太阳能热水器与空气源热泵热水器均是利用可再生能源来提供热水的节能高效热水系统,也是目前最具发展前景的两种热水系统形式。但在实际使用中,太阳能热水器的运行完全依赖于太阳辐照情况,运行稳定性及可靠性较差;而空气源热泵热水器能效则受环境空气温度限制,低温环境下系统能效系数及加热功率均下降。而本文所研究的直膨式太阳能辅助热泵热水器(Direct expanded solar assisted heat pump water heater,DX-SAHPWH)将太阳能技术与热泵技术相结合,是能够同时利用太阳能与空气热能的双热源热泵热水系统。DXSAHPWH系统集合了太阳能与空气源热泵系统的优点,同时克服了两者各自的缺点,主要体现在:(1)系统能效系数高,而且运行稳定可靠;(2)系统结构紧凑,安装、维护成本低廉,且易于实现与建筑外立面的一体化;(3)系统集热/蒸发器以制冷剂为流动工质,与常规以水为工质的太阳能集热器相比,一方面制冷剂温度较低,能够提高太阳能集热效率,另一方面不存在管路腐蚀、冬季防冻等问题,使用寿命长;(4)太阳能-空气源双热源的利用使DX-SAHPWH能够适用于不同的气候区域,具有良好的市场开发和应用潜力,也利于推动节能减排目标的实现。本文采用理论分析,仿真模拟及实验研究相结合的方法,完成了DXSAHPWH的系统设计,优化及运行特性分析。本文具体工作内容主要包括:首先,对DX-SAHPWH系统进行了热力学第一定律和第二定律分析。通过热力学分析,确定了系统性能影响因素及相关性能评价参数。同时,根据热力学分析的结果,提出了DX-SAHPWH系统部件(主要是压缩机与集热/蒸发器)间的匹配的计算及优化设计方法其次,集热/蒸发器是DX-SAHPWH系统的技术核心,集热/蒸发器的换热效果也是影响系统运行性能的关键因素之一。本文对吹胀式集热/蒸发器的流道结构进行了优化以提高其传热性能,并搭建了样机对优化结果进行了实验验证。实验结果证明,优化后的流道结构改善了集热/蒸发器的传热性能,并有效提高了热泵系统的运行效率。在水箱初始水温25℃,设定热水温度55℃,环境温度26℃,太阳辐射强度700W/m2的运行条件下,采用常规蛇形流道的集热/蒸发器(Type I),DX-SAHPWH系统运行过程中平均COP为4.58,平均输出加热功率为1.37k W;而采用优化后的流道结构Type II和Type III,系统平均COP分别提高到5.25和5.56,平均输出功率则分别提高到1.61k W和1.71k W。第三,通过理论与实验研究,分析了水温,环境温度,太阳辐射强度以及天空长波辐射等因素对于DX-SAHPWH系统运行性能的影响。并将不同天气条件下的DX-SAHPWH系统运行性能与同等工况下的空气源热泵热水器(ASHPWH)进行了实验对比。测试结果表明,与ASHPWH系统相比,DX-SAHPWH系统在晴朗的白天时段具有显著的性能优势;在晴朗的夜间时段则表现出较差的运行性能。而在阴雨天气下,两种系统运行性能差异不大。在?损失方面,ASHPWH系统?损失最大的部件为压缩机,而DX-SAHPWH系统最大?损失则发生在集热/蒸发器。第四,建立相应的仿真模型,对DX-SAHPWH系统在不同气候区域的的全年运行性能进行了仿真计算和分析。通过对不同地区全年运行仿真结果进行的数据回归分析,提出采用全年加权平均环境温度与太阳辐射强度作为系统全年综合运行性能评价的额定工况。并提出系统全年平均COP与加权平均温度及太阳辐射强度之间存在二元线性关系。同时,综合考虑系统投资与运行成本,研究了系统压缩机排量与集热/蒸发器面积的匹配及优化。根据优化计算结果,不同地区使系统经济性最优的的压缩机排量与集热/蒸发器面积的比值均处于[0.28,0.35]区间内。第五,空气源热泵热水器的性能主要受环境温度与水温的影响,在昼夜温差较小的情况下,系统全天不同时段的运行性能相差不大。与之相比,由于太阳辐射强度对于DX-SAHPWH系统性能有着重大影响,而全天太阳辐照情况变化显著,因此DX-SAHPWH系统在全天不同时段的运行性能有着显著差异。本文通过仿真计算分析证明,相比于常规的水箱恒温控制策略,考虑太阳辐照条件的分时恒温控制能够显著提高DX-SAHPWH系统的全天综合运行性能。本文研究内容可为DX-SAHPWH系统设计提供参考,并对DX-SAHPWH系统的商业推广以及相关性能标准的制定有着重要意义。