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# Air-to-Water Cascade Heat Pump Thermal Performance Modelling for Continental Climate Regions

## Modélisation des performances thermiques d’une thermopompe air-eau en cascade pour les climats continentaux froids

Ye. Yerdesh
Al-Farabi Kazakh National University
Kazakhstan

A. Toleukhanov
Al-Farabi Kazakh National University
Kazakhstan

M. Mohanraj
Hindusthan College of Engineering and Technology
India

H.S. Wang
Queen Mary University of London
UK

O. Botella
Université de Lorraine
France

M. Feidt
Université de Lorraine
France

Ye. Belyayev
Al-Farabi Kazakh National University
Kazakhstan

Received: 18 February 2022 / Accepted: 29 April 2022

Published on 4 May 2022   DOI : 10.21494/ISTE.OP.2022.0836

### Mots-clés

At low ambient temperatures, the heating capacity and coefficient of performance of a single stage vapour compression heat pump cycle is significantly getting reduced. A two-stage cascade heat pump cycle operating with two different refrigerants provides a sustainable solution to lift the condenser temperature above 70 ℃. Calculation of thermal performance for various refrigerants pairs has been carried out by using Engineering Equation Solver software. The following refrigerants pairs R410A/R290, R410A/R1234yf, R410A/R134a, R410A/R407C, R32/R290, R32/R1234yf, R32/R134a, R32/R407C, R404A/R290, R404A/R1234yf, R404A/R134a, R404A/R407C, R744/R290, R744/R1234yf, R744/R134a, R744/R407C for low and high-temperature cycles have been tested numerically. R32/R134a and R410A/R134a shows the highest vapour compression cycle COP 1.98 from -30 ℃ ambient air temperature and +60 ℃ heating circuit temperature range, but they will be eventually suppressed in near future by Paris Agreement. As an environmentally friendly alternative to the previous pairs in the cascade cycle, R32/R290 and R744/R290 working fluids combinations are proposed.

Lorsque la température ambiante est basse, la capacité de chauffage et la performance d’une pompe à chaleur à compression de vapeur à un étage sont considérablement réduits. Une pompe à chaleur en cascade à deux étages qui fonctionne avec deux réfrigérants distincts fournit une solution durable pour élever la température du condenseur au-dessus de 70 ℃. Le calcul des performances thermiques pour différentes paires de réfrigérants a été effectué à l’aide du logiciel « Engineering Equation Solver ». La performance des paires de réfrigérants suivantes : R410A/R290, R410A/R1234yf, R410A/R134a, R410A/R407C, R32/R290, R32/R1234yf, R32/R134a, R32/R407C, R404A/R290, R404A/R1234yf, R404A/R1234yf, R407C, R744/R290, R744/R1234yf, R744/R134a, R744/R407C pour les cycles de basse et haute température a été évaluée numériquement. Pour une température d’air ambiant aussi basse que -30 ℃, et une température du circuit de chauffage de +60 ℃, les paires R32/R134a et R410A/R134a présentent le cycle de compression de vapeur le plus élevé (COP 1,98), mais ils devraient être à terme supprimés par l’Accord de Paris. Une alternative respectueuse de l’environnement est représentée par les paires de réfrigérant R32/R290 et R744/R290.