能量有品质高低之分，机械能、电能是最高品位的能量，而热量的品位是以它转化为电能的理论效率——卡诺热机的效率来表示的。在热力学上认为大气的空气能的品位是0，它不能用于发电。但空气能确实存在，零品位的空气能并不等于没有利用价值。在制取生活热水和供暖中充分利用空气能，能够节约大量高品位的电能和化学能。要把空气能变成较高温度的热能使用，一定要消耗一定数量的高品位能，如电能或高温热能。这是利用空气能的必要条件和热力学依据。
空气能热泵技术实现了利用空气能供暖和制热水。在自然界中，水总由高处流向低处，热量也总是从高温传向低温。但人们可以消耗一部分电能，用水泵把水从低处提升到高处，从而实现水的由低处向高处流动；同样，人们可以消耗一部分高品位电能，用热泵把热量从低温转移到高温。所以热泵实质上是一种热量提升温度的装置。以电能为驱动力，利用电动机驱动的制冷剂蒸气压缩循环、将低温热源(空气或水)的热量转移到较高温的被加热的水中来制取生活热水和采暖热水的设备，称为蒸气压缩式空气能热泵，也简称为空气源热泵。这种蒸气压缩式热泵，采用逆卡诺循环原理设计。热泵主要由蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀等四部分组成。四大部件分担热泵循环的四个过程：蒸发器因受压缩机的抽吸，制冷剂液体在低压力低温度下不断蒸发，执行从环境空气中吸取热量的任务；压缩机在电动机带动下把吸入的气体压缩到高的压力和高的温度，执行补入高品位的电能把环境温度的空气能提升为温度较高、品位较高热能的任务；冷凝器担负把高温制冷剂的热能用传热方式传给被加热的热水，热水得到的热能大约等于蒸发器吸收的空气能和压缩机消耗的电能之和，在冷凝器内制冷剂放出热量后由制冷剂气体变成液体；膨胀阀担负降压和节流作用，冷凝的制冷剂液体经过膨胀阀降压后再进入蒸发器，再重新蒸发。
上述四个过程循环往复，完成不断把热量从周围的大气中搬移到高温热水中的总任务。由于用热泵方式加热水，仅消耗少量的电能，却获得了所消耗的电能和它从空气中吸取的能量之和的热量。空气能热泵热水器从空气中吸取的能量，约等于它比同功率电热水器节省的能量。虽然热泵消耗的电量、从空气中吸取的能量和得到的热量三者之间的比例与环境温度、热水温度、换热器的能力、热泵系统性能等有关，但就目前普通热泵而言，消耗1度电蒸气压缩式热泵，能从空气中吸收约3度电能量相当的热量，扣除损失的热量，能得约3.5度电能量相当的热量来加热水，节能效果显著。如果冷量和热量同时都能被利用，这样的两用热泵的热效率可达6～7倍，节能效果更加巨大。
