I Schweiz, 50 till 60 procent av nya bostäder är utrustade med värmepumpar. Dessa system drar in värmeenergi från den omgivande miljön – som från marken, luft, eller en närliggande sjö eller flod – och förvandla den till värme för byggnader.

Medan dagens värmepumpar generellt sett fungerar bra och är miljövänliga, de har fortfarande stort utrymme för förbättringar. Till exempel, genom att använda mikroturbokompressorer istället för konventionella kompressionssystem, ingenjörer kan minska värmepumparnas effektbehov med 20 till 25 procent (se inlägg) samt deras påverkan på miljön. Det beror på att turbokompressorer är mer effektiva och tio gånger mindre än kolvenheter. Men att införliva dessa minikomponenter i värmepumparnas design är inte lätt; komplikationer uppstår från deras små diametrar ( <20 mm) och snabba rotationshastigheter (över 200, 000 rpm).

Vid EPFL:s laboratorium för tillämpad mekanisk design på Microcity campus, ett team av forskare under ledning av Jürg Schiffmann har utvecklat en metod som gör det enklare och snabbare att lägga till turbokompressorer i värmepumpar. Med hjälp av en maskininlärningsprocess som kallas symbolisk regression, forskarna kom på enkla ekvationer för att snabbt beräkna de optimala dimensionerna på en turbokompressor för en given värmepump. Deras forskning vann just priset för bästa papper vid 2019 års Turbo Expo-konferens som hölls av American Society of Mechanical Engineers.

1, 500 gånger snabbare

Forskarnas metod förenklar drastiskt det första steget i att designa turboladdare. Detta steg – som innebär att grovt beräkna den ideala storleken och rotationshastigheten för den önskade värmepumpen – är extremt viktigt eftersom en bra initial uppskattning avsevärt kan förkorta den totala designtiden. Tills nu, ingenjörer har använt designdiagram för att dimensionera sina turbokompressorer – men dessa diagram blir allt mer felaktiga ju mindre utrustningen är. Och diagrammen har inte hållit sig uppdaterade med den senaste tekniken.

Det är därför två EPFL Ph.D. studenter – Violette Mounier och Cyril Picard – arbetade med att utveckla ett alternativ. De matade resultaten av 500, 000 simuleringar till maskininlärningsalgoritmer och genererade ekvationer som replikerar diagrammen men med flera fördelar:de är tillförlitliga även vid små turbokompressorstorlekar; de är lika detaljerade som mer komplicerade simuleringar; och de är 1, 500 gånger snabbare. Forskarnas metod låter även ingenjörer hoppa över några av stegen i konventionella designprocesser. Det banar väg för enklare implementering och mer utbredd användning av mikroturboladdare i värmepumpar.

Fördelarna med mikroturbokompressorer

Konventionella värmepumpar använder kolvar för att komprimera en vätska, kallas köldmedium, och kör en ångkompressionscykel. Kolvarna måste vara väloljade för att fungera korrekt, men oljan kan fastna på värmeväxlarens väggar och försämra värmeöverföringsprocessen. Dock, mikroturbokompressorer – som har diametrar på bara några dussin millimeter – kan köras utan olja; de roterar på gaslager med hastigheter på hundratusentals rpm. Den roterande rörelsen och gaslagren mellan komponenterna gör att det nästan inte finns någon friktion. Som ett resultat, dessa miniatyrsystem kan öka värmepumparnas värmeöverföringskoefficienter med 20 till 30 procent.

Denna mikroturboladdarteknologi har varit under utveckling i flera år och är nu mogen. "Vi har redan blivit kontaktade av flera företag som är intresserade av att använda vår metod, " säger Schiffmann. Tack vare forskarnas arbete, företag kommer att ha lättare att införliva mikroturboladdarteknologin i sina värmepumpar.