Uma bomba de ar-calor opera de acordo com o princípio similar ao dos sistemas de ar condicionado ou refrigeradores. Cada um desses dispositivos apresenta três circuitos. 1) Uma fonte inferior – ou seja, de onde a bomba absorve calor, 2) Um circuito de resfriamento – ou seja, um conjunto de elementos e dispositivos, graças aos quais o calor é transferido da fonte inferior para a fonte superior, e 3) Uma fonte superior – um sistema de aquecimento, por exemplo, radiadores, aquecimento de piso, água morna utilizável.
O princípio de operação da bomba de ar condicionado ar-água é muito simples e é baseado em 3 fenômenos físicos que ocorrem comumente na vida cotidiana: evaporação, compressão e condensação. Durante o processo de evaporação (o evaporador), o refrigerante extrai calor do ambiente – neste caso, o ar externo. Observe que os refrigerantes são capazes de evaporar em temperaturas muito baixas (mesmo a -20 °C).
Após a evaporação, o refrigerante acumulou energia, mas a temperatura do gás é muito baixa para transferir essa energia diretamente para o sistema de aquecimento. A temperatura do gás no sistema de resfriamento deve ser elevada para aquecer o edifício de forma eficiente. O compressor da bomba de ar condicionado é usado para esse propósito. Durante a compressão, a pressão e a temperatura do gás aumentam.