空气源热泵和空调的制冷系统原理相同，都是采用“逆卡诺循环”原理，以压缩机为动力，制冷剂为载体，依次经过等温蒸发、绝热压缩、等温冷凝、绝热膨胀，四个不断循环过程，将热量在空气和水之间转移。 具体循环过程是：低温低压的液态制冷剂，进入蒸发器中，从空气中吸热做等温吸热蒸发，气态的制冷剂进入压缩机，被绝热压缩成高温高压的气体排入冷凝器，热量释放给进入冷凝器中的冷水，冷水被加热输送到用户端进行采暖或洗浴，同时制冷剂变成高温高压的液态进入节流装置，绝热膨胀成低温低压的液态进入蒸发器，周而复始。
空气能热泵机组运行还是以逆卡诺循环原理为基本的原理依据：液态的工质先在蒸发器里经过吸收空气中的热量之后汽化，汽化潜热就是我们所要回收的热量，在经过压缩机压缩之后，形成高温高压气体，随即进入冷凝器内液化，经过液体把吸收到的热量输送给需要加温的冷水中，液态的工质经过膨胀阀降压膨胀之后又重新回到膨胀阀内，吸收热量蒸发因此实现一个完整的循环过程，如此循环往复，经过不停的吸收低温能源的热量来传送给需要加温的冷水中，加温冷水达到理想的温度。
超低温空气源热泵与一般空气源热泵相比，超低温空气源热泵多了一条联通压缩机的喷射增焓支路，一般空气源热泵在-10℃以及更低温的环境下，会由于蒸发温度低导致蒸发量下降，因此使压缩机回气量比较少，冷凝放热的效果会大大降低，可是使用超低温空气源热泵后，由于增加过联通压缩机的喷射增焓支路，它能在压缩机回气不足的情况下直接给压缩机进行补气，使冷凝器的放热量得到提升，所以超低温空气源热泵在-25℃的环境下也能正常工作实现制热。在超低温空气源热泵广泛的应用中也能够看出，当环境温度低至-20℃时它的综合COP还高达2.0左右，温度低至-25℃的时候也能正常运作，由此看来，空气能热泵机组最低运行环境温度-25℃的时候是能够正常运作制热的。
