Wärmepumpen nutzen die in den oberen Erdschichten gespeicherte Energie. Diese wird hauptsächlich durch Niederschlag und Sonneneinstrahlung aufgenommen. Der Wärmezufluss aus dem Erdinneren ist gering und beträgt nur ca. 0,05 - 0,15 W/m2; er ist vernachlässigbar. Durch die Speicherfähigkeit des Erdbodens schwankt die Bodentemperatur wesentlich weniger als die Lufttemperatur. Auch im Winter sinkt die Temperatur des Erdbodens ab etwa 1 m Tiefe in der Regel nicht unter 0 °C. 

Bei einer richtig geplanten Wärmepumpenanlage wird auch der Wärmeentzug aus dem Erdreich nicht dazu führen, dass die Wärmequellen-Temperatur deutlich unter den Gefrierpunkt fällt. Sole-Wärmepumpen, die das Erdreich als Wärmequelle nutzen, arbeiten deshalb mit guten Leistungszahlen und können hohe Jahresarbeitszahlen erreichen.

Dem Erdboden wird mit Hilfe von Erdwärmekollektoren oder Erdwärmesonden thermische Energie entzogen. Dabei wird die Energie entweder von einem Hilfskreis (Sole) oder direkt vom Kältemittel (Direktverdampfungsprinzip) an die Wärmepumpe übertragen.

Die Wärmespeicherung und der Wärmetransport im Erdreich werden im Wesentlichen vom Wassergehalt bestimmt. Durch Feuchtigkeit wird die Wärmeleitfähigkeit des Bodens verbessert. Je feuchter das Erdreich ist, umso größer ist die mögliche Entzugsleistung. Feste, feuchte Böden sind besser geeignet als trockene und sandige.

Flachkollektoren

→ Siehe Bild 

Hier werden PE-Kunststoffrohre (Sole) oder Kupferrohre (Direktverdampfung) waagrecht in ca. 30 cm Tiefe unter der Frostgrenze im Erdboden verlegt, mit einem Abstand von ca. 50 cm zueinander.

Sole-Kollektor

Eine Umwälzpumpe befördert Sole (Wasser mit Frostschutzmittel) durch die Erdwärmesonden. Dabei nimmt die Sole Wärme aus dem Untergrund auf und gibt sie in der Wärmepumpe ab und wird dabei wieder um 2K bis 4K abgekühlt.

Direktverdampfer

Im Gegensatz zum Sole-Kollektor wird beim Direktverdampfer das Arbeitsmittel der Wärmepumpe selbst durch den Kollektor geleitet, wo es "direkt" an der Wärme des Erdreichs verdampft und dabei Energie aufnimmt. Der Wärmeübergang auf die Sole entfällt dadurch, um diesen mit etwa 5 - 7°K ist der Direktverdampfer also im Vorteil. Dazu wird keine zusätzliche Pumpe benötigt, um das Arbeitsmittel (Kältemittel) in Bewegung zu bringen.

Vertikale oder radiale Erdwärmesonden mit Sole →Siehe Bild 

Dieses vertikale oder radiale Rohrsystem ist - in eine Bohrung abgeteuft - fest im Untergrund installiert. Die Bohrung muss, nachdem die Sonde eingebracht wurde, wieder mit einer hochwärmeleitenden Suspension (i.d.R. Thermozement) verfüllt werden. Die Bohrung muss von unten nach oben verpresst werden, damit der optimale Wärmeübergang vom Erdreich zur Sonde erreicht wird und keine Lufteinschlüsse und Hohlräume die Entzugsleistung verringern.

In der Praxis sind Erdwärmesonden mit Sole die am meisten genutzte Wärmequelle. Heute werden Kunststoffrohre -abhängig vom Resistenzgrad- mit den Materialien PE100, PE100-RC oder PE-Xa verwendet. Die vertikale Sonden bestehen meist aus einem doppelten U-Rohr mit einem Außendurchmesser (Da) 25, 32, 40 oder 50 mm pro Rohr.

Eine Umwälzpumpe befördert Sole (Wasser mit Frostschutzmittel) durch die Erdwärmesonden. Dabei nimmt die Sole Wärme aus dem Untergrund auf. An der Wärmepumpe wird die Sole um 2K bis 4K abgekühlt. Die Quellentemperatur an der Wärmepumpe beträgt in der Regel 0 °C. Bei entsprechender Auslegung ist es auch möglich, die Erdwärmesonden mit reinem Wasser zu betreiben.

