Alle soorten warmtepompen nemen bij lage temperatuur warmte op die bij hoge temperatuur weer wordt afgegeven. Volgens de Tweede Hoofdwet van de thermodynamica gaat dat niet vanzelf, zodat er één of andere vorm van arbeid aan te pas moet komen.

De meest voorkomende soorten warmtepompen werken door een vloeistof bij lage temperatuur te laten verdampen en de damp bij hoge temperatuur te laten condenseren. In het eerste geval moet het kookpunt dus worden verlaagd en/of in het tweede geval worden verhoogd. Het kookpunt kan worden verhoogd door de druk te verhogen met een compressor (pomp), aan de andere kant kan het kookpunt weer worden verlaagd door de druk te laten zakken in een turbine of (meestal) smoorventiel.

Het geheel van verdampen, comprimeren, condenseren en expanderen vormt een gesloten kringloop voor het rondstromende koudemiddel maar niet voor de warmte en de arbeid: aan het systeem wordt netto arbeid toegevoerd (in de compressor), en er wordt warmte verplaatst van de verdamper naar de condensor. Daarnaast ontstaat er extra warmte, geluid en infraroodstraling; deze ongewenste bijproducten heten verlies en gaan ten koste van het rendement.

De eerste warmtepomp werd al in het begin van 20e eeuw te Zürich in gebruik genomen, maar die werd geen succes. Toen in de jaren ‘70 van de 20e eeuw de energiecrisis losbrak, werd de warmtepomp gezien als een mogelijk grote energiebespaarder. Er werd dan ook veel onderzoek gedaan naar mogelijke varianten. Daaruit ontstond onder andere de gasgestookte warmtepomp die, zoals de naam al suggereert, op aardgas werkt. Dit zou dan ook een goede toepassing zijn geweest op de toen opkomende aardgasindustrie.

Maar door de sterke daling van de energieprijzen in 1985 werden de meeste onderzoeken stopgezet. De warmtepompindustrie bleek ineens niet meer rendabel. Pas in 1990 begonnen de politici in te zien dat niet zo zeer het opraken van de energievoorraden een probleem was maar dat het milieu de stijgende vervuiling niet meer aankon. Daardoor werd het debat over de alternatieve energiebronnen weer aangeslingerd, en daarmee het onderzoek naar de warmtepomp. Dit werd mede gesteund door de stijgende energieprijzen en het bijbehorende financiële voordeel.

Een van de problemen was het gebruikte koudemiddel. De vroeger gebruikte middelen bleken giftig en een bijdrage te leveren aan de afbraak van de ozonlaag en/of aan het broeikaseffect. Een groot probleem bij de keuze van nieuwe middelen was de interactie met het gebruikte smeermiddel. Bij de opvolgers vallen onder meer CO₂ en alkanen (propaan, isobutaan).

Op dit moment is de commercialisering van bepaalde projecten volop aan de gang zodat de kostprijs van de installaties omlaag gaat. Dit kan, samen met een stijging van de energieprijzen, zorgen voor een kortere terugverdientijd.

De werking van een warmtepomp lijkt sterk op die van een koelkast. Bij een koelkast wordt door de verdamper warmte onttrokken aan de te koelen producten, en wordt dit via de condensor afgegeven aan de buitenlucht. Bij een warmtepomp wordt deze warmte onttrokken aan elementen van het milieu (bodem, lucht, water…) en naar het verwarmingssysteem gevoerd. Het kringproces van het koelmiddel gebeurt volgens eenvoudig natuurkundige wetten. De koelvloeistof, een vloeistof die reeds op lage temperatuur kookt, loopt in een kring en wordt achtereenvolgens verdampt, gecomprimeerd, gecondenseerd en ontspannen.

• Warmteopname uit de omgeving

De koelvloeistof in de verdamper (R407C, R134a, R290 enz.) staat onder lage druk. Het temperatuurniveau van de omgevingswarmte en de verdamper moet groter zijn dan van de koelvloeistof en zijn kookpunt. Mede door de lage druk kan het kookpunt onder de 0°C liggen. Dit temperatuursverschil zorgt ervoor dat er warmte van de omgeving naar de koelvloeistof zal vloeien en de vloeistof al snel gaat koken. Het koelmiddel is nu dus in gasvormige toestand.

• Temperatuursverhoging in de compressor

Het, nu gasvormige, koelmiddel wordt door de compressor aangezogen, bij een warmtepomp wordt meestal met een scroll-compressor gewerkt. Daar wordt het gasvormige koelmiddel sterk samengedrukt wat zorgt voor een sterke opwarming (denk maar aan de fietspomp). Daardoor kan de temperatuur van de werkvloeistof van zo een 5 °C naar maximum 65°C gebracht worden. Wel moet men hierbij rekening houden dat je rendement sterk verlaagt als er een hoog temperatuursverschil is. Het samendrukken zorgt immers voor het grootste deel van je energiefactuur. Men zorgt dus best voor een zo warm mogelijke warmtebron en een zo koud mogelijke werktemperatuur. Zodra de vloeistof de gewenste warmte bereikt heeft, wordt deze doorgestuwd naar de condensor.

• Warmteafgifte aan de verwarming

De temperatuur van het verwarmingswater moet lager zijn dan de condenseertemperatuur van de werkvloeistof. Daardoor wordt de damp afgekoeld en wordt hij vloeibaar. De in de verdamper opgenomen energie en de bijgevoegde energie van de compressor wordt afgegeven aan het water. Dit water kun je dan gebruiken voor de verwarming van je woning of een andere toepassing.

Ook elektronisch is het mogelijk warmte te verplaatsen met een Peltier-element.

In de techniek wordt vaak een onderscheid gemaakt tussen warmtepompen en koelmachines. Warmtepompen worden gebruikt om warmte terug te winnen of bijvoorbeeld een huis te verwarmen. Koelmachines worden gebruikt om ruimten te koelen.

Een merkwaardige eigenschap van warmtepompen is dat met een bepaalde hoeveelheid energie, in de vorm van arbeid, een grotere hoeveelheid warmte-energie kan worden verplaatst dan er aan arbeid is verricht. Hierdoor kunnen ze een rendement (COP, Coëfficiënt Of Performance) hebben dat hoger is dan 100%. Dit rendement wordt daarom COP genoemd. Dit begrip werd in het leven geroepen om de verschillende warmtepompen te kunnen vergelijken. Men mag het in geen geval bekijken als een thermodynamisch rendement. Het hierboven vermelde rendement van meer dan 100% is dan ook niet thermodynamisch bekeken maar slaat op de COP. Verder in dit artikel wordt dit begrip nader bekeken.

COP is de afkorting voor coefficient of performance. Het geeft de verhouding weer tussen de hoeveel-heid afgegeven warmte tegenover de hoeveelheid verbruikte energie.
Deze energie wordt bij de warmtepomp gebruikt door de compressor.

Hierbij is Q de bruikbare hoeveelheid warmte geleverd door de condensor van de warmtepomp en W de hoeveelheid energie die verbruikt is door de compressor.

Volgens de eerste wet van de thermodynamica geldt: Q_warm = Q_koud + W en dus  W = Q_warm − Q_koud.
Hierbij is Q_warm de warmte is die door het warmtereservoir is afgegeven en Q_koud de warmte die is opgeslagen in het koudereservoir.

Als men nu W vervangt vindt men:

 


Het kan aangetoond worden dat

  en dus  ,

Hierbij zijn T_warm en T_koud de temperaturen van het warme en het koude reservoir.

Daaruit volgt:

net zoals,

 

Er kan ook aangetoond worden dat COP_koelen = COP_verwarming − 1