Impact des stratégies de ventilation dans une enceinte de piscine intérieure sur la concentration du trichlorure d’azote, de l’évaporation de l’eau et du confort thermique

Proulx, Hélène (2023). Impact des stratégies de ventilation dans une enceinte de piscine intérieure sur la concentration du trichlorure d’azote, de l’évaporation de l’eau et du confort thermique. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Le trichlorure d'azote (NCl3), également nommé trichloramine, est un sous-produit de désinfection que l'on trouve couramment dans l'eau et l'air des piscines intérieures. Il se forme dans l'eau des piscines en raison d'une réaction entre le chlore et les fluides corporels (comme la sueur et l'urine) introduits dans l'eau par les baigneurs et se volatilise davantage lorsque l’eau est agitée. Ce gaz est associé à des maladies chroniques telles que l'asthme et provoque souvent des irritations oculaires, cutanées et respiratoires. En raison de sa masse volumique supérieure à celle de l'air, le NCl3 a tendance à s'accumuler près de la surface de l'eau et au-dessus de la plage (plancher autour du bassin).

La ventilation par dilution (ou dite par mélange) est la principale stratégie de ventilation utilisée dans les centres aquatiques pour maintenir les concentrations de NCl3 à un niveau acceptable. Cette stratégie de ventilation vise à diluer tout contaminant dans l'air afin de réduire sa concentration avant que l'air ne soit extrait et évacué. Cependant, les centres aquatiques sont reconnus pour être très énergivores, en grande partie à cause de l'évaporation de l'eau du bassin qui doit être remplacée et chauffée. Par conséquent, les codes du bâtiment recommandent de maintenir une faible vitesse d'air au-dessus de la piscine et de la plage afin de minimiser l'évaporation et éviter de causer de l’inconfort thermique aux baigneurs. ASHRAE recommande d'ajouter des bouches d'extraction dans le bas de l’enceinte afin de capter le NCl3 proche de sa source d’émission. Cependant, aucune directive n'a été trouvée dans la littérature sur le nombre de grilles d’extraction basse, leur position dans l'enceinte ou leur débit d'air minimum. En outre, un mouvement d'air suffisant dans la zone occupée et près des surfaces d'eau et de la plage est nécessaire pour déplacer cette molécule (NCl3) plus lourde que l'air. Cependant, ce flux d'air peut entraîner une augmentation indésirable de l'évaporation de l'eau ou engendrer un inconfort thermique pour les baigneurs. Ces deux paramètres peuvent avoir un impact négatif sur la gestion d'une piscine intérieure. Cette thèse présente une étude numérique des impacts des stratégies de ventilation sur les concentrations de NCl3 dans l'air d'une enceinte de piscine située à Montréal (Canada). Plus spécifiquement, la quantité d'air extérieur, donc la recirculation de l'air, le nombre de changements d'air par heure et l'ajout de grilles d'extraction au niveau de la plage (extraction basse) sont étudiés. Les modifications (paramètres et stratégies) qui présentent les résultats les plus intéressants en termes de réduction du NCl3 sont ensuite étudiées pour leurs impacts sur le taux d'évaporation de l'eau de la surface de la piscine et sur le confort thermique des baigneurs, lorsqu'ils se tiennent debout sur la plage.

Au total, 14 scénarios réalisables visant à réduire les niveaux de NCl3 dans la zone de respiration ont été simulés et comparés au cas de référence. Ils pourraient tous être mis en oeuvre bien que certains d'entre eux nécessitent des modifications substantielles au système CVCA existant. Quatre de ces scénarios ont ensuite été choisis en fonction de leur capacité à réduire le NCl3. Les taux d'évaporation de l'eau ainsi que le confort thermique ont été étudiés puis comparés au cas de référence.

Les résultats numériques montrent que les recommandations minimales de l'ASHRAE ne sont pas suffisantes pour réduire significativement l'accumulation et la stratification du NCl3 dans les zones respiratoires inférieures. En outre, la recirculation d’air affecte principalement les zones respiratoires des occupants debout sur la plage et celle des sauveteurs, mais a un impact plus faible sur les zones respiratoires des nageurs ou des personnes assises sur la plage. L'élimination de la recirculation ne garantit donc pas une meilleure qualité de l'air en ce qui concerne la concentration de NCl3 dans ces zones respiratoires.

Les résultats montrent que la position des grilles d’extraction basse affecte le mouvement de l'air au-dessus de la surface de l'eau, entraînant soit une accumulation indésirable, soit une réduction du NCl3. Les résultats démontrent aussi l'importance d'une évaluation numérique des flux d'air dans l'enceinte d'une piscine et en particulier au-dessus de l'eau et de la plage avant de planifier la position de ces grilles d'extraction basse.