Vertikale oder radiale Erdwärmesonden mit CO2 →Siehe Bild 

Im Gegensatz zu Solesonden (wie vor) wird beim CO2-System keine zusätzliche Pumpe benötigt, um das Arbeitsmittel in Bewegung zu bringen. Die CO2-Sonden sind Kupferrohre, die unten geschlossen sind. Durch die Erdwärme wird das CO2 dampfförmig und steigt selbstständig nach oben. Hier wird dem CO2 die Wärme direkt über die CO2-Wärmetauscher an das Kältemittel der Wärmepumpe übertragen. Das nun flüssige CO2 fließt an der Außenwand der Sonde wieder nach unten.

Luft/Wasser-Wärmepumpen

Luft als Wärmequelle hat den großen Vorteil, dass sie überall vorhanden ist und mit geringem Aufwand erschlossen werden kann. Es ist kein Genehmigungsverfahren notwendig.

Luft/Wasser-Wärmepumpen nutzen die in der Außenluft enthaltene Energie. Die Luft wird dazu durch einen Ventilator angesaugt, über den Verdampfer der Wärmepumpe geleitet und abgekühlt. An das Arbeits- bzw. Kältemittel der Wärmepumpe wird Energie abgegeben. Diese wird durch den Wärmepumpenkreislauf auf ein höheres Temperaturniveau gebracht und an den Heizwasserkreislauf übertragen.

Die Außenluft wird direkt durch den Verdampfer der Luft-Wärmepumpe geführt. Durch die Abkühlung der Luft fällt Feuchtigkeit aus und kann den Verdampfer vereisen. Der Verdampfer wird durch Kreislaufumkehr der Wärmepumpe bei Bedarf abgetaut. Um die Abtauung zu gewährleisten, ist ein Pufferspeicher in der Wärmepumpenanlage erforderlich. Dieser verlängert auch die Laufzeit der Wärmepumpe bei geringer Leistungsanforderung und verhindert dadurch zu häufiges Takten.

Bei den Luft-Wärmepumpen unterscheidet man unter folgenden·zwei Systemen

• Luftwärmepumpe in Kompaktbauweise →Kein Bild
• Luftwärmepumpe in Splitbauweise →Siehe Bild 

Grundwasser → Siehe Bild 

Wasser/Wasser-Wärmepumpen nutzen den Wärmeinhalt von Grundwasser, bestimmten Oberflächengewässern oder von Kühlwasser. Die Gerätetechnik ist einfach und bewährt.

Ist Grundwasser vorhanden, so sollte es als Wärmequelle verwendet werden, denn Grundwasser Wärmepumpen erreichen besonders hohe Leistungszahlen. Grundwasser verfügt das ganze Jahr hindurch über eine etwa gleichbleibende Temperatur von 7 bis 12 °C. Daher muss das Temperaturniveau, verglichen mit anderen Wärmequellen, nur relativ gering angehoben werden, um für Heizzwecke genutzt werden zu können.

Entnahme und Wiedereinleitung müssen in Grundwasserfließrichtung erfolgen, damit ein „Strömungskurzschluss“ ausgeschlossen werden kann. Zwischen Entnahme (Förderbrunnen) und Wiedereinleitung (Schluckbrunnen) sollte ein Abstand von ca. 10 bis 15 m eingehalten werden. Mit Hilfe einer Förderpumpe wird das Grundwasser zum Verdampfer der Wärmepumpe transportiert. Dort gibt es seine Wärme an das Arbeits- bzw. Kältemittel ab, das dabei verdampft. Das Grundwasser kühlt je nach Auslegung um bis zu 5 Grad ab, wird aber ansonsten in seiner Beschaffenheit nicht verändert. Anschließend wird es über einen Schluckbrunnen wieder dem Grundwasser zugeführt.

Grundwasser als Wärmequelle hat zwar den höchsten Einsparungseffekt, ist jedoch in vielen Gebieten nicht verfügbar. Deshalb wird bei der monovalenten Wärmepumpenheizung in der Regel Erdreich wegen seiner guten Verfügbarkeit als Wärmequelle genutzt.