Nước có khối lượng riêng cao nhất ở 3,98 °C, tại áp suất khí quyển tiêu chuẩn. Do đó, đáy của hầu hết các vùng nước sâu ôn đới, nơi nước nặng nhất lắng xuống, thường ở mức nhiệt độ không đổi là 3,98 °C. Những khối nước có nhiệt độ cao hơn hoặc thấp hơn 3,98 độ C đều sẽ nhẹ hơn và bị nổi lên trên.[7] Các vùng nước sâu nằm gần xích đạo thì có nhiệt độ cao hơn, và thường thấp hơn nhiệt độ trên bề mặt. Ngay tại xích đạo, nếu xuống đến độ sâu 1000 mét, nhiệt độ nước sẽ là khoảng 4 °C đến 5,5 °C.

Máy điều hòa không khí là máy bơm nhiệt. Khi nhiệt độ không khí bên ngoài cao hơn nhiệt độ bên trong tòa nhà, máy điều hòa không khí sử dụng điện để truyền nhiệt từ bên trong mát hơn của tòa nhà sang môi trường bên ngoài ấm hơn.[8] Quá trình này sử dụng năng lượng điện.

Không giống như điều hòa không khí dân dụng, hầu hết các hệ thống điều hòa không khí thương mại hiện đại không truyền nhiệt trực tiếp vào không khí bên ngoài. Hiệu suất nhiệt động lực học có thể được cải thiện bằng cách sử dụng hai tầng làm mát. Tầng thứ nhất làm mát bay hơi, trong đó nhiệt độ của nước được hạ xuống gần với nhiệt độ bầu ướt bằng cách bốc hơi trong tháp giải nhiệt. Nước mát này sau đó hoạt động như tản nhiệt cho tầng thứ hai, là bơm nhiệt.[9]

Làm mát nước sâu sử dụng nước lạnh được bơm từ đáy nguồn nước sâu để tản nhiệt cho các hệ thống kiểm soát khí hậu. Bởi vì hiệu suất bơm nhiệt được cải thiện khi tản nhiệt lạnh hơn, làm mát nước hồ sâu có thể làm giảm nhu cầu điện của các hệ thống làm mát lớn, nếu có sẵn nguồn nước sâu.[10] Khái niệm này tương tự như trao đổi địa nhiệt, nhưng hệ thống trao đổi nhiệt với nguồn nước sâu thường đơn giản hơn.

Làm mát nước sâu làm tăng hiệu suất nhiệt động của các hệ thống điều hòa không khí, do nhiệt độ nước sâu lạnh hơn nhiệt độ bầu ướt đặt trong không khí.[11] Hiệu quả cao hơn dẫn đến sử dụng ít điện hơn. Đối với một số trường hợp, nguồn nước đủ lạnh để có thể tắt hệ thống điều hòa thông thường. Khi đó nhiệt bên trong tòa nhà được truyền trực tiếp vào tản nhiệt nước sâu. Điều này được gọi là "làm mát miễn phí"; nhưng thực tế không hoàn toàn miễn phí, do vẫn cần tiêu thụ điện để chạy máy bơm và quạt giúp lưu thông nước và không khí.

Sơ đồ hệ làm mát nước sâu mở. (1) Dòng khí lưu thông ở nơi làm mát. (2) Bơm. (3) Bộ trao đổi nhiệt. (4) Bơm hút. (5) Ống hút nước biển sâu. (6) Đường ống nước ngọt khép kín. (7) Ống xả nước biển.Sơ đồ hệ làm mát nước sâu tuần hoàn kín. (1) Dòng khí lưu thông ở nơi làm mát. (2) Bơm. (3) Đường trả lại nước ấm, của ống nước ngọt lưu thông khép kín. (4) Đường nước lạnh lấy về, của ống nước ngọt lưu thông khép kín. (5) Bộ trao đổi nhiệt.

Về kiến trúc, có hệ thống làm mát nguồn nước sâu tuần hoàn kín, và hệ thống làm mát nguồn nước sâu mở. Với hệ tuần hoàn kín, nước hoặc chất trao đổi nhiệt tuần hoàn giữa bộ trao đổi nhiệt nằm ở vùng nước sâu, và bộ trao đổi nhiệt ở công trình cần làm mát.[12] Với hệ mở, nước từ nguồn nước sâu được bơm lên đến bộ trao đổi nhiệt ở công trình cần làm mát, rồi xả trở lại môi trường.

Trong một hệ mở truyền thống, một máy bơm ở bề mặt hút nước dưới sâu lên, qua đường ống dài vài kilômét. Nước này được cho chảy qua bộ trao đổi nhiệt để làm mát một dòng nước ngọt chảy tuần hoàn trong đường ống thứ hai kín. Sau quá trình trao đổi nhiệt, nước đã được bơm lên sẽ nóng thêm vài độ C, và được thải ra ở độ sâu ứng với nhiệt độ của nó. Cùng lúc, dòng nước ngọt chảy ở đường ống thứ hai được chuyển đến bộ trao đổi nhiệt với không khí tại khu vực cần làm mát. Nước ngọt này làm mát không khí và bị nóng lên, và được dẫn quay trở lại bộ trao đổi nhiệt với nguồn nước sâu. Kỹ thuật này hiệu quả cho các đường ống có đường kính trên 40 cm, tuy nhiên với ống có đường kính bé hơn, hiện tượng khí thực[13] sẽ xảy ra khi nước bị hút lên trong đường ống nhỏ ở tốc độ hút cao. Để tránh hiện tượng khí thực xảy ra gây hỏng máy bơm, tốc độ bơm buộc phải bị giới hạn,[12] làm giảm hiệu năng làm mát, do:

• giảm lượng nước có thể được đưa từ dưới sâu lên bề mặt,
• và làm nước chảy chậm hơn, do đó dễ bị làm nóng khi chảy qua vùng nước nóng ở gần bề mặt.[12]

Vấn đề nêu trên được giải quyết bằng kiến trúc tuần hoàn kín, phù hợp cho các hệ thống quy mô nhỏ (công suất nhỏ hơn 1,5MW, làm mát cho diện tích 1000 đến 10'000 mét vuông).[12] Ở kiến trúc kín, nguồn nước lạnh trao đổi nhiệt với một dòng nước ngọt tuần hoàn kín, qua bộ trao đổi nhiệt ở độ sâu của nó. Nước ngọt tuần hoàn kín trao đổi nhiệt với không khí ở nơi cần làm mát qua bộ trao đổi nhiệt tại nơi đó. Nước ngọt tuần hoàn kín được luân chuyển, không phải bởi máy bơm hút, mà bởi lực đẩy nén. Do không bị hút, nên hiện tượng khí thực không xảy ra. Hệ tuần hoàn kín cho phép nước chảy với tốc độ lên đến ba lần so với hệ mở, trong những đường ống có kích thước nhỏ.[14] Việc sử dụng ống nhỏ giúp giảm độ phức tạp trong xây dựng và lắp đặt. Hệ kín giúp loại bỏ hệ thống lọc nước biển, cần khi hút nước biển sâu, và loại bỏ nguy cơ hút phải vật lạ hoặc sinh vật biển.[12] Tuy nhiên hệ kín cũng làm tăng 50% lượng đường ống cần sử dụng.