小型的水一空氣熱泵機組主要用在水環熱泵空調系統中，用水環路將小型的水一空氣熱泵機組并聯在一起，構成一個以回收建筑物內部余熱為主要特征的熱泵供暖、供冷系統。典型的水環熱泵空調系統由四部分組成:室內的小型水一空氣熱泵機組;水循環環路、輔助設備(如冷卻塔、加熱設備、蓄熱裝置等)和補水定壓設備組成。根據空調場所的需要，水環熱泵可以按制冷工況運行，也可以按制熱工況運行，還可以部分室內水一空氣熱泵機組制冷、部分室內機組制熱運行。

水環熱泵機組在夏季制冷工況運行時，室內的回風直接經過室內熱泵機組內的直接蒸發式蒸發器降溫除濕后送入房間，冷凝器的冷卻水通過冷卻塔冷卻后循環使用。在冬季制熱工況運行時，通過室內機組的換向閥，改變制冷劑流向，水側換熱器為蒸發器，空氣側換熱器為冷凝器，回風通過冷凝器被加熱后送入房間，實現室內供熱。

在冬季，如果一棟建筑物內，部分房間需要供熱，部分房間需要供冷，或者在一些大型建筑內，建筑內區往往有全年性冷負荷，導致冬季周邊區需供熱，內區需供冷。若周邊區需供熱房間的熱負荷與內區需供冷房間的冷負荷比例適當時，即排入水環路中的熱量與從水環路中提取的熱量相當，水溫維持在13~32℃范圍內，此時系統高效運行，冷卻塔和加熱設備停止運行。由于從水環路中提取的熱量與樣放到水環路中的熱量不可能每時每刻都相等，因此系統中還設有蓄熱裝置，暫存多余的熱量。