Le fonctionnement d'une pompe à chaleur se déroule selon le schéma suivant :
- Un évaporateur prélève la chaleur dans le sol, l'air ou l'eau, afin de chauffer et de vaporiser le fluide frigorigène.
- Un compresseur aspire le fluide réchauffé et le comprime pour augmenter sa température.
- Un condensateur permet le passage de la chaleur du fluide, qui repasse à l'état liquide, dans le circuit de chauffage.
- Le détenteur diminue la pression du fluide et prépare la vaporisation, afin de relancer le cycle.
C'est un moteur électrique qui permet le fonctionnement de la pompe à chaleur et ses auxiliaires : ventilateurs pour les ventilo-convecteurs, pompe de circulation pour le plancher chauffant ou les radiateurs, et, dans certains cas pour faire circuler l'eau dans les capteurs sous terre.
Le fonctionnement des pompes à chaleur est régi selon trois procédés différents, qui se distinguent essentiellement par les fluides qui circulent dans les capteurs et les émetteurs de chaleur.
- Les PAC à détente directe comportent un circuit unique : le fluide frigorigène, présent en grande quantité, circule en circuit fermé dans les capteurs, la pompe à chaleur et les émetteurs de chaleur.
- Les PAC mixtes comprennent deux circuits : le circuit frigorigène des capteurs et de la pompe à chaleur et le circuit de l'eau chaude des émetteurs.
- Les PAC à fluides intermédiaires fonctionnent avec trois circuits : celui de la pompe à chaleur, celui des capteurs et celui alimentant les émetteurs en eau chaude.
Les PAC géothermiques sont soit à détente directe, soit à fluides intermédiaires, soit mixtes. En revanche, les pompes aérothermiques sont seulement à détente directe ou mixtes.