要搞清楚熱泵的工作原理，首先要懂得制冷系統的工作原理。制冷系統（壓縮式制冷）一般由四部分組成：壓縮機、冷凝器、節流閥、蒸發器。其工作過程為：低溫低壓的液態制冷劑（例如氟利昂），首先在蒸發器里從低溫熱源（例如冷凍水）吸熱并氣化成低壓蒸氣。然后制冷劑氣體在壓縮機內壓縮成高溫高壓的蒸氣，該高溫高壓氣體在冷凝器內被低溫熱源（例如冷卻水）冷卻凝結成高壓液體。再經節流元件（毛細管、熱力膨脹閥、電子膨脹閥等）節流成低溫低壓液態制冷劑。如此就完成一個制冷循環。
對于一臺分體式熱泵空調來說，夏天制冷時就是以室外機為冷凝器、室內機為蒸發器，運行時就把室內的熱量輸送到了室外。而冬季則以室內機為冷凝器、室外機為蒸發器，這樣就把室外的熱量輸送到了室內，通常這些是通過四通換向閥來實現的。
熱泵空調里面有一個四通換向閥。在制冷工況下，室內熱交換器就是蒸發器，室外熱交換器（夏天往外呼呼出熱風的那個東西）就是冷凝器。冬季供熱的時候，四通換向閥切換，改變冷媒的流向，此時，室內熱交換器就是冷凝器，室外熱交換器（冬天往外呼呼出冷風的那個東西）就是蒸發器。由于冬季往外出冷風，換熱器要結霜，所以等結霜到一定程度時，四通換向閥再切換，空調變成夏季制冷工況，室外熱交換器得到熱量，化霜，化霜完畢后，四通閥再切換到制熱狀態。除霜時，為了防止向室內吹冷風，故室內機的風機停止運轉。（當然這種逆向除霜對舒適性有一定影響，所以又有了熱氣旁通除霜、蓄熱除霜等不需要切換工況的方式）
熱泵是以冷凝器放出的熱量來供熱的制冷系統，它被形象的稱為“熱量倍增器”。目前在市場上廣泛出現的家用冷暖空調器上，就已經廣泛地應用了熱泵制熱，其制熱系數已高達3以上。那么，利用熱泵的原理來制取熱水，消耗一度電所獲得的熱水，比普通電熱水器消耗三度電所獲得的熱水還要多，這是傳統熱水器所不能企及的。

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