Systemy grzewcze z wykorzystaniem pomp ciepła bazują na energii słonecznej, zbieranej i magazynowanej w naturalnych kolektorach takich jak grunt, woda gruntowa lub powietrze. Ogrzewanie pompą ciepła polega na pobieraniu ciepła z kolektora zwanego źródłem dolnym i przekazywania go do źródła górnego, czyli do poszczególnych pomieszczeń budynku. Wykorzystanie ciepła zawartego w powietrzu w naszych warunkach klimatycznych nie ma praktycznego zastosowania, natomiast najczęściej wykorzystywanym dolnym źródłem ciepła jest woda gruntowa. Taki system nosi nazwę woda-woda, gdyż ciepło pobierane z wody gruntowej jest przekazywane w pompie ciepła wodzie, krążącej w układzie zamkniętym ogrzewania podłogowego. W systemie woda-woda konstruuje się dwie studnie, z których jedna służy do poboru wody gruntowej a druga do odprowadzenia wody schłodzonej. System woda-woda jest najtańszym rozwiązaniem, ale nie zawsze warunki gruntowo-wodne są korzystne dla wyboru tego systemu. Przyczyną może być głęboki poziom lustra wody gruntowej, co zmusza do prowadzenia głębokich wierceń i stosowania pomp głębinowych oraz zła jakość wody, która może znacznie skrócić żywotność pompy. Ograniczeniem dla systemu jest także możliwość degradacji studni po około 15-20 latach.
Alternatywnym systemem jest system grunt-woda z kolektorem poziomym, spiralnym lub pionowym. Wymaga on budowy kolektora ziemnego, którym jest rura o długości do 300m, wypełniona solanką i ułożona płasko, spiralnie lub pionowo w gruncie. Kolektor płaski wykonuje się z calowych rur PE, układanych w wykopie poniżej strefy przemarzania. Kolektor płaski zajmuje powierzchnię od 1,5 do 5 razy większą niż powierzchnia domu. Innym rozwiązaniem jest budowa kolektora spiralnego, który powstaje ze spiralnie ułożonych rur w rowach o szerokości minimum 80cm, przy zachowaniu odległości pomiędzy rowami nie mniejszej niż 3m. Kolektor spiralny zajmuje praktycznie taką samą powierzchnię działki co kolektor płaski. W przypadku niewielkiej powierzchni działki najskuteczniejszym rozwiązaniem jest kolektor pionowy. Kolektor taki składa się z rur zagiętych w kształcie litery U, wprowadzonych do odwiertów wykonanych w gruncie na głębokość od 30 do 150m. Z 1m odwiertu można uzyskiwać 30-100W energii cieplnej. Wynika stąd, że dla domu o powierzchni 200m2 potrzebną moc cieplną można otrzymać przy łącznej długości odwiertów wynoszącej około 200m.
Działanie pompy ciepła opiera się na cyklicznej zmianie stanu fizycznego, krążącego w układzie zamkniętym czynnika, którym najczęściej jest freon. Czynnik ten jest poddany kolejno sprężaniu, skraplaniu, rozprężaniu i parowaniu. W zasilanej prądem elektrycznym sprężarce dokonuje się najpierw sprężanie par freonu, przez co uzyskuje się wzrost temperatury pary. Gorąca para oddaje swoje ciepło wodzie krążącej w instalacji ogrzewania. W wyniku ochłodzenia następuje ponowne skroplenie pary. Z kolei ciekły i sprężony freon przepływa przez zawór rozprężny a w procesie rozprężania następuje jego gwałtowne ochłodzenie. Zimny freon, przepływając pod niskim ciśnieniem przez parownik ogrzewa się pobierając ciepło od wody lub solanki z dolnego źródła ciepła. Ogrzany freon odparowuje a gorąca para jest zasysana przez sprężarkę i cały cykl się powtarza.
Problem opłacalności działania pompy zależy od tego ile razy więcej energii uda się pobrać z wody gruntowej wpływającej do pompy w stosunku do strat energii elektrycznej użytej na jej działanie. Największe korzyści ze stosowania pompy ciepła uzyskuje się przy niskotemperaturowym ogrzewaniu podłogowym (ok. 28–30°C) i zastosowaniu wody gruntowej jako dolnego źródła ciepła przy założeniu, że ma ona temperaturę około 10°C. Bardzo istotne znaczenie dla kosztów ogrzewania domu pompą ciepła mają właściwości termiczne i bezwładność cieplna budynku. Duża bezwładność cieplna może być osiągnięta przez zastosowanie do budowy ścian wewnętrznych materiałów o dużej gęstości i wykonanie masywnej, izolowanej termicznie płyty fundamentowej. Szczególne znaczenie ma duża pojemność termiczna wylewki grzejnej. Wylewka o dużej pojemności wykonana z materiału o wysokim przewodnictwie cieplnym dobrze odbiera i magazynuje ciepło przekazywane przez niskotemperaturowy czynnik grzewczy.
Pompy ciepła są przyjazne ekologicznie - wytwarzają ciepło z energii słonecznej zakumulowanej w ziemi. Pracują bezgłośnie, niezawodnie, bezobsługowo, nie wydzielają żadnych zanieczyszczeń do atmosfery, będąc jednocześnie najbardziej ekonomicznym rozwiązaniem ogrzewania domu jednorodzinnego.