EPFL的研究人员开发了一种利用人工智能设计下一代热泵压缩机的方法。他们的方法可以将泵的功率需求降低约25%。
在瑞士，50-60%的新房配备了热泵。这些系统从周围环境吸收热能 - 例如来自地面，空气或附近的湖泊或河流 - 并将其转化为建筑物的热量。
虽然今天的热泵通常运行良好且环保，但它们仍有很大的改进空间。例如，通过使用微型涡轮压缩机代替传统的压缩系统，工程师可以将热泵的功率需求降低20-25%(见插图)以及它们对环境的影响。这是因为涡轮压缩机效率更高，比活塞装置小十倍。但是将这些迷你组件整合到热泵的设计中并不容易; 它们的微小直径(<20 mm)和快速转速(> 200,000 rpm)引起并发症。
在EPFL的Microcity园区应用机械设计实验室，由JürgSchiffmann领导的一个研究小组已经开发出一种方法，可以更容易，更快地将涡轮压缩机添加到热泵中。使用称为符号回归的机器学习过程，研究人员提出了简单的方程式，用于快速计算给定热泵的涡轮压缩机的最佳尺寸。他们的研究刚刚在美国机械工程师协会举办的2019年涡轮博览会上获得最佳论文奖。
快了1500倍
研究人员的方法大大简化了设计涡轮增压器的第一步。这一步骤 - 包括粗略计算所需热泵的理想尺寸和转速 - 非常重要，因为良好的初始估算可以大大缩短整体设计时间。到目前为止，工程师们一直在使用设计图表来调整涡轮压缩机的尺寸 - 但是这些图表越小，设备就越小。图表并没有跟上最新技术的发展。
这就是为什么两位EPFL博士生--Violette Mounier和Cyril Picard - 致力于开发替代品。他们将500,000次模拟的结果输入到机器学习算法中并生成了复制图表的方程式，但具有以下几个优点：即使在小型涡轮压缩机尺寸下它们也是可靠的。它们与更复杂的模拟一样详细; 它们的速度提高了1500倍。研究人员的方法还允许工程师跳过传统设计过程中的一些步骤。它为在热泵中更容易实施和更广泛地使用微型涡轮增压器铺平了道路。
微型压缩机的好处
传统的热泵使用活塞来压缩称为制冷剂的流体，并驱动蒸汽压缩循环。活塞需要充分润滑才能正常工作，但油会粘在热交换器壁上并损害热传递过程。然而，微型压缩机 - 直径只有几十毫米 - 可以在没有油的情况下运行; 它们以数十万转的速度在气体轴承上旋转。组件之间的旋转运动和气体层意味着几乎没有摩擦。因此，这些微型系统可以将热泵的传热系数提高20-30%。
这种微型涡轮增压器技术已经开发了几年，现在已经成熟。“我们已经与几家有兴趣使用我们方法的公司联系过，”Schiffmann说。由于研究人员的工作，公司将更容易将微型涡轮增压器技术融入他们的热泵。