Внутри теплового насоса теплоноситель (хладагент), проходя через теплообменник, называемый испарителем, отдает собранное из окружающей среды (воздуха, воды водоемов и т.п.) тепло во внутренний контур теплового насоса. Внутренний контур теплового насоса заполнен хладагентом (к примеру, фреоном), который, имея очень низкую температуру кипения, проходя через испаритель, переходит из жидкого состояния в газообразное. Из испарителя газообразный хладагент, имея температуру примерно 5 °С попадает в компрессор, где сжимается до высокой температуры и давления. Далее сжатый и горячий газ поступает во второй теплообменник (конденсатор), где происходит теплообмен между горячим газом и теплоносителем из трубопровода отопления дома. Таким образом, тепло от низкопотенциального теплоносителя перешло в теплоноситель системы отопления. Весь процесс похож на работу бытового холодильника, с которым большинство из нас сталкивается у себя дома каждый день. Поэтому часто тепловой насос называют холодильником "наоборот".

Работа теплового насоса в режиме подогрева воздуха

Низкотемпературной стороной (испарителем) является теплообменник (4). Тепло воды в нем по трубопроводу (6) передается рабочему телу теплового насоса (хладагенту), после сжатия которого в компрессоре (5) тепло передается воздуху в конденсаторе (1).
Подвод тепла производится водой с температурой от 4 °С до +32 °С, максимальная эффективность обеспечивается при температурах в диапазоне 15 - 30 °С. При таком температурном режиме современные ТНУ требуют электроэнергии в 3 - 6 раз меньше величины передаваемого тепла.

Работа теплового насоса в режиме охлаждения воздуха

Управляющий клапан (3) изменяет направление движения хладагента в тепловом насосе, тепловой режим и функции теплообменников (1 и 4) и тепло отводится по трубопроводу водой.
В режиме подогрева воздуха низкотемпературной стороной (испарителем) является теплообменник, в нем тепло воды (6) передается рефрижеранту, после сжатия которого в компрессоре, тепло на более высоком уровне передается воздуху в конденсаторе. В режиме охлаждения за счет переключения реверсивного клапана (3), теплообменники  меняются функциями.