En Suisse, 50 à 60 % des logements neufs sont équipés de pompes à chaleur. Ces systèmes puisent dans l'énergie thermique du milieu environnant, par exemple du sol, air, ou un lac ou une rivière à proximité et la transformer en chaleur pour les bâtiments.

Alors que les pompes à chaleur d'aujourd'hui fonctionnent généralement bien et sont respectueuses de l'environnement, ils ont encore une marge de progression substantielle. Par exemple, en utilisant des microturbocompresseurs à la place des systèmes de compression classiques, les ingénieurs peuvent réduire de 20 à 25 % les besoins énergétiques des pompes à chaleur (voir encadré) ainsi que leur impact sur l'environnement. C'est parce que les turbocompresseurs sont plus efficaces et dix fois plus petits que les appareils à piston. Mais incorporer ces mini composants dans les conceptions des pompes à chaleur n'est pas facile; les complications proviennent de leurs petits diamètres ( <20 mm) et des vitesses de rotation rapides (supérieures à 200, 000 tr/min).

Au Laboratoire de conception mécanique appliquée de l'EPFL sur le campus de Microcity, une équipe de chercheurs dirigée par Jürg Schiffmann a développé une méthode qui permet d'ajouter plus facilement et plus rapidement des turbocompresseurs aux pompes à chaleur. En utilisant un processus d'apprentissage automatique appelé régression symbolique, les chercheurs ont proposé des équations simples pour calculer rapidement les dimensions optimales d'un turbocompresseur pour une pompe à chaleur donnée. Leurs recherches viennent de remporter le prix du meilleur article lors de la conférence Turbo Expo 2019 organisée par l'American Society of Mechanical Engineers.

1, 500 fois plus rapide

La méthode des chercheurs simplifie considérablement la première étape de la conception des turbocompresseurs. Cette étape, qui consiste à calculer grossièrement la taille et la vitesse de rotation idéales pour la pompe à chaleur souhaitée, est extrêmement importante car une bonne estimation initiale peut considérablement raccourcir le temps de conception global. Jusqu'à maintenant, les ingénieurs ont utilisé des tableaux de conception pour dimensionner leurs turbocompresseurs, mais ces tableaux deviennent de plus en plus imprécis au fur et à mesure que l'équipement est petit. Et les cartes ne sont pas à jour avec les dernières technologies.

C'est pourquoi deux doctorats de l'EPFL. les étudiants, Violette Mounier et Cyril Picard, ont travaillé à l'élaboration d'une alternative. Ils ont nourri les résultats de 500, 000 simulations dans des algorithmes d'apprentissage automatique et des équations générées qui reproduisent les graphiques mais avec plusieurs avantages :elles sont fiables même à de petites tailles de turbocompresseur; elles sont tout aussi détaillées que des simulations plus compliquées; et ils sont 1, 500 fois plus rapide. La méthode des chercheurs permet également aux ingénieurs de sauter certaines étapes des processus de conception conventionnels. Elle ouvre la voie à une mise en œuvre plus aisée et à une généralisation de l'utilisation des microturbocompresseurs dans les pompes à chaleur.

Les avantages des microturbocompresseurs

Les pompes à chaleur classiques utilisent des pistons pour comprimer un fluide, appelé réfrigérant, et conduire un cycle de compression de vapeur. Les pistons doivent être bien huilés pour fonctionner correctement, mais l'huile peut coller aux parois de l'échangeur de chaleur et altérer le processus de transfert de chaleur. Cependant, les microturbocompresseurs, dont le diamètre ne dépasse pas quelques dizaines de millimètres, peuvent fonctionner sans huile; ils tournent sur des paliers à gaz à des vitesses de centaines de milliers de tours par minute. Le mouvement de rotation et les couches de gaz entre les composants signifient qu'il n'y a presque pas de frottement. Par conséquent, ces systèmes miniatures peuvent augmenter les coefficients de transfert de chaleur des pompes à chaleur de 20 à 30 pour cent.

Cette technologie de microturbocompresseur est en développement depuis plusieurs années et est aujourd'hui mature. « Nous avons déjà été contactés par plusieurs entreprises intéressées à utiliser notre méthode, " dit Schiffmann. Grâce au travail des chercheurs, les entreprises auront plus de facilité à intégrer la technologie des microturbocompresseurs dans leurs pompes à chaleur.