تُعد المضخة الحرارة الجيوحرارية ذات التبادل المباشر نوعًا من مضخات الحرارة الجيوحرارية (أو المضخات الحرارية أرضية المصدر) يدور فيها وسيط التبريد عبر الأنابيب النحاسية الموضوعة تحت الأرض. وهي تعمل بنظام جيوحراري بحلقة مغلقة، وذي وسيط تبريد.
تعمل مضخات الحرارة الجيوحرارية ذات التبادل المباشر بشكل مشابه لمضخات الحرارة هوائية المصدر، وفق مبدأ التبريد التبخيري الانضغاطي، إلا أنها تستغل استقرار درجات الحرارة تحت الأرض، التي تكون أقل تغيرًا من درجات حرارة الهواء الخارجي. درجة حرارة باطن الأرض أقل من درجة حرارة الهواء الخارجي في الصيف -ما يجعل باطن الأرض مصرفًا حراريًّا أفضل- وأعلى منها في الشتاء -ما يجعله منبعًا حراريًّا أفضل- لذا فإن مضخات الحرارة الجيوحرارية ذات التبادل المباشر أكثر فعالية من مضخات الحرارة هوائية المصدر. وهي أيضًا أقل ضجيجًا، وأكثر تحملًا، وتتطلب صيانة أقل لأنها لا تمتلك مروحة خارجية أو وشيعة خارجية. بالإضافة إلى ذلك، فانتظام درجة حرارة باطن الأرض بالمقارنة مع الهواء الخارجي يعني إجهادًا أقل على النظام.
في أنظمة التبادل المباشر، يتبادل وسيط التبريد الحرارة مباشرةً مع التربة عبر الأنابيب النحاسية. لذا يشير اسم «التبادل المباشر» إلى انتقال الحرارة بين الأرض والحلقة تحت الأرضية دون استخدام أي وسيط بينهما. على العكس، تعتمد الأنظمة الجيوحرارية التي تستخدم الماء على حلقتين من جهة باطن الأرض: حلقة وسيط تبريد أولي، موجودة في غرفة التجهيزات حيث تتبادل الحرارة مع حلقة تحت أرضية ثانوية مدفونة تحت الأرض ومصنوعة من البولي إيثلين عالي الكثافة الذي يحوي مزيجًا من الماء ومانع التبريد (غليكول بروبيلين، أو ميثانول، أو كحول مشوب).
تزول الحاجة في أنظمة التبادل المباشر إلى أنبوب بلاستيكي ومضخة تدوير مياه كما في الأنظمة الجيوحرارية التي تستخدم الماء. تسمح هذه البساطة للنظام بالوصول إلى مراديد عالية مع استخدام نظام أنابيب مدفونة أقصر وبأنواع أقل من الأنابيب، ما يقلل الأثر البيئي وكلفة التركيب.
كما في جميع مضخات الحرارة أرضية المصدر، تحصد أنظمة التبادل المباشر الطاقة الشمسية بشكل غير مباشر، وذلك بامتصاص الحرارة الشمسية المخزنة عند سطح الأرض. اعتبرت وكالة حماية البيئة الأمريكية أن مضخات الحرارة أرضية المصدر أكثر أنظمة التكييف المتوفرة فعاليةً طاقيةً، وأنظفها بيئيًّا، وأكثرها توفيرًا ماليًّا. توفر مضخات الحرارة الجيوحرارية آفاقًا لتخفيض كبير في الانبعاثات الضارة بالبيئة.