在瑞士，50%至60%的新房配備了熱泵。這些系統(tǒng)從周圍環(huán)境（例如來(lái)自地面、空氣或附近的湖泊或河流）中吸收熱能，并將其轉(zhuǎn)化為建筑物的熱量。

雖然今天的熱泵通常運(yùn)行良好且環(huán)保，但它們?nèi)杂泻艽蟮母倪M(jìn)空間。例如，通過(guò)使用微型渦輪壓縮機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的壓縮系統(tǒng)，工程師可以將熱泵的功率需求降低 20% 到 25%（見(jiàn)插圖）及其對(duì)環(huán)境的影響。這是因?yàn)闇u輪壓縮機(jī)比活塞裝置效率更高，體積小十倍。但是，將這些微型組件整合到熱泵的設(shè)計(jì)中并不容易。其微小的直徑（<20 mm）和快速的轉(zhuǎn)速（大于200,000 rpm）會(huì)引起并發(fā)癥。

在洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院位于Microcity校區(qū)的應(yīng)用機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室，由Jürg Schiffmann領(lǐng)導(dǎo)的一組研究人員開(kāi)發(fā)了一種方法，可以更容易、更快速地將渦輪壓縮機(jī)添加到熱泵中。研究人員使用一種稱為符號(hào)回歸的機(jī)器學(xué)習(xí)過(guò)程，提出了簡(jiǎn)單的方程式，用于快速計(jì)算給定熱泵的渦輪壓縮機(jī)的最佳尺寸。他們的研究剛剛在美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)舉辦的2019年渦輪增壓博覽會(huì)會(huì)議上獲得了最佳論文獎(jiǎng)。

快 1,500 倍

研究人員的方法大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)渦輪增壓器的第一步。這一步涉及粗略計(jì)算所需熱泵的理想尺寸和轉(zhuǎn)速，這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)榱己玫某醪焦浪憧梢源蟠罂s短整體設(shè)計(jì)時(shí)間。到目前為止，工程師們一直在使用設(shè)計(jì)圖表來(lái)確定渦輪壓縮機(jī)的尺寸，但這些圖表隨著設(shè)備規(guī)模的縮小而變得越來(lái)越不準(zhǔn)確。而且圖表沒(méi)有跟上最新技術(shù)。

圖片來(lái)源：洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院

這就是為什么洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的兩名博士生——維奧萊特·穆尼爾（Violette Mounier）和西里爾·皮卡德（Cyril Picard）——致力于開(kāi)發(fā)一種替代方案。他們將 500,000 次模擬的結(jié)果輸入到機(jī)器學(xué)習(xí)算法中，并生成了復(fù)制圖表的方程式，但有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：即使在小尺寸的渦輪壓縮機(jī)下，它們也很可靠;它們與更復(fù)雜的模擬一樣詳細(xì);它們的速度快了 1,500 倍。研究人員的方法還讓工程師跳過(guò)了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的一些步驟。它為微型渦輪增壓器在熱泵中的更易于實(shí)施和更廣泛使用鋪平了道路。 

編譯 陳講運(yùn)微型渦輪壓縮機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

傳統(tǒng)的熱泵使用活塞來(lái)壓縮稱為制冷劑的流體，并驅(qū)動(dòng)蒸汽壓縮循環(huán)。活塞需要潤(rùn)滑良好才能正常工作，但油會(huì)粘在熱交換器壁上并損害傳熱過(guò)程。然而，直徑只有幾十毫米的微型渦輪壓縮機(jī)可以在沒(méi)有油的情況下運(yùn)行;它們?cè)跉怏w軸承上以數(shù)十萬(wàn)轉(zhuǎn)/分的速度旋轉(zhuǎn)。部件之間的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和氣體層意味著幾乎沒(méi)有摩擦。因此，這些微型系統(tǒng)可以將熱泵的傳熱系數(shù)提高 20% 至 30%。

這種微型渦輪增壓器技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了好幾年，現(xiàn)在已經(jīng)成熟。“已經(jīng)有幾家公司與我們聯(lián)系，他們有興趣使用我們的方法，”Schiffmann 說(shuō)。由于研究人員的工作，公司將更容易將微型渦輪增壓器技術(shù)整合到他們的熱泵中。