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I ricercatori dell’EPFL hanno sviluppato un metodo che utilizza l’intelligenza artificiale per progettare compressori a pompa di calore di nuova generazione. Il loro metodo può ridurre il fabbisogno energetico delle pompe di circa il 25%.

In Svizzera, il 50 – 60% delle nuove abitazioni sono dotate di pompe di calore, questi sistemi assorbono energia termica dall’ambiente circostante, ad esempio dal suolo, dall’aria o da un vicino lago o fiume, e la trasformano in calore per gli edifici.

Le pompe di calore odierne generalmente mentre funzionano bene e sono rispettose dell’ambiente, hanno ancora notevoli margini di miglioramento, ad esempio, utilizzando i microturbocom-pressori invece dei convenzionali sistemi di compressione, gli ingegneri possono ridurre il fabbisogno energetico delle pompe di calore del 20-25% e il loro impatto sull’ambiente, questo perché i turbocompressori sono più efficienti e dieci volte più piccoli dei dispositivi a pistone, ma incorporare questi mini componenti nei progetti di pompe di calore non è facile, le complicazioni derivano dai minuscoli diametri (<20 mm) e dalle velocità di rotazione elevate (> 200.000 rpm – giri al minuto).

Il team di ricercatori di Jürg Schiffmann presso il laboratorio per la progettazione meccanica applicata EPFL nel campus Microcity, composto da Violette Mounier e Cyril Picard, ha sviluppato un metodo che rende più semplice e veloce l’aggiunta di turbocompressori alle pompe di calore. I ricercatori utilizzando un processo di apprendimento automatico chiamato regressione simbolica, hanno elaborato semplici equazioni per calcolare rapidamente le dimensioni ottimali di un turbocompressore per una determinata pompa di calore. La loro ricerca ha appena vinto il Best Paper Award al 2019 Turbo Expo Conference tenuto dall’American Society of Mechanical Engineers.

1.500 volte più veloce

Il metodo dei ricercatori semplifica notevolmente il primo passo nella progettazione dei turbocompressori, questa fase – che consiste nel calcolare approssimativamente le dimensioni e la velocità di rotazione ideale per la pompa di calore desiderata – è determinante perché una buona stima iniziale può ridurre notevolmente i tempi complessivi di progettazione.

Gli ingegneri fino ad ora, hanno utilizzato i diagrammi di progettazione per dimensionare i turbocompressori – ma questi diagrammi diventano sempre più imprecisi quanto più piccola è la strumentazione.

I diagrammi non sono stati aggiornati con la tecnologia più recente, ecco perché Violette Mounier (ricerca in ingegneria meccanica) e Cyril Picard (ricerca in termodinamica, ingegneria meccanica e algoritmi) presso l’EPFL, hanno lavorato allo sviluppo di un’alternativa. Hanno inserito i risultati di 500.000 simulazioni in algoritmi di apprendimento automatico e hanno generato equazioni che replicano i grafici, ma con diversi vantaggi: sono affidabili anche con turbocompressori di piccole dimensioni, sono dettagliati anche con le simulazioni più complicate e sono 1.500 volte più veloci.

Il metodo dei ricercatori consente inoltre agli ingegneri di saltare alcune delle fasi dei processi di progettazione convenzionali, apre la strada a una più facile implementazione e a un uso più diffuso dei microturbocompressori nelle pompe di calore.

I vantaggi dei microturbocompressori

Le pompe di calore convenzionali utilizzano i pistoni per comprimere un fluido, chiamato refrigerante, e attivare un ciclo di compressione del vapore. I pistoni devono essere ben oliati per funzionare correttamente, ma l’olio può aderire alle pareti dello scambiatore di calore e ostacolare il processo di trasferimento del calore. Tuttavia, i microturbocompressori – che hanno un diametro di poche decine di millimetri – possono funzionare senza olio ruotando su cuscinetti a gas a velocità di centinaia di migliaia di giri/min.

Il movimento rotatorio e gli strati di gas tra i componenti fanno sì che non ci sia quasi nessun attrito, di conseguenza, questi sistemi in miniatura possono aumentare del 20-30% i coefficienti di scambio termico delle pompe di calore.

La tecnologia di microturbocompressore è in fase di sviluppo da diversi anni ed è ormai matura. Jürg Schiffmann in conclusione ha detto:

«Siamo già stati avvicinati da diverse aziende interessate a utilizzare il nostro metodo, grazie al lavoro dei ricercatori avranno un periodo più agevole da dedicare all’integrazione della tecnologia dei microturbocompressore nelle loro pompe di calore».