Il termine "geotermia" deriva dal greco "gê" e "thermòs" e il significato letterale è "calore della Terra". L’energia geotermica, quindi, è la forma d’energia dovuta al calore endogeno della Terra; vulcani, sorgenti termali, soffioni e geysers documentano la presenza di calore immagazzinato nella crosta terrestre e che fluisce verso l'esterno con l’ausilio di fluidi vettori come acqua e vapore. La temperatura, all’interno del nostro pianeta, aumenta con la profondità: 3°C ogni 100 metri, anche se esistono zone dove il flusso di calore è maggiore (9-12°C ogni 100 metri). Lo sfruttamento dell’energia geotermica consiste nell’utilizzazione del calore, contenuto in rocce relativamente vicine alla superficie, dove arriva propagandosi dalle zone più profonde della Terra. Dal punto di vista dell’utilizzazione, la geotermia si può così dividere:

• ad alta entalpia (produzione di energia elettrica e usi industriali, con fluidi a temperature superiori ai 150° C)

• a media e bassa entalpia (usi diretti civili, agricoli e industriali)

Le pompe di calore che sfruttano il terreno come sorgente termica si possono distinguere in tre categorie in funzione della modalità con cui avviene lo scambio termico con il sottosuolo:

• impianti accoppiati direttamente con il terreno attraverso un sistema ditubazioni a circuito chiuso al cui interno scorre il fluido termovettore;

• impianti che utilizzano l’acqua di falda come fluido termovettore, con o senza reimmissione nella falda stessa dopo l’uso;

• impianti che sfruttano l’acqua dei laghi e dei bacini come sorgente termicaattraverso un circuito che può essere sia aperto che chiuso.

Ogni sonda geotermica è costituita da un circuito chiuso (andataritorno) all’interno dei quali circola un fluido termovettore (normalmente miscela di acqua e glicole). Solo per applicazioni di minore potenzialità possono utilizzarsi pompe di calore geotermiche ad espansione diretta, cioè con tubazioni di rame rivestito di polietilene affogate nel terreno nelle quali scorre direttamente il fluido frigorigeno.Diversi sono gli scambiatori di calore geotermici e le loro disposizioni. Infatti per quanto riguarda i sistemi di captazione esistono due tipi di sonde (o sensori) a seconda del terreno. La sonda orizzontale, a forma di serpentina, interrata a una profondità di 60 cm in una superficie che varia tra il 120% e il 150% rispetto alla superficie da scaldare; è un sistema dunque semplice nella posa (senza bisogno di perforazioni), ma che richiede una superficie vasta per lo scambio termico.
La sonda verticale, nel caso in cui la superficie esterna disponibile non sia sufficiente. La profondità della sonda può raggiungere, e anche superare, i 100-110 metri circa. I prerequisiti per l’installazione di una sonda geotermica verticale sono la possibilità di accedere al sottosuolo e non avere vincoli alla perforazione, e di avere tipi di sottosuolo con una conducibilità termica sufficientemente elevata, dotati cioè di una buona capacità di trasportare calore. La conoscenza del tipo di sottosuolo gioca un ruolo determinante per il dimensionamento corretto dell'impianto, poiché non tutti i tipi di rocce e di terreni hanno le stesse caratteristiche fisiche; per determinare il rendimento termico del terreno a disposizione è quindi necessario svolgere opportune indagini geologiche. La presenza d'acqua poi aumenta il rendimento di un impianto migliorando lo scambio termico tra impianto e sottosuolo. Ogni sonda geotermica verticale è costituita da due moduli doppi in polietilene uniti a U in modo da formare un circuito chiuso (andata-ritorno) all’interno dei quali circola acqua glicolata. La soluzione viene inviata nel circuito della sonda a -3°C e, a contatto con il terreno più caldo, essa si riscalda fino a 0°C e viene portata alla pompa di calore che la utilizza come sorgente fredda. I tubi delle sonde vengono collegati in superficie ad un collettore a sua volta collegato alla pompa di calore. In entrambi i casi sia la profondità di perforazione, sia l'estensione della superficie di posa dipendono dal fabbisogno termico richiesto e dunque variano da abitazione ad abitazione.
La pompa di calore riscalda l’acqua dell’impianto di riscaldamento e trova applicazione soprattutto abbinata ad impianti a bassa temperatura (pavimento radiante) ottenendo un rapporto estremamente vantaggioso tra energia fornita ed energia elettrica assorbita.