新知 | AI+3D打印,将颠覆空调技术,使性能提高10倍

新知 | AI+3D打印,将颠覆空调技术,使性能提高10倍
2022年09月08日 19:41 环球零碳

摘要:空调不像汽车有类似于电动车这样的替代产品,在高耗能面前最好的方法就是提升空调的效率,降低其对能源的需求。而人工智能设计结合3D打印技术,则有望实现这一点。

撰文 | 代江玥

编辑 | 郭郭

这是《环球零碳》的第337篇原创

目前空调设备已经占到全球能源消耗的20%,国际能源署(IEA)预计,到2050年,空调的能源需求将增加至现在的三倍——相当于未来28年每秒增加10台新设备。其中,换热器又是空调中耗能最高的部件。

研究人员正在为寻求低耗能的冷却技术的创新投入大量精力,目前该领域仍然没有颠覆性的突破。对此,资深从业人员也经常这样调侃:“空调创新就像核聚变,距离成功总是还需要20年。”

目前,位于德国慕尼黑的人工智能软件设计公司Hyperganic,正致力于使用AI(人工智能)和 3D 打印技术来改变这种状况,希望给空调设备带来颠覆性的突破。

Hyperganic成立于2015年,通过研发出可以在工业3D打印机上进行数字化批量生产的软件技术平台,用以实现3D打印行业现有工作流程的高度集成化与自动化。目前,该公司正在开发一种全新的住宅空调设备,通过使用人工智能生成一个全新的热交换器设计,然后由3D金属打印机打印成型,据称其效率是传统空调的10倍,而购买和运行成本与传统空调相同。

Hyperganic的首席执行官 Lin Kayser也表示,气候变化问题是人类面临的一个严峻挑战,但目前物理事物上的创新是缓慢而复杂的,因此需要用更好的工程方式(即人工智能算法)来解决这个挑战。

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基于人工智能和3D打印的热交换器

空调通过热交换器或冷凝器装置将室内热量抽到室外,将制冷剂气体压缩成液体,从而冷却建筑物。风扇吹过冷凝器,将液化过程中释放的热量吹到空气中。冷却消耗了当今建筑物使用的能量的16%以上,而热交换器是空调装置中能耗最高的部件。

热交换器需要大表面积的结构,为此它们依赖于复杂的弯曲内部通道。但传统的工程设计和制造所能提供的复杂性是有限的。事实上,为了降低成本,传统的热交换器厂家往往 更喜欢简单的设计。Kayser说,“现在每秒钟有10台空调设备被售出,但空调装置在过去30年中并无差别。”因此,基于 AI 设计和 3D 打印技术成为了设计高性能复杂结构热交换器的最佳选择。

通过与德国TRUMPF公司合作,Hyperganic开发了一种自动化的工作流程,即基于自然界的物理原理,通过算法来设计热交换器。

图说:Hyperganic公司的自动化生产流程来源:[8]

图说:Hyperganic公司的自动化生产流程

来源:[8]

上述生产流程开始于在Hyperganic Core(Hyperganic的算法工程软件平台)上用数学和物理模型框定设计目标。这些目标包括最大热效率,最小热流体压降,恒定流量和最小长度。此外设计中还可定义目标体积的边界条件,例如输入直径必须为50mm,氩气作为保护气体,水作为冷却介质等。

Hyperganic公司基于人工智能的设计平台可以使工程师制造出结构完全不同的热交换器,使用的元素受到自然界中复杂设计的启发,如珊瑚。通过增加表面积和优化空气流动,这些设计提高了组件的能源效率。此外,人工智能的设计平台还可以进行更快地创建、测试和迭代。

同时,使用这种软件范式进行设计的好处在于,工程师可以专注于通过适用所有相关热交换器设计的更高层次的思考来实现目标,而不是迷失在确定某个特定设计细节的耗时过程中。

对于换热器中管道的“生长”策略,该公司出于简单性原则考虑,选择了分形分支。因此热交换器性能的变化可以很容易地用算法工程模型中相应参数的变化来解释。以压降性能为例,如果系统压降过高,将直接转化为可操作的设计方向,如减少或扩大分支,增加热交换器总截面等。为了在一个圆内获得等距点的最大数目,Hyperganic从斐波那契数列(广泛存在于自然界的植物中)中获得了灵感。因此该公司设计的热交换器的管道伸展方式非常类似于向日葵在中心排列种子的方式。

图说:Hyperganic公司设计的换热器伸展方式与向日葵种子排列方式的比较来源:[8]

图说:Hyperganic公司设计的换热器伸展方式与向日葵种子排列方式的比较

来源:[8]

为了利用算法工程快速迭代的优势,关键设计元素(如分支的级数和管道直径)被转化为参数,从而可以同时生成多个设计。在给定的环境中,可以高效地创建性能最好的热交换器。

通过算法设计的热交换器表面积是相同尺寸的圆柱形管的14倍。在经过几次设计迭代后,压降达到了目标,整体的热交换性能也超过了最初的目标,实最终提高了组件的能源效率。

根据测算,如果将该换热器通过3D打印的方式生产出来,那么通过将涡轮机集成到制冷剂流中,这些优化的部件会从能量回收中产生收益,以及改善气流和电动马达的能源使用。这应该会使空调机组的效率提高10倍,制冷剂循环改善180%,热交换器能源消耗减少200%。

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未来发展目标

使用人工智能算法进行上述设计的好处在于,热交换器只是一整套可以用算法设计的物体和机器中的第一个。例如,如果需要设计另一种具有热交换特性的结构,那么创建当前热交换器的算法可以很容易地投入重复使用。

融资方面,Hyperganic 于2021年第一季度完成了780万美元的A轮融资,投资方包含位列欧洲最大的风投基金之一的HV Capital(曾投资过FLIXBUS, zalando, sum up等),专注高科技公司早期投资的Vsquared Venture,以及位于美国东海岸的风投基金Converge, 此外珠宝制造商Swarovski和奥地利投资者Hermann Hauser的基金也分别作为战略投资和个人投资者参与了本次投资。

此外,Hyperganic于2022年6月宣布与总部位于德国的金属和塑料3D打印机制造商EOS以及总部位于阿联酋的制造公司Strata Manufacturing签署合作协议,以构建“世界上最高效的住宅空调 (A/C) 系统”。合作伙伴将把 Hyperganic 的算法工程技术与 EOS 的金属 3D 打印技术和 Strata 的数字生产线相结合,开发出比传统空调装置效率高十倍的住宅空调装置,同时保持成本竞争力。三家公司通过合作,致力于利用第四次工业革命的技术,帮助提高空调的能源效率,达到国际环境和能源效率的最高标准,实现工业部门的质的飞跃。

图说:Hyperganic、Strata和EOS合作打造更高效、能耗更低的空调来源:[2]

图说:Hyperganic、Strata和EOS合作打造更高效、能耗更低的空调

来源:[2]

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