Тепловые насосы представляют собой естественный природный источник тепловой энергии, который имеет как экономические, так и экологические преимущества по сравнению с традиционными системами, использующими только углеродосодержащее топливо. Как показывают расчёты специалистов, использование тепловых насосов для систем отопления связано с значительным увеличением начальных капитальных затрат по сравнению с обычными системами, использующими традиционные отопительные теплогенераторы. Однако в течение короткого периода эксплуатации этих систем суммарные затраты на владение (total cost ownership) снижаются примерно в 3-5 раз и продолжают дальнейшее снижение с течением времени.Кроме того, использование тепловых насосов взамен сжигания традиционных энергоносителей позволяет существенно уменьшить эмиссию углекислого газа, угарного газа и окислов азота в окружающую атмосферу. Часто системы с применением тепловых насосов используются в качестве комбинированных установок, которые зимой используются для обогрева, а летом выполняют роль воздухоохладителей.

Наиболее эффективно применение тепловых насосов в низкотемпературных отопительных системах. Это относится к панельным системам отопления с устройством нагревательных змеевиков и регистров в полу или в стеновых перегородках. Такие системы хорошо сочетаются и с использованием солнечных коллекторов. Поэтому очень часто применяют комбинированные системы, включающие тепловые насосы и солнечные коллекторы. В этих системах температура подающей воды в отопительной сети обычно находится на уровне 50°С.

В качестве среды в цикле теплового насоса могут быть использованы воздух, вода или земля. Выбор этой среды делается на основе технико-экономического расчёта и возможности полноценного использования данной среды. Характерные данные по стоимости 1 кВт-ч тепловой энергии, полученной при сжигании различных видов топлива и при использовании тепловых насосов, приведены в материалах фирмы Waterkotte (Германия). Так, например, при сжигании древесных отходов это составляет 4 цент/кВт-ч, при сжигании газа – 6 цент/кВт-ч, а при сжигании жидкого топлива до 8 цент/кВт-ч. В то же время при применении воздушных тепловых насосов эта стоимость в среднем равна 3,4 цент/кВт-ч. Характерно, что стоимость энергии, генерируемой тепловыми насосами, использующими грунт, составляет лишь 2,5 цент/кВт-ч.

Как видно из этих данных, наиболее экономически эффективными следует считать тепловые насосы, в которых источником энергии служит грунт, который на определённой глубине имеет практически почти постоянную температуру в течение всего года. Поэтому «грунтовые» тепловые насосы можно зимой включать на режим отопления дома, а летом в реверсивном режиме они могут работать на его охлаждение. Например, схема теплоснабжения жилого дома оснащена установкой теплового насоса и солнечной системой. На приусадебном участке в скважине глубиной до 100 м установлен теплообменник, соединённый с холодильной машиной. По этому теплообменнику циркулирует солевой незамерзающий раствор. В испарителе холодильной машины происходит передача тепла от этого раствора, в результате чего происходит испарение хладагента марки R410A. Затем за счёт сжатия в компрессоре полученное тепло передаётся конденсатору холодильной машины, расположенному в баке-аккумуляторе горячей воды. К этому баку подключена и солнечная система. От аккумулятора происходит питание горячей водой панельной системы отопления и горячее водоснабжение дома. Здесь применена низкотемпературная система отопления с параметрами воды 40-30°С. Температура первичного источника тепловой энергии, то есть подземного грунта находится в пределах от -5 до +20°С. Тепловая мощность этих систем находится в пределах от 6 до 16 кВт. При этом расход электроэнергии составляет от 1,3 до 3,6 кВт. Таким образом, коэффициент преобразования энергии (СОР) составляет от 4,3 до 4,5, то есть на каждый киловатт затраченной электрической энергии получается около 4,5 кВт тепловой энергии. Такие системы могут в летний период работать на охлаждение помещений. С этой целью холодильная машина переключается на работу в реверсивном режиме. При этом по трубам панельного отопления циркулирует холодная вода, которую используют также в воздухоохладителях. Производительность этих систем по холоду составляет от 3,8 до 8,5 кВт. При наличии большей площади приусадебного участка можно вместо скважины использовать трубчатый коллектор, по которому циркулирует солевой незамерзающий раствор. Такой коллектор закапывается в грунт на глубину 1,2-1,5 м. По данным фирмы, коллектор площадью поверхности около 250 м2 достаточен для теплового насоса мощностью 8 кВт. В качестве таких коллекторов фирмой Nibe предложены регистры в виде матов, изготовленных из тонких полипропиленовых трубок.

Если в районе строительства здания на небольшой глубине наблюдаются подземные воды, то довольно часто применяют системы с водо-водяными тепловыми насосами. В такой системе используются две сравнительно неглубокие скважины. Из первой скважины отсасывается вода, поступающая в холодильную машину теплового насоса. После охлаждения в испарителе эта вода направляется во вторую скважину. Полученная энергия переводится в конденсаторе теплового насоса в горячую воду, поступающую в отопительную сеть и на горячее водоснабжение. Применение таких систем с водо-водяными тепловыми насосами экономически оправдано при температуре подземных вод в пределах от +7 до +20°С. При температуре подземной воды +10°С вода, поступающая в отопительную сеть, может достигать 60°С. Фирма Stibel Eltron поставляет такие системы тепловой мощностью от 7 до 17 кВт. При этом расход электроэнергии на эти системы находится в пределах от 1,3 до 3 кВт. В результате коэффициент преобразования энергии (СОР) достигает значения 5,5. В подсобном помещении дома могут быть размещены установки теплового насоса и аккумулятора горячей воды.

Вместе с тем упомянутой фирмой Nibe выпускаются установки, в которых тепловой насос агрегирован вместе с аккумулятором горячей воды. В нижнем отсеке такого агрегата установлена холодильная машина, состоящая из испарителя, конденсатора, компрессора и дроссель-вентиля. В холодильной машине используется хладагент марки R407C. По испарителю циркулирует вода из грунтовой скважины, а по конденсатору вода, поступающая в отопительную сеть. В верхнем отсеке установлены два сосуда. Один сосуд выполняет функцию аккумулятора тепла для системы отопления, а второй сосуд, размещённый внутри первого, предназначен для аккумуляции воды для горячего водоснабжения. Циркуляция воды в отопительной сети происходит с помощью встроенного в агрегат насоса через трёхходовой вентиль, с помощью которого происходит автоматическое подмешивание воды из аккумулятора и через конденсатор. В эту сеть включён также электронагревательный патрон, обеспечивающий дополнительный догрев воды. В аккумулятор вместимостью 160 л холодная вода поступает из водопровода, и после нагревания она направляется на горячее водоснабжение. Максимальная температура горячей воды в аккумуляторе, с которой она подаётся в отопительную сеть, составляет 65°С. Тепловая мощность отопительной системы таких агрегатов находится в пределах от 5,2 до 12,5 кВт, а коэффициент преобразования энергии (СОР) равен 5. Мощность дополнительного электрона нагревательного патрона составляет 6 кВт.
Аналогичные установки теплового насоса, агрегированного с аккумулятором тепла, разработаны фирмой AutoTerm. Агрегаты этой фирмы выпускаются тепловой мощностью от 6 до 16 кВт с коэффициентом преобразования энергии (СОР) около 4. В некоторых подобных агрегатах используют другое конструктивное решение. В них в нижней части располагается аккумулятор горячей воды, а в верхнем отсеке установлен тепловой насос с испарителем, конденсатором и компрессором. Наряду с водо-водяными на мировой рынок поступают и водо-воздушные тепловые насосы. В частности, фирмой Bartl разработана целая гамма водо-воздушных тепловых насосов различного конструктивного исполнения. Например, тепловой насос может быть размещен в подвале жилого дома, а воздушный испаритель холодильной машины может находиться снаружи.