水源熱泵空調機組的工作原理和一般的空氣源熱泵空調機組相同。僅是機組的室外側換熱器不是空氣一制冷劑換熱器而是水一制冷劑換熱器。制冷工況運行時，利用制冷劑蒸發將空調空間中的熱量取出，放熱給水源側。制熱工況運行時則利用制冷劑蒸發吸取水源側的熱量，通過室內側換熱器放熱至空調空間。圖9-27示出了水源熱泵空調機組的工作原理。和空氣源熱泵空調機組一樣，制冷和制熱的工作循環的切換是依靠四通換向閥來完成的。

水源熱泵空調機組目前主要用于水環熱泵空調系統，也可用于地源熱泵空調系統(包括地下水、地表水和地埋管熱泵系統)。由于水源熱泵空調機組的熱源(熱匯)來自水介質，而水環系統和地源系統的水源側其有溫度較高和穩定的特性，因而機組能效比較空氣源機組有顯著的提高，是一種理想的節能產品。當用于水環空調系統中時，是用水環路將小型的水源熱泵空調機組并聯在一起構成一片以利用低位能源和回收建筑物內部余熱為主要特點的制冷供暖空調系統。

國外20世紀70年代已得到廣泛應用，我國則自20世紀90年代開始在上海、廣州和北京等大城市中推廣應用。當用于地源熱泵系統時，則需要創造供水條件，包括打造水井或添置地下換熱器等條件。