A hőszivattyúk a hűtőgépekhez hasonlóan működnek, a Carnot-körfolyamat alapján. Légköri nyomáson a víz 100°C-on forr, amelyhez energiát szükséges szolgáltatni a közegnek. Ahhoz, hogy 100°C-os gőzt kapjunk, még további energia bevitel kell. Ennek a gőznek átadott energiamennyiséget, forráshőnek nevezzük, amelynek kulcsfontosságú eleme a halmazállapot változás.
Ha a hőszivattyú hőtermelőként működik, akkor a benne található hűtőközeg segítségével, a környezetéből hőt von el viszonylag elég magas hatásfokkal, majd ezt a hőt a fogyasztói oldalon adja le és juttatja el az otthonokban található radiátorokba vagy padlófűtésbe. Az eszköz működtetéséhez csak villamosenergiára van szükség.
A hőszivattyúk fő részegységei:
- Kompresszor, amely a hűtőközeg nyomását növeli
- Hőleadási oldali hőcserélő vagy kondenzátor, mely a nagy nyomású gázt alakítja át nagy nyomású folyadékká, tehát ”lecsapódik”. Fázisváltással járó folyamat, amely során keletkezett energia fűtésre fordítódik.
- Hőfelvételi oldali hőcserélő vagy elpárologtató, mely a kis nyomású folyadékot alakítja át kis nyomású gázzá, tehát elpárolog. Fázisváltással járó folyamat, amely energiához hőt von el a környezetéből.
- Expanziós szelep, amely a nagy nyomású folyadékot alakítja kis nyomású folyadékká.
A hőszivattyúk karbantartási igénye alacsony, viszont a lehető leghosszabb élettartam kihasználása érdekében, érdemes az évenkénti karbantartást elvégeztetni. A hőszivattyúk működése biztonságos, mivel a hűtőgépekhez hasonlóan zárt rendszerként üzemel, nincs szén-monoxid, sem robbanásveszély.
A víz-víz hőszivattyúknak több fajtája van, a környezet és az épület földrajzi adottságához mérten kell kiválasztani a legmegfelelőbbet. Közös tulajdonságuk, hogy vagy a nap által besugárzott földfelszín alatt található víz, vagy a Föld geotermikus hőenergiáját használják fel. Az ilyen jellegű energiát a talaj viszonylag jól tárolja, ezt az energiát nyerik ki a víz-víz hőszivattyúk.
Kutas hőszivattyú rendszerek:
Ennek a rendszernek a legmagasabb a hatásfoka, mivel a viszonylag magas talajvíz hőmérséklet nem változik nagyon a téli hónapokban sem. A rendszer jellegzetessége, hogy két kútra van szükség, viszonylag távolabb egymástól, az egyik a nyerő kút, a másik a nyelő kút. Fontos, hogy a nyerőkút vízhozama folyamatosan tudja biztosítani a hőszivattyú működését. Emellett szintén fontos, hogy a kútvíz minősége meghatározott értékeken belül legyen, a gépészeti eszközök megfelelő működése érdekében.
Talajkollektoros hőszivattyú rendszerek:
Ez a rendszer a földfelszín legfelső rétegében található hőt hasznosítják, a kutas rendszertől eltérően itt nem a geotermikus energia van hasznosítva, hanem a nap által besugárzott földterület. 1,5 – 2 méteres mélységben vízszintesen elhelyezett csövek vannak lefektetve, amelyben a hőszivattyú működéséhez szükséges víz-fagyálló keveréke kering. A lefektetett cső hosszúságát az épület gépészeti igényeihez kell méretezni, de akár lehet több száz méter is. Fontos ezeknél a rendszereknél, hogy a telepített csövekre később nem lehet majd építeni, ezért viszonylag magas helyigénye van.
Talajszondás hőszivattyú rendszerek:
Ez a rendszer a kutas és a talajkollektoros megoldás ötvözete, amely a Föld geotermikus energiáját használja fel. Függőlegesen szondákat fúrnak le a földbe, amelyben van egy előremenő és egy visszatérő ág. A rendszer viszonylag kis helyen is elfér és elég biztos teljesítményt képes nyújtani egész évben, viszont a beruházási költsége magas és külön engedélyköteles.
A levegő-víz hőszivattyúk a levegőből nyerik ki a hőenergiát. A külső levegőt egy hőcserélőn keresztül szívják be, ahol a hűtőközeg belső energiája megnő és ezt egy másik, általában vizes rendszerű hőcserélőnek továbbítanak, amely fűti az adott épületet. A rendszer hatásfoka a külső levegő hőmérsékletével csökken, ezért általában moderált éghajlathoz ajánlják. Tartósan alacsony hőmérsékleteknél a villamosenergia fogyasztás számottevően megnő, ezért érdemes mindenképpen napelemes rendszerben is gondolkodni. Viszont beruházási költsége jóval alacsonyabb, és helyigény is kisebb, mint a víz-víz hőszivattyúkénak, emellett alternatív fűtési rendszernek is tökéletes a már meglévő mellett.
Felépítés szerint megkülönböztetünk on/off vezérlésű, inverteres és split rendszerű levegő-víz hőszivattyúkat.
Az on/off vezérlésű hőszivattyúk jellegzetessége, hogy amikor a puffertartálynál a hőmérséklet a beállított érték alá csökken, akkor a hőszivattyú bekapcsol, és amikor elér egy bizonyos hőfokot kikapcsol. A gyakori ki/bekapcsolások érdekében érdemes minél nagyobb puffertartályt választani, amely kíméli a hőszivattyú élettartamát.
Az inverteres hőszivattyúk teljesítménye változtatható, amelyet a készülékben található ventilátorok fordulatszám alapján történő vezérlésének lehet köszönni, ezért a szabályzásuk jóval kifinomultabb, mint az on/off hőszivattyúké. Az inverteres hőszivattyúkban található elektronika összetettebb, ezért a berendezés maga drágább, viszont használata kényelmesebb.
A split rendszerű hőszivattyúknak van egy kültéri és egy beltéri egysége, a két rész között a hűtőközeg van áramoltatva. A puffertartály keringető szivattyúja általában a beltéri egység részét képezi, emellett a hőátadó közegbe nem kell fagyállót tölteni, így a termék kompaktabb. Viszont a beüzemelése sokkal körülményesebb, mivel minél távolabb van egymástól a két egység, annál több csövezés szükséges, amely lehetőséget ad a hűtőközeg ”elszökésére”. Emellett ezeknek a rendszereknek az éves karbantartása hatóságilag kötelező.