浅层地热能的概念是以热能的赋存状态定义的，并没有限定热能的补给来源，类似于“地下水”的概念，没有限定水的补给来源。对浅层地热能的热能来源，有不同的解释，成为近来一些人争论的焦点。把这个问题讨论清楚，对于科学评价浅层地热能是有意义的。
热力学第二定律指出，能量的传递具有方向性，从高温物体向低温物体传递的热量是自行的，而从低温物体向高温物体的热量传递需要借助外力才可实现。这不仅是热泵技术的基本原理，也是浅层地热能分析和计算的基础。地下温度场表征了热能的分布和运移。根据地温梯度和介质的导热系数可以定量评价地热流量。这里仅根据地温场的特征定性分析浅层地热能的来源。岩土体、地下水、地表水是开放的储热体，在其边界上内部的热量与外部热量不断进行着传导或辐射。对于地表以下的浅部岩土体，其上界面是地面，与大气和阳光接触，依太阳辐射和气温的变化，吸收或散发热量。下界面是深部岩土体，接受着产生于地球的内部源源不断的热流。对于限定的区域，岩土体与周边的介质，包括地下水和地表水也存在热交换。在没有内部热源或热汇的情况下，岩土体内温度的分布是由边界温度决定的。浅部岩土体中的热量是不可能长时期积累的，地层温度只反映了现代的环境特征，而地质学家们正在根据岩石地层中保留的信息来分析当时的环境温度，研究几十亿年地质时期各种时间尺度全球的气候变化规律。
天然和人工干扰两种不同的状态下，浅层地下水、地表水和岩土体中温度分布有着很大的差别，只有区分两种不同状态，才能深入分析其蕴藏热能的来源和运移。对于含水层中的地下水和地表水体，由于水是热量的良好载体，热容量大，热的对流和传导使得连续水体的温度保持一致，其温度的高低是由其与外界的热交换决定的。在自然状态下，地下水温决定于其水源和周边环境的温度。地表水温度的主要控制因素包括大气降水、太阳辐射、空气和水体基底温度，地下水温度的控制因素是入渗补给水源和含水层的温度。在利用换热器从地下水和地表水体中提取和排泄热量的状态下，热源和热汇的强度是水温变化主要因素。地表水的温度变化及其分布取决于水体的大小、水流的速度、流量。地下水的温度变化及其分布取决于含水层的渗透性、地下水流速和含水层的特征。
岩土体的热传导性比水低很多。岩土体内的温度分布，在天然状态下从地表到埋深200米范围内温度就有很大的差别。从地表向下分别为变温层、恒温层和增温层。变温层的温度受太阳辐射和大气温度的控制，随季节变化，增温层的温度受地球深部热量控制，随深度增加，正常状态为每100米增加3℃，经过地热地质工作数十年的研究，我国大地热流的分布规律已经基本查清。恒温层是地球内部热量与大气温度的相对平衡的层位，厚度不大，温度相对恒定。由于各地的气温、日照、大地热流值的不同，岩土体的温度和恒温层的厚度和埋藏深度差别很大，受当地大地热流、太阳辐射和气温的控制，是天然热源动态平衡的结果。
人类的工程活动已经在很大程度上改变了天然环境，对地下温度场也发生了同样的事情。在利用地埋管换热器提取和排泄热量的状态下，岩土体中温度的分布发生了剧烈的变化，天然状态下的“恒温层”已经不复存在。地埋管取热区域及其影响范围内的岩土体的地温场成为干扰下的“人工变温层”。图1是北京市一个地源热泵工程地埋管换热系统的实际监测资料。
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人工干扰状态下岩土体中热量的补给和排泄的关系与天然状态完全不同。地埋管换热器成为主要的“热源”和“热汇”，地温梯度的改变诱发了热流量的改变。在岩土体的上界面即地表面和下界面即与深部岩层上的热交换量发生了数量级的变化，在平面上地埋管取热区与周边岩土体产生也了热流交换，这是热流方向和数量非稳定的动态过程。如果照搬在天热状态下观测到的大地热流值和太阳能辐射热量来分析问题，必然得出错误的结论。定量计算这些热流量是浅层地热能评价的主要内容。近年来，欧洲、日本等国家的地热地质学家对岩土体上、下界面热交换量定量计算及其在数值模拟中的实现进行了很多研究，并发表了一些成果。
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