Eine Wärmepumpe ist eine Anlage zum Beheizen von Gebäuden. Dazu entzieht sie einem Reservoir der Natur (bei der Luftwärmepumpe der Luft) die Wärme. Das heißt, dass solange Wärme entzogen werden kann, bis der absolute Nullpunkt der Temperatur bei -273,15 Grad Celsius erreicht ist. Je wärmer jedoch die Außenluft ist, desto effizienter arbeitet die Wärmepumpe.

In der Luftwärmepumpe befindet sich ein sogenannter Verdampfer. In diesem befindet sich ein Kältemittel, welches schon bei sehr geringer Temperatur siedet und verdampft. Das gasförmige Produkt steigt durch die geringere Dichte auf und übernimmt somit die Aufgabe, die Wärme nicht nur zu speichern, sondern sie auch zu transportieren. Durch die Leitungen wird das Gas in der Wärmepumpe zu einem Verdichter geleitet. Das Volumen wird dort stark reduziert, was einen Temperaturanstieg des Kältemittels mit sich führt. Das nun heiße Gas strömt weiter bis zu einem Verflüssiger. Dieser entzieht dem Mittel die Wärmeenergie, die an das Heizsystem weitergegeben wird. Durch das Expansionsventil wird der Druck reduziert und das Gas kondensiert wieder zum flüssigen Kältemittel. Im Kreislauf fließt es wieder zum Verdampfer, wo es der Luft wieder Wärme entnimmt.

Als Kältemittel finden sich in Luftwärmepumpen hauptsächlich fluorierte Kohlenwasserstoffe. Seltener werden Kältemittel verwendet, die weniger problematisch für die Umwelt sind, wie zum Beispiel Kohlenstoffdioxid. Das liegt vor allem daran, dass zur Komprimierung dieser Stoffe im Verdichter ein wesentlich höherer Druck benötigt wird, was wiederum einen größeren Verbrauch von elektrischer Energie mit sich zieht.

Nachdem die Temperatur dem gasförmigen Kältemittel entzogen wurde, kann sie im Heizsystem auf drei unterschiedliche Methoden genutzt werden.
Am häufigsten wird die Wärmeenergie genutzt, um durch sie Wasser zu erhitzen. Dieses wird im Heizsystem entweder in Heizkörper oder in die Leitungen der Fußbodenheizung geleitet, welche die Wärme im Raum abgeben. Dieses System wird als Luft-Wasser-Wärmepumpe bezeichnet.
Ein anderes System ist die Luft-Luft-Wärmepumpe. Hierbei wird die Wärmeenergie in Luft gespeichert. Diese wird an ein Luft-Heizungssystem geleitet.

Zuletzt gibt es sogenannte Direktwärmepumpen. Diese arbeiten am effektivsten, sind jedoch sehr teuer, aufgrund ihrer Funktionsweise nur für Neubauten geeignet und können schwer für einzelne Heizkreise geregelt werden. Bei diesem System fließt das Kältemittel durch die Leitungen der Fußbodenheizung. So kann die Energie der Umluft ohne Wärmetauschverluste direkt zum Heizen umgesetzt direkt werden.

Die Anschaffung der Luftwärmepumpe ist im Vergleich zu anderen Wärmepumpensystemen günstig. Doch trotz der hohen Anschaffungskosten, die bei einer Luftwärmepumpe für einen Vier-Personen Haushalt etwa 2.000-3.000 Euro betragen, rechnet sich die Benutzung schnell. Der Stromverbrauch einer Wärmepumpe liegt, abhängig von der gewünschten Raumtemperatur, bei etwa 100 kWh im Jahr pro Quadratmeter beheizter Fläche. Die dafür gewonnene Wärmeenergie aus der Luft kann, je nach Wahl des Kältemittels und der Temperaturdifferenz zwischen Kältemittel und Umluft, dreifach so hoch sein. Diese Kennzahl wird als Jahresarbeitszahl, kurz JAZ, bezeichnet. In Zukunft sollen durch Forschungen diese Werte optimiert werden.

Die Luftwärmepumpe ist das einzige Wärmepumpensystem, auf das nachträglich umgerüstet werden kann. Die geringe Größe und die Luft als Reservoir sind dafür ausschlaggebend. Durch die kompakte Bauweise einer Luftwärmepumpe ist es möglich, sie am Platz des vorigen Heizsystems zu installieren. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass bei Betrieb eine Lärmbelastung von bis zu 60 Dezibel entstehen kann.