空氣能熱水器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。

總之，空能熱水器的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。

空氣能熱水器其實是空調的另一個版本，空調是吸收室內的熱量，再將熱量排到室外。空氣能則是吸收環境的熱量，將熱量排給水箱。
首先看一下空氣能的原理。空氣能利用了熱泵的原理，首先制冷劑（空調中的稱法）吸收空氣中的熱量蒸發，經過壓縮機，汽化后的制冷劑溫度 上升，能量提高，之后，經過水箱，把熱量傳遞給水，制冷劑自己冷卻后冷凝，再經過膨脹閥通過小孔膨脹進一步降低溫度，再次與空氣熱交換開始下一個循環。這個循環體系主要是通過制冷劑吸收空氣中的熱量再利用壓縮機對制冷劑做功，對其進行加熱，再將熱量用于水的加熱。

為什么空氣能會節能。首先要提到一個參數，性能參數COP，，Q是加熱熱水需要的熱量，W是壓縮機的做功。對于一個卡諾循環，COP=Th/(Th-Tc)，其中Th是制冷劑的最高溫度，Tc是制冷劑的蒸發溫度。對于環境溫度15℃，Tc=288K，如果需要將熱水加熱至50℃，制冷劑的溫度需要在55℃左右，Th=328K，COP=8.2。這意味著我們投入1kJ的能量驅動壓縮機，可以加熱8kJ的水。這并不是說明能量不守恒，只是我們利用了壓縮機將空氣中溫度較低、品質較差的能量轉化為溫度較高、品質較高的能量。
當然，實際上COP要低于這個數值，一般來說，COP能達到3.5~4.5是比較高的了。而電加熱或者燃氣加熱，水的熱量完全由電能或者燃氣自身的能量提供，由于能量利用效率低，消耗的能量肯定要高于水吸收的能量。因此空氣能是節能的。