Le pompe di calore sono classificate in base alla loro applicazione (trasmissione di calore, fonte di calore, dispersore di calore o refrigerazione).

Il compressore di una pompa di calore crea una differenza di pressione che innesca la ripetizione di un ciclo: esso pompa un fluido refrigerante attraverso un evaporatore, dove il fluido evapora a bassa pressione assorbendo calore, in seguito lo stesso fluido viene compresso e spinto all'interno di un condensatore, dove condensa ad alta pressione rilasciando il calore precedentemente assorbito. Il fluido refrigerante cambia di stato all'interno dei due radiatori: nell'evaporatore passa da liquido a gassoso, nel condensatore passa da gassoso a liquido.

Esistono varie modalità di scambio del calore mediante l'utilizzo di diversi mezzi scambiatori: aria-acqua (aerotermia), acqua-acqua (idrotermia), terra-acqua (geotermia).

Geotermia a bassa entalpia

La pompa di calore geotermica a bassa entalpia utilizza il terreno (o l'acqua che si trova nel terreno) come serbatoio o come dispersore di calore. Il trasporto dell'energia termica è effettuato mediante la stessa acqua o mediante un liquido antigelo, eccetto nelle pompe di calore a espansione diretta, in cui si usa un fluido refrigerante che circola nello scambiatore posto nel terreno.
Nei mesi invernali il calore viene trasferito in superficie, viceversa in estate il calore in eccesso viene ceduto al terreno.
Impianti di questo tipo non necessitano di condizioni ambientali particolari, infatti non sfruttano né le sorgenti naturali d'acqua calda, né le zone in cui il terreno ha temperature più alte della media a causa di un gradiente geotermico più elevato. Quello che questa tecnologia sfrutta è la temperatura costante che il terreno ha lungo tutto il corso dell'anno. Normalmente, già ad un metro di profondità, si riescono ad avere circa 10-15 °C.
A questo punto si utilizza la pompa di calore che sfrutta la differenza di calore fra il terreno e l'esterno per assorbire calore dal terreno e renderlo disponibile per gli usi umani. Più questa differenza è alta migliore è il rendimento.
La pompa di calore necessita di energia elettrica per funzionare, in condizioni medie per ogni kW elettrico consumato si ottengono 3 kW termici. Per rendere l'impianto ambientalmente più compatibile ed energeticamente autosufficiente, la pompa di calore si può abbinare ad un impianto fotovoltaico che produrrà l'energia necessaria per alimentarla. Lo stesso impianto può essere utilizzato per raffrescare gli edifici, facendo funzionare la pompa di calore al contrario, quindi assorbendo il calore dalla superficie e trasferendolo al sottosuolo. L'alternanza del funzionamento estate/inverno permette di non raffreddare sensibilmente la zolla di terreno in cui sono situate le sonde.

A differenza delle pompe di calore ad aria, quelle geotermiche possono funzionare in raffreddamento anche in modalità passiva: esse estraggono calore dall'edificio pompando nel sistema l'acqua fredda o il liquido antigelo, senza l'azione della pompa di calore vera e propria.

Il sistema di tubazioni che percorre il terreno può essere aperto o chiuso. Nel sistema aperto si estrae l'acqua da una falda sotterranea, la si porta fino allo scambiatore di calore e quindi la si scarica in un corso d'acqua, di nuovo nella medesima falda o in un bacino appositamente costruito (e che permetta la rifiltrazione verso il terreno). Nel sistema chiuso il calore è intercettato dal terreno per mezzo di una tubazione continua sotterrata, con al suo interno un fluido refrigerante (per le pompe a espansione diretta) o liquido antigelo mantenuto a bassa temperatura e pressurizzato.