鉴于对可用能源的利用和对环境的保护,本文以综合利用太阳能和空气能为低位热源、并用自然工质热泵来制取生活热水的思路,提出了CO₂复合热源热泵热水器系统,通过理论模拟与实验相结合的研究方法,对CO₂复合热源热泵热水器的制热性能、耗功率、加热速率等运行特性进行研究。具体如下：（1）为了获得CO₂跨临界循环制取生活热水的运行特性与不同之处以及复合热源的优势,分别从制冷剂和热源模式两个方面进行了对比。一方面建立了分别以CO₂、R134a和R22为工质的热泵热水系统各部件的数学物理模型。以相关文献中复合热源R22热泵热水器的实验数据验证了模型的精确性后,对CO₂、R134a和R22为工质的复合热源热泵热水系统的运行特性进行了仿真分析,对比了不同环境温度下三种工质的制热性能、集热/蒸发器的太阳能吸收率、循环加热时间和吸排气温度/压力的变化规律。得出结论：CO₂在环境温度低于13℃时的制热性能优于R134a和R22；另外,在不同工况下,CO₂的加热周期大于R22而小于R134a,吸排气压力高于R134a和R22。另一方面,建立了与复合热源热泵热水器比较的单一空气源热泵热水系统的仿真模型。在几种典型工况下的模拟结果显示复合热源比单一空气源系统的COP平均提高了20%左右。以上结论表明,采用复合热源CO₂热泵热水系统与常规热水器相比有独特的环境优势、低温优势和性能优势。（2）为了深入分析CO₂复合热源热泵热水器系统在全年不同季节典型工况下的性能,及影响其运行特性的参数,以静态加热式CO₂复合热源热泵热水器为物理对象,针对该系统中的各个部件,建立了相关数学模型。与此同时,编写了CO₂复合热源热泵热水器系统模拟程序,分析了系统在不同季节工况特别是低温环境下的性能,从冷却压力、环境温度、太阳辐射强度、气体冷却器结构参数、集热/蒸发器结构参数、运行压力和气体冷却器出口温度等角度分析了该系统运行特性的变化规律。模拟结果表明,复合热源系统能在全年不同季节工况下获得3.0以上的COP值,特别是在环境温度仅0℃时,COP仍有3.05；同时得出环境参数和结构参数等对系统运行特性的影响规律,为系统的优化设计和运行提供了一定的指导作用。（3）为获取自行设计的集热/蒸发装置的吸热性能和系统的运行特性,对复合热源系统的相关设备进行了选型和制作,搭建了系统的实验平台。实验研究了运行过程中集热/蒸发装置的太阳能利用比例以及系统运行特性随着加热过程的变化。研究结果表明当太阳辐射连续较强时,太阳能可完全被利用,系统的平均COP达3.77；当太阳辐射不稳时,制冷剂吸收的太阳能比率最高达92%,平均COP为3.48。在特定环境条件下将实验值与仿真值进行比较,模拟数据为进一步研究提供参考依据。