河北省热科学与能源清洁利用技术重点实验室（Hebei Key Laboratory of Thermal Science and Energy Clean Utilization）依托河北工业大学能源与环境工程学院建设，河北水利电力学院参与共建。实验室于2020年8月经河北省科学技术厅批准立项（冀科平函〔2020〕31号），2022年12月顺利通过建设验收，2025年完成第一届工作，进入第二届建设发展阶段（2025-2028年）。主要从事热科学理论与强化传热技术、能量转换理论与节能技术和可再生能源利用理论与技术等相关领域的研究及创新型人才的培养。
重点实验室拥有一支由高层次人才、学术带头人及中青年科研骨干组成的科研团队，现有研发人员30人，其中高级职称人员26人、具有博士学位人员27人。团队现有国家级高层次人才1人、国家级青年人才2人、省部级人才7人，涵盖河北省“百人计划”、河北省优秀创新人才、河北省“三三三”人才、江苏省“双创”人才、天津市“131”创新型人才、河北省高等学校青年拔尖人才、河北省高校百名优秀创新人才及河北省有突出贡献的中青年专家等各类人才。团队研究领域涵盖传热传质、工程热物理、动力工程、储能技术及新能源利用等多个方向，形成了结构合理、多学科交叉的科研队伍。现任实验室主任为王坤教授，副主任为赵玉龙教授和刘新健副教授，秘书为范元鸿副教授，第二届学术委员会主任为华北电力大学徐进良教授。
重点实验室先后承担国家自然科学基金、科技部及河北省、天津市各类科研项目150余项，其中省部级及以上科研项目65项，包括国家自然科学基金项目23项、省部级科研项目42项；承担企事业单位委托横向项目90余项，服务企事业单位70多家。累计发表国内外学术论文228篇，其中高被引论文17篇；获得授权专利84项，其中发明专利48项、实用新型专利36项；出版专著6部，实现科技成果转化1项，发布团体标准1项。先后获得国家自然科学奖二等奖1项、河北省科学技术进步奖一等奖1项、广东省自然科学奖一等奖1项、陕西省自然科学奖一等奖1项、河北省自然科学奖二等奖1项、江苏省科学技术奖三等奖1项等科技奖励。
重点实验室现拥有科研仪器设备49套，仪器设备总价值5038.9万元，固定资产总价值5038.9万元，试验用房1360平方米、办公用房580平方米。实验室仪器设备可用于科学研究、学生教学、人才培养、技术开发及产品测试等社会服务。大型仪器设备依托河北工业大学大型设备共享服务平台开展开放共享，既可满足校内其他单位的科研需求，也可为天津及周边地区科研院所和企事业单位提供设备共享、仪器测试及相关技术服务。
实验室依托河北工业大学动力工程及工程热物理一级学科博士点、博士后科研流动站、河北省热能工程重点学科以及天津市“区域能源与环境系统工程”特色学科（群）等平台，立足热科学理论，聚焦能源高效转换与清洁利用，开展应用基础研究、关键技术开发、科技成果转化及创新型人才培养。重点解决能源清洁高效利用过程中的关键科学问题，提升原始创新能力，突破能源转换与利用领域的关键技术瓶颈，推动科研成果的工程应用与转化。面向京津冀、辐射全国，为能源清洁高效利用和高端产业发展提供重要科技支撑。
重点实验室总体目标及功能定位：应用基础研究以及研究成果的工程应用转化。以本实验室、“区域能源与环境系统工程”天津市特色学科（群）、河北省热能重点学科以及“动力工程及工程热物理”博士一级学科等平台为基础，以热科学理论为基础，以能源的高效转换和清洁利用为核心，围绕能源利用中的热科学理论与强化传热技术、能量转换理论与节能技术、可再生能源利用理论与技术3个方向，解决能源清洁高效利用领域中的若干关键科学问题，着力提高原始创新能力，突破一批关键瓶颈技术问题，面向京津冀，辐射全国，成为引领能源清洁高效利用与高端产业发展的重要科技支撑。
主要研究方向
一、热科学理论与强化传热技术
（1）强化传热新机理
基于仿生散热机理，开展仿生传热研究，揭示树叶散热机理，分析树叶与气流的动态耦合关系，设计树叶仿生翅片，用于强化对流传热；以强化对流传热为目的，开展对流传热反问题研究，根据实际需要，构造不同目标函数，包括散热表面或流场中特定点的温度、对流传热系数、流动阻力、综合传热因子、（火积）耗散等，分析不同目标函数下的优化结果，获得对流传热优化反演方法；以高温淬冷、空调蒸发器或冷凝器为研究对象，利用喷雾方式实现强化传热、达到节能的目的。
