始建于1932年的机械工程学系动力工程组，后几经更名，1964年成立热能工程研究组，1999年变更为至今的热能工程研究所，是我国能源领域重要的教学与人才培养基地、科研单位和国际交流平台，服务于电力、动力、国防、航天航空、环保等工业行业。该所是工业锅炉及民用煤清洁燃烧国家工程研究中心、热科学与动力工程教育部重点实验室、山西清华大学清洁能源研究院、华能集团清华大学基础能源研究院、华电集团清华大学绿色低碳能源技术创新联合研究中心等的主要成员单位，也是怀柔国家实验室山西研究院的重要参与单位。
近20年来，牵头承担4个973计划项目，以及50余个863计划、科技支撑计划、重点研发计划、国际重大合作项目和973课题。作为第一完成单位或第一完成人，获得国家科技进步一等奖1项、国家科技进步二等奖1项、省部级科技一等奖15余项。现有科研教学人员近30人，其中14名长聘教授、2名中国工程院院士（岳光溪教授和吕俊复教授）。
主要研究方向包括：
➢化石燃料及其高效、清洁、低碳转化；
➢低碳燃料和新能源开发应用；
➢储能、氢能与燃料电池技术；
➢碳捕捉及化学链燃烧理论与技术；
➢数值模拟和智慧能源技术；
➢先进多相流动、燃烧理论和测量技术等。
工程热物理研究所始建于1952年，由国际著名工程热物理学家、中国科学院院士王补宣教授担任第一任教研组主任（至1984年）。研究所多年来紧密围绕国民经济发展和国防建设的重大需求，聚焦热科学领域国内外研究热点与学术前沿，注重基础热科学问题的探索并与实际相结合，针对低碳能源与先进空天动力、制冷与低温、节能减排、非常规油气勘探开发、微机电系统及交叉学科领域中的重大热科学技术问题开展研究。曾获得国家自然科学奖二等奖1项，国家技术发明奖二等奖2项，参与获得国家科技进步一等奖1项，以以及其他国家和省部级科学技术奖20余项。授权百余项中国及国际发明专利，在国内外权威学术期刊发表了大量高水平论文。
主要研究方向包括：
➢微/纳尺度流动换热与界面现象
➢凝结与沸腾换热
➢多孔介质中流动与换热
➢超临界压力流体流动换热
➢流体工质热物性与能量系统优化分析
➢热物理参数测量方法与技术
➢强化换热与换热器
➢动力工程与航空航天领域中的热防护、热利用与热管理
➢新型空调制冷系统及能源资源的高效利用
➢页岩气、地热和稠油等高效开采技术的基础研究
➢CO2封存与资源化利用
燃气轮机研究所始建于1956年，由国际著名工程热物理学家、中国科学院院士吴仲华教授创立。研究所紧密围绕国家在航空发动机和燃气轮机领域的重大战略需求，重点针对燃气轮机和以燃气轮机为核心动力设备的能源动力系统，开展应用基础与关键技术研究。先后承担了国家“两机”重大专项、973、863、国防重点项目、国家自然科学基金等重大项目，以及国际合作和横向合作研究项目。在国内外权威学术期刊公开发表大量高水平论文，获授权发明专利百余项，完成了十余项科技成果转化，曾多次荣获国家级、省部级和相关行业的科技进步奖。
主要研究方向包括：
➢能源动力系统工程
➢叶轮机械气动热力学
➢燃烧科学与技术
➢内流传热传质学
➢燃气轮机装置与技术
➢叶轮机械控制与工程学
➢可再生能源理论与技术
流体机械及工程研究所始建于1955年，前身为清华大学水利工程系的“水力动力装置”专业，是我国创建最早的流体机械及工程学科，1960年成立了“水电站机电设备”教研组，1985年教研组对应的专业名称改为“水力机械”专业，1987年再次更名为“流体机械”专业，1998年取得二级学科博士学位授予权，1999年调整至热能工程系，2001年正式成立流体机械及工程研究所。研究成果获多项国家科技奖，其中参与完成的“长江三峡枢纽工程”获得国家科学技术进步奖特等奖、主持完成的“混流式转轮设计与特性预测”获得国家科学技术进步奖二等奖，参与完成的“湍流模拟技术及其在水利水电工程中的应用”、“混流式水轮机水力设计优化的关键技术及应用”、“复杂多变工况离心泵关键技术及工程应用”获得国家科学技术进步奖二等奖。
主要研究方向包括：
➢流体机械流动理论及流动控制
➢流体机械多场耦合理论及优化设计
➢流体机械固液两相流及泥沙磨损
➢空泡动力学及空化两相流
➢新型流体机械及生物流体机械
热能动力仿真与控制研究所始建于1959年，以能源动力学科为基础，与系统工程学科、环境学科、管理学科、自动化技术等多学科广泛交叉，进行多尺度能源动力系统的测量、建模、仿真、控制、分析、优化等多方向研究和教学。曾获国家科技进步一等奖、国家科技进步二等奖、全国十大科技成就奖、教育部科技进步一等奖等多项国家级和省部级奖励。
主要研究方向包括：
➢能源战略研究及能源系统工程
➢能源动力先进测量技术（激光等）
➢燃料电池的材料、技术和产业化
➢电站运行优化及仿真、控制
清华大学燃烧能源中心于2010年8月1日正式成立，是一个新型的开放型研究机构，旨在建设国际一流的燃烧能源和燃烧科学研究中心及人才培养基地，支撑未来能源的可持续发展和能源动力系统的创新。中心愿景：建设成为国际一流的燃烧能源和燃烧科学研究中心及人才培养基地，推动基础燃烧学、清洁燃烧能源技术以及中国的燃烧研究整体水平的发展；依托清华大学在煤清洁燃烧、汽车发动机、航空发动机、火灾和环境等研究领域的高水平研究基础，通过吸引优秀研究学者和进行广泛的国际交流来促进自身的发展；在进行高水平科学研究的同时，发挥自身优势邀请国际学术大师开设面 向全球的暑期课程，为促进燃烧学发展贡献力量。
主要研究方向包括：
➢燃烧理论
➢湍流燃烧
➢燃料设计
➢流体物理
➢燃烧化学
➢微重力燃烧
➢激光诊断
➢交叉科学
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