Les résultats montrent également que l'ajout de grilles d'extraction d'air au niveau de la plage, lorsque positionnées de façon optimale, permet de réduire le NCl3 dans toutes les zones de respiration (inférieures et supérieures) sans impact négatif sur le confort thermique et avec seulement une légère augmentation du taux d'évaporation de l'eau. Cette stratégie de ventilation combinée, soit la ventilation par dilution (avec l'extraction supérieure) et l'extraction basse, est une méthode prometteuse si ces grilles d’extraction sont positionnées de manière optimale par rapport à la configuration du flux d'air dans une enceinte de piscine. Les résultats obtenus pour le complexe étudié peuvent être utilisés pour guider des recherches similaires dans d'autres centres aquatiques ainsi que pour le développement continu des codes de construction et des normes de qualité de l'air.

Titre traduit

Impact of ventilation strategies in an indoor swimming pool enclosure on nitrogen trichloride concentration, water evaporation and thermal comfort

Résumé traduit

Nitrogen trichloride (NCl3), also called trichloramine, is a disinfection by-product commonly found in the water and air of indoor swimming pools, that forms in swimming pool water due to a reaction between chlorine and bodily fluids (like sweat and urine) brought in the water by bathers. This gas is associated with chronic diseases such as asthma, and often causes eye and skin irritation. Due to its higher density than air, NCl3 tends to accumulate close to the water surface and above the deck. It easily becomes airborne when water is agitated and can impair lung functions and cause illnesses such as asthma and bronchitis in workers and bathers, when inhaled.

Mixing ventilation is the main ventilation strategy used in aquatic centers to maintain the NCl3 concentrations at an acceptable level. This ventilation strategy aims at diluting any contaminant in the air to reduce its concentration before the air is extracted and exhausted. However, swimming pool halls are known to be significantly energy-intensive, thanks for a large part to water evaporation from the basin that needs to be replaced and heated. Consequently, building codes recommend maintaining a low airspeed above the pool and deck to minimize evaporation and to ensure swimmers’ thermal comfort. Since NCl3 tends to accumulate at the water surface and above the deck, ASHRAE’s recommendations are to add lower extraction vents to capture it. However, no guideline is found in literature on the number of vents, their position in the enclosure or their minimum airflow rate. Also, sufficient air movement in the occupied zone and near the water and deck surfaces are required to move these heavier than air molecules. However, this airflow may cause an unwanted increase of water evaporation or unwanted discomfort for bathers. Both parameters can negatively impact the management of an indoor swimming pool enclosure.

This thesis carries out a numerical investigation of the impacts of ventilation strategies on NCl3 concentrations in the air of a swimming pool enclosure in Montreal (Canada). More specifically, the outdoor air intake, thus the recirculation of air, the number of air changes per hour and the addition of extraction vents at deck level are investigated for this particular swimming pool enclosure. The modifications (parameters and strategies) that show the most interesting results in terms of NCl3 reduction are then investigated for their impact on the water evaporation rate from the pool surface and on thermal comfort of bathers, as they are standing on the deck.

A total of 14 scenarios aiming at reducing NCl3 levels in the breathing zone were simulated and compared to the reference case. They all could potentially be implemented in the swimming pool hall, although some will require more modifications to the existing HVAC system. Then four of these scenarios were chosen, based on their capacity in reducing NCl3, and water evaporation rates and thermal comfort were investigated and compared to the reference case.

Results show that the minimum recommendations by ASHRAE are not sufficient to eliminate NCl3 accumulation and stratification in the lower breathing zones. Moreover, air recirculation mostly affects the breathing zones of standing occupants on decks and of lifeguards, but has a smaller impact on the breathing zones of swimmers or people sitting on the deck. Eliminating air recirculation does not guarantee better air quality in terms of NCl3 in these breathing zones.

Results also show that the position of these vents affects the air movement above the water surface, causing either unwanted accumulation or reduction of NCl3. The results also demonstrate the importance of a numerical assessment of the airflow patterns in a pool enclosure and especially above the water and deck before planning the position of these deck level extraction vents.

The present findings also show that adding deck-level air exhaustion vents allow NCl3 reduction in all breathing zones (lower and higher) without negatively impacting thermal comfort and with only a slight increase in the water evaporation rate. This combined ventilation strategy, mixing ventilation (with upper extraction) and deck-level extraction offers a promising method if these deck level vents are positioned in an optimal way in regard to the airflow pattern in a swimming pool enclosure. The findings for the complex under study may be used to guide similar research in other aquatic centers and for the continuous development of building codes and air quality standards.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse par articles présentée à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 167-174).
Mots-clés libres:	piscine intérieure, trichloramine, confort thermique, évaporation de l’eau, CFD
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Hallé, Stéphane
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	01 févr. 2024 18:36
Dernière modification:	01 févr. 2024 18:36
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3354

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