A hőszivattyú a környezet energiájának hasznosítására szolgáló berendezés, mellyel lehetséges fűteni, hűteni, ill. melegvizet előállítani. A berendezés, a működtetésére felhasznált energiát nem közvetlenül hővé alakítja, hanem a külső energia segítségével a hőt az alacsonyabb hőfokszintről egy magasabb hőfokszintre emeli, legtöbbször a föld, a levegő és a víz által eltárolt napenergiát hasznosítva. (Mert külső energia felhasználása nélkül, "magától" a hő csak melegebb helyről a hidegebb hely felé tud áramlani.) A hűtőgép is hasonlóan működik: a szekrény belsejéből szállítja el a hőt, tehát hűti, majd ezt a hőmennyiséget a hátulján levő csőkígyón adja le. A geotermikus hőszivattyú például a "föld" (talaj, talajvíz) és a ház belső terei között szállít hőt. A talaj mélyebb rétegeinek hőmérséklete télen-nyáron állandó, télen melegebb, nyáron hidegebb, mint a levegő hőmérséklete. A szállítási irányon változtatva télen a talajtól hőt elvonva fűthetünk, nyáron a talajt melegítve hűthetjük a házat. (illetve melegvizet állíthatunk elő télen-nyáron)
A hő szállításához folyamatosan elektromos energiát kell a rendszerbe táplálni. A rendszer hatékonyságát az ún. jósági számmal (COP=Coefficient of performance) jellemezhetjük, ami azt mutatja meg, hogy a hőszivattyú által leadott hasznos hőteljesítmény hányszorosa a működtetéshez felhasznált hajtási teljesítménynek. A COP értéke elsősorban attól függ, hogy mekkora hőmérsékletkülönbséget kell áthidalni (a hőforrás és a fűtési előremenő hőmérséklet különbsége), általában három és öt közötti érték, tehát egy egység villamos energiával három-öt egység hőenergiát állíthatunk elő. (A hűtés jósági fokát EER-rel jelölik, értékét a COP-hez hasonlóan számítják.)
Hőszivattyúk csoportosítása hőforrás szerint
Talaj
A talajszondás rendszer esetén kb 15 cm átmérőjű, 50-200 méter mély lyukat fúrnak a földbe leginkább függőlegesen. Ebbe helyezik az U alakú szondát, amiben zárt rendszerben cirkulál a hűtőközeg. 200 méteres mélység esetén kb. 17 ˙C-os a Föld.
Lehet két- vagy háromkörös rendszer, attól függően, hogy a szondában közvetlenül a hűtőközeg áramlik, vagy fagyálló folyadék adja át közvetetten hőjét a hűtőközegnek. A szondák speciális esete az energiakaró: több szondát egymás mellé helyezve nyáron eltárolják a hőenergiát a földben, amit télen hasznosítanak. Különösen nyári hűtési igény esetén, ill. ipari méretekben gazdaságos.
Nagyságrendekkel mélyebb szondák esetén (1000-2000 méter) már nem a talajrétegekben eltárolt napenergia kerül közvetetten hasznosításra, hanem elsősorban a geotermikus energia. A Föld középpontjában lejátszódó reakciók hője a felszín felé áramlik, ezért mennél mélyebb a fúrt kút, annál nagyobb a kúttalp körüli réteg hőmérséklete. Ez a hőmérséklet a geotermikus gradienstől függ. (egy kilométerrel mélyebben mennyivel melegebb a földkéreg) Ez hazánkban 60°C/km körüli érték, szemben a 30°/km-es európai átlaggal.
A talajkollektoros rendszer esetében többszáz méter hosszú speciális kemény PVC köpennyel ellátott rézcsöveket, vagy polietilén csöveket fektetnek le 1-2 méter mélyen. Hátránya, hogy nagy felületen (a fűtött alapterület 1,5-3-szorosán) kell megbontani a telket a csövek lefektetésekor, ezért leginkább új építésű házak esetén jöhet szóba. Segítségével négyzetméterenként 20-30 W energiát nyerhetünk. Ennek nagysága függ a talaj hővezetésétől, nedvességtartalmától, és az esetleges talajvíztől.
