Scénarios représentatifs de l'occupation d'une école

Les travaux précédents étaient basés sur l'utilisation de scénarios issus de la littérature avec des hypothèses sur les taux d'émissions des espèces intérieures fixes et arbitraires. De même, les activités simulées étaient simplifiées. Cependant, l'objectif du développement d'INCA-Indoor est de pouvoir utiliser cet outil pour simuler une large gamme de conditions représentatives de bâtiments réels, caractérisées par des périodes d’occupation plus ou moins longues qui s’accompagnent d’émissions en polluants par les activités humaines. Une analyse de la contribution de la réactivité chimique aux concentrations en polluants gazeux a donc été menée en considérant le cas d’une salle de classe élémentaire représentative du parc d’écoles françaises en termes de dimensions, d’architecture (matériaux de construction et de décoration), de mobilier, d’occupation et d’activités. La salle de classe simulée pendant une journée type présente ainsi une surface au sol de 100 m² et un volume intérieur de 300 m³. Elle est supposée occupée par 30 enfants et 1 adulte de 8h45 à 12h45, avec une pause de 15 minutes à 10h30, et de 13h45 à 17h00 avec une pause à 15h45. Les paragraphes qui suivent décrivent les scénarios qui ont été considérés, et le cas échéant la manière dont ils ont été construits, pour les émissions internes, les concentrations extérieures en polluants et le rayonnement solaire.

89 Facteurs d’émission en polluants dans la salle de classe

La recherche et la compilation des données existantes sur les débits d’émission en polluants par les sources internes aux salles de classe ont été effectuées dans le cadre d’une démarche plus globale d’identification des émissions en polluants dans les bâtiments de tous types. Cette démarche, initiée au LaSIE de l’Université de la Rochelle en 2009, s’est traduite par l’élaboration d’une base de données baptisée PANDORE (voir Annexe 2), dans laquelle ont été implémentées les données utiles à la réalisation du projet MERMAID. Près de 2000 données individuelles d’émission, caractérisée par une source et un polluant ont ainsi été ajoutées dans PANDORE pendant la durée de l’étude. La base de données est accessible à la communauté scientifique par téléchargement depuis le site du LaSIE. Ces nouvelles données seront accessibles dans la prochaine mise à jour de PANDORE, dont la mise en ligne est prévue courant 2016.

Différents scénarios d’émission par les sources internes à la salle de classe ont ainsi été construits sur la base :

- D’un recensement des matériaux, mobiliers et produits utilisés dans l’ensemble des écoles de la ville de La Rochelle. Ce recensement a été effectué dans le cadre de l’étude Impactair, financée par l’ADEME dans le cadre du programme AACT-Air ;

- D’un emploi du temps quotidien pour les activités scolaires ou extra-scolaires (nettoyage) qui sont émissives en polluants. Cet emploi du temps a été en partie établi à partir des informations recueillies dans le cadre d’une enquête nationale sur les pratiques et usages dans les écoles [102]

- De la recherche dans PANDORE des données d’émission disponibles pour chacune des sources identifiées.

Les sources et données d’émission finalement retenues sont présentées dans le Tableau 26. Les données complètes figurent en annexe 2 (6.2.10).

Tableau 26: données d’émission retenues pour simuler la salle de classe Catégorie de

source Source Quantité Période d’émission Origine de la donnée

d’émission

Matériaux

Plaque de plâtre peint 120 m² Constante sur 24h [103]

Dalle acoustique 100 m² Constante sur 24h [104]

Sol Vinyl 100 m² Constante sur 24h [104]

Parquet laminé + colle 100 m² Constante sur 24h [103]

Mobilier

Chaise bois armature métal 30 Constante sur 24h [105]

Table bois armature métal 30 Constante sur 24h [105]

Tableau mural émaillé 1 Constante sur 24h [105]

Meuble de rangement 2 Constante sur 24h [105]

Activités

Détergent vitres et surfaces 10 m² Entre 7h30 et 8h30, données semi-horaires

[106]

Détergent sol 100 m² Entre 7h30 et 8h30,

données semi-horaires [106]

Peinture à la gouache 30 dessins⁽¹⁾ Entre 14h00 et 16h00, données semi-horaires

[106]

