Umělá inteligence pomáhá při návrhu účinnějších kompresorů pro tepelná čerpadla

Tepelná čerpadla se v posledních letech stávají neustále oblíbenější technologií pro vytápění, stále je zde však mnoho prostoru pro jejich zlepšování. Tým švýcarských vědců nyní představil novou metodu, která využívá umělou inteligenci pro návrh účinnějších turbokompresorů.

Přestože tepelná čerpadla v současné době dokáží konkurovat jiným způsobům vytápění, vědci neustále pracují na zvyšování jejich účinnosti. Jedním ze způsobů, jak snížit energetickou náročnost provozu tepelného čerpadla, je náhrada konvenčních pístových kompresorů turbokompresory.

Konvenční tepelná čerpadla využívají ke stlačování chladiva písty. Aby správně fungovaly, musí být dobře naolejované, nicméně olej se dle vědců může nalepit na stěny tepelného výměníku a negativně ovlivnit proces přenosu tepla. Mikroturbokompresory, které mají průměr jen několik desítek milimetrů, však mohou pracovat bez oleje, rotují totiž na plynových ložiskách rychlostí v řádu stovek tisíc otáček za minutu.

Díky plynovým ložiskům nedochází k téměř žádnému tření. Díky tomu tyto systémy mohou podle vědců zvýšit koeficient tepelné výměny o 20 až 30 %. Tato technologie turbokompresorů je ve vývoji již několik let, díky čemuž je nyní vyspělá a připravená ke komerčnímu využití.

Praktické využití malých turbokompresorů však není tak snadné, jak by se na první pohled mohlo zdát. Klíčovým krokem je totiž jejich správný konstrukční návrh, který ztěžují jejich malé průměry (méně než 20 mm) a vysoké rychlosti otáčení (přes 200 tisíc otáček za minutu).

Vědci ze Švýcarského federálního technologického institutu v Lausanne vyvinuli inovativní metodu, která usnadňuje návrh těchto zařízení, a tím i jejich případné začlenění do tepelných čerpadel. Srdcem metody je strojové učení, konkrétně metoda symbolické regrese. To vědcům umožnilo jednoduše a rychle vypočítat optimální rozměry turbokompresorů pro tepelná čerpadla.

„Již jsme byli kontaktováni několika společnostmi, které mají zájem o využití naší metody,“ říká Jürg Schiffmann, vedoucí výzkumného týmu.

1500krát rychlejší než dříve

Inovativní metoda vědcům výrazně zjednodušuje první krok při navrhování konstrukce turbodmychadel. Tento krok zahrnuje hrubý výpočet „optimální“ velikosti a rychlosti otáčení pro požadované tepelné čerpadlo a je nesmírně důležitý, jelikož dobrý počáteční odhad může výrazně zkrátit celkovou dobu návrhu zařízení. Technici pro návrh turbokompresorů běžně využívají grafy, ty jsou však se zmenšujícími se rozměry zařízení stále nepřesnější a neposkytují aktuální informace o nejnovějších technologiích.

Z tohoto důvodu se dva doktorandi, Violette Mounierová a Cyril Picard, rozhodli vyvinout alternativu. S využitím výsledků z 500 tisíc simulací a algoritmů strojového učení se jim podařilo vytvořit rovnice, které nejenže nahrazují grafy, ale přináší několik výhod – podle vědců jsou spolehlivé i pro turbokompresory malých rozměrů, jsou stejně detailní jako složitější simulace a 1500krát rychlejší.

Zdroj úvodní fotografie: epfl.ch