Glavni deli, ki sestavljajo toplotno črpalko, so:

  • krmilje,
  • uparjalnik,
  • kompresijski element,
  • kondenzator
  • ekspanzijski element.

Zgoraj našteti elementi so med seboj povezani z bakrenimi povezavami, ki jih imenujemo plinska povezava. Tako dobimo zaprt plinski sistem, ki je napolnjen s hladilnim sredstvom (plin – freon). Količina polnjenja je odvisna od moči in velikosti sistema ter razdalje med uparjalnikom in kondenzatorjem. Toplotna črpalka izkorišča Camotov krožni cikel

Toploto iz okolice (zrak, voda, zemlja) toplotna črpalka odvzame s pomočjo uparjalnika. Tukaj se pri nižjem tlaku in nižjih temperaturah hladivo uplini (dobimo paro). Nato plin potuje v kompresor, kjer s pomočjo dovedene električne energije paro stisnemo, s tem povečamo tlak in posledično temperaturo plina.

Vroče hladivo nato potuje skozi kondenzator, kjer odda toploto ogrevanemu mediju, najpogosteje je to ogrevalna ali sanitarna voda. Nato plin potuje skozi ekspanzijski element, kjer se tlak plina zmanjša, posledično tudi temperatura.

Hladivo nato potuje skozi uparjalnik in proces se ponovi. Proces delovanja toplotne črpalke je predstavljen na sliki:

Za delovanje toplotne črpalke je poleg energije iz okolja potrebna tudi električna energija, ki poganja kompresor in krmilnik ter ventilator v sistemih zrak-voda, obtočno črpalko v sistemih zemlja-voda ali potopno črpalko v sistemih voda-voda.

Sistem toplotne črpalke je torej razdeljen na dva dela:

  • Toplotni vir: medij ali prostor z nižjim temperaturnim nivojem, ki mu odvedemo oziroma odvzamemo toplo. Toplotni vir najpogosteje predstavlja neposredna okolica (tla – zemeljski kolektor, podzemna in površinska voda, zrak iz okolice ali izrabljen, odpadni in onesnažen zrak iz raznih procesov ali prostorov).
  • Toplotni ponor: medij ali prostor z višjim temperaturnim nivojem, ki mu dovajamo toploto. Najpogosteje je to sanitarna voda ali voda v ogrevalnem sistemu in zrak.

Toplotne vire lahko razdelimo v tri skupine:

  • Naravni viri s spremenljivim temperaturnim nivojem:
    • Zrak
  • Naravni viri z konstantnim temperaturnim nivojem:
    • podzemne vode,
    • površinske vode: vodotoki, jezera, morja
    • tla: zemeljska sonda, zemeljski kolektor
    • sončna energija.
  • Umetni viri:
    • odpadni in onesnažen zrak iz raznih industrijskih procesov in prostorov
    • izrabljen zrak
    • odpadna voda.

Eden najpomembnejših podatkov toplotne črpalke je grelno število COP1 (Coefficient Of Performance), ki je odvisno od razmerja med pridobljeno in vloženo energijo.

Enačba za izračun grelnega števila

Kjer je:
COP – grelno število,
Qod – oddana energija
Qel – električna energija.

Razmerje med brezplačno energijo okolja in vloženo plačljivo električno energijo je običajno 4 : 1 za toplotne črpalke zrak-voda, 5 : 1 pri toplotnih črpalkah voda-voda in zemlja-voda, pri najnovejših toplotnih črpalkah je to razmerje celo 6 : 1.

Vrednosti COP se glede na vrsto in izvedbo toplotnih črpalk razlikujejo in se gibljejo od 3 pa vse do 6. Za doseganje zadovoljivega oziroma želenega grelnega števila, tako dejanskega (COP) kot letnega (SCOP2), je pomembna pravilna izbira toplotnega vira. Za zanesljivo in učinkovito delovanje toplotnih črpalk je potrebno zagotoviti naslednje pogoje:

  • primemo (dovolj visoko) temperaturo vira toplote skozi celotno obdobje delovanja toplotne črpalke,
  • čim bolj konstanten vir toplote,
  • zadosten volumen vira toplote,
  • zmožnost regeneracije vira toplote,
  • dostopnost do vira toplote,
  • čim manjša razdalja med virom in ponorom toplote,
  • primeren temperaturni nivo ponora toplote (nizko temperaturno talno ogrevanje) in
  • uporaba v celem letu (večji izkoristek).