Ilmalämpöpumppu toimii kuten jääkaappi, siirtäen lämpöenergiaa paikasta toiseen. Jäähdytyksessä se toimii samalla tavalla kuin jääkaappi ja lämmittäessä taas vastaavasti päinvastoin. Lämmönkuljettimena ilmalämpöpumpussa toimii kylmäaine, nykyään yleisimmin R410A.
Lämmityskäytössä kylmäaine höyrystetään ulkoyksikössä ja samalla siihen siirtyy ulkoilmasta lämpöenergiaa. Kylmäaine virtaa laitteen ulkoyksiköltä sisäyksikölle kupariputkissa, jossa se kuljetetaan sisäyksikölle. Sisäyksiköllä kylmäaine lauhdutetaan, jolloin se luovuttaa ulkoa siirretyn lämpöenergian sisätiloihin. Lämmön luovutettuaan kylmäaine palaa ”paluuputkessa” takaisin ulkoyksikölle ja kierto voi alkaa uudelleen. Tämä lämpöenergian siirtäminen ilmalämpöpumpun avulla tulee käytännössä paljon edullisemmaksi kuin lämpöenergia tehtäisiin, vaikkapa sähkövastuksen avulla.
Jäähdytyskäytössä laitteen toimintaperiaate on aivan sama. Lämpöä siirretäänkin nyt vain sisältä asunnosta ulos. Ilmalämpöpumppu toimii siten myös tehokkaana jäähdytyslaitteena.
Ilmalämpöpumpun hyötysuhde (COP = Capacity On Power) kertoo kuinka tehokkaasti kulutettu sähköenergia saadaan muutettua lämpöenergiaksi. Esimerkiksi merkintä COP 5 tarkoittaa, että 1kW sähköä tuottaa 5kW lämpöä eli tässä tapauksessa 4kW saadaan luonnosta ilmaiseksi.
Viereisestä kaaviokuvasta nähdään, miten pakkanen vaikuttaa lämmityslaitteiden hyötysuhteisiin. Vasemmassa reunassa on (hyötysuhde), joka kertoo, kuinka paljon milläkin pakkasasteella alareunassa (ulkolämpötila) saadaan kerrointa eli hyötysuhdetta (COP). Pakkasen vaikutus on siis kertoimen ”surma”, mutta viime vuosien kova kehitys lämpöpumppualalla on tehnyt sen, että -30 asteen pakkasesta nyt saadaan kerrointa parhaimmilla pumpuilla jo 1.5. Insinöörit ovat onnistuneet tässäkin tehtävässä. Onneksi tällaiset pakkaset ovat, jopa meillä täällä pohjoisessakin, perin harvinaisia ilmiöitä.