天津大学热能与制冷工程系成立于1978年，原名为热物理工程系，1997年更名为热能与制冷工程系。国内研究热泵节能技术的专家学者吕灿仁教授是本系的创始人，从上世纪50年代就开始热泵技术的研究和应用，为本系的科研和教学打下坚实的基础。
1965年天津大学与天津冷气机厂成功研制水源热泵空调机组；1966年与铁道部四方车辆研究所共同合作，进行干线客车的空气-空气热泵试验；1970年代从事科研项目“中间介质法地热发电装置及系统的试验研究”，获1978年全国科学大会奖。
1974年天津大学《热工问题讨论集》第一集出版，到1995年先后共出版了10集；1978年筹建工程热物理专业和工程热物理系；1979年开始招收硕士研究生，1981年工程热物理学科获得硕士点；1981年开始招收工程热物理专业本科生；1984年工程热物理学科取得博士点，开始招收博士研究生；1984年教育部批准成立天津大学热能研究所；1990年工程热物理被评为天津市重点学科；2000年工程热物理学科成为首批“211”资助学科，动力工程及工程热物理（涵盖了5个二级学科）获一级学科博士授予权。
2001年，热能与制冷工程系与西安交通大学等院校合作课题“面向21世纪热工课程教学内容与课程体系改革的研究与实践”获高等教育国家级教学成果一等奖。
为推进节能减排技术，本系马一太教授、李敏霞副教授近年来在自然工质二氧化碳跨临界循环的基础和应用研究方面做了大量的开拓性工作。本项目立足在新型制冷和热泵循环装置中应用二氧化碳自然制冷剂。已完成超临界流体换热性能的研究、二氧化碳膨胀机的机制研究、二氧化碳跨临界热泵带膨胀机的系统研究和二氧化碳跨临界双级循环的系统研究等。在国内外发表高水平论文160篇，其中SCI和EI检索近30篇，并已申报16项发明专利和实用新型专利，主持完成6项国家级和省部级科研项目。开发具有自主知识产权的二氧化碳空调制冷系统，该成果已通过教育部和天津市科委主持的鉴定。
主要研究方向：应用热力学；制冷、热泵技术（包括二氧化碳跨临界循环）；低品位能源（包括地热、太阳能、余热）有效利用；新工质和无环害代用工质（含自然工质）的热物性；生物传热；燃气热泵节能技术；中高温热泵系统及优化；能源、环境与可持续发展。