Принцип роботи теплового насосу відображений в циклі Карно, опублікованому в 1824 р. у його дисертації, та загальновідомий з шкільного курсу фізики. Практичну теплонасосну систему запропонував лорд Кельвін у 1852 р. під назвою „помножувач тепла”. Принципова схема зображена на малюнку

Відповідно до зображеного принципу дії, тепловий насос бере теплову енергію з одного місця, переносить (перекачує) її, та віддає у інше місце.

Наприклад, у звичайному холодильнику тепло відбирається морозильною камерою з холодильника та викидається у кухню, при цьому задня поверхня холодильника стає гарячою.

У реверсивних кондиціонерів, працюючих на опалення, розташований ззовні будинку блок відбирає тепло з повітря та віддає внутрішньому блоку в будинок. Але, при температурах повітря біля плюс п`яти градусів Цельсія, зовнішній блок починає вкриватись ожеледдю та льодовою кригою з конденсату повітря, що зменшує ефективність теплопередачі. Для видалення льоду кондиціонер починає періодично опалювати зовнішній блок електроенергією, при цьому потужність опалення падає, витрати електроенергії зростають. При подальшому зниженні температури ефективність опалення на кондиціонерах стає близькою нулю, кондиціонер зупиняється.

При опаленні геотермальними теплонасосами, попросту кажучи, зовнішній блок закопується у ґрунт або занурюється у водойму поряд з будинком. При цьому, незалежно від температури повітря на подвір`ї, зовнішній блок залишається вільним від льоду, ефективність теплопередачі залишається високою.

Принцип дії опалення геотермальними теплонасосами ґрунтується на зборі тепла з ґрунту або води, і передачі зібраного тепла опаленню будинку.

Для збору тепла незамерзаюча рідина тече по трубі, розташованій у ґрунті або водоймі біля будинку, і надходить до теплового насосу. Теплонасос, подібно холодильнику, охолоджує незамерзаючу рідину (відбирає тепло), при цьому рідина охолоджується орієнтовно на 5 °С. Рідина знову тече по трубі у ґрунті або воді, відновлює свою температуру і надходить до теплонасосу. Відібрані тепловим насосом градуси передаються системі опалення та/або на підігрів гарячої води.

Можливо відбирати тепло у підземної води – підземна вода з температурою біля 10 °С подається зі свердловини до теплонасосу, який охолоджує воду до +1…+2°С, і повертає воду під землю.

При кондиціонуванні геотермальний тепловий насос працює у зворотному напрямку, переносячи тепло з будинку в ґрунт або водойму.

Теплова енергія є в будь-якого предмету, що має температуру вище за мінус двісті сімдесят три градуси Цельсія. Тобто тепловий насос може відібрати тепло у будь-якого предмету – землі, водойми, льоду, підземної скали, води тощо.

В кліматичних умовах України для опалення будинку енергія береться з ґрунту (або водойми) та віддається до системи опалення будинку. Якщо ж будинок, наприклад влітку, потрібно охолоджувати, то відбувається зворотній процес – тепло забирається з будинку та скидається у землю (водойму). Той самий тепловий насос може працювати взимку на опалення, а влітку на охолодження будинку. Вочевидь, що тепловий насос одночасно може виконувати витікаючи функції – гріти воду для гарячого водопостачання, кондиціонувати, гріти басейн, охолоджувати наприклад льодовий каток, підігрівати дахи і доріжки від льоду тощо. Тобто єдиний пристрій може взяти на себе усі функції по тепло-холодопостачанню будинку або комплексу будівель.

Обмін теплом із навколишнім середовищем геотермальні теплові насоси здійснюють такими основними способами:

– насос з відкритим циклом – з підземного потоку (пливуна) забирається чиста вода, подається до розташованого в будинку теплового насосу, вода віддає/забирає тепло у теплового насосу, і повертається до підземного потоку на відстані від міста забору. Плюсом такого способу є можливість одночасного використання підземної води для водопостачання будинку. Такі системи є дуже ефективними, адже температура підземної води є відносно високою і цілорічно стабільною. Використання підземної води не шкодить ґрунтовим водам, не змінює рівня ґрунтових вод у водному горизонті, оскільки відкриту систему можна розглядати як сполучені посудини, де вода, відбираєма з однієї свердловини, повертається на своє місце через другу свердловину. Коректно, у відповідності з нормативами споруджені свердловини забезпечують безпечну для оточуючої природи стабільну роботу системи опалення.

– насос з закритим циклом і водорозташованим теплообмінником – спеціальна рідина (теплоносій) прокачується по колекторам (трубкам), що знаходяться у водоймі, та віддає/забирає тепло у водойми. Будинки доцільно опалювати енергією відкритої водойми в тому випадку, якщо будинок знаходиться від водойми ближче 100 метрів, і глибина водойми, а також берегова лінія відповідає вимогам, потрібним для облаштування колектору. Плюсом такого способу є відносна дешевизна.

Розподілені на поверхні озера колектори (трубки) перед заповненням теплоносієм та зануренням їх на дно.

– насос з закритим циклом і горизонтальним теплообмінником, розташованим у ґрунті – трубки, в яких прокачується теплоносій, розташовані горизонтально на глибині не менш одного метра від поверхні ґрунту. Такий теплообмінник зазвичай звуть поверхневим колектором. Головною загрозою є необережність при проведенні землекопних робіт у зоні находження поверхневого колектора. Для сучасного будинку з опалювальною площею в 200 м2 під колектор потрібно біля 500 м2 поверхні ґрунту. При облаштуванні колектору поблизу дерев трубу колектора не слід укладати ближче, ніж 1,5 метра від крони. Правильно обраний по розмірам і правильно укладений ґрунтовий колектор не впливає на ріст рослин та екологічні умови.

– насос з закритим циклом і вертикальним теплообмінником – трубки, в яких прокачується теплоносій, розташовані вертикально у ґрунті та спрямовані у глибину землі до 200 метрів (зазвичай 50 – 100 метрів). Такий теплообмінник зазвичай звуть зондом. Як відомо, на глибині 15-20 м від поверхні земля має стабільну температуру 10-12 градусів Цельсія незалежно від пори року. Із збільшенням глибини температура землі підвищується. Цей спосіб забезпечує найбільш високу ефективність роботи теплонасосу, малі витрати електроенергії та дешеве тепло – 1 кВт електроенергії забезпечує до 5 кВт теплової енергії, але має більші початкові капіталовкладення.

Теплові насоси, що забирають/віддають тепло з землі або води, в Європі зазвичай звуть “геотермальні теплові насоси”, або англійською «geothermalheatpumps» – «GHP». Всі зображені вище способи використовують GHP. В деяких країнах такі теплові насоси мають інші назви. Наприклад у Великобританії до GHP відносять лише насоси з вертикальним теплообмінником, а інші способи звуть “землерозташованими”, “ґрунтовими” або “сонячними” теплонасосами. У Західній Україні “теплові насоси” інколи звуть “теплові помпи”. Різниця у назвах не змінює суті роботи геотермальних теплових насосів/помп.