A hőszivattyú olyan berendezés – kalorikus gép –, mely azt hivatott biztosítani, hogy az alacsonyabb hőmérsékletű környezetből hőt vonjon ki és azt magasabb hőmérsékletű helyre szállítsa. Használatának célja a hőenergiával való gazdálkodás, melynek alatt hűtési energiát fűtésben (pl. melegvíz-készítésben) fel lehet használni, továbbá környezeti hőt lehet hasznosítani. A hőszivattyú elvileg olyan hűtőgép, melynél nem a hideg oldalon elvont, hanem a meleg oldalon leadott hőt hasznosítják. Minden olyan fizikai elv alapján készülnek hőszivattyúk, melyeket a hűtőgépeknél is használnak. Leggyakoribbak a gőzkompressziós elven funkcionáló berendezések, de léteznek abszorpciós hőszivattyúk is. A hőszivattyúk fordított üzemmódban is működnek, ekkor a melegebb hely hűtésére is használhatók. A hőszivattyúk energiamérlegüket nézve fordított üzemmódban működtetett hőerőgépnek, „erő-hő gépeknek” is felfoghatók.
A gőzkompressziós hőszivattyúkban alkalmasan választott hűtőfolyadék gőze áramlik zárt csővezetékben. A gőz a fűteni kívánt oldalon elhelyezett kondenzátorban lecsapódik, míg hőjét a kondenzátor csőfalán át átadja vagy a helyiség levegőjének, vagy a központi fűtés vizének. Ezentúl a cseppfolyós hűtőközeg fojtószelepen át expandál, eközben hirtelen elpárolog és hőmérséklete lecsökken. A kisnyomású, hideg gőzt a hideg oldali hőcserélőben a külső környezet felmelegíti, ezt követően a kompresszor összesűríti és visszajuttatja a kondenzátorba, és a folyamat megismétlődik. Megfelelően kialakított hőszivattyúban az áramlás iránya megfordítható, ekkor a berendezés fűtés helyett hűti a helyiséget. A legtöbb esetben a hőszivattyúk hőforrásul a külső levegőt, vagy a talajt, esetleg természetes vizeket (tenger, tó, folyó, talajvíz) használnak.
Működése
A termodinamika második főtétele alapján a hő nem áramlik hidegebb helyről melegebbre spontán módon, külső munkát kell befektetni ahhoz, hogy ez a folyamat végbemenjen. A hőszivattyúk abban különböznek egymástól, hogy ezt a külső munkát milyen módon juttatják a rendszerbe, de alapvetően úgy fogható fel, hogy a hőszivattyúk fordított működésű hőerőgépek. A hőerőgépekben a meleg tartályból a hideg felé áramlik a hő, míg a gép a hőenergia különbséget mechanikai munkává formálja. Hasonlóképpen a hőszivattyú mechanikai munka bevitelét igényli ahhoz, hogy hőt áramoltasson hidegebbről melegebb helyre.
Mivel a hőszivattyú némely mennyiségű munkát fektet be a hő szállításához, a hűtőközeg meleg oldalon mérhető energiája a befektetett mechanikai munkával nagyobb, mint a hideg oldalon mérhető. Ez hőerőgépnél fordítva igaz: a munkaközeg hőenergiája itt a hideg oldalon a termelt mechanikai munkával kisebb, mint a meleg oldalon.
A leggyakrabban használt hőszivattyú a szokás alapján hűtőközegnek nevezett munkaközeg elpárolgása és lecsapódása (lekondenzálódása) közben fellépő termodinamikai változásokat hasznosítja. A gőz állapotú munkaközeget egy kompresszor összesűríti és keringeti a rendszerben, ennek közepette felmelegszik a munkaközeg, mely ezt követően egy kondenzátornak hívott hőcserélőben lehűl és lecsapódik. A kondenzátorban hőjét átadja a fűtendő helyiségnek, ezt követően a folyékony halmazállapotú, mérsékelt hőmérsékletű csapadék nyomáscsökkentő berendezésen áramlik keresztül, mely fojtószelep, kapilláris, esetleg hőhasznosító szerkezet, példának okáért turbina lehet. A nyomáscsökkentő berendezésen átáramló nagyrészt folyékony munkaközeg egy másik hőcserélőbe, az elpárologtatóba jut, ahol a hűtőközeg elpárolog, míg hőt vesz fel a környezetből. Ezentúl a hűtőközeg visszajut a kompresszorba és a folyamat ismétlődik. Megjegyzendő, hogy a munkaközeget a hőszivattyúknál is javarészben hűtőközegnek nevezik, noha a helyesebb titulus inkább fűtőközeg lenne, de a szokás onnan származik, hogy a hűtőgépek és a hőszivattyúk munkaközege megegyezik, és az ezelőtt csak hűtőgépekkel foglalatoskodó mesterek kezdtek később hőszivattyúkkal is foglalkozni.
