Tableau 23 : effet de la variation des paramètres liés aux précurseurs des HOx sur leur concentration Scenario OH (105 cm-3)
105 cm-3
HO2 (ppt)
Cas de base 1 4,74 11,06 ppt
[HONO] = 0 ppb 15 4,64 10,75
[HONO] = 10 ppb 16 6,39 15,08
[HONO] = 10 ppb + lumière 17 32,33 32,74
[HONO] = 10 ppb + lumière + TRA = 0.2 h-1 18 4,12 53,68
brûleur + lumière 19 10,12 5,94
Brûleur (émissions / 10) + lumière 20 11,43 7,06
Episode de ménage 21 12 35
Figure 61 : profils de concentrations de OH et HO2 pour les scénarios 15 à 20 (en haut). Voies de production et de pertes de OH et HO2 moyennées entre 12:00 et 13:00 pour les scénarios 15 à 20 (en bas)
Figure 62 : profils de concentration de OH et HO2 (gauche) et (b) NO (droite) pour le scénario 21
Le scénario 21 permet d'étudier le rôle de l'ozonolyse des alcènes en tant que précurseur de OH en fonction des conditions environnementales au travers de deux épisodes de nettoyage (caractérisés par des émissions de limonène). On observe que l'effet de cette activité mène à une augmentation de OH et HO2 le matin alors qu'elle entraine une diminution de OH et une augmentation de HO2 l'après-midi. Cela est principalement lié aux différences de concentration en NO entre les deux épisodes qui modifient le cycle de transformation HO2/OH.
L'étude de ces différents scénarios montre que les niveaux de concentrations en OH et HO2 peuvent fortement varier en fonction des conditions environnementales et que le modèle INCA-Indoor peut être utilisé pour les prédire.
Il est à noter que les résultats présentés ici sont issus de travaux de modélisation uniquement. Il serait utile de confronter également les résultats du modèle INCA-Indoor avec des mesures dans des environnements réels. La comparaison réalisée lors des campagnes intensives MERMAID a mis en évidence que même si les niveaux de concentration en HOx étaient du même ordre de grandeur entre les mesures et la modélisation, les allures des profils étaient différentes (paragraphe 3.2.7). L'hétérogénéité du milieu en est probablement la cause. C'est pourquoi il s'avère utile de comparer le modèle avec des mesures réalisées dans un environnement plus simple, comme celui étudié dans le cadre du projet PRIMEQUAL SURFin. Ces travaux sont décrits dans le paragraphe suivant.
3.3.2. Interprétation des mesures de la campagne SURFin (sans ventilation