小型的水一空气热泵机组主要用在水环热泵空调系统中，用水环路将小型的水一空气热泵机组并联在一起，构成一个以回收建筑物内部余热为主要特征的热泵供暖、供冷系统。典型的水环热泵空调系统由四部分组成:室内的小型水一空气热泵机组;水循环环路、辅助设备(如冷却塔、加热设备、蓄热装置等)和补水定压设备组成。根据空调场所的需要，水环热泵可以按制冷工况运行，也可以按制热工况运行，还可以部分室内水一空气热泵机组制冷、部分室内机组制热运行。
水环热泵机组在夏季制冷工况运行时，室内的回风直接经过室内热泵机组内的直接蒸发式蒸发器降温除湿后送入房间，冷凝器的冷却水通过冷却塔冷却后循环使用。在冬季制热工况运行时，通过室内机组的换向阀，改变制冷剂流向，水侧换热器为蒸发器，空气侧换热器为冷凝器，回风通过冷凝器被加热后送入房间，实现室内供热。
在冬季，如果一栋建筑物内，部分房间需要供热，部分房间需要供冷，或者在一些大型建筑内，建筑内区往往有全年性冷负荷，导致冬季周边区需供热，内区需供冷。若周边区需供热房间的热负荷与内区需供冷房间的冷负荷比例适当时，即排入水环路中的热量与从水环路中提取的热量相当，水温维持在13~32℃范围内，此时系统高效运行，冷却塔和加热设备停止运行。由于从水环路中提取的热量与样放到水环路中的热量不可能每时每刻都相等，因此系统中还设有蓄热装置，暂存多余的热量。
