Tepelné čerpadlo si môžeme predstaviť ako zariadenie, ktoré s pomocou pridaného malého množstva energie dokáže premeniť všadeprítomné, nevyužiteľné, tzv. entropické teplo na využiteľné, formou zvýšenia teploty o niekoľko až niekoľko desiatok stupňov (kelvinov).
Toto zvyšovanie teploty využíva vlastnosti termodynamického cyklu vyparovania, kompresie a kondenzácie chladiva, ktoré cirkuluje v uzavretom okruhu.
Princíp je znázornený na obrázku:
Chladivo v kvapalnej fáze prijíma energiu prostredníctvom výparníka zo zdroja tepla. Zdrojom môže byť voda, vzduch, alebo zem. So zvyšujúcou sa teplotou sa chladivo vyparuje do plynnej fáze.
Odparené, avšak ešte studené chladivo v plynnej fáze sa pomocou kompresora stláča a tým zvyšuje svoj tlak a teplotu. Chladivo vystupuje z kompresora ako tzv. horúci plyn.
Horúci plyn vstupuje do kondenzátora, kde odovzdáva svoju energiu do sústavy kúrenia a odchádza z kondenzátora ako teplé chladivo v kvapalnej fáze. Kúrenárska, alebo úžitková voda sa tým zohrieva na žiadanú teplotu.
Teplé chladivo v kvapalnej fáze sa vedie potrubím k expanznému ventilu, kde sa odrazu zníži tlak. Tým sa taktiež zníži náhle aj teplota chladiva. Ďalej sa chladivo vedie do výparníka, kde rozdielom teplôt odoberá energiu z okolitého priestoru. Tento cyklus sa neustále opakuje.
Koeficient účinnosti tepelného čerpadla (COP) udáva pomer medzi výstupným výkonom a vstupným príkonom tepelného čerpadla. Napríklad koeficient účinnosti 4 znamená, že ak dodáme do systému 1 kW elektrickej energie, na výstupnej strane dostaneme 4 kW tepelného výkonu. Tým získame bezplatne 3 kW energie zo Slnka a okolitého prostredia.