V případě tepelného čerpadla se teplo získává z okolního prostředí, nejčastěji prostřednictvím kapaliny - nemrznoucí směsi, která proudí v trubkách zakopaných v zemi a „natahuje“ teplo z okolí.

Kapalina ohřátá „přírodním teplem“ se odvádí do výparníku tepelného čerpadla, kde se nízkopotenciální teplo předá chladivu kolujícím uvnitř zařízení. To platí u systémů, kdy se tepelná energie obsažená v zemi přenáší do domu. Obdobně však lze teplo z venkovního vzduchu procházející výparníkem (připomíná to chladič v automobilu) odnímat přenosem do chladiva, a to i při velmi nízkých teplotách vzduchu. Chladivo se tím ve výparníku vypaří a vzniklý plyn je nasán kompresorem. Kompresor tepelného čerpadla prudce stlačí o několik stupňů ohřáté plynné chladivo a díky fyzikálnímu principu komprese, kdy při vyšším tlaku stoupá teplota, jako teplotní výtah „vynese“ ono nízkopotenciální teplo na vyšší teplotní hladinu cca 80°C. Kompresorem zahřáté chladivo putuje do kondenzátoru, teplo se zde předá do topné vody pro vytápění celého domu, ohřevu vody v zásobníku nebo bazénu a plynné chladivo změní svoje skupenství na kapalné. Z kondenzátoru putuje kapalné chladivo přes expanzní ventil, kde se prudce ochladí, zpět do výparníku, kde se opět ohřeje. Tento cyklus se stále a rychle opakuje, což způsobuje, že tepelné čerpadlo skutečně přečerpává teplo z vnějšího prostředí do vytápěného domu.

V praxi se také můžete setkat s označením primární a sekundární okruh. Primární okruh je v podstatě ta část tepelného čerpadla, které je zakopaná v zemi, sekundární okruh pak představuje topný systém. V případě tepelných čerpadel vzduch/voda je primární okruh nahrazen přívodem venkovního vzduchu do zařízení pomocí ventilátoru, který je jejich nutnou součástí.

Běžně se topný faktor pohybuje v rozmezí od 2,5 do 5. Není ovšem veličinou, která by byla k danému tepelnému čerpadlu jednou provždy přiřazena. Mění se dle podmínek, v nichž tepelné čerpadlo pracuje.

Jako jednoduchý a názorný příklad si můžeme představit tepelné čerpadlo, které má výkon 12kW a na svůj provoz spotřebuje 3kW. Topný faktor zjistíme z prostého výpočtu: 12/3 = 4.

Když se podíváme na příklad, kde za stejných podmínek porovnáme dvě tepelná čerpadla a jedno bude mít například topný faktor 4,5 a druhé 3,3, to druhé spotřebuje pro svůj provoz zhruba o třetinu více elektrické energie než první a tudíž jeho provoz bude podstatně dražší.

Topný faktor při provozu tepelného čerpadla může klidně kolísat mezi hodnotou 1,5 až 7. Vše je závislé na provozních podmínkách. Při výběru tepelných čerpadel je tedy třeba srovnávat srovnatelné. Při vyjádření topného faktoru se můžeme setkat např. s tímto zápisem: COP při 0°C/35°C je 4,5 dle EN 14 511. Tento zápis přeložený do srozumitelného jazyka znamená, že se jedná o tepelné čerpadlo, které má při vstupu tekutiny o teplotě 0°C z primárního okruhu, na výstupu do sekundárního okruhu tekutinu o teplotě 35°C topný faktor 4,5. EN 14 511 znamená, že měření proběhlo v exaktních podmínkách dle metodiky normy EN 14 511.

Různé typy tepelných čerpadel mají i různé hodnoty, při kterých se vzájemně srovnávají. Pro tepelná čerpadla typu vzduch/voda se parametry udávají při 2°C/35°C, pro tepelná čerpadla typu země/voda je to při 0°C/35°C a pro tepelná čerpadla typu voda/voda je to 10°C/35°C.

Topný faktor je příznivější, pokud je teplota výstupní vody nižší. Z tohoto důvodu je praktické instalovat s tepelnými čerpadly podlahové topení, kterému stačí pro provoz nižší teplota než radiátorům.

Příklad: když je venku - 15°C, regulace pouští do domu vodu o teplotě například 50°C, když je venku 10°C, regulace pouští do domu vodu o teplotě jen 30°C.

U tepelných čerpadel je ekvitermní regulace důležitější než u jiných zdrojů tepla, protože čím je nižší teplota topné vody, tím je provoz tepelného čerpadla levnější.

