Тепловая помпа типа «грунт-вода» представляет собой комплекс оборудования, состоящий из геотермального теплообменника, сложенного из многочисленных трубопроводов и располагаемого ниже глубины фактического промерзания грунта, а также самого теплового насоса, функционирующего с применением обратного физического цикла Карно. Фактически, любое такое устройство – это холодильник, но работающий «наоборот». При помощи специальных зондов или коллекторов он отбирает тепловую энергию из почвы, а затем передает ее в бытовые сети обогрева. Схожесть по алгоритму действия с холодильными системами позволяет использовать летом многие модификации теплонасосов в качестве кондиционеров – для охлаждения помещений. Хотя при этом потери эффективности доходят до 20 %, это все равно оправдано, с учетом высокой греющей способности оборудования.
Принцип работы теплового насоса грунт-вода сводится к передаче тепла от источника с низким потенциалом тепловой энергии к воде, как теплоносителю. При этом, земля в данном случае летом играет роль радиатора, а в зимний период становится активным источником тепла. Это возможно, благодаря такому простому природному явлению, как тепловая инерция. Дело в том, что температура грунтовых слоев, расположенных на глубине 6 м и более от поверхности, почти идеально соответствует среднегодовой температуре воздуха в конкретном регионе. Более того, она еще и почти не меняется на протяжении всего календарного года. А разница температур в разных слоях грунта помогает повысить общую эффективность системы и позволяет уменьшить фактические эксплуатационные расходы. Все это способствует максимально экономичной работе любого теплового насоса земля-вода.
На практике в процессе его функционирования в размещенный под слоем грунта трубопровод поступает незамерзающий теплоноситель, которым может быть – антифриз, вода со спиртом, соляной раствор или гликолевая смесь с высоким показателем вязкости. Под землей он нагревается на несколько градусов, перенимая температуру почвы. Затем, благодаря работе насоса, данное вещество переходит в теплообменный узел – испаритель, где передает накопленную тепловую энергию внутреннему системному контуру, в котором находится фреон. После этого рабочая жидкость возвращается в исходную точку, став холоднее на 2-5 °С. В свою очередь, получивший тепловую энергию фреон нагревается в испарителе, переходит в газообразное состояние, а потом попадает в компрессор. В компрессоре он сжимается под воздействием очень высокого давления, и за счет этого становится еще более горячим.
На следующем этапе раскаленный газ поступает в конденсатор, где снова переходит в жидкое состояние, отдавая собственную тепловую энергию воде, циркулирующий в сети обогрева здания. Давление фреона уменьшается после прохода сквозь расширительный клапан системы. По окончании данного процесса полностью охлажденный хладагент возвращается в начальную точку цикла, то есть – в испаритель, уже в жидком состоянии, а сам цикл затем повторяется снова. Немаловажно то, что в результате протекания описанного выше процесса объем тепловой энергии, забранной у почвы и переданной в систему отопления или горячего водоснабжения жилого дома, обычно более чем в 4 раза превышает количество электроэнергии, затрачиваемой для обеспечения функционирования не только основной компрессорной установки, но и циркулярного насоса, а также их управляющего блока.