Pompes à chaleur nouvelle génération

Des scientifiques ont mis au point une nouvelle technique faisant appel à l’intelligence artificielle pour développer des compresseurs à pompe à chaleur de nouvelle génération. Cette technique peut réduire de près de 25% la puissance requise par les pompes.

Les pompes à chaleur sont équipées dans environ 50% à 60% des nouveaux logements en Suisse. Ces systèmes aspirent l’énergie thermique de l’environnement ambiant – comme l’air, le sol, une rivière ou un lac adjacent – et la convertissent en chaleur pour les bâtiments.

Bien que les pompes à chaleur existantes fonctionnent généralement bien et soient respectueuses de l’environnement, elles peuvent encore être considérablement améliorées. Par exemple, les ingénieurs peuvent utiliser des microt-urbocompresseurs à la place des systèmes de compression traditionnels pour minimiser la consommation électrique des pompes à chaleur de 20% à 25%, ainsi que leur influence sur l’environnement.

Cela est dû au fait que les turbocompresseurs sont très efficaces et 10 fois plus petits que les appareils à piston. Cependant, l’intégration de ces mini-composants dans la conception des pompes à chaleur n’est pas simple; des problèmes se posent du fait de leurs très petits diamètres inférieurs à 20 mm et de leurs vitesses de rotation rapides supérieures à 200 000 tr / min.

Une équipe de recherche du laboratoire de conception mécanique appliquée de l’EPFL sur le campus Microcity a été dirigée par Jürg Schiffmann pour développer une technique permettant d’incorporer les turbocompresseurs aux pompes à chaleur de manière simple et rapide.

Les chercheurs ont utilisé une méthode d’apprentissage automatique appelée régression symbolique pour développer des équations simples permettant de calculer rapidement les dimensions idéales d’un turbocompresseur pour une pompe à chaleur spécifiée. Récemment, leur étude a remporté le prix du meilleur article lors de la conférence Turbo Expo 2019 organisée par l’American Society of Mechanical Engineers.

1500 fois plus vite

La technique mise au point par l’équipe de recherche simplifie considérablement la première étape du développement des turbocompresseurs. Dans cette étape, la taille et la vitesse de rotation optimales pour la pompe à chaleur prévue sont calculées approximativement. Cette étape est cruciale car une bonne estimation initiale peut réduire considérablement le temps de conception global.

À ce jour, les ingénieurs ont utilisé des tableaux de calcul pour dimensionner les turbocompresseurs; Cependant, ces graphiques s’avèrent très imprécis si la taille de l’équipement est plus petite. De plus, les cartes n’ont pas été mises à jour selon les dernières technologies.

Violette Mounier et Cyril Picard, doctorants de l’EPFL, ont donc travaillé à la création d’une alternative. Ils ont alimenté des algorithmes d’apprentissage automatique avec les résultats de 500 000 simulations et créé des équations reproduisant les diagrammes, mais avec divers avantages: elles sont fiables même pour des turbocompresseurs de plus petite taille; elles sont aussi détaillées que des simulations plus complexes et sont 1500 fois plus rapides.

La technique mise au point par l’équipe permet également aux ingénieurs de sauter quelques étapes dans les méthodes de conception traditionnelles. Il ouvre la porte à une exécution plus facile et à une application plus étendue des micro-turbocompresseurs dans les pompes à chaleur.

Les avantages des microturbocompresseurs

Dans les pompes à chaleur traditionnelles, les pistons servent à comprimer un fluide appelé réfrigérant et à faire avancer un cycle de compression de vapeur. Il est nécessaire que les pistons bien lubrifiés fonctionnent correctement ; Cependant, l’huile peut adhérer aux parois de l’échangeur de chaleur et entraver le processus de transfert de chaleur.

Cependant, les microturbocompresseurs d’un diamètre de quelques dizaines de millimètres peuvent fonctionner même sans huile; ils tournent sur des roulements à gaz à des vitesses de plusieurs centaines de milliers de rotations par minute. Les couches de gaz et le mouvement de rotation entre les composants indiquent que le frottement est presque nul. En conséquence, ces systèmes miniatures ont la capacité d’améliorer les coefficients de transfert de chaleur des pompes à chaleur de 20% à 30%.

Cette technologie de micro-turbocompresseur est en développement depuis de nombreuses années et est maintenant pleinement développée.