（2）电子器件散热理论与技术
以风冷电子器件散热为主要研究对象，利用电磁驱动振动风扇获得振荡气流，实现发热元件的有效散热，对振动扇叶形状与结构开展创新设计，以流场主动控制为研究方向，达到增强散热性能的目的；开展超薄均温板研究，设计超薄均温板结构，研究传热性能，对于不同应用场合，如电脑CPU、LED灯和散热基站等，设计超薄均温板散热结构，完成推广应用；开展微细通道条件下蒸汽直接接触冷凝凝结的热质传递特性，主要包括汽液界面动力学行为研究、典型凝结流型的甄别、汽液界面瞬时演变特性、汽水直接接触凝结传热传质数学模型的构建及数值模拟，开展电子器件散热的应用研究。
（3）锂电池宽温域热管理技术
围绕锂电池宽温域运行与热安全需求，通过调控电极界面与电解液结构，开发耐高温电解液及阻燃隔膜，揭示电池内部材料特性对热稳定性及热失控行为的影响机制；结合外部热管理方案优化，构建电池内外协同热安全调控策略，实现锂电池在−10～60 ℃宽温度范围内的稳定运行，有效改善电池温控性能，降低热失控风险，提高电池运行的安全性与稳定性。
主要获奖：
（1）多尺度多物理场耦合的复杂系统中流动与传热传质机理研究, 国家科技部, 国家自然科学奖，二等奖.
（2）基于微纳尺度效应换热设备功能流体场协同强化传热机理，河北省政府,河北省自然科学奖，二等奖，2025.
（3）锂电池电极热质传递机理及宽温域热管理方法，陕西省政府，陕西省自然科学奖，一等奖，2024.
（4）全生命周期锂离子电池能量管理及安全技术研发与产业化，江苏省政府，江苏省科学技术奖，三等奖，2023.
主要科研项目：
（1）国家自然科学基金，周期振荡气流主动控制电子器件散热机理与强化研究（52276059），2023-2026.
（2）国家自然科学基金，超临界CO2蛇形管吸热器多场耦合能量输运特性及动态失效机制研究（52276061），2023-2026.
（3）国家自然科学基金，S-CO2混合工质类相界面发生机制与类冷凝热质传递机理研究（52406086），2025-2027.
（4）国家自然科学基金，三周期极小曲面超临界CO2吸热器热输运特性及多场耦合强化机理研究（52506079），2026-2028.
（5）国家自然科学基金，宽温域锂电池用温度响应型电解质及其动态溶剂化配位调控机制（22508085），2026-2028.
（6）国家自然科学基金，浸没式电池热管理过程沸腾传热特性及其热失控抑制机理（52506080），2026-2028.
（7）河北省自然科学基金，三周期极小曲面超临界CO2吸热器光热转换机理及调控机制研究（QN2025019），2025-2027.
（8）河北省自然科学基金，S-CO2混合工质类冷凝作用下光热电站空冷塔动态温控机 制研究（E2024202064），2024-2026.
（9）河北省自然科学基金，三周期极小曲面超临界CO2吸热器多场耦合高效吸热机理研究（E2025202069），2025-2027.
（10）河北省自然科学基金，辐射换热‑流体输运耦合强化非对称结构织物定向传热机制研究（E2025202187），2025-2027.
（11）河北省自然科学基金，电池储能系统高效热管理过程多相传热传质（E2024202056），2024-2026.
（12）河北省自然科学基金，无负极锂金属电池快充循环‑腐蚀耦合失效机理及界面协同调控（B2025202011），2025-2027.
代表性论文：
[1] W.J. Zhang, Z.G. Zhang, H.T. Zhang, Y. Luo, X.J. Liu, Z.H. Rao, Suspended Lithium Nitrate-Based Electrolytes: Electrostatic Interactions for Mutually Rewarding Interface Optimization Strategies, Adv. Sci., 12(18) (2025) 2416656.
