Грунтовой теплообменник один из главных компонентов геотермального теплового насоса. Тепловой насос получает тепло Земных недр благодаря теплообменнику. А эффективность и надежность работы теплового насоса напрямую зависит от правильной проектировки и установки теплообменника.
На сегодняшний день очень большое количество теплообменников.
Все их можно разделить на несколько групп:
1. Горизонтальные теплообменники или коллекторы. Эта группа теплообменников отличается очень простым монтажом и малыми финансовыми затратами. Однако из главных недостатков есть то, что для монтажа таких устройств нужны большие площади, где не будет построек и насаждений. Теплообменники устанавливаются на глубине не промерзания грунта. Глубина зависит от местности и варьируется от 1 до 3м. Верхний шар грунта можно сравнить с аккумулятором, потому что в них накапливается солнечное тепло. Но температура накопленного тепла зависит от времени года, поэтому оно непостоянно и колеблется круглый год. Такие колебания сказываются на эффективности насоса, ведь на глубине около 2м, годовые колебания температуры наблюдаются от +7 до +13 градусов. Получения тепла с грунта зависит от многих характеристик таких как: площадь, на которой размещен теплообменник, глубина установки, качество грунта и другие факторы. Чтобы горизонтальный теплообменник эффективно снимал тепло с грунта, трубы должны монтироваться на расстоянии не больше 0,7м друг от друга. Если теплообменник состоит из нескольких контуров, то они должны быть приблизительно одинаковые по величине.
2. Зонд или вертикальный теплообменник. Он устанавливается на большую глубину от 20м до 300м. На такой большой глубине нет колебаний температуры, поэтому она стабильна в течение года и не зависит от сезона (8-10º). Такой зонд большого размера в диаметре может достигать от 120 до 200мм. В качестве зонда часто используют трубу из пластика с диаметром 32мм. Для установки зонда нужно предварительно пробурить скважину. В нее устанавливается две петли зонда. Пространство между петлями заполняется специальным веществом с высокой теплопроводностью. Эффективность зонда больше чем у коллектора, но она также зависит от качества и характеристик грунта (наличие грунтовых вод, влажность грунта и т.д.).
Эта группа теплообменников сталкивается со снижением температурой грунта через 2-3 года их использования. Это происходит по причине того что хоть грунтовое тепло и возобновляемый источник, но расходование его происходит быстрее чем оно может восстановиться. Оптимальное время работы насоса это 1800 часов в год. Наблюдения показали, что впервые годы использования зонда температура грунта вокруг зонда резко падает, однако дольше ежегодно понижение температуры уменьшается. Это влияет на эффективную работу насоса. Если время годовой работы превышает 1800 часов, то существует риск снижения температуры около скважины или вообще промерзания некоторых участков. А промерзание уже напрямую связано с безопасностью использования вертикального теплообменника. Потому что во время промерзания некоторых участков грунта, он сседается, что может привести к разрушению зонда и нарушению микроклимата грунта.
3. Другие теплообменники. К ним можно отнести спиралевидные теплообменники и корзинообразные. Это похоже на гибрид двух предыдущих групп. Такие теплообменники обладают свойствами горизонтальных, а по методу установки как вертикальные теплообменники. Но в отличие от вертикальных, они укладываются на небольшую глубину (до 5м).
