Unsere Umwelt hat durch die Sonneneinstrahlung genug Umgebungswärme, die von Wärmepumpen genutzt werden kann. Auch wenn uns diese Umgebungswärme teilweise recht kalt vorkommt, kann sie von der Wärmepumpentechnik genutzt werden, um auf ein höheres Level gepumpt zu werden. Wärmepumpen nutzen die Umweltenergie aus Luft, Grundwasser und/oder Erdreich. Allein die Sonnenenergie reicht (noch) nicht aus, um Heizwärme zu entwickeln. Ungefähr ein Viertel der Gesamtenergie muss an Elektroenergie hinzugefügt werden, damit die Wärmepumpe aus den drei Viertel Sonnenenergie Heizwärme erzeugt. Hochwertige Wärmepumpen schaffen es, aus einer Kilowattstunde elektrischer Energie mindestens fünf Kilowattstunden Wärme zu gewinnen.
Während bei der konventionellen Verbrennung von Öl, Gas oder Holz im Kessel unter hohem Energieaufwand und hoher Temperatur (gewünscht) niedrige Temperaturen erreicht werden, arbeitet die Wärmepumpe effizienter und unter geringerem Energieverlust.
In Mitteleuropa wird die Wärmepumpe hauptsächlich zur Bereitstellung von Heizwärme genutzt. Ebenso kann die Wärmepumpe zum Kühlen verwendet werden. Der Kühlschrank, der sich in jedem Haushalt wiederfindet, basiert auf dem Funktionsprinzip der Wärmepumpen. Zur Heizung wird diese Funktionsweise nur umgekehrt. Beim Kühlschrank entzieht das System dem Kühlmittel über den Verdampfer Wärme und gibt sie in den Raum ab. Das verbleibende Kühlmittel ist daher kalt. An der Rückseite des Kühlschranks tritt Wärme aus. Bei der Wärmepumpe wird aus der Umgebungsluft, dem Erdreich oder dem Grundwasser die ihnen inneliegende Wärme statt der Kälte brauchbar gemacht.
Von allein würde Wärme nur von einem warmen zu einem kalten Körper fließen. Dieses Prinzip entspricht so dem Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik. Die Umwandlung von Wärme niedriger Temperatur in Wärme höherer Temperatur gelingt der Wärmepumpe dennoch – aber nur unter Zufuhr von Hilfsenergie. Hierzu setzt die Wärmepumpe ein Kältemittel ein, dass bereits bei niedriger Temperatur siedet und verdampft. Die Temperatur der Wärmequelle ist bereits in ihrer ursprünglichen Form höher als die Siedetemperatur des Kältemittels. Es kommt zu einer Wärmeübertragung von der Wärmequelle auf das Arbeitsmittel. Während dieses Prozesses wird der Umgebung Wärme entzogen. Somit kann die Wärmepumpe Wärmequellen wie Luft, Wasser oder das Erdreich nutzen, die normalerweise für die Raumheizung ungeeignet wären. Der warme Dampf wird vom Verdichter dem Verdampfer abgesaugt und verdichtet. Hierfür die die zusätzliche elektrische Energie notwendig. Die Temperatur steigt. Das Arbeitsmittel wird an den Verflüssiger weitergereicht, der mit dem Heizungssystem verbunden ist. Im Verflüssiger kondensiert die Wärme und wird so für das Heizungsnetz freigesetzt. Das Arbeitsmittel wird im Anschluss entspannen, den hohen Druck wieder verringern und für den nächsten Kreislauf im Verdampfer bereitstehen.
Durch die Wärmepumpe wird der entsprechenden Umgebung Wärme entzogen, die dann an das Heizungswasser abgegeben wird. In einem Wärmetauscher sorgt die der Umwelt entzogene Wärme dafür, dass ein Kältemittel mit einem sehr niedrigen Siedepunkt verdampft. Dieses Gas wird dann in einem Kompressor unter Zusatz von elektrischer Energie durch Druck auf eine höhere Temperatur gebracht. In dem sich anschließenden Verdichter wird die diese Wärme dann an die Heizanlage abgegeben. Das Kältemittel verflüssigt sich dabei wieder und fließt zurück zu dem Anfangswärmetauscher, wobei der Druck wieder reduziert wird.
Umso niedriger die Warmwasservorlauftemperaturen sind, umso weniger Zusatzenergie wird zum Betrieb der Wärmepumpe benötigt. Wärmepumpen zur Raumheizung erreichen sinnvollerweise nicht mehr als 55 bis 65 Grad. Zum ausschließlichen Beheizen über Fußbodenheizungen reichen bereits 35 Grad, da Fußbodenheizungen träge Systeme sind.