[2] Y.H. Fan, H.Y. Zhang, K. Wang, X.L. Li, C.H. Min, A data-driven variable turbulent Prandtl number model for simulating supercritical CO2 heat transfer and flow in vertical pipes, Appl. Therm. Eng., 287 (2026) 129468.
[3] K. Wang, X. Wan, J.K. Liu, Z.H. Rao, Y.H. Fan, C.H. Min, Thermo-economic analysis and optimization of a novel solar power tower with a cascade supercritical CO2 Brayton cycle for expanding the temperature range of thermal storage, Appl. Therm. Eng., 278 (2025) 127338.
[4] K. Wang, X. Zhang, Z. Zhang, Z. Zhang, Y. Fan, C. Min, Z. Rao, Flow and heat transfer characteristics of supercritical CO2 in serpentine tubes under semi-circumferential heating conditions, Int. J. Heat Mass Transf., 236 (2025) 126304.
[5] K. Wang, S.F. Li, Y.F. Li, P.Y. Yan, Z.D. Zhang, C.H. Min, The performance evaluation of the free-falling particle solar receiver with a novel zigzag mass-flow controlled particle release pattern, Renew. Energy, 222 (2024) 119821.
[6] P. Lyu, Z.H. An, M.H. Li, X.J. Liu, X.N. Feng, Z.H. Rao, Artificial intelligence algorithms optimize immersion boiling heat transfer strategies to mitigate thermal runaway of lithium-ion batteries, eTransportation, 24 (2025) 100395.
[7] J.Q. Hu, Y.H. Fan, X.X. Wang, C.H. Min, K. Wang, Mechanism of hot spot temperature reduction by a new combined system of vibrating blade and vortex generator, Int. Commun. Heat Mass Transf., 156 (2024) 107610.
[8] P. Lyu, Y.L. Xiao, X.L. Fan, J. Han, X.J. Liu, Z.H. Rao, Effect of battery surface microtopography on immersion boiling thermal management for lithium-ion batteries, Renew. Energy, 256 (2026) 124258.
[9] X.L. Fan, Z.H. Wang, J.Q. Yu, X.T. Wang, X.J. Liu, C.Z. Liu, P. Lyu, Z.H. Rao, Microencapsulated phase change slurry coupled with bioinspired leaf-vein cold plates for thermal management of large-scale lithium-ion battery packs, Int. J. Heat Mass Transf., 272 (2027) 129556.
[10] Z.X. Zhong, Y.X. Hu, W.Z. Lin, T.T. Wu, Z.H. Rao, C.H. Wang, Thermal runaway propagation and heat transfer mechanisms of immersion-cooled lithium-ion battery modules with different connections, Int. Commun. Heat Mass Transf., 180 (2026) 112603.
二、能量转换理论与节能技术
（1）能量转换理论与技术
提高化石能源在能量转换过程中的利用效率，同时减少其在能量转换过程中的污染物排放，是实现节能减排重要途径。在化石能源中，液态燃料的燃烧很具有燃烧过程的代表性，并随着环保要求的提高其在能源结构中的比重逐渐提高。在液燃料燃烧过程中，传热、传质、雾化、两相流动及化学反应问题相互耦合，为此实验室将从燃料雾化机理及其稳定性、燃烧反应及不稳定机理、污染物形成及控制策略三方面开展基础理论与应用技术研究。
（2）热力系统节能技术与策略
在大气雾霾治理和清洁供热政策的推进下，节能降耗已经成为了基本国策。集中供热正是在这方面具有明显优势，因此才得以快速发展。与此同时，供热行业也亟待进行技术升级和提高运行水平，由“粗放型、经验型”的传统运行模式向“信息化、数字化和智慧化”方向转变。在此背景下，实验室针对目前供热及人居环境领域研究的热点问题，从对热负荷预测和供热系统优化运行策略、供暖所导致的大气污染问题以及其对人体身体健康的危害以及清洁能源与传统能源在热力系统供能中的优化配置三方面开展研究，旨在为暖通行业技术升级提供支撑，促进智慧供热技术的进步与应用。立足河北省重点能耗企业，开展节能技术开发，促进企业技术升级。
主要获奖：
（1）基于供热计量信息系统的智慧供热节能技术及产业化，河北省政府，河北省科学技术进步奖，一等奖，2018.
