空气能热水器是按照“逆卡诺”原理工作的，具体来说，就是“室外机”作为热交换器从室外空气吸热，加热低沸点工质（冷媒）并使其蒸发，冷媒蒸汽经由压缩机压缩升温进入水箱，将热量释放至其中的水并冷凝液化，随后节流降压降温回到室外的热交换器进入下一个循环。
空气能热水器是一种储热式热水器，出水量大，水温一般设定在45℃－55℃。多数的空气能热水器都具有温度保持功能，如水温设定45℃－55℃，温度高于55℃，就自动停机，停止加热，如果水温低于45℃，就自动启动开始加热，使水箱水温保持在55℃以上。水箱保温效果差的热水器，由于热损失较大，会经常启动加热。
空气能是一种广泛存在、平等给予和可自由利用的低品位能源，利用空气能热水器原理（热泵热水器原理）循环提高其能源品位，因而是一项极具开发和应用潜力的节能、环保新技术，具有实用价值。
空气源热泵工作原理简化图
通过热泵机组的通电工作，将周围空气中的低温热量吸收到换热器上，通过换热器，将热量通过热传递原理传递到水里，达到加热的作用。空气能热泵机组工作时，在风机的吸力作用下，室外普通空气从进风口进入机组内部，经过换热器，此时空气中的低温热量被换热器吸收，并转移到保温水箱中，给水加热；失去热量的空气温度降低，变成冷空气从风机吹出来。
空气能热水器工作原理图
空气能机组一般由膨胀阀（节流阀）、压缩机、冷凝器、蒸发器等主要部件组成，这些主要部件在机组中所发挥的作用。
膨胀阀（节流阀）的作用
膨胀阀（节流阀）是在制冷系统中通过改变节流截面或节流长度达到控制制冷剂流量的装置，一般安装于蒸发器和储液筒之间。膨胀阀（节流阀）使中温高压的液体制冷剂通过其节流成为低温低压的湿蒸汽，然后制冷剂在蒸发器中吸收热量达到制冷效果，膨胀阀（节流阀）通过蒸发器末端的过热度变化来控制阀门流量，防止蒸发器面积利用不足和敲缸现象的发生。
压缩机的作用
低温低压的R134a冷媒，在压缩机的作用下，成为高温高压的状态。
冷凝器的作用
冷凝器为制冷系统的机件，属于换热器的一种，能把气体或蒸气转变成液体，将管子中的热量，以很快的方式，传到管子附近的空气中。气体通过一根长长的管子（通常盘成螺线管），让热量散失到四周的空气中，铜之类的金属导热性能强，常用于输送蒸气。为提高冷凝器的效率经常在管道上附加热传导性能优异的散热片，加大散热面积，以加速散热，并通过风机加快空气对流，把热量带走。冷凝器工作过程是个放热的过程，所以冷凝器温度都是较高的。
蒸发器的作用
在蒸发器上，热能的传递者——R134a冷媒，从低温低压的液体状态，蒸发成为低温低压的气体状态。
简而言之，空气能热水器工作原理就是由压缩机系统内的低温冷媒不断吸收室外空气中的低品位热能，带回压缩机提升为可用的高品位热能加热冷水。空气能热水器与空调的制热原理是一样，只是产品配置上有所区别，空气能热水器主要用于制热烧水，加大了蒸发器和冷凝器的换热面积，采用耐高温耐高压的压缩机系统。
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