以建築物的空調（包括供熱和製冷）為目的的熱泵系統有許多種，例如有利用建築通風系統的熱量（冷量）的熱回收型熱泵和應用於大型建築內部不同分區之間的水環熱泵系統等。本文主要討論利用周圍環境作為空調冷熱源的熱泵系統。就其性質來分，國外的文獻通常把它們分為空氣源熱泵 (air source heat pump, ASHP) 和地源熱泵（ground source heat pump, GSHP）兩大類。地源熱泵又可進一步分為地表水熱泵 (surface-water heat pump，SWHP)、地下水熱泵 (groundwater heat pump, GWHP) 和地下耦合熱泵 (ground-coupled heat pump, GCHP)。我國對熱泵系統的術語尚未形成規範的用法。例如對地下水熱泵系統有「地溫空調」的商業名；而地下耦合熱泵則在一些文獻中稱為「土壤源熱泵」，或直接稱為「地源熱泵」。
空氣源熱泵以室外空氣為一個熱源。在供熱工況下將室外空氣作為低溫熱源，從室外空氣中吸收熱量，經熱泵提高溫度送入室內供暖；其性能係數（COP）一般在2～3。空氣源熱泵系統簡單，初投資較低。空氣源（風冷）熱泵目前的產品主要是家用熱泵空調器、商用單元式熱泵空調機組和風冷熱泵冷熱水機組。
空氣源熱泵的主要缺點是在夏季高溫和冬季寒冷天氣時熱泵的效率大大降低。此外，其所必需的室外機或冷卻塔對建築物有一定的影響或損壞作用。空氣源熱泵的制熱量隨室外空氣溫度降低而減少，這與建築熱負荷需求趨勢正好相反。因此當室外空氣溫度低於熱泵工作的平衡點溫度時，需要用電或其他輔助熱源對空氣進行加熱。而且，在供熱工況下空氣源熱泵的蒸發器上會結霜，需要定期除霜，這也消耗大量的能量。在寒冷地區和高濕度地區熱泵蒸發器的結霜可成為較大的技術障礙。在夏季高溫天氣，由於其製冷量隨室外空氣溫度升高而降低，同樣可能導致系統不能正常工作。空氣源熱泵不適用於寒冷地區，在冬季氣候較溫和的地區，如我國長江中下游地區，已得到相當廣泛的應用。
???另一種熱泵利用大地（土壤、地層、地下水）作為熱源，可以稱之為「地源熱泵」。由於較深的地層中在未受干擾的情況下常年保持恆定的溫度，遠高於冬季的室外溫度，又低於夏季的室外溫度，因此地源熱泵可克服空氣源熱泵的技術障礙，且效率大大提高。此外，冬季通過熱泵把大地中的熱量升高溫度后對建築供熱，同時使大地中的溫度降低，即蓄存了冷量，可供夏季使用；夏季通過熱泵把建築物中的熱量傳輸給大地，對建築物降溫，同時在大地中蓄存熱量以供冬季使用。這樣在地源熱泵系統中大地起到了蓄能器的作用，進一步提高了空調系統全年的能源利用效率。
地下水源熱泵系統的熱源是從水井或廢棄的礦井中抽取的地下水。經過換熱的地下水可以排入地表水系統，但對於較大的應用項目通常要求通過回灌井把地下水回灌到原來的地下水層。水質良好的地下水可直接進入熱泵換熱，這樣的系統稱為開式環路。實際工程中更多採用閉式環路的熱泵循環水系統，即採用板式換熱器把地下水和通過熱泵的循環水分隔開，以防止地下水中的泥沙和腐蝕性雜質對熱泵的影響。由於地下水溫常年基本恆定，夏季比室外空氣溫度低，冬季比室外空氣溫度高，且具有較大的熱容量，因此地下水熱泵系統的效率比空氣源熱泵高，COP值一般在3~4.5，並且不存在結霜等問題。最近幾年地下水源熱泵系統在我國得到了迅速發展。