Occupation Respiration 30 enfants [107]⁽²⁾

(1)Les taux d'émissions de polluants issus de la gouache ont été déterminés sur la base des données en exprimées en µg/dessin/h en considérant que 2,6 grammes de gouache sont utilisés par dessin

(2) Les facteurs d’émission ont été calculés en multipliant les concentrations en polluants mesurés dans l’air expiré par Riess et al par un flux respiratoire caractéristique d’enfants de 10 ans

Concentrations extérieures

Lors de cette étude, un profil de concentrations extérieures de polluants a été construit pour représenter un environnement suburbain comparable à la situation rencontrée lors des campagnes intensives. Les concentrations en espèces inorganiques (NOX, O3) sont issues des travaux de Carslaw (2007) [41]

représentant un profil moyen mesuré en environnement urbain/suburbain. Celles-ci sont similaires aux niveaux rencontrés lors des campagnes intensives. Les concentrations extérieures de COV utilisées pour ces scénarios sont extrapolées des mesures réalisées lors de la première campagne intensive.Elles sont plutôt basses et ont été considérées comme étant constantes tout au long de la journée.

Rayonnement

Le profil de rayonnement a été calculé à partir du modèle TUV en tenant compte de l’atténuation par les vitres. Le profil d’atténuation choisi est celui proposé par Drakou et al. [33]. Il s’agit d’un profil d’atténuation proche de celui rencontré lors des campagnes intensives.

Scénarios de ventilation

Quatre profils journaliers de renouvellement d’air ont été construits en considérant que la salle de classe dispose (1 scénario) ou non (3 scénarios) d’un système de ventilation mécanique.

Dans le cas d’une ventilation mécanique, le taux de renouvellement d’air correspond au débit de ventilation règlementaire de 15 m³/h/personne (classe de 30 enfants ; débit de ventilation : 450 m³/h). Ce débit est mis en œuvre de 8h00 à 18h00 par une programmation horaire. Pendant la nuit, le système de ventilation est coupé et le renouvellement d’air est assuré par les infiltrations, prises arbitrairement à 0.2 vol/h, soit 60 m³/h (Figure 67).

Lorsque la salle de classe ne dispose pas de système de ventilation mécanique, le renouvellement de l'air est assuré par les infiltrations naturelles et les ouvertures de fenêtres. Il est alors difficile d'estimer le taux de renouvellement d’air qui dépend à la fois de l’agencement des locaux, des caractéristiques constructives des bâtiments et des conditions climatiques des locaux. La bibliographie indique une extrême variabilité du débit de ventilation en période d’aération (fenêtres ouvertes) avec des taux de renouvellement d’air pouvant atteindre 30 vol/h [108]. Afin d'utiliser des taux de renouvellement représentatifs des conditions rencontrées sur le territoire français dans le cas d'une école élémentaire de La Rochelle, des simulations aérauliques ont été réalisées avec le logiciel CONTAM (voir Annexe 2). Ces simulations confirment la forte variabilité du taux de renouvellement selon la température, la vitesse et la direction du vent lorsque les fenêtres sont ouvertes (entre 0 et 28 vol/h) mais également lorsque les fenêtres sont fermées (entre 0 et 1.1 vol/h). Des valeurs représentatives de conditions d'été et hiver ont été choisies sur la base de ces calculs pour définir 3 scénarios de renouvellement d’air (Figure 67) :

- Un scénario baptisé « fenêtre hiver » correspondant à un schéma type d’aération en période de chauffage.

Ce schéma est caractérisé par l’ouverture des fenêtres pendant les seules pauses du matin et de l’après-midi. Lorsque les fenêtres sont ouvertes, le débit de ventilation est de 6000 m³/h, correspondant à un taux de renouvellement d’air de 20 vol/h. (valeur moyenne en fonction des conditions de vent pour une température extérieure de 5°C). Lorsque les fenêtres sont fermées, les infiltrations conduisent à un renouvellement d’air de 60 m³/h (0.2 vol/h).

- Un scénario baptisé « fenêtre été » correspondant à un schéma type d’aération en période chaude. Il est caractérisé par l’ouverture permanente des fenêtres de la pause du matin à la fin de la classe, avec un débit de ventilation de 3000 m³/h correspondant à un taux de renouvellement d’air de 10 vol/h (valeur moyenne en fonction des conditions de vent pour une température extérieure de 20°C). Lorsque les fenêtres sont fermées, les infiltrations conduisent à un renouvellement d’air de 60 m³/h (0.2 vol/h).

