AI-designede varmepumper bruger mindre energi

I Schweiz, 50 til 60 procent af nye boliger er udstyret med varmepumper. Disse systemer trækker termisk energi fra det omgivende miljø - såsom fra jorden, luft, eller en nærliggende sø eller flod - og gør det til varme til bygninger.

Mens nutidens varmepumper generelt fungerer godt og er miljøvenlige, de har stadig betydelig plads til forbedringer. For eksempel, ved at bruge mikroturbokompressorer i stedet for konventionelle kompressionssystemer, ingeniører kan reducere varmepumpernes effektbehov med 20 til 25 procent (se indsat) samt deres indvirkning på miljøet. Det skyldes, at turbokompressorer er mere effektive og ti gange mindre end stempelanordninger. Men at inkorporere disse minikomponenter i varmepumpers design er ikke let; komplikationer opstår fra deres små diametre ( <20 mm) og hurtige rotationshastigheder (større end 200, 000 rpm).

På EPFL's Laboratory for Applied Mechanical Design på Microcity campus, et team af forskere ledet af Jürg Schiffmann har udviklet en metode, der gør det nemmere og hurtigere at tilføje turbokompressorer til varmepumper. Ved at bruge en maskinlæringsproces kaldet symbolsk regression, forskerne kom med enkle ligninger til hurtigt at beregne de optimale dimensioner af en turbokompressor til en given varmepumpe. Deres forskning har netop vundet prisen for bedste papir på Turbo Expo-konferencen 2019 afholdt af American Society of Mechanical Engineers.

1, 500 gange hurtigere

Forskernes metode forenkler drastisk det første trin i design af turboladere. Dette trin - som involverer groft beregning af den ideelle størrelse og rotationshastighed for den ønskede varmepumpe - er ekstremt vigtigt, fordi et godt indledende estimat kan forkorte den samlede designtid betydeligt. Indtil nu, ingeniører har brugt designdiagrammer til at dimensionere deres turbokompressorer - men disse diagrammer bliver mere og mere unøjagtige, jo mindre udstyret er. Og hitlisterne har ikke holdt sig ajour med den nyeste teknologi.

Derfor er to EPFL Ph.D. studerende – Violette Mounier og Cyril Picard – arbejdede på at udvikle et alternativ. De fodrede resultaterne af 500, 000 simuleringer til maskinlæringsalgoritmer og genererede ligninger, der replikerer diagrammerne, men med flere fordele:de er pålidelige selv ved små turbokompressorstørrelser; de er lige så detaljerede som mere komplicerede simuleringer; og de er 1, 500 gange hurtigere. Forskernes metode lader også ingeniører springe nogle af trinene i konventionelle designprocesser over. Det baner vejen for lettere implementering og mere udbredt brug af mikroturboladere i varmepumper.

Fordelene ved mikroturbokompressorer

Konventionelle varmepumper bruger stempler til at komprimere en væske, kaldet kølemiddel, og køre en dampkompressionscyklus. Stemplerne skal være velsmurte for at fungere korrekt, men olien kan klæbe til varmevekslerens vægge og forringer varmeoverførselsprocessen. Imidlertid, mikroturbokompressorer - som har diametre på blot et par dusin millimeter - kan køre uden olie; de roterer på gaslejer med hastigheder på hundredtusindvis af rpm. Den roterende bevægelse og gaslagene mellem komponenterne betyder, at der næsten ikke er friktion. Som resultat, disse miniaturesystemer kan øge varmepumpernes varmeoverførselskoefficienter med 20 til 30 procent.

Denne mikroturboladerteknologi har været under udvikling i flere år og er nu moden. "Vi er allerede blevet kontaktet af flere virksomheder, der er interesserede i at bruge vores metode, " siger Schiffmann. Takket være forskernes arbejde, virksomheder vil have lettere ved at inkorporere mikroturboladerteknologien i deres varmepumper.