Le pompe di calore con sonda geotermica utilizzano come fonte energetica il terreno e garantiscono un rendimento costante lungo tutto l'arco dell'anno, indipendentemente dalle condizioni climatiche esterne. Infatti, a partire da circa 20 metri di profondità, la temperatura del sottosuolo è costante e non dipende più dal giorno o dalla notte, né dalle stagioni. E' il flusso di calore presente in profondità che regola la temperatura. Nelle nostre latitudini, in pianura e nelle valli al di sotto dei 1000 metri di altitudine, questa temperatura varia tra gli 8 e i 12 gradi Centigradi. Sotto i 20 metri di profondità, la temperatura aumenta di 1 grado ogni 33 metri circa.
L'efficienza energetica del sistema a pompa di calore geotermica è elevatissima: può arrivare anche al 450% di rendimento. In pratica una pompa di calore geotermica preleva mediamente dal terreno oltre il 75% dell'energia che utilizzerà per riscaldare (o raffrescare) l'ambiente servito, mentre per il restante 25% l'energia viene fornita dalla rete elettrica e consumata per alimentare il compressore.
Una sonda geotermica verticale può essere installata in quasi tutti i tipi di terreno e di formazioni rocciose. In prossimità dell'edificio da riscaldare vengono praticate una o due perforazioni di un diametro di 10/15 centimetri e la profondità delle perforazioni viene determinata in base al volume degli ambienti da riscaldare e al tipo di terreno. Una volta portata a termine la perforazione, generalmente, si inserisce fino in profondità un tubo ad U in polietilene. Lo spazio vuoto rimanente viene riempito con una miscela di bentonite e cemento, per assicurare un buon contatto termico tra i tubi e la parete della perforazione. In seguito, viene creato un circuito chiuso tra la perforazione ed il sistema di riscaldamento/raffreddamento dell'edificio, mediante l'utilizzo di appositi scambiatori di calore. Il fluido circolante nella perforazione accumula calore e fornisce energia geotermica (dal 65% al 75%) ad una pompa di calore. Quest'ultima è dimensionata in base alla potenza di riscaldamento necessaria ed installata nei locali tecnici dell'edificio. La quantità di potenza elettrica impiegata per far funzionare la pompa di calore varia tra il 25% ed il 35% della potenza totale da fornire. Questo sistema permette di assicurare, durante tutta la stagione, il riscaldamento ed il raffrescamento di un'abitazione, tramite diversi sistemi di distribuzione del calore (corpi scaldanti a bassa temperatura, pannelli radianti, eccetera). La medesima pompa di calore può, allo stesso tempo, fornire acqua calda sanitaria ad una temperatura che arriva a sfiorare i 60 gradi Centigradi.
Una pompa di calore geotermica, per essere installata, necessita generalmente dell'installazione di uno o più collettori da suolo (tubazioni verticali) ad una profondità variabile dai 100 ai 160 metri complessivi (eventualmente suddivisi in più sonde/perforazioni) per riscaldare una normale utenza domestica, anche di dimensioni importanti. Negli impianti geotermici si hanno due possibili soluzioni per la posa delle sonde geotermiche necessarie a prelevare il calore dal terreno: sonde orizzontali o sonde verticali.
Le sonde orizzontali sono dei sensori geotermici composti da tubi in polietilene ad alta densità o tubi di rame con guaina in polietilene anticorrosione, nei quali circola rispettivamente acqua additivata con glicole o fluido frigorifero, che vengono interrati ad una profondità di circa 60 centimetri. A titolo di esempio, per una casa di 100 metri quadrati sono necessari da 120 a 150 metri quadrati circa di superficie di captazione.
Volendo installare un sistema geotermico, ma non avendo a disposizione una superficie sufficiente per la posa dei sensori orizzontali, esiste la soluzione verticale. Una sonda geotermica verticale è costituita da una coppia di tubi a U in polietilene nei quali circola acqua con antigelo atossico e che vengono calati in pozzi che vanno in profondità. Ad esempio, una pompa di calore collegata ad una sonda geotermica inserita a circa 100 metri di profondità estrae dal suolo una potenza geotermica sufficiente per riscaldare un'abitazione unifamiliare standard. In ogni caso, oggi il sistema più diffuso è raprresentato dalla sonda geotermica verticale.
