空氣能熱水器，也稱為"空氣源熱泵熱水器"，其工作原理與空調器極為相似，采用少量的電能驅動壓縮機運行，高壓的液態工質經過膨脹閥后在蒸發器內蒸發為氣態，并從空氣中吸收大量的熱能;氣態的工質被壓縮機壓縮成為高溫、高壓的液態，然后進入冷凝器放熱而把水加熱....如此不斷地循環加熱，可以把水加熱至50°C~65°C。
    空氣能熱泵熱水器（空氣源熱泵熱水器）中的冷媒（R22、 R417A等）把空氣中的低溫熱能吸收進來，經過壓縮機壓縮后轉化為高溫熱能，加熱水溫。這種熱水器（空氣源熱泵熱水器）具有高效節能的特點，其節能效果是電熱水器的4倍，是燃氣熱水器的3倍，是太陽能熱水器的約2倍。隨著社會經濟的發展，人們對生活質量的要求也越來越高。人們對沖涼洗澡的要求也越來越高，燃氣熱水器、電熱水器、太陽能熱水器等都已遠遠滿足不了人們對舒適節能 安全 的需要。在歐美發達國家，冷、熱水使用的比例是1：9（中國是9：1），歐美國家的冷水只作飲用或沖廁、洗車用，而在其他方面都是使用熱水。歐美國家家庭中央熱水器的市場占有率在90%以上，（中國不到3%）。 空氣源熱泵熱水器顧名思義就是一種能全天24小時大水量、高水壓、恒溫提供全家不同熱水需求，同時又能消耗少的能源完成上述要求的熱水器。并在高效制取生活熱水的同時，能夠像空調一樣釋放冷氣，并且可以在陽臺、儲物間、車庫等局部空間達到除濕的作用防止物品發霉變質或者快速晾干衣物。
    其內部結構主要由四個核心部件：壓縮機，冷凝器，膨脹閥，蒸發器組成。 其工作流程是這樣的：壓縮機將回流的低壓冷媒壓縮后，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內，冷卻下來的冷媒在壓力的持續作用下變成液態，經膨脹閥后進入蒸發器，由于蒸發器的壓力驟然降低，因此液態的冷媒在此迅速蒸發變成氣態，并吸收大量的熱量。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。隨后吸收了一定能量的冷媒回流到壓縮機，進入下一個循環。
    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。
    簡單來說：其工作原理就是把空氣中的能量加以吸收，轉變成熱量，轉移到水箱里面的水中，把水加熱起來，同時把失去大量熱量的空氣排放到室外的環境中，這是就是一般分體空氣能熱水器（又稱為空氣能冷氣熱水器）的原理；而一體式空氣能除了吸收空氣中的熱量加熱熱水，還能把失去大量熱量的空氣，即是冷氣，排放到廚房里，實現廚房制冷功能。