地下水熱泵系統的應用也受到許多條件的限制。首先，這種系統需要有豐富和穩定的地下水資源作為先決條件。按常規計算，10,000 m2的空調面積需要的地下水量約為120 m3/hr。地下水熱泵系統的經濟性還與地下水層的深度有很大的關係。如果地下水位較低，不僅成井的費用增加，運行中水泵的耗電將大大降低系統的效率。此外，雖然理論上抽取的地下水將回灌到地下水層，但目前國內地下水回灌技術還不成熟，在很多地質條件下回灌的速度大大低於抽水的速度，從地下抽出來的水經過換熱器后很難再被全部回灌到含水層內，造成地下水資源的流失。再者，即使能夠把抽取的地下水全部回灌，怎樣保證地下水層不受污染也是一個棘手的課題。
地表水熱泵系統的一個熱源是池塘、湖泊或河溪中的地表水。在靠近江河湖海等大體量自然水體的地方利用這些自然水體作為熱泵的低溫熱源是值得考慮的一種空調熱泵的型式。熱泵與地表水的換熱可採用開式循環或閉路循環的形式。開式循環是用水泵抽取地表水在換熱器中與熱泵的循環液換熱后再排入水體。其缺點是水質較差時在換熱器中產生污垢，影響傳熱，甚至影響系統的正常運行。更常用的地表水熱泵系統採用閉路循環，即把多組塑料盤管沉入水體中，熱泵的循環液通過盤管與水體換熱，可以避免水質不良引起的污垢和腐蝕問題。
當然，這種地表水熱泵系統也受到自然條件的限制。此外，由於地表水溫度受氣候的影響較大，與空氣源熱泵類似，當環境溫度越低時熱泵的供熱量越小，而且熱泵的性能係數也會降低。一定的地表水體能夠承擔的冷熱負荷與其面積、深度和溫度等多種因數有關，需要根據具體情況進行計算。這種熱泵的換熱對水體中生態環境的影響有時也需要預先加以考慮。深水湖在夏季會產生溫度的分層，湖底保持較低的溫度；冬季湖面結冰後會限制湖水溫度的下降。
地下耦合熱泵系統是利用地下岩土中熱量的閉路循環的地源熱泵系統。通常稱之為「閉路地源熱泵」，以區別於地下水熱泵系統，或直接稱為「地源熱泵」。它通過循環液（水或以水為主要成分的防凍液）在封閉地下埋管中的流動，實現系統與大地之間的傳熱。地下耦合熱泵系統在結構上的特點是有一個由地下埋管組成的地熱換熱器 (geothermal heat exchanger, 或ground heat exchanger)。地熱換熱器的設置形式主要有水平埋管和豎直埋管兩種。水平埋管形式是在地面開1~2米深的溝，每個溝中埋設2、4或6根塑料管。
豎直埋管的形式是在地層中鑽直徑為0.1~0.15 m的鑽孔，在鑽孔中設置1組（2根）或2組（4根）U型管並用灌井材料填實。鑽孔的深度通常為40~200 m。現場可用的地表面積是選擇地熱換熱器形式的決定性因素。豎直埋管的地熱換熱器可以比水平埋管節省很多土地面積，因此更適合中國地少人多的國情。地熱換熱器所需埋管的總長度需要根據埋管的形式、地下岩土的熱物性、地下的溫度和冷熱負荷的情況作詳細的計算才能確定。設置地熱換熱器的主要費用是鑽孔的費用。
因此正確設計地熱換熱器埋管的長度對於保證系統的性能和經濟性十分重要。由於影響因素很多，數學模型複雜，國內外已開發了一些地熱換熱器設計計算軟體，可以避免盲目估算帶來的失誤。其中地下岩土的熱物性對傳熱能力的影響很大，建議採用現場實測的方法確定地下岩土的熱物性。我國的研究人員和工程技術人員近年來在消化吸收國外先進技術的基礎上在地熱換熱器的設計理論方面進行了不懈的努力。
