空氣能熱泵熱水器是根據逆卡諾循環原理工作的，低溫低壓的制冷劑經節流裝置膨脹降壓后，進入空氣交換機中蒸發吸熱，從空氣中吸收大量的熱量Ｑ２；蒸發吸熱后的制冷劑以氣態形式進入壓縮機，被壓縮后，變成高溫高壓的制冷劑，此時制冷劑中所蘊藏的熱量分為兩部分：一部分是從空氣中吸收的熱量Ｑ２，一部分是輸入壓縮機中的電能在壓縮制冷劑時轉化成的熱量Ｑ１；被壓縮后的高溫高壓制冷劑進入熱交換器，將其所含熱量（Ｑ１＋Ｑ２）釋放給進入熱換熱器中的冷水，冷水被加熱到６０℃直接進入保溫水箱儲存起來供用戶使用；放熱后的制冷劑以液態形式進入膨脹機構，節流降壓，如此不間斷進行循環。冷水獲得的熱量（Ｑ３）＝制冷劑從空氣中吸收的熱量（Ｑ２）＋驅動壓縮機的電能轉化成的熱量（Ｑ１），在標準工況下：Ｑ２＝３．６Ｑ１，即消耗１份電能，得到４．６份的熱量。

逆卡諾循環是由兩個等溫過程和兩個絕熱過程組成（如圖３），假設低溫熱源（即被冷卻物體）的溫度為Ｔ２，高溫熱源（即環境介質）的溫度為Ｔ１，則工質的溫度在吸熱過程中為Ｔ２，在放熱過程中為Ｔ１，就是說在吸熱和放熱過程中工質與冷源及高溫熱源之間沒有溫差，即傳熱是在等溫下進行的，壓縮和膨脹過程是在沒有任何損失情況下進行的。其具體循環過程為：首先工質通過膨脹閥進行等溫膨脹過程Ｄ→Ｃ，即在Ｔ１下從空氣中吸取熱量Ｑ１；然后通過壓縮機絕熱壓縮經過過程Ｃ→Ｂ，使其溫度由Ｔ１升高至熱水的目標溫度Ｔ２；

再在Ｔ２下進行等溫壓縮Ｂ→Ａ，并向環境介質（即高溫熱源）放出熱量Ｑ２，較后再進行絕熱膨脹Ａ→Ｄ，使其溫度由Ｔ２降至Ｔ１，使工質回到初始狀態Ｄ，從而完成一次循環。

通過讓制冷劑如Ｒ２２（氫氯氟烴類）不斷完成蒸發（吸取環境中的熱量）—壓縮—冷凝（放出熱量）—節流—再蒸發的循環過程，將空氣的能量轉移到水中。熱泵熱水器載熱工質的循環是：在低壓液態下吸收環境空氣的熱能，在蒸發器內蒸發汽化，通過壓縮機的工作提高Ｒ２２的溫度，再通過冷凝器使Ｒ２２冷凝為液態，同時釋放其能量并傳給水箱中的水，達到制取熱水的目的。

熱泵在工作時，把環境介質中貯存的能量Ｑ１在蒸發器中加以吸收；它本身消耗一部分能量，即壓縮機耗電Ｗ；通過工質循環系統在冷凝器中進行放熱Ｑ２，Ｑ２＝Ｑ１＋Ｗ，由此可以看出，熱泵輸出的能量為壓縮機做的功Ｗ和熱泵從環境中吸收的熱量Ｑ１之和；因此，采用熱泵技術可以節約大量的電能。