In Svizzera, Dal 50 al 60 percento delle nuove abitazioni sono dotate di pompe di calore. Questi sistemi assorbono energia termica dall'ambiente circostante, ad esempio dal suolo, aria, o un lago o un fiume nelle vicinanze e trasformarlo in calore per gli edifici.

Mentre le pompe di calore odierne generalmente funzionano bene e sono rispettose dell'ambiente, hanno ancora notevoli margini di miglioramento. Per esempio, utilizzando microturbocompressori al posto dei tradizionali sistemi di compressione, gli ingegneri possono ridurre il fabbisogno energetico delle pompe di calore del 20-25 percento (vedi riquadro) e il loro impatto sull'ambiente. Questo perché i turbocompressori sono più efficienti e dieci volte più piccoli dei dispositivi a pistoni. Ma incorporare questi mini componenti nei progetti delle pompe di calore non è facile; complicazioni derivano dai loro piccoli diametri ( <20 mm) e velocità di rotazione elevate ( maggiori di 200, 000 giri/min).

Al Laboratorio di Progettazione Meccanica Applicata dell'EPFL nel campus di Microcity, un team di ricercatori guidati da Jürg Schiffmann ha sviluppato un metodo che rende più facile e veloce l'aggiunta di turbocompressori alle pompe di calore. Utilizzando un processo di apprendimento automatico chiamato regressione simbolica, i ricercatori hanno elaborato semplici equazioni per calcolare rapidamente le dimensioni ottimali di un turbocompressore per una data pompa di calore. La loro ricerca ha appena vinto il Best Paper Award alla conferenza Turbo Expo 2019 tenuta dall'American Society of Mechanical Engineers.

1, 500 volte più veloce

Il metodo dei ricercatori semplifica drasticamente il primo passo nella progettazione dei turbocompressori. Questo passaggio, che prevede il calcolo approssimativo della dimensione e della velocità di rotazione ideali per la pompa di calore desiderata, è estremamente importante perché una buona stima iniziale può ridurre notevolmente i tempi complessivi di progettazione. Fino ad ora, gli ingegneri hanno utilizzato grafici di progettazione per dimensionare i loro turbocompressori, ma questi grafici diventano sempre più imprecisi quanto più piccola è l'attrezzatura. E i grafici non sono stati aggiornati con le ultime tecnologie.

Ecco perché due dottorati EPFL. gli studenti, Violette Mounier e Cyril Picard, hanno lavorato allo sviluppo di un'alternativa. Hanno alimentato i risultati di 500, 000 simulazioni in algoritmi di apprendimento automatico ed equazioni generate che replicano i grafici ma con diversi vantaggi:sono affidabili anche con turbocompressori di piccole dimensioni; sono tanto dettagliati quanto le simulazioni più complicate; e sono 1, 500 volte più veloce. Il metodo dei ricercatori consente inoltre agli ingegneri di saltare alcuni passaggi nei processi di progettazione convenzionali. Apre la strada a un'implementazione più semplice e a un uso più diffuso dei microturbocompressori nelle pompe di calore.

I vantaggi dei microturbocompressori

Le pompe di calore convenzionali utilizzano pistoni per comprimere un fluido, chiamato refrigerante, e guidare 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 compromettere il processo di trasferimento del calore. Però, i microturbocompressori, che hanno un diametro di poche decine di millimetri, possono funzionare senza olio; ruotano su cuscinetti a gas a velocità di centinaia di migliaia di giri/min. Il movimento rotatorio e gli strati di gas tra i componenti significano che non c'è quasi nessun attrito. Di conseguenza, questi sistemi in miniatura possono aumentare i coefficienti di scambio termico delle pompe di calore dal 20 al 30 percento.

Questa tecnologia di microturbocompressore è stata sviluppata per diversi anni ed è ora matura. "Siamo già stati contattati da diverse aziende interessate ad utilizzare il nostro metodo, " dice Schiffmann. Grazie al lavoro dei ricercatori, le aziende avranno un tempo più facile che incorporano la tecnologia del microturbocompressore nelle loro pompe di calore.