超低温空气源热泵机组由蒸发器、冷凝器、压缩机、膨胀阀四大主要部件构成封闭系统，其内充注有适量的工质。机组运行基本原理依据是逆卡循环原理：液态工质首先在蒸发器内吸收空气中的热量而蒸发形成蒸汽（汽化），汽化潜热即为所回收热量，而后经压缩机压缩成高温高压气体，进入冷凝器内冷凝成液态（液化）把吸收的热量发给需要的加热的水中，液态工质经膨胀阀降压膨胀后重新回到膨胀阀内，吸收热量蒸发而完成一个循环，如此往复，不断吸收低温源的热而输出所加热的水中，直接达到预定温度。相比于普通热泵在-10℃及更低温度下，由于蒸发温度过低，引起蒸发量较少，导致压缩机回气量少，从而影响冷凝放热。超低温热泵增加了一条联通压缩机的喷射增焓支路，当压缩机回气不够时，喷射增焓支路会给压缩机补气，这样冷凝器的放热量就会提高，因此在极低的温度下仍能正常制热。
