Mit künstlicher Intelligenz Wärmepumpen optimieren

Forscher der EPFL haben eine Methode entwickelt, die künstliche Intelligenz nutzt, um Wärmepumpenverdichter der nächsten Generation zu entwickeln. Durch das neue Verfahren kann der Leistungsbedarf der Pumpen um rund 25 Prozent gesenkt werden.
Text: Laura-Anne Pessina

In der Schweiz werden 50 – 60 Prozent der neuen Häuser mit Wärmepumpen ausgestattet. Diese Systeme beziehen Wärmeenergie aus der Umgebung – zum Beispiel aus dem Boden, der Luft oder einem nahegelegenen See – und wandeln sie in Wärme für Gebäude um.

Obwohl die heutigen Wärmepumpen im Allgemeinen gut funktionieren und umweltfreundlich sind, besitzen sie noch weiteres Verbesserungspotenzial. Durch den Einsatz von Mikro-Turboverdichtern, anstelle herkömmlicher Verdichtungssysteme, könnten die Hersteller beispielsweise den Energiebedarf von Wärmepumpen um 20 – 25 Prozent (siehe Box) und deren Auswirkungen auf die Umwelt reduzieren. Denn Turbokompressoren sind effizienter und zehnmal kleiner als Kolbengeräte. Die Integration dieser Minikomponenten in das Design von Wärmepumpen ist jedoch nicht einfach; die Herausforderungen dabei sind der winzige Durchmesser (<20 mm) und die hohen Drehzahlen (>200’000 U/min).

DerDoktorand Cyril Picard und Jürg Schiffmann, Leiter des Forschungsteams im Campus Microcity, Neuenburg. Foto: Alain Herzog / 2019 EPFL
Der Doktorand Cyril Picard und Jürg Schiffmann, Leiter des Forschungsteams im Campus Microcity, Neuenburg. Foto: Alain Herzog / 2019 EPFL

Im EPFL-Labor für Angewandte Mechanische Konstruktion (Laboratory for Applied Mechanical Design/LAMD) hat ein Forscherteam unter der Leitung von Jürg Schiffmann, ein Verfahren entwickelt, das es einfacher und schneller macht, Turbokompressoren in Wärmepumpen zu integrieren. Mit einem maschinellen Lernprozess, der «Symbolische Regression» genannt wird, entwickelten die Forscher einfache Gleichungen, um schnell die optimalen Abmessungen eines Turboverdichters für eine bestimmte Wärmepumpe zu berechnen. Ihre Forschung gewann vor Kurzem den Best Paper Award an der Turbo Expo Conference 2019 der American Society of Mechanical Engineers.

1’500 Mal schneller
Mit der Methode der Forscher wird der erste Schritt beim Design von Turboladern drastisch vereinfacht. Dieser Schritt – bei dem die ideale Grösse und Drehzahl für die gewünschte Wärmepumpe grob berechnet wird – ist äusserst wichtig. So kann eine verlässliche erste Prognose die gesamte Planungszeit erheblich verkürzen. Bisher haben die Produktentwickler ihre Turbokompressoren mit Hilfe von Konstruktionsplänen bemessen – aber diese Pläne werden immer ungenauer, je kleiner die Anlagen sind. Auch sind die Konstruktionspläne nicht immer auf dem neuesten Stand der Technik.

Aus diesem Grund arbeiteten zwei Doktoranden der EPFL, Violette Mounier und Cyril Picard, an der Entwicklung einer Alternative. Sie speisten die Ergebnisse von 500’000 Simulationen in maschinelle Lernalgorithmen ein und generierten Berechnungen, welche die Konstruktionspläne nachbilden. Dabei gibt es verschiedene Vorteile: Sie sind selbst bei kleinen Turboverdichtern zuverlässig, sie sind genauso detailliert wie kompliziertere Simulationen und sie sind 1’500 Mal schneller. Die Methode der Forscher ermöglicht es den Ingenieuren auch, einige der Schritte in herkömmlichen Konstruktionsprozessen zu überspringen. Sie ebnet den Weg für eine einfachere Implementierung und einen breiteren Einsatz von Mikroturboladern in Wärmepumpen.

Vorteile von Micro-Turbo-Kompressoren

Herkömmliche Wärmepumpen verwenden Kolben, um ein Fluid, das Kältemittel, zu verdichten und einen Dampfverdichtungszyklus anzutreiben. Für eine einwandfreie Funktion müssen die Kolben gut geölt sein, aber das Öl kann an den Wänden der Wärmetauscher haften bleiben und den Vorgang der Wärmeübertragung beeinträchtigen. Mikroturboverdichter mit Durchmessern von nur wenigen Dutzend Millimetern können jedoch ohne Öl laufen; sie rotieren auf Gaslagern mit Drehzahlen von Hunderttausenden von U/min. Durch die rotierende Bewegung und die Gasschichten zwischen den Komponenten entsteht nahezu keine Reibung. Dadurch können diese Miniatursysteme die Wärmeübertragungskoeffizienten der Wärmepumpen um 20 – 30 Prozent erhöhen.

Diese Mikroturbolader-Technologie befindet sich seit mehreren Jahren in der Entwicklung und ist inzwischen ausgereift. «Wir wurden bereits von mehreren Unternehmen kontaktiert, die an der Anwendung unserer Methode interessiert sind», sagt Schiffmann. Dank der Arbeit der Forscher wird es den Unternehmen leichter fallen, die Mikroturbolader-Technologie in ihre Wärmepumpen zu integrieren.