太阳能的开发利用对于我国经济社会可持续发展具有重要战略意义。直膨式太阳能-空气复合热源热泵热水器将太阳能热利用与空气源热泵技术相结合,可同时吸收太阳辐射能和空气中的热量,能够有效克服太阳辐射能流密度低和波动大的缺点,大大提高系统运行时的制热效率和稳定性,具有较好的全年综合运行性能,是太阳能高效利用的有效途径。但目前这种系统的结构型式以及运行控制等仍有待进一步优化以提高系统性能。本文主要围绕复合热源热泵热水器的运行特性、部件优化、性能影响因素分析以及运行控制优化等方面展开实验研究和模拟分析。首先,对直膨式太阳能-空气复合热源热泵热水器实验装置的集热/蒸发器结构型式进行改进,并通过实验研究,分析了系统在不同天气条件下的运行特性。结果表明,系统在不同天气条件下均能够可靠地制取120L、温度为55℃的生活热水,且在不同的天气条件下,系统将以不同的模式运行。分析还发现,现有装置中使用的热力膨胀阀难以满足流量控制要求,有待进一步改进。其次,将MEMS思服阀流体智控系统应用于实验装置上,对集热/蒸发器的过热度控制进行了实验研究,并与采用热力膨胀阀的装置进行对比分析。为了更好地实现部件之间的容量匹配,为系统配置了变频控制器和变频压缩机,对改进后的实验装置进行了一系列实验测试,所得结果可为系统的变工况运行控制提供实验依据。再次,建立了直膨式太阳能-空气复合热源热泵热水器的数学模型并用实验数据加以验证。利用验证过的模型进一步分析了各参数对系统性能的影响,为系统运行控制策略的制定提供理论依据。最后,根据太阳辐射强度和环境温度的变化,制定了不同工况下系统运行策略,并用实验检测变容量控制策略的控制效果。结合南京地区典型气象年的气象参数,对系统在变容量模式下和定容量模式下运行时的性能状况进行全年对比分析。结果表明,相比定容量模式,系统在变容量模式下的COP全年平均增长49.27%,耗电量平均下降29.73%,全年能源消耗效率增长37.29%,节能效果显著。