Toplotne črpalke zrak delujejo po principu obratnega Carnotovega cikla. Uporabljajo kompresorski sistem za absorbiranje toplote iz zraka za proizvodnjo tople vode. Natančneje, kompresor stisne hladilno sredstvo; segreto hladilno sredstvo gre nato skozi kondenzator v rezervoarju za vodo, da proizvede vročo vodo. Po izmenjavi toplote se hladilno sredstvo vrne v kompresor za naslednji cikel. Med tem procesom uparjalnik absorbira toploto iz zraka in jo prenese na hladilno sredstvo, ki se nato prenese na vodo za proizvodnjo tople vode. Ta nova generacija grelnikov vode, ki segreva zrak s pomočjo kompresorja, se imenuje grelnik vode s toplotno črpalko na zrak. Preprosto povedano, zunanja enota stisne zrak kot zračna črpalka in mu zviša temperaturo. Ta toplota se nato skozi tekočino, ki vre pri -17 stopinjah, prenese v notranji rezervoar za vodo in se končno sprosti v vodo.
Princip ogrevanja toplotne črpalke je nasproten principu ogrevanja klimatske naprave-nacionalni standard za hlajenje je 1000 vatov, za električno hlajenje pa 2800 vatov. Na podlagi principa toplotne bilance se hkrati proizvede najmanj 2800 vatov toplote. Pri vložku 1000 vatov električne energije je dejanska proizvedena toplota med 3000 in 4000 vatov. Ta toplota se nato prenese v izoliran rezervoar za vodo, njegova poraba energije pa je le -četrtina električnega grelnika vode (tudi če ima električni grelnik vode 100-odstotno toplotno učinkovitost, bo proizvedel samo 1000 vatov toplote z vloženo 1000 vatov električne energije).