空气源热泵和空调的制冷系统原理相同，都是采用“逆卡诺循环”原理，以压缩机为动力，制冷剂为载体，依次经过等温蒸发、绝热压缩、等温冷凝、绝热膨胀，四个不断循环过程，将热量在空气和水之间转移。 具体循环过程是：低温低压的液态制冷剂，进入蒸发器中，从空气中吸热做等温吸热蒸发，气态的制冷剂进入压缩机，被绝热压缩成高温高压的气体排入冷凝器，热量释放给进入冷凝器中的冷水，冷水被加热输送到用户端进行采暖或洗浴，同时制冷剂变成高温高压的液态进入节流装置，绝热膨胀成低温低压的液态进入蒸发器，周而复始。

空气能热泵机组运行还是以逆卡诺循环原理为基本的原理依据：液态的工质先在蒸发器里经过吸收空气中的热量之后汽化，汽化潜热就是我们所要回收的热量，在经过压缩机压缩之后，形成高温高压气体，随即进入冷凝器内液化，经过液体把吸收到的热量输送给需要加温的冷水中，液态的工质经过膨胀阀降压膨胀之后又重新回到膨胀阀内，吸收热量蒸发因此实现一个完整的循环过程，如此循环往复，经过不停的吸收低温能源的热量来传送给需要加温的冷水中，加温冷水达到理想的温度。

热泵热水机组遵循能量守恒定律和热力学第2定律，运用热泵的原理，只需要消耗一小部分的机械功(电能)，将处于低温环境(大气或地下水等)下的热量转移到高温环境下的热水器中，去加热制取高温的热水。热泵可以与水泵相比拟，水是不能自发地从低处流向高处，要将低处的水输送到高处，必须用一台水泵，消耗一部分电力，才能将水送到高处的水箱中。 同样，根据热力学第二定律，热量也是不能自发地从低温环境向高温环境中转移(传送)，而要实现这个目的，必须要有一台机器，消耗一部分机械功(例如电能)，才能将低温环境中的热量传送到高温环境中去。这样的机器就称之为“热泵”。热泵的作用是将空气中或低温水中的热量取出，连同本身所用的电能转变成的热能，一起送到高温环境中去应用。