- Un scénario « infiltration » correspondant à une situation extrême où les fenêtres ne sont jamais ouvertes et le renouvellement ne s’effectue donc que par les infiltrations.

Figure 67 : Profils journaliers de renouvellement d’air de la salle de classe simulée dans INCA-Indoor.

Résultats issus des scénarios "école"

Afin d’illustrer l’impact des scénarios de ventilation et de la chimie sur les concentrations de polluants, les concentrations de formaldéhyde et d’acétaldéhyde ont été analysées. Leurs concentrations respectives sont reportées en Figure 68 pour chacun des scénarios de ventilation.

1.0 10.0 100.0 1000.0 10000.0

Débit de ventilation [m3/h]

Scénarii de ventilation

Scénario VMC Scénario fenêtre hiver Scénario fenêtre été Scénario infiltrations

91

Figure 68 : Concentrations simulées avec INCA-Indoor pour le formaldéhyde (gauche) et l'acétaldéhyde (droite) en fonction des 4 scénarios de ventilation choisis.

La ventilation a un impact évident sur les concentrations de ces espèces. Le taux de renouvellement de l'air élevé assuré par la VMC en fonctionnement permet de réduire les concentrations de près de 50% par rapport au cas d'une ventilation assurée par les seuls défauts d’étanchéité du bâti. L’ouverture des fenêtres est tout aussi efficace l’été mais ne permet pas de maintenir des concentrations basses en hiver. Ainsi, en hiver, la première ouverture permet un bon renouvellement d’air mais les concentrations de polluants atteignent quasiment les niveaux du scénario 1 avant la seconde ouverture.

Les scénarios 1 (infiltration) et 2 (VMC) ont été choisis pour illustrer au mieux deux dynamiques influençant les concentrations de ces polluants. Sur la Figure 58 sont reportés sur les profils temporels des contributions des phénomènes conduisant à la formation et la disparition du formaldéhyde et de l’acétaldéhyde pour les deux scénarios cités. Contrairement à l’analyse détaillée du Tableau 25, les parts de production et de perte par la chimie ne sont pas séparées. La différence entre ces deux processus est reportée : elle est positive si les processus tendent à produire les deux aldéhydes ou négative si le bilan tend à les faire disparaître.

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0

0:00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

concentration (ppb)

[HCHO]

infiltration VMC

Ouv Fenetre Hiver Ouv Fenetre Été

0,0 2,0 4,0 6,0

0:00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

concentration (ppb)

[CH

CHO]

infiltration VMC

Ouv Fenetre Hiver Ouv Fenetre Été

Commentaire [BH1]: 69 plutôt

Figure 69 : Profils temporels de contribution des processus physico-chimiques influençant les concentrations de formaldéhyde (gauche) et d'acétaldéhyde (droite) pour les scénarios de renouvellement d'air par infiltration (haut) et par ventilation mécanique contrôlée (bas) simulés avec INCA-Indoor.

Le formaldéhyde comme l'acétaldéhyde sont principalement connus pour être des polluants des environnements intérieurs. En effet, on voit que le processus de renouvellement d'air entraîne une diminution de leurs concentrations dans chacun des scénarios présentés.

Le formaldéhyde est fortement influencé par le scénario de ventilation choisi. Lorsque la ventilation est faible (infiltration), les temps de réactions permettant d’oxyder les COV sont suffisants pour que la chimie soit une source significative de formaldéhyde. Sur la période d’occupation des élèves, en moyenne, 34% du formaldéhyde présent est dû à la réactivité. Au contraire, lorsque la ventilation est efficace, le temps de séjour des polluants dans la pièce est faible, l’avancée des processus oxydants est limitée. Dans ce cas, seul 7% du formaldéhyde est issu de processus réactifs.

Contrairement au formaldéhyde dont l’émission est quasi continue, l’acétaldéhyde est émis plus fortement en présence des occupants. Cette émission est bien plus élevée que la part produite par la chimie. Ainsi, lors des périodes d’occupation, la formation d’acétaldéhyde par processus réactifs explique 8% et 3% de la concentration d’acétaldéhyde pour les scénarios ‘infiltration’ et ‘VMC’ respectivement.

3.3.5. Modélisation des processus de formation et transformation des particules