Toplotna črpalka je tehnološko izpopolnjen sistem, prilagojen koriščenju obnovljivih virov energije. Prednost njihovega delovanja pa je v zmožnosti odvzemanja toplote iz okoliškega zraka, podtalne vode ali zemljine.
Toplotna črpalka je sestavljena iz uparjalnika, ki odvzema toploto okolice (vode, zraka, zemlje), v njem se pri nizki temperaturi uplini delovna snov (hladivo), ki nato potuje v kompresor. Ta paro stisne in jo dvigne na višji tlačni in temperaturni nivo. Vroča para v kondenzatorju kondenzira in pri tem oddaja kondenzacijsko toploto ogrevanemu mediju.
Delovna snov nato potuje preko ekspanzijskega ventila, kjer se ji zniža tlak nazaj v uparjalnik in proces se ponovi. Vsa toplota pridobljena iz okolice je brezplačna. Da jo iz nizkotemperaturnega nivoja dvignemo na višji temperaturni nivo, je potrebno vložiti nekaj energije. Tako je za delovanje toplotne črpalke potrebna električna energija za pogon agregata. Razmerje med plačano energijo (elektriko) in brezplačno energijo (pridobljeno iz okolice) je običajno od 1/3 do 1/5.
Razmerje med pridobljeno toplotno energijo in vloženim delom imenujemo grelno število ali COP. Njegova vrednost je odvisna od vrste toplotne črpalke in vira okoliške toplote. Letna grelna števila znašajo v povprečju 3 do 5 in tudi več.
Poznamo tri osnovne izvedbe toplotnih črpalk glede na medij (okolico), ki ga hladimo in medij, ki ga ogrevamo. Tako poznamo sisteme toplotnih črpalk zrak/voda, voda/voda, zemlja/voda. Pri označevanju tipa toplotnih črpalk se na prvo mesto postavlja vir, kateremu odvzemamo toploto, na drugo mesto pa medij, ki ga grejemo.
Toplotna črpalka za svoje optimalno delovanje potrebuje dobro izolacijo objekta in kvalitetna okna
Ogrevalni sistem v svoji osnovi zagotavlja vnos energije, ki je stavba ni sposobna zadržati. To pomeni, da dejansko nadomešča izgubljeno toplotno energijo stavbe. Toplota v stavbi se izgublja preko zunanjega oboda ter s prezračevanjem. Pri dobro izoliranih hišah velik del porabe predstavlja tudi ogrevanje sanitarne vode. Zato je potrebna letna energija za ogrevanje odvisna predvsem od karakteristik stavbe torej od specifičnih toplotnih izgub objekta ter lokacije objekta. Lokacija objekta je popisana s številom ur delovanja ogrevalnega sistema. Prištejemo tudi povprečno energijo potrebno za ogrevanje sanitarne vode na osebo.
Začetni stroški investicije so pri samih sistemih in njihovih povračilnih dobah zelo pomemben faktor. Pri novogradnjah je velika investicija dimnik ter prostor za shranjevanje kuriva, kar pri sistemu s toplotno črpalko odpade.
Letno grelno število (COP) je zelo odvisno od energenta in sistema ogrevanja. Pri talnem ogrevanju so grelna števila zelo visoka , pri radiatorskem ogrevanju pa manjša saj so vstopne temperature vode v sistem bistveno višje.