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空气能热水器由一台室外机和保温水箱组合而成，室外机称之为空气能热泵机组，空气能热泵机组一般由压缩机、膨胀阀、蒸发器、冷凝器等主要部件组成。简单而言，空气能热水器工作原理就是由压缩机系统内的低温冷媒不断吸收室外空气中的低品位热量带回压缩机提升为可用的高品位热量加热冷水。空气能热水器制热原理与空调制热原理一样，只是产品配置上有所区别，空气能热水器主要用于制热烧水，加大了蒸发器和冷凝器的换热面积，采用耐高温耐高压的压缩机系统。
热泵压缩机把低温低压气态冷媒转换成高压高温气态，压缩机压缩功能转化的热量为Q1，高温高压的气态冷媒与水进行热交换，高压的冷媒在常温下被冷却、冷凝为液态。这过程中，冷媒放出热量用来加热水，使水升温变成热水。水吸收的热为Q3，高压液态冷媒通过膨胀阀减压，压力下降，回到比外界低的温度，具有吸热蒸发的能力。低温低压的液态冷媒经过蒸发器(空气热交换器)吸收空气中的热量自身蒸发，由液态变为气态，冷媒从空气中吸收的热为Q2。
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