• Při teplotě topné vody 35°C, vyrobí tepelné čerpadlo teplo za cenu 150 Kč/GJ
• Při teplotě topné vody 50°C, vyrobí tepelné čerpadlo teplo za cenu 220 Kč/GJ
• Při teplotě topné vody 60°C, vyrobí tepelné čerpadlo teplo za cenu 300 Kč/GJ

Pokud tedy budete řídit tepelné čerpadlo termostatem v nádrži a budete nádrž ohřívat stále na 60°C, budou náklady na elektřinu až o 100% vyšší, než při řízení ekvitermním regulátorem na teplotu 35°C.

Ekvitermní regulace může být doplněna čidlem vnitřní teploty, které zpřesní regulaci teploty topné vody. Vnitřní čidlo dokáže korigovat vnější i vnitřní tepelné zisky (sluneční záření, hořící krb, větší počet lidí atd.), které samotná ekvitermní regulace není schopná plně zohlednit.

Tepelná energie se může brát z vody povrchové nebo podzemní. Pokud to geologické dispozice a vydatnost pramene dovolí, jsou studny tím nejlepším zdrojem tepelné energie. Podzemní voda má poměrně stabilní teplotu kolem 8 až 10°C. U geotermální vody, se teploty pohybují i nad 30°C a jsou tak nejteplejším přírodním zdrojem.

K tomuto typu tepelného čerpadla jsou třeba dvě studny, a to jedna zdrojová a druhá vsakovací. Měly by od sebe být vzdáleny minimálně 15m. Pro běžný rodinný dům je třeba vydatnost pramene alespoň 0,5 l/s (40 000 litrů za den). Ověření vydatnosti seriózními, dostatečně dlouhými čerpacími zkouškami by se rozhodně nemělo podceňovat. Pořizovací cena těchto studií bývá nižší než u geotermálních vrtů, ale provozní náklady jsou díky spotřebě elekřiny pro pohon ponorného čerpadla vyšší.

Řeky, rybníky a jiné vodní plochy jsou v instalacích tepelných čerpadel spíš raritou. Jejich využívání je spojeno s náročnou administrativou a především souhlasem jejich majitele nebo správce. Kromě toho teplota vody v povrchových tocích kolísá. U těchto instalací se nečerpá přímo voda, ale na dno se instalují hadice jako v případě plošného kolektoru. Tepelné čerpadlo je pak zapojeno shodně se systémem země/voda.

Minimální teplota, při které vzduchové tepelné čerpadlo ještě pracuje, je obvykle -20°C, lze se setkat i se stroji pracujícími až do -25°C. Při dlouhodobě nižších teplotách pokrývá tepelnou potřebu jen doplňkový zdroj a proto musí v lokalitách, kde se takto nízké teploty vyskytují, jeho výkon pokrýt potřebu tepla pro celý objekt.

Tepelná čerpadla vzduch/voda se skládají buď ze dvou jednotek a to venkovní a vnitřní, nebo z kompaktního provedení, kdy celé tepelné čerpadlo může stát venku, nebo uvnitř objektu. V případě děleného provedení (někdy se mu říká „split“) venkovní část nasává okolní vzduch a je většinou umístěna vedle domu nebo na střeše, vnitřní zajišťuje ohřev teplé vody a topného systému. Na trhu jsou rovněž vzduchová tepelná čerpadla pouze vnitřního provedení. U tohoto typu je nutné propojit jednotku vhodným vzduchotechnickým potrubím přes obvodovou zeď s vnějším prostředím k zajištění přívodu a odvodu využívaného venkovního vzduchu. Množství protékaného vzduchu činí řádově tisíce m³/h.

Vzduch protékající tepelným čerpadlem vytváří určitou úroveň hluku. Tento hluk může při chodu vzduchového tepelného čerpadla rušit jak přímo uživatele vytápěného objektu, tak sousedy. Proto je třeba brát ohled na umístění jednotky na pozemku. U kvalitních vzduchových čerpadel se hodnota akustického tlaku ve vzdálenosti 5m od venkovní jednotky pohybuje pod hodnotu 40dB(A), což se dá přirovnat např. k tikotu budíku vzdáleného 2m.

Výkon tepelného čerpadla závislý na teplotě okolního vzduchu. Proto není vhodné jejich použití do horských oblastí s dlouhotrvajícími nízkými venkovními teplotami. Často pak připíná dotopový kotel a rostou tak provozní náklady.

