熱水泵是一種利用環境熱能將低溫熱能轉換成高溫熱能的裝置。其工作原理基于冷熱原理、熱力學一定律和熱力學第二定律，通過循環工質的循環流動來實現熱量的傳遞和轉換。
熱水泵的工作方式主要分為蒸發、壓縮、冷凝和膨脹四個過程。
1. 蒸發過程（吸熱過程）：在蒸發器中，液態工質（通常為制冷劑）從低壓、低溫狀態進入，與外界的熱源（如空氣、地源或水源）進行接觸，吸收能量并從液態轉變為氣態。在這個過程中，熱水泵蒸發器內的制冷劑會吸收環境熱量并獲得其化學勢能。
2. 壓縮過程（壓縮過程）：從蒸發器出來的低溫低壓氣態制冷劑通過壓縮機進入高溫高壓氣態制冷劑。在壓縮過程中，制冷劑被壓縮機內的活塞等元件壓縮，使其溫度和壓力均升高。在這個過程中，制冷劑的壓力勢能增加，內部能量呈現為熱能。
3. 冷凝過程（放熱過程）：高溫高壓的氣態制冷劑進入冷凝器，通過冷卻外界給予制冷劑的熱量，使其從氣態轉變為液態。在這個過程中，制冷劑釋放其內部的能量，將其熱量傳遞給外部環境，為供暖或熱水使用提供所需的熱能。
4. 膨脹過程（節流過程）： 從冷凝器出來的高溫高壓制冷劑經過節流閥（一般為毛細管）進入蒸發器，從而形成低溫低壓狀態。在節流閥的作用下，制冷劑壓力驟降，使其溫度和壓力均下降。在這個過程中，制冷劑的內部能量減少并重新變為液態。這種冷卻劑會回到蒸發器并再次吸收熱量，循環過程再次開始。
通過循環這四個過程的不斷運行，熱水泵可以將低溫熱能轉換為高溫熱能，提供給需要的供暖、熱水等領域使用。由于熱泵幾乎不以燃燒燃料的方式提供熱能，而是利用環境熱能，因此被認為是一種更環保、經濟、高效的供熱方式。熱水泵廣泛應用于家庭、商業和工業領域，以滿足不同需求的供熱和供熱水的需求。
