In Zwitserland, 50 tot 60 procent van de nieuwe woningen is uitgerust met warmtepompen. Deze systemen halen thermische energie uit de omgeving, zoals uit de grond, lucht, of een nabijgelegen meer of rivier - en verander het in warmte voor gebouwen.

Hoewel de huidige warmtepompen over het algemeen goed werken en milieuvriendelijk zijn, ze hebben nog aanzienlijke ruimte voor verbetering. Bijvoorbeeld, door gebruik te maken van microturbocompressoren in plaats van conventionele compressiesystemen, ingenieurs kunnen het energieverbruik van warmtepompen met 20 tot 25 procent verminderen (zie kader) en hun impact op het milieu. Dat komt omdat turbocompressoren efficiënter en tien keer kleiner zijn dan pistonapparaten. Maar het is niet eenvoudig om deze minicomponenten in de ontwerpen van warmtepompen op te nemen; complicaties komen voort uit hun kleine diameters ( <20 mm) en hoge rotatiesnelheden (groter dan 200, 000 tpm).

Bij EPFL's Laboratory for Applied Mechanical Design op de Microcity-campus, een team van onderzoekers onder leiding van Jürg Schiffmann heeft een methode ontwikkeld die het toevoegen van turbocompressoren aan warmtepompen eenvoudiger en sneller maakt. Met behulp van een machine-leerproces genaamd symbolische regressie, de onderzoekers kwamen met eenvoudige vergelijkingen om snel de optimale afmetingen van een turbocompressor voor een bepaalde warmtepomp te berekenen. Hun onderzoek heeft zojuist de Best Paper Award gewonnen op de Turbo Expo Conference 2019 van de American Society of Mechanical Engineers.

1, 500 keer sneller

De methode van de onderzoekers vereenvoudigt de eerste stap in het ontwerpen van turboladers drastisch. Deze stap, waarbij het gaat om het grofweg berekenen van de ideale grootte en rotatiesnelheid voor de gewenste warmtepomp, is van groot belang omdat een goede initiële inschatting de totale ontwerptijd aanzienlijk kan verkorten. Tot nu, ingenieurs hebben ontwerptabellen gebruikt om hun turbocompressoren te dimensioneren, maar deze grafieken worden steeds onnauwkeuriger naarmate de apparatuur kleiner is. En de grafieken zijn niet up-to-date gehouden met de nieuwste technologie.

Dat is de reden waarom twee EPFL Ph.D. studenten - Violette Mounier en Cyril Picard - werkten aan het ontwikkelen van een alternatief. Ze voedden de resultaten van 500, 000 simulaties in algoritmen voor machine learning en gegenereerde vergelijkingen die de grafieken repliceren, maar met verschillende voordelen:ze zijn betrouwbaar, zelfs bij kleine turbocompressoren; ze zijn net zo gedetailleerd als meer gecompliceerde simulaties; en ze zijn 1, 500 keer sneller. De methode van de onderzoekers laat ingenieurs ook enkele stappen in conventionele ontwerpprocessen overslaan. Het maakt de weg vrij voor een eenvoudigere implementatie en een wijdverbreid gebruik van microturboladers in warmtepompen.

De voordelen van microturbocompressoren

Conventionele warmtepompen gebruiken zuigers om een ​​vloeistof te comprimeren, een koelmiddel genoemd, en een dampcompressiecyclus aandrijven. De zuigers moeten goed geolied zijn om goed te kunnen functioneren, maar de olie kan aan de wanden van de warmtewisselaar blijven kleven en het warmteoverdrachtsproces belemmeren. Echter, microturbocompressoren - met een diameter van slechts enkele tientallen millimeters - kunnen zonder olie werken; ze draaien op gaslagers met snelheden van honderdduizenden toeren per minuut. Door de roterende beweging en gaslagen tussen de componenten is er bijna geen wrijving. Als resultaat, deze miniatuursystemen kunnen de warmteoverdrachtscoëfficiënten van warmtepompen met 20 tot 30 procent verhogen.

Deze microturbo-technologie is al enkele jaren in ontwikkeling en is nu volwassen. "We zijn al benaderd door verschillende bedrijven die geïnteresseerd zijn in het gebruik van onze methode, ", zegt Schiffmann. Dankzij het werk van de onderzoekers, bedrijven zullen het gemakkelijker hebben om de microturbocharger-technologie in hun warmtepompen te integreren.