Talajvíz
A talajvíz-kútból búvárszivattyúval nyert víz hőjének elvonása után a vizet vagy egy másik kútba, vagy felszíni vízbe (patak,tó,folyó) vezetik, vagy elszivárogtatják földbe fektetett dréncsöveken át. A talajvíz állandó hőmérséklete (7˙C-12˙C) és jó hővezető-képessége révén ideális hőforrás. További speciális alkalmazás, amikor hőforrásként egy tó szolgál. Ebbe helyezik el körkörösen a kollektorként szolgáló csöveket.
A nyitott kútpáros hőszivattyús rendszer esetében mindig vízjogi engedélyt kell kérni az illetékes vízügyi hatóságtól.
Célszerű vízkémiai vizsgálatot végezni, a megfelelő kútvíz hőcserélő kiválasztásához (ez egy leválasztó hőcserélő, a kútvíz ezáltal nem érintkezik közvetlenül a berendezéssel). A kutas rendszer előnye a magasabb primer oldali hőmérséklet (kb. 12°C), amely hatására jobb lesz a hőszivattyúnk COP-je, azonban a rendszer egészének nem feltétlenül mert a kútvíz-szivattyú igen magas az áramfogyasztása
Masszív abszorber (beton építmény)
Föld alatti vagy föld feletti beton vagy téglafalban, betonlemezben műanyag csőkígyót helyeznek el. Külön e célra épített szoborszerű elemek, vagy támfalak, homlokzati betonfelületek is felhasználhatóak. A működési elve hasonló a talajkollektorokhoz. A beton jól vezeti a hőt, tömege alkalmas a hő tárolására. Segít a levegő, talaj, esővíz hőjének átvételében, a napsugárzást közvetlen is hasznosíthatja.
Levegő
A külső levegő ventillátorokkal kerül beszívásra, amit a hőszivattyú hűt le. Hátránya, hogy a levegő hőmérséklete nem állandó, így a rendszer hatékonysága is változó, illetve a ventillátorok által keltett zaj is problémát jelenthet. Felhasználásra kerülhet még a ház pincéjének levegője is.
Központi szellőztető rendszerrel ellátott, légmentesen szigetelt ház esetén a kifúvásra kerülő elhasznált levegő is használható hőforrásként, vagy a befúvásra kerülő levegőt melegítve, vagy a fűtési rendszerre rásegítve.
Hulladékhő
Számításba jöhet hőforrásként a szennyvíz és az elhasznált termálvíz. Előbbire magyarországi példa a szekszárdi húskombinát, ahol a 22°C-os szennyvíz a hőforrás, míg utóbbira a harkányi gyógyfürdő, melynek 32-35 °C-os elfolyó vizét használják fel két egyenként 1100 kW-os hőszivattyúval.
Hőszivattyúk felhasználási területe
Fűtés
A hőforrásból elvont hőt a berendezés általában a zárt körben keringetett víz fűtőközeg felmelegítésére használja fel. Elsősorban az alacsony hőmérsékletű fűtési módok alkalmasak hőszivattyúval történő felhasználásra, mert akárcsak a napkollektoroknál, annál nagyobb a rendszer hatékonysága, minél kisebb a fűtési előremenő hőmérséklet. Padló-, fal- és mennyezetfűtés jöhet számításba, ahol a nagy hőleadó felület miatt már 35 °C is elegendő.
Melegvíz-készítés
Használati melegvíz készítésére is felhasználható a hőszivattyú, de a kondenzátor oldali felső hőmérséklet határ kb. 55-60 °C, emiatt a melegvíz hőmérséklete 60 °C alatt marad.
Hűtés
A folyamat megfordításával a fűtésnél hőforrásként használt közegnek adja át a helyiségekből elvont hőt.