空气能利用了热泵的原理，首先制冷剂（空调中的称法）吸收空气中的热量蒸发，经过压缩机，汽化后的制冷剂温度上升，能量提高，之后，经过水箱，把热量传递给水，制冷剂自己冷却后冷凝，再经过膨胀阀通过小孔膨胀进一步降低温度，再次与空气热交换开始下一个循环。这个循环体系主要是通过制冷剂吸收空气中的热量再利用压缩机对制冷剂做功，对其进行加热，再将热量用于水的加热。
为什么空气能会节能。首先要提到一个参数，性能参数COP，Q是加热热水需要的热量，W是压缩机的做功。对于一个卡诺循环，COP=Th/（Th-Tc），其中Th是制冷剂的最高温度，Tc是制冷剂的蒸发温度。对于环境温度15℃，Tc=288K，如果需要将热水加热至50℃，制冷剂的温度需要在55℃左右，Th=328K，COP=8.2。
这意味着我们投入1kJ的能量驱动压缩机，可以加热8kJ的水。这并不是说明能量不守恒，只是我们利用了压缩机将空气中温度较低、品质较差的能量转化为温度较高、品质较高的能量。
当然，实际上COP要低于这个数值，一般来说，COP能达到3.5~4.5是比较高的了。而电加热或者燃气加热，水的热量完全由电能或者燃气自身的能量提供，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。因此空气能是节能的。