低品位热能（200℃以下）,如太阳能光热、地热能和工业余热等,储量丰富,对其高效利用可以有效地减少化石能源的消耗。然而,低品位热能难以驱动传统的蒸汽朗肯循环,所以,探索其他高效的热力学循环系统具有重要意义。本文以低温地热能为热源,分别提出并分析了以氨水为工质的功冷联供循环系统和以低沸点有机物为工质的改进型有机闪蒸循环系统。另外,提出一种针对有机朗肯循环系统及核心部件（向心透平）的耦合设计和优化方法。文章的主要内容总结如下:首先,为回收低品位地热能,本文提出了两种以氨水为工质的吸收式功冷联供循环系统,即双压串联循环（DSC）系统和双压并联循环（DPC）系统。建立了两种系统的热力学和经济学模型,分析和优化了联供系统的性能。结果表明,在给定的条件下,DSC的（火用）效率和总（火用）效率分别为34.44%和24.63%,高于DPC的30.05%和23.81%,但DSC的成本率较高,比DPC高3.6%。此外,参数分析表明,增加热源温度和基础氨溶液浓度能提高DSC和DPC的热力学性能,而提高分离压力、精馏压力和节点温差则导致性能下降。此外,采用多目标优化遗传算法（NSGA-Ⅱ）获得了系统的帕累托前沿,并通过综合决策方法（TOPSIS）获得了最优解。其次,为了实现低品位地热能和质子交换膜燃料电池余热的协同利用,本文提出了两种以低沸点有机物为工质的改进型有机闪蒸循环系统,分别为输出功为主的增强型发电（EPG）循环系统和以输出制冷量为主的功冷联供循环（CCP）系统。建立了热力学和经济学模型以分析联供系统的性能。结果表明,在给定的条件下,EPG和CCP的总热效率分别为8.50%和8.83%,而总（火用）效率分别达到36.77%和34.11%。系统（火用）分析表明,（火用）损最多的部件是闪蒸器、冷凝器和锅炉。参数分析表明,提高热源温度和降低冷凝温度能提高联供系统的热力学性能,但成本也随之增加。更高的燃料电池工作温度和更低的工作压力对这两个系统的热力学和经济性能有积极影响,但需要考虑燃料电池的承受能力。此外,存在最佳的燃料电池电流密度,使得系统的总热效率和总（火用）效率最高。最后,对这两个联供系统进行了多目标优化和决策分析,得到了不同有机工质（R600,R123,isobutene,R245fa and butane）的帕累托前沿。最后,本文提出了一种低温余热驱动的有机朗肯循环系统和向心透平的耦合设计和优化方法。首先,用一维中心流线法对向心透平进行设计,建立系统-透平的耦合模型,并通过多目标优化得到了初步设计参数。然后,对向心透平的叶轮进行CFD分析,得到子午面Bezier点坐标的数据集,并使用三种机器学习回归算法（随机森林、XGBoost和支持向量机）来训练代理模型。最后,优化叶轮的子午面形状以提高透平的输出功。结果显示,该系统在决策点的净输出功和成本率分别为393.06kW和13.59$/h。支持向量机在三种回归算法中得到最高分（R2）,为0.994。优化模型在叶轮吸气面上的压力分布比初始模型更均匀,二次流减少,输出功增加了 7.5%。本文可为回收利用低品位热能的热力学循环系统的工质选择、循环结构改进和向心透平的优化提供参考。