Bei der Brunnenkühlung entnehmen wir das Grundwasser aus einem Saugbrunnen, filtern es und führen es dem Kühlkreislauf zu. Danach wird es über Schluckbrunnen wieder in den Grundwasserstrom zurückgespeist und kühlt sich dort auf die Ausgangstemperatur ab.
Da die Grundwassertemperatur aufgrund der verzögerten Temperaturausbreitung in Tiefen ab ca. 15 Meter praktisch nicht schwankt, bleibt sie ganzjährig gleichbleibend niedrig. Unter Umweltgesichtspunkten ist die Grundwassernutzung unbedenklich, weil die entnommene Wassermenge wieder in den Grundwasserstrom eingespeist wird. Eine Verunreinigung des Grundwassers ist ausgeschlossen, da es in einem vom sekundären Kreislauf abgesonderten Rohrsystem zirkuliert. Der entscheidende Vorteil der Brunnenkühlung ist der geringe Stromverbrauch, denn Grundwasser steht quasi zum Nulltarif zur Verfügung. Die langfristige Temperaturkonstanz des Grundwassers und die Unabhängigkeit von den Außentemperaturen machen eine Zukühlung mittels Kältemaschine daher überflüssig.

Allerdings ist Brunnenkühlung von externen Faktoren abhängig.
Zunächst einmal müssen die geologischen Voraussetzungen am Standort auf ihre Eignung geprüft werden: Grundwasser muss in wirtschaftlich erreichbarer Tiefe, in ausreichender Menge und Temperatur sowie mit ausreichender Fließgeschwindigkeit verfügbar sein. Damit nicht zurückgespeistes erwärmtes Wasser angesaugt wird, muss die Grundstücksgröße passend zum benötigten Abstand zwischen Saug- und Schluckbrunnen gewählt werden.
Weitere Rahmenbedingungen geben die Behörden vor: Das Wassernutzungskonzept, das sich von Bundesland zu Bundesland und von Kommune zu Kommune unterscheiden kann, muss die Verwendung des Grundwassers für die Industriekühlung zulassen. Schließlich hängen Brunnenwasserprojekte von der Nachbarschaft ab – bestehende Nutzungen oder Planungen dürfen vor Ort nicht beeinträchtigt werden.