Принцип роботи теплового насоса грунт-вода зводиться до відбору тепла у грунту і передачі його циркулюючому в системі опалення теплоносія та/або водогінній воді. Причому якщо грунт в тому місці, де зонди відбирають у нього тепло, може мати температуру лише на кілька градусів вище температури повітря, то температура теплоносія в системі опалення підвищується на десятки градусів щодо первісної.

Розглянемо конструкцію типового теплового насоса грунт-вода від компанії Noviterm, покликаного забезпечити теплом і гарячою водою невеликий заміський будинок. Він має три замкнутих контури, спільна робота яких переносить тепло з грунту додому.

Перший контур передає тепло грунту теплоносію (як правило, в зовнішньому контурі використовується спеціальна рідина, бо при промерзанні витягти трубопровід, що веде до заглиблених на десятки метрів зондів, буде важко). Відбір тепла може здійснюватися як зануреними зондами, так і грунтовим колектором. Вибір тієї чи іншої схеми визначається як динамікою розподілу тепла в грунті, так і площею ділянки, яку можна відвести для роботи теплового насоса.

У першому випадку (при використанні глибинних зондів) буриться одна або кілька свердловин глибиною від декількох десятків до сотень метрів. Саме буріння становить найчастіше найбільшу частину витрат на монтаж зовнішнього контуру теплового насоса. Альтернативою є ґрунтовий колектор. Труби з теплоносієм закопуються горизонтально нижче рівня, до якого взимку промерзає грунт. Зрозуміло, витрати на те, щоб викопати траншеї, непорівнянні з витратами на буріння, але площа, зайнята таким колектором, повинна в два-три рази перевищувати площу опалюваного будинку. На жаль, можливість відвести під колектор таке простір є далеко не завжди.

Другий контур - об'єднані разом дросель, випарник, конденсатор і те, що приводить в рух холодоагент - компресор. Те ж саме, що можна побачити, розібравши будь-який кондиціонер.

І, нарешті, третій, і останній контур - це, власне, будинок з його системою опалення та гарячого водопостачання.

Розглянемо більш детально, як працює кожен контур.

Первинний, або зовнішній

Малопотужний насос змушує теплоносій безперервно циркулювати. Оскільки температура грунту на значній глибині слабо змінюється в залежності від сезону і, як правило, не опускається нижче 10 градусів Цельсія, антифриз (саме він зазвичай використовується в якості теплоносія первинного контуру) незначно нагрівається при проходженні підземної ділянки контуру. Потім, проходячи через випарник вторинного контуру, антифриз віддає йому тепло, після чого відправляється на новий цикл.

Вторинний

Власне, саме вторинний контур і є тепловим насосом. Він використовує той факт, що деякі речовини здатні кипіти і випаровуватися при порівняно низькій температурі. Відібравши у випарника деяку кількість тепла і незначно нагрівшись, холодоагент повністю випаровується. У газоподібному стані він надходить в компресор, де багаторазово стискається, розігріваючись приблизно до температури кипіння води. Розігрітий і все ще газоподібний, холодоагент потрапляє в так званий конденсатор, розігріває його до високих температур, сам же, остигаючи, знову стає рідиною. Скинувши надлишковий тиск, холодоагент знову прямує до випарника на наступний цикл.

Як легко здогадатися, чим швидше циркуляція теплоносія, тим більша кількість тепла відбирається тепловим насосом у первинного контуру і направляється в систему опалення.

Третій контур: опалення

​Теплоносієм тут може бути як звичайна вода, так і масло, і антифриз, і маса інших речовин. Зрозуміло, вода використовується найчастіше через дешевизну цього варіанту. З іншого боку, залишивши систему опалення зупиненої в сильний мороз, можна, повернувшись додому через кілька днів, виявити розморожені труби і розірвані льодом радіатори.

При циркуляції теплоносія всередині опалювальної системи тепло переноситься від конденсатора другого контуру до власне опалювальних приладів. Вода для системи гарячого водопостачання нагрівається все тим же конденсатором.

При проектуванні системи опалення, що працює з тепловим насосом, варто врахувати, що температура теплоносія не перевищуватиме приблизно 60 градусів Цельсія, а значить краще використовувати не невеликі конвектора, а радіатори з великою площею оребрення, масивні регістри або теплі водяні підлоги.

Як і звичайний кондиціонер, тепловий насос здатний не тільки гріти, а й охолоджувати будинок. Звернувши процес теплообміну у вторинному контурі, він починає переміщати тепло з приміщення в грунт, де воно і розсіюється.