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其工作原理是根据逆卡诺循环原理，通过工质气化吸收空气或其他低温热源中无法直接利用的太阳能潜热，用少量的电能驱动压缩机压缩形成高温气体进入热交换器把热能释放到水中将水加热。工质冷凝并液化并回到吸热端，周而复始工作循环。
传热工质是一种特殊的物质，在实际运行当中，热泵中传热工质的蒸发极限温度为-20℃左右，因此5℃甚至于0℃的空气，相比之下也是热的。也就是说热泵热水系统可以100%将所有的热能，包括压缩机运转的机械能与周围环境的能量将之转换于水中产生热水，绝对不浪费任何能源。
逆卡诺循环在理想状态下能效比可达到7.94倍，在实际应用中由于工况变化，传热温差及不可逆损失，目前，热泵热水器在实际使用中，其能效比达到3-5。
一般的电热水器加热方法都是直接用电能来将水温升高，既用一度电形成860大卡的热量来提高水温，热泵热水器提高水温也要用电，但电只用在驱动热泵系统从外界环境中吸收热量，并将热量释放出来提高水的温度。实验证明同样一度电用于热泵系统中从外界吸收的热量是三倍于860大卡的热量，故用电量只有电热水器的三分之一。
举一个通俗的比方：热泵机组用1份电能可以从环境中吸取2-4份免费热能，再用这些热能加热水，消耗的1份电能也用于加热热水。所以最终能效比达到3-5。
空气能热水器的应用范围
家庭、别墅、办公大楼、宾馆、酒店、医院、学校、恒温泳池、桑拿沐足中心、水疗SPA、洗浴中心等，可以单独使用，亦可组合使用，对不同的供热要求，可以选择不同的组合设计。