Princip

Země a Slunce jsou nevyčerpatelnou zásobárnou tepelné energie, která je dostupná všude kolem nás. Avšak teplo obsažené v zemi, podzemní či povrchové vodě nebo ve vzduchu má většinou příliš nízkou teplotu, a tak ho nelze přímo využít. Pomocí tepelného čerpadla dokážeme toto tzv. nízkopotenciální teplo převést na teplo s teplotou použitelnou pro vytápění objektů, bazénů či ohřev teplé vody.

Nejdůležitějšími součástmi tepelného čerpadla jsou:

• Kompresor — zajišťuje oběh chladiva v chladicím okruhu. Je poháněn elektromotorem.
• Výparník — tepelný výměník, kde se nízkopotenciální teplo (to, které je v přírodě) předává do chladicího média
• Kondenzátor — tepelný výměník, kde se předává teplo z chladicího média do vysokopotenciálního okruhu (např. okruhu ústředního vytápění)

Celý pracovní cyklus se skládá z těchto kroků:

• Stlačené chladicí médium v kapalném stavu je přivedeno pomocí vstřikovacího ventilu do výparníku. Vstříknutím kapalného chladicího média do velkého objemu výparníku dojde k významnému poklesu tlaku média. Tím se prudce sníží teplota média a začne se odpařovat. K odpařování je potřebná tepelná energie, kterou chladicí médium získá z okolního prostředí. Proto médium přebírá teplo z nízkoteplotního primárního okruhu (ohřívá se).
• Plynné médium postupuje do kompresoru, kde je stlačeno, čímž se zvýší jeho teplota na hodnotu prakticky použitelnou (až 55°C).
• Stlačené chladicí médium v plynném stavu postupuje přes kondenzátor, kde předává teplo do vysokoteplotního okruhu (např. okruhu ústředního vytápění), a tím přechází do kapalného stavu.
• Cyklus se znovu opakuje...

Výkon tepelného čerpadla (PV) je součet příkonu kompresoru (PK) a tepla odčerpaného z nízkoteplotního (primárního) okruhu (PN):

PV = PK + PN

Topný faktor (účinnost) je podíl výkonu a příkonu:

TOPNÝ FAKTOR (COP) = PV / PK = (PK + PN) / PK

Z tohoto vztahu je zřejmé, že topný faktor bude tím vyšší (lepší), čím bude menší příkon kompresoru. Příkon kompresoru závisí na teplotním rozdílu primárního a sekundárního média:

• Teplotu primárního média (vzduchu, vody) můžeme ovlivnit pouze dostatečným nadimenzováním primárního okruhu (hloubkou vrtu, dostatečně velkým plošným kolektorem).
• Teplotu sekundárního média (topné vody) je žádoucí mít co nejnižší. Toho docílíme:
  • Nízkoteplotním vytápěcím systémem (podlahové topení, velkoplošné radiátory)
  • Ekvitermní regulací teploty topné vody (když je venku teplo, topí se chladnější vodou). Ekvitermní regulaci je třeba provádět přímo tepelným čerpadlem, nikoliv směšovacím ventilem! 
    Nutno poznamenat, že elektrický příkon kompresoru se mění velmi významně, takže při nárůstu teploty topné vody z 35 na 50°C klesne topný faktor např. ze 4,5 na 2,9. Proto je rozhodně lepší snížit teplotu vytápěcího systému (jednorázová investice), než používat vysokou teplotu topné vody a stále platit více peněz při nižším topném faktoru. Také je třeba počítat s celkovým topným faktorem, protože u některých dvoustupňových tepelných čerpadel, které mají teplotu výstupní vody až 80°C, výrobce může udávat pouze topný faktor 1. stupně, což je údaj zcela zavádějící.

Celkový elektrický příkon tepelného čerpadla však není dán pouze příkonem kompresoru, ale také příkonem zařízení na získávání primárního tepla (vodních čerpadel, ventilátorů) a provozem doplňkového (bivalentního) tepelného zdroje (např. elektrokotle). Z toho vyplývá nutnost správného návrhu celého systému a vhodného nadimenzování tepelného čerpadla. To je důležité zejména pro tepelná čerpadla typu vzduch-voda – cenový rozdíl mezi tepelnými čerpadly různých výkonů není velký a okamžitý výkon klesá s venkovní teplotou.