Kolejnym elementem występującym w instalacjach wykorzystujących energię słoneczną przez systemy czynne jest pompa ciepła. Urządzenie to bardzo podnosi efektywność systemów czynnych używanych do całorocznego ogrzewania. Pompa ciepła zastępuje urządzenia grzewcze, wykorzystując konwencjonalne nośniki energii. Przez jej wprowadzenie, jako pośredniego elementu systemu, możliwa jest wydajniejsza praca kolektora (przy niższej temperaturze czynnika roboczego), jak i wyższe parametry czynnika w instalacji c.o. i c.w.u. Rozwiązań instalacji słonecznej współpracującej z pompą ciepła może być wiele. Ze względu na to, iż pompa ciepła potrzebuje do pracy źródła ciepła (do parownika pompy), systemy te można podzielić na takie, gdzie pompa ciepła czerpie energię z obiegu kolektora słonecznego (system szeregowy), gdzie pobiera energię z innego niezależnego źródła ciepła: gruntu, ścieków, stawu, studni, powietrza (system równoległy) i takie, gdzie występuje podwójne źródło ciepła — pośrednie i bezpośrednie.
Pompy ciepła znane są już od dawna (z teorii od ponad stu lat), a po kryzysie energetycznym zostały na nowo „odkryte”. Urządzenia te, w zależności od rodzaju doprowadzanej energii, można podzielić na:
1. Sprężarkowe pompy ciepła — gdzie energia mechaniczna lub elektryczna dostarczana jest do sprężarki (najpowszechniej stosowane).
2. Absorpcyjne pompy ciepła — gdzie ciepło dostarczane jest do warnika i parownika. Wykorzystuje się w nich właściwości roztworów polegające na podwyższaniu temperatury wrzenia roztworu w stosunku do temperatury wrzenia rozpuszczalnika. Stosowane są następujące czynniki robocze: woda — amoniak — czynnik roboczy — amoniak; woda — bromek litu — czynnik roboczy —.woda; metanol — bromek litu — czynnik roboczy — metanol. Współczynnik wydajności grzejnej 1,2 — 1,8. Pompy tego typu są mniej popularne, choć ich zaletą jest cicha i bezawaryjna praca.
3. Termoelektryczne pompy ciepła — gdzie energię elektryczną dostarcza się do obwodu złożonego z dwóch półprzewodników, między spoinami których powstaje różnica temperatury. Jedna ze spoin jest poniżej temperatury otoczenia, druga zaś powyżej. Współczynnik wydajności grzejnej wynosi od 1,5 do 1,8. Można w nich łatwo regulować moc grzejną, stosować je do ogrzewania i do chłodzenia, lecz ich mankamentem są wysokie koszty.
W najpowszechniej stosowanej sprężarkowej pompie ciepła zasada pracy polega na tym, że czynnik roboczy (np. mieszaniny freonów) wykonuje obieg zwany obiegiem Lindego, podobny do cyklu Carnota wstecz. Para odpływająca z parownika zostaje sprężona do wymaganego ciśnienia skraplania kosztem energii elektrycznej odprowadzanej z zewnątrz N.
W skraplaczu para, przechodząc przez ciecz, oddaje ciepło Q, następnie ciekły czynnik roboczy odpływający ze skraplacza jest rozprężony w zaworze rozprężnym i odparowuje w parowniku w warunkach obniżonego ciśnienia i temperatury. Do tej zmiany fazy potrzebne ciepło z zewnątrz Qo jest pobierane z różnych źródeł (woda, grunt, odpady bytowe, powietrze itp). Para ponownie jest sprężana w sprężarce. Energetyczny bilans pompy ciepła ma postać
Q= Qo + N
Podstawowym wskaźnikiem eksploatacyjnym pompy ciepła jest współczynnik wydajności grzejnej (sprawność procesu transformacji ciepła) równy stosunkowi uzyskanej mocy cieplnej q do mocy dostarczane.
Ekonomiczna efektywność zastosowania pompy ciepła zależy od poziomu i różnicy temperatur źródeł ciepła. W związku z tym, najbardziej korzystnym obszarem jej zastosowania są ogrzewania niskotemperturowe: powietrzne, płaszczyznowe sufitowe i podłogowe. Obecnie produkowane pompy ciepła dają 3- do 4-krotnie więcej energii użytkowej niż zużywają jej do napędu własnego sprężarki. Pompy sprężarkowe są w nich napędzane mechanicznie (silnik spalinowy) lub elektrycznie (silnik elektryczny). Górna temperatura podgrzewanego czynnika grzejnego nie przekracza 55°C.