高效、合理、深度地回收利用工业余热资源对提高我国能源利用率有着重要意义,低品位能量利用系统的实际性能直接决定着余热回收效率的高低,因此对其进行性能优化至关重要。为满足实际需求,多数情况下需要对系统的多个目标综合考虑。本文以温度低于200℃的工业烟气为热源,基于MALAB环境下的NSGA-II多目标遗传算法和TOPSIS选择算法对ORC系统、Kalina循环、电化学循环进行多目标性能优化研究,为系统在实际应用中设计参数的优化及循环工质的选择提供参考。本文首先以ORC系统的输出功率和?效率为多目标优化函数,分析不同工质和热源温度对输出功率、热效率、?效率和?损失等性能的影响。优化结果表明,最大输出功率和最大?效率两个优化目标相互制约,工质R245fa、n-pentane和R245ca能更好地协调两者的关系,其中工质R245ca的输出功率和?效率与最大值相比仅分别降低0.37%和4.22%。工质的蒸发温度越高,系统的输出功率和?损失也越大;工质的极限温度越高,相应的热效率和?效率也越大。Kalina循环理论上比ORC系统具有更高的效率,本文也对Kalina循环（KCS-11）进行了?分析和多目标优化,提出内部?效率和外部?效率的概念,分别了研究蒸发压力和基本溶液氨浓度对系统内部?效率和外部?效率的影响。多目标优化的结果表明,存在基本溶液氨浓度和蒸发压力的最优组合使系统处于最合适的运行工况,此时输出功率与最大值相比仅降低0.7%,而?效率则为折中值。Pareto前沿的关系式拟合表明,?效率—功率的性能曲线和功率—?效率的性能曲线均满足4阶多项式。其次,电化学循环在低品位余热回收方面也具有很大的应用潜力,本文基于有限时间热力学和遗传算法,考虑过程的持续时间、有限温差传热、回热损失及热源之间的漏热量等因素,系统地分析电极材料、换热器性能和冷热源的温度比对电化学制冷机的功率消耗、制冷功率和性能系数等参数的影响,并基于χ准则将制冷机传统的工作区间细分为两个更加具体的子区间。最大的χ准则优化下,选择具有更大的等温系数和电容量密度、更小的内阻和比热容的电极能提高电化学制冷机的综合性能;高性能的换热器不能显著提高制冷机的性能系数,电池的内阻不应大于0.05Ω,最合适的电容量密度为41.7mA·hg^-1;存在最优的换热器热导（Kh=40 WK-1和Kc=160 WK-1）使性能系数最大,且最大值均为1.27。此外,本文基于能量的梯级利用原则提出了ORC和电化学循环耦合的梯级系统,并对其进行了多目标优化研究。模拟结果显示,梯级系统显著提高了余热的综合回收效率,虽然ORC子系统的输出功率低于电化学循环子系统,但其热效率和?效率均明显高于后者。多目标优化与最大输出功率优化的结果相比,梯级系统的总输出功率仅降低1.16%,而总?效率增加2.23%;与最大?效率优化的结果相比,总?效率降低2.06%,但总输出功率增加19.27%。最后,在电化学制冷机的应用方面,本文提出了利用废热温差发电器驱动的电化学制冷系统。数值计算结果表明,与TGM-127型系统相比,虽然HZ-2型系统的热电转换性能处于劣势,但其体积和重量明显减小,更适合应用在汽车、卫星等领域。