面对北方地区清洁供暖的持续推行和夏热冬冷等南方地区供热需求的扩大,采用清洁环保的太阳能资源解决供暖和生活热水需求成为降低建筑能耗和节能减排的有效措施。本文提出一种太阳能-空气源热泵复合供热系统,可以同时满足居住建筑的供暖和生活热水负荷需求,对系统在不同气候区典型城市居住建筑中的最优设计组合展开研究。首先,提出一种太阳能-空气源热泵复合供热系统,用于满足居住建筑的供暖和生活热水需求,并对系统的基本组成、运行模式和控制策略以及用户的供热需求和系统选型分别进行介绍。基于TRNSYS构建了系统仿真模型,为系统在不同气候区应用的设计优化奠定基础。其次,选取一户典型居民住宅作为研究对象,在天津地区搭建了太阳能-空气源热泵复合供热系统实验台,对建立的TRNSYS系统仿真模型准确性进行实验验证。对比实验测试数据与仿真模拟结果,发现两者平均偏差均小于10%,因此可以利用该仿真模型进行太阳能-空气源热泵复合供热系统实现在不同气候区的最优化设计。最后,分别在严寒地区、寒冷地区和夏热冬冷地区选取典型城市沈阳、天津和上海,以天津滨海新区中新生态城某居民住宅为例,分别以太阳能保证率最高和系统费用年值最低为优化目标函数,优化变量包括太阳能集热器面积、空气源热泵热水机组制热量和蓄热水箱容积,利用正交试验设计得到不同组合方案,通过TRNSYS仿真模拟得出不同气候区典型城市居住建筑太阳能-空气源热泵复合系统的最优设计组合。此外,基于供暖和生活热水用水温度的差异和对太阳能供热水温的梯级利用,提出一种双水箱太阳能-空气源热泵复合供热系统。与单水箱系统进行对比,得出双水箱复合供热系统可以带来更好的可再生能源利用率,有着较好的应用前景。