直接膨胀式太阳能热泵系统(Direct expansion solar assisted heat pump,DX-SAHP)将太阳能集热器和热泵蒸发器有机集成,通过太阳辐射的辅助得到更高的蒸发温度和系统性能系数(Coefficient of Performance,COP)。由于DX-SAHP系统在冬季也会和传统空气源热泵一样受到集热器结霜问题的困扰,因此对太阳能集热/蒸发器结霜问题的研究是改善系统性能、提高能量利用效率的重要课题之一。本文在实验测试和模拟计算的基础上,研究分析了直膨式太阳能热泵热水器在结霜工况下的加热特性及影响结霜的各种因素。主要内容如下:搭建了以R134a作为工质的变容量直膨式太阳能热泵热水器试验样机,主要部件包括裸板式太阳能集热/蒸发器、全封闭滚动转子式变频压缩机、微通道冷凝器以及电子膨胀阀。简述了实验平台的工作原理和数据采集装置。基于所搭建的试验平台,对热泵各部件进行了数学模型的建立,包括压缩机模型、冷凝器模型、膨胀阀模型以及集热/蒸发器模型。除此之外,根据裸板式太阳能集热/蒸发器的结构特点和湿空气在冷表面的传热传质过程,建立了模拟冬季条件下的结霜模型。通过对典型冬季工况下的实验测试,验证了包含结霜模型在内的热泵系统模型的准确性。经计算得到平均冷凝温度、平均压缩机耗功和平均COP的平均误差在5.5%以内,平均蒸发温度的绝对误差均值低于0.15℃,且霜层分布计算与实验结果相符,证明模型具有较高的准确性和可靠的预测效果。基于所建立的包括结霜模型在内的热泵系统模型,对DX-SAHP热水器进行了结霜工况下运行的特性分析。分析内容包括环境温度、太阳辐射强度、环境相对湿度和风速等气象参数,以及热水初终温、压缩机转速等运行参数。分析表明,当环境温度降至某一特定值以下,可以有效地抑制结霜的形成,而且在霜晶生长初期,集热器的效率会得到有效地提高。较高的太阳辐射强度可以显著改善加热性能,降低结霜率。相比之下,风速的增强会有同样的效果,但影响程度较小。此外,热水初终温的提高均会一定程度上缓解结霜,但会同时导致系统性能系数的下降,而压缩机转速的提升会使结霜出现恶化。分析过程中,系统COP在结霜工况下保持在2.75以上,具有可靠的加热性能,同时与传统的热泵蒸发器相比,集热/蒸发器展现出在延缓结霜方面的优越性。根据模拟研究结果和对实验数据的分析,对现有DX-SAHP热水器实验样机在冬季工况下的运行控制策略进行优化。通过多元线性回归拟合,对系统在冬季启动前压缩机初始转速和电子膨胀阀初始开度的计算进行重新设置,并通过残差计算验证了拟合的准确性。根据冬季环境的特点,对系统运行过程中压缩机转速调节和电子膨胀阀开度控制策略进行调整,并通过实验和模拟结果验证了新策略在提高加热性能和缓解结霜方面的效果。