Pionowa sonda gruntowa, zwana również pod nazwą pionowego kolektora gruntowego lub sondy geotermalnej to po prostu wymiennik ciepła o dosyć charakterystycznej konstrukcji. Zacznę może od podstaw, tzn. co to właściwie jest wymiennik ciepła. Otóż jak sama nazwa wskazuje jest to urządzenie, które służy do tego, żeby transferować ciepło od jednego ośrodka do drugiego. Za przykład może posłużyć nam tu grzejnik, który jest jednym z najbardziej znanych urządzeń tego typu, gdzie woda o wysokiej temperaturze wpompowywana do jego wnętrza ogrzewa nam sam grzejnik, który w efekcie grzeje powietrze w pomieszczeniu. Ma tu więc miejsce wymiana ciepła w kierunku gorąca woda -> grzejnik -> powietrze w pomieszczeniu. Piszę w „kierunku” bo ciepło zawsze przepływa od tzw. górnego źródła ciepła (czyli źródła ciepła o wyższej temperaturze) do dolnego źródła ciepła (o niższej temperaturze) zgodnie z tzw. II zasadą termodynamiki.

Wymiennik ciepła jakim jest sonda pionowa działa na podobnej zasadzie jak grzejnik (dokładnie jak opisano w dziale „Zasada działania”). Poniżej przedstawiona jest podstawowa i najbardziej rozpowszechniona wersja wymiennika w formie tzw. „U-rury”.

Rys. 1 – Pionowa sonda gruntowa typu „U-rura” [oprac. własne].

Na powyższym rysunku możemy dokładnie zaobserwować czym jest taki pionowy kolektor gruntowy. To po prostu dwie długie (od 30 do nawet 300m), umieszczone głęboko w ziemi rury wykonane z PE HD (Polietylenu o wysokiej gęstości), które u podstawy złączone są specjalnie w tym celu wykonaną głowicą (kolor czarny). Dodatkowo można powiedzieć, że nieodzowną częścią naszego wymiennika jest płyn, który będzie w nim krążyć i odbierać niskotemperaturowe ciepło z gruntu (najczęściej glikol, spirytus techniczny, etanol, czasem również i woda). Wymienione elementy (no, może oprócz głowicy) są standardem opisywanym w praktycznie wszystkich książkach, artykułach i innych publikacjach. Rzeczą, o której się natomiast dosyć często zapomina jest tzw. materiał wypełniający.

Odwiert w ziemi, który wykonywany jest pod kolektor gruntowy nigdy nie jest tej samej średnicy co dwie połączone ze sobą rury. Sam otwór najczęściej ma wymiar 110, 130 lub nawet 140 mm, natomiast rury, które stosuje się w sondzie typu „U-rura” to najczęściej te o wymiarach 42 x 2,8 mm (42 mm średnicy i 2,8 mm grubości rury). Poniżej przykładowo przedstawiono opisywaną sytuację patrząc z góry na wywiercony w ziemi otwór o średnicy 130 mm.

Rys. 2 – Pionowa sonda gruntowa typu „U-rura” w rzucie z góry [oprac. własne].

Na rys. 2 kolorem pomarańczowym zaznaczono materiał wypełniający. Jego zastosowanie jest właściwie konieczne tylko i wyłącznie z jednego względu. Zgodnie z polskim prawem wodnym w przypadku wykonywania odwiertów, nie możemy dopuścić do sytuacji połączenia ze sobą dwóch różnych poziomów warstw wodonośnych. W celu utrzymania ich w separacji wymyślony został właśnie materiał wypełniający. W niektórych krajach europejskich (np. w Szwecji) nie stosuje się wypełnienia otworów, pozwalając w nich na swobodny przepływ wody. Niestety na ok. 80 % powierzchni Polski nie można zastosować się do standardów szwedzkich (przynajmniej pod tym względem), gdyż nie pozwala na to różnica w rodzaju gruntu.

Rola opisywanego materiału w stosunku do występującej wymiany ciepła jest niebagatelna. Najczęściej ogranicza on jego przepływ (im więcej przeszkód ciepło ma na swojej drodze do pokonania, to tym więcej się go na tych przeszkodach zatrzymuje , tzn. traci). Co i jak dokładniej, wyjaśnione zostanie we wspomnianym wcześniej dziale (w języku technicznym można przeczytać o tym w artykule „Podstawy teoretyczne wymiany ciepła w pionowych sondach gruntowych”). W tym miejscu myślę drogi czytelniku, że najważniejszą informacją na którą powinieneś zwrócić uwagę, a która może być dla Ciebie pomocna w dalszym czytaniu treści zawartych na witrynie to budowa kolektora pionowego. Podsumowując, całościowo składa się on z czterech ważnych elementów: rur PE, głowicy, płynu pośredniczącego i materiału wypełniającego, z których każdy jest jednakowo ważny i ma wpływ na uzyskiwaną temperaturę ogrzanego przez grunt płynu gdy opuszcza on odwiert, a więc i na to, ile nas pompa ciepła i pompa cyrkulacyjna płynu pośredniczącego będzie miesięcznie/rocznie kosztować w utrzymaniu!