A termodinamikai körfolyamat jól követhető az entrópia-hőmérséklet (T-s) diagramban. A folyamat az 1 pontból indul, ahol a közeg a po nyomáson telített gőz állapotban van. Az 1-2 folyamat adiabatikus kompresszió, mely a kompresszorban játszódik le. Ideális esetben ennek az állapotváltozásnak a képe a diagramban függőleges egyenes (izentropikus kompresszió), valóságban viszont az állapotváltozás irreverzibilis, az entrópia folyamatosan növekszik, így a görbe jobb felé kissé elhajlik. A 2-5 folyamatok a kondenzátorban zajlódnak le: a 2-3 folyamat a túlhevítési hő elvonása, a 3. pontban a gőz eléri a telítettségi állapotot a p nyomáson. A 3-4 folyamat esetén a hőmérséklet nem változik, egyre több gőz csapódik le, a 4. pontban folyadék állapot alakul ki. A 4-5 rész a kondenzátorban a folyékony hűtőközeg lehetőség szerinti utóhűtése, ezután az 5-6 folyamat a fojtásos állapotváltozás, ez hirtelen nyomásesést jelent, melynek végén a közeg po nyomásra expandál, a folyadék egy része (csaknem a fele) hirtelen elpárolog és a közeg nedves gőz állapotba kerül, ez a folyamat izentalpikus, vagyis a folyamat közben az entalpia nem változik. Végül a 6-1 folyamat esetén az elpárologtatóban hőt vesz fel a közeg a hűtendő térből állandó hőmérsékleten és nyomáson, míg a gőz nedvességtartalma állandóan kevesebb lesz. Ekkor a közeg a körfolyamat kiindulási pontjára, az 1. állapotba jut vissza és a folyamat kezdődik elölről. Természetesen a fent leírtak ideális közegre vonatkoznak, a valóságos folyamatok kismértékben eltérnek ettől.
Az ilyen rendszereknél alapvetően releváns, hogy a hűtőközeg elegendően magas hőmérsékletet érjen el a kompresszor után a kondenzátorban, mivel a termodinamika második főtétele értelmében csak melegebb helyről áramlik hő a hidegebb felé. Hasonlóképpen a folyadék kellően alacsony hőmérsékletre kell lehűljön a fojtásos expanzió után, mivel az elpárologtatóban sem áramlik hidegebb helyről a melegebb felé hő. Ezen kívül a nyomáskülönbségnek kellően nagynak kell lennie, hogy a közeg lecsapódjék a meleg oldalon és elpárologjon a kisnyomású részen a hideg oldalon. Minél nagyobb a hőmérséklet-különbség, annál nagyobb nyomáskülönbség létfontosságú és következésképpen annál nagyobb energia elengedhetetlen a közeg komprimálására. Ennél fogva minden hőszivattyúra igaz, hogy a fajlagos fűtőteljesítmény (egységnyi befektetett munka által átvitt hő) kevesebb lesz a hőmérséklet-különbség növekedésével.
A heterogén hőmérsékleti és nyomáskövetelményeknek megfelelően igen sokféle hűtőközeg áll rendelkezésre. A hűtőgépek, klímaberendezések és egy-két fűtési rendszer is hasonló követelményeket támaszt a munkaközeggel szemben, mindent összevetve ezek a gépek hasonló technológiákra épülnek.
Az épületgépészetben alkalmazott hőszivattyúk javarészben gőzkompressziós elven működnek. Legtöbbször felszerelik egy olyan szeleppel és hangolt hőcserélőkkel, melyek lehetővé teszik a hőáramlás megfordítását. A szelep átkapcsolásával a hűtőfolyadék áramlási iránya megfordítható, ilyenformán a hőszivattyú hasonlóképpen képes fűteni és hűteni is az épületet. Hűvösebb éghajlaton a fűtés az alapállapot. A folyamat megfordíthatósága okán a kondenzátor és elpárologtató működése időnként felcserélődik, így mindkettő olyan kialakítású, hogy mindkét üzemmódban betöltse funkcióját. Emiatt a fűtő-hűtő hőszivattyúk fajlagos fűtőteljesítménye állandóan kicsit kisebb, mint a csak fűtésre vagy csak hűtésre tervezett hőszivattyúké.
Hőszivattyút használnak néha úszómedencék vizének előmelegítésére vagy háztartási melegvíz előállítására is.
Egy-két esetekben egyetlen hőszivattyú képes ellátni a fűtési és melegvíz igényt is, viszont a két feladat eltérő követelményei okán ez csak igen ritkán oldható meg.