Thèse Année : 2024

Development, characterization and modeling of a filtering airflow window

Développement, caractérisation et modélisation d’une fenêtre pariétodynamique filtrante

Résumé

Climate change has brought about profound changes in the way buildings are designed, constructed, and rehabilitated. In addition to energy efficiency and comfort requirements during hot periods, there is now a growing concern among the population for indoor air quality, which necessitates the development of integrated approaches and products that encompass energy, comfort, and health. This thesis was conducted within this framework, with a particular focus on the issue of particle transfer from the outside to the inside of buildings in urban areas. The objective was to develop and characterize the performance of an innovative window equipped with an electrostatic particle filtration module. The developments were based on a next-generation airflow window with advanced thermal and acoustic properties. Measurements of filtration efficiency, pressure drop, ozone and nitrogen oxide emissions, and particle deposition length on collecting plates were carried out on a dedicated test bench. These measurements allowed for the determination of the optimal integration, geometry, and electrical parameters of the electrofilter, as well as the production of a prototype of the filtering window. Its performance was characterized under representative airflows and humidity conditions found in real buildings. Under ionization and collection voltages of +7 kV and +5 kV respectively, the filtration efficiency for submicron particles is close to 80 % for an airflow rate of 20 m3/h. Ozone and NOx emissions are highest when humidity is high but remain low in absolute terms. The impact of the filtering window on indoor air quality was initially evaluated experimentally. In-situ measurements were simultaneously conducted in two identical rooms, one equipped with the filtering window and the other with a conventional airflow window. The results showed that the process goes beyond simple particle filtration during airflow through the building envelope since the emission of charged particles into the indoor air significantly affects the coagulation and deposition dynamics on surfaces. Positive voltage ionization does not lead to ozone overexposure indoors but results in rapid electrode oxidation. Negative voltage ionization leads to an increase in indoor ozone concentration of up to 10 µg/m3. The intrinsic oxidizing potential of the particles is not altered by the passage of air through the process. A model describing the transfer of neutral and/or charged particles in an indoor environment was developed with the aim of simulating the influence of the filtering window on the air quality provided to occupants, considering different types of buildings and environmental conditions at the site. The model could only be partially validated through comparison with measurements conducted in a controlled environment, primarily due to the difficulty of electrically saturating the test aerosols and thus defining the particle charge distribution at the initial time.
Le changement climatique a induit de profonds changements dans la manière de concevoir, de construire et de réhabiliter les bâtiments. Aux exigences de sobriété énergétique et de confort en période chaude s’ajoute désormais une préoccupation croissante de la population pour la qualité de l’air intérieur, qui nécessite que des approches et des produits intégrés énergie / confort / santé soient développés. La thèse s’est inscrite dans ce cadre, en ciblant plus particulièrement la problématique des transferts de particules de l’extérieur vers l’intérieur des bâtiments en milieu urbain. Elle a consisté à mettre au point et à caractériser la performance d’une fenêtre innovante dotée d’un module de filtration électrostatique des particules. Les développements ont pris comme base une fenêtre pariétodynamique de nouvelle génération qui présente des propriétés thermiques et acoustiques avancées. Les mesures d’efficacité de filtration, de perte de charge, d’émission en ozone et en oxydes d’azote, et de longueur de dépôt sur les plaques collectrices qui ont été réalisées sur un banc d’essai dédié ont permis de définir l’intégration, la géométrie et les paramètres électriques optimaux de l’électrofiltre, et de réaliser un prototype de fenêtre filtrante. Ses performances ont été caractérisées pour des débits d’air et des conditions d’humidité représentatives de bâtiments réels. Sous des tensions respectives d’ionisation et de collecte de +7 kV et +5 kV, l’efficacité de filtration des particules submicroniques est proche de 80% pour un débit d’air de 20 m3/h. Les émissions dans l’air d’ozone et de NOx sont maximales quand l’humidité est élevée mais restent faibles dans l’absolu. L’impact de la fenêtre filtrante sur la qualité de l’air intérieur a dans un premier temps été évalué de manière expérimentale. Les mesures in situ qui ont été réalisées simultanément dans deux pièces jumelles, l’une équipée de la fenêtre filtrante, et l’autre d’une fenêtre pariétodynamique classique, ont montré que le procédé agissait au-delà de la simple filtration des particules au passage de l’air à travers l’enveloppe du bâtiment, puisque l’émission de particules chargées dans l’air intérieur impacte significativement les dynamiques de coagulation et de dépôt sur les surfaces. L’ionisation en tension positive n’induit pas de surexposition à l’ozone à l’intérieur de la pièce mais se traduit par une oxydation rapide des électrodes. L’ionisation en tension négative donne lieu à une augmentation qui peut aller jusqu’à 10 µg/m3 de la concentration intérieure en ozone. Le potentiel oxydant intrinsèque des particules n’est pas modifié par le passage de l’air à travers le procédé. Un modèle décrivant les transferts de particules neutres et/ou chargées dans une ambiance intérieure a été développé dans l’optique de pouvoir simuler l’influence de la fenêtre filtrante sur la qualité de l’air offerte aux occupants, pour différents types de bâtiments et en fonction des conditions environnementales du site. Il n’a pu être que partiellement validé par confrontation à des mesures réalisées en environnement contrôlé, pour des raisons qui incombent principalement à la difficulté de saturer électriquement les aérosols d’essai, et donc à définir la distribution en charges des particules au temps initial.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04870443 , version 1 (07-01-2025)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04870443 , version 1

Citer

Eol Geffre. Développement, caractérisation et modélisation d’une fenêtre pariétodynamique filtrante. Physique [physics]. Université de La Rochelle, 2024. Français. ⟨NNT : 2024LAROS005⟩. ⟨tel-04870443⟩
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