تتراوح نسبة المنازل الجديدة المزودة بمضخات حرارية في سويسرا اليوم بين 50% و60%. وتستمد هذه المضخات الطاقة الحرارية من البيئة المحيطة، كالأرض والهواء والبحيرات والأنهار القريبة، وتحولها إلى حرارة للأبنية. وتعمل المضخات الحرارية التقليدية اليوم بصورة جيدة، وهي صديقة للبيئة، لكن المجال مفتوح لتحسينها، إذ يستطيع المهندسون تقليل حاجة المضخات الحرارية إلى الطاقة بنسبة 20% إلى 25%، وتخفيض أضرارها على البيئة، باستخدام ضواغط هواء توربينية مصغرة بدلًا من أنظمة الضغط التقليدية، لأن ضواغط الهواء التوربينية أكثر كفاءة وأصغر بعشر مرات من المكابس العادية. وتكمن المشكلة في صعوبة تجميع هذه المكونات الصغيرة لتصميم المضخات الحرارية، بسبب أقطارها الصغيرة التي تقل عن 20 مم، وسرعات دورانها الهائلة التي تتجاوز 200 ألف دورة في الدقيقة.
وطور فريق من الباحثين في مختبر التصميم الميكانيكي التطبيقي في مدرسة لوزان الاتحادية للفنون التطبيقية بقيادة يورج شيفمان طريقة تجعل إضافة مكابس توربينية إلى المضخات الحرارية أسهل وأسرع. وتوصل الباحثون إلى معادلات بسيطة لحساب الأبعاد المثالية للضاغط التوربيني في المضخة الحرارية باستخدام إحدى تقنيات تعلم الآلة تسمى التراجع الرمزي. وفازت أبحاثهم حديثًا بجائزة أفضل ورقة في مؤتمر توربو إكسبو 2019 الذي عقدته الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين.
أسرع بمعدل 1500 مرة
تبسط طريقة الباحثين الجديدة الخطوة الأولى في تصميم الشواحن التوربينية، أي حساب الحجم المثالي وسرعة الدوران الأمثل للمضخة الحرارة المرغوبة بصورة تقريبية، وهي خطوة مهمة جدًا، لأن التقدير الأولي الجيد يقلص مدة التصميم الكلي بصورة كبيرة. ويستخدم المهندسون عادةً مخططات التصميم لقياس حجم ضواغط الهواء التوربينية، لكن دقة هذه المخططات تصبح أقل كلما كانت المعدات أصغر، بالإضافة إلى أن المخططات التقليدية لم تعد مواكبة للتقنيات الحديثة.
ولهذا عمل طالبا الدكتوراه فيوليت مونيير وسيريل بيكارد على تطوير حل بديل، إذ غذّيا خوارزميات تعلم الآلة بنتائج 500 ألف عملية محاكاة، ووضعوا معادلات تنسخ المخططات بمميزات إضافية، فهي عالية الاعتمادية حتى عندما تكون الضواغط التوربينية صغيرة، ومفصّلة تمامًا مثل عمليات المحاكاة المعقدة، وأسرع بنحو 1500 مرة. وتتيح طريقة الباحثين أيضًا للمهندسين تخطي بعض الخطوات في عمليات التصميم التقليدية، وتمهد الطريق لتسهيل استخدام الشواحن التوربينية الدقيقة في المضخات الحرارية.
فوائد الضواغط التوربينية المصغرة
تستخدم مضخات الحرارة التقليدية المكابس لضغط السائل المبرد، وتعمل باستخدام دورة ضغط البخار. ويجب أن تكون المكابس مزيتة جيدًا لتعمل بصورة صحيحة، لكن الزيت قد يلتصق بجدران المبادل الحراري ويعيق نقل الحرارة. وتعمل ضواغط الهواء المصغرة، والتي يبلغ قطرها بضع عشرات المليمترات، دون زيت، إذ تدور على محامل الغاز بمعدل مئات آلاف الدورات في الدقيقة. وتمنع طبقات الغاز بين المكونات الاحتكاك تقريبًا، ما يرفع معامل نقل الحرارة في المضخات الحرارية بنسبة 20% إلى 30%.
وبدأ تطوير تقنية الشواحن التوربينية المصغرة منذ عدة أعوام، وأصبحت جاهزة تقريبًا. وقال شيفمان «اتصلت بنا شركات كثير مهتمة باستخدام تقنيتنا، وبفضل عمل الباحثين، سيكون تزويد المضخات الحرارية للشركات بالشواحن التوربينية المصغرة سهلًا.»
