Каким образом может извлекаться тепло из воздуха при отрицательной температуре зимой?

Вся суть в том, что принцип работы теплового насоса основан на работе обратного термодинамического цикла (цикла Карно) , как и у любой холодильной машины.
В системе циркулирует фреон. Фреон — это вещество температура кипения которого гораздо ниже, чем температура уличного воздуха даже в самый суровый мороз. Проходя через теплообменник наружного блока теплового насоса фреон вскипает и испаряется, по законам физики в процессе кипения происходит отбор тепла у наружного воздуха, далее фреон направляется в компрессор, который его сжимает, увеличивая его давление и температуру. После компрессора фреон в виде газа с высокой температурой направляется в теплообменник гидромодуля теплового насоса, где в процессе конденсации он отдает свое тепло воде в системе отопления. Далее цикл повторяется снова. Электроэнергия в таком цикле затрачивается только на работу компрессора, вследствие чего и возникает такое понятие как коэффициент преобразования теплового насоса. COP показывает во сколько раз тепловой насос производит больше энергии, чем потребляет сам, то есть определяет разницу между производимой и потребляемой тепловым насосом энергией. В среднем у воздушных тепловых насосов COP = 3,5, что касается геотермальных тепловых насосов COP = 4,5, т.к. температура грунта всегда стабильна и колеблется в районе 10 градусов.