Jedná se o zařízení, které je umístěno uvnitř objektu, většinou v technické místnosti. Na trhu naleznete jak provedení kompaktní (tepelné čerpadlo včetně zásobníku na teplou užitkovou vodu a doplňkového zdroje), tak provedení standardní (pouze tepelné čerpadlo).

Jeho jedinou nevýhodou jsou zemní práce, které jsou s jeho instalaci velice úzce spjaty. Pro čerpání tepla ze země potřebujeme buď zemní kolektor (někdy též označovaný jako horizontální kolektor), nebo geotermální vrty (zde se můžeme setkat i s označením vertikální kolektor). Prvně jmenovaný zdroj tepla vyžaduje rozsáhlé zemní práce, resp. dlouhé výkopy. Ty se ovšem dají pořídit poměrně levně v porovnání s geotermálními vrty. Vertikální kolektory jsou jednou z nejdražších položek v rozpočtu celého systému vytápění objektu.

Podmínky pro volbu kolektorů jsou dány především geologickou situací a dále umístěním budovy v zástavbě. U nových domů, které se staví na zelené louce a mají k dispozici dostatečný prostor, se rozhodně doporučují kolektory horizontální. V případě, že není dostatečné plochy pro horizontální kolektor, je na místě volba kolektoru vertikálního. Geotermální vrty se upřednostňují v kompaktních horninách, které nevyžadují pažení. Teplo z plošného kolektoru či vrtu je možné odebírat po celý rok tzn. i v letních měsících, kdy využíváme tepelné čerpadlo hlavně pro ohřev teplé vody. V případě volby geotermálního vrtu je možné využití jeho chladicího výkonu.

Tepelná čerpadla pracující s tímto systémem poskytují stabilní výkon a úspory, které dosahují až 80% provozních nákladů na provoz tradičního topného systému. Zmiňovaná stabilita se projevuje i ve velmi dlouhé životnosti celého systému.

Díky nezávislosti zemního tepelného čerpadla na venkovních klimatických podmínkách je možné jeho použití takřka kdekoliv, nevyjímaje drsné horské oblasti, kde venkovní teploty dosahují i pod -25°C.

Mezi tento typ tepelných čerpadel bývají řazeny i systémy na rekuperaci tepla. V tomto případě se jedná o složité systémy s kombinací výměníků tepla. Protože mají v praxi velmi omezené použití specializované na ohřev bazénových hal.

V zemním kolektoru tepelného čerpadla s přímým odběrem (můžete se setkat i s názvem s „přímým odpařováním“) proudí přímo chladivo, které odebírá teplo zemi. Oběh chladiva je poháněn přímo kompresorem a tím odpadá pohon oběhového čerpadla primárního okruhu. Zařízení se dodává včetně primární strany, která už je i naplněna chladivem. Díky většímu objemu chladiva a vyšším tlakovým ztrátám v okruhu se používá jiný typ kompresoru, než u běžných tepelných čerpadel.

Velikost a uložení primární strany je odlišné ve srovnání s klasickými tepelnými čerpadly s nemrznoucí směsí. Tím, že v kolektoru cirkuluje přímo chladivo, které má podstatně nižší teplotu, než používaná nemrznoucí směs u běžných tepelných čerpadel, je odnímání tepelné energie půdě, v níž je umístěn často měděný kolektor, intenzivnější a prostorové nároky na jeho uložení ať horizontální, tak vertikální jsou nižší a s tím souvisí i náklady na potřebné zemní práce.

Vzhledem k velmi nízké teplotě chladiva v kolektoru je zcela běžné, že dochází v průběhu chodu tohoto typu tepelného čerpadla k značnému podchlazování půdy, někdy až vzniku ledového obalu kolem jímacích trubek. Proto je nutno počítat s tím, že mimo topnou sezonu je nutno ponechat okolí kolektoru regenerovat, aby se obnovila teplota v půdě během léta před topnou sezonou. Z toho důvodu se také horizontálně kladou ne hlouběji než 1 m pod povrch, aby přívod tepla od slunce a dešťové vody urychlil obnovení „zásoby tepla“ před topnou sezonou.

Výhodou tohoto způsobu je jednoduchá a rychlá instalace. Nevýhodou je nebezpečí případné poruchy vzniklé mechanickým poškozením kolektoru, což je značně problematicky opravitelné, pokud to vůbec je možné. Další nevýhodu je jistě i pouze provoz jen v topné sezoně, bez ohřevu vody v létě, kdy dochází k regeneraci okolí kolektoru.