Tepelné čerpadlá zem-voda patria k energeticky najúčinnejším a ekologickým vykurovacím systémom. Malé množstvo elektrickej energie, ktoré je potrebné na prevádzku systému, sa môže vyrábať napríklad klimaticky neutrálnym spôsobom pomocou fotovoltiky.
Tepelné čerpadlá zem-voda využívajú geotermálnu energiu, teda celoročné konštantné teplo zeme, ako prírodný zdroj energie. Chladivo sa zohreje a odparuje, para sa stláča kompresorom a cez výmenník tepla sa prenáša do vykurovacieho systému, ktorý ohrieva radiátory a teplú vodu v domácnosti. Zmes plynov sa potom dekomprimuje, skondenzuje a cyklus sa dokončí.
Tepelné čerpadlá zem-voda používajú buď geotermálne vrty (sondy), alebo geotermálne kolektory. Geotermálne vrty zaberajú veľmi málo miesta a sú najúčinnejšie, pretože čerpajú teplo hlboko pod zemou. Zemné vrty sú však pomerne nákladné a vyžadujú si povolenia. Inštalácia geotermálnych tepelných kolektorov však zvyčajne vyžaduje len ohlásenie a sú uložené v malej hĺbke, tesne pod hranicou mrazu, čo výrazne znižuje náklady na inštaláciu. Plocha potrebná na inštaláciu geotermálnych tepelných kolektorov je približne dvakrát väčšia ako vykurovaná plocha a táto plocha nesmie byť zastavaná.