主要科研项目：
（1）国家自然科学基金，液化天然气冷能温差发电系统多场耦合机理与动态响应特性（52206083），2023-2025.
（2）国家自然科学基金，富微细CO2气泡碳酸水驱油界面稳定性调控机理（52506183），2026-2028.
（3）国家自然科学基金，超弹性体高速入水变形行为及空泡流动特性研究（12402283），2025-2027.
（4）国家自然科学基金，燃料/氧化剂空间浓度调制过程对火焰结构及污染物生成机理的影响（51276055），2013-2016.
（5）国家自然科学基金，支板构型超燃燃烧室内流动燃烧迟滞现象发生机理研究（51806057），2019-2021.
（6）国家自然科学基金，基于气液相变型尾气温差发电器的热质传递与热电输运耦合特性研究（51906056），2020-2022.
（7）国家自然科学基金，液雾燃烧过程中热声耦合振荡的发生规律及控制策略研究（50876026），2009-2011.
（8）国家自然科学基金专项项目，非牛顿流体雾化过程中的不稳定性问题（12042211），2020-2021.
（9）国防基础科研计划项目，极寒环境下集成相变腔的热电发电系统多场耦合特性与性能强化研究（QDXT‑WY‑202407‑14），2024-2026.
（10）中央引导地方科技发展资金项目，大温升型热泵在多冷热源场协同作用下的热力学机理研究，循环性能优化策略及多模态系统构型方法研究（246Z4507G），2024-2027.
（11）河北省自然科学基金，基于喷雾加湿的烟气余热温差发电系统多场耦合机理与性能强化研究（E2024202089），2024-2026.
（12）河北省自然科学基金，拓扑优化驱动的高效温差发电器结构设计与性能增强研究（E2025202137），2025-2028.
代表性论文：
[1] M.H. Ge, J.M. Jiang, Y.J. Hou, F.Y. Wu, Y.L. Zhao, B.X. Zhang, Lattice Boltzmann investigation of the coupled effects of structural features and degradation on liquid water removal in gas diffusion layers of PEMFCs, Int. Commun. Heat Mass Transf., 175 (2026) 111006.
[2] Y.L. Zhao, Y. Qin, A. Zuo, W.J. Li, L.Y. Xie, W. Wang, D. Vulin, Y.L. Wang, M.H. Ge, Experimental investigation of heat pipe thermoelectric system under dynamic heat sources, Renew. Energy, 245 (2025) 122796.
[3] Y.L. Zhao, F.Y. Wu, X. Han, J.M. Jiang, Y.J. Hou, M.H. Ge, B.X. Zhang, The influence of oblique fin channels on proton exchange membrane fuel cells: Considering different thermal contact resistances and gas diffusion layer porosities, Int. J. Heat Mass Transf., 265 (2026) 128796.
[4] Z.W. Xuan, Y.K. Wang, M.H. Ge, H.Q. Wei, Y. Peng, T. Sato, Y.L. Zhao, Structure optimization of solar thermoelectric generator under nonuniform solar radiation, Renew. Energy, 256 (2026) 124122.
[5] Y.L. Zhao, X. Han, W.J. Zhang, M.H. Ge, B.X. Zhang, Investigation on the performance of proton exchange membrane fuel cells with bamboo-shaped flow fields under various gas diffusion layer, catalyst layer thicknesses and interfacial thermal contact resistances, Int. J. Heat Mass Transf., 272 (2027) 129555.
[6] Z.W. Xuan, A. Zuo, X.L. Zhao, W.J. Li, H.Q. Wei, Y. Peng, T. Sato, Y.L. Zhao, Effect of dynamic heat source variations on the performance of heat pipe thermoelectric generator: An experimental study, Renew. Energy, 276 (2026) 126354.
[7] Z.L. Zhao, M.H. Ge, Z.X. Li, Z.W. Xuan, W. Wang, Y.L. Zhao, Experimental study on the thermoelectric performance of a thermoelectric generator coupled with phase change thermal storage under periodic transient heat sources, Appl. Therm. Eng., 305 (2026) 132974.
[8] X.L. Zhao, H.Y. Liu, T.D. Zhao, M.H. Ge, W. Wang, Y.L. Zhao, Experimental study on pulsed control of thermoelectric coolers under thermal shock, Int. J. Therm. Sci., 231 (2027) 111260.
