1、壓縮機将回流的低壓冷媒壓縮後，變成高溫高壓的氣體排出，高溫高壓的冷媒氣體流經纏繞在水箱外面的銅管，熱量經銅管傳導到水箱内，冷卻下來的冷媒在壓力的持續作用下變成液态，經膨脹閥後進入蒸發器，由于蒸發器的壓力驟然降低，因此液态的冷媒在此迅速蒸發變成氣态，并吸收大量的熱量。
2、同時，在風扇的作用下，大量的空氣流過蒸發器外表面，空氣中的能量被蒸發器吸收，空氣溫度迅速降低，變成冷氣釋放。随後吸收了一定能量的冷媒回流到壓縮機，進入下一個循環。
3、由以上的工作原理可以看出，空氣源熱泵熱水器的工作原理與空調原理有一定相似，應用了逆卡諾原理，通過吸收空氣中大量的低溫熱能，經過壓縮機的壓縮變為高溫熱能，傳遞給水箱中，把水加熱起來。整個過程是一種能量轉移的過程（從空氣中轉移到水中），不是能量轉換的過程，沒有通過電加熱元件加熱熱水，或者燃燒可燃氣體加熱熱水。
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