Pompa ciepła składa się z dwóch wymienników cieplnych - parownika i skraplacza, sprężarki, zaworu rozprężnego oraz chłodziwa, które krąży w przewodach układu. Urządzenie zawiera też kolektor, niezbędny do pobrania ciepła ze źródła znajdującego się na niższym poziomie temperaturowym, oraz system rozprowadzający i magazynujący ciepło "skondensowane" (rycina 7.1). Przyjrzyjmy się funkcji poszczególnych elementów pompy.

Pompa ciepła czerpiąca ciepło z gruntu

Trudno jest ocenić potencjał energii z otoczenia, która może być wykorzystana przez pompy ciepła dla celów ogrzewania gospodarstw domowych. Środowisko może być traktowane jako źródło ciepła dla pompy ciepła, dzięki wykorzystaniu:

• powietrza,
• wód powierzchniowych: rzek, jezior,
• energii słonecznej,
• gruntu - gleby,
• wód podziemnych - warstw wodonośnych,
• wód geotermalnych.

Przy poborze danego rodzaju energii odnawialnej (źródła) przez pompę ciepła bierzemy pod uwagę następujące aspekty:

• dostępność i moc źródła,
• czy potencjał źródła jest zgodny z potrzebami użytkownika?
• pojemność źródła,
• niski koszt pozyskania, konwersji oraz przesyłania energii,
• stała i możliwie najwyższa jakość źródła,
• zużycie lub pozyskanie energii nie powinno zakłócać naturalnej równowagi energetycznej źródła lub środowiska
• problemy ekologiczne.

Biorąc pod uwagę dostępność, powietrze atmosferyczne jest źródłem najlepszym. Niestety nie odpowiada ono zapotrzebowaniu na energię cieplną. Przy najwyższym zapotrzebowaniu na ciepło (zima) temperatura powietrza jest najniższa. Kiedy temperatura spada poniżej 30C, powierzchnia parownika może ulec zalodzeniu. Dane zamieszczone w tab.1 wyraźnie wskazują, że w polskich warunkach klimatycznych stanowi to poważny problem. Powstawanie warstewki lodu pogarsza przewodzenie ciepła, a w niskich temperaturach powoduje niską wydajność cieplną pompy. Dlatego w takim przypadku należy rozważyć zastosowanie innych, alternatywnych źródeł ciepła

Choć woda powierzchniowa nie wszędzie jest dostępna, z termicznego punktu widzenia stanowi nieco lepsze źródło ciepła, niż otaczające powietrze, ponieważ jej współczynnik przewodzenia ciepła jest lepszy i mniej zależny od zmian pogodowych. Jednak temperatura wody powierzchniowej także pozostaje pod wpływem wahań temperatury otoczenia, wobec czego niezbędne jest zastosowanie innych źródeł energii. W najzimniejszym okresie roku średnia temperatura wody w polskich rzekach zawiera się w przedziale 0-30C. Przeciętna temperatura wody w jeziorach, zależnie od głębokości, wynosi w tym samym okresie ok. 0-40C. Na zbiorniku może również powstawać pokrywa lodowa. Stąd zastosowanie wód powierzchniowych jako źródła ciepła wymaga wykonania wielu szczegółowych analiz dla danej lokalizacji. Na ogół wody powierzchniowe mogą być wykorzystane jako źródło ciepła przez pompy ciepła na średnią lub dużą skalę.

W Polsce okres "obfitości" energii słonecznej nie pokrywa się z okresem zapotrzebowania na tę energię dla celów grzewczych. Możliwości wykorzystania energii słonecznej są największe latem, zimą natomiast jej ilość jest bardzo ograniczona. Jedynym sposobem wykorzystana jej do ogrzewania w sposób wydajny jest sezonowe gromadzenie jej latem do późniejszego zużycia zimą. Odpowiednim rozwiązaniem jest tutaj podziemny system magazynowania energii słonecznej. Jeśli jest dobrze zaprojektowany, działa bez potrzeby zasilania tradycyjnym, pomocniczym źródłem energii. Podziemny system gromadzenia energii słonecznej, w połączeniu z pompą ciepła, może być wydajnie stosowany do ogrzewania budynków mieszkalnych w domach wielorodzinnych oraz w budynkach szeregowych.

Grunt jest właściwym źródłem ciepła dla pompy ciepła w małoskalowych, niskotemperaturowych systemach grzewczych. Sezonowe wahania temperatury gruntu są dużo niższe, niż temperatury otoczenia, nawet na niewielkiej głębokości. Poniżej 10 m temperatura osiąga niezmienną wartość 100C. W Polsce gleba zamarza do głębokości 1 m, a w ostatnich latach nawet do 1,5 m. Sprawia to, że korzystniejsze w użyciu od poziomych są pionowe gruntowe wymienniki ciepła. Jeśli zapotrzebowanie na ciepło jest wysokie, zaleca się dodatkowe dogrzewanie, np. za pomocą energii słonecznej, jak wspomniano wyżej, bądź ciepłem pozyskiwanym przy rozkładzie odpadów. Ziemne systemy pomp ciepła mogą działać bardzo wydajnie i są warte polecenia w polskich warunkach klimatycznych.

Woda gruntowa również może być stosowana jako źródło ciepła pompy ciepła. Na ogół na głębokości poniżej 10 m jej temperatura jest stała i stosunkowo wysoka. Należy zaznaczyć, że woda wypływająca z parownika musi być odpompowana z powrotem do gruntu, by nie spowodować obniżenia poziomu wody gruntowej. Powinno być to wykonane w pewnej odległości od miejsca jej poboru. Bardzo istotna jest tutaj czystość wody. Większość płytkich źródeł wody gruntowej może być wykorzystana do celów grzewczych na małą lub średnią skalę. Dobrym zbiornikiem wody jest warstwa wodonośna. Jeśli jest odpowiednia dla celów przechowywania energii, stanowi doskonałe rozwiązanie dla ogrzewania bezpośredniego lub poprzez pompę ciepła na większą skalę (zależnie od temperatury wody i przepływu ciepła przez warstwę wodonośną).