Des pompes à chaleur qui consomment moins d'électricité
Cyril Picard et Jürg Schiffmann ©Alain Herzog / 2019 EPFL
En utilisant un système d’intelligence artificielle, des chercheurs de l’EPFL ont mis au point une méthode pour concevoir les compresseurs destinés aux pompes à chaleur de demain. Elles devraient consommer 25% d’électricité en moins que les pompes actuelles.
En Suisse, 50 à 60 % des nouvelles habitations sont équipées de pompes à chaleur. Ces dispositifs transforment la chaleur présente dans l’environnement, le sol, l’air, l’eau d’un lac ou d’une rivière en énergie pour chauffer les habitations.
Performantes et écologiques, les pompes à chaleur (PAC) ont pourtant un potentiel d’amélioration important. En remplaçant leurs compresseurs volumétriques par des micro-turbocompresseurs dix fois plus petits et plus performants, elles pourraient réduire leur impact climatique et leur consommation en électricité de 20-25%. (voir encadré)
Mais l’intégration de ces micro-turbocompresseurs n’est pas simple. Cela est dû principalement à leur faible taille (<20 mm en diamètre) et à leur haute vitesse de rotation, qui va bien au-delà de 200'000 tours par minute. A la Faculté des sciences et techniques de l'EPFL, dans le Laboratoire de conception mécanique appliquée situé à Microcity, l’équipe de Jürg Schiffmann a mis au point un outil pour faciliter et accélérer l’implantation de ces systèmes dans les PAC de demain.
En utilisant une approche de machine learning appelée régression symbolique, les chercheurs ont développé des équations extrêmement simples pour déterminer très rapidement les dimensions d’un micro-turbocompresseur pour une pompe à chaleur donnée. Leur recherche a été récompensée lors de la conférence ASME Turbo Expo 2019 aux Etats-Unis, à travers un Best Paper Award.
1500 fois plus rapide
L’approche des chercheurs simplifie considérablement la première étape de conception des turbocompresseurs, où l’on définit grossièrement le design idéal de la machine (taille et vitesse de rotation). Cette étape est cruciale, car une bonne estimation initiale diminue considérablement le temps de conception. Jusqu’à présent, les chercheurs utilisaient des cartes de design indicatives.
Or ces cartes ne sont pas précises lorsque la taille des turbocompresseurs diminue. Elles ne suffisent pas non plus face aux progrès technologiques actuels.
Violette Mounier et Cyril Picard, doctorants de l’EPFL, ont trouvé le moyen de les remplacer. Ils ont fourni les résultats de 500'000 simulations à des algorithmes de type machine learning, et ont obtenu des équations qui reproduisent l’approche des «cartes», mais avec des avantages : en plus d’être adapté aux turbocompresseurs de faible taille, leur système est aussi détaillé que des simulations plus complexes, tout en étant 1500 fois plus rapide.
La méthode permet également de sauter des étapes dans le processus classique de conception. Elle constitue ainsi un premier pas vers une implantation plus aisée des micro-turbocompresseurs dans les PAC.
Dans les PAC traditionnelles, des compresseurs volumétriques (piston) compriment le fluide réfrigérant pour entraîner le cycle d’une pompe à chaleur. Ces systèmes ont besoin d’huile pour fonctionner, en raison des nombreux frottements. Or l’huile se colle sur les surfaces des échangeurs de chaleur, et diminue l’efficacité du transfert de chaleur.
Bien plus petits -quelques dizaines de millimètres de diamètre, les micro-turbocompresseurs, tournant à quelques centaines de milliers de tours par minute sur palier à gaz, n’ont quant à eux pas besoin d’huile. Ils impliquent un mouvement en rotation, et les frottements sont minimisés pas la formation de « coussins de gaz » entre les éléments tournants et leurs supports. Les meilleurs rendements des turbocompresseurs, ainsi que l’absence d’huile, permettent d’augmenter le coefficient de performance de la PAC de 20 à 30%.
A l’étude depuis de nombreuses années, la technologie des micro-turbocompresseurs sans huile sur paliers à gaz est maintenant mature. «Plusieurs entreprises ont déjà montré leur intérêt pour une commercialisation», évoque Jürg Schiffmann. L’outil développé par les chercheurs devrait s’ajouter au développement de ces nouvelles pièces maîtresses des pompes à chaleur.
Publication récompensée: Data-Driven Predesign Tool for Small-Scale Centrifugal Compressor in Refrigeration