Étude en soufflerie de l’effet des bâtiments adjacents sur la dispersion en champ proche des émissions polluantes de cheminées de toit

Click here for the English version of this report La dispersion des polluants des émissions de cheminées de toit dans la couche limite est fortement influencée par la présence de bâtiments avoisinants et la topographie locale. Il est donc très difficile d’évaluer précisément les concentrations dans le panache sur différentes surfaces de bâtiments. Les polluants émis par une cheminée de toit peuvent présenter des risques pour la santé des occupants des bâtiments s’ils se réintroduisent dans le bâtiment duquel ils émanent ou s’ils pénètrent dans un bâtiment voisin par des ouvertures se trouvant sur différentes surfaces de bâtiments. La plupart des études réalisées par le passé ont porté sur les émissions de cheminées de toit de bâtiments isolés, tels qu’on en trouve rarement en milieu urbain. La majorité des modèles de dispersion restent incapables de fournir des estimations de dilution raisonnables sur les surfaces de bâtiments, et ils ne tiennent pas compte des effets liés à la présence de bâtiments adjacents. Par conséquent, il s’avère nécessaire de développer un nouveau modèle ou de modifier un modèle existant pour prendre en compte les effets de la dispersion des effluents et pour évaluer précisément l’impact des bâtiments qui se trouvent dans le voisinage immédiat de la source de polluants. Afin d’aborder cette question, un programme de recherche coopérative axé sur la modélisation numérique et expérimentale a été mis sur pied entre l’Université Concordia et l’IRSST. Ce rapport présente les résultats expérimentaux, alors que les résultats numériques sont publiés dans un rapport complémentaire (Bahloul et al., 2014). La modélisation expérimentale a été effectuée au moyen d’études au gaz traceur pour différentes configurations de bâtiments adjacents dans la soufflerie à couche limite de l’Université Concordia. Ces configurations intégraient des bâtiments de géométrie différente en amont (ou en aval) du bâtiment émetteur (source). Une configuration comprenant un bâtiment placé en amont et un autre placé en aval de la source a également été étudiée. Aux fins de l’étude, différents paramètres ont été modulés, à savoir les dimensions des bâtiments, l’espacement entre les bâtiments, la hauteur et l’emplacement de la cheminée, les paramètres d’émission et l’azimut du vecteur vent. Les résultats obtenus ont ensuite été comparés aux modèles de type gaussien de l’ASHRAE (2007 et 2011). Les données de soufflerie indiquent que les dilutions sont moindres sur le toit d’un bâtiment émetteur se trouvant à une distance inférieure à la longueur de la zone de recirculation d’un bâtiment plus élevé en amont. Par ailleurs, la présence de bâtiments plus élevés en aval empêche le panache de se disperser, ce qui a pour effet d’accroître les concentrations dans le panache sur le toit et sur le mur sous le vent du bâtiment émetteur. L’espacement entre les bâtiments et la vitesse d’évacuation se sont généralement révélés être des paramètres influant de façon marquée sur les caractéristiques du panache. Des lignes directrices sur l’implantation sécuritaire de cheminées et de prises d’air sur différentes surfaces de bâtiments sont également présentées sur la base des données expérimentales. Les prévisions d’ASHRAE 2007 sont trop prudentes, tandis que celles d’ASHRAE 2011 concordent bien avec les données de soufflerie dans le cas d’un bâtiment isolé et de facteurs d’impulsion (M) inférieurs à 3. Des rectifications ont été apportées au modèle d’ASHRAE 2007 pour obtenir des estimations de dilution raisonnables dans le cas d’un bâtiment isolé, outre la prise en compte des effets liés à la présence de bâtiments adjacents. Le modèle rectifié de l’ASHRAE (2007) s’est révélé fiable dans la plupart des cas comparativement aux résultats de la présente étude et d’études antérieures. Abstract The dispersion of pollutants from rooftop emissions within the boundary layer is greatly influenced by buildings and local topography. It is thus very difficult to make accurate assessments of plume concentrations on various building surfaces. Pollutants released from a rooftop stack can cause potential health hazards to building occupants by re-entering the building from which they are released or by entering a neighbouring building through openings on building surfaces. Most studies in the past have focussed on rooftop emissions from isolated buildings, which seldom exist in the urban environment. A majority of dispersion models are incapable of providing reasonable dilution estimates on building surfaces and do not incorporate the effect of adjacent buildings. Therefore, there is a need to develop a new model or modify an existing model to take into account the effects of dispersion of effluents and focus on the impact of buildings that are in close proximity with the source of pollutants. To address this issue, a collaborative research program between Concordia University and IRSST was elaborated relying on both experimental and numerical modeling. This report presents the experimental findings while the numerical findings are published in a companion report (Bahloul et al. 2014). The experimental modeling consisted of performing tracer gas studies in the Boundary Layer Wind Tunnel at Concordia University for various adjacent building configurations. These configurations include buildings of different geometries placed upstream (or downstream) of the emitting building (source). Another configuration consisting of a building placed upstream and another building placed downstream of the source was also studied. In this regard, various parameters that include: building dimensions, spacing between buildings, stack height and location; exhaust parameters and wind azimuth were varied. These results were compared to the Gaussian based ASHRAE 2007 and 2011 models. Results from the wind tunnel data indicate that an emitting building placed within the recirculation length of a taller upstream building produces lower dilutions on the roof of the emitting building. Similarly, taller downstream buildings disallow the plume from spreading thereby increasing plume concentrations on the roof and leeward wall of the emitting building. In general, spacing between buildings and exhaust speed were found to be critical parameters influencing the plume characteristics. Based on the experimental data, design guidelines for the safe placement of stack and intake on various building surfaces are also presented. ASHRAE 2007 predictions are overly conservative, while ASHRAE 2011 predictions compare well with wind tunnel data for the isolated building for low exhaust momentum ratios (M) of less than 3. Rectifications to the ASHRAE 2007 model are also presented to obtain reasonable dilution estimates for the isolated case, besides incorporating the effects of adjacent buildings. The rectified ASHRAE 2007 model was found to perform well for most cases when compared to results obtained from present and previous studies.

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