目前,在一次能源消耗占主导地位背景下,我国能源资源利用率较低,大量中低品位余热被直接排放于环境中。因此,有效回收低品位余热对减少环境污染和实现能源可持续发展意义重大。有机朗肯循环（Organic Rankine cycle,ORC）系统能够将余热转化为功,是中低温余热的一种有效利用方式。系统具有易操作、结构简单和投资成本低等优点,被认为具有较大的商业推广潜力。本文对ORC技术研究现状进行了调研,在微型ORC实验台上开展了变热源工况的稳态实验;研究了ORC系统的生态可持续性能,建立其生态生命周期框架;对比分析了能源、经济、环境和生态方面的系统综合性能,开展了不同工质系统的多目标优化工作;提出了ORC在内的多联产系统模型,采用（火用）经济分析方法,讨论了进一步提高多联产系统（火用）经济性能的措施;建立了由ORC等子系统组成的热电联产系统变工况模型,提出新型燃气轮机联合控制策略并开展了案例研究。主要研究内容及结论如下:（1）基于ORC系统热力学模型,研究了不同工质系统的净输出功、热效率和（火用）效率随蒸发压力的变化情况,分析了系统设备的不可逆损失分布。在开式热源条件下,工质临界温度与热源进口温度存在匹配关系,系统净输出功与（火用）效率变化趋势一致。随着系统蒸发压力升高,大部分工质系统的热效率单调递增。系统部件不可逆损失分布按降序排列依次为换热器、膨胀机和工质泵。（2）在微型ORC系统实验平台上进行了变热源工况的稳态实验研究。热源温度变化对蒸发器出口温度和压力、膨胀功的影响较大。热源参数同样会影响膨胀比,但其变化规律不明显,同时造成系统发电机的实际输出功率波动,但波动幅度较小。最后对实验台存在的问题提出了改进方案。（3）构建了ORC系统可持续评估框架,评估了在资源、经济和环境三方面的生态可持续性能。对比分析了ORC技术与火力发电在生态累积（火用）耗目标上的差异。最后通过案例说明了该模型框架的应用。在R134a为工质的系统中,社会经济投入的生态累积（火用）耗占比最高,其次为环境污染排放,最后是自然资源消耗。以可持续发展为目标,ORC技术需要降低其社会经济的投入,而火力发电的关键在于污染物的排放控制。案例研究表明R1336mzz系统的可持续性能在所选HFO类工质系统中最优,且系统可持续性能随热源温度的升高不断地提升。（4）建立了ORC系统的多目标优化模型,以净输出功、单位发电成本、碳减排量和生态累积（火用）耗为目标函数,分析了系统在能源、经济、环境与生态方面的综合性能。研究发现蒸发器的投资成本占比最高,生产膨胀机的碳排放量在设备碳排放中最大,工质的碳排放主要源于系统泄漏过程。研究表明低GWP工质具备更好的减排潜力。在不同工质系统的多目标优化对比研究结果表明,采用工质R245fa的系统,热力性能突出;采用R601的系统,热经济性最优;采用R600a的系统,环境性能最佳。基于不同的侧重点,系统性能优劣各异,不存在普适的最优工质能够同时满足上述的目标条件。（5）提出了新型三联产系统模型,采用（火用）经济分析方法研究了系统的性能。讨论了不同ORC工质和优化目标下的联产系统性能差异。研究表明燃气轮机子系统投资最高,其次为超临界二氧化碳循环、ORC和吸收式制冷循环子系统,且后两者的（火用）损率相对较低。采用R600为ORC工质的联产系统不仅（火用）经济性能最优,且热效率最高;采用R601为ORC工质的联产系统（火用）效率最高。不同优化目标的对比分析发现,燃烧室是联产系统中最关键部件,吸收器对制冷循环子系统十分重要。（6）根据热电联产系统变工况模型,提出了新型燃气轮机联合控制策略。对热电联产系统与制冷机组间不同的集成方案展开案例研究。结果表明提出的新型联合控制方案比传统透平进口温度控制方案,系统具有更高热效率,且能有效避免排烟温度过低。集成系统采用电动冷水机组节能效果更优,但经济和环保性能比采用吸收式制冷机组的方案差。能源节约率最高的是采用联合控制策略和电动冷水机组的集成方案,经济和环境性能最好的是采用联合控制策略和吸收式制冷机组的集成方案。