[9] M.H. Ge, J.M. Jiang, Y.J. Hou, F.Y. Wu, Y.L. Zhao, B.X. Zhang, Lattice Boltzmann study of microporous layer crack branching effects on water removal in gas diffusion layers, Int. Commun. Heat Mass Transf., 179 (2026) 112226.
[10] Y.L. Zhao, F.Y. Wu, X. Han, J.M. Jiang, H.S. Li, B.X. Zhang, Computational fluid dynamics analysis of proton exchange membrane fuel cells with wavelike protrusions: Effects of gas diffusion layer porosity and anode-cathode pressure difference, J. Power Sources, 666 (2026) 239097.
三、可再生能源利用理论与技术
（1）安全高效太阳能热发电及储能技术
掌握高、中、低温不同温度范围太阳能光热力耦合机理，研发安全高效的太阳能吸热器；研究高效经济的储热技术，掌握储热装置的动态特性；研究太阳能热发电技术的高效集成，掌握太阳能资源波动等条件下对热发电系统的动态特性，给出变工况调控策略。
（2）跨季节太阳能-地源热泵供热空调系统
针对太阳能、地热资源在供热空调系统中的应用，围绕太阳能集热、太阳能跨季节储热、空气源热泵、地源热泵等可再生能源相关技术，开展多能源耦合互补机制研究，提出基于太阳能与地源热泵耦合利用新原理与新技术，为农村地区的清洁采暖提供科学依据，研究能源高效利用、能源匹配和能源优化，研究高效储能材料和高效储能技术。
（3）生物质热解气化综合利用及采暖装备
掌握生物质热解气化机理及能量高效转换机制，研究生物质热解气化综合利用途径，揭示不同因素对热解反应的影响规律；研究生物质压块技术，针对北方采暖特点，研制生物质采暖装备，并提出针对京津冀农村地区生物质压块燃料分户供暖的推广模式。
主要获奖：
（1）受限空间相变传热特性及其调控机理，广东省政府，广东省自然科学奖，一等奖，2023.
主要科研项目：
（1）国家自然科学基金，基于磁热转换的多孔复合材料相变储热过程传热特性及其调控机理（52406085），2025-2027.
（2）国家自然科学基金，可逆热致变色复合相变储能材料储热特性及其光热转换性能调控机理，（52276060），2023-2026.
（3）国家自然科学基金，聚酰亚胺基气凝胶复合相变材料传热-阻燃性能协同强化机理与验证（52406084），2025-2027.
（4）国家自然科学基金，相变储能过程多孔骨架强化传热微纳调控机理，（52176092），2022-2025.
（5）国家自然科学基金，热管理过程相变储热材料界面热阻微观调控机理（52306080），2024-2026.
（6）国家自然科学基金，相变储能材料在电池热管理应用中的热质传递调控机理，（52311530086），2023-2025.
（7）国家重点研发计划课题，相变材料的储能动力学及宏/微观封装界面调控与长效稳定机制（2022YFB3806503），2022-2025.
（8）国家重点研发计划课题，熔盐储热系统优化及大容量高温熔盐储罐的可靠性设计制造（2022YFB240520102），2022-2026.
（9）天津市杰出青年基金，相变微纳胶囊热输运过程传热传质强化及其微观调控机理，（22JCJQJC00010），2022-2026.
（10）河北省自然科学基金，柔性相变材料热管理过程微纳传热传质调控机理（E2024202076），2024-2026.
（11）天津市自然科学基金，钙基热化学储能多尺度热质传递规律及多场耦合动态 调控机制研究（S24ZDB287），2024-2027.
（12）天津市自然科学基金，相变储热胶囊多尺度传热传质调控机理（23JCQNJC01160），2024-2026.
代表性论文：
[1] Z.H. Rao, P.Z. Lyu, M.H. Li, X.J. Liu, X.N. Feng, A thermal perspective on battery safety, Nat. Rev. Clean Technol., 1 (2025) 511–524.
[2] K.X. Dong, A. Sagara, Q.D. Li, K.P. Huang, Y. Shimizu, T. Nakamura, J.C. Mba, K. Tanahashi, M. Jeem, Z.H. Rao, T. Nomura, Third-generation ultralong-term latent heat storage glass based on a sugar alcohol mixture, Sci. Adv., 12(39) (2026) eaei4311.
[3] K. Wang, B.C. Liu, C.M. Zhang, C.H. Min, Z.H. Rao, A reactive molecular dynamics study of the sintering and inhibition mechanism of Ca(OH)2/CaO hydroxide heat storage materials during the exothermic process, Chem. Eng. J., 505 (2025) 158862.
[4] K. Wang, C.M. Zhang, B.C. Liu, L. Yang, C.H. Min, Z.H. Rao, Agglomeration inhibition mechanism of SiO2 in the Ca(OH)2/CaO thermochemical heat storage process: A reactive molecular dynamics study, Chem. Eng. J., 480 (2024) 148118.
[5] K. Wang, B.L. Wang, Y. Li, X.D. Wang, C.H. Min, Z.H. Rao, A numerical study on regulating the latent heat storage process of Fe3O4-paraffin wax composite materials by using gradient magnetic field, Int. J. Heat Mass Transf., 231 (2024) 125874.
[6] Z. Liu, H.Y. Li, M.R. Sun, C.D. Nie, S.J. Wang, C.Z. Hu, D.W. Tang, Z.H. Rao, Polyvinyl alcohol-based phase change aerogel used for safety, thermal-comfortable, and quiet buildings, Energy, 323 (2025) 135817.
[7] H.Y. Li, Z.L. Guo, Z. Liu, C.D. Nie, S.J. Wang, M.H. Li, Z.H. Rao, Advanced functional polyimide aerogel-based composite phase change materials for battery thermal management and fire alarm function, Chem. Eng. J., 529 (2026) 172862.
[8] X.Y. Wang, G.T. Zhang, Y. Sun, C.Z. Liu, Z.H. Rao, Design and characterization of advanced wood-based beeswax composite phase change materials for passive thermal regulation in energy-efficient buildings, Constr. Build. Mater., 538 (2026) 147318.
[9] H.Y. Li, Z.L. Guo, Z. Liu, C.D. Nie, X.J. Liu, Z.H. Rao, Effect of polydopamine surface modification on the phase change enthalpies of melamine foam-based phase change materials, Sci. China-Technol. Sci., 69(11) (2026) 2120106.
[10] K. Wang, Y. Li, B. Wang, Z. Rao, C. Min, Study on the integrated battery thermal management system based on magnetic fields and nano-enhanced phase change materials coupled with electrothermal films, Int. J. Heat Mass Transf., 240 (2025) 100443.
主要专利成果：
（1）一种提高电池模块一致性的相变液冷装置，202211077979.3
（2）一种基于线性菲涅尔透镜的太阳能储热供 热装置，202210915443.8
（3）一种分区LED照明电源智能调控系统，202310338320.7
（4）一种弧形结构吸热单元及紧凑式太阳能吸 热器，202411419656.7
（5）一种全流程自动化锂离子电池回收装置，202310939973.0
（6）一种用于地面直连式试验台的燃烧型空气 加热器，202510645949.5
（7）基于深度学习的锂电池荷电状态与健康状 态联合估计方法，202310270833.9
（8）非流体相变熔盐换热的计算方法和系统，202510082015.5
（9）一种分布式浮力储能装置，202310765093.6
（10）一种飞行器水下实验用上浮装置，202511156902.9
（11）一种基于定向热辐射调控的街区能源利用材料及制备方法，202511696313.X
（12）一种交叉流动式换热单元及紧凑式太阳能吸热器，202310712620.7
（13）新能源动力电池液冷板防护用复合涂料及其制备方法，202511902104.6
（14）一种用于热管理的柔性可伸缩一体式热管，202510266564.8
（15）一种通过浮力储能提高抽水蓄能效率的方法，202310770829.9
（16）基于追光光伏的多能耦合梯级供暖系统及其使用方法，202310803744.6
（17）一种智能控温方法、系统及电子设备，202310579672.1
（18）带三维变截面扰流结构的换热单元及紧凑式太阳能吸热器，202310712627.9
（19）基于风能、太阳能及储热的耦合储能及热电联供系统，202211588384.4
（20）基于多尺度特征与全局信息交互的光伏组件缺陷检测方法，202511247759.4
主要共建单位：
河北水利电力学院