Obwohl die Bodentemperaturen im oberflächennahen Bereich in Deutschland nur zwischen sieben und elf Grad Celsius liegen, kann auch diese "Wärme" zur Bereitstellung von Wärmeenergie und Klimakälte verwendet werden. Man nennt dieses Verfahren oberflächenthermale Geothermie. Im Gegensatz zur Nutzung von warmen oder heißen Wässern aus dem tiefen Untergrund wird Wärme aus dem flacheren Untergrund dabei gewöhnlich nur mit Hilfe von Wärmepumpen genutzt.

Meist wird die Wärme aus dem Boden zunächst auf Wasser oder Sole - gefrierfest gemachtes Wasser - übertragen. Mit der Sole wird anschließend eine Wärmepumpe mit Wärme beliefert. Die meisten Wärmepumpe arbeiten nach dem Kompressorprinzip.

Dabei wird dem Verdampfer, einem Wärmetauscher, Wärme in Form der Sole mit einer Temperatur von etwa 10°C zugeführt. Diese genügt, um eine niedrig siedende Flüssigkeit - das Kälte- oder Arbeitsmittel (beispielsweise Ammoniak) - zu verdampfen. Der Dampf hat dabei die Wärmeenergie des Wassers aufgenommen. In einem Kompressor wird der Dampf vedichtet, wodurch sich dieser auf bis zu 80°C erhitzt. Nun gelangt der heiße Dampf in einen weiteren Wärmetauscher, den Kondensator. Hier verflüssigt sich der Dampf durch den hohen Druck und gibt Kondensationswärme ab, die auf den Wärmeträger der Heizung übertragen wird und so beispielsweise ein Haus heizen kann. Das verflüssigte Kältemittel der Wärmepumpe dehnt sich beim Austritt aus einem Entspannungsventil aus und kühlt dabei ab. Anschließend gelangt es wieder in den Verdampfer, wo der Kreislauf von neuem beginnt.

Es stehen verschiedene Techniken zur Verfügung, um die im Untergrund vorhandene Wärme zur Wärmepumpe zu befördern. Die wichtigsten sind:

Erdwärmekollektoren
Erdwärmekollektoren werden normalerweise horizontal in 80 bis 160 Zentimeter Tiefe verlegt. Es handelt sich dabei um Rohre, die von Sole durchflossen werden. Sie nehmen die Umgebungswärme des Bodens auf, unterliegen aber auch den an der Oberfläche herrschenden Witterungseinflüssen. Bei Kopplung an einen Erdwärmekollektor wird eine Erdwärmepumpe daher im Winter - zur Zeit des höchsten Wärmebedarfs - mit besonders wenig Wärme beliefert.

Bei horizontal verlegten Erdwärmekollektoren beträgt der Flächenbedarf das ein- bis anderthalbfache der zu beheizenden Wohnfläche. Dazu kann der ein Haus umgebende Garten dienen. Ist diese Fläche für die Beheizung nicht ausreichend, können die Kollektoren auch vertikal als Erdwärmesonden verlegt werden.

Erdwärmesonden (EWS)
Zur Verlegung von Erdwärmesonden (EWS) werden bis zu 150 Meter tiefe Löcher in das Erdreich gebohrt, in die dann die Rohre mit der Sole gelegt werden. Die Verlegung der Erdsonden ist teurer als die horizontal verlegten Erdkollektoren, außerdem ist ein wasserrechtliche Genehmigung von den Behörden einzuholen.

Betonbauteile, die in Kontakt mit dem Bodenreich stehen, lassen sich nicht nur als tragendes oder architektonisches Element einsetzen, sondern auch zu Heiz- und Kühlsystemen weiterentwickeln. Als Schlagwort für diese Technologie hat sich der Begriff "Energiepfahl" durchgesetzt. Grundsätzlich können in alle erdberührenden Betonflächen Wärmetauscher eingebaut werden. Sie übertragen die Wärme des Bodens auf eine Wärmeträgerflüssigkeit und damit ins Innere des Gebäudes. Der Einbau der Wärmetauscher kann nur im Rahmen der Errichtung des Bauwerks selbst erfolgen, eine Nachrüstung bereits vorhandener Betonflächen ist daher nicht möglich. Zwei der weltweit größten Projekte dieser Art sind die Anlage der Etikettierfabrik Pago im schweizerischen Grabs und das Kunsthaus in Bregenz.

Die Wärme, die mit einer dieser Techniken aus dem Boden gewonnen wurde, wird anschließend auf eine Wärmepumpe übertragen und kann dann zur Klimatisierung von Gebäuden genutzt werden.