Ein Umweltwärme-Heizungssystem besteht hauptsächlich aus Wärmekollektoren und einer elektrisch angetriebenen Wärmepumpe. Im geschlossenen Kreislaufsystem sorgt die Pumpe dafür, dass der flüssige Wärmeträger die Wärmeenergie von den Kollektoren zur Heizung transportiert. Dieses Prinzip kommt zum Beispiel auch in Kühlschränken zur Anwendung – nur umgekehrt. Wird aus dem Kühlschrank die Wärme herausgepumpt und in den Raum abgegeben, so entzieht die Wärmepumpenheizung der Umwelt Wärme und bringt sie ins Haus.

Wärmepumpen funktionieren nach einem relativ komplexen technischen Prinzip. Am Beispiel einer Erdwärmepumpe lässt es sich vereinfacht folgendermaßen beschreiben:

• Eine spezielle Wärmeträgerflüssigkeit mit sehr niedriger Temperatur durchströmt den Erdkollektor.
• Aus dem wärmeren Erdreich nimmt sie Wärme auf und wechselt dadurch ihren Zustand von flüssig zu gasförmig.
• Dieses Gas wird anschließend von einer Pumpe unter starkem Druck verdichtet. Dadurch erwärmt es sich nochmals stark – so wie auch das Ventil eines Fahrradschlauches beim Aufpumpen heiß wird.
• Nun gibt das heiße Gas die Wärme an das Wasser im Heizungssystem ab und wird wieder flüssig – steht aber immer noch unter hohem Druck.
• Bevor der Wärmeträger erneut in den Kollektor strömt, wird der Druck abgelassen und die Flüssigkeit kühlt sich auf ihre ursprüngliche Temperatur ab.

Da nur Wärmepumpen mit geringem Stromverbrauch energetisch sinnvoll sind, müssen sie sorgfältig geplant und die einzelnen Komponenten aufeinander abgestimmt sein. Die richtige technische Einstellung der Anlage im laufenden Betrieb spielt daher eine wichtige Rolle. Ein Maß für die Effizienz einer Wärmepumpe ist die Jahresarbeitszahl. Sie beschreibt das Verhältnis der Nutzenergie in Form von Wärme zur aufgewendeten Energie in Form von Strom. Um eine Einheit Strom im Kraftwerk zu erzeugen, müssen rund drei Einheiten fossiler Brennstoffe verfeuert werden. Wärmepumpen sind daher nur dann energetisch sinnvoll, wenn sie eine Jahresarbeitszahl höher als drei aufweisen. Besonders effizient sind Grundwasserwärmepumpen, die jedoch nur noch selten genehmigt werden. Aber auch Erdsonden-Wärmepumpen erreichen in der Praxis Arbeitszahlen von 3,5 oder höher. Luftwärmepumpen sind zwar einfacher zu installieren, energetisch aber nicht so wirkungsvoll wie Erdwärmepumpen. Der Grund: Die Außenluft hat im Winter sehr niedrige Temperaturen bis weit unter null Grad. Das Erdreich ist ab einer Tiefe von etwa einem Meter dauerhaft frostfrei. Ab zehn Meter Tiefe herrschen das ganze Jahr nahezu konstant zehn Grad.

Horizontale Erdreichwärmeaustauscher werden in Schlangenform unterhalb der örtlichen Frostgrenze in einer Tiefe von ein bis zwei Metern verlegt. Für eine 9 Kilowatt-Heizleistung wird je nach Bodenbeschaffenheit eine Fläche von knapp 200 bis 500 Quadratmetern benötigt.

Die Alternative zum horizontalen System stellt ein vertikaler Wärmeaustausch in Form einer Erdsonde dar. Diese benötigt eine deutlich geringere Fläche und darüber hinaus etwa 40 Prozent weniger Rohrlänge, da ab einer Tiefe von zehn Metern eine konstante Temperatur von acht bis zehn Grad herrscht. Erdwärmesonden reichen bis zu 100 m tief ins Erdreich.

Da viele Hauseigentümer nicht über die nötige Fläche für einen horizontalen Kollektor verfügen, arbeiten etwa 50 Prozent der vorhandenen Systeme mit Erdwärmesonden. Sie sind effizienter als Erdkollektoren – allerdings auch etwas teurer.