Air quality estimations at local scale accounting for indoor and outdoor pollutants emissions - PASTEL - Thèses en ligne de ParisTech Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Air quality estimations at local scale accounting for indoor and outdoor pollutants emissions

Estimations de la qualité de l'air à l'échelle locale en tenant compte des émissions de polluants intérieurs et extérieurs

Résumé

As many people are exposed to high concentrations of air pollutants in urban areas, it is important to understand the sources and formation processes. Modeling is an effective tool for this. This thesis focuses on understanding the physical and chemical processes influencing indoor and outdoor air quality at the local scale through modeling.In a first step, the air quality in an urban street is modeled with the computational fluid dynamics (CFD) tool code_saturne, coupled with the atmospheric chemistry and aerosol dynamics module SSH-aerosol. The canyon street is modeled in 2D, and the study covers a period of 12 hours. The simulated NO2 and PM10 concentrations compare well with experimental measurements when atmospheric chemistry and aerosol dynamics are taken into account. However, the concentration of black carbon is underestimated, probably partly due to the underestimation of non-exhaust emissions. The concentrations of secondary PM compounds are strongly influenced by aerosol dynamics. In particular, ammonia emitted by traffic promotes the formation of inorganic and hydrophilic organic particles.In a second step, to study the impact of trees in the street, trees are added to the 2D street canyon. The aerodynamic impact of the tree crowns significantly increases the concentration of pollutants emitted by traffic. Dry deposition on leaf surfaces is only significant for highly soluble compounds such as HNO3 or low volatile compounds. Emissions of volatile organic compounds (VOCs) from trees have little influence on the formation of condensables, except in the case of low wind. Nevertheless, the production of some extremely low volatile organic compounds by autoxidation is high, which could favor the formation of ultrafine particles.Finally, the indoor air quality in a closed stadium is studied using a 0D model (H2I). The indoor-outdoor exchange rate and the filtration factor of the model are determined from the measured indoor and outdoor black carbon concentrations using a Fourier transformation. The temporal variations of O3 and NOx concentrations in indoor air are correctly simulated, but NO concentrations are overestimated and NO2 and O3 concentrations are underestimated. Sensitivity tests are carried out to determine the relevant physical parameters of the model that drive these concentrations. The impact of surface reactions is limited, as the ratio of surface area to stadium volume is low compared to smaller indoor environments. The inclusion of VOCs favors the conversion of NO to NO2 and reduces the underestimation of NO2. Photolysis also has a strong influence on concentrations, with a strong impact of glazing.
De nombreuses personnes étant exposées à de fortes concentrations de polluants atmosphériques en milieu urbain, il est important d’en comprendre les sources et les processus de formation. La modélisation est un outil efficace pour cela. Cette thèse porte sur la compréhension par modélisation des processus physiques et chimiques influençant la qualité de l'air intérieur et extérieur à l'échelle locale. Dans un premier temps, la qualité de l’air dans une rue urbaine est modélisée avec l’outil de mécanique des fluides numérique (CFD) code_saturne, couplé au module de chimie atmosphérique et de dynamique des aérosols SSH-aérosol. La rue canyon est modélisée en 2D, et l’étude porte sur une période de 12 heures. Les concentrations simulées de NO2 et de PM10 se comparent bien aux mesures expérimentales lorsque la chimie atmosphérique et la dynamique des aérosols sont prises en compte. Cependant, la concentration de carbone suie est sous-estimée, probablement en partie à cause de la sous-estimation des émissions hors échappement. Les concentrations des composés secondaires des particules sont fortement influencées par la dynamique des aérosols. Notamment, l'ammoniac émis par le trafic favorise la formation de particules inorganiques et organiques hydrophiles. Dans un second temps, pour étudier l'impact des arbres dans la rue, des arbres sont ajoutés dans la rue canyon 2D. L'impact aérodynamique des couronnes d'arbres augmente significativement la concentration des polluants émis par le trafic. Le dépôt sec sur les surfaces des feuilles n'est important que pour les composés très solubles comme HNO3 ou peu volatils. Les émissions de composés organiques volatils (COV) par les arbres influencent peu la formation des condensables, sauf en cas de vent faible. Néanmoins, la production de certains composés organiques extrêmement peu volatils par autoxidation est élevée, ce qui pourrait favoriser la formation de particules ultrafines. Finalement, la qualité de l'air intérieur dans un stade fermé est étudiée à l’aide d’un modèle 0D (H2I). Le taux d'échange intérieur-extérieur et le facteur de filtration du modèle sont déterminés à partir des concentrations de carbone suie mesurées à l'intérieur et à l'extérieur en utilisant une transformation de Fourier. Les variations temporelles des concentrations d'O3 et de NOx en air intérieur sont correctement simulées, mais les concentrations de NO sont sur- estimées et celles d'O3 de NO2 sous-estimées. Des tests de sensibilité sont effectués afin de déterminer les paramètres physiques prégnants du modèle qui pilotent ces concentrations. L’impact des réactions de surface est limité, car le ratio entre la surface et le volume du stade est faible comparé à des environnements intérieurs plus petits. La prise en compte des COV favorise la conversion du NO en NO2 et réduit la sous-estimation du NO2. La photolyse influence aussi fortement les concentrations, avec un fort impact du vitrage.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04368505 , version 1 (01-01-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04368505 , version 1

Lien texte intégral

Citer

Yunyi Wang. Air quality estimations at local scale accounting for indoor and outdoor pollutants emissions. Environmental Engineering. École des Ponts ParisTech, 2023. English. ⟨NNT : 2023ENPC0021⟩. ⟨tel-04368505⟩
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