Принцип функціонування теплового насоса є простим і гранично зрозумілим. Він являє собою зворотний цикл холодильної машини. Теплонасос, відбираючи теплоту, наприклад, з повітря зовнішнього оточення будинку або будь-якої іншої частини простору, за рахунок стиснення виконує додатковий нагрів теплоносія в компресорі, після чого віддає в приміщення високопотенційну теплоту.

Ідею створення теплового насоса приписують відомому і зробив великий внесок в науку британському інженеру і фізику Вільяму Томсону, що був лордом Кельвіном. Ще в далекому 1852 році він поділився ідеєю «умножителя тепла», що представляє собою, по суті, схему відтворення теплонасосної системи. На той момент це був повітряний тепловий насос, але в XX було внесено пропозицію, яке згодом виявилося дуже вдалим. Згідно з ним, для контуру «відбору» тепла стали використовуватися водяні і грунтові теплообмінники. Це свідчить про те, що тепловий насос здатний відбирати тепло практично звідусіль – з землі, водойми, просто з повітря. А потім він передає його далі з метою підігріву теплоносія. Насос також успішно справляється і з охолодженням. Якщо, наприклад, необхідно охолодити будинок в жарку пору року, запускається зворотний процес. Тепловий потік йде в інший бік, завдяки чому викид зайвого тепла відбувається в підземний водоносний шар, в грунт, водойма або просто в навколишнє повітря. Виходить, що такий «реверсивний» тепловий насос досить вигідний за рахунок своєї універсальності. Адже в зимовий період він може нагріти воду для системи опалення та гарячого водопостачання, а в літній – відмінно охолодити будинок.

Буквально з самого початку реалізації ідеї теплового насоса на практиці інженери боролися за ефективність таких агрегатів. Вона обчислюється у вигляді «коефіцієнта перетворення» (з англ. Мови – Coefficient of Performance або COP). Він демонструє, які необхідні витрати енергії на збір, передачу і виділення тепла в порівнянні з тим, скільки збирається ззовні теплова енергія. Наприклад, показник COP, рівний 4, означає, що насос корисного тепла переносить в чотири рази більше, ніж витрачає електроенергії на свою роботу.

Теплові насоси, які мають відносно нормальної працездатністю, експлуатуються з середини XX століття. Але саме в наш час вони отримали досить широке поширення. І це завдяки актуальності проблем енергоефективності та необхідності скорочення витрат на органічне мінеральне паливо.