Grunt oraz wody powierzchniowe zawierają nie ocenione ilości energii. Za pomocą pomp ciepła już przy głębokości od 1.5m możemy czerpać ilość energii, która zaspokoi nasze codzienne potrzeby ogrzewania. Cała energia pobrana z gruntu zostaje zregenerowana przez energię promieni słonecznych, której jest więcej niż Ziemia jest w stanie pochłonąć. Słońce dostarcza dokładnie 5000-krotnie więcej energii niż świat rocznie potrzebuje. W zależności od pory roku i głębokości temperatury gruntu mogą się wahać w przedziale od 4 do 8oC. Przy głębokościach powyżej 15m ustają ruchy termiczne gruntu zależne od pory roku, a temperatura jest stała w granicach 8-10oC. Na większych głębokościach grunt regeneruje się poprzez przepływające wody gruntowe, ciepło z wnętrza ziemi oraz ciepło dopływające z góry.
Mają zastosowanie w klimatyzacji, systemach centralnego ogrzewania, ogrzewania podłogowego, służą do podgrzewania wody użytkowej.
Zgodnie z wynikami badań zastosowanie pomp ciepła wykorzystujących grunt jako źródło energii pozwala w niektórych krajach na zmniejszenie emisji CO
2 w porównaniu do kotłów olejowych nawet o 90%, zaś w porównaniu do kotłów gazowych o 80%. To w jakim stopniu jesteśmy w stanie ograniczyć emisję CO
2 zastępując tradycyjne źródło ciepła pompą ciepła jest zależne od rodzaju paliwa wykorzystanego do produkcji energii elektrycznej. Ponieważ w Polsce nadal duży udział w produkcji energii elektrycznej mają paliwa kopalne (węgiel) emitujące dużą ilość CO
2 zastępując kocioł gazowy pompą ciepła nie redukujemy emisji CO
2. Patrząc na zagadnienie w perspektywie następnych lat (żywotność sprężarek w pompach ciepła wynosi do 20 lat) należy przypuszczać, że emisja CO
2 przy produkcji energii elektrycznej zostanie ograniczona, tak więc zastosowanie pompy ciepła przyczyni się do ograniczenia emisji. Poniższy wykres pozwala na oszacowanie stopnia emisji CO
2 w zależności od zastosowanego źródła ciepła.
Pompy ciepła działają tak jak lodówki, lecz w przeciwieństwie do nich wykorzystuje się tu nie zimną, lecz gorącą stronę obiegu termodynamicznego. Odpowiedni czynnik roboczy jest sprężany i rozprężany, przez co uzyskuje się pożądany efekt nagrzewania lub chłodzenia. Przykładowo, dla wytworzenia ciepła użytecznego odbiera się na niskim poziomie temperaturowym ciepło z wody gruntowej lub gruntu, poprzez odparowanie czynnika roboczego (gazu nieszkodliwego R407C) wrzącego w niskiej temperaturze. Tak więc pierwotnie ciekły czynnik roboczy opuszcza parownik (wymiennik ciepła po stronie kolektora gruntowego) w postaci gazu. Gaz ten zostaje sprężony przez sprężarkę i pod ciśnieniem ulega skropleniu w skraplaczu (wymiennik ciepła po stronie instalacji budynku) na wysokim poziomie temperatury, oddając ciepło skraplania i ciepło sprężania wodzie z instalacji grzewczej. Następnie pozostający nadal pod ciśnieniem czynnik roboczy ulega rozprężeniu w zaworze rozprężającym, przechodząc do części niskociśnieniowej i cały obieg rozpoczyna się od początku.
Pompa ciepła poprzez kolektory lub sondy gruntowe, odbiera ciepło z gruntu. Ponieważ w gruncie przez cały rok panują prawie niezmienne temperatury, pompa jest dalece niezależna od temperatury powietrza i może zapewnić pełne ogrzewanie, nawet w zimne dni.
Analizując energetyczną efektywność pomp ciepła należy porównywać skumulowane zużycie energii pierwotnej (zawartej w paliwach takich jak gaz, węgiel czy ropa) przez pompy ciepła ze skumulowanym zużyciem energii w urządzeniach grzejnych, które zastępują pompy ciepła. Tylko taka analiza daje pełen obraz jaki wpływ na środowisko naturalne ma zastosowanie poszczególnych odbiorników energii. Z poniższego rysunku wynikają wyraźne korzyści polegające na zwiększeniu efektywności wykorzystania energii zawartej w paliwie pierwotnym.
Pompa ciepła jest ekologicznym urządzeniem grzewczym, którego zasada działania opiera się na zjawiskach i przemianach fizycznych. W obiegu termodynamicznym pompy ciepła zachodzą w sposób ciągły cztery procesy:
- w parowniku czynnik roboczy ulega procesowi odparowania ( proces odbioru ciepła z otoczenia),
- w sprężarce sprężanie par czynnika,
- w skraplaczu za sprężarką czynnik o wysokiej temperaturze i ciśnieniu ulega procesowi skroplenia (oddawanie ciepła do systemu),
- w zaworze rozprężnym jest realizowany proces rozprężania i dozowania odpowiedniej ilości czynnika do parownika gdzie następuje ponownie proces odparowania.
Proces transportu energii cieplnej z ośrodka o niższej temperaturze do ośrodka o temperaturze wyższej możliwy jest dzięki energii elektrycznej dostarczanej z zewnątrz. Współczynnik efektywności (COP) pomp ciepła jest wskaźnikiem ilości jednostek energii uzyskiwanej z jednej jednostki energii elektrycznej dostarczonej (Dla pomp ciepła COP = Wydajność grzewcza/Energia elektryczna). W normalnych warunkach eksploatacyjnych pompy ciepła osiągają współczynniki sprawności rzędu od 2.5 do 4.5. Współczynnik ten jest tym wyższy, im mniejsza jest różnica temperatur pomiędzy temperaturą źródła, a odbioru. Dlatego pompy ciepła zaleca się stosować wyłącznie w układach grzewczych nisko temperaturowych (do 60°C).
>
Współczynnik sprawności pomp ciepła jest tym wyższy im mniejsza jest różnica temperatur pomiędzy źródłem a odbiorem.
Sprawność innych urządzeń takich jak np. kotłów nie ma fizycznie nic wspólnego ze sprawnością pomp ciepła. W fizyce sprawność ma zawsze wartość mniejszą od 1, gdyż nie istnieje perpetuum mobile. Przetwarzając energię z jednej postaci w inną (np. energię chemiczną paliwa w ciepło) nigdy nie otrzymamy więcej energii na wyjściu niż było na wejściu tego procesu. Natomiast w pompie ciepła energia cieplna otrzymywana na wyjściu nie pochodzi z dostarczanej energii elektrycznej, lecz jest pobierana z innego źródła (wody, gruntu lub powietrza). Dlatego COP jest bardziej wzmocnieniem niż sprawnością, by nie kusiło do porównywania rzeczy